Un sistem de control conține un controller ca parte integrantă. Scopul controllerului este de a genera semnale de control, care vor acționa procesul de controlat (instalația) în modul dorit. Este nevoie de actuatoare pentru a efectua acțiuni de control, ca și pentru a acționa instalația direct. Senzorii și traductoarele sunt necesare pentru măsurarea semnalelor de ieșire (răspunsurile procesului) pentru controlul cu feedback; pentru a măsura semnalele de intrare pentru controlul cu feedfoward; pentru măsurarea variabilelor de proces pentru monitorizarea, diagnosticul și controlul sistemului; și în alte scopuri. Deoarece multe tipuri și nivele diferite de semnal sunt prezente într-un sistem de control, modificarea semnalului (inclusiv condiționarea semnalului și conversia semnalului) este într-adevăr o funcție crucială asociată cu orice sistem de control.

9.2.1 Control cu Feedback și Feedforward

Un exemplu simplificat de schemă a unui sistem de control cu feedback este prezentat în figura 9.1. Într-un sistem de control cu feedback, bucla de control trebuie să fie închisă, făcând măsurători ale răspunsului sistemului și utilizând informațiile respective pentru a genera semnale de control, astfel încât să corecteze orice erori de ieșire. Prin urmare, controlul cu feedback este cunoscut și sub denumirea de control cu ​​buclă-închisă. În controlul digital, un computer digital servește drept controller. Practic, orice lege de control poate fi programată în computerul de control.

Dacă instalația este stabilă și este cunoscută complet și cu exactitate și dacă intrările la instalație pot fi generate precis (de către controller) și aplicate, atunci un control exact ar putea fi posibil chiar și fără control cu feedback. În aceste condiții, nu este necesar un sistem de măsurare (sau cel puțin nu este necesar pentru feedback) și, deci, avem un sistem de control cu ​​buclă-deschisă. În controlul cu buclă-deschisă, nu folosim informații curente privind răspunsul sistemului pentru a determina semnale de control. Cu alte cuvinte, nu există feedback.

În general, performanțele unui sistem de control pot fi îmbunătățite prin măsurarea acestor intrări (necunoscute) și cumva folosind informațiile pentru a genera semnale de control. În controlul feedforward, se măsoară „intrări” necunoscute și aceste informații, împreună cu intrările dorite, sunt utilizate pentru a genera semnale de control care pot reduce erorile datorate acestor intrări necunoscute sau variații ale acestora. În figura 9.2 este prezentată o diagramă bloc a unui sistem de control tipic care utilizează controlul feedforward. În acest sistem, pe lângă controlul cu feedback, se utilizează o schemă de control feedforward pentru a reduce efectele unei intrări de perturbare care intră în instalație. Intrarea perturbatoare este măsurată și introdusă în controller. Controllerul folosește aceste informații pentru a modifica acțiunea de control, astfel încât să compenseze perturbarea introdusă prin „anticiparea” efectului acesteia.

Terminologie

Terminologia utile introdusă în acest capitol este rezumată mai jos:

Instalație sau proces: sistem de controlat.

Intrări: excitații (cunoscute, necunoscute) pentru sistem.

Ieșiri: răspunsurile sistemului.

Senzori: dispozitivele care măsoară variabilele de sistem (excitații, răspunsuri etc.).

Actuatoare: dispozitivele care acționează diverse părți ale sistemului.

Controller: dispozitiv care implementează legea de control (generează semnalul de control).

Legea controlului: relație sau schemă conform căreia este generat semnalul de control.

Sistem de control: cel puțin instalația și controllerul (poate include senzori, condiționarea semnalului etc.).

Control cu feedback: răspunsul instalației este măsurat și trimis înapoi în controller. Semnalul de control este determinat în funcție de eroare (între răspunsurile dorit și cel real).

Control cu ​​buclă-închisă: la fel ca și controlul cu feedback. Există o buclă de feedback (buclă-închisă).

Control în buclă-deschisă: răspunsul instalației nu este utilizat pentru a determina acțiunea de control.

Control feed-forward - Semnalul de control este determinat în funcție de „excitația” instalației.

