Archiwum - Automatyka i ekonomia

Archiwum - Automatyka i ekonomia
Automatyka znalazla zastosowanie w nieomal kazdej dziedzinie aktywnosci czlowieka
1. Przemysl wydobywczy - wszelkie kopalnie glebinowe i odkrywkowe  oraz wydobycie ropy naftowej i gazu ziemnego
2. Przemysl surowcowy - huty zelaza i stali, walcownie, huty metali kolorowych i ich walcownie. Cementownie , przemysl ceramicznych materialow budowlanych
3. Przemysl petrochemiczny i chemiczny
4. Obrabiarki i robotyka do wszelkiego przemyslu
5. Linie produkcyjne sprzetu AGD, samochodow i wszelkie inne do masowej produkcji
6. Przetwarzanie i pakowanie zywnosci.
7. Wszelkie elektrownie i przesylowe sieci energetyczne. Elektrocieplownie i sieci cieplownicze. Dystrybucyjne sieci energetyczne. Przesyl i dystrybucja gazu ziemnego.
8. Uzdatnianie wody i jej dystrybucja siecia. Oczyszczalnie sciekow.
9. Systemy kontroli i sterowania ruchem drogowym i kolejowym
10. Samoloty, statki, samochody, lokomotywy
11. Wszelkie systemy militarne
12. Medycyna

Napewno przybeda  kolejne zastosowania automatyki.
Rozpowszechnienie automatyki ( za wczesniejsza mechanizacja ) skutkuje podniesieniem wydajnosci pracy i zmniejszeniem ilosci potrzebnych rak do pracy. Przemysl zbudowal potege i dobrobyt wszystkich wysoko cywilizowanych panstw. I bedzie tak dalej mimo zmniejszania zatrudnienia w automatyzowanym przemysle.
Automatyzacja prrodukcji przynosi podobny efekt wzrostu wydajnosci jak wczesniej mechanizacja.

Z grubsza automatyzowane procesy w wytworczosci mozna podzielic na :

1. Ciagle. Ciagly strumien ropy, gazu czy pylu weglowego zasila kociol bloku elektrowni. Ciagly strumien pary z kotla zasila turbine.
Ciagly strumien plynow i gazow w zakladach pertrochemicznych / chemicznych  przechodzi przez pompy, reaktory, separatory, absorbery, filtry... Regulacja glownie polega na zmianie przeplywow, cisnien  i temperatur. Bardzo uzyteczna jest regulacja selekcyjna. Podczas rozruchow, odstawien czy zmian konfiguracji stosowane jest sterowanie binarne. Silnie zaznaczony jest efekt skali. Stad bloki energetyczne o mocy circa 1000 MW i zaklady petrochemiczne przerabiajace po >10 mln ton ropy rocznie nie liczac rownolegle uzytego gazu ziemnego.
Do regulacji reaktorow sa stosowane programowe regulatory inne niz PI / PID. Sa to bowiem bardzo trudne obiekty regulacji. Udzial ich nie przekracza jednak kilku procent . Koniem roboczym sa regulatory PI / PD bardzo czesto jako krokowe.

2. Wsadowe.  Okreslona ilosc maki, wody, drozdzy, soli  i oleju / tluszczu jest wyrabiana w kadzi z mieszadlem  na ciasto w przemysle spozywczym. Skladniki moga byc dozowane  recznie lub automatycznie lub wystepowac w ilosciach skwantowanych ( worek maki, opakowanie tluszczu itd ). Po wyrobieniu jednej porcji ciasta kadz jest oprozniania i znow napelniana wsadem.  Dwie kadzie z przeplotem moga zasilac linie produkujaca ciasta, ciastka, pierogi, przekaski itd.
Okreslona ilosc roznych substancji aktywnych,  wypelniaczy oraz stabilzatorow jest mieszana  w kadzi z mieszadlem w przemysle farmaceutycznym czy kosmetycznym.
Usredniona wydajnosc wsadowego procesu produkcyjnego mierzona przeplywem w kg/s  jest duzo mniejsza niz w procesach ciaglych.  
Ciasto mozna teoretycznie produkowac systemem ciaglym laczac stabilizowane strumienie skladnikow i nastepnie wyrabiajac ciasto dlugim slimakiem. Ale po co komu piekarnia produkujaca miliony bochenkow chleba dziennie ?
Przewaza sterowanie dyskretne ale regulatorow tez jest sporo.

