Automaatio 1 Toiminnot osa 1, 2017 ELEC-C1210

ympäristö häiriöitä materiaalit energia 1 Fyysinen prosessi materiaalit energia informaatio ohjaus informaatio mittaus 2 informaatio ohjausjärjestelmä informaatio

http://www.metronik.net/mepis/index.php?option=com_content&view=article&id=662&itemid=211

ISA95 ISA 95

LIITÄNNÄT: TOIMINNANOHJAUS- JÄRJESTELMIIN Automaatiojärjestelmä OPTI- MOINTI VALVONTA OPEROINTI SÄÄDÖT JA LOGIIKKA HÄLYTYKSET OPERAATTORIT, IHMISET LIITÄNTÖJÄ MUIHIN JÄR- JESTELMIIN MITTAUKSET JA OHJAUKSET I/O ANTURIT JA TOIMILAITTEET PROSESSI

Automaation toiminnot Automaatiojärjestelmissä voidaan erottaa toteutustavasta riippumattomat toiminnot, jotka löytyvät jossain muodossa kaikista järjestelmistä: 1. Mittaukset 2. Ohjaukset 3. Prosessinhallinta 4. Valvonta ja raportointi 5. Liitännät rinnakkaisiin ja ylempiin järjestelmiin

Mittaukset Mittausten tehtävänä on tuoda automaatiojärjestelmään tieto prosessin tilasta. Mittausjärjestelmään kuuluvat mittausanturit ja muuntimet, kaapelointi ja mittaustiedon muuntaminen järjestelmässä edelleen käytettäväksi.

Ohjaukset ja säädöt Ohjausten avulla vaikutetaan prosessiin. Ohjausten avulla muutetaan prosessin tiloja tai säätöjen avulla niitä pyritään pitämään jossain halutussa arvossa. Ohjausautomaatioon kuuluvat paitsi toimilaitteet ja niiden liitännät, niin myös laitteet ja menetelmät joilla näitä prosessiohjauksia lasketaan, esim. säätöalgoritmit.

Prosessinhallinta Prosessinhallinta on korkeamman tason ohjausta, jolla pyritään pitämään koko prosessi oikeassa tilassa, ei ainoastaan tiettyä säätösuuretta. Prosessinhallintaan kuulu prosessin mm. optimoivat säädöt, prosessin eri osien ajoitukset, laitosten käynnistykset ja alasajot.

Valvonta ja raportointi Prosessin valvonta ja raportointi tapahtuu käyttäjäliitynnän kautta. Prosessin tila ja siitä laskettuja prosessia kuvaavat suureet esitetään ihmisen ymmärtämässä muodossa. Käyttäjäliitynnän avulla prosessia valvova ihminen voi operoida prosessia automaatiojärjestelmän kautta.

Väyläliitännät Yhä keskeisemmäksi ominaisuudeksi automaatiojärjestelmissä ovat muodostuneet väyläliitännät muihin tietojenkäsittelyjärjestelmiin, sekä rinnakkaisiin järjestelmiin että automaatiohierarkiassa ylempiin ja alempiin järjestelmiin.

Onko tässä kaikki? Ei ole Tarvitaan / halutaan iso joukko muita toimintoja Määrä ja laajuus riippuu järjestelmästä ja sovelluksesta Seuraavassa Metso DNA (Dynamic Network of Applications) järjestelmän toimintoja

Pic16F877-Architecture-Memory Organization With Block Diagram http://readingrat.net/pic-microcontroller-block-diagram/pic16f877-architecture-memory-organization-with-blockdiagram/

Perustoiminnot: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Mittaukset Mittausten käsittely Ohjaukset Säädöt Hälytykset Tiedonkeräys Raportointi Käyttöliittymä (näytöt ja operointi)

