Predavanje 8 - PBF

Ž. Kurtanjek: Automatizacija 2007 

OSNOVNI POJMOVI 

UVOD U AUTOMATIZACIJU PROCESA 

Teorija automatizacije procesa zasniva se na matematičkoj definiciji sustava. Sustav se 

definira kao izdvojeni dio okoline koji obavlja određenu svrhu. Pojam sustav se vrlo često 

upotrebljava s različitim smislom, ali u teoriji automatizacije procesa sustav definiramo 

kao svrhoviti tehnički sustav koji proizvodi. 

Osnovni pojmovi kojima se definira sustav su: 

- svrha sustava 

- granice sustava i okoline 

- ulazne veličine, veličine stanja, izlazne veličine 

- dijelovi sustava ( podsustavi ) 

- struktura koja povezuje podsustave 

Najjednostavniji prikaz odnosa sustava i okoline je dan na slici 1.1. 

MASA 

x 

ENERGIJA 

x 

INFORMACIJA 

x 

OKOLINA 

SUSTAV 

GRANICA 

y 

y 

y 

X 

ulazne 

veličine veli~ine 

Slika 1.1. Grafički prikaz sustava i okoline. 

OKOLINA 

SUSTAV 

Y 

izlazne 

veličine 

veli~ine 

Za određeni primjer procesa, kao što je to proizvodnja u bioreaktoru, moguće je na različite 

načine postaviti matematičku definiciju sustava zavisno od svrhe analize. Najčešće se 

definicija sustava izvodi iz razmatranja njegove svrhovitosti. 

Sustav je otvoren prema okolini tako da okolina djeluje na stanja sustava, odnosno sustav 

se mijenja zbog djelovanja okoline. Djelovanje je izraženo prijenosom mase, energije i 

informacije iz okoline na sustav. Da bi se sustav mogao svrhovito vladati u uvjetima djelovanja 

okoline mora nužno imati upravljački podsustav. Svrhovitost vladanja i upravljanje 

su osnovne značajke u biološkim, društvenim i tehničkim sustavima. 

Na slici 1.1. su ulazne veličine označene slovom X jer su to nezavisne varijable čije 

promjene imaju za posljedici promjenu stanja. Izlazne veličine su funkcije ulaznih veliči- 

143


na i zato su označene s slovom Y. Stanja sustava su funkcije ulaznih veličina, tako da 

možemo pisati: Y = Y ( X ). 

Napomena: Na slici 1.1. strelice koje pokazuju iz sustava na okolinu, označene slovom Y, 

nisu izlazni tokovi , već su to izlazne veličine. 

Matematička definicija sustava zasniva se na definiranju ulaznih i izlaznih veličina 

i stanja. Te veličine proizlaze iz definicije svrhovitosti sustava i rezultat su apstrakcije. 

Vladanje realnih sustava se aproksimira s matematičkim modelima, odnosno matematički 

definirani sustavi opisuju samo najbitnije odnose okoline i sustava s obzirom na definiciju 

svrhe. Realni sustavi su uvijek složeniji od matematičkih modela, ali se razlike mogu 

postići po volji malenim unapređenjem modela i usavršavanjem mjerenja svojstava realnih 

sustava. Teorija automatizacije se zasniva na analizi svojstava i algoritama upravljanja 

matematičkih modela sustava. 

Definicije osnovnih veličina: 

Ulazne veličine X: 

Ulazne veličine su skup vremenski promjenljivih i međusobno nezavisnih veličina X(t) 

koje jednoznačno određuju djelovanje okoline na promatrani sustav. Ulazne veličine određuju 

prijenos mase, energije i informacije iz okoline u sustav. 

Napomena: Važno je uočiti da ulazne veličine nisu isto što i ulazni tokovi za neki promatrani 

proces. Vrlo često mogu izlazni tokovi iz procesa biti ulazne veličine. 

Veličine stanja Y: 

Veličine stanja su skup vremenski promjenljiv i međusobno nezavisnih veličina Y(t) koje 

u potpunosti opisuju bitne dinamičke promjene sustava. Veličine stanja mogu biti fizičke, 

kemijske, biološke, informacijske itd. Vladanje sustava u svakom trenutku Y(t) je jednoznačno 

određeno početnim stanjem, Y o = Y(t=0) i promjena ulaznih veličina X(t). 

