CONCEPTELE DE BAZA ALE CONDUCERII AUTOMATE

CONCEPTELE DE BAZA ALE CONDUCERII AUTOMATE

Care sunt principalele structuri de conducere automata modalitati de conducere a proceselor) (relatia PC-operator uman, relatia PC-DC , SCA-CD si SCA-CI)?Avantaje dezavantaje.

Principial, procesele tehnice pot fi conduse (fig.2.1):

manual (a), prin interventia nemijlocita si adeseori continua a unui operator uman si

automat (b), cu utilizarea unor echipamente specializate, dedicate executarii operatiilor de

conducere, aceste echipamente sunt numite echipamente de automatizare (EA).

Intr-o forma mult simplificata operatiile legate de conducerea manuala sau de conducerea

automata a unui PC (fig.2.2.2) se pot desfasura:

Fig.2.1. Conducerea manuala (a) si automata (b) a unui process

(a) Fara urmarirea nemijlocita a desfasurarii PC, caz in care se vorbeste de o conducere in circuit deschis; SCA astfel creat poarta denumirea de sistem cu conducere automata in circuit deschis SCA-CD) sau sistem cu comanda (manuala, automata) (terminologia va fi insa evitata, pentru a nu crea confuzii legate de comanda proceselor) si are schema bloc in fig.2.2-a.

Dezavantajele esentiale ale unui SCA-CD sunt urmatoarele:

- perturbatiile care pot actiona asupra PC nefiind cunoscute, efectul lor nu poate fi anticipat;

- chiar si in conditiile urmaririi atente de catre un operator uman a derularii PC, prezenta perturbatiilor va determina abaterea PC de la desfasurarea si functionarea dorita;

Fig.2.2. Sistem cu conducere automata in circuit deschis (a) si in circuit inchis (b).

(b) Cu urmarirea nemijlocita si adeseori continua de catre DC a desfasurarii PC, fig.2.1-b; in acest caz se vorbeste de conducere in circuit inchis sau "cu reactie" sau "cu feedback". SCA astfel realizat poarta denumirea de sistem cu conducere automata in circuit inchis (SCA-CI). Ansamblul de echipamente de automatizare, interconectate constructiv si functional, destinat conducerii unui proces, (denumit in continuare proces condus (PC)), poarta denumirea de dispozitiv de conducere (DC) sau dispozitiv de conducere automata (DCA). Luarea deciziei (mai general al deciziilor) de interventie in proces "obliga" DC (sau operatorul uman in cazul conducerii manuale) sa urmareasca indeaproape

desfasurarea procesului. In cazul proceselor complexe, realizarea multiplelor functii care insotesc activitatea de conducere determina si cresterea complexitatii structurii DC. SCA complexe sunt astfel construite incat DC care le deservesc sa poata asigura atat conducere in circuit inchis ("regimul automat") cat si - cu anumite restrictii - conducere in circuit deschis (de exemplu, "regimul de conducere manuala").

9. Enumerati principalele sarcini de conducere ale unui DC in cadrul unui SCA-CI (in particular si SRA)?

In continuare, pentru intelegerea baza figurii 2.2 a conducerii in circuit inchis, referirile vor fi facute relativ la functia de reglare (R) (a se revedea exemplul din cap.1 relativ la reglarea (automata) temperaturii intr-o incinta, pentru care se poate da o prima formulare a sarcinilor sau a functiilor de conducere ce trebuie realizate la nivelul unui DC in cadrul unui SCA-CI:

- sa asigure memorarea informatiei privind modul in care trebuie sa se desfasoare PC in timp (evolutia temperaturii in incinta, θcd(t), ce poate fi fixata prin masura marimii reale); aceasta sarcina este implementata prin marimea de referinta w(t) (notata si adeseori cu r(t)

- sa asigure urmarirea desfasurarii PC prin marimea masurata y(t) (masura temperaturii effective din camera, θc(t)

- pe baza compararii evolutiei reale a PC, y(t), cu evolutia dorita, w(t) e(t)=w(t) - y(t) e(t) - eroarea de reglare, sa ia decizia de interventie in desfasurarea PC prin elaborarea marirmii de commanda, u(t) si ransmiterea ei catre PC .

Semnificatia marimilor care apar in schemele bloc din fig.2.1 si fig.2.2 - si asupra carora se va reveni adeseori pe parcursul acestei carti respective in lucrarile de structure si algoritmi de reglare automata - este urmatoarea: w - marime de referinta sau de prescriere; u - marime de comanda; z - marime de iesire de apreciere, prin care se apreciaza "calitatea" desfasurarii procesului θc(t) y - marime de iesire de masura (masurata prin intermediul blocului M-y) accesibila in vederea realizarii unui SCA (CI); v - marime de perturbatie, care in cazul aplicatiei mentionate poate fi temperatura externa θe(t). Prin segmentele orientate ce leaga blocurile schemelor bloc s-a marcat sensul de transmitere a

marimilor in cauza (de legatura). Aceste marimi sunt totodata si suport purtator de informatie referitoare la fenomenele din cadrul SCA.

10. Enumerati si explicati principalele functii de conducere ale DC-complex in cadrul unui SCA (M, E, C-R-S, prima varianta cu referire la fig. 2.2 (baza) si fig.2.5)?

functia de masurare (M), prin intermediul elementelor de masura; are un caracter de interfatare intre PC si DC, cu rol esential in conducerea automata; pe aceasta cale se inchid buclele de conducere (reactia inversa, feedback);

functia de interventie (E) prin intermediul elementelor de executie; prin care se intervine in derularea procesului; are de asemenea un caracter de interfatare; pe aceasta cale se asigura interventia in proces in sensul asigurarii evolutiei dorite pentr acesta;

functii de comanda (C), elaborarea comenzilor logice combinationale si secventiale; are de asemenea un caracter de interfatare; pe aceasta cale se asigura interventia in proces in sensul asigurarii evolutiei dorite pentru acesta;

functii de reglare (R), prin care se asigura "mentinerea marimii / marimilor reglate ale PC la valorile dorite; acets lucru revine la in ultima instanta la asigurarea evolutiei dorite petru PC;

functia de supraveghere (S) si asigurarea functionarii sigure a PC /SCA.

