sistemi di supervisione e controllo -...
TRANSCRIPT
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 1/30
Sistemi di Supervisione e ControlloSistemi di Supervisione e Controllo
Argomento - Sistemi di Controllo Distribuito (DCS)
Docente - Prof. Elio [email protected] di Ingegneria Elettrica ed ElettronicaUniversità di Cagliari
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 2/30
Riferimenti bibliografici
GG.. MAGNANI, GMAGNANI, G. . FERRETTI, PFERRETTI, P.. ROCCOROCCOTecnologie dei sistemi di controllo - 2ª edizioneMcGraw-Hill Libri Italia, 2007
P. P. ChiacchioChiacchioPLC ed automazione industrialeMcGraw-Hill Libri Italia, 1996
M. M. VeronesiVeronesiSistemi di controllo distribuitoDispense
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 3/30
Sommario
• I D.C.S.
• La funzione di Controllo
• La funzione di Protezione
• La funzione di Supervisione
• Il Software
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 4/30
I Distributed Control Systems
EWS
OPCGateway
Sistemi non proprietari
WindowsTerminal Server
UfficioStazionedi Ingegneria
DCS
ESD
MES SystemOPC server
Field I/O Bus (Redundant Optional)Fiber Optic
Remote:RS485RS232Ethernet
I/O + Exi I/O
SPS SYSTEM
SPS SYSTEM
SPS SYSTEM
HIS HIS
Stazione operatore
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 5/30
I Distributed Control Systems
FieldControlStation
Tecnologia RISCRidondataControlloInterbloccoSequenzeI/O RemotoPorte comunicazione
FieldControlStation
Tecnologia RISCRidondataControlloInterbloccoSequenzeI/O RemotoPorte comunicazione
Rete diSistema
Token passing10 Mb/sRidondataCoax/otticaProprietaria
Rete diSistema
Token passing10 Mb/sRidondataCoax/otticaProprietaria
Human Interface StationStazione operatore
Controllo, Monitoraggio + IngegneriaPC + Windows 2000
Human Interface StationStazione operatore
Controllo, Monitoraggio + IngegneriaPC + Windows 2000
Configurazione base di un DCS
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 6/30
I Distributed Control Systems Sistemi per il Controllo Distribuito
Le azioni di controllo non sono delegate ad un unico agente, ma suddivise tra più agenti autonomi, eventualmente coordinati da un supervisore
Il malfunzionamento del singolo agente non comporta la perdita di controllo dell’intero sistema
Il supervisione consente la razionalizzazione e l’ottimizzazione del processo produttivo complessivo
L’affidabilità è ottenuta ridondando i componenti critici
Solitamente utilizzati per il controllo di processo (DCS)
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 7/30
I Distributed Control SystemsRealizzati con un insieme di apparecchiature elettroniche, connesse tra di loro in rete, e collegate mediante moduli I/O alcampo
La struttura è modulare per consentire l’espandibilità del sistema
Software altamente specializzato, con modalità di programmazione ad alto livello mediante oggetti configurabili
Solitamente sia hardware che software sono “proprietari” ed il sistema è “chiuso”, anche se possono essere disponibili interfacce standard
Disponibili funzioni di engineering
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 8/30
I Distributed Control SystemsGestione allarmiGestione ricetteProgrammazioneTrend e rapportiInterfaccia operatoreControllo statistico di processoSupporto alla manutenzioneSistema espertoComunicazione
Controllo analogico e sequenzialeAuto/Self-tuningMultivariable ControlModel Predictive ControlFuzzy Logic ControlOttimizzazione dinamica
Gestione anomalieShut-down automatico
Supervisione
Controllo
Protezione
S.C.A.D.A.
F.C.U.A.C.U.P.L.C.
P.L.C. di sicurezza
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 9/30
I Distributed Control Systems
Database di sistema
Acquisizione sensori / comando attuatori(schede di I/O analogici o digitali / schede di comunicazione)
Controllo(schede a microprocessore)
Supervisione
Rete di sistema
Bus I/O
Architettura tradizionale di un D.C.S.
