INTRODUCERE IN CONDUCEREA AUTOMATA A PROCESELOR

INTRODUCERE IN CONDUCEREA AUTOMATA A PROCESELOR

Ce se intelege prin conducerea proceselor? Cum se poate realiza? Ce implica o activitate de conducerea automata a proceselor? Ce se intelege printr-un process (condus, proces tehnologic) si ce este o instalatie tehnologica

Conducerea proceselor constituie una din preocuparile de baza ale tehnicienilor, fiind orientata spre realizarea unor produse (in sens general) de calitate corespunzatoare. Principial conducerea unui process se poate realiza:

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

automat (conducere automata), prin intermediul unor echipamente dedicate conducerii.

O activitate de conducere implica existenta a doua subsisteme (entitati/module functionale)

subsistemul de conducere, care este denumit dispozitiv de conducere (DC).

subsistemul condus, care este denumit si procesul condus (PC),

- elaborarea unor tehnologii (procese tehnologice) din ce in ce mai avasate si mai complicate (a se vedea de exemplu

procesele din industriile de varf: industria constructoare de masini respectiv a produselor create sau utilizate de aceeasta sisteme mecatronice, roboti industriali si neindustriali, sisteme de transport (autovehicule, avioane, nave spatiale s.a.), industria "casnica", industria chimica, industria energetica

Prin "proces", in particular "proces tehnologic", se intelege un proces de transfer si de transformare de materie si/sau energie si/sau informatie, indiferent de domeniu tehnic sau netehnic (energetica chimie, mecanica, biosisteme s.a.)

Ce este un sistem cu conducere automata si care este structura acestuia (SCA); explicatii relative la schema (blocuri si marimi).

Sistemele cu conducere astfel realizate pot elimina partial sau chiar total interventi operatorului uman si sunt denumite

Sisteme cu Conducere Automata (prescurtat SCA). Prin aceasta terminilogie se acopera o terminologie oarecum vaga,

dar frecvent utilizata ca: automatica,automatizare, conducere automata, informatica de process, informatica industriala,

sisteme de conducere (automata) inteligente.

In fig.1.1-1 este prezentata schema (structura) principiala unei astfel de interconexiuni denumita sistem cu conducere automata (SCA). Interconectarea celor doua subsisteme se realizeaza prin intermediul unor echipamente dedicate denumite periferice de proces. In particular in categoria perifericelor de proces se includ atat:

perifericele de interconectare traditionale echipamentele de interventie in proces sau elementele de executie (EE) si echipamentele de masura (EM) prin intermediul carora se asigura achizitionarea informatiilor necesare pentru desfasurarea procesului; astfel de echipamnete exista de regula si in cazul sistemelor cu conducere manuala.

perifericele de inerconectare de conversie a naturii informatiei: convertoarele analognumerice si numeric-analogice

Solutii de incalzire a unei incinte (3 solutii si variante). Exemplificare si exlicatii succinte relative la diferite solutii de conducere.

Solutia I-a (clasica). Sistemul de incalzire traditional fig.1.1-2-a, are la baza 'soba cu lemne",alimentata cu un agent energetic primar traditional lemne, carbune sau gaz metan; omul - care este si senzorul de temperatura - in functie de 'cat de cald este in incinta' (pe baza senzatiilor proprii), alimenteaza 'instalatia' cu agentul energetic si asigura evolutia in timp a temperaturii din incinta,θc(t), mai mult sau mai putin apropiata de evolutia dorita, θcd(t). Interventiile 'operatorului' suntdictate de "experienta de reglare a temperaturii in camera" la valori dorite, in 'mentinerea functionariiprocesului' (mentinerea focului in soba), in utilizarea unui anumit tip de combustibil, in

intretinerea instalatiei tehnologice (soba).Se poate extrapola (de exemplu pe baza unei experiente propri) ca asigurarea cerintei θc(t)=θcd(t) este dificila, chiar imposibila, temperatura in incinta θcd(t) osciland in jurul evolutiei dorite (perioade de supraincalzire alternate de perioade de subincalzire - de exemplu noaptea). Mai mult aceasta evolutie este insotita adeseori si de un 'randament energetic' relative slab a sobelor traditionale. Probleme cu care se confrunta un astfel de sistem de incalzire se manifesta prin:

- pierderi semnificative la cos (randamentul sobei),

- pierderi prin deschiderea geamului, daca θc(t) >> θcd(t),

- arderea unei cantitati nerationale de combustibil,

- pentru siguranta, necesitatea urmaririi permanente a procesului s.a..