9.2.2 Controllere logice programabile

Un controller logic programabil (PLC) este, în esență, un sistem asemănător unui computer digital care poate secvenția corespunzător o sarcină complexă, constând din mai multe operații discrete și care implică mai multe dispozitive, care trebuie efectuată în mod secvențial. PLC-urile sunt computere robuste utilizate în mod obișnuit în fabrici și instalații de procesare pentru a conecta dispozitive de intrare, cum ar fi comutatoare la dispozitive de ieșire, cum ar fi supape, la viteză mare, la timpi corespunzători într-o sarcină, așa cum este guvernat de un program. Pe plan intern, un PLC îndeplinește funcții de bază ale computerului, cum ar fi logica, secvențierea, sincronizarea și numărarea. Poate efectua calcule și sarcini de control mai simple precum controlul proporțional-integrativ-derivativ (PID). Astfel de operații de control sunt numite control de stare-continuă, unde variabilele de proces sunt monitorizate continuu și făcute pentru a rămâne foarte aproape de valorile dorite. Există o altă clasă importantă de control, cunoscută sub numele de control de stare-discretă, în care obiectivul controlului este ca procesul să urmeze o secvență cerută de stări (sau pași). Însă, în fiecare stare poate fi operată o formă de control de stare-continuă, dar nu este relevantă pentru sarcina de control de stare-discretă. Controllerele logice programabile sunt destinate îndeosebi îndeplinirii sarcinilor de control de stare-discretă.

Există multe sisteme de control și sarcini industriale care implică executarea unei secvențe de pași, în funcție de starea unor elemente din sistem și de unele stări de intrare externe. De exemplu, considerați o operație de fabricare a palelor de turbină. Pașii discreți în această operațiune ar putea fi

1. Mutați semifabricatele cilindrice de oțel în cuptor
2. Încălziți semifabricatele
3. Când un semifabricat este încălzit în mod corespunzător, mutați-l pe mașina de forjare și fixați-l
4. Forjați semifabricatul în formă
5. Efectuați operațiuni de finisare a suprafeței pentru a obține forma aerodinamică necesară
6. Când finisarea suprafeței este satisfăcătoare, prelucrați rădăcina palei

Rețineți că întreaga sarcină implică o secvență de evenimente unde fiecare eveniment depinde de finalizarea evenimentului anterior. În plus, poate fi necesar ca fiecare eveniment să înceapă și să se termine la momente de timp specificate. O astfel de secvențiere în timp ar fi importantă pentru coordonarea operațiunii cu alte activități și poate pentru executarea corectă a fiecărei etape de operare. De exemplu, activitățile robotului de manipulare a pieselor trebuie să fie coordonate cu programele mașinii de forjare și ale mașinii de frezat. Mai mult, semifabricatele vor trebui încălzite pentru un timp specificat, iar operația de prelucrare nu poate fi grăbită fără a compromite calitatea produsului, rata de defectare a sculei, siguranța etc. Rețineți că sarcina fiecărei etape din secvența discretă poate fi efectuată în control de stare-continuă. De exemplu, mașina de frezat ar funcționa folosind mai multe bucle de control digital direct (DDC) (de exemplu, bucle de control PID), dar controlul de stare-discretă nu este preocupat de acest lucru, cu excepția punctului de plecare și a punctului final al fiecărei sarcini.

O operație de proces ar putea consta dintr-un set de acțiuni cu două stări (ON/OFF). Un PLC poate gestiona secvențializarea acestor acțiuni într-o ordine corectă și la timpi corecți. Exemple de astfel de sarcini includ secvențierea operațiunilor liniei de producție, pornirea unei instalații complexe de procesare și activarea controllerelor locale într-un mediu de control distribuit. În primele zile ale controlului industrial, releele electromecanice, cronometrele mecanice și drum controller erau folosite pentru a secvenția astfel de operații. Un avantaj al utilizării unui PLC este că dispozitivele dintr-o instalație pot fi conectate permanent, iar funcționarea instalației poate fi modificată sau restructurată prin mijloace software (prin programarea corectă a PLC) fără a necesita modificări hardware și reconectare.

Un controller logic programabil funcționează în conformitate cu unele secvențe „logice” programate în el. Conectate la un PLC sunt un set de dispozitive de intrare (de exemplu, push-butoane, întrerupătoare de limitare și senzori analogici, ca senzori de temperatură RTD, senzori de presiune de tip-diafragmă, accelerometre piezoelectrice și senzori de sarcină cu mărci tensometrice=strain-gage) și un set de dispozitive de ieșire (de exemplu, actuatoare, cum ar fi motoare DC, solenoizi și cilindri hidraulici, indicatoare de semnal de avertizare, cum ar fi lămpi, afișaje cu LED alfanumerice și clopote, supape și elemente de control continuu, cum ar fi controllere PID). Fiecare astfel de dispozitiv este presupus a fi un dispozitiv cu două stări (luând valoarea logică 0 sau 1). Acum, în funcție de starea fiecărui dispozitiv de intrare și în funcție de logica programată, PLC va activa starea corespunzătoare (de exemplu, ON sau OFF) a fiecărui dispozitiv de ieșire. Prin urmare, PLC-ul îndeplinește o funcție de comutare. Spre deosebire de generația mai veche de controllere de secvențiere, în cazul PLC, logica care determină starea fiecărui dispozitiv de ieșire este procesată folosind software și nu de elemente hardware precum relee hardware. Comutarea hardware are loc, totuși, la portul de ieșire pentru pornirea sau oprirea dispozitivelor de ieșire controlate de PLC.