Perustoiminnot: 9. Reseptien hallinta (eräajo-ohjaus) 10. Matematiikka ja logiikka 11. Erityislaskenta (esim. optimointi, tilastollinen laadunseuranta) 12. Väyläliitännät muihin järjestelmiin 13. Itsediagnostiikka 14. Varmennukset, kahdennukset 15. Prosessitiedon hallinta ja tallennus

Perustoiminnot: 16. Konfigurointiympäristö (ohjelmointi) 17. Dokumentointi 18. Käytön opastus (help, docs) 19. Suunnittelu ja projektinhallinta

1. Mittausten tavoitteet prosessin jatkuva säätö ja ohjaus laadun seuranta ja valvonta prosessin turvallisuus tiedonkeräys ja tutkimus prosessin validointi prosessin ymmärtäminen kustannusten seuranta laitteiden kunnon testaus ja varmistaminen huoltotarpeitten selvitys

Mittaukset voidaan jaotella: jatkuviin mittauksiin näytteenottoon ja analysaattorimittauksiin satunnaisiin tai kertaluontoisiin mittauksiin (esim. valvonta)

1. Mittaukset (konventionaalinen) Automaatiojärjestelmään tulevia mittaussignaaleja ovat: Analogiset jatkuvat mittaukset (jatkuva jännite- tai virtasignaali, esim. 0..10V, 4..20mA) Digitaaliset tasavälein toistuvat mittaukset (ASCII koodit sarjaväylää pitkin, pulssijonot) Binääriset tilatiedot (auki/kiinni, päällä/pois tieto, kytkimen tila tai jännite päällä/pois) Manuaalisesti annettavat suureet, kuten laboratorioanalyysit Älykkäiden mittausjärjestelmien antama informaatio: tietokonenäkö, automaattiset analysaattorit jne.

VALMIS MITTAUSARVO PROSESSOITAVAKSI (KOKONAISLUKU, KAKSOISTARKKUUDEN KOKONAISLUKU, REAALILUKU, KAKSOISTARKKUUDEN REAALILUKU) SIGNAALIN ESIKÄSITTELY: MULTIPLEXAUS, A/D-MUUNNOS (10-,12-, 16-bittinen), DIGITAALINEN SUODATUS, MUUNNOS SI-JÄRJESTELMÄN YKSIKÖIKSI, 0..10V MITTAUSSIGNAALIN ESIKÄSITTELY: JÄNNITTEEN MUUNNOKSET, VIRTA/JÄNNITETMUUNNOS, TAAJUUS/JÄNNITEMUUNOS, ANALOGINEN SUODATUS 4..20mA, 0..10V, RISTIKYTKENTÄ, RIVILIITTIMET, KOESTUSPINNIT, VALVONTALEDIT, KYTKENNÄN DOKUMENTOINTI, MUUTOKSET 4..20mA, 0..10V, KAAPELOINTI, KYTKINKOTELOT, RIVILIITTIMET, RUNKOKAAPELIT, MAADOTUKSET, 4..20mA, 0..10V, MITTAMUUNTIMET, MITTAUSVAHVISTIMET, MITALÄHETIN mv, ua, Ohms, K-tyypin termopari (jännite) MITTAUSANTURIT F, P, T, V, L PROSESSI (virtauksia, paineita, lämpötiloja, kierrosnopeuksia, pinnankorkeuksia, pitoisuuksia,...)