(2) Solutia a II-a (mai moderna). Un sistem de incalzire mai eficient, fig.1.1-2-b, poate fi realizat folosind o soba traditionala avand ca agent energetic primar gazul metan la care controlul arderii acestuia fiind mai usor asigurat. Dozarea arderii cantitatii de gaz metan in soba poate fi asigurata prin utilizarea unui dispozitv de conducere, cu sarcina principala de reglare a temperaturii (dar nu numai) sub forma unui regulator de temperatura (RG). Prin intermediul unui robinet de reglare (RR) debitul de agent energetic primar ars este 'reglat' asfel incat evolutia temperaturii in incinta, θc(t), sa se apropie cat mai mult de evolutia dorita θcd(t). In plus, siguranta functionarii instalatiei impune si

existenta unor 'masuri suplimentare' in functionarea dispozitivului de conducere, ca de exemplu:

- robinet de siguranta (RS), care, la pierderea tensiunii de alimentare a RG sau la stingerea accidentala a flacarii sa opreasca functionarea incalzirii,

- robinet 'by-pass', (RByP), care va actiona dependent de modul de actiune al RG. De exemplu la inchiderea completa a RR prin acest robinet se va asigura mentinerea arderii flacarii (sau a flacarii de veghe),

- controlul functionarii sigure a cazanului, a evacuarii gazelor arse s.a..

Calitatea procesului de reglare a temperaturii va depinde de "tipul, proprietatile si modul de lucru" al regulatorului de temperatura utilizat. Se mai poate constata (intuitiv, in aceasta faza) si faptul ca prin reglare:

-confortul termic in incinta poate fi net imbunatatit,

- randamentul procesului de incalzire poate fi simtitor imbunatatit (se arde doar atata gaz cat este necesar),

- randamentul natural al sobei (initiale) nu este insa semnificativ imbunatatit

Solutia a III-a (si mai moderna). Sistemul de incalzire utilizeaza un 'cazan de incalzire (modern)' - pe gaz metan (dar poate fi si pe combustibil solid) - si un sistem de incalzire centrala cu calorifere repartizate in incintele incalzite, fig.1.1-2-c. Pe aceasta cale sunt posibile mai multe solutii (variante) de sisteme de incalzire (care asigura grade de eficienta si grade de confort diferite):

Varianta I-a (mai simpla). Solutia asigura prescrierea si reglarea valorii dorite a temperaturii intr-una din incinte dupa un grafic al temperaturii dorite (in timp, pe durata unei zile, reluata sistematic) - de exemplu in camera nr.1, numita camera etalon (incinta pilot) - si fixarea locala a incalzirii in celelalte prin robinetele locale RL cu actiune manuala. Intreaga procedura (tehnologie) de incalzire poate avea la baza - de exemplu - reglarea temperaturii agentului termic

secundar, apa calda θa(t), prin reglarea cantitatii de gaze arse.

Varianta a II-a (mai complexa). Solutia asigura prescrierea si reglarea locala a temperaturii in fiecare camera; acest lucru poate fi asigurat (de exemplu) prin reglarea debitului de agent termic secundar (apa calda) prin fiecare element de incalzire si extinderea structurii dispozitivului de conducere cu o 'corectie' a temperaturii agentului termic functie de debitul de caldura solicitat local; solutia nu este insa economica. Ea poate fi imbunatatita si prin introducerea unei 'bucle de compensare' a temperaturii apei calde functie de temperatura exerioara, θe(t)

Varianta a III-a (si mai complexa). Solutia se bazeaza pe realizarea unei reglari in mai multe trepte (a se vedea mai tarziu, cap.3) prin utilizarea unui robinet cu patru cai, dupa cum urmeaza:

- o bucla de reglare a temperaturii apei in circuitul primar al cazanului;

- o bucla de reglare a temperaturii apei in circuitul secundar "tur" prin care se alimenteaza corpurile de incazire din fiecare camera;

- o bucla de reglare a temperaturii apei in din fiecare camera prin robinetele de reglare locale montate pe fiecare din corpurile de incazire.

Care sunt conditiile ce trebuie realizate la dezvoltarea unei solutii de conducere?

Exemplul de conducere sistemul de incalzire a unei incinte prezentat este relativ simplu. Daca se extrapoleaza idea "conducerii" si apoi problemele care sunt legate de conducere la procese industriale sau neindustriale - de regula mult, mult mai complexe - se constata ca, pentru derularea unei activitati de conducere a unui proces (respective pentru dezvoltarea unei solutii moderne de conducere) sut necesare urmatoarelor conditii:

Cunoasterea procesului - a tehnologiei ce caracterizeaza procesul si a instalatiei tehnologice in care acesta se desfasoara - si cunoasterea (definirea) obiectivelor conducerii acestuia:

o precizarea evolutiei dorite pentru procesul condus - marimile caracteristice (deocamdata vor fi denumiti si parametri tehnologici) ai procesului;

o definirea restrictiilor care sunt impuse in derularea procesului;

o definirea conditiilor de siguranta a functionarii si a masurilor ce trebuie luate pentru asigurarea acestei functionari sigure;

Asigurarea evolutiei procesului in sensul anterior definit si compararea acestei evolutii cu evolutia dorita (incluzand incadrarea in restrictii. In functie de diferentele constatate se decide asupra masurilor care trebuie luate si a interventiilor ce trebuie efectuate in derularea procesului; de regula interventiile trebuie sa fie "immediate", orice intarziere in luarea deciziilor si in interventia in proces poate crea 'probleme in stabilitatea functionarii'

sistemului cu conducere.