11. Detaliati structura cu functiile de conducere si enumerati si explicati principalele sarcini de conducere ale DC in cadrul unui DC-complex ( a doua varianta cu referire la fig. 2.7, 12+1 sarcini): sarcinile 1 - 6, explicatii.

Structurarea functiilor de conducere ale DC aferent unui SCA complex poate fi reprezentata si sub forma schemei bloc din fig. 2.7. Schema are la baza logica realizarii functiilor DC cu utilizarea unor "echipamente / module individuale" analogice sau numerice. In acest context fiecare functie este realizata de cate un echipament / modul functional dedicat, care poarta (de regula) aceeasi denumire cu functia realizata. La realizarea integrata a solutiilor de conducere cu "echipamente numerice" functiile mentionate pot fi implementate in diferite maniere. Schema din fig. 7 prezinta detalieri in special pe partea functiilor legate de reglarea ale DC; la realizarea functiilor de comanda (combinationala, secventiala) regasindu-se principii specifice.

1. Interfatarea SCA cu un sistem de conducere ierarhic superior. In constructia oricarui DC functia este permanent prezenta; in cazurile mai simple "sistemul ierarhic superior" poate fi chiar operatorul uman.

Observatii: in practica ierarhizarea pe nivelele si functiile preluate de aceste nivele pot fi de complexitate diferita, ca de exemplu:

corelarea/ interconditionarea functionarii mai multor SCA complete intr-o linie tehnologica

(fig. 2.3-2);

repartizarea "sarcinii comune" pe mai multe SCA care functioneaza intr-un anumit regim de

cuplare (de exemplu, cu iesirea comuna);

calcule de optimizare, elaborarea referintelor, adaptarea regimului de functionare si a

parametrilor DC;

functii manageriale, economice s.a.

2. Selectarea regimului de functionare a DC/SCA. In practica aceasta functie este obligatorie; regimuri de functionare care sunt frecvent implementate in cadrul unui DC sunt urmatoarele:

regim de conducere "automat";

regim de conducere "manual";

regim de "verificari" si "reglaje locale" in cadrul DC sau/si PC, inainte de puneri in functiune, revizii s.a.m.d.;

alte regimuri "semnificative" pentru functionarea PC.

3. Asigurarea prescrierii/programarii evolutiei dorite a PC. Prin aceasta functie se asigura fixarea (evolutiei in timp a) referintelor (referinte, prescrieri) necesare realizarii obiectivelor conducerii.

Observatie. Procesele tehnologice se desfasoara cu anumite valori impuse evolutiei marimilor caracteristice, care pot fi constante sau pot sa aiba o anumita evolutie in timp (de exemplu dupa un anumit ciclu sau dupa o anumita traiectorie sau . ) ceea ce se asigura prin functia mentionata.

4. Realizarea si coordonarea actiunilor de conducere in regim de functionare "manual". In acest regim de functionare DC devine o "prelungire" sau un "aplificator" al actiunilor unui operator uman; functiile de coordonare (interblocare) a diverselor actiuni si de supraveghere a functionarii sigure a PC sunt in continuare preluate de catre DC.

5. Realizarea si coordonarea actiunilor de conducere in regim "automat". La acest nivel se realizeaza de exemplu legile de reglare (la nivelul sistemelor de reglare automata), functiile suplimentare solicitate de reglarea eficienta (de exemplu masura Anti-Windup-Reset (AWR) la nivelul regulatoarelor cu iesirea limitata s.a..

Un alt exemplu considerat este cel legat de deplasarea unui obiect (piesa) dintr-un punct in altul al unei hale (prin conducere automata), poate sa necesite o succesiune de deplasari ale unui carucior (de macara) care trebuie:

- pe de o parte deplasat cu viteza bine precizata, pozitie bine precizata

- pe de alta parte miscarea stabilizata a piesei.

Exemplu. In cazul incarcarii unei nave cu containere care se cladesc pe multe nivele, distanta dintre containerele vecine fiind minima. O astfel de incarcare poate presupune: ridicarea containerului din punctul initial (chei) - mers inainte - dreapta - stanga - inainte - lasare in jos a piesei in punctul fixat fara balansarea containerului; este posibil ca orice alta succesiune a miscarilor sau dereglarea acestei succesiuni sa conduca la accidente, pagube materiale s.a. ceea ce este obligatoriu a fi evitat. Problema se complica daca vasul se si leagana.

6. Interfatarea DC-PC in sensul catre process / catre elementele de executie, elementele de interventie (EI) in proces sau organe de reglare (OR)) in vederea transmiterii comenzilor.

Observatie. o astfel de interfatare este necesara din doua motive, care se refera la:

adaptarea naturii semnalelor din DC cu cele din cadrul EE,

adaptarea/amplificarea nivelelor energetice ale semnalelor de comanda la nivele solicitate de interventiile in proces.