Veličine stanja određuju prostor stanja u kojem svaka točka predstavlja jedno od mogućih 

stanja. Broj veličina stanja određuje dimenziju prostora. Kada su veličine stanja kontinuirano 

raspodijeljene u prostoru broj veličina stanja i dimenzija prostora su beskonačni. 

Same veličine i prostor stanja su apstraktna svojstva matematičkih sustava, odnosno 

matematičkih modela realnih procesa. 

Izlazne veličine Z: 

Izlazne veličine su funkcije veličina stanja, Z(t) = f ( Y(t) ), i jednoznačno i bitno određuju 

svrhu i djelovanje sustava na okolinu. 

Uvid u osnovnu strukturu sustava definiranog za svrhoviti proizvodni proces možemo 

uočiti na primjeru proizvodnje u biokemijskom reaktoru ( slika 1.2 ). 

144


masa, 

energija 

X Y i/ili Z 

informacija 

SUSTAV 

upravljački upravlja~ki procesni 

podsustavi 

podsustav podsustav 

izlazne izlazna 

veličine veli~ina 

Slika 1.2 Prikaz sustava za upravljanje rada bioreaktora s računalom i 

čovjekom u povratnoj vezi 

Proizvodnja u bioreaktoru je upravljani proces tako da se mogu jasno uočiti zasebne cjeline 

koje možemo identificirati kao podsustavi za upravljanje i procesni podsustav. Upravljački 

podsustav sastoji se od bitnih elemenata koji omogućavaju upravljanje bioreaktora, 

a procesni podsustav je bioreaktor u kojemu dolazi do biokemijske transformacije 

uz pomoć mikroorganizama. Procesni i upravljački podsustav imaju složenu građu, dakle 

definirani su svojim podsustavima. 

Struktura procesnog sustava je u ovom primjeru određena značajkama bioreaktora 

i mikroorganizama, odnosno u općem slučaju je određena svim tehnološkim jedinicama i 

procesima u proizvodnji 

Svi upravljački podsustavi imaju zajedničku osnovnu strukturu koja se može jasno 

uočiti i na ovom primjeru. Upravljački sustavi imaju slijedeće bitne dijelove: 

- mjerni podsustav, sastoji se od mjerne instrumentacije , neposredne (on-line) i 

posredne ( off-line ) 

- upravljačka jedinica , elementi su logičke programibilne jedinice ( PLC ), 

regulatori, elektronička računala ( procesna i PC računala ) i/ili čovjek 

- izvršni sustav, elementi su izvršne sprave koje omogućuju pretvaranje 

upravljačkih veličana, a to su informacije, u promjene ulaznih procesnih 

veličina ( ulaznih tokova mase i energije ). 

Za opisani primjer možemo promotriti upravljanje brzine rasta mikroorganizama. 

Mjernim sustavom određujemo stanje, brzinu rasta na osnovi mjerenja koncentracije tijekom 

procesa. Informacija se prenosi u računalo koje na osnovu programa izračunava potreban 

pritok supstrata da se podesi brzina rasta prema ulaznoj informaciji. Izvršni element 

je regulacijski ventil kojim možemo podešavati pritok supstrata. 

145


OSNOVNI STRUKTURNI OBLICI UPRAVLJANJA 

Upravljanje sustava može se razložiti na osnovne oblike upravljanja. Složeni upravljački 

sustavi nastaju sintezom tri osnovna oblika upravljanja: 

1) programno upravljanje, 

2) upravljanje u unaprijednoj vezi, 

3) upravljanje u povratnoj vezi. 

Osnovni oblici upravljanja su definirani za jednostavan sustav s jednom veličinom stanja 

i/ili izlaznom veličinom, a njihovim povezivanjem stvaraju se složene upravljačke strukture 

s više ulaznih i izlaznih veličina. 

Programno upravljanje prikazano je na slici 3.1. 

ulazna procesna 

veli~ina veličina 

+ 

X P 

+ 

P R O C E S 

upravlja~ka upravljačka veličina veli~ina 

U 

UPRAVLJA^KI 

UPRAVLJAČKI 

SUSTAV 

ulazna informacijska veličina 

ulazna informacijska veli~ina 

X I 

izlazna veličina veli~ina 

Slika 3.1. Shematski prikaz programnog upravljanja. 

Iz prikaza na slici 3.1 programnog upravljanja vidljive su osnovne značajke ovog upravljanja. 

