wykład przedstawia systemy sterowania od strony warstw...

1

Wykład przedstawia systemy sterowania od strony warstw oprogramowania

niekoniecznie bezpośrednio związanych ze sterowaniem.

2

Jeden z graficznych sposobów przedstawiania warstw systemu sterowania lub

też systemu informatycznego zintegrowanego z systemem sterownia. Istotnym

faktem jest że w przypadku producentów energii elektrycznej działanie każdej

warstwy związane jest z obserwację i wykorzystaniem bieżących danych

procesowych

3

Współczesne układy DCS zmierzają coraz bardziej w kierunku

kompleksowych rozwiązań informatycznych. Większość producentów

pokazuje (jak na slajdzie) warstwowy model systemu (piramida) obrazujący

możliwości systemu sterowania w połączeniu (lub trend obecny

zawierających w sobie) szereg aplikacji nie tylko poświeconych sterowaniu

a zmierzających w kierunku zarządzania przedsiębiorstwem włącznie.

Rynek rozwiązań zmienia się dynamicznie wobec czego każda z

klasyfikacji nie jest precyzyjna a granica pomiędzy podziałami jest nieostra.

Tym niemniej – rozpatrując proces przemysłowy i układy pobierania danych

jako źródło informacji dla kolejnych modułów funkcjonalnych zwyczajowo

wyróżnia się:

1. Warstwę sterowania – to historycznie cel powstania Systemów sterowania

– w obecnym okresie jeszcze często dzieloną na układy regulacji

podstawowej (automatyka klasyczna) oraz tzw. „zaawansowane sterownie

– advanced control” powszechne w ostatnich latach zastosowanie

nowoczesnych algorytmów regulacji wykorzystujących modele

predykcyjne, fuzzy logic, sieci neuronowe , itp..

2. Warstwę aplikacyjną – poświęconą już nie bezpośrednio sterowaniu

procesem ale wspomagającą działanie Działów Kontroli Eksploatacji,

Remontowych, itp. (poprzez funkcje obliczeniowe) a także funkcje

integracyjne pozwalające na przekazywanie danych procesowych z

systemów DCS do wszystkich osób zainteresowanych oberwacją procesu

(w niektórych opracowaniach zwane to jako MIS – Management

Information Systems – do systemów zarządczych)

3. Warstwę biznesową – tu wkraczamy w dziedzinę oprogramowania dla

zarządzania przedsiębiorstwem (w niektórych opracowaniach zwaną ERP

4

To z kolei, rysunki koncepcyjne METSO o warstwach systemu DCS

5

Aby system DCS (przynajmniej w jego klasycznej postaci) działał w modelu

warstwowym z inną funkcjonalnością niż tylko warstwa sterowania

potrzebuje szerokich możliwości komunikacyjnych. Rysunke pokazuje

schematycznie wymaganą komunikacje (przepływ informacji) z typowego

systemu Sterowania Rozproszonego – i tak:

1. Przypominając możliwości pobierania danych procesowych ( z czujników

pomiarowych) – sposób typowy to połączenie tras kablowych sygnałów

analogowych 9zwykle w standardzie prądowym – zmiana natężenia prądu

pomiędzy 4 a 20 mA odpowiada danej wielkości pomiarowej) do modułow

I/O danego sytemu przetwarzających sygnał na wielkość cyfrową (liczbę w

pamięci komputera)

2. Komunikacja „do góry” do innych systemów (zazwyczaj będzie to MIS –

management Information System – czyli mówiąc normalnie LAN – Local

Area Networ – biurowa sieć komputerowa obecna w każdym

przedsiębiorstwie łącząca komputery stojące na biurkach pracowników – w

tym przypadku przesyłamy dane z DCS do Ethernetu (nie zapominając że

DCS to też sieć Ethernetowa) ale pomiędzy nimi musi nastąpić pewna

separacja a najlepiej zabezpieczenie firewalowe dla bezpieczeństwa i

uniemożliwienia dostępu osobom niepożądanym. Z punku widzenia

aplikacyjnego (softwarowego) połączenia te będą odbywały się zwykle za

pomocą powszechnych standardów informatycznych – OLE, OPC

(omówienie dalej) lub poprzez dostęp do danych w DCS za pomocą tzw.