3. Dyskretne. Prasa z wykrojnikiem w jednym cyklu pracy z blachy w postaci tasmy z rozwijanej roli wykrawa i ksztaltuje jakas czesc. Robot wyjmuje w jednym cyklu z wtryskarki odlana plastikowa czesc i przenosi ja do maszyny okrawajacej brzegi.  Maszyna wsuwa do kartonu przedmiot i zamyka kartonik. Maszyna pakuje przedmioty do kartonu. Powstaja sztuki czesci czy w koncu sztuki  towarow nawet tak skomplikowane jak samochod.czy przedmioty AGD.
Gdy skonczy sie rola tasmy - blachy dla prasy  alarmowany jest personel , ktory musi zalozyc nowa role przybyla z huty.
Dominuje sterowanie dyskretne

Rodzaj automatyzowanego procesu determinuje rodzaj dominujacych systemow automatyki.
Pierwsze regulatory PI / PID byly pneumatyczne.
W USA masowa produkcja samochodow istniala w erze przed - elektronicznej. Program dzialania sterownika automatycznej  lini produkcyjnej gdzie sklada sie czesci w podzespol samochodu rownie dobrze moze byc wykonany jako okablowanie systemu na przekaznikach lub jako program do mikroelektronicznego sterownika PLC. Przy taniej mikroelektronice sterownik PLC i wykonany program dla niego sa duzo tansze niz  kontroler na przekaznikach z uszytym przewodami programem dzialania. Latwiejsza jest tez zmiana w programie PLC niz zmiana w okablowaniu przekaznikow. Latwiejsze jest uruchomienie systemu  
Zwrocmy uwage ze uzywano programow komputerowych do projektowania skomplikowanych systemow automatyki przekaznikowej a nawet automatyzowano szycie programu dzialania przewodami ! Ten etap automatyzacji Polske ominal. 

Polska dostala - kupila od ZSRR przestarzala licencje i fabryke na produkcje Warszawy M20. Zalozona zdolnosc produkcyjna nigdy nie zostala osiagnieta. Pozniej od Fiata kupilismy licencje na Fiaty. Polacy nie uczestniczyli w kreacji technologi a w tym automatyki.

W USA , Japoni i krajach Europy Zachodnej komputery sa tez uzywane w biznesie i administracji. Wczesniej uzywano tam ( proces rozwoju  jest ewolucyjny ) mechanicznych i elektrycznych urzadzen do wspomagania - na przyklad segregatorow kart dziurkowanych.
Mogloby tak byc ze nawet gdyby komputery stanialy a Polska mogla je kupowac bez ograniczen  to nie potrafilibysmy ich sensownie zastosowac ani w administarcji panstwowej ani w przedsiebiorstwach dlatego ze ominely nas poprzednie systemy organizacji i wspomagania prac biurowych.  Program komputera dokonuje operacji wynikajacych z logiki dzialania firmy ale takze uwzglednia przepisy prawa. Nasze prawo jest dalece odmienne od zachodniego i stad nie mozna korzystac wprost z ich wzorow. 

Petla regulacji ciaglej sklada sie z sensorow, regulatora cyfrowego ( plus komputer w warstwie nadrzednej jesi jest potrzebny i uzyteczny ) badz analogowego  i organu wykonawczego.  Gdzie sie zaczyna i konczy  automatyka. i jak biegnie  granica maszyna a automatyka. Przeciez czesto sensor i na przyklad  aktuator to zespolona czesc maszyny i jej algorytmu dzialania.
Sensorami dla sterowania binarnego sa rozne przelaczniki zalaczane - wylaczane w czasie cyklow procesu przez elementy maszyny lub produkowane przedmioty , czujniki zblizeniowe, sensory fotoelektryczne.. Organy wykonawcze to elektromagnesy, silowniki pneumatyczne czy hydrauliczne. Sensory i organy wykonawcze sa zespolone z maszynami. 