Upravljački sustav prima isključivo ulaznu informacijsku veličinu iz okoline, a 

nema informaciju o stanju ulazne procesne niti veličine stanja procesa ili izlazne veličine. 

Poremećaji koji djeluju na proces, bilo da se djeluju iz okoline s ulaznom veličinom ili 

nastaju u samom procesu, kao informacija ne dolaze do upravljačkog sustava. Izlazna veličina 

upravljačkog sustava nastaje izvođenjem programa koji je upisan u pamtilo upravljačkog 

sustava, odatle i naziv ovog načina upravljanja. Upravljački sustav najčešće ima 

u pamtilu cijeli niz mogućih upravljačkih programa čije izvođenje se aktivira na osnovi 

ulazne informacijske veličine. Upravljački sustav može biti jednostavne izvedbe, kao što 

su različiti mehanički " programatori " ili je to suvremena upravljačka jedinica kao što su 

PLC ( programmable logic controller), osobna računala (PC ) ili procesna računala. Ovo 

je najzastupljeniji način upravljanja u industriji ali se vrlo često mora kombinirati s osta- 

Y 

146


lim oblicima upravljanja kako bi se postigla kompenzacija poremećaja. Programno upravljanje 

se može samostalno upotrijebiti samo u slučajevima kada na proces ne djeluju 

poremećaji iz okoline, odnosno kada je njihov utjecaj zanemariv. 

Primjeri: 

- programno upravljanje procesa pripreme ambalaže, pakiranja proizvoda 

- programno upravljanje priprema sirovina za miješalice ili reaktore prema 

recepturama ( program ) 

- programno upravljanje skladištima sirovina i proizvoda 

- programno upravljanje procesima pripreme bioreaktora ( program 

predpranja, toplinske sterilizacije, unosa inokuluma itd. ) 

Unaprijedno upravljanje 

Unaprijedno upravljanje zasniva se na mjerenju poremećaja ulazne procesne veličine. 

Zadaća upravljačkog sustava je kompenzacija mjerenog poremećaja ulazne procesne veličina. 

Na sustav ( slika 3.2.) djeluju tri ulazne veličine, dvije procesne X P1 i X P2 , i ulazna 

informacijska veličina X I . Upravljački sustav prima slijedeće dvije informacije: iz 

okoline sustava, to je ulazna informacijska veličina XI; i informaciju u obliku mjernog signala, 

X P1m , o poremećaju ulazne procesne veličine X P1 . 

ulazne 

ulazne procesne 

procesne 

veličine 

veli~ine 

XP1 X P2 

+ 

mjerni signal X P1m 

P R O C E S 

+ 

upravlja~ka upravljačka veličina veli~ina 

U 

UPRAVLJA^KI 

UPRAVLJAČKI 

SUSTAV 

S U S T A V 

izlazna 

izlazna veličina 

veli~ina 

Y 

ulazna informacijska 

ulazna informacijska 

veli~ina 

veličina 

Slika 3.2. Shematski prikaz unaprijednog upravljanja. 

Prva procesna ulazna veličina X P1 djeluje kao poremećaj na proces. Ta veličina mora biti 

obavezno mjerljiva ( mjerljiva ulazna procesna veličina ) ali nije nužno upravljiva (nije 

manipulativna ). Druga ulazna procesna veličina X P2 nije nužno mjerljiva ali je obavezno 

upravljiva (manipulativna ulazna procesna veličina). Izlazna veličina, U, upravljačkog 

sustava djeluje na manipulativnu procesnu ulaznu veličinu X P2 . Algoritam upravljanja 

X I 

147


zasniva se na predviđanju djelovanja ulaznih veličina, poremećaja XP1 i manipulativne 

XP2 na stanje i/ili izlaznu veličinu Y procesa. Predviđanje djelovanja ostvaruje se matematičkim 

modelom procesa. Djelovanje upravljačkog sustava nužno mora imati značajno 

manju vremensku konstantu od upravljanog procesa kako bi se postigla kompenzacija poremećaja 

prije nego li što se značajno odrazi na sam proces. 

Ulazna informacijska veličina XI je informacija o željenim promjenama stanja procesa. 