12. Detaliati structura cu functiile de conducere si enumerati si explicati principalele sarcini de conducere ale DC in cadrul unui DC-complex ( a doua varianta cu referire la fig. 2.7, 12+1 sarcini): sarcinile 7 - 13, explicatii

Structurarea functiilor de conducere ale DC aferent unui SCA complex poate fi reprezentata si sub forma schemei bloc din fig. 2.7. Schema are la baza logica realizarii functiilor DC cu utilizarea unor "echipamente / module individuale" analogice sau numerice. In acest context fiecare functie este realizata de cate un echipament / modul functional dedicat, care poarta (de regula) aceeasi denumire cu functia realizata. La realizarea integrata a solutiilor de conducere cu "echipamente numerice" functiile mentionate pot fi implementate in diferite maniere. Schema din fig. 7 prezinta detalieri in special pe partea functiilor legate de reglarea ale DC; la realizarea functiilor de comanda (combinationala, secventiala) regasindu-se principii specifice.

7. Interfata "dinspre proces" - catre DC in vederea obtinerii informatiilor legate de desfasurarea/ derularea PC; informatia despre starea si evolutia procesului este receptionata prin intermediul traductoarelor primare (Tp); semnale captate trebuie apoi concertite si adaptate la specificul echipamentelor ce compun DC. aceste adaptari sunt de "natura inversa" ca in cazul elementelor de executie.

8. Calculul unor marimi intermediare si a informatiilor necesare in conducere; evaluarea starilor procesului.

Observatii. 1. Este posibil ca marimea (de iesire) dupa care se realizeaza conducerea (reglarea), notata de exemplu cu z1, sa fie indirect masurabila prin marimea masurabila z2 calculabila pe baza lui z1

Z2 k 1 * sqrt(z1)     , si care are ca masura marimea masurata, y2,

Y2 k2 * z2 k 12 * sqrt(z1)

In aceste conditii, calculand expresia (y2)2 se obtine indirect masura lui z1 sub forma lui y1 :

y1 = pow((y2),2) = pow((k12),2) ·z1

cu k2 constanta elementului de masura pentru marimea z2.

2. In cazurile mai complexe marimea dupa care se realizeaza conducerea este determinata pe baza unor masurari complexe, a mai multori marimi. Astfel de situatii duc la necesitatea unor senzori inzestrati cu inteligenta al carui studiu si realizare constituie un capitol special al tehnicii masurarilor (automaticii).

9. Supravegherea (supervizarea) derularii procesului si asigurarea functionarii sigure la aparitia unor "situatii / fenomene anormale". Situatiile anormale din functionarea PC (SCA) pot conduce (de exemplu) la avarii care trebuie evitate.

Observatie. Daca in functionarea unei masini electrice se depaseste curentul nominal (de exemplu iabs= kI·in ki>>1) ea va putea functiona la o astfel de "incarcare" un interval de timp limitat, t1 ,dupa care pot apare mai multe situatii :

- necesitatea reducerii curentului la o valoare bine precizata iM < in ,

- necesitatea opririi instalatiei tehnologice,

- necesitatea pornirii unor instalatii de rezerva care sa preia sarcina suplimentara, s.a..

Situatiile de functionare "normala" si "anormala" ale diferitelor aplicatii de conducere sunt diferite si se trateaza ca atare, diferit, de la caz la caz.

10. Semnalizarea starii PC si a functionarii SCA in ansamblu;

Observatie. Este normal ca prin semnalizari luminoase, acustice sau de alta natura, operatorul uman care supravegheaza sau supervizeaza derularea PC sa fie avizat daca:

- procesul / sistemul evolueaza in parametrii normali (de ex. cu o lumina verde);

- procesul / sistemul evolueaza in regimuri speciale (de ex. cu o lumina galbena intermitenta);

- procesul (anumite marimi sau parametrii ai acestuia) au atins nivele de avertizare sau chiar periculoase pentru desfasurarea procesului (de ex. cu o lumina rosie sau rosie intermitenta).

Trebuie mentionat insa si faptul ca, incarcarea excesiva / nerationala a unui DC cu semnalizari devine deranjanta pentru operatorul care urmareste derularea PC.

11. Indicarea, inregistrarea, protocolarea, teletransmiterea informatiilor relative la desfasurarea PC, a SCA.

Observatie. Inregistrarea si protocolarea informatiilor privind derularea PC / SCA pot fi necesare din diferite motive, una din ele fiind - de exemplu - aceea legata de "reconstituirea post-avarie a istoriei/ evolutiei trecute a PC sau SCA ".

12. Elaborarea comenzilor logice pe baza unor conditionari de tip combinationale si secventiale.

Observatii. 1. De exemplu, comanda de pornire U a unei instalatii poate fi conditionata de "realizarea" concomitenta a conditiilor / starilor Y1, Y2 si Y3, adica de realizarea, in timp, a conditiei:

U Y1 U Y2 U Y3 (conditionare combinationala a emiterii comenzii) (de exemlu Y1 = 1 usa de siguranta inchisa, Y2 =1 sistemul de semnalizare (acustica si vizuala) si supraveghere pornit, Y3 = 1blocajele sunt suspendate; coresunzator U instalatia poate fi pornita.

In mod similar, derularea procesului poate fi conditionata si de evolutia in timp (programabila din prealabil) ale unor marimi din cadrul PC (de exemplu a referintelor s.a.).

2. Partea de "comenzi logice" a uni SCA poate fi foarte detaliata, incluznd parti cu adaptare a comenzilor functie de evolutia PC. Ca exemplu se pot da comenzile sistemelor de semaforizare si dirijare a circulatiei (feroviare, rutiere).

3. Sunt SCA pentru care parte de reglare (in sens clasic) lipseste (de exemplu o usa care se deschide si/sau se inchide la o comanda data, pozitia finala (inchis/deschis) fiind sesizata de un limitator de cursa.

13. Alimentarea DC si SCA cu agentii energetici care asigura functionarea DC si a SCA (electrica, pneumatica, hidraulica s.a.).