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 10/30
La funzione di Controllo
• Controllo analogico e sequenziale• Auto/Self-tuning• Multivariable Control• Model Predictive Control• Fuzzy Logic Control• Optimal Control
Sovraintende a tutte le funzioni di controllo
Controllori classici - PID, PLC
Controllori avanzati - MPC, FLC
Programmazione dinamica fuori linea - OC
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 11/30
La funzione di ControlloUnità di controllo: moduli di elaborazione in grado di implementare logiche di controllo di tipo analogico e sequenziale
Processori potenti ed affidabili (es. RISC, 32 MB Ram)
CPU ridondate --> possibilità di sostituzione bumplessa caldo
Alimentazione ridondata
interfacce di comunicazione ridondate (sia verso gli I/O che verso la supervisione)
concentrazione di tutte le funzionalità di controllo (continuo o batch)
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 12/30
La funzione di Controllo
CPU left CPU Right
Rete di sistema
Bus di campo
µP 1 µP 1
SyncSync
µP 2µP 2
memorymemory
I/O comI/O com
COMP
Modulo Com
ECCECC
µP 1 µP 1
SyncSync
µP 2µP 2
MemoryMemory
I/O comI/O com
COMP
Modulo Com
ECCECC
CPU Pair & Spare• Le due CPU elaborano
gli stessi segnali
• Ogni CPU ha 2 micro-processori in parallelo e sincronizzati (PAIR)
• La individuazione di un malfunzionamento fa passare il controllo alla CPU di riserva (SPARE)
• La CPU guasta può essere sostituita a caldo
• Il programma viene riversato automati-camente sulla CPU nuova da quella in servizio
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 13/30
La funzione di ControlloFormalismi di programmazione standardizzati dalla IEC1131
START
Marcia STOP
Marcia START Marcia
STOPAND
OR
Marcia
Load MARCIALoad STOPnotandLoad STARTorStore MARCIA
Ladder Diagram Logic Chart Linguaggio strutturato
Avvio pompe
Apertura valvole
Dosaggio
Arresto pompe
Chiusura valvole
Aperte
Marcia
Fine
Mancanzacomponente
Reintegro
Livelloraggiunto
Arresto
input
output
PID
input
output
PID1
PID2
Single loop Cascata
input
output
Ratio
PID2
Rapporto
input1
output
PID
FFWD
Feedforward
input2
input1
output
PID1
SEL
Overrride
PID2
input2input
output1
PID
SPLIT
Split-Range
output2
input2
SFC (batch)
Function Blocks(ricca libreria di blocchi funzione, tra cui anche LAG, DELAY, DTC, LeadLag, etc.)
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 14/30
La funzione di ControlloModuli di comunicazione anche multi-protocollo connessi con una rete di sensori ed una rete di processo
Si interfacciano con i moduli di acquisizione e controllo
PROFIBUS-DP
FOUNDATION FieldbusHart
MODBUS TCP
MODBUS(RS-485, 422, 232C)
(Ethernet)
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 15/30
La funzione di ControlloModuli di misura in grado di elaborare il segnale dal capo e renderlo disponibile nel bus di controllo
Schede di acquisizione/gestione per 8 o 16 ingressi/uscite analogicheSchede di acquisizione mono-canale per loop criticiSchede di acquisizione per 16, 32, 64 ingressi digitaliSchede per gestione di 16, 32, 64 uscite digitali (transistor o relè)Schede di comunicazione per interfacciamento con altri dispositivi:
RS232, protocolli proprietari o std. (es. Modbus)RS422A/485, protocolli proprietari o std. (es. Modbus, Profibus)Foundation Fieldbus (possibilità di loop in campo)Ethernet
comunicazione verso il rack CPU attraverso bus locali (proprietari o meno) generalmente corti e veloci (es. 185 Mb/sec, < 10m) o più lunghi e lenti (es. 10 Mb/sec, < 180 m) se necessario remotare
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 16/30
La funzione di ControlloAspetto di un armadio FCU
Rack I/OAlimentazione singola o ridondata8 I/O slotsmax 15 Racks per KFCSModulo 19 "x 5 U (22cm)
CPU Singola o ridondataRISC µ processorMemory 16 MB (with ECC)
Doppia connessionealla rete di sistema
Bus internosingolo o ridondato128 Mb/s10 m
I/O RemotoSingle or dual power supply 8 I/O slotsmax 14 remote racks Option G3 at 70°CModulo 19 "x 5 U (22cm)
Bus espansioni remoteSingolo o ridondato10Mb/s~180 m max ~ 2km in Fibra Ottica
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 17/30
La funzione di Protezione
Permette la gestione di situazione anomale non recuperabili e che presentano condizioni di rischio elevato per le persone e le cose
Supporta l’azione dell’operatore
Talvolta integrato con i sistemi esperti
Caratteristiche di elevata affidabilità. Sistemi elettronici dedicati
• Gestione anomalie• Shut-down automatico
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 18/30
La funzione di Protezione
perturbato
disturbato
normale
anomalo
Sistema di controllo
Operatore
Operatore
Shut-down
Allarme inefficace
Allarmi efficaci
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 19/30
La funzione di Supervisione• Sistema esperto• Gestione alarmi
Il sistema esperto supporta l’operatore nelle scelte operative
Utilizzato in presenza di deviazioni dal comportamento normale, e soprattutto in presenza di allarmi e blocchi