Ako je ulazna informacijska veličina konstantna onda se radi o referentnoj vrijednosti izlazne 

veličine i tada govorimo o unaprijednoj regulaciji procesa. Kod upravljanja biotehnološkim 

procesima ( bioreaktora ), koji su najčešće nestacionarni, ulazna informacijska 

veličina je promjenljiva. Za unaprijedno upravljanje potreban je " inverzni model " procesa 

kojim je moguće odrediti promjene upravljive ulazne procesne veličine X P2 za zadane 

informacije o poremećaju XP1 i ulaznoj informaciji XI. 

M 

X Y 

M -1 

Shematski prikaz modela procesa M i inverznog modela procesa M -1 u svrhu upravljanja. 

Unaprijednim upravljanjem nije moguće kompenzirati nemjerene poremećaje, kao što su 

poremećaji koji nastaju u samom procesu ili poremećaji u nemjerenim ulaznim veličinama. 

Također je specifičnost unaprijednog upravljanja izrazita zavisnost kvalitete upravljanja 

o pogreškama modela. Pogreške modela se ne mogu kompenzirati i mogu imati za 

posljedicu značajne pogreške upravljanja. Nedostaci unaprijednog upravljanja se kompenziraju 

u sintezi s upravljanjem u povratnoj vezi. 

Značajna primjena unaprijednog upravljanja je u biotehnologiji kod procesa s osjetljivim 

ili slabo stabilnim mikroorganizmima ( genetički modificiranim ). Zbog ireverzibilnosti 

poremećaja u funkciji mikroorganizmima ne može se dozvoliti upravljanje zasnovano na 

mjerenju poremećaja u procesu, već se unaprijednom kompenzacijom mora preduhitriti 

svaki poremećaj. 

Primjer: 

Na slici 3.3 dan je shematski prikaz unaprijedne regulacije pH u bioreaktoru za proizvodnju 

mliječne kiseline. Pritoci melase i lužine ( CaCO 3 ) su dvije ulazne procesne veličine. 

Budući da se fermentacija provodi s prihranjivanjem, proces nije stacionaran i pritok melase 

mora biti promjenljiv. Promjena pritoka melase kao i proizvodnja mikroorganizama 

148


imaju za posljedicu stalnu promjenu pH u reaktoru. Zbog inhibirajućeg djelovanja kiseline 

na rast i produktivnost mikroorganizama potrebno je pH regulirati. Unaprijednom regulacijom 

moguće je kompenzirati poremećaje prije nego li što se izazove deaktivacija 

biomase. Pritok melase je promjenljiva ulazna veličina, odnosno je to ulazni poremećaj 

X P1 koji treba mjeriti u svrhu unaprijedne regulacije. Mjerni signal X P1m iz mjerila 

protoka je ulazna veličina ( informacija ) za upravljački sustav. Druga ulazna procesna 

veličina XP2 koja je upravljiva ( manipulativna ) je pritok lužine. pH u reaktoru je veličina 

stanja i ujedno izlazna veličina Y. 

mjerenje 

protoka 

pritok 

CaCO 

X 3 

P2 

PC 

X P1m 

upravlja~ki upravljački sustav 

PC ra~unalo računalo s modelom 

bilance H 

+ s modelom 

( pH ) 

pritok melaseX 

( poreme}aj ) P1 

(poremećaj) 

U 

upravlja~ka upravljačka 

veli~ina veličina 

X I 

pHreferentno Slika 3.3. Shematski prikaz unaprijedne regulacije pH. 

pH 

izlazna 

veli~ina veličina Y 

Upravljački sustav je PC računalo koje je neposredno ("on-line") povezano s mjernim 

uređajem za protok melase i regulaciskim ventilom za podešavanje pritoka lužine. Ulazna 

informacijska veličina I za upravljački sustav su podaci koji se unose iz okoline, na primjer 

predaje ih operater ili se prenose iz nekog drugog izvora, kao što je zapis ("file" ) u 

samom računalu za upravljanje ili iz nekog drugog računala. Ako se proces provodi pri 

stalnom pH onda je ulazna informacijaka veličina konstanta jednaka željenoj ili referentnoj 

vrijednosti pH. Bitni dio upravljačkog sustava je matematički model bilance H + 

(protona) kojim se određuje pH. Modelom se određuje bilanca na osnovi pritoka melase i 

lužine i proizvodnje mikroorganizama. 