Observatii. 1. Functionarea unui DC (analogic sau numeric) necesita alimentarea cu energie electrica (de ex. 220 V ca); deservirea tuturor sistemelor cu conducere la nivelul unui grup energetic necesita o multitudine de agenti energetici: energie electrica, energie hidraulica (ulei sub presiune), aer comprimat s.a..

2. Dezvoltarea si constructia unor SCA care folosesc surse sure de energie alternativa constituie o sarcina adeseori dificila.

Solutii de implementare a functiilor de conducere; particularitatile utilizarii CP in conducerea proceselor.

Implementarea functiilor de conducere in aplicatie prezinta particularitati pentru diferitele solutii constructive de echipamente de conducere (automatizare). In acest context, in cele ce urmeaza se prezinta succint mai multe solutii posibile de implementare / realizare a unui DCA:

Implementarea cu echipamente realizate ca module (analogice sau numerice) dedicate diferitelor functii de conducere

Implementarea pe (unul sau mai multe) echipamente numerice dedicate conducerii denumite "calculatoare de proces" (CP); aceste CP pot functiona:

- ca echipamente locale cu functionare relativ independenta (stand-alone units) dar controlate ierarhizat (de exemplu automatizarile automotive la nivelul autovehiculelor moderne [22], [23]

- ca echipamente cuplate in retea, in cadrul unor sisteme de conducere ierarhizate

In raport cu calculatoarele universale (care sunt utilizate in aplicatii de conducere in laboratoare, statii pilot, utilaje independente s.a.) CP prezinta cateva particularitati remarcabile:

- asigura procesarea in paralel a informatiilor si prezinta interfete dedicate conducerii,

- prezinta o fiabilitate marita,

- pot asigura anumite functii dedicate de conducere,

- utilizeaza medii (limbaje) de programer dedicate implementarii sarcinilor de conducere, relative simple.

14. Care sunt caracteristicile, avantaje si dezavantaje, domeniile si limitarile implementarii solutiilor de conducere in varianta DC cu echipamente individuale analogice specializate pe functii de conducere.

Cateva dintre caracteristicile, avantajele, dezavantajele, precum si domeniile si limitarile de aplicare a variantelor de implementare mentionate sunt sintetizate in cele ce urmeaza:

A. Implementarea solutiei de conducere, a DC cu echipamente individuale realizate in tehnologie stict "analogica" (cu eventuale extensii numerice). Reprezinta "solutia clasica" de realizare a DC specifica anilor 1960-1980 (90) si prezinta urmatoarele particularitati (caracteristici)

diferitele functii de conducere sunt realizate prin blocuri / module constructiv-functionale dedicate care sunt interconectate corespunzator structurii DC adoptat;

semnalele de interconexiune a diferitelor module si de interfatare cu procesul sunt de regula "unificate" ca domeniu de valori - de ex. 0(4) - 20 mA, 0 - 10 V cc, 0 - 5 V cc, s.a. - ceeace face posibila usoara inlocuirea echipamentelor;

toate modulele / echipamentele sunt in permanenta in functiune, gata sa intervina in conformitate cu functiile care li s-au atribuit in strategia de conducere;

descentralizarea functiilor de conducere (reglare, comanda, supervizare) este realizata la nivelul unor module functionale individualizate.

Principalele avantaje ale conducerii cu echipamente individuale, in particular analogice, sunt urmatoarele:

teoria conducerii este bine cunoscuta si tehnicile de conducere aferente fiind impuse in practica;

transparenta asupra constructiei si functionarii DC si a SCA in ansamblu;

depanarea, intretinerea si inlocuirea usoara a modulelor DC si a DC in ansamblu; aceste operatii nu necesita personal deosebit de calificat.

Dezavantajele de seama ale conducerii cu echipamente individuale, in particular analogice, pot fi sintetizate prin urmatoarele:

la schimbarea unor sarcini sau functii de conducere sunt necesare adeseori modificari importante atat in dotarile cu echipamente de automatizare, cat si in cablarea / recablarea dulapurilor de automatizare;

tratarea si prelucrarea informatiei primare prelevate din proces, inclusiv reducerea si sinteza volumului de date primare este greu sau chiar imposibil de realizat;

implementarea unor strategii (solutii de conducere) avansate (inteligente) este dificila sau chiar imposibila.

La ora aceasta astfel de solutii se utilizeaza ca solutii dedicate si numai pentru cazul aplicatiilor relativ simple.

15. Care sunt caracteristicile, avantaje si dezavantaje, domeniile si limitarile implementarii solutiilor de conducere in varianta DC cu echipamente individuale numerice specializate pe functii de conducere

B. Implementarea solutiei de conducere, a DC, cu echipamente / module individuale numerice, specializate pe functii de conducere bine precizate. Reprezinta o alternativa de implementare a solutiei de conducere automata oferita utilizatorului "traditional" de sisteme automate, care are la baza urmatoarele avantaje

interfatarea cu "procesul condus" are loc la nivelul EE si EM prin semnale analogice (c.c.) (eventual si numerice), cu acelasi domeniu de variatie ca si in cazul modulelor analogice: 0(4)- 20 mA, 0-10 V cc, 0-5 V cc sau alte variante;

din punctul de vedere al utilizatorului, echipamentul numeric se comporta ca si un "echipament analogic echivalent", care prezinta facilitati suplimentare, adeseori usor acceptabile de catre utilizatorul "traditional". (functii de adaptare automata a parametrilor DC - a regulatorului - la modificari in functionarea PC, functii de identificare la nivelul procesului, functii de optimizare la nivelul regulatorului, s.a.);

in cazul retehnologizarilor bazate pe innoirea echipamentelor, solutiile de conducere anterioare (realizate analogic) pot fi preluate in buna parte si eventual extinse cu alte functii de conducere mai evoluate.