Asigurarea functionarii sigure si monitorizarea evolutiei acestuia,

Interconectarea cu alte sisteme de conducere sau includerea procesului local in sisteme de conducere mai complexe (de exemplu in sisteme cu conducere ierarhizata)

Aplicatii mecatronice ale automaticii. Exemplificari reprezentative (minmum 5 din

cele prezentate la care cel putin una cu datalieri)

Terminologia de mecatronica acopera sistemele mecanice, electronice si de conducere automata aferenta. Cele trei domenii se interpatrund si se sustin reciproc. Initial sistemele mecanice au fost apanajul domeniului mecanic. Ulterior

extinderea controlului parametrilor acestor sisteme mecanice, dedicate unor aplicatii bine definite (partea meca+ din terminologie), bazata pe ideea buclei de reglare (de exemplu controlul pozitiei, vitezei, acceleratiei unui sistem mechanic respective a fortei/cuplului dezvoltat a solicitat extinderea lor cu o parte de electronica de putere si apoi si de electronica de comanda analogica (partea electronica +tronica din terminologie). Domeniul mecatronic va fi adeseori apelat din doua motive:

- sub diferite forme este prezent in preocuparile departamentului de automatica, a diferitelor

alte departamente din Universitate,

sub diferite forme este prezent cu pondere foarte mare in industria regiunii.

Exemple reprezentative de sisteme mecatronice [4]:

(1) Sisteme mecanice integrate cu sisteme electrice (electronice):

- suspensii (pentru autovehicule) electrohidrauluice si suspensii electromagnetice controlate prin microprocesor,

- amortizoare diverse,

- ambreaje cu actionare electromagnetica si ambreiaje electromagnetice

- cutii de viteze controlate electronic,

- sisteme de injectie controlate,

- sistemele ABS s.a.

Autovehiculele moderne sunt una din suporturile aplicatiilor mecatronice. In fig.1.2-1 sunt prezentate cateva din aceste aplicatii.

(2) Masini mecano-energetice integrate cu sisteme electrice (electronice):,

- masini generatoare (de energie) sau consumatoare de energie (electrice, hidraulice, pneumatice, cu abur, sisteme de ardere a combustibilului, energii neconventionale), sisteme de conversie a energiei,

- masini motoare (conversie a energiei in energie mecanica, hidraulica pneumatica s.a.,

- masini unelte, roboti industriali, masini de multiplicat (presa), s.a.,

(3) Mecanica fina si micromecanica integrate cu sisteme electrice (electronice):

- sisteme de masura, senzori si traductoare pentru pentru masurarea marimilor neelectrice,

- sisteme optice de precizie,

- echipamente medicale de diagnosticare si interventie (roboti medicali).

Exemplu de aplicatie mecatronica. In fig.1.2-4 se prezinta elemente legate de o aplicatie mecatronica, compusa dintr-o masina electrica de actionare si o pompa hidraulica cu turatie variabila (procesul condus) care poate asigura un debit variabil controlat [4]. Schema poate fi extinsa cu partea de conducere automata.

(a) Schema bloc functionala, (In acord cu cele prezentate in fig.1.1-1)

(b) Incadrarea procesului intr-o structura cu conducere automata si evidentierea fluxurilor energetice si informationale din sistemul cu conducere automata astfel constituit.

Sistemul poate avea printre obiectivele functionale:

- reglarea vitezei sistemuli de pompare pentru asigurarea unui debit variabil controlat,

- reglarea momentului (cuplului) de sarcina, cu/fara limitarea curentului absorbit la nivelul motorului electric, s.a..

Pentru astfel de sisteme de actionare electrica la care sarcina (partea mecanica fiind diferita de cea prezentata) se pot impune ca obiective:

- pozitionarea unui mecanism cu urmarirea unei traiectorii de viteza prescrise: reglare de pozitie si reglare de viteza,

- reglarea vitezei unui vehicul cu actionare electrica (partea resurselor energetice primare constituie o alta problema de conducere),

Toate subsistemele care apar in exemplul dat sunt de fapt subsisteme pentru care cunoasterea "functionala" (mai tarziu, necesare in vederea caracterizarii matematice a dinamicii sistemului) in vederea conducerii necesita cunostinte interdisciplinare. In general, dezvoltarea unui sistem mecatronic revine la:

(1) dezvoltarea sistemului (partii) mecanice /electromecanic si

(2) dezvoltarea sistemului de conducere (structura, algoritmi, hardware, software de implementare, inclusiv echipamente periferice aferente).