Upravljanje u povratnoj vezi 

Upravljanje u povratnoj vezi je najčešći oblik upravljanja u prirodi, društvu i tehnici. Osnova 

upravljanja u povratnoj vezi je mjerenje poremećaja stanja procesa i povratno djelovanje 

upravljačkog sustava na ulazne procesne veličine. Najjednostavniji prikaz upravljanja 

u povratnoj vezi dan je na slici 3.4. Prikazan je proces s jednom ulaznom proces- 

149


nom veličinom XP i jednom veličinom stanja i/ili izlaznom veličinom Y. Ulazna informacijska 

veličina djeluje neposredno na upravljački sustav. Poremećaju koji su posljedica 

promjena ulaznih veličina ili promjena u samom procesu odražavaju se kao poremećaj 

stanja procesa Y. Stanje procesa mora biti mjerljiva veličina tako da se informacija (mjerni 

signal) o promjeni stanja prenosi u upravljački sustav. 

X 

P 

+ 

- 

U 

P R O C E S 

Y 

UPRAVLJA^KI 

UPRAVLJAČKI 

+ 

SUSTAV 

- 

X I 

Slika 3.4. Shematski prikaz upravljanja u povratnoj vezi. 

Upravljački sustav prima istovremeno dvije informacije, ulaznu informaciju XI i informaciju 

o stanju procesa Y. Ulazna veličina je razlika tih dviju informacija, dakle razlika 

između izmjerenog stanja procesa i ulazne informacije iz okoline. 

U 

q melase 

q vode 

X 

P 

X I = T R 

P C 

Pt 100 

Y = T 

Slika 3.5. Primjer regulacije temperature u biorekatoru. 

Izlazna veličina iz upravljačkog sustava je upravljačka veličina U. Upravljačka veličina 

mijenja stanje ulazne upravljive veličine X P , koja mora biti podesiva odnosno manipulativna 

procesna veličina. 

Najčešće je djelovanje upravljačke veličine takovo da su promjene ulaznih veličina suprotnog 

predznaka od odstupanja izlazne veličine od ulazne informacije (referentne vrije- 

150


dnosti). Zbog suprotnog djelovanja se upotrebljava naziv negativna povratna veza. Na 

primjer, potrebno je smanjiti pritok melase ako je razina u reaktoru iznad referentne vrijednosti, 

ili potrebno je povećati pritok energije (topline) ako je temperatura ispod referentne. 

Za procese koji imaju negativni statički koeficijent pojačanja se umjesto negativne 

povratne veze mora upotrebiti pozitivna povratna veza kako bi se osigurala kompenzacija 

poremećaja i stabilnost upravljanja. 

Na proces istovremeno djeluje promjena iz okoline i promjena na osnovi povratne informacije 

iz procesa, dakle postoji povratni zatvoreni krug informacije. 

Bitna osobina upravljanja u povratnoj vezi je jednostavnost algoritma upravljanja. Upravljačka 

veličina se često dobije množenjem razlike ulaznih informacija s konstantom ( pojačanje 

). Nezavisnost algoritma upravljanja o modelu procesa omogućuje upravljanje 

složenim procesima za koje ne raspolažemo s matematičkim modelima, bilo da su procesi 

suviše složeni ili su čak nepoznati. 

Primjer: regulacija temperature u bioreaktoru 

Regulacija temperature u bioreaktoru je obavezna zbog velike osjetljivosti procesa rasta 

mikroorganizama i proizvodnje metabolita o temperaturi. Regulacija se provodi u povratnoj 

vezi ( slika 3.5 ). Ulazna upravljiva veličina X P je protok vode kroz plašt bioreaktora 

( izmjenjivač topline ). Stanje procesa Y ( izlazna veličina ) je temperatura T u bioreaktoru 

koja se mjeri standardnim termometrom Pt 100 . Upravljački sustav je računalo ( PC ). 

Ulazna informacijska veličina X I je podatak o temperaturi u određenom trenutku koji su 

unosi u računalo iz okoline ili se čita iz zapisa ("file"). Povratni krug je ovdje ostvaren 

tako da se informacija o temperaturi u reaktoru prenosi računalom ponovo na ulazni pritok 

u reaktor. 