In ansamblu acest tip de solutie reprezinta o alternativa frecvent apelata in foarte multe domenii, in special acolo unde structurile de conducere sunt consacrate; este vorba de exemplu de conducerea unor procese termoenergetice (cazane turbine), a generatoarelor electrice sincrone, a reactoarelor chimice si multe altele).

16. Care sunt caracteristicile, avantaje si dezavantaje, domeniile si limitarile implementarii solutiilor de conducere in - varianta DC cu integrarea conducerii pe echipamente numerice (calculator de proces CP) prin software

C. Implementarea solutiei de conducere, a DC, pe echipamente numerice dedicate conducerii (CP).

Astfel de echipamente se construiesc atat pentru aplicatii locale de amploare mai redusa (de exemplu sisteme de actionare, echipamente electrocasnice, instalatii industriale relativ simple), cat si pentru aplicatii "de dimensiune mare"; in acest din urma caz interconectarea echipamentelor de conducere devine indispensabila.

Echipamentele numerice de conducere dedicate aplicatiei de conducere se construiesc in jurul unor procesoare de uz general sau al unor procesoare foarte specializate si sunt prevazute - dupa caz - cu urmatoarele facilitati:

interfatare A-N si N-A cu procesul (prin EE si EM);

interfatare cu o tastatura de comunicare operativa cu operatorul uman;

interfatare cu un echipament de conducere ierarhic superior (daca este cazul).

Caracteristica esentiala a solutiei consta in faptul ca toate functiile de conducere sunt implementate prin software specializat, dedicat conducerii in timp real. Structura principiala a unui SCA prevazut cu un DC realizat in jurul unui procesor de uz general/ dedicat este prezentata in fig.2.10. Dependent de complexitatea procesului condus, de functiile de conducere care urmeaza a fi realizate si de facilitatile suplimentare care pot fi oferite de sistemul cu microprocesor (DC), aceste solutii pot fi dedicate:

- numai pentru realizarea functiilor de reglare (R),

- numai pentru realizarea functiilor de comanda (C),

- numai pentru realizarea functiilor de supraveghere (S),

- pentru preluarea tuturor functiilor de conducere (R+C+ S).

In primele trei situatii, coordonarea celor trei subsisteme care au functiile de conducere bine precizata (R sau C sau S) este preluata de un subsistem de coordonare (SC), fig. 2.3-5. Ultima solutie, care prevede implementarea tuturor functiilor de conducere pe un acelasi echipament este apelata numai in cazul unor procese conduse "nu prea complicate". Ca exemple remarcabile se pot considera diferite standuri de proba, instalatii pilot, instalatii de

laborator, aplicatiile electrocasnice mai complexe, aplicatiile automotive s.a..

Principalele avantaje ale implementarii solutiilor de conducere pe echipamente numerice dedicate:

schimbarea functiilor de conducere sau chiar a strategiilor de conducere se asigura adeseori numai la nivelul software-ului dedicat aplicatiei;

tratarea informatiilor disponibile relative la desfasurarea procesului este usor de realizat si de transmis catre orice alt "utilizator"; aici trebuie mentionat faptul ca extinderea solutiilor de comunicatie wire-less poate reduce costurile legate de cablarea fixa a conexiunilor DC-PC;

solutiile / strategiile moderne de conducere se pot implementa relativ usor; mai mult, constructiv procesoarele utilizate pot fi dedicate unor principii / strategii de conducere avansate;

supervizarea si monitorizarea usoara si detaliata a evolutiei procesului;

facilitati sporite de tele-conducere.

Sistemele de conducere realizate cu echipamente numerice prezinta cateva dezavantaje (cu caracter relativ, adeseori legat de experienta traditionala de conducere); astfel:

Tehnicile de conducere numerica avansate sunt relativ noi si sunt bazate pe o teorie adeseori complicata; acest lucru face ca, in multe situatii, beneficiarii sa prefere solutiile de conducere implementate ca "varianta numerica" a conducerii continuale, analogice, denumite solutii de conducere cvasicontinuala (CvC);

Dezvoltarea spectaculoasa in domeniul echipamentelor numerice (capacitate, viteza de prelucrare s.a.) si a software-ului de aplicatie face ca retehnologizarile de la nivelul DC (echipamentului si software-ului) sa devina mult mai frecvente (3 5 (8) ani) ceea ce impune investitii materiale periodice;

Pentru dezvoltarea ulterioara a unei solutii de conducere deja existente (implementate) se impun interventii atat la nivelul hardware-ului / echipamentului de conducere, cat si - in pricipal - la nivelul software-ului de conducere, care adeseori trebuie complet rescris; chiar si perifericele de proces si echipamentele de masura / executie se necesita a fi reinoite;

Datorita concentrarii functiilor de conducere (R, C, S sau R+C+S) pe "un singur echipament" si executarii acestor functii pe baza unui program, functionarea DC devine mai putin transparenta si adeseori greu de cuprins; acest lucru a condus la necesitatea:

- partitionarii programelor de conducere pe module informationale (de reglare, de schimbarea referintei, de acordare a parametrilor regulatoarelor, de realizare a unor functii logice s.a.) care asamblate realizeaza functiile de conducere;

- partitionarea conducerii pe sisteme de conducere locale dedicate subproceselor ce compun PC, realizandu-se astfel "sisteme de conducere distribuite".

Dezvoltarea acestor SCA necesita de regula specialisti cu o pregatire mult mai larga;

Din cauza derularii (adeseori) secventiale a programelor de conducere (in timp real), in regimurile "anormale" de functionare pot apare situatii critice, conflictuale, care pot bloca conducerea; rezolvarea acestor situatii isi gaseste solutie prin restructurarea programelor de conducere, dezvoltari hardware suplimentare s.a.

