Transcript Document
Termelési folyamatok automatizálása Kucsera Péter [email protected] Alapfogalmak Termelés A rendelkezésre álló erőforrások egy részének felhasználására, vagy más erőforrásokon tartós változásokat végrehajtva új javakat hozunk létre. Termelési folyamatok csoportosítása Gyártmány: a termelés végső eredménye, a létrejött új jószág A gyártmány jellege: •Szabványos tömegtermék: homogén anyagi struktúrával rendelkeznek. Pl. tégla, vaj •Összetett gyártmány: nincs homogén anyagi struktúra Pl. tv. bútor A gyártási rendszer • Folyamat rendszerű: a termék a sorban egymás után elrendezett gépeken halad végig • Műhelyrendszerű: egyforma gépek vannak egy műhelyben, s a munkadarab megy egyikből a másikba, és minden műhelyben sajátos műveletet végeznek • Projektrendszerű: minden egyedi, egyszeri gyártás. Az eszközöket viszik a munkavégzés helyére. A gyártási folyamat lehet • Folytonos technológia (a termékkibocsátás folyamatos) • Batch technológia (olyan szakaszos folyamat, amelynek terméke véges anyagmennyiségeket tartalmazó adagokban jelenik meg) A gyártás tömegszerűsége • Tömeggyártás: egyszerűbb szabványok esetén, megszámolható termékekre vonatkozik • Sorozatgyártás: a megmunkálható termékek száma kisebb a tömeggyártásnál lévőnél, de a termékválaszték nagyobb • Egyedi gyártás: a termékből egy-egy db-ot tesz rendelésre A technológiai-életciklus • Beüzemelési szakaszban rugalmas de alacsony költséghatékonyságú, viszont szabad gyártási rendszer • A növekedési szakaszában a sorozatgyártás a jellemző növekvő volumennel és közepes technológiával • Az érettség szakaszán: szerelőszalag a gyártási rendszer, magas volumennel és technológiával, hanyatlás szakaszán: a folyamatirányító rendszer a jellemző magas volumennel, magas automatizálással. Számítógéppel integrált termelés (CIM) • A termelésszervezés olyan módja, amelyben a termék tervezését és irányítását, az anyagmozgatást és a gyártást egységes számítógépes rendszer vezérli. • Összetevői: – – – – termeléstervezés és irányítás, számítógéppel támogatott tervezés, számítógéppel támogatott gyártás, automatizált anyagmozgatás, robotizálás Vállalat kialakítási szintjei VÁLLALAT Enterprise GYÁR Factory GYÁR Factory GYÁR Factory ÜZEM Plant ÜZEM Plant GYÁRTÓ RENDSZER Process Cell GYÁRTÓ RENDSZER Process Cell Technológiai alrendszer Process Unit Szenzorok Aktorok Technológiai alrendszer Process Unit Technológiai berendezés Equipment Module Technológiai berendezés Equipment Module Gyártmány kialakításának menete Napjaink tendenciái IT • A gyártás és a folyamatok üzemi szintű irányítása és az információ-technológia egyre szorosabban összekapcsolódik. Az információ-technológia eredményeit egyre gyorsuló ütemben használják a termelési és szolgáltatási feladatok ellátásánál. Az információ-technológia az ügyviteli folyamatokban is egyre nagyobb jelentőséget kap. Az iroda-automatizálás következtében például a papírmunka, a hagyományos papír-alapú levelezés egyre inkább háttérbe szorul. Fontos azonban a IT minél nagyobb fokú kiterjesztése, ezzel a hatékonyság nagy mértékben növelhető Standard software • A „standard szoftver” kifejezés azt jelenti, hogy készen lehet ezekhez a rendszerekhez hozzájutni, megkímélve ezzel a vásárlókat a szoftver-fejlesztés hosszadalmas és költséges folyamatától. • A standard szoftverek természetesen csak egy elképzelt vállalati modell alapján írhatók meg, egy ilyen