7.3. RAČUNALA I PROCESI

Procesna tehnika obuhvaća djelatnosti vezane uz provedbu industrijski procesa prerade fizikalnih sirovina, projektiranje i gradnju procesnih postrojenja u kemijskoj industriji, rudarstvu, metalurgiji, preradi otpada i drugdje. Učinkovitost ove djelatnosti danas je gotovo nezamisliva bez uporabe digitalnog računala bilo kao zasebne jedinke ili dijela cijelog kompleksnog sustava.

Računalo i procesnoj tehnici može poslužiti samo za njegov nadzor ili za automatsko upravljanje cjelokupnim procesom. Koji od ovih načina će se primijeniti ovisi o načinu unosa podataka u računalo te njihove obrade i načinu upotrebe dobivenih rezultata za upravljanje procesom. Dakle, treba razlikovati nadzor nad procesom (očitavanje relevantnih parametara) i upravljanje s njim (podešavanje parametara) bilo izravno (automatski) ili neizravno. Prema načinu unosa podataka u računalo te njihove uporabe za upravljanje tijekom procesa razlikuju se:

• On - line sustavi
• Off - line sustavi

Podjela se prvenstveno odnosi na način unosa podataka u računalo, iako se može primijeniti i na način kako računalo upravlja procesom.

On-line unos podataka vrši se izravnim povezivanjem izvora podataka s računalom električnim vodovima i elektroničkim sklopovima. S obzirom na veliku brzinu prijenosa signala i brzinu odziva računala vrijeme dolaska podataka od izvora do računala je reda veličine mikrosekunda. Tada se kaže da se podaci obrađuju u REALNOM VREMENU jer je vrijeme prijenosa podataka najčešće zanemarivo.

Off-line prijenos podataka odvija se i dvije faze. U prvoj se podaci iz izvora zapisuju na neki prijenosni medij (disketa, priručna memorija, papirna traka i drugo), pa se tek potom sa tih medija prenosi ili upisuju u računalo. Vrijeme između skupljanja podataka i unosa je po potrebi, za sat ili dva, tjedan, mjesec, godinu dana ili nikad. Naravno ovakav sustav nepogodan je za brz i izravan nadzor na procesima.

Načelna shema sklopovskih elemenata u procesu upravljanja prikazana je na narednoj slici.

Slika 7.3.1 Uređaji i sklopovi u računalnom upravljanju procesima.

Sklopovi i uređaji na slici mogu se podijeliti u tri osnovna okruženja:

• Upravljani sustav
• Okruženje za povezivanje
• Digitalno računalo

Iz slike se vidi da je prikazan on-line sustav upravljanja. U off-line sustavu upravljanja dio prema izvršnom uređaju bio bi u funkciji povremeno.

Digitalno računalo je daleko najvažniji element cijele ove strukture. Načela njegova rada opisuju sva prethodna poglavlja, a sada je prikazano ukomponirano u sustav procesnog upravljanja. Hoće li upravljanje obavljati PC računalo ili MIKROKONTROLER ovisiti će o složenosti zadaće i o učestalosti potrebe za izmjenom načina rada procesa ili njegovog nadzora.

Upravljani sustavi toliko su različiti da se ne mogu razmatrati općenito, a njihova različitost zahtijevati će i različite elemente u okruženju za povezivanje. Uloga senzora (Mjernih pretvornika) i način rada A/D i D/A pretvornika opisani su u prethodnim poglavljima. A/D i D/A pretvornici ovdje su prikazani van sustava digitalnog računala što je jedna od mogućih načina njihove primjene. Naravno sučelje prema računalu tada može biti različito od serijskog (RS 232c) do paralelnog (CENTRONICS), USB ili neka druga vrsta s posebnom karticom.

Upravljani sustav

Sadrži senzor i izvršni uređaj. Senzor će fizikalnu veličini kao temperaturu, vlažnost, pritisak ili neku drugu pretvoriti u analogni signal. Kako se izlazni analogni signal senzora obično ne uklapa po parametrima kao standardni ulaz u A/D pretvornik potrebno je izvršiti njegovu analognu obradu.

Ako se istovremeno nadzire više parametara koristiti će se više senzora i A/D pretvornik s multipleksiranim ulazima, naravno s analognom obradom svakog od njih.

Uporaba senzora ukazuje da se radi o on-line sustavu upravljanja. No ima situacija kada sustav nije moguće pratiti senzorom. Na primjer ako je mjerilo zagađenosti vode prisutnost pijavica. Čim pijavice pobjegnu voda je zagađena. Ovakav sustav spada u off- line sustav praćenja jer se prisutnost pijavica u vodi ne može mjeriti. Sličan sustav je aparat za tople napitke. Vrlo jednostavnim senzorom (neka tipka) označava se kakav se napitak želi. Računalo će na osnovu toga propustiti putem izvršnih uređaja određenu količini vode, šećera i kave u posudu. No dio ovog sustava ipak je on-line. Naime u nedostatku posude ili nekog od sastojaka računalo neće dopustiti izvršavanje željene operacije već će prikladno porukom upozoriti na nedostatak.

Moderni automobili već posjeduju popriličan broj senzora koji upozoravaju na stanje automobila, odnosno na moguće kvarove ili istrošenost dijelova i o tome na određeni način upozoravaju vozača (svjetlosno, zvučno ili porukom). Na osnovu ugrađenog programa u računalu automobila slijediti će poruka po kojoj odlučuje samo vozač ili će se vožnja automobilom potpuno onemogućiti, na primjer ako vozač nije privezan pojasom.

