Sistemi di Supervisione e Controllo

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1 Sistemi di Supervisione e Controllo Argomento Docente - Sistemi di Controllo Distribuito (DCS) - Prof. Elio USAI eusai@diee.unica.it Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Università di Cagliari Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 1/30

2 Riferimenti bibliografici G. MAGNANI, G. G FERRETTI, P. P ROCCO Tecnologie dei sistemi di controllo - 2ª edizione McGraw-Hill Libri Italia, 2007 P. Chiacchio PLC ed automazione industriale McGraw-Hill Libri Italia, 1996 M. Veronesi Sistemi di controllo distribuito Dispense Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 2/30

3 Sommario I D.C.S. La funzione di Controllo La funzione di Protezione La funzione di Supervisione Il Software Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 3/30

4 I Distributed Control Systems Stazione operatore Stazione di Ingegneria Ufficio EWS HIS HIS Windows Terminal Server OPC server MES System DCS ESD OPC Gateway Sistemi non proprietari Field I/O Bus (Redundant Optional) Fiber Optic SPS SYSTEM SPS SYSTEM SPS SYSTEM I/O + Exi I/O Remote: RS485 RS232 Ethernet Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 4/30

5 I Distributed Control Systems Configurazione base di un DCS Human Interface Station Field Control Station Stazione Stazione operatore operatore Controllo, Controllo, Monitoraggio Monitoraggio + + Ingegneria Ingegneria PC PC + + Windows Windows Retedi di Sistema Token Token passing passing Mb/s Mb/s Ridondata Ridondata Coax/ottica Coax/ottica Proprietaria Proprietaria Tecnologia Tecnologia RISC RISC Ridondata Ridondata Controllo Controllo Interblocco Interblocco Sequenze Sequenze I/O I/O Remoto Remoto Porte Porte comunicazione comunicazione Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 5/30

6 I Distributed Control Systems Sistemi per il Controllo Distribuito Le azioni di controllo non sono delegate ad un unico agente, ma suddivise tra più agenti autonomi, eventualmente coordinati da un supervisore Il malfunzionamento del singolo agente non comporta la perdita di controllo dell intero sistema Il supervisione consente la razionalizzazione e l ottimizzazione del processo produttivo complessivo L affidabilità è ottenuta ridondando i componenti critici Solitamente utilizzati per il controllo di processo (DCS) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 6/30

7 I Distributed Control Systems Realizzati con un insieme di apparecchiature elettroniche, connesse tra di loro in rete, e collegate mediante moduli I/O al campo La struttura è modulare per consentire l espandibilità del sistema Software altamente specializzato, con modalità di programmazione ad alto livello mediante oggetti configurabili Solitamente sia hardware che software sono proprietari ed il sistema è chiuso, anche se possono essere disponibili interfacce standard Disponibili funzioni di engineering Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 7/30

8 I Distributed Control Systems Supervisione Gestione allarmi Gestione ricette Programmazione Trend e rapporti Interfaccia operatore Controllo statistico di processo Supporto alla manutenzione Sistema esperto Comunicazione S.C.A.D.A. Controllo Controllo analogico e sequenziale Auto/Self-tuning Multivariable Control Model Predictive Control Fuzzy Logic Control Ottimizzazione dinamica F.C.U. A.C.U. P.L.C. Protezione Gestione anomalie Shut-down automatico P.L.C. di sicurezza Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 8/30

9 I Distributed Control Systems Architettura tradizionale di un D.C.S. Supervisione Database di sistema Rete di sistema Controllo (schede a microprocessore) Bus I/O Acquisizione sensori / comando attuatori (schede di I/O analogici o digitali / schede di comunicazione) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 9/30

10 La funzione di Controllo Controllo analogico e sequenziale Auto/Self-tuning Multivariable Control Model Predictive Control Fuzzy Logic Control Optimal Control Sovraintende a tutte le funzioni di controllo Controllori classici - PID, PLC Controllori avanzati - MPC, FLC Programmazione dinamica fuori linea - OC Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 10/30

11 La funzione di Controllo Unità di controllo: moduli di elaborazione in grado di implementare logiche di controllo di tipo analogico e sequenziale Processori potenti ed affidabili (es. RISC, 32 MB Ram) CPU ridondate --> possibilità di sostituzione bumpless a caldo Alimentazione ridondata interfacce di comunicazione ridondate (sia verso gli I/O che verso la supervisione) concentrazione di tutte le funzionalità di controllo (continuo o batch) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 11/30