ANTURI, Pt100

ANTURI, Pt100 PAINEANTURI

MITTAUSVAHVISTIMIA

RELEITÄ Pt100 NAPPIVAHVISTIN

RIVILIITTIMIÄ, LAITEKAAPPI

VALMIS MITTAUSARVO PROSESSOITAVAKSI (KOKONAISLUKU, KAKSOISTARKKUUDEN KOKONAISLUKU, REAALILUKU, KAKSOISTARKKUUDEN REAALILUKU) SIGNAALIN ESIKÄSITTELY: MULTIPLEXAUS, A/D-MUUNNOS (10-,12-, 16-bittinen), DIGITAALINEN SUODATUS, MUUNNOS SI-JÄRJESTELMÄN YKSIKÖIKSI, 0..10V MITTAUSSIGNAALIN ESIKÄSITTELY: JÄNNITTEEN MUUNNOKSET, VIRTA/JÄNNITETMUUNNOS, TAAJUUS/JÄNNITEMUUNOS, ANALOGINEN SUODATUS 4..20mA, 0..10V, RISTIKYTKENTÄ, RIVILIITTIMET, KOESTUSPINNIT, VALVONTALEDIT, KYTKENNÄN DOKUMENTOINTI, MUUTOKSET 4..20mA, 0..10V, KAAPELOINTI, KYTKINKOTELOT, RIVILIITTIMET, RUNKOKAAPELIT, MAADOTUKSET, 4..20mA, 0..10V, MITTAMUUNTIMET, MITTAUSVAHVISTIMET, MITALÄHETIN mv, ua, Ohms, K-tyypin termopari (jännite) MITTAUSANTURIT F, P, T, V, L ESSI (virtauksia, paineita, lämpötiloja, kierrosnopeuksia, pinnankorkeuksia, pitoisuuksia,...)

RIVILIITTIMIÄ, RISTIKYTKENTÄ

http://www.turck.de/en/hazardous-area-remote-io-529.php http://www.turck.de/en/remote-io-for-cranes-613.php Aina ei kuitenkaan ristikytkentää käytetä, vaan kaapelit johdotetaan suoraan prosessiaseman I/O korteille tai niiden riviliittimille. http://www2.emersonprocess.com/siteadmi ncenter/pm%20deltav%20documents/whi tepapers/wp_electronic-marshalling.pdf

VALMIS MITTAUSARVO PROSESSOITAVAKSI (KOKONAISLUKU, KAKSOISTARKKUUDEN KOKONAISLUKU, REAALILUKU, KAKSOISTARKKUUDEN REAALILUKU) SIGNAALIN ESIKÄSITTELY: MULTIPLEXAUS, A/D-MUUNNOS (10-,12-, 16-bittinen), DIGITAALINEN SUODATUS, MUUNNOS SI-JÄRJESTELMÄN YKSIKÖIKSI, 0..10V MITTAUSSIGNAALIN ESIKÄSITTELY: JÄNNITTEEN MUUNNOKSET, VIRTA/JÄNNITETMUUNNOS, TAAJUUS/JÄNNITEMUUNOS, ANALOGINEN SUODATUS 4..20mA, 0..10V, RISTIKYTKENTÄ, RIVILIITTIMET, KOESTUSPINNIT, VALVONTALEDIT, KYTKENNÄN DOKUMENTOINTI, MUUTOKSET 4..20mA, 0..10V, KAAPELOINTI, KYTKINKOTELOT, RIVILIITTIMET, RUNKOKAAPELIT, MAADOTUKSET, 4..20mA, 0..10V, MITTAMUUNTIMET, MITTAUSVAHVISTIMET, MITALÄHETIN mv, ua, Ohms, K-tyypin termopari (jännite) MITTAUSANTURIT F, P, T, V, L ESSI (virtauksia, paineita, lämpötiloja, kierrosnopeuksia, pinnankorkeuksia, pitoisuuksia,...)

I/O KORTIT, JOHDOTUS KYTKENTÄRIMOILLE

USB-VÄYLÄÄN LIITETTÄVÄ MITTAUSKORTTI

Sinking (NPN) provides a path to 0 VDC (-DC)

Sourcing (PNP) provides a path to +24 VDC (+DC)

http://www.edaboard.com/thre ad251104.html

http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/a10122c63a7f5cfe86256b4c007491dd

Mittauskomponentteja (mittamuuntimia) http://www.prelectronics.com/ (mittaus- ja ohjauskortteja) http://www.beckhoff.fi/ mittaustuotteita http://www.smk.fi/