standard szoftverben nagyon sokféle standard funkció található, amelyeket a bevezetés során a vállalat sajátosságainak, illetve igényeinek megfelelően lehet paraméterezni. Vállalatirányítási rendszer kialakítása • A vállalatirányítási rendszerek, a vállalatoknál kialakult horizontális és vertikális munkamegosztásnak megfelelően, funkcionális részekre oszlanak. • A vertikális vállalati munkamegosztásnak felel meg a vezetői információs és döntés-támogató hierarchia • Horizontális munkamegosztást követi a vállalatirányítási információs rendszerek funkcionális modulokra történő felbontása. Ezen rendszereken belül pénzügyiszámviteli, kontrolling, tárgyi-eszköz gazdálkodási, termelésirányítási, készletgazdálkodási, kereskedelmi, humánerőforrás-gazdálkodási gyártásirányítási, folyamatautomatizálási és egyéb modulokat különböztetünk meg. Vertikális munkamegosztás • A vállalati szervezeti hierarchiában felfelé haladva a vezetők kevésbé részletezett, összesített és elemzett információkat igényelnek, míg például a gyártási technológiát kezelő operátor, a gyártósor vagy egy technológiai egység hardware szintű rendkívül részletes megfigyelését végzi. Horizontális munkamegosztás • • • • • • • Műszaki Termelési Kereskedelmi Raktározási Készletgazdálkodási Pénzügyi vezetési, irányítási Integrált vállalatirányítási információs rendszer alatt a fent említett modulok integrált számítástechnikai kezelését megvalósító információs rendszereket értjük Integrált vállalatirányítási információs rendszer • A rendszer moduljai egységes hálózatra kapcsolódnak, így az adatok egy központi szerveren kerülnek letárolásra (nem keletkeznek duplikált másolatok eltérő adathordozókon). A papír alapú dokumentáció nem jelentős. • A gyártóipari vállalatoknál a vállalatirányítási rendszerhez integrálódhatnak CAD (Computer Added Design, Számítógéppel Segített Tervezés), CAM (Computer Added Manufacturing, Számítógéppel Segített Gyártás), rendszerek is. • Web-alapú rendszerek megjelenése Esettanulmány VÁLLALAT Enterprise GYÁR Factory GYÁR Factory Kukutyin élelmiszeripari Rt. Alsókukutyini konzervgyár GYÁR Factory ÜZEM Plant ÜZEM Plant GYÁRTÓ RENDSZER Process Cell Uborka konzerv üzem GYÁRTÓ RENDSZER Process Cell Technológiai alrendszer Process Unit Szenzorok Aktorok Uborkatermelő üzletág Technológiai alrendszer Process Unit Technológiai berendezés Equipment Module Öntözési rendszer Technológiai berendezés Equipment Module Öntözésautomatizáló rendszer Bementek (2db): Tároló tartály - Kút szint (analóg) -Tartály szint (analóg) Leeresztő szerep Szivattyú - Nyugtázó gomb (digitális) Fenéknyomás mérő Kimenetek (2db) - Szivattyú be/ki (digitális) - Leeresztő szelep be/ki (digitális) - Vézsjelzés (digitális) Fenéknyomás mérő Rugótehelés nélküli visszacsapó szelep Feladat specifikáció • A kútban lévő adott vízszint esetén a szivattyú bekapcsolása (amennyiben a tartály nincs teli) • A tartály adott vízszintje esetén a leeresztő szelep Tidőre történő kinyitása (a szivattyú és a szelep egyidejű kinyitása nem megengedett) • Amennyiben a szivattyúzás megindul és a tartány vízszintje T2 ideig nem növekszik a rendszer vészjelzés és a szivattyú kikapcsolása, melyet a nyugtázó gombbal lehet törölni • Amennyiben a leeresztő szelep nyitva van és a tartályszint T3 ideig nem csökken, vészjelzés, a szivattyú letiltása Logikai terv kialakításához használt szimbólumok IEC 848 START Alapállapot