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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


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


Sommario

• I D.C.S.

• La funzione di Controllo

• La funzione di Protezione

• La funzione di Supervisione

• Il Software


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



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


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)


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


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



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.


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


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)


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


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.)


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)


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


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


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


La funzione di Protezione

perturbato

disturbato

normale

anomalo

Sistema di controllo

Operatore

Operatore

Shut-down

Allarme inefficace

Allarmi efficaci


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


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


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


La funzione di SupervisioneInterfaccia operatore Basate su macchine con sistema operativo con tecnologia Windows NT (Windows 2000, XP, NT)


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


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


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


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


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


Il Software

Esecutivo

Supporto al sistema

Applicativo

Comunicazione

Configurazione

Gestione a chiavi e livelli di priorità

Software


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.


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)

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