La gestione allarmi è critica rispetto alla capacità di reazionedell’operatore:
• Allarmi non significativi ripetuti• Alarm shower
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 20/30
La funzione di Supervisione•Gestione alarmi
• Gli allarmi ripetuti devono essere evidenziati• Ad ogni allarme può essere associata una priorità• Possono essere implementati filtri che utilizzano proprietà associate al
singolo allarme (es. priorità)• Una analisi statistica dello storico degli allarmi facilita la classificazione• Gli allarmi poco significativi devono essere separati dagli altri
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 21/30
La funzione di Supervisione
• Trend e rapporti• Controllo statistico di processo
Funzioni di acquisizione dati dal campo (comunicazione), di analisi della conduzione dell’impianto (Trend, rapporti, controllo statistico)
Strumenti funzionali all’individuazione di possibili anomalie, ed al miglioramento del processo
Si appoggiano ad un data-base centralizzato di processo
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 22/30
La funzione di SupervisioneInterfaccia operatore Basate su macchine con sistema operativo con tecnologia Windows NT (Windows 2000, XP, NT)
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 23/30
La funzione di Supervisione• Interfaccia uomo/macchina
Strumento che permette all’operatore di rendersi conto delle condizioni di esercizio, e di effettuare manovre sull’impianto
Definito secondo criteri di ergonomicità• Sinottici parlanti• Stampanti• Segnali acustici• Segnali visivi• Tastiera e track-ball• Touch-screen
Attenzione all’uso dei colori
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 24/30
La funzione di Supervisione
Configurazione hardware delle varie stazioni di controllo
Configurazione sotfware delle varie stazioni di controllo
Configurazione delle pagine di supervisione e conduzione d’impianto
Simulazione e addestramento del personale (senza necessità di FCS)
Sviluppo del progetto con linguaggi di alto livello, spesso “ad oggetti”
Configurazione delle varie funzioni del DCS semplificata mediante l’utilizzo di maschere standard
Numerose funzioni pre-definite
Possibilità di definire funzioni utente mediante linguaggi testuali (es. C)
Stazione di ingegneria
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 25/30
La funzione di SupervisioneStazione di ingegneria
FCS SIMULATORFCS SIMULATOR Operation and MonitoringOperation and MonitoringFunctionsFunctions
VIRTUAL TESTVIRTUAL TEST
Documentazione automatica delle attività e del progetto
Possibilità di importare/esportare da altri progetti/data-base
TAG01
PID
I/O Simulator
IN OUT
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 26/30
La funzione di Supervisione• ComunicazioneAcquisizione dati ed integrazione di sistema
Reti di alto livello per la comunicazione verso l’esterno (Ethernet)
Reti con protocollo proprietario per la interconnessione delle macchine
Bus ridondati per incrementare la affidabilità
Utilizzo di dispositivi standard (switch, router) per la connessione dei vari rami della rete
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 27/30
La funzione di Supervisione• Gestione ricette• Programmazione• Supporto alla manutenzione
Permettono la gestione dell’impianto in senso lato
Funzioni logicamente connesse al mondo esterno all’impianto per realizzare sia il sistema ManufactoringExecution System che il Plant Information Management System
Realizzano una espansione verso l’alto delle funzioni di un DCS
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 28/30
Il Software
Esecutivo
Supporto al sistema
Applicativo
Comunicazione
Configurazione
Gestione a chiavi e livelli di priorità
Software
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 29/30
Il SoftwareLa gestione degli accessi è di fondamentale importanza per la sicurezza del sistema
• Possono individuarsi 4 gruppi, sulla base del loro ruolo:– Operatori
• Comando e monitoraggio, esecuzione delle azioni di controllo, generazione di report.
– Tecnici di manutenzione• Configurazione del sistema per la creazione/modifica di logiche di
controllo, sequenze, grafici, etc.– Tecnici di gestione/produzione
• Creazione di “ricette”. – Amministratori di sistema
• Controllo degli accessi al DCS, configuarazione, etc.
Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 30/30
Il Software
Ogni operatore accede al sistema mediante uno User ID ed una Password
Tramite la coppia User ID & Password si abilitano le sole funzioni necessarieper l’espletamento della propria attività
La password deve essere modificata periodicamente
Può essere predisposto un sistema di rilevamento delle “intrusioni”
Dopo un dato periodo di tempo di inutilizzo può:
• essere disabilitata la password
• Essere eseguito il log-off automatico dell’utente
• Essere bloccato l’accesso alla interfaccia del sistema
Per operazioni particolari può essere richiesta la doppia abilitazione (es. by-pass blocchi)