9.2.2.1 Hardware PLC

Așa cum am menționat anterior, un PLC este un computer digital care este dedicat să efectueze sarcini de control în stare-discretă. Un PLC tipic este format dintr-un microprocesor, unități de memorie RAM și ROM și hardware de interfață, toate interconectate printr-o structură de magistrală adecvată. În plus, vor exista o tastatură, un ecran de afișare și alte periferice comune. Un sistem PLC de bază poate fi extins prin adăugarea de module de extensie (memorie, module I/O etc.) în rack-ul sistemului.

Un PLC poate fi programat folosind o tastatură sau un ecran-tactil. Un program deja dezvoltat ar putea fi transferat în memoria PLC de la un alt computer sau un mediu periferic de stocare în masă, cum ar fi hard disk-ul. Funcția principală a unui PLC este de a comuta (energiza sau dezactiva) dispozitivele de ieșire conectate la acesta, într-o secvență adecvată, funcție de stările dispozitivelor de intrare și în conformitate cu logica dictată de program. În figura 9.3 este arătată o reprezentare schematică a unui PLC. Rețineți senzorii și actuatoarele din PLC.

Pe lângă activarea și oprirea componentelor de ieșire discrete într-o secvență corectă la timpi corespunzători, un PLC poate efectua alte operații utile. În special, poate efectua operații aritmetice simple, cum ar fi adunarea, scăderea, înmulțirea și împărțirea pe datele de intrare. De asemenea, este capabil să efectueze operațiuni de numărare și cronometrare, de obicei ca parte a cerințelor sale funcționale normale. Este posibil să fie necesară o conversie între binar și zecimal-codat-binar (BCD) pentru afișarea cifrelor pe un panou LED și pentru interfațarea PLC cu alt hardware digital (de exemplu, dispozitive de intrare digitală și dispozitive de ieșire digitală). De exemplu, un PLC poate fi programat pentru a face o măsurare a temperaturii și a sarcinii, a le afișa pe un panou LED, a face unele calcule pe aceste valori (de intrare), și a furniza un semnal de avertizare (ieșire) depinzând de rezultat.

Capacitățile unui PLC pot fi determinate de parametrii precum numărul dispozitivelor de intrare (de ex. 16) și numărul dispozitivelor de ieșire (de exemplu, 12) pe care le poate gestiona, numărul de pași de program (de exemplu, 2000) și viteza cu care poate fi executat un program (de exemplu, 1 M pași/s). Alți factori, cum ar fi dimensiunea și natura memoriei și natura cronometrelor și a contoarelor din PLC, nivelele de tensiune ale semnalului și alegerile de ieșiri, sunt toți factori importanți.

FIGURA 9.3 Reprezentarea schematică a unui PLC

9.2.3 Control distribuit

Pentru procese complexe cu un număr mare de variabile de intrare/ieșire (de exemplu, o instalație chimică și o centrală nucleară) și cu sisteme care au cerințe de operare diverse și stricte (de exemplu, naveta spațială), controlul digital centralizat este destul de dificil de implementat. Unele forme de control distribuit sunt adecvate în sisteme mari, cum ar fi celule de producție, fabrici și instalații de proces cu mai multe componente. Un sistem de control distribuit va avea mulți utilizatori care ar dori să utilizeze simultan resursele și, poate, ar dori să comunice și unul cu altul. De asemenea, instalația va necesita acces la resurse publice și comune și la mijloace de monitorizare și supraveghere de la distanță. În plus, diferite tipuri de dispozitive de la diverși furnizori cu specificații, tipuri de date, și nivele diferite ar trebui să fie interconectate. În acest scop este necesară o rețea de comunicare cu noduri de comutare și mai multe rute.