Nie sa podawane konkretne dane o tym  jak duzy udzial w koszcie gotowej maszyny czy urzadzenia stanowi zespolona automatyka czesto nazywa tez elektronika.  Wazniejsze jest to ze nowoczesna i wydajna maszyna po prostu musi w sobie miec duzo elektroniki i automatyki. Na konkurencyjnym rynku swiatowym po prostu nie da sie dobrze  sprzedac malo wydajnej i przestarzalej maszyny.
Zastosowanie automatyki i elektroniki warunkuje tez jednoczesna korzystna sprzedaz w maszynie owocow pracy wielu dzialow gospodarki.
Coz z tego ze zaklad metalowy X jest w stanie wyprodukowac calkiem dobra mechanicznie obrabiarke obslugiwana przez czlowieka skoro obecnie maszyna  bez serwomechanizmow i komputerka ( CNC ) oraz kominikacji z otoczeniem  jest niesprzedawalna za dobra cene.

Nowoczesne zautomatyzowane statki wymagaja wzglednie malej zalogi. Armator chetnie kupi drozszy zautomatyzowany statek majac swiadomosc tego ze przez nadchodzace 30 lat eksploatacji zaoszczedzi gore pieniedzy na wynagrodzeniach marynarzy i oficerow.

Wazna bronia armi ladowej sa czołgi. O sile bojowej czolgu stanowi dzialo i elektroniczno - optyczy system kierowania ogniem oraz odpornosc pancerza czolgu i jego mobilnosc. Elektronika pozwala wolno jadacemu nowoczesnemu czolgowi celnie strzelic do czolgu wroga z odleglosci az 2-3 km i z mniejszej odleglosci w nocy ! Szanse czolgu bez nowoczesnej elektroniki w starciu z czolgiem nowoczesnym sa zerowe.
Snajper 5 strzalami zabija 4 wrogow. Rzekomo w czasie wojny wietnamskiej aby zabic jednego zolnierza wroga trzeba bylo wystrzelic z broni maszynowej kilkanascie tysiecy pociskow ! Tyle wlasnie znaczy celnosc wypracowana automatycznym systemem..
Z pewnoscia w servomechanizmie polozenia armaty czolgu uzyto podobnych rozwiazan jak w cywilnych servomechanizmach. Gyro systemu stabilizacji polozenia lufy armaty moze byc takie same lub podobne jak w samolocie czy na statku. 
Czolg jest bardzo podatny na rakietowy atak z powietrza czy z ziemi przeprowadzony przez piechote. Rakieta ma automatyczny system prowadzacy ja na cel. Znow celnosc ma pierwszorzedne znaczenie. 
Komputer sterujacy startem i lotem rakiety sredniego i duzego zasiegu moze byc konstrukcyjnie ( ale nie mechanicznie ) identyczny jak ten sterujacy linia aprodukcyjna.
Inzynierowie  ktorzy napisza program do sterowania  lini produkcyjnej poradza sobie tez z programem dla rakiety.

Zwrocmy uwage na to ze amerykanskie koncerny sa czesto cywilno - wojskowe. Gigantyczny Boeing jest producentem dobrych cywilnych samolotow ale produkuje takze duzo super nowoczesnej broni. Ludzie przeplywaja miedzy wydzialami cywilnymi i militarnymi zajmujacymi sie badaniami i projektowaniem. Funkcjonuja przrozne mity dotyczace sprzetu militarnego. Tymczasem prawda jest taka ze wojskowy komputer jest znacznie mniej wydajny niz cywilny a jest przy tym bajecznie drogi i ... zawodny. Moze jednak pracowac w trudnych warunkach.      

Elektroniczne urzadzenia wtrysku paliwa w samochodowych silnikach benzynowych Volkswagen stosuje od 1967 roku. Ale popularyzacja mikrokontrollerow sprawia ze niedlugo silnik bez "elektronicznego" wtrysku paliwa bedzie przezytkiem. Silnik z wtryskiem paliwa na tle silnika z gaznikiem ma wieksza moc, mniejsze jednostkowe zuzycie paliwa, ma bardziej pozadana plaska charakterystyke maksymalnego momentu obrotowego  i mniej zanieczyszcza atmosfere.