In domeniile mentionate aplicatiile mecatronice se regasesc in aproape toate subsistemele care conlucra la functionalitatea aplicatiei. De exemplu:

- in cazul unui avion, sistemele de rulare si de control al rularii (inclusiv franare) sunt aplicatii mecatronice; similar sistemele care actioneaza eleroenele, sistemele de ghidare, s.a.

- in cazul autovehiculelor moderne, sistemele de franare, sistemele de mentinere a directiei, sistemele de injectie controlata (micromecanica) sunt aplicatii mecatronice,

- in cazul diferitelor categorii de roboti (fixi, mobili, medicali, de asamblare) sistemelor de pozitionare sunt aplicatii mecatronice (electrice)

Definirea specialistului in conducere automata. Ce categorii de cunostinte si experient profesionala trebuie sa posede un specialist in CA (a se vedea si anexa 1)?

In baza celor prezentate, se pot sintetiza cateva cerinte privind cunostintele necesare unui specialist in domeniul conducerii automate. In dezvoltarea si implementarea structurilor de conducere si a suportului material aferent, "specialistul" in conducerea automata a proceselor isi bazeaza activitatea pe urmatoarele categorii de "cunostinte" si experienta profesionala, fig.1.3-1. (fig.2.1-1):

cunostinte teoretice si experienta profesionala in domeniul conducerii automate: analiza si dezvoltarea strategiilor si structurilor de conducere automata; utilizarea echipamentelor de conducere analogice si numerice (hardware de conducere, in sens larg, de echipamente de conducere); implementarea unor variante software a solutiilor de conducere; utilizarea echipamentelor de interfatare DC- PC s.a..

cunostinte si experienta profesionala in domeniul unor "clase de procese" si ale principiilor de baza conducere aferente (tehnologii specifice, abordarea sistemica a procesului, modelare matematica; experienta in colaborarea cu tehnologii de proces;

cunostinte si experienta profesionala privind dezvoltarea si utilizarea suportului material (hardware) si informatic (software) oferit de catre domeniile care concura in realizarea dispozitivelor de conducere automata; in principal este vorba de echipamente electronice analogice, echipamente numerice, software de conducere, electronica de putere s.a..

7. Care este relatia inginer automatist - tehnolog de proces? Precizati principalele atributii ale tehnologului in dezvoltarea si implementarea unei aplicatii de conducere.

In procesul de dezvoltare a unui DCA, un loc aparte revine "tehnologului de proces". In principal "tehnologul de proces" este un specialist intr-un anumit domeniu "tehnic" sau "netehnic" (de exemplu chimie, energetica, metalurgie, tehnica militara, dirijarea circulatiei, biologie, medicina s.a.), care:

va defini si dezvolta procesul tehnologic, va dimensiona si construi instalatia tehnologica in care se desfasoara procesul tehnologic;

va defini cerintele, conditionarile si limitarile (restrictiile) impuse in desfasurarea procesului, formuland / sintetizand obiectivele conducerii intr-un "limbaj tehnologic" specific domeniului;

va colabora cu "automatistul" in "caracterizarea (descrierea) matematica" a procesului si a obiectivelor impuse in conducere;

va participa la verificarea solutiilor de sisteme cu conducere propuse de automatist prin interpretarea rezultatelor de simulare relative la functionarea instalatiilor pilot, a instalatiilor de laborator s.a.;

va "accepta" solutia finala a sistemului cu conducere automata.

Preluarea de catre "automatist" a prerogativelor "tehnologului de proces" este o problema delicata si de raspundere. Ea poate surveni doar atunci cand experienta "automatistului" in domeniul tehnologic indicat este dovedita prin realizari anterioare (personale sau ale colectivului de lucru din care face parte). Problema este valabila si in sens invers, multi specialisti de proces, devolta parti de conducere, adeseori bazat numai pe o experienta minimala in domeniul conducerii. Mai mult trebuie constientizat faptul ca a stii sa scrii programul de conducere (intr-un anume limbaj, dedicat sau nu conducerii) nu este echivalent cu a stii sa dezvolti o solutie de conducere pereformanta. In acest context rolul si locul specialistului in automatica este foarte bine definit.

Apelarea cunostintelor suport si a colaborarilor mentionate, care solicita o paleta foarte larga de cunostinte teoretice si practice din domenii diverse, cu echipamente specifice si cu experienta practica specifica diverselor ramuri ale stiintei si tehnicii, fac ca automatica, conducerea automata a proceselor sa fie o specializare integratoare.