API producenta – jest to nic innego jak biblioteki komunikacyjne

(procedury) zwykle w języku wysokiego poziomu (np. C, C++)

pozwalającego napisać własny program komputerowy który pobiera dane z

DCS. Specjalną klasą komunikacji są protokoły specjalizowane

6

Kilka dodatkowych wyjaśnień do najbardziej typowych protokołów

standardowych:

•OPC – to obecny standard przemysłowy (oceny czy działa dobrze to zupełnie

inna sprawa ; z doświadczeń praktycznych nie zachowuje się perfekcyjnie w

przypadku konieczności pobierania dużej ilości danych z dużą częstotliwością

– jak widać oparty jest w założeniach na Microsoftowym OLE

•ODBC i SQL to standardowe języki zapytań do baz danych a z uwagi że

systemy sterowania używają komercyjnych baz danych więc zwykle też

umożliwiają komunikację poprzez tego typu zapytania

Informacje o specjalizowanych protokołach dla energetyki:

Problemem szczególnie istotnym jest komunikacja z centrum dyspaczerskim

(organizacji produkcji – w Polsce Operator Systemu Przesyłowego (PSE i

KDM)

•Historyczny protokół UTJ (wprowadzany w latach 60-70) poozwolił na

sterownie bloków w trybie ARCM

•Następuje obecnie wymiana (częściowa) na nowoczesny standard (obecny

szeroko w Europie i USA) o nazwie ICCP (lub czasami Tase 2)

15

Podstawowe (uproszczone) założenia automatyki zaawansowanej. Jest

możliwość wprowadzania regulatorów sterujących obiektem nie na podstawie

uchybu (błędu pomiędzy wartością zadaną a sygnałem kontrolowanym) – co

jest podstawowym założeniem regulacji nazwijmy ją „klasycznej” opartej na

PID ale przewidywania zachowania obiektu na podstawie wewnętrznego

modelu. Ten sposób regulacji ma zalety zwłaszcza tam gdzie klasyczne

regulatory PID (i podobne) są najmniej dokładne a więc:

•W procesach nieliniowych (u podstaw regulatorów PID znajduje się

linearyzacja obiektu – przekształcenie Laplace’a wobec czego im bardziej

nieliniowy proces klasyczna automatyka jest bardziej niedokładna)

•W procesach z dużymi stałymi czasowymi (od kilku minut) – wówczas istotne

jest przewidywanie zachowania obiektu a nie oddziaływanie na sygnał zwrotny

z obiektu (który zmienia się wolno i długo)

16

Jeden (z wielu a le chyba najbardziej pasujący do energetyki) regulatorów

zaawansowanych – tzw. Model Predictive Control – regulacja predykcyjna z

modelem.

•Regulator działa w czasie dyskretnym (np.. Co kilkanaście sekund

wypracowuje sygnał sterujący (np.. Przymknij lub odkręć zawór) – wobec

czego nie może być stosowany do procesów bardzo szybkich zresztą nie ma

tam potrzeby co wtedy regulator PID (rozbudowany) czuje się bardzo dobrze)

•Regulator ma dwa horyzonty (wyobraźmy sobie – „obserwacji”) – horyzont

regulacji (krótszy (ale np.. Kilku minutowy) na którym może analizować

wszystkie scenariusze sterowania (np.. Jak mogę odkręcić zawór przez kilka

minut) oraz horyzont predykcji (dłuższy – np.. Kilkanaście minut) na którym

predykuje (przewiduje – na podstawie wewnętrznego modelu) zachowanie

obiektu – np.. Jaki będzie finalnie przepływ czynnika (wielkości kontrolowanej)