Dakle, postoje dva osnovna načina rada.

• Zatvorena petlja nadzora
• Otvorena petlja nadzora

Iako se podaci čovjeku mogu prikazati na prikladan način, petlja je ipak zatvorena ako čovjek poduzme nekakvu akciju, ali nije električki zatvorena. Dakle nadzor nije u potpunosti automatski. Drugo je ako se proces u nekom okruženju samo mjeri (nadzire) a ne poduzima se nikakva akcija bez obzira da li odluku donosi računalo ili čovjek. Petlja je tada otvorena i nema izvršnih uređaja.

Da bi se na proces koji se odvija u nekom okruženju moglo djelovati moraju postojati izvršni organi koji izravno djeluju u okruženju kao: prekidač strujnog kruga, elektromagnetski-ventil, elektromotor i drugo. Izvršni organi su kao i senzori vrlo specifični i za njihov ispravan rad treba izvršiti usklađivanje izlaza iz D/A pretvornika prema njima s nekakvim uređajem za prilagođenje, naravno usklađenim i dizajniranim za izvršni uređaj s kojim je povezan.

Analogna obrada signala

Električni signali koji dolaze iz senzora veoma često će biti nekakav kontinuirani promjenjivi napon ali može biti i impuls promjenjive veličine ili širine ili izmjenični signal promjenjive frekvencije ili faze. S druge strane signal može biti vrlo malen ili prevelik u odnosu na standardni ulaz u A/D pretvornik. Osim toga međuovisnost promjene stanja koje senzor promatra (recimo temperatura) i izlazne vrijednosti iz senzora može biti linearna i nelinearna. Sve to opet nije isto za svaku izvedbu senzora iako su namijenjeni za istu svrhu. Ukratko, senzori kao i signali koje daju veoma su različiti, a ulazi u A/D su uglavnom standardni. Da bi se omogućilo da A/D pretvornik prepozna što mu senzor šalje treba prethodno izvršiti elektroničku obradu signala senzora.

Sklopovi za elektroničku obradu analognog signala posebna su oblast, ali u načelu vrijedi pravilo da je dobro uzeti onaj senzor uz koji proizvođač nudi uređaja za elektroničku obradu, jer je tada njihov rad međusobno usklađen. Zadaća uređaja za elektroničku obradu svodi se u suštini na to da se točnost informacije (podatka) o veličini mjerenog parametra što manje ošteti, pa ako je potrebno i poboljša. Iako moderna programska potpora u digitalnom računalu koje vrši nadzor, može izvršiti korekcije osobina senzora, to će uglavnom zadovoljiti samo ako su svi elementi od senzora do programske potpore od istog proizvođača.

Već iz samog opisa nadzire se velika različitost elektroničkih uređaja za analognu obradu signala ako se koristi više senzora za nadzor nekog okruženja. U takvoj situaciji morati će se uporabiti A/D pretvornik s multiplekserom. Složenost pretvornika ovisiti će u kolikoj mjeri su izlazi iz sklopova za analognu obradu signala međusobno usklađeni. Ako je usklađenost dobra zadovoljiti će A/D pretvornik s multiplekserom na ulazu i zajedničkom daljnjom elektronikom za pretvorbu (pojačalo, filtar, S&H, ...), a ako nije moraju se koristiti odvojeni sustavi pretvorbe u A/D pretvorniku pred ulaz u multiplekser što poskupljuje pretvornik.

U slučaju nadzor s više senzora vrlo rijetko će se dogoditi da se ulazi u multiplekser izmjenjuju slijedno u pravilnim vremenskim razmacima. Vremenski razmaci između uzimanja uzoraka mogu biti različiti ako se na primjer prati temperatura i pritiska u nekom kotlu. Kad i u kojem momentu uzeti koji uzorak odlučuje programska potpora na osnovu njoj zadanih parametara.

Digitalno računalo - mikrokontroler

Najvažniji element on-line sustava za upravljanje procesima Osnovni razlog njegove primjene je velika brzina rada, pouzdanost i velika moć obrade podataka. Sklopovski elementi digitalnog računala već su objašnjeni u poglavlju o PC sustavu. No raznolikost se očituje u programskoj potpori koja nadzire proces. Dizajn programske potpore podrazumijeva podrobno proučavanje mjerne sredine, odnosno procesa koji se u toj sredini događaju. Dakle o uniformnosti programske potpore nema govora, osim ako nije dizajnirana od strane proizvođača laboratorijske opreme. U svim ostalim slučajevima dizajn programske potpore potpuno je usklađen samo s procesom koji se promatra i za koji je oprema dizajnirana, dakle razviti mjerni ili upravljački algoritam usklađen s karakterom procesa i s onim što on-line sistem treba raditi.

Algoritam ne mora izraditi konstruktor on-line sustava već njegov korisnik, ili ako je sustav složeniji, izraditi će ga zajedno. Na osnovu tog algoritma koristeći neki od jezičkih procesora izraditi će se programska potpora za računalo (faze razvoja programske potpore) kako bi računalo bilo sposobno obavljati mjernu i programsku zadaću. Ako se zadaća promjeni dovoljno je promijeniti program a da dio elektroničkih i upravljačkih uređaja ostane isti.