Sankcje nalozone na Polske za stan wojenny przynosza nam  potezne szkody. Jestemy izolowani od cywilizowanego swiata. Smutna prawda o  narzuconej wojnie ekonomicznej jest taka ze slabi nie maja szans a ustroj  i dysfunkcjonalny model gospodarczy nie ma tu osobno zadnego znaczenia.
Oderwanie relacji cen w polskiej gospodarce od proporcji swiatowych bardzo utrudni ponowne wlaczenie sie Polski do systemu swiatowego. Przy arbitralnych cenach nie wiadomo ktore firmy sa dobre a ktore sa trupem utrzymywanym sztucznie przy zyciu przez spoleczenstwo.
Polskim firmom nie wolno jest oficjalnie kupowac mikrolektroniki. Rozne nielegalne, szemrane zakupy sa z kolei potwornie drogie. Polska mikroelektronika czyli CEMI jest zalosna ale po prawdzie cala Europa jest w tej dziedzinie slabiutka i coraz bardziej odstaje od Ameryki, Japoni i gwaltownie awansujacej Korei.

W systemach cyfrowych gro kosztow stanowi opracowanie programu. To wielki plus dla systemow cyfrowych.  To jest potencjalny atut do rozegrania dla kazdej modernizujacej sie gospodarki a nie tylko dla producentow mikroelektroniki. W Polsce ludzi jest dostatek i mozemy miec inzynierow - programistow ile tylko potrzeba. 
Tymczasem Polska oblozona za stan wojenny ostrymi zakazami nie moze normalnie w swiecie kupowac mikroelektroniki. CEMI szczyt swoich mozliwosci technologicznych osiagnelo pod koniec ubieglej dekady i stoi w miejscu. Teoretycznie lepiej stoi mikroelektronika ZSRR ale niczego nie mozna kupic. 
Tak wiec polskie firmy nie moga kupic ukladow scalonych za kwote 1 po czym wyprodukowac kontrollera wyposazajac go w opracowany program, wartego 5.5-9.

Cena zlozonego systemu automatyki na przyklad elektrowni czy zakladu petro-chemicznego rosnie znacznie szybciej niz proporcjonalnie do ilosci uzytych komponentow co jest przekonujacym dowodem na to ze duza wartosc dodana uzyskuje sie w systemach wysoce zlozonych ktore sila rzeczy moze wykonac niewielka ilosc swiatowych koncernow. 
Proste cyfrowe regulatory PID czy sterowniki PLC kosztuja 400-1000 USD. Regulatory-sterowniki  wielofunkcyjne kosztuja 1200-3000 dolarow. Zas sterownik kasetowy do >32 wejsc analogowych, >512 binarnych, 16 wyjsc analogowych, >256 wyjsc binarnych kosztuje 25 000 - 40 000 dolarow. 
Wejscia analogowe sa 3-10 razy drozsze od binarnych.
Elektronika profesjonalna jest wiec na tle elektroniki domowej ( przy podobnej ilosci i cenie uzytych elementow elektronicznych ) bardzo droga.  Niemniej jednak cena sterownikow jest niewielka na tle kosztu calego obiektu co rodzi pytanie o celowosc opracowywania i produkcji  takich urzadzen. Rzecz w tym ze rezygnujac  z wystarczajacej samodzielnosci techologicznej skazujemy sie w systemie swiatowym na role zapoznionego marginesu cywilizacyjnego a w miedzynarodowym podziale prace na tania sile robocza..

Nie jest  autorowi znana ksiazka ( takze w jezyku angielskim ) traktujaca w miare powaznie o elektronice kontrollerow  i na prozno szukac szczegolow. A jak mowi przyslowie tam wlasnie "pogrzebany jest diabel". 
Owymi szczegolami jest w zlozonym komputerze  konstrukcja super szybkiego i bardzo rozbudowanego dekodera adresowego wraz z ukladem pozwalajacym na bezkolizyjne programowanie przez program pamieci EEprom rodziny 28XX a nawet Eprom 27XX oraz Watchodog. Szczegolem jest takze sposob buforowania magistral i sterowanie buforami oraz zapewnienie ochrony danych w CMOS RAMie podtrzymywanym bateryjka. Razem na plycie komputera ta funkcjonalnosc to 10-20 ukladow scalonych. To nie jest sprawa trywialna.   Wiedza tajemna jest zas budowa ukladow kondycjonujacych wspolpracujacych z sensorami.
Od niedawna stosowane sa jako "glue logic" w urzadzeniach produkowanych maloseryjnie  uklady programowalne PAL co zmniejsza ilosc ukladow TTL oraz konsumpcje energii. Aby uzyc PALa trzeba posiadac programator i program do projektowania logiki z uzyciem PAL-a.