•Teraz jak pracuje regulator – w danej chwili czasowej (teraz) ma wiedze o

historii procesu , regulator rozważa wszystkie możliwości sterowania na

horyzoncie regulacji (np.. wszystkie kombinacje ruszania zaworem) i analizuje

przewidywane zmiany wielkości kontrolowanej (np. przepływu ) – z tej

szerokiej wiedzy poprzez optymalizację wybiera najlepszy scenariusz

powodujący optymalne przewidywane zachowanie obiektu (optymalizacja

może być wykonana rozważając różne kryteria np. jak daleko będzie nasza

wielkość kontrolowana od zakładanej (żądanej)

•Jeśli już podjął decyzję (ma na to kilkanaście sekund bo działa w czasie

dyskretnym i musi wystawić (wysłać) wielkość sterującą (co zrobić z

zaworem)) wysyła to (pierwszy krok optymalnego scenariusza) i rozpoczyna

całą analizę od początku ( w ostatnich kilkunastu sekundach mogły przyjść

jakieś zakłócenia (zaburzenia) które zmieniają perspektywę obserwacji

19

Jak obecnie zorganizowane są układy automatyki zaawansowanej – zwykle

działają równolegle lub w powiązaniu z układami klasycznymi.

20

Typowe rozwiązanie automatyki zaawansowanej dla bloku energetycznego –

optymalizacja spalania w kotle pyłowym – tu regulator predykcyjny łączy

układy regulacji paliwa i powietrza dostosowując się także do zmiennych

warunków pracy tworzonych przez układ regulacji obciążenia.

22

Typowe (obecnie) rozwiązanie optymalizacji spalania w kotle pyłowym –

regulator optymalizujący rozkłada wymaganą ilość paliwa (obciążenie) na

poszczególne młyny ( w zasadzie nieznacznie zwiększając lub zmniejszając

wartość (nazywa się to bias) z układu regulacji obciążenia która jest średnią

całkowitej ilości paliwa przez liczbę zespołów młynowych oraz zadaje (zwykle

zmniejszając jak tylko można) wartość tlenu w spalinach oraz ustawiając tak

położenie klap żeby dystrybucja powietrza w kotle powodowała optymalne

spalanie.

23

Obecne na rynku układy automatyki zaawansowanej:

•Tzw. Advanced Load Demand Computer – nowoczesne układy

zapotrzebowania obciążenia – m.in.. Przewidują jaka jest akumulacja energii w

kotle i jak najefektywniej (lub najszybciej zależnie od wymagań) można

zmienić moc bloku

•Regulatory spalania (omówione wcześniej) ich celem jest pilnowanie

maksymalnie wysokiej sprawności spalania i zmniejszanie emisji Nox

•Zaawansowane regulatory temperatury pary – specjalizowane układy które

nadzorują pracę wtryskiwaczy

•Regulatory Turbiny i układu kondensacji – układy które umożliwiają

osiągnięcie (chwilowe) dodatkowej ilości energii elektrycznej (to ważne jeśli

blok wypełnia zadanie regulacji np.. W ARCM lub sprzedaje energię na rynku)

We wszystkich tego typu regulatorach wykorzystuje się kombinacje technik

MPC, sieci neuronowych czasami logiki rozmytej i przede wszystkim

efektywnych algorytmów optymalizacji.

24

Warstwa aplikacyjna przede wszystkim kierowana jest nie tylko bezpośrednio

do operatorów ale do nadzorujących inżynierów ( i dyrekcji) w elektrowni. Dla

wypełnienia tych zadań musza oni:

•Patrzeć na bieżące dane procesowe

•Przeliczać wartości dla tworzenia kolejnych wskaźników

•Dokonywać obliczeń optymalizujących (finalnie chodzi żeby ograniczać

koszty)

Wobec czego warstwa aplikacyjna ma dwa zadania:

•Integracyjne – pobieranie danych z „czystego” systemu sterowania i

przesyłania ich „wyżej” do biurowych sieci komputerowych (łącząc też dane z

różnych systemów (różnych bloków)

•Obliczeniowe – różnego typu programy przeliczające dla wyznaczania

wskaźników i optymalizacji

25

Typowy rysunek integracyjny. Z uwagi na bezpieczeństwo wymagane jest

stosowanie zabezpieczeń w postaci separacji sieci komputerowych, firewali,

haseł dostępowych, itp..