Mehanizam regulacije možemo objasniti na slijedeći način. Na reaktor djeluje poremećaj 

koji ima za posljedicu promjenu temperature. Poremećaj može, na primjer, biti prouzročen 

na slijedeće načine: zbog promjene u pritoku melase, promjene u brzini rasta mikroorganizama, 

posljedica promjene protoka ili temperature u izmjenjivaču topline, promjene 

temperature okoline, ili kombinacijom svih promjena. Djelovanje poremećaja rezultira 

promjenom temperature u reaktoru, temperatura se mjeri i informacija se uspoređuje s 

ulaznom informacijom iz okoline. Ako je poremećaj izazvao porast temperature u odnosu 

na ulaznu informaciju, regulator (koji je u najjednostavnijem slučaju pojačalo) daje upravljački 

signal koje pojačava razliku izmjerene temperature i ulazne informacije. Upravljačka 

veličina je informacija koja se pretvara u fizičku akciju tako da se djeluje na regulacijski 

ventil kojim se mijenja protok vode u izmjenjivaču. Kada je pozitivna razlika 

na ulazu u regulator smanjuje se protok a kada je razlika negativna protok se povećava. 

Suprotan predznak promjena je posljedica negativne povratne veze. 

Najznačajnije značajke upravljanja u povratnoj vezi su: 

151


Bez obzira na izvor poremećaja upravljanjem u povratnoj vezi može se kompenzirati njihovo 

djelovanje. 

Algoritam upravljanja je vrlo jednostavan i ne zahtjeva model procesa. 

Povratnom vezom se upravlja većinom stanja u bioreaktoru, kao što su na primjer: koncentracija 

otopljenog kisika, pH, razina, pjena, koncentracija hranjivih tvari ( supstrata), 

itd. 

Također su brojni primjeri u prehrambenoj industriji, kao što je regulacija raspodjele 

temperature u pećnicama i hladnjacima, ili regulacija vlažnosti zraka u skladištima ili 

procesni komorama., itd. 

Za složene više varijabilne i nelinearne sustave potrebno je primijeniti kompleksni upravljački 

sustav koji nastaje sintezom navedena tri osnovna oblika upravljanja. 

152


POVEZIVANJE RAČUNALA U UPRAVLJAČKI SUSTAV 

Upotreba računala za upravljanje je najvažnija značajka suvremenih upravljačkih 

sustava u procesnoj industriji. Računala se povezuju neposredno na proces (on line) i ujedno 

se računala međusobno povezuju u mrežu računala. U početku primjene računala za 

upravljanje, od 1960, kada su računala bila vrlo skupa, upravljanje se je zasnovalo na 

upotrebi jednog velikog središnjeg ( centralnog ) računala. Razvojem tehnologije poluvodičkih 

elemenata ( čipova) cijena računala postaje sve manje značajna i istovremeno 

snaga malih računala ( npr. PC ) omogućuje primjenu velikog broja računala za upravljanje 

proizvodnje u nekom pogonu ili cijeloj tvornici. 

PROCES 

mjerni 

sustav 

izvršni 

sustav 

Shematski prikaz osnovnih dijelova digitalnog (računalnog) sustava za upravljanje 

Osnovne načine povezivanja možemo prikazati na jednostavnom primjeru procesa s jednom 

ulaznom i izlaznom veličinom. Računalo se može povezati 

X 

P + 

P R O C E S 

Y 

- 

U 

prilagodba 

signala 

prilagodba 

signala 

R E G U L A T O R 

Slika 4.1. Kaskadno povezivanje računala i regulacijskog kruga. 

procesom na dva načina: 1) kaskadno ; ili 2) direktno (DDC digital direct control). 

1) kaskadno povezivanje računala i procesa 

P C 

A/D 

pretvornik 

D/A 

pretvornik 

+ 

- 

X I 

RAČUNALO 

UPRAVLJAČKI 

SUSTAV 

153


Na slici 4.1 prikazan je kaskadni spoj računala i procesa. Kod ovakvog povezivanja proces 

je neposredno upravljan s regulatorom u povratnoj vezi, a posredno s računalom. Računalo 

je povezano na ulaz regulatora i predaje regulatoru ulaznu informacijsku veličinu 

X I . Kod svakog razmatranja upravljanja u proizvodnom pogonu potrebno je analizirati 

ulogu čovjeka, odnosno inženjera koji upravlja posredstvom računala procesom. Na slici 