Zaczynajac od elementow pierwszych. W znanych konstrukcjach ukladow automatyki firm gigantow:  Siemens, Honeywell czy General Electric sa uzywane elementy typowe tak zwane Industry Standards.  Oszczednie stosowane sa elementy bardzo  kosztowne.
Sa stosowane typowe wzmacniacze operacyjne oraz oszczednie wzmacniacze wysokiej jakosci, uklady logiczne TTL w odmianie LS a ostatnio i HC , uklady logiczne CMOS serii 4000 oraz w podsystemie cyfrowym popularne mikroprocesory  serii 8085 , Z80 oraz szesnastobitowe 8086 i z szyna osmiobitowa 8088, ukldy rodziny 68000 wraz z ukladami peryferyjnymi oraz przetwornikami A/D i D/A. Firmy z USA czasem stosuja dosc "egzotyczne" procesory pochodzace z koncernow zbrojeniowych czy tez niby cywilnych ale pracujacych dla rzadu USA. Nowoscia sa mikrokontrollery z rozbudowanymi peryferiami nie wymagajace juz praktycznie dodatkowych ukladow peryferyjnych.
Udany procesor 8085 zawiera jedynie 6500 tranzystorow i jest dostepny z dosc szybkim zegarem. Procesor 8086 liczy 29000 tranzystorow ( a raczej miejsc na tranzystory ) i jest znacznie drozszy. Systemy '86 bywaja przy tym zdumiewajaco wolne, przynajmniej w stosunku do oczekiwan proporcjonalnych do kosztow systemu.   Rowniez konkurencyjny procesor Motorola 68000 znalazl zastosowanie w kontrollerach.
Wejscia i wyjscia binarne bardzo  zlozonych systemow sa z reguly izolowane transoptorami co ogranicza skale zniszczen przy awaryjnym podaniu do obwodow wejsciowych napiec sieciowych co niestety ma miejsce choc nigdy nie powinno miec. Najczesciej  wyjsciem binarnym jest ciagle miniaturowy przekaznik.
Izolowane bywaja takze wejscia analogowe ale tylko w duzych grupach , na przyklad po 16 wejsc.Indywidualna  izolacja sensorow radykalnie podnosi bezpieczenstwo i przezywalnosc systemu ale jednoczesnie horendalnie podnosi tez cene podsystemu analogowego i obniza jego niezawodnosc.
Cena wszystkich elementow elektronicznych nie przekracza 12-18% ceny gotowego regulatora czy innego urzadzenia automatyki. Oczywiscie mowimy tu o cenach hurtowych - przemyslowych  podzespolow  a nie cenach w  sklepach detalicznych z czesciami RTV reklamujacych sie w czasopismach. 
W stosunku do autonomicznego urzadzenia obslugujacego jedna , nawet zlozona petle regulacji uzywam tu terminu regulator. Moze on linkiem szeregowym wspolpracowac z wyzszym w hierarchi komputerem.
Natomiast urzadzenia o wielu I/O analogowych i binarnych  nazywam komputerem procesowym czy tez regulatorem / kontrolerem kasetowym. Jest on stosowany do "duzej" automatyzacji. Jest polaczony z redudantna (conajmniej dwa linki szeregowe) siecia komputerow procesowych (komunikacja pozioma) i nadzorczych (komunikacja pionowa)
W cyfrowych regulatorach ktore prawdopodobnie niedlugo masowo zastapia regulatory analogowe zastosowanie znajda mikrokomputery jednoukladowe z bardzo rozbudowanymi ukladami peryferyjnymi (liczba pinow 68-100) jako ze stosowanie w nich wymienionej wyzej bazy podzespolowej skutkuje absurdalna komplikacja,  wysokimi cenami i miernymi ilorazami funkcjonalnosci  do ceny co przeklada sie na niechec nabywcow oczekujacych rzeczywistego przelomu. Kolejne systemy powstaja droga ewolucyjna i wyraznie widoczna jest pewna ciaglosc spotykanych rozwiazan. Znakomitym mikrokontrollerem do automatyki jest 80515 w obudowie PLCC68 koncernu Siemens ( licencja AMD )  bedacy kontrolerem Intel 8051 z dodanymi peryferiami.