26

Zadanie integracji jest typowe we wszystkich elektrowniach. Upraszczając do

rozwiązania praktycznego chodzi o to żeby każdy z pracowników na swoim

„biurkowym” komputerze miał dostęp do bieżących danych (grafiki

synoptyczne), danych historycznych oraz mógł tworzyć dowolne raporty.

Systemy takie nie pozwalają na wykonywanie czynności sterujących.

Uwaga – takie systemy też czasami nazywane są SCADA (Supervisory

Control and Data Acquisition) – w moim przekonaniu jest to pewna pomyłka

(aczkolwiek jestem daleki od kłótni o nazewnictwo) – SACDA (patrz wykłady

wcześniejsze) powstała jako połączenie szeregu PLC poprzez sieć dla

zebrania danych ale także i sterowania (o czym świadczy nawet nazwa

Supervisory Control – sterowanie nadrzędne) i w czystej formie jest systemem

stosowanym dla rozproszonych sterowników (wobec czego jest coraz bardziej

podobna do „klasycznego” DCS) Powstałe w latach 70 oprogramowanie 70

rozdzieliło się na dwa nurty (moja twórcza terminologia):

•Klasyczna SCADA – oprogramowanie integracyjne sterowników PLC z

funkcjami sterującymi (przykłady komercyjne Intouch, Intellution)

•Oprogramowanie integracyjne – łączenie DCS i innych systemów dla

wizualizacji, raportowania i obliczeń w sieciach zakładowych (bez sterowania)

(przykłady komercyjne PI, ESS)

27

Przykład grafiki synoptycznej która pokazuje się na dowolnym komputerze w

elektrowni (tu akurat wodnej)

28

Obecnie coraz bardziej popularne jest także wykorzystanie internetu do

integracji danych. W tym wypadku dostajemy możliwość oglądania grafik

synoptycznych na dowolnej przeglądarce. Zwykle (przynajmniej dobrze

byłoby) żeby w zaawansowanych rozwiązaniach stosować bezpieczne

połączenia typu VPN.

29

Typowe obliczenia wymagane w nowoczesnej elektrowni.

30

Popularna metodyka analizy eksploatacji (od strony sprawności procesu) –

tzw. metoda TKE – Techniczno Ekonomiczna Kontrola Eksploatacji

31

Przykład grafiki z obliczeniami sprawności w elektrociepłowni. Parametrem

podstawowym na który zwracają uwagę działy kontroli eksploatacji jest

jednostkowe zużycie paliwa na produkcje energii elektrycznej [zwykle kJ/kWh]

(i także ciepła w przypadku elektrociepłowni) – dla otrzymania sprawności

wytwarzania podziel 3600 przez jednostkowe zużycie ciepła [kJ/kWh]

32

Obliczenia turbozespołu z monitorowaniem sprawności wewnętrznych

33

Monitorowanie pracy kotła z obliczeniami strat metodą pośrednią.

34

Starty kontrolowane (mierzalne) – pierwsza kolumna to wielkości znamionowe

procesu, druga to aktualne wielkości procesowe – ich różnicę można

przeliczyć na odchylenie jednostkowego zużycia ciepła od wartości

znamionowej (a więc zmianę sprawności) co (kolejne przeliczenie przez cenę

paliwa) pokazuje operatorom straty lub zyski wyrażone bezpośrednio w PLN.

45

Proponuję spojrzeć dla zainteresowanych tez na http://www.cire.pl/erp/ oraz

zobaczyć w Internecie zasoby poświecone ERP – Enterprise Resource

Planning – oprogramowaniu nadrzędnemu do zarządzania przedsiębiorstwem.