Kaapelointi

Staattiset mittausominaisuudet: Epätarkkuus: (Engl. INACCURACY) Usein käytetään tästä hieman epätarkasti TARKKUUS (ACCURACY) termiä. Tämä on mittaustuloksen suhde mitattavaan suureeseen - sisältää kaikki virhelähteet. Ilmoitetaan todennäköisyysalueena. Virhe: (ERROR) mittarin tulon (eli mitattavan suureen) ja lähtösignaalin välinen ero. Esitetään esim. absoluuttiarvona (1 kg), prosentuaalisena osuutena mitattavasta suureesta tai prosentuaalisena osuutena suurimmasta näyttämästä. Toistettavuus: (REPEATABILITY) Mittaustuloksen poikkeama toisistaan, kun mitattava suure on joka mittauskerralla yhtä suuri. Epästabiilius: (DRIFT, INSTABILITY) Mittaussignaalin muutos ajan mukana mitattavan suureen pysyessä vakiona.

Staattiset mittausominaisuudet: Erottelukyky: (RESOLUTION) Pienin muutos mitattavassa suureessa, joka aiheuttaa muutoksen mittaussignaalissa tai -arvossa. Hystereesi: (HYSTERESIS) Suurenevalla tai pienenevällä mittaussuureella saatujen mittausarvojen suurin erotus. Epälineaarisuus: (NON-LINEARITY) Tämä on nk. muotovirhe (CONFORMITY), poikkeama halutusta lineaarisesta ominaiskäyrästä. Muutoskynnys (DEAD-BAND) ilmaisee, kuinka paljon mittaussuuretta voidaan muuttaa määrätystä arvosta lähtösuureen muuttumatta. Mittausalue: Se mittaussuureen alue, jolla lähtösuure muuttuu pienimmästä arvosta (0 %) suurimpaan arvoonsa (100 %). Tämä on tärkeä suure liitettäessä mittausta tietokoneeseen tai muuhun mittausjärjestelmään.

Dynaamiset mittausominaisuudet: Nousuaika: (RESPONSE TIME) Se aika, joka kuluu mittaussignaalin muuttuessa esim. 10 % näyttämästä 90 % näyttämään mitattavan suureen noustessa 0 %:stoa askelmaisesti 100 %:iin. Viive: (TIME LAG) Se aika, jona mittaussignaali muuttuu esim. arvoon 50 % mittaussuureen askelmaisen muutoksen (100 %) seurauksena. Asettumisaika: (SETTLING TIME) Se aika jonka kuluttua mittaussignaali askelmuutoksen seurauksena asettuu pysyvästi tiettyä rajaa (esim. 3 %) lähemmäksi loppusuuretta. Amplitudivirhe: (AMPLITUDE ERROR) Mitattavassa suureessa esiintyvien jaksollisesti muuttuvien komponenttien mittaussignaalivahvistusten poikkeama oikeasta vahvistuksesta. Rajataajuus: (CUT-OFF FREQUENCY) Se taajuus, jonka yläpuolella mittaussignaalivahvistus poikkeaa (on yleensä pienempi) normaalivahvistuksesta esim. 3 db. Vaihevirhe: (PHASE ERROR) Mittaussuureessa ja mittaussignaalissa esiintyvien jaksollisten komponenttien vaihekulmien erot taajuuden funktiona. Ylitys: (OVERHOOT) Mittaussignaalissa askelmaisen muutoksen seurauksena esiintyvä mittaussignaalin jatkuvantilan arvon ylitys

Sähköiset häiriöt voidaan luokitella käyttäytymisensä mukaan: vakio virta- tai jännitehäiriöt jaksolliset (esim. verkkotaajuus, tyristorihäiriöt) satunnaiset, impulssiluontoiset (kytkimet, moottorit etc.) kohinahäiriöt (vialliset komponentit)

Häiriöiden kytkeytymistavat ovat joko konduktiivisia, kapasitiivisia tai induktiivisia.