Pentru a obține conectivitatea între diferite tipuri de dispozitive cu origini diferite, este de dorit să se utilizeze o magistrală standard care este acceptată de toți furnizorii majori de dispozitive necesare. Pot fi adoptate în acest scop Foundation Fieldbus sau Industrial Ethernet. Fieldbus este o magistrală standardizată pentru o instalație, care poate consta dintr-un sistem interconectat de dispozitive. Oferă conectivitate între diferite tipuri de dispozitive cu origini diferite. De asemenea, oferă acces la resurse publice și partajate. În plus, poate oferi mijloace de monitorizare și supraveghere de la distanță.

În figura 9.4 este prezentată o arhitectură adecvată pentru rețeaua unei instalații industriale. Instalația industrială în acest caz este formată din mai multe „dispozitive de proces” (PD), unul sau mai multe controllere logice programabile (PLC) și un sistem de control distribuit (DSC) sau un controlor de supraveghere. PD-urile vor avea I/O directe cu propriile componente în timp ce dețin conectivitate prin rețeaua instalației. Similar, un PLC poate avea conectivitate directă cu un grup de dispozitive, precum și conectivitate în rețea cu alte dispozitive. DSC va supraveghea, gestiona, coordona și controla instalația de ansamblu.

FIGURA 9.4 O instalație industrială în rețea

9.2.3.1 Controlul ierarhic

O arhitectură preferată de control distribuit este asigurată de controlul ierarhic. Aici, distribuția controlului este disponibilă atât din punct de vedere geografic, cât și funcțional. O structură ierarhică poate facilita eficient controlul și comunicarea într-un sistem complex de control. Considerați o ierarhie pe trei niveluri. Deciziile de conducere, controlul de supraveghere și coordonarea între instalații din complexul general pot fi furnizate de computerul de control de supraveghere, care se află la cel mai înalt nivel (nivelul 3) al ierarhiei. Următorul nivel inferior (nivel intermediar) generează setări de control (sau intrări de referință) pentru fiecare regiune de control (subsistem) din instalația corespunzătoare. Punctele de reglare și semnalele de referință sunt intrări în controllerele digitale directe (DDC), care controlează fiecare regiune de control. Computerele din sistemul ierarhic comunică folosind o rețea de comunicație adecvată. Transferul de informații în ambele direcții (în sus și în jos) ar trebui să fie posibil pentru performanță și flexibilitate cât mai bune. În controlul distribuit master-slave, este disponibilă doar descărcarea informațiilor.

Ca o ilustrație, în figura 9.5 este prezentată o ierarhie pe trei niveluri a unui sistem mecatronic inteligent (IMS). Nivelul inferior constă din componente electromecanice cu detecție la nivel de componentă. Mai mult, acționarea și controlul cu feedback direct sunt făcute la acest nivel. Nivelul intermediar utilizează preprocesoare inteligente pentru abstractizarea informațiilor generate de senzorii la nivel de componentă. Senzorii și preprocesoarele lor inteligente îndeplinesc împreună sarcini de detectare inteligentă. Starea de performanță a componentelor sistemului poate fi evaluată prin acest mijloc, iar ca rezultat poate fi efectuată reglarea componentelor și controlul grupului de componente. Nivelul superior al ierarhiei desfășoară activități la nivel de sarcină, incluzând planificarea, monitorizarea performanței sistemului și controlul general de supraveghere. Resurse precum materiale și expertiză pot fi furnizate la acest nivel și ar fi disponibilă o interfață om-mașină. Luarea deciziilor bazate pe cunoștințe se realizează atât la nivel intermediar, cât și la nivel superior. Rezoluția informațiilor implicate va scădea, în general, odată cu creșterea nivelului ierarhic, în timp ce nivelul de „inteligență” care ar fi necesar în luarea deciziilor va crește.

În cadrul sistemului general, protocolul de comunicare oferă o interfață standard între diferite componente, ca senzori, actuatoare, condiționatoare de semnal și controllere, precum și cu mediul sistemului. Protocolul nu va permite doar implementări extrem de flexibile, ci va permite, de asemenea, ca sistemul să utilizeze inteligența distribuită pentru a efectua preprocesarea și înțelegerea informațiilor. Protocolul de comunicare ar trebui să se bazeze pe un standard la nivel de aplicație. În esență, ar trebui să contureze componentele care pot comunica între ele și cu mediul fără a defini legătura de date fizice și nivelurile de rețea. Protocolul de comunicație ar trebui să permită schimburi diferite tipuri de componente și abstractizări de date diferite în cadrul aceleiași lucrări-cadru. De asemenea, ar trebui să permită comunicarea informațiilor din locațiile eliminate din punct de vedere geografic către sistemul de control și comunicare al IMS.

FIGURA 9.5 O structură ierarhică de control/comunicații pentru un sistem mecatronic inteligent

9.3 Performanța sistemului de control