IEC 848 Feltétel Lépés A1 Elágazás Cselekmény A2 A3 Ugrás START Grafikus logikai terv Tároló tartály B Szivattyú Leeresztő szerep C Fenéknyomás mérő START A Kútszint > A Leeresztő szelep zárt C Fenéknyomás mérő & Rugótehelés nélküli visszacsapó szelep Tároló tartály szint < B Szivattyú be Időzítő 1 be MEM1 = Tartályszint Időzítő lejárt Időzítő lejárt Kútszint < C & & Tartályszint = MEM1 Szivattyú ki & Leeresztő szelep zárt Tároló tartály szint >= B Szelep nyit Időzítő 2 be MEM2 = Tartályszint Nyugtázás START Szivattyú Ki Vészjelzés be Szivattyú ki START Időzítő lejárt Időzítő lejárt & & Tartályszint = MEM2 Tartályszint < D Szelep lezár Vészjelzés be Szelep lezár Nyugtázás START START A feladat megoldásához használt eszközzel szemben támasztott követelmények • Megbízható működés, hosszú élettartam • Analóg és diszkrét be és kimenetek kezelése • Programozható és újraprogramozható (PC segítségével) • Kommunikáció egyéb eszközökkel • Megfelelő műveleti sebesség A múlt A jelfogó vagy relé elektromos áram mágneses hatására elektromos érintkezőket működtető kapcsolóelem. A vezérlő feszültség jellemzően kisebb, mint a kapcsolt oldali feszültség. - Alacsony műveleti sebesség - Mechanikus elemek élettartama limitált - Nagy helyigény, nagy teljesítményfelvétel - Bonyolult szerelhetőség - Kialakítható logika nehézkes - Kábelezéssel változtatható működés - ELAVULT!!!! A jelen PLC Programmable Logic Controller Újraprogramozható logikai műveletek végrehajtására képes vezérlőeszköz PLC programozási nyelvek IEC 61131-3 • • • • • Ladder logic (grafikus) Function block diagram (grafikus) Structured text (szöveges) Instruction list (szöveges) Funkció térképes (SFC – Sequential Function Chart, CFC – Continuous Function Chart) Miért IEC 61131-3 - Az ipari szabályzási feladatok szabványos úton történő megoldása - Programok részfeladatokra bontása, munkafelosztás IEC 61131-3 programnyelvek Instruction List LD A ANDN B ST C Function Block Diagram A C B AN D Structured Text C:= A AND NOT B Ladder Diagram A B C -| |--|/|----------------( ) Sequential Function Chart, SFC • Hatékony grafikus programnyelv sorrendi vezérlés megvalósítása • Vezérlési problémák részfeladatokra bontása • Gyors diagnosztizálás, hibakeresés Step 1 N FILL Transition 1 Step 2 Empty S Transition 2 Step 3 PLC családok • • • • • Kis kapacitású compact PLC-k alacsony I/O számmal Kis kapacitású PLC-k bővíthető I/O modulokkal Közepes teljesítményű PLC-k Nagy teljesítényű PLC-s Folyamatállomások (Process Stations) Siemens LOGO Siemens Simatic S7-200 Siemes Simatic S7-300 Siemens Simatic S7-400 Phoenix Products IEC 200 IEC 350 RFC 400 PLC Hardware felépítése Tápegység és a csatlakozó hátlap PLC Hardware felépítése A CPU és az ki- és bemeneti kártyák csatlakoztatása PLC Hardware felépítése A teljes rendszer kiés bemeneti modulokkal, és speciális célmodulokkal: -Kommunikációs és buszcsatoló modulok -Gyorsszámláló, encoder kártyák - Hajtás modulok Program futtatás menete Az irányító PLC-s rendszerben a programok különböző taskokban futnak. Taszkok típusai: -Main (default) -System -Ciklikus -Hardware megszakítás Diszkrét ki- és bemeneti modulok kialakítása Izolált ki és bementi kialakítás (optocsatolók segítségével) Túlfeszültség védelem Rövidzár védelem Használt adattíusok Floating Point Number Alapvető programblokkok • Bit alapú logikai alaptagok (AND,OR,XOR,NAND,NOR, RS-flip-flop) • Időzítők (Timerek) • Komparátorok, számlálók • Adatkonvertáló blokkok • Matematikai műveletek (ADD, SUB, MUL, SIN, COS…) Vezérlés alapjai Vezérlés alapjai A vezérlés során a szabályozott jellemző értékét nem mérjük, és nem csatoljuk vissza, így nem lehetséges a szakaszt támadó hibák kiszűrése. Zárt szabályzási kör A zárt szabályzási kör esetén a szakasz kimenete, a szabályozott jellemző folyamatos mérés segítségével figyelt. A mérés eredménye és a kívánt éték összehasonlítása segítségével hibajel képezhető, így a szakaszt támadó hibák megfelelő szabályzó használata esetén kikorrigálhatók, a szabályozott jellemző tehát nem, vagy csak kis mértékben tér el az alapjeltől. Alaptagok vizsgálata • Időtartománybeli vizsgálat (Time domain) • Frekvenciatartománybeli vizsgálat (Frequency domain) • • • • • P- Arányos tag (Proportional) I – Integráló tag (Integral) D – Differenciáló tag (Derivative) PT1 PT2- Egy- és kéttárolós tag H – Holtidős tag (Dead time) Átviteli függvény Az átviteli függvény a kimenet és a bemenet közti matematikai összefüggést írja le egy szabályzástechnikai blokk esetén. x(t ) x( j ) y(t ) y ( j ) y (t ) G (t ) x(t ) G ( j ) y ( j ) x ( j ) Időtartománybeli ábrázolás x(t) y(t) Általános alakban felírt differeneciál egyenlet: d n y(t ) dy(t ) d m x(t ) dx(t ) an .. a1 a0 y(t ) bm ..b1 b0 x(t ) n m dt dt dt dt Az egyenlet a blokk kimenetének viselkedését írja le egy tetszőleges bemeneti jel hatására. Vizsgálójelek Egységugrás (Step signal) Sebességugrás (Ramp signal) Dirac impulzus (Dirac pulse) Arányos tag (Proportional block) x(t) y(t) y(t ) K p x(t ) a0 y(t ) b0 x(t ) Integráló tag (Integral Block) x(t) y(t) dy (t ) K i u (t ) dt dy (t ) a1 b0u (t ) dt Differenciáló tag (Derivative Block) x(t) y(t) du (t ) y (t ) K d dt du (t ) a0 y (t ) b1 dt PT1 Egytárolós alaptag x(t) y(t) dy (t ) a1 a0 y (t ) b0u (t ) dt dy (t ) T y (t ) K p u (t ) dt Holtidős tag (Dead-Time Block) x(t) y(t) y(t ) K pu(t Tt ) a0 y(t ) b0u(t Tt ) Frekvencia tartománybeli leírás x(t ) y(t ) Fourier és inverz Fourier transformáció F x(t ) x(t )e jt dt x( j ) x( j ) y ( j ) y ( j ) G ( j ) x ( j ) F 1x( j ) j j t x ( j ) e d ( j ) x(t ) j The above is true if: x(t ) dt K Bode diagram Nyquist diagram Arányos tag x(t) y(t) G( j) K p Integráló tag x(t) y(t) 1 G ( j ) Ti j Differenciáló tag x(t) y(t) G( j) Td j PT1 Egytárolós tag x(t) y(t) 1 G( j ) K p 1 Tj Holtidős tag x(t) y(t) G( j) K pe jTt Laplace Transzformáció -There are some important functions which can not be Furier transformated Laplace transzformáció A jellemző vizsgálójelek Laplace transzformáltjai Alapszabályok L{ f (t )} F (s) L{ (t )} 1 L{k f (t )} k F (s) L{ f (t ) g (t )} F (s) G( s) L{ df (t ) } sF ( s) f (t )t 0 sF ( s) dt L{1(t )} 1 s L{t1(t )} 1 s2 1 L{ f (t )dt} F ( s) s 0 If pole of sY(s) are in the left half of the s-plane the final value theorem: lim y (t ) lim sY ( s ) is available. t s 0 Az időtartománybeli és Laplace alak közötti kapcsolat d n y(t ) dy(t ) d m y(t ) dx(t ) an .. a1 a0 y (t ) bm ..b1 b0 x(t ) n m dt dt dt dt Laplace transformation y(s){an s n ... a1s a0} x(s){bm s m ... b1s b0} (s z1 )(s z2 )...(s zm ) y(s) bm s m ... b1s b0 G( s) K zp n u(s) an s ... a1s a0 (s p1 )(s p2 )...(s pn ) (s z1 )(s z2 )...(s zm ) y(s) bm s m ... b1s b0 G( s) K zp n u(s) an s ... a1s a0 (s p1 )(s p2 )...(s pn ) 1 1 1 (1 s)(1 s)...(1 s ) ( z1 )( z2 )...( z m ) z1 z2 zm G ( s) K zp ( p1 )( p2 )...