Lisätietoa sähköisistä virhelähteistä ja niiltä suojautumisesta löytyy osoitteista: http://metrology.hut.fi/courses/s108-180/hairmit.pdf http://users.metropolia.fi/~k0201257/koulu/emc/l2_kytke ytyminen.pdf

2. Mittausten käsittely Mittausten esikäsittelyyn analogiadigitaalimuunnoksen jälkeen laskettiin signaalin digitaalinen suodatus (keskiarvoistus, tasoitus, jne.) ja laskentayksiköiksi (insinööriyksiköt) muuttaminen. Mittausten käsittelyyn kuuluu tämän lisäksi esimerkiksi mittauksen mielekkyyden tarkistus, lineaarisointi, ristikkäisvaikutusten kompensointi, kalibrointikorjaukset ja muut mittaussignaalia jalostavat toiminnot.

Lista mittausten käsittelytoimenpiteistä A/D muunnos ja signaalien multipleksaus Mittauksen mielekkyyden tarkistus (min, max), hälytykset Skaalaus sopiviin yksiköihin Linearisointi Suodatus Kalibrointi Tilasuureiden laskenta

3. Ohjaussignaalit Binääriohjaukset Analogiaohjaukset Digitaaliohjaukset OHJAUSTEN MUODOSTAMINEN: Käsiohjaukset Loogiset ohjaukset Sekvenssiohjaukset Algoritmit (suora tai takaisinkytketty säätö) Muut (neuroverkko, asiantuntijajärjestelmä, sumea logiikka)

Ohjaussignaalit (konventionaaliset eli ei kenttäväyläsignaalit) Automaatiojärjestelmästä lähteviä ohjaussignaaleja: * Analogiset jatkuvat (jatkuva jännite- tai virtasignaali, esim. 0..10V, 4..20mA) * Digitaaliset tasavälein toistuvat ohjaukset (ASCII koodit sarjaväylää pitkin, pulssijonot) * Binääriset tilatiedot (auki/kiinni, päällä/pois tieto, kytkimen tila tai jännite päällä/pois) * Binäärikoodatut jatkuvat (analogiset) ohjaukset: pulssinlevysohjaus, binäärilähdoillä avataan ja suljetaan venttiiliä (* Manuaalisesti mekaaniset tai muut paikalliset ohjaukset (käsiventtiilit))

DIGITAALINEN ESITYS A/D muunnos, pulssilaskin D/A muunnos, pulssimuokkain jännite suodatus, näytteenotto lähdön rekonstruktio jännite jännitteenjako, virta/ jännitemuunnos lähtövahvistin virta, jännite, taajus, pulssimäärä kaapelointi, standardiviestit kaapelointi, standardiviestit virta, jännite, taajus, pulssimäärä mittavahvistimet, mittamuuntimet ohjausvahvistimet, ohjauslektroniikka taajuus, virta, jännite, pulssin kesto, MITTAUKSET, ANTURIT PROSESSI OHJAUKSET, TOIMILAITTEET voima, virtaus,asento, lämpöteho, virtausvastus, kierrosnopeus

OHJAUSTEN MUODOSTAMINEN Käsiohjaukset Kentällä tapahtuvat (puhtaasti käsiohjaus ei etäohjausmahdollisuutta) L/R Local / Remote Etäohjaukset esim. valvomosta tai pulpetista (Remote) Käsiohjauksen tapaisia ovat käsiohjaus valvomosta (M/A Manual / Automatic) tai asetusarvojen muutokset

Loogiset ohjaukset (Logiikaohjaukset PLC) Instruction List Structured Text LD ANDN ST A B C C:= A AND NOT B Function Block Diagram Ladder Diagram A C B AN D A B - -- / ----------------( ) C

Sekvenssiohjaukset Step 1 N FILL Transition 1a Transition 1b Step 2 a S Empty Step 2 b S Empty Transition 2a Transition 2b Step 3