4.1. je prikazano da čovjek neposredno komunicira putem računala s regulacijskim krugom, 

na primjer predajom podataka za promjenu ulazne informacijske veličine X I , ili putem 

računala mijenja parametre regulatora. Kaskadni način upravljanja ima svoje prednosti 

kada se radi o automatizaciji postojećih ( starijih )postrojenja koja nisu u početku 

bili projektirani za upravljanje računalom. Inženjeri u pogonu imaju mogućnost primjene 

klasičnog znanja iz regulacije kao i svoga radnog iskustva i postepeno se privikavati na 

upotrebu suvremenih računala namijenjenih upravljanju. Druga važna pogodnost kaskadnog 

povezivanja je u povećanoj sigurnosti rada pogona u situacijama kada postoje problemi 

u radu računala ( na primjer kod izmjene programske podrške, software, ili prekida 

rada računala zbog kvara ). 

U suvremenim industrijskim pogonima primjenjuje se direktno digitalno upravljanje ( 

DDC ) kod kojega više nema klasičnih regulacijskih krugova i računalo je neposredno 

povezano s procesom. 

X P + 

- 

D/A 

X I 

P R O C E S 

P C 

U Y m 

Slika 4.2 Shematski prikaz direktnog digitalnog upravljanja ( DDC) regulacijskog kruga. 

Na slici 4.2 prikazan je jednostavan regulacijski DDC krug. U krugu nema klasičnog regulatora 

i računalo je direktno vezano na proces, odnosno na mjerni uređaj i izvršnu spravu. 

Komunikacija između digitalnog računala i analognog procesa omogućena je primjenom 

analogno digitalnih pretvornika ( D/A i A/D ). Algoritam upravljanja je programska 

podrška (software) upisan u pamtilo računala. Velika prednost DDC povezivanja je u 

potpunoj fleksibilnosti upravljanja. Kod klasičnih regulacijskih krugova je svaka promjena 

u komponentama skupa i zahtjeva prekid rada pogona, a ovdje su sve upravljačke karakteristike 

zapravo naredbe u kompjutorskom programu i lagano se mijenjaju i usavršavaju. 

Povećanje u sigurnosti u radu se postiže upotrebom paralelnog ( rezervnog ) računa- 

Y 

A/D 

154


la koje se automatski uključuje u slučaju prekida rada. Problemi u vezi pouzdanosti rada 

računala su također potpuno riješeni upotrebom posebne klase PC računala namijenjenih 

za rad u uvjetima pogona. Ovakva industrijska PC računala imaju potpuno pouzdane 

komponente i vlastite rezervne izvore energije. 

Svaki industrijski pogon se sastoji od velikog broja procesnih jedinica koje se mogu upravljati 

računalom, tako da se vrlo često veliki broj računala u industrijskom pogonu međusobno 

povezuje u lokalnu računalnu mrežu ( LAN - local area network ). 

Slika 4.3a Prikaz "bus" strukture lokalne računalne mreže ( LAN ). 

Slika 4.3 Prikaz "zvijezde" strukture lokalne računalne mreže ( LAN ). 

Na slici 4.3 prikazano je povezivanje računala u serijski spoj kod kojega se komunikacija 

provodi s jednom sabirnicom (magistrala ili " bus "). Svako od računala radi nezavisno 

od ostalih, a jedno računalo (" file server ", -FS) poslužuje cijelu mrežu i omogućava 

komunikaciju između korisnika. Računala spojena u mrežu su najčešće standardna računala 

klase PC ili Apple/Macintosh. Korisnici mogu koristiti zajedničke zapise , " files" , 

155


istovremeno raditi na zajedničkom projektu, ili samo razmjenjivati informacije. Ovakve 

lokalne mreže su uobičajene za automatizaciju procesa gdje ne postoji izrazita proizvodna 

struktura (na primjer automatizacija ureda, biblioteka, laboratorija, projektnih organizacija 

itd.). 

Slika povezivanja lokalnih mreža u industriji i Interneta. 

Shematski prikaz komunikacijskih tokova u računalnoj mreži za upravljanje procesa 

156


U industrijskim pogonima je potrebno razviti višerazinsku strukturu računarske mreže, 

kao što je shematski prikazano na slici 4.4 

razina velikog ra~unala 

MF ( main frame ) 

razina radnih stanica 

WS 

( working station ) 

razina PC 

ra~unala računala 

razina mjerne 

instrumentacije i 

izvršnih 

izvr{nih sprava 

razina 

procesa 

PC 

MS IS 

WS WS WS 

PC 

MS IS 

MF 

PC 

MS IS 

PC 

MS IS 

PROCES PROCES PROCES PROCES 

1 2 3 4 

Slika 4.4 Shematski prikaz više razinske strukture povezivanja računala u 

proizvodnji upravljanoj računalima (CIM- computer integrated manufacture ). 

