1

MODULUL 4: STRUCTURI DE SISTEME DE

CO�DUCERE

1. Calculatorul ca ansamblu al sistemului informational

Configuratia generala a unui sistem de calcul pentru conducerea proceselor este

data mai jos.

Masura

Reglare

Comanda

Semnalizare Repartitor

I/E Analogice

I/E Numerice

Alarme

Unitate aritmetica

si logica

Unitate de

comanda

Memorie interna

Consola operator

de proces

Subsistem U�ITATE

CE�TRALA

Subsistemul I/E CLASICE

(periferice standard)

Subsistemul I/E I�DUSTRIALE

(elemente de proces)

SISTEMUL CO�DUS

(PROCES)

SISTEMUL DE CO�DUCERE CU CALCULATOR DE PROCES

Imprimantarapida

Mem

orieexterna

(benzi,discuri,etc.)

Plotter

Sisteme deafisare

Hard - copy

Monitoare

Fig. 1 - Subsistemele principale ale unui sistem de conducere cu CP

Structura sistemelor de calculatoare de proces este dictata de o serie de

criterii, cum ar fi:

- functiile pe care trebuie sa le indeplineasca sistemul de calcul si modul de

rezolvarea a acestora;

- siguranta in functionare;

- asigurarea flexibilitatii;

- criterii economice, etc.

De cele mai multe ori configuratia aleasa trebuie sa sigure un compromis intre

satisfacerea mai multor astfel de criterii.

Vom prezenta mai jos cateva puncte de vedere in stabilirea configuratiei sistemelor

de conducere a proceselor cu echipamente numerice (SCPEN), in particular cu

calculatoare de proces (CP).

2

2. Structura cu sistem centralizat si descentralizat

Se va pune problema, delimitarii sarcinilor intre calculator si celelalte

instalatii. Exista insa o serie de consideratii care recomanda impartirea sarcinilor,

cum ar fi: dezvoltarea progresiva a gradului de automatizare, marirea capacitatii

calculatorului, pastrarea posibilitatii de interventie a personalului, siguranta in

functionarea, etc.

Calculatorul de proces ca instalatie de prelucrare centrala a datelor unui

proces este pus in alternativa cu dispunerea descentralizata a aparaturii de

masura, comanda, reglare si semnalizare.

.....

1u 2u nu

1y 2y my

...........1u 2u nu

.........

1y 2y my

a) b)

⇓

⇓

Fig. 2 - Fluxul de informatii in sistemul descentralizat (a) si sistemul centralizat (b)

.....

Comparatia dintre aceste doua sisteme arata ca ambele structuri prezinta atat

avantaje. cat si dezavantaje. Mentionam printre altele:

- siguranta in functionare la sistemul descentralizat este mai mare deoarece

exista o probabilitate de intrerupere a tuturor canalelor mai mica decat in

cazul sistemului centralizat;

- posibilitatile de schimbare in instalatie sunt practic egale: la sistemul

descentralizat schimbarile se fac in general in cadrul conexiunilor iar la cel

centralizat prin program, ceea ce conduce la cel mult usoare perturbatii in

functionare;

- intrarile si iesirile la sistemul descentralizat sunt continue in timp (I/E sunt

canale paralele): la sistemul centralizat apar discontinuitati datorita

multiplexarii canalelor I/E;

- sistemul descentralizat este orientat pe probleme, dar cel centralizat are

posibilitati multilaterale de interventie;

- depistarea erorilor se face relativ usor in ambele cazuri: la sistemul

descentralizat, existand canale individuale, se pot depista direct: la sistemul

centralizat se tipareste la imprimanta eroarea, fie la interventia automata a

sistemului de operare, fie prin programe de testare.

3

Daca la sistemul descentaralizat eroarea perturba numai canalul respectiv, la

sistemul centralizat exista posibilitatea interuperii intregii instalatii; etc.

Rezulta ca va trebui intotdeauna sa se distribuie sarcina de prelucrare asfel incat

sa fie folosite la maximum avantajele ambelor sisteme.

3. Structura unui sistem cu calculator de proces considerata din punct

de vedere al fiabilitatii.

Obiectul de baza pentru problemele de fiabilitate in cazul calculatoarelor de

proces din instalatiile de automatizare este de a se estima pericolul si urmarile

unei defectari si de a aplica metode de reducere a acestui pericol pana la o limita

admisa. Aceste probleme trebuiesc ridicate chiar din faza de proiect in functie de

conditiile de utilizare.