17. Integrarea solutiilor de conducere numerica in structuri de conducere ierarhizate exemplificare (fig.2.11 sau 2.12 sau 2.13 vor fi utilizate ca suport pentru comentariu; suportul de comentariu trebuie mentionat). Aspecte specifice.

Dificultatile legate de concentrarea sarcinilor de conducere pe un singur echipament ca si necesitatea evitarii situatiilor critice legate de functionarea in timp real, problemele legate de siguranta conducerii precum si transparent redusa asupra structurarii conducerii si a programelor de conducere, au impus utilizarea solutiilor de conducere distribuite si ierarhizate O prima exemplificare a fost prezentata in fig.2.11.

Introducerea conducerii distribuite presupune posibilitatea descompunerii PC pe subsisteme (sub-procese) care sunt relativ "slab cuplate" si care pot fi conduse de cate cu "echipament local" ("stand-alone unit") dedicat realizarii tuturor functiilor (RCS) sau a fiecarei functii in parte (R sau S sau C). Pentru corelarea conducerii procesului ca ansambul unitar, devine apoi inerenta si "ierarhizarea" actiunilor / activitatilor de conducere. O astfel de "ierarhizare" presupune mai multe nivele de conducere (fig. 2.12).

La nivelul "cel mai inferior" (1) are loc conducerea propriu-zisa (R+C+S); in acest scop se uilizeaza echipamentele locale de conducere (ELC) prevazute cu facilitatile necesare indeplinirii functiilor de conducere dedicate.

La nivelul "imediat superior" (2) are loc coordonarea functionarii sistemelor de conducere locale si implementarea unor sarcini suplimentare, ca de exemplu:

- coordonarea actiunilor de conducere locale;

- tratarea si protocolarea informatiilor privind desfasurarea PC;

- elaborarea referintelor si repartizarea sarcinilor (incarcarilor) pe diferitele subsisteme;

- calcule legate de fixarea optima a parametrilor DC locale;

- baza comuna pentru programele de conducere in timp real s.a. .

In acest scop sunt apelate modulele / echipamentele de conducere centralizata (ECC) prin care se asigura si controlul traficului de date pe magistrala de interconexiune (MI).

La nivelul "imediat superior" (3), se efectueaza calcule de programere si optimizare a procesului de productie, calcule de prognoza; de asemeni la acest nivel se elaboreaza si strategiile de manageriere a productiei s.a. (dupa caz). Echipamentele utilizate la acest nivel sunt echipamente de foarte mare capacitate.

Trebuie evidentiate doua aspecte importante legate de conducerea ierarhizata

Repartitia "sarcinilor" de conducere pe diferitele nivele de conducere este dependenta de aplicatia de conducere (dimensiune, importanta, echipamente disponibile, obiective, solutii de conducere s.a.); in fig.2.13 (cu terminologia in l. engleza) se prezinta o ierarhizare posibila a sarcinilor de conducere (d.p.d.v. al prelucrarii informatiei) [4].

Numarul nivelelor de ierarhizare informationala poate fi diferit, dependent de complexitatea "aplicatiei de conducere", de iperformantele solicitate si de fondurile care pot fi alocate pentru dezvoltare si implementare.

18. Explicati succint esesnta estimarii starilor (cu referire si la fig.2.14) si esenta diagnosticarii defectiunilor (cu referire si la fig.2.15).

B. Estimarea parametrilor si atsarilor. In cazul in care la nivelul procesului apar modificari normale ale valorii parametrilor se poate pune problema estimarii acestor modificari; in acest scop (dar nu numai) se pot utiliza asa-numitele metode de estimare a parametrilor procesului (ce caracterizeaza modelul aferent) care au la baza o schema de prelucrare informationala ca in fig.2.14 (a) [4] (cu terminologia in l. engleza). O astfel de estimare ce are loc pe baza de masurari si algoritmi adeseori sofisticati, poate complica mult atat structura sistemului de conducere cat si si sarcinile acestuia.

Mai mult, in unele situatii procesele conduse sunt cu proprietati care fac ca sarcinile de conducere sa fie greun realizabile, necesitand accesul la "toate marimile interioare" ale procesului (dupa cum se va vedea referirile sunt la marimile de stare ale procesului). Se vorbeste de scheme de estimare a starii procesului, cu o structura principiala ca in fig.2.14 (b) [4] (cu terminologia in l. engleza).

C. Diagnostizarea defectelor. O problema deosebita care se pune in conducerii moderne o constituie "diagnosticarea defectiunilor" (fault diagnosis) ce pot apare la nivelul procesului (PC), a dispozitivului de conducere (DC) respectiv chiar la nvelul sistemului cu conducere automata. Ideea supervizarii functionarii procesului si a unor interventii "locale" la nivelul acestuia a fost sugerata prin functia notata cu (9); (masuri a-posteriori) este adeseori insuficienta fiind necesara diagnosticarea din prealabil a defectiunior (a-priori) si - bazat pe modificarile constatate, reflectate de exempl in modelul matematic al procesului (dar nu numai) - modificare structurii si chiar a strategiei de conducere

In fig.2.15 [4] (cu terminologia in l. engleza), este prezentata schema bloc aferenta unei diagnosticzari a procesului, bazata pe modelul matematic (corect) aferent acestuia. Informatiile rezultate in urma diagnozei pot fi folosite ulterior pentru marirea sigurantei functionarii SCA.

19.La ce serveste redundanta actului de conducere; enumerati situatii imprevizibile in derularea PC care pot solicita introducerea DC cu redundanta.