12 La funzione di Controllo CPU left CPU Pair & Spare memory memory ECC ECC Modulo Com C O M P µp µp 1 1 Sync Sync µp µp 2 2 I/O I/O com com Modulo Com µp µp 1 1 Sync Sync µp µp 2 2 I/O I/O com com C O M P Rete di sistema Bus di campo CPU Right Memory Memory ECC ECC Le due CPU elaborano gli stessi segnali Ogni CPU ha 2 microprocessori in parallelo e sincronizzati (PAIR) La individuazione di un malfunzionamento fa passare il controllo alla CPU di riserva (SPARE) La CPU guasta può essere sostituita a caldo Il programma viene riversato automaticamente sulla CPU nuova da quella in servizio Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 12/30

13 La funzione di Controllo Formalismi di programmazione standardizzati dalla IEC1131 START Marcia STOP Marcia START Marcia OR Marcia STOP AND Load MARCIA Load STOP not and Load START or Store MARCIA SFC (batch) Ladder Diagram Logic Chart Linguaggio strutturato Apertura valvole Aperte input input input input input1 input1 input2 Avvio pompe PID PID1 Ratio PID PID PID1 PID2 Fine Marcia Dosaggio Mancanza componente output PID2 output input2 PID2 output output1 SPLIT output2 FFWD output input2 SEL output Arresto pompe Arresto Chiusura valvole Reintegro Livello raggiunto Single loop Cascata Rapporto Function Blocks Split-Range (ricca libreria di blocchi funzione, tra cui anche LAG, DELAY, DTC, LeadLag, etc.) Feedforward Overrride Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 13/30

14 La funzione di Controllo Moduli di comunicazione anche multi-protocollo connessi con una rete di sensori ed una rete di processo Si interfacciano con i moduli di acquisizione e controllo MODBUS TCP (Ethernet) MODBUS (RS-485, 422, 232C) FOUNDATION Fieldbus Hart PROFIBUS-DP Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 14/30

15 La funzione di Controllo Moduli di misura in grado di elaborare il segnale dal capo e renderlo disponibile nel bus di controllo Schede di acquisizione/gestione per 8 o 16 ingressi/uscite analogiche Schede di acquisizione mono-canale per loop critici Schede di acquisizione per 16, 32, 64 ingressi digitali Schede per gestione di 16, 32, 64 uscite digitali (transistor o relè) Schede di comunicazione per interfacciamento con altri dispositivi: RS232, protocolli proprietari o std. (es. Modbus) RS422A/485, protocolli proprietari o std. (es. Modbus, Profibus) Foundation Fieldbus (possibilità di loop in campo) Ethernet comunicazione verso il rack CPU attraverso bus locali (proprietari o meno) generalmente corti e veloci (es. 185 Mb/sec, < 10m) o più lunghi e lenti (es. 10 Mb/sec, < 180 m) se necessario remotare Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 15/30

16 La funzione di Controllo Aspetto di un armadio FCU CPU Singola o ridondata RISC µ processor Memory 16 MB (with ECC) Rack I/O Alimentazione singola o ridondata 8 I/O slots max 15 Racks per KFCS Modulo 19 "x 5 U (22cm) Bus espansioni remote Singolo o ridondato 10Mb/s ~180 m max ~ 2km in Fibra Ottica Doppia connessione alla rete di sistema Bus interno singolo o ridondato 128 Mb/s 10 m I/O Remoto Single or dual power supply 8 I/O slots max 14 remote racks Option G3 at 70 C Modulo 19 "x 5 U (22cm) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 16/30

17 La funzione di Protezione Gestione anomalie Shut-down automatico Permette la gestione di situazione anomale non recuperabili e che presentano condizioni di rischio elevato per le persone e le cose Supporta l azione dell operatore Talvolta integrato con i sistemi esperti Caratteristiche di elevata affidabilità. Sistemi elettronici dedicati Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 17/30

18 La funzione di Protezione anomalo Shut-down Operatore perturbato Operatore Allarme inefficace normale Sistema di controllo disturbato Allarmi efficaci Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 18/30

19 La funzione di Supervisione Sistema esperto Gestione alarmi Il sistema esperto supporta l operatore nelle scelte operative Utilizzato in presenza di deviazioni dal comportamento normale, e soprattutto in presenza di allarmi e blocchi La gestione allarmi è critica rispetto alla capacità di reazione dell operatore: Allarmi non significativi ripetuti Alarm shower Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 19/30