( pn ) (1 1 s )(1 1 s)...(1 1 s) p1 p2 pm (1 Tz1s)(1 Tz 2 s)...(1 Tzm s) G(s) Ktc (1 Tp1s)(1 Tp 2 s)...(1 Tpn s) 1 Tn pn General Diferencial Equation Fourier transformation Laplace transformation Transfer Function G(s) s=j Frequency response G(j) Blokkos ábrázolás jellemző szimbólumai Jelút Blokk: Egy kimenet és egy bemenet közötti összefüggés megteremtése idő vagy frekvenciatartományban Összeadó csomópont Elágazás Blokkok összekapcsolásának szabályai G1 G2 1 1 sTi 1 sT f G1G2 G1 1 1 2 s(T1 T2 ) 1 sT1 1 sT2 (1 sT1 )(1 sT2 ) G1+G2 G2 G1 G1 1 G1G2 A G2 1 A 1 1 sT A(1 sT ) A 1 sT 1 A sT 1 A 1 s T 1 A Példa egy PT2-es szakaszra d 2 p2 dp2 Tp 2 Tp 2 ( T T ) p2 pin p2 p2 2 dt dt Y ( s) Ap 1 T1s T2 s 2 2 R p1 C p1 dp1 p1 pin dt Rp2 C p2 dp 2 p2 p1 dt HPT1 szakasz példa dx (t ) c1 sz c0 xsz (t ) c xb (t TH ) dt c1 , c0 , c coefficient xsz controlled_ value xb m anipulated _ value Y ( s) As sTH e 1 T0 s Visszacsatolt szabályzási kör Szabályzó Zavarjel Szakasz Gd(s) Gc(s) Ga(s) Gp0(s) Beavatkozó jel Gt(s) Szabályzó Távadó Hibajel Kivonó elem Alapjel Alapjel képző Beavatkozó manipulated variable (uP) Mért érték Szabályozott jellemző Leegyszerűsített visszacsatolt szab. kör u(s) Szabályzó jel r(s) Alapjel e(s) Hibajel Gc(s) ym(s) Szabályozott jellemző Gp(s) Gt(s) Szabályzó Távadó Szakasz ym (s) Gc (s) G p (s) Gt (s) G0 Grym (s) r ( s) 1 G0 (s) 1 G0 P Szabályzó xr xe ym Ga (s) 1 Kp u Gc (s) K p PI Szabályzó Ga (s) 1 xr xe Gi (s) 1 Ti s ym 1 Gc ( s) K c {1 } sTi Kp u PD Szabályzó Ga (s) 1 xr xe Kp ym Gd ( s) sTd 1 0.2sTd m n! sTd Gc ( s) K c {1 } 1 0.1sTd u Klasszikus PID szabályzó Ga (s) 1 xr xe ym Gi (s) 1 Ti s Gd ( s) Kp sTd 1 0.2sTd 1 sTd Gc ( s) Kc{1 } sTi 1 0.1sTd m n! u Szabályzás minőségvizsgálat Átmeneti fv. 90% Szabályzási idő Felfutási idő Tolerancia sáv 5% 10% Állandósult állapotbeni érték Csúcsérték (pv) Kívánt érték (rv) %Túllövés 100 pv fv fv Stabilitás vizsgálat 1. példa Gc(s) Gp(s) Gt(s) Gc (s) 5 Gt ( s) 1 G(s) 1 3s 2 2 s 1 Stabilitási példa 2. Gc(s) Gp(s) Gt(s) Gc (s) 5 Gt ( s ) 1 G (s) 1 4 s 3 3s 2 2 s 1 Stabilitási kritériumok A szabályzó kör stabil ha : - A fázistolás kisebb mint 1800 , Amikor az erősítés nagyobb mint 1! - Az erősítés kisebb mint 1, amikor a fázistolás nagyobb mint 1800 ! Stabilitás vizsgálat Bode diagram segítségével PT1-es tag szabályzása PI szabályzóval Gc(s) Gp(s) Gt(s) 1 Gc ( s) K c {1 } sTi 1 G(s) 2s 1 Ti 0.5 Kc 1 Gt ( s ) 1 Ti = T0 Gd (s) 0.1 Gd(s) Gc(s) Gp(s) Gt(s) 1 Gc ( s) K c {1 } sTi Ti 0.5 Kc 1 1 G(s) 2s 1 Gt ( s ) 1 A megismertek alkalmazása • Ismerjük az alaptagokat • Ismerjük a zárt szabályzási körrel kapcsolatos alapfogalmakat • Képesek vagyunk az átmeneti függvény mérésére Kérdések: • Milyen szabályzót használjak? • Mik a szabályzó paraméterei? Példa HPT-es szakaszközelítés Xres 1 G p ( s) e sTh Xin 1 sT f Tf=1.6 sec Th=1.1 sec As=0.4 sec F. Piwinger ajánlás • • • • • If Tf/Th > 100 – P controller If 7.4 < Tf/Th < 100 PI controller If 3,3 < Tf/Th < 7,4 PID controller If 1.8 < Tf/Th < 3,3 Cascade controller If Tf/Th < 1.8 I controller Szabályozhatóság mérőszáma G Tf Th Példa 2. Tf=1.6 sec Th=0.1 sec As=0.4 sec Ajánlott paraméterek HPT1- es szakaszközelítés esetén Oppel ajánlás segítségével Ajánlott paraméterek HPT1- es szakaszközelítés esetén Erwin Samal ajánlás segítségével Ipari regisztrálók Strip Chart Recorders Circular Chart Recorders Videographic Recorders Ipari kompakt szabályzók