• Pentru aprecierea proprietatilor de functionare a structurilor de conducere cu CP din punct de vedere fiabilistic se folosesc urmatoarele notiuni:

- Timpul mediu de nefunctionare (defect) MDT (Mean Down Time) Dt este

intervalul de timp intre momentul defectarii si repunerea din nou in

functionare a intregii capacitati a echipamentului;

- Timpul mediu de functionare, Ft MTBF (Mean Time Between Failure)

este timpul mediu intre sfarsitul timpului de suspendare pana la inceputul

unei noi nefunctionari:

- Probabilitate de nefunctionare:

D

D F

tp

t t=

+ (1)

- Probabilitate de functionare care se mai numeste disponibilitate:

D

D F

tq

t t=

+ (2)

:

cu observatia ca

1p q+ = (3)

• Sa consideram doua situatii extreme in care se poate descompune un sistem in

subsistemele componente: montarea in serie si montarea in paralel.

4

E1

En

E2

E1 EnE2

a) b) Fig. 3 a) structura serie (neredondant); b) structura paralel (redondant)

In cazul a n elemente conectate in serie (sistem neredondant) probabilitatea de

functionare

1

n

s iQ q=Π (4)

iar cea de nefunctionare, in cazul in care 1ip <<

1

n

s iP p=∑ (5)

Daca se considera ca D Ft t<< si ca timpul mediu de functionare este acelasi la toate

cele n elemente, va rezulta:

1

1

1SF n

Fi

t

t

=

∑ (6)

Daca sistemul poate fi descompus in elemente conectate in paralel (sistem

redondant), lucru ce impune functionarea a cel putin a unui subansamblu pentru

functionarea intregului sistem, rezulta ca probabilitatea de nefunctionare va fi:

1

n

s iP p=Π (7)

Daca se considera S i iD D Ft t t= << iar aceasta este aceiasi pentru toate

subansamblurile, atunci:

1

( )

( )S

m

FF m

D

tt

t −= (8)

cu iF Ft t= si

iD Dt t=

5

Sa consideram un sistem constituit din n subansambluri de acelasi fel, care se

mentine in functionare daca m din cele n dispozitive functioneaza ( )m n≤ .

Probabilitatea de nefunctionare a sistemului este:

( )( 1)

! 11

!

nn

n

Sn m

nP p

n p

υ

υ υ υ

−

= − +

= − −

Σ (9)

cu un timp mediu de functionare

S

DF

s

tt

P= (9’)

Pentru un sistem “1 din n” relatia de mai sus devine:

n

SP p= (10)

La sistemul “n din n” (deci la care defectarea unuia din cele n dispozitive conduce

la nefunctionarea ansamblului):

1 2

1 ( 1) 11 1 ....

2

n n

n

S

n nP p n

p p

− − −= − + − +

(11)

si daca p<<1

1

1n

n

sP p n n pp

−

= = ⋅

(11’)

Observatii

Din relatiile de mai sus se observa ca pentru a creste siguranta in functionare

(cresterea lui q) se poate merge pe doua directii: cresterea lui Ft sau micsorarea lui

Dt .

Intradevar

1 1 D

F

tq p

t= − = − (12)

( )2S

DS F

S

tP mp cu t

P= = (13)

6

p1

a)

1 2p p p> >

.....1 2 3 n

2sP p p= +

p ppp

b)

2p p>

....1 n n+1 n+2

3 2 3 2, ; ,p p p p p p≫ ≫

2 3sSistemneredondat P n p p p= ⋅ + +

( )21

2 3s sSistemredondat P n p p p P= ⋅ + + <

p

c)

p

p 1

2

m

1

m

2

Subsistem 1 Subsistem 2

( )2sP m p= ⋅

p P

P

P

d)

MASTER SLAVE

1P 2P

1 2sTP P P= ⋅

e)

Fig. 4 - Structuri de calculatoare de proces cu disponibilitate ridicata:

a)- sistem monocalculator; b)- sistem ierarhizat; c)- sistem cu redondanta la nivel

de echipament; d)- sistem de calcul dublu; e)- sistem master-slave.

1 2TSP P P= ⋅ (14)

7

4. Arhitecturi de sisteme mono si multicalculator

Exista o justificare tehnico-economica pentru introducerea de CP la diverse

nivele de automatizare.

Justificarea tehnica este legata de exactitatea si viteza de transmitere a

valorilor masurate si comandate, precum si de posibilitatea perturbarii semnalelor

pe liniile de transmisie.

La justificarea economica se are in vedere spatiile ocupate, numarul

personalului, situatia pieselor de schimb, etc.

a) Sistem monocalculator

CALCULATOR

de

PROCES

I/E

I�DUSTRIALA

PROCES

a)

CALCULATOR

de

PROCES

I/E

I�DUSTRIALA

PROCES

CALCULATOR

de

PROCES

I/E

I�DUSTRIALA

PROCES

CALCULATOR

de

PROCES

I/E

I�DUSTRIALA

PROCES

CALCULATOR

de

PROCES

I/E

I�DUSTRIALA

PROCES

b)

PROCES

CALCULATOR

de

PROCES

AUTOMATICA

CO�VE�TIO�ALA

c)

Fig. 5 - Sisteme monocalculator:

a) sistem monocalculator izolat;b) sisteme monocalculator izolate dar grupate

teritorial;

c) sistem monocalculator cu rezerva constituita din automatica conventionala

(back-up system)

8

b) Sisteme multicalculator.