20 La funzione di Supervisione Gestione alarmi Gli allarmi ripetuti devono essere evidenziati Ad ogni allarme può essere associata una priorità Possono essere implementati filtri che utilizzano proprietà associate al singolo allarme (es. priorità) Una analisi statistica dello storico degli allarmi facilita la classificazione Gli allarmi poco significativi devono essere separati dagli altri Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 20/30

21 La funzione di Supervisione Trend e rapporti Controllo statistico di processo Funzioni di acquisizione dati dal campo (comunicazione), di analisi della conduzione dell impianto (Trend, rapporti, controllo statistico) Strumenti funzionali all individuazione di possibili anomalie, ed al miglioramento del processo Si appoggiano ad un data-base centralizzato di processo Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 21/30

22 La funzione di Supervisione Interfaccia operatore Basate su macchine con sistema operativo con tecnologia Windows NT (Windows 2000, XP, NT) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 22/30

23 La funzione di Supervisione Interfaccia uomo/macchina Strumento che permette all operatore di rendersi conto delle condizioni di esercizio, e di effettuare manovre sull impianto Definito secondo criteri di ergonomicità Sinottici parlanti Stampanti Segnali acustici Segnali visivi Tastiera e track-ball Touch-screen Attenzione all uso dei colori Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 23/30

24 La funzione di Supervisione Stazione di ingegneria Configurazione hardware delle varie stazioni di controllo Configurazione sotfware delle varie stazioni di controllo Configurazione delle pagine di supervisione e conduzione d impianto Simulazione e addestramento del personale (senza necessità di FCS) Sviluppo del progetto con linguaggi di alto livello, spesso ad oggetti Configurazione delle varie funzioni del DCS semplificata mediante l utilizzo di maschere standard Numerose funzioni pre-definite Possibilità di definire funzioni utente mediante linguaggi testuali (es. C) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 24/30

25 La funzione di Supervisione Stazione di ingegneria Documentazione automatica delle attività e del progetto Possibilità di importare/esportare da altri progetti/data-base IN TAG01 PID OUT I/O Simulator VIRTUAL TEST FCS SIMULATOR Operation and Monitoring Functions Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 25/30

26 La funzione di Supervisione Comunicazione Acquisizione dati ed integrazione di sistema Reti di alto livello per la comunicazione verso l esterno (Ethernet) Reti con protocollo proprietario per la interconnessione delle macchine Bus ridondati per incrementare la affidabilità Utilizzo di dispositivi standard (switch, router) per la connessione dei vari rami della rete Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 26/30

27 La funzione di Supervisione Gestione ricette Programmazione Supporto alla manutenzione Permettono la gestione dell impianto in senso lato Funzioni logicamente connesse al mondo esterno all impianto per realizzare sia il sistema Manufactoring Execution System che il Plant Information Management System Realizzano una espansione verso l alto delle funzioni di un DCS Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 27/30

28 Il Software Software Esecutivo Supporto al sistema Applicativo Comunicazione Configurazione Gestione a chiavi e livelli di priorità Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 28/30

29 Il Software La gestione degli accessi è di fondamentale importanza per la sicurezza del sistema Possono individuarsi 4 gruppi, sulla base del loro ruolo: Operatori Comando e monitoraggio, esecuzione delle azioni di controllo, generazione di report. Tecnici di manutenzione Configurazione del sistema per la creazione/modifica di logiche di controllo, sequenze, grafici, etc. Tecnici di gestione/produzione Creazione di ricette. Amministratori di sistema Controllo degli accessi al DCS, configuarazione, etc. Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 29/30

30 Il Software Ogni operatore accede al sistema mediante uno User ID ed una Password Tramite la coppia User ID & Password si abilitano le sole funzioni necessarie per l espletamento della propria attività La password deve essere modificata periodicamente Può essere predisposto un sistema di rilevamento delle intrusioni Dopo un dato periodo di tempo di inutilizzo può: essere disabilitata la password Essere eseguito il log-off automatico dell utente Essere bloccato l accesso alla interfaccia del sistema Per operazioni particolari può essere richiesta la doppia abilitazione (es. bypass blocchi) Sistemi di supervisione e controllo - Sistemi di controllo distribuito (DCS) 30/30