Na slici su naznačene slijedeće razine u CIM strukturi: 

1)procesna razina 

2)razina mjernih i izvršnih sustava 

3)razina PC računala za neposredno upravljanje pojedinim procesnim jedinicama 

4)razina računala u klasi radnih stanica ( " working stations ", WS ) 

5)razina glavnog računala ( " main frame ", - MF ) 

Procesne jedinice i računala su povezana u cjelinu koja ima organiziranu strukturu 

u više razina. Za upravljanje se koristi veći broj računala raspodijeljenih u proizvodnom 

pogonu ili tvornici. Upravljanje proizvodnjom gdje su računala raspodijeljena i namijenjena 

upravljanju zasebnim procesnim jedinicama naziva se raspodijeljenim računalnim 

upravljanjem ( " distributed computer control ", DCC ) 

Osnovnu razinu čine zasebne procesne jedinice koje su neposredno ("on line") upravljane. 

Kao primjer može se opisati razina procesnih jedinica u nekoj prehrambenoj industriji. 

Prva procesna jedinca su spremnici u kojima se skladišti sirovina, zatim slijede 

miješalice za pripremu smjesa, transport smjesa do punilica na proizvodnoj traci, proces 

toplinske obrade ( na primjer kuhanje ili pečenje), ambalažiranje proizvoda i transport do 

skladišta gotovih proizvoda. Svaka procesna jedinica povezana je s mjernim i izvršnim 

sustavom s zasebnim računalom za upravljanje. Primjer računalne podrške: SAP u tvrtkama 

PLIVA i PODRAVKA 

Mjernim sustavima se mjere procesne veličine stanja, kao što su mase (količine ) 

ili protoci pojedinih komponenata, temperatura, tlak , pH i sve ostale važne procesne ve- 

157


ličine. Izvršni sustav čine regulacijski ventili za upravljane prijenosa mase i energije, regulacijske 

sklopke, pumpe itd. 

Na prvoj računalnoj razini nalaze se računala klase PC za neposredno upravljanje 

pojedenim procesima. Najčešće takova računala imaju zadaće programnog upravljanja 

slijedom operacija i regulaciju pojedinih procesnih veličina. Računala su povezana horizontalno 

tako da je omogućena sinkronizacija rada procesnih jedinica. 

Informacije s razine neposredne proizvodnje prenose se na višu razinu gdje se nalaze 

računala u klasi radnih stanica (WS). Na ovoj razini se obavljaju složeni zadaci upravljanja 

kao što je projektiranje procesne opreme, "on line" i "off line" optimiranje proizvodnih 

planova i receptura za pojedine proizvode. Takova računala podržavaju distribuirane 

baze podataka o tekućoj proizvodnji kao i tehničku dokumentaciju o procesnim jedinicama. 

Računala imaju veću moć procesiranja, rade s više korisnika u isto vrijeme 

(multi user programming ) i/ili zadataka ("multi tasking"). Radne stanice su međusobno 

povezane u horizontalnu mrežu računala, ali i postoji povezanost prema nižoj i višoj razini. 

Na najvišoj razini se nalazi središnje ili glavno računalo ("main frame computer 

MF") koje ima najveću procesnu moć obrade informacija. Takova računala najčešće imaju 

zadaću obavljanja najzahtjevnijih zadataka kao što su dugoročno optimiranja proizvodnje 

za cjelokupno poduzeće i obavljanje financijskog poslovanja. 

Strukturiranjem računala postiže se velika fleksibilnost tako da se lagano sustav 

računala širi i/ili zamjenjuje novim računalima i procesnim jedinicama. Ujedno je postignuta 

velika stabilnost u radu cjelokupnog sustava. 

Primjer korisničkog programskog sučelja za upravljanje procesa 

158


Primjer objektnog pristupa sučelju za nadzor procesa 

Primjer sučelja za upravljanje bioreaktorom u Tvornici kvasca "Podravka" 

159

Predavanje 8 - PBF

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?