Industriell automatisering 8241203063 [PDF]

Zitiervorschau

Knut Fosse

Industriell automatisering Forstillingselementer og pådragsorganer, reguleringsmetoder og automatiseringssystemer, systematisk vedlikehold og dokumentasjon For automatikerfaget VK2 bedrift

Fellesspråklig utgave

N3 R-na

Vett&Vitenasi

© Vett & Viten AS 2000 ISBN: 82-412-0306-3

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i januar 2000 for bruk i videregående skole på Studieretning for elektrofag videregående kurs 2 i Automatikerfaget, modul 1-5. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av juni 1996, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel.

Printed in Norway 2000 by Preutz Grafisk as, Larvik Utgiver: Vett & Viten AS Postboks 203,1379 Nesbru Telefon adm: 66 84 90 40 Telefon ordrekontor: 66 98 39 80 Telefax: 66 84 55 90 http: \ \ www.vettviten.no e-post: [email protected]

Forord Automatisering av anlegg er innført i alle typer bedrifter, og i særdeleshet i prosessindustrien. Skal bedriftene overleve - så er en viss grad av automatisering nødvendig. Man må finne den optimale automatiseringsgraden i kombinasjon med bruk av mennesker til drift, testing og vedlikehold. Dette vil bidra til rik­ tige kostnads- og ytelsesløsninger på kort og lang sikt. Et proses­ sanlegg er ofte et komplisert teknisk system med samspill mel­ lom ulike teknologityper og mennesker. For å få dette rasjonelt og tidsmessig, er det viktig å kjenne elementene og gjøre samstillingen og utformingen av disse best mulig første gangen. Der resul­ tatet ikke blir godt nok, må endringer (modifikasjoner) til. Vi er alle viktige brikker for at resultatet skal bli bra!

Denne læreboken i industriell automatisering er skrevet på opp­ fordring etter flere henvendelser. Det har etter Reform 94 manglet lærebøker for VK2 automatikerfagene. Boken bygger på det grunnleggende og elementære som ble innlært innen måle­ teknikk og reguleringsteknikk i VK1. Boken dekker de fleste målene i læreplanen. Boken krever ikke spesielle matematiske kunnskaper hos leseren. Teori er praktisk forklart og illustrert og er supplert med praktiske eksempler på anvendt automatisering. Stoffet i kapittel 6: «Systematisk vedlikehold» er relevant for alle faggrupper. Det er en slags «kokebok» for vedlikehold av utstyr som inngår i en bedrift, uavhengig av bedriftstype, størrelse og organisasj onsform. Deler av stoffet, blant annet kapittel 7, er brukt til forelesninger ved utdannelsen av sivilingeniører. Høsten 1999 ble det gjen­ nomført flere praktiske prosjektoppgaver ved Høgskolen i Tele­ mark, basert på prosessdelen i boken.

Det er planlagt et oppgavehefte til boken, hvor det vil bli lagt vekt på tverrfaglighet. Eksempler på temaer her vil være klassi­ fisering av prosessanlegg og planlegging av revisjoner. Det vil også være praktiske prosjektoppgaver tilsvarende dem som ble gitt sivilingeniørstudentene. Rett kvalitet krever rett måling, rett forståelse og rett bruk av måledataene. Dette gjelder til bruk for måling, styring, kontroll, regulering, avregning (kjøp og salg) og så videre. A måle riktig er ikke altid så lett, det gjelder ikke minst når en måler fysikalske størrelser ved hjelp av måle-elementer. At måleelementene van­ ligvis beskyldes for å være den svakeste lenken i en målekjede, skyldes ofte feilaktig valg av måleelement og dårlig forståelse av måleelementenes tilpasning og/eller måletekniske krav.

5

Forord

Automatiseringsfaget er stort og omfattende. Det kreves innsikt i mange detaljer, som det ikke er mulig å lære ved å lese bøker, det kommer med praktisk erfaring. Derfor er praksistiden ute i fa­ brikkene svært viktig! For å få dekket alle målene i læreplanen har Bjørnar Larsen og forlaget Vett & Viten stilt stoff fra Bjørnars tidligere bøker til dis­ posisjon. Derfor en stor takk til ham

Til slutt vil jeg takke Hydro Porsgrunn-miljøet og forøvrig alle som har bidratt med stoff, bilder, råd og bistand for øvrig, samt personene nevnt under litteratur- og kildehenvisningene. En spe­ siell takk til min datter Hilde, som har utført mye av tekst­ behandlingen til boken og Hans Christian Hagajorde, som har scannet, tegnet og hjulpet til å rette på mange av figurene i boken.

Porsgrunn, desember 1999 Knut Fosse

6

Innhold I Reguleringsmetoder

15

1.1 Ulike typer prosesser 15 1.1.1 Prosesser med én tidskonstant (1. ordens prosess) 16 1.1.2 Prosesser med dødtid 18 1.1.3 Prosess med to tidskonstanter 20 1.1.4 Forsterkning 22 1.1.5 Statisk sløyfeforsterkning 23 1.1.6 Reguleringssløyfens tidskonstanter 24 1.1.7 Kapasitet 25 1.1.8 Dynamisk forsterkning 26 1.1.9 Det integrerende RC-leddet 27 1.1.10 Praktisk anvendelse 30 1.1.11 Praktisk eksempel for temperaturmåling 31 1.1.12 Forenklet ekvivalentskjerna 31 1.1.13 Konklusjon 35 1.2 Pådragsorganer 36 1.2.1 Innledning 36 1.2.2 Automatisk reguleringssystem 37 1.2.3 Ulike typer reguleringsventiler 38 1.2.4 Ulike arbiedsforhold 38 1.2.5 Seteventiler 39 1.2.6 Ventilens kapasitetsindeks 42 1.2.7 Ventilkarakteristikker 43 1.2.7.1 Lineær karakteristikk 44 1.2.7.2 