Od przelomu lat szescdziesiatych / siedemdziesiatych regulatory analogowe produkowane sa w dwoch rozwiazaniach konstrukcyjnych. W wersji aparatowej i w wersji modulowej. Wielkosc ich jest z reguly znormalizowana a mocowanie w kasecie zestandaryzowane.
Wersja aparatowa zawiera wszystkie funkcje niezbedne do samodzielnej pracy regulatora ze swoja petla regulacji. Na plycie czolowej zawiera on nastawnik wartosci zadanej , wskaznik wielkosci regulowanej zmiennej procesowej, wskaznik wielkosci wyjsciowej, wskazniki kierunku zmiany wielkosci wyjsciowej, wskazniki wielkosci bledu. i czesto wskaznik przekroczenia 5 i 10% pasa tolerancji bledu regulacji.
Regulator z reguly moze pracowac w rozmaitych konfiguracjach. W ukladzie kaskadowym jako podrzedny i nadrzedny czy do regulacji stosunku.
Jednak nawet mimo mnogosci wymienionych funkcji regulator nie zawsze bezposrednio wspolpracuje z sensorami i dosc  rzadko bezposrednio steruje organy wykonawcze. Trzeba wiec wpierw doprowadzic sygnaly z sensorow do standardowej wielkosci 0-10V czy 4/20mA. Spotykane sa jednak moduly do wspolpracy z konkretnym sensorem i zakresem wykonane jako plyta drukowana ktore instaluje sie w regulatorze. Wersja aparatowa jest skomplikowana na tle wersji modulowej. Jednak petla regulacji wykonana z aparatow modulowych jest  drozsza z racji ilosci uzytych modulow i  koniecznej kasety wraz z okablowaniem. A wiec jesli to jest tylko mozliwe stosujemy wersje aparatowa. Regulatory cyfrowe sa z reguly bardziej elastyczne co upraszcza projekt i iinstalacje aparatury.
Aby obnizyc koszty kompletnego, prostego systemu wersja aparatowa bywa produkowana w obudowie do latwego montazu bez kasety.
W wersji modulowej sa to bardziej procesowe urzadzenia regulacyjne sluzace dopiero do zestawienia niestandardowych i zlozonych petli regulacji.
Schemat omowionego dalej samodzielnego regulatora TELEPERM jest spotykany w procesowych urzadzeniach regulacyjnych nieco juz starawego Systemu 300 i kolejnych firmy Siemens. Dostepne sa przyklady zlozonych systemow regulacji realizowanych Systemami 300 co radykalnie podnosi atrakcyjnosc tych materialow jako wzoru do analizy czy nasladowania.
Zdzislaw Trybalski w „Urzadzenia i uklady automatycznej regulacji, PWN, 1980 dal w  rozdziale 2 tlumaczenie materialow Siemensa dotyczacych realizacji bardzo skomplikowanych, kompletnych , skoordynowanych  petli regulacji bloku energetycznego.
Na bazie regulatora aparatowego moze byc wykonany super zlozony i calkowicie samodzielny regulator dedykowany do konkretnego systemu regulacji.
Glowne i najwazaniejsze  obwody regulacji bloku energetycznego ( a dokladniej kotla ) to:
Regulacja doplywu paliwa
Regulacja doplywu powietrza spalania
Regulacja temperatury pary pierwotnej
Regulacja doplywu wody zasilajacej
Wszystkie zostaly wykonane w oparciu o regulatory krokowe z elektoserwozaworami w systemach regulacji (moze bardziej sterowania) wariantowej.
Operacje rozruchu i odstawiania oraz alarm i  monitoring  prowadzi komputer.