αααα. Sistem in paralel.

CALCULATOR

de

PROCES

I/E CLASICE

PROCES

CALCULATOR

de

PROCES

I/E I�DUSTRIALE

a)

CALCULATOR

de

PROCES

I/E CLASICE

PROCES

CALCULATOR

de

PROCES

I/E I�DUST. I/E I�DUST.

MEMORIE

EXTER�A

MEMORIE

EXTER�A

b)

Fig. 6 - Sisteme informatice de proces paralel:

a) cu unitati centrale dublate; b) cu interfata de proces dublata

ββββ. Ierarhii de calculatoare.

CALCULATOR

de

PROCES

PROCES

1

I/E I�DUST.

PROCES

n

PROCES

2

CALCULATOR

de

PROCES

I/E I�DUST.

CALCULATOR

de

PROCES

I/E I�DUST.

CALCULATOR de

PROCES

(Capacit.mare/medie)

Spre / de la nivelul

ierarhic superior

a)

CALCULATOR

de

PROCES

PROCES

1

I/E I�DUST.

PROCES

n

PROCES

2

CALCULATOR

de

PROCES

I/E I�DUST.

CALCULATOR

de

PROCES

I/E I�DUST.

CALCULATOR de

PROCES

(Capacit.mare/medie)

Spre / de la nivelul

ierarhic superior

b)

Fig.7 - Sisteme ierarhice cu:

a) echipamente dispuse centralizat; b) echipamente dispuse descentralizat.

9

5. Arhitecturi de sisteme cu calculator de proces considerata din punct

de vedere al interconexiunii cu procesul

Fiabilitatea ceruta unui calculator de proces depinde in mare masura de

interconectarea acestuia cu procesul, interconectare care la randul ei este

dependenta de functiile pe care vrem sa i le atribuim:

- functia de informare;

- functia de ghid de conducere;

- functia de conducere automata.

Ca urmare, se pot distinge urmatoarele moduri de interconexiune ale CP (SCPEN).

αααα Conexiunea in circuit deschis “off-line” (“open-loop”, “date logging”);

CALCULATOR

de

PROCES

PROCES

AUTOM. CO�VE�T.

OPERATOR

UMA�

a)

MCC

CA

LC

UL

AT

OR

de

PR

OC

ES

PR

OC

ES

AU

TO

M.

CO

�V

E�

T.

OP

ER

AT

OR

UM

A�

CD, DVD, etc.

b)

Fig.8 - Conexiunea off-line

a)- colectare manuala a datelor de intrare;

b)- colectare automata a datelor de intrare cu MCC

ββββ. Conexiune “on-line”:

a) Conectare in circuit deschis sau functionare cuplata cu procesul pe o

singura parte (on-line open loop).

b) Conectarea in circuit inchis sau functionarea cuplata cu procesul pe

ambele parti on-line closed-loop:

i) Comanda procesului (reglajul comandat de calculator, conducere in

circuit inchis de urmarire sau calculator de ghidaj a automaticii

conventionale – “Supervisory Computer Control” SCC).

ii) Reglarea numerica a procesului care consta in preluarea de catre

calculator a functiilor regulatoarelor automate conventionale.

In utilizarea calculatorului de proces pentru reglarea numerica a procesului

deosebim doua structuri:

- Calculatorul conduce procesul dupa o strategie optimala sau dupa un model

matematic.

10

Reglarea numerica directa multipla (“Direct Digital Control” - DDC)

CALCULATOR

de

PROCES

OPERATOR

UMA�

PROCES

DISP.AUTOM. CO�VE�T.

a)

CALCULATOR

de

PROCES

PROCES

DISP. AUTOM.

CO�VE�T.

b1)

CALCULATOR de

PROCES

PROCES

DISP. AUTOM.

CO�VE�T.

Model Strategie

b2)

CALCULATOR de

PROCES

PROCES

ALGORIT. de COD.

b3)

Fig. 9 – Conexiunea on-line

a)- conexiune in circuit deschis (on-line open-loop);

b)- conexiune in circuit inchis (on-line closed-loop;

b1)- calculator de ghidaj a automaticii conventionale

(Supervisory Computer Control-SCC);

b2)- reglare numerica cu adaptarea parametrilor reglajului conventional;

b3) – reglare numerica directa multipla (Direct Digital Control – DDC)