Zwykle zawiera on (i tak jest też rozumiane) pozycje zawarte na slajdzie i to

jest podstawowa funkcjonalność tego typu oprogramowania. Problemem jest

specyfika niektórych przemysłów (a energetyki zwłaszcza) powodująca że

niektóre ze standaryzowanych rozwiązań ERP nie do końca dają się

przystosować do tego przemysłu (a zwłaszcza wymagań wytwórców –

elektrowni)

46

To zestaw oprogramowania oferowany przez jednego z dostawców – firmę

IFS. Jak widać to szeroki zestaw modułowych pakietów. Poprzez czerwone

prostokąty zaznaczone zestawy oprogramowania wdrażane w energetyce i

tak:

•Instalacja rynkowych ERP zwykle zaczyna się od procesów finansowo-

księgowych i controlingowych (kontrola zamówień i wydawania pieniędzy) (to

są podstawowe moduły ERP-ów i z tego oprogramowanie się wywodzi) wraz z

modułami zarządzania ludźmi (Human Resources – płace, zatrudnienie)

•Gospodarka magazynowa i remontowa to kolejny obszar bardzo istotny – w

energetyce niesłychanie zależny od bieżących danych procesowych ( z

systemu sterowania) niestety na obecnym etapie większość systemów ERP-

owych w praktyce jest słabo zintegrowana z on-line danymi procesowymi

60

Producenci i ich strony internetowe z opisami produktowymi

74

Specyfika konieczności dostosowania rozwiązań biznesowych (ERP) dla

potrzeb energetyki (wytwarzanie) i koniecznośc integracji tego typu

oprogramowania z danymi procesowymi ( a więc systemem sterowania)

•Przy organizacji sprzedaży mamy wielotorowy proces wypełniania kontraktów

(produkcji i jej rozliczania) grania na giełdzie i innych rynkach handlu energią

elektryczną (z rozwiniętych systemach nawet godzinowymi) gdzie należy

rozważać także sprawność wytwarzania i emisję zanieczyszczeń – a efekt

sprzedaży zależy od szeregu parametrów technicznych kontrolowanych przez

system sterowania np..:

•Całkowita ilość sprzedanej energii elektrycznej

•Tzw. usługi systemowe – świadczenie usług w trybie ARCM dla

operatora systemowego

•Sprzedaż energii na rynku (odpowiednie porcje w odpowiednim czasie)

•Analogicznie przy analizie procesów remontowych lub zakupów (paliwo)

niezbędne sa bieżące dane produkcyjne bądź też wskaźniki urządzeń

75

Podsumowanie warstwy biznesowej w energetyce:

•Działalność branży jest specyficzna io żeby w pełni wykorzystać nowoczesny

ERP należy go przystosowywać oraz łączyć z danymi procesowymi

•Z jednej strony rozbudowuje się oprogramowanie biznesowe , z drugiej same

systemy sterowania powoli integrując się ze sobą – ostatnio wprowadzanym

na rynek pojęciem jest CCS (zamiast DCS) Collaborative Control System –

obejmujący wszystkie warstwy przedstawione w wykładzie w tym także ERP –

czyli faktyczne rozumienie zarządzania przedsiębiorstwem przez jedne

globalny system sterowania

76

Podsumowanie warstwy biznesowej w energetyce:

•Działalność branży jest specyficzna io żeby w pełni wykorzystać nowoczesny

ERP należy go przystosowywać oraz łączyć z danymi procesowymi

•Z jednej strony rozbudowuje się oprogramowanie biznesowe , z drugiej same

systemy sterowania powoli integrując się ze sobą – ostatnio wprowadzanym

na rynek pojęciem jest CCS (zamiast DCS) Collaborative Control System –

obejmujący wszystkie warstwy przedstawione w wykładzie w tym także ERP –

czyli faktyczne rozumienie zarządzania przedsiębiorstwem przez jedne

globalny system sterowania

wykład przedstawia systemy sterowania od strony warstw...

Documents