D. Redundanta actului (sistemului) de conducere. Corelat cu problema necesitatii functionarii sigure apare problema asigurarii sigurantei conducerii prin crearea "rezervei de conducere". Problema este cunoscuta si denumirea de redundanta actului de conducere si se aplica de regula in aplicatiile mai complexe, unde exista pericolul afectarii sigurantei procesului tehnologic sau a unor persoane (de exemplu industria nucleara, transporturi, servicii, industria chimica s.a.) sau in situatiile in care sistemele de conducere automata trebuie sa ia decizii "independent", fara posibila interventie (in timp util) a operatorului uman (industria aeronautica, industria spatiala, robotica s.a.).

Metodele de asigurare a redundantei sunt dependente de tipurile de "situatii imprevizibile" care pot apare I functionarea PC, DC sau SCA. Astfel situatiile imprevizibile pot fi grupate dupa diverse puncte de vedere:

la nivelul procesului condus (PC):

- urmare unei "perturbatii" externe sau interne, procesul evolueaza intr-o directie in care structura de conducere de baza nu mai poate asigura functionarea sigura (de exemplu pierderea stabilitatii);

- caderea unor elemente de masura cu rol esential in conducere (de exemplu intreruperea unor canale de reactie) sau caderea partiala a unor elemente de executie;

- blocarea desfasurarii unora dintre subprocesele care compun PC ca ansamblul cu functionare neintrerupta (de exemplu caderea unui agregat apartinand unei linii tehnologice in flux).

La nivelul dispozitivului de conducere (DC):

- caderea unor module din cadrul unui echipament de conducere;

- situatii conflictuale in programul de conducere in timp real s.a..

20. Caracterizati esenta redundantei analitice a structurii SCA (fig. 2.16).

(a) Redundanta analitica (software) a structurii sistemului de conducere., Aceasta categorie de redundanta are specific faptul ca pentru supravegherea PC se utilizeaza un singur de echipament de conducere. O astfel de rendundanta se poate realiza in mai multe moduri din cadrul carora se mentioneaza urmatoarele:

- realizarea unor solutii de conducere "alternative", care sunt selectionate si comutate dependent de situatia/ regimul de functionare a procesului;

- realizarea unor alternative de conducere bazate pe ipoteza ca, daca se cunoaste modelul matematic al PC este posibila "construirea" informatiilor relative la evolutia procesului pe baza de model.

Evolutia PC poate fi "controlata" atat prin elementele de masura cu care este dotat SCA cat si in lipsa acestora - la nevoie - prin informatiile construite pe baza unui numar mai redus de semnale masurate si semnale "construite" (estimate).

Schema principiala pentru realizarea unei solutii de redundanta analitica este prezentata in fig. 2.16, in care: OS-1, OS-2 - estimatoare (sau observatoare) de stare, BD - bloc de decizie, DC - dispozitiv de conducere, SCA-1n - structuri de conducere automata cu DC aferente implementate software.

Compararea continua a celor doua informatii - date de masuratori si respectiv estimate de OS- 1, OS-2 - permit pe de o parte, (1) diagnosticarea eventualelor defectiuni la nivelul elementelor de functie de rezultatul diagnosticarii utilizarea solutiilor de conducere alternative adaptate la situatia concreta (normala, de avarie, ); In cadrul conducerii numerice, redundanta analitica poate fi realizata prin program (software).

Dezavantajul esential al redundantei analitice consta in faptul ca MM aferente PC se poate abate adeseori in masura semnificativa de situatia reala si drept urmare se poate ajunge la situatii considerate "critice" chiar si in conditiile unei evolutii "apropiate de cea normala".

21. Caracterizati esenta redundantei hardware ( fig. 2.17) si a redundantei mixte

(b) Redundanta hardware a conducerii. Principial o astfel de solutie consta in realizarea "multiplicata" a unora din echipamente ce compun DC: elemente de masura, elemente de executie si chiar echipamente de conducere sau module din cadrul acestuia; elementul "suspectat" de o functionare eronata este "suspendat" din functionare, locul lui fiind luat (on-line) de un echipament (modul) aflat in "rezarva calda" (in permanenta functionare). Redundanta hardware are ca principal dezavantaj cresterea pretului (greutatii) DCA. Ea este insa indispensabila in cazul proceselor de importanta deosebita. Schema principala pentru realizarea unei solutii de redundanta hardware este prezentata in fig.2.17

BD - blocul de decizie analizeaza daca elementele de executie (EE - i) si elementele de masura (EM -j) functioneaza corect; in cazul in care apar abateri de la functionarea corecta (standard) a acestuia se asigura trecerea pe un EE sau un EM de "rezerva"; aceste treceri se efectueaza astfel incat rezultatul trecerii sa nu fie resimtit.

(c) Redundanta mixta. Acest tip de redundanta foloseste partial avantajele redundantei analitice si partial avantajele redundantei hardware. In schemele cu redundanta mixta functiile de diagnoza de la nivelul PC sunt preluate de echipamentul de diagnosticare (BD); deteriorarile de la nivelul DC ce pot afecta siguranta functionarii sunt tratate la nivelul DC prin implementarea unor solutii alternative de conducere. In toate cazurile, in vederea indeplinirii functiilor specifice (menirii) lor, echipamentele ce asigura redundanta sunt in permanenta in functiune.

Sisteme de conducere inteligente (cu referire si la fig.2.18). Functii de baza.

E. Sisteme de conducere inteligente. Conducerea inteligenta se departajeaza de conducerea clasica (cu arie de raspandire foarte mare in domeniul industrial) prin faptul ca (asemenea exemplelor de sarcini mentionate) apeleaza pe scara foarte larga prelucrarea complexa a informatiei. Un sistem de conducere inteligenta poate fi considerat organizat ca un sistem expert online de conducere la care functiile de conducere pot fi structurate ca in fig.2.18, in [4] (cu terminologia in l. engleza).

(1) Functii de realizare efectiva a controlului (sarcinile C, R, S, M, E) (multi-control functions

(2) Baze de cunostinte (knowledge base) (cantitative si calitative relative la conducerea procesului),

(3) Mecanisme de inferenta (inference mechanisms

(4) Interfete de comunicare DC-PC si interne DC (communication interfaces).

Functiile de conducere mentionate (par.2.2.2. si 2.2.3 aliniatele A - D) sunt structurate ierarhizat si adeseori cu implicatiile distribuite pe subprocese.

(1) Functii de realizare efectiva a controlului (sarcinile C, R, S, M, E) (multi-control functions) au fost evidentiate in paragraful 2.2.2 si 2.2.3.

(2) Bazele de cunostinte (knowledge base) contin informatii calitative si cantitative relative la conducerea procesului. Partea cantitativa opreaza cu modele analitice (matematice) si cu metode si algoritmi de conducere (sub forma analitica), estimarea starilor si parametrilor (PC), metode de diagnoza si decizionare privind schimbarea structurii/algoritmului de conducere, metode de optimizare cantitativa (a referintelor si comenzilor), predictia evolutiei procesului si elaborarea comenzii actuale, adaptarea parametrilor DC s.a. Partea calitativa are la baza explicitari sub forma de baze de reguli (de exemplu logica fuzzy).

(3) Mecanismele de inferenta (inference mechanisms) sunt relative la informatiilor apelate in bazele de reguli si au rolul de a elabora (emite) concluziile ce se transmit catre procesul condus sau catre sistemele cu care se interactioneaza. Aceste concluzii sunt obtinute atat din bazele de cunostinte cantitative cat si din bazele de cunostinte calitative.

(4) Interfete de comunicare (communication interfaces) externe, DC-PC si interfete om masina (DC) si comunicatii interne DC.

23. Enumerati principalele aspecte care se pun in abordarea unei probleme de automatizare

Abordarea unei aplicatii de conducere automata ridica pentru specialisti - tehnologi si automatisti - multiple aspecte, care pot fi solutionate doar printr-o stransa colaborare intre acestia. Aspectele principale care apar la dezvoltarea unei astfel de aplicatii pot fi sintetizate prin urmatoarele:

A. Studiul de oportunitate a conducerii PC. Studiul de oportunitate este legat de actualitatea investitiei (rentabilitatea PC) si al costurilor si rentabilitatii investitiei legate de dezvoltarea PC si DC (SCA in ansamblu).

B. Cunoastrea procesului si definirea obiectivelor conducerii. In vederea conducerii, PC trebuie cunoscut:

din punct de vedere al cerintelor tehnologice, ceea ce revine la precizarea marimilor de intrare si iesire si a conditiilor de functionare, a regimurilor de functionare, a restrictiilor in functionare s.a.m.d.;

din punctul de vedere al conducerii automate, prin precizarea / determinarea MM aferente PC si evaluarea dinamicii acestuia, a obiectivelor impuse desfasurarii procesului s.a.m.d.

Cunostintele relative la proces pot fi caracterizate cantitativ si calitativ, modelul mathematic (MM) impreuna cu valorile parametrilor ce caracterizeaza procesul prin intermediul MM aferent. Este de remarcat faptul ca pentru foarte multe situatii dezvoltarea solutiei de conducere, in particular al solutiei de reglare, are la baza modelul matematic aferent procesului (Model-Based Design methods).

Prin obiectivele conducerii OC) se intelege ansamblul cerintelor impuse desfasurarii PC / SCA in vederea obtinerii produsului de calitate dorita. Din punctul de vedere al conducerii automate OC pot fi:

generale, impuse comportarii SCA si desfasurarii PC in toate regimurile normale de functionare,

particulare, specifice comportarii SCA in regimuri de functionare particulare (pornire-oprire) respectiv "anormale" (de exemplu de avarie).

C. Studiul proprietatilor structurale de baza ale PC. Cunoasterea acestor proprietati este necesara (si adeseori obligatorie) in vederea dezvoltarii SCA. Aceste proprietati se pot deduce din MM aferent PC In cadrul SCA, DC si PC pot fi considerate ca subsisteme interconectate constructiv-functional si informational, ceea ce simplifica adeseori analizele.

D. Alegerea structurii SCA si calculul algoritmilor de conducere in particular al legilor de reglare utilizate. In acest scop se utilizeaza tehnici specifice conducerii automate [13], [14], [19], [20]..

E. Verificarea solutiei practice "in laborator". Aceasta verificare poate fi efectuata:

- prin simulare pe calculator numeric (CN) a comportarii SCA, in care scop se va utiliza pentru

PC un MM cat mai detaliat;

- prin realizarea unui model de laborator al PC (model "pilot") pe care sa se verifice solutia de automatizare;

- prin verificare ulterioara directa pe PC real.

Ultimele doua modalitati se utilizeaza de regula dupa realizarea punctelor F si G.

F. Proiectarea dimensional-constructiva a DC. Aceasta proiectare se refera atat la proiectarea subsistemelor ce compun DC cat si la proiectarea DC in ansamblu (care sa realizeze toate functiile de solicitate in conducere (C, R, S, M, E). Ea este corelata cu proiectarea tehnologica a PC si tine seama de interfatarile necesare; structura DC va fi prevazuta cu toate functiile solicitate in conducere.

G. Realizarea DC, corelarea documentatiei cu implementarea realizata, elaborarea caietelor de sarcini, a instructiunilor de folosire si exploatare s.a. Acestea reprezinta aspecte tehnice care sunt sarcina colectivului care dezvolta SCA.

H. Punerea in functiune a SCA, efectuarea probelor tehnologice si predarea la beneficiar a SCA.Acestea reprezinta aspecte tehnice care sunt sarcina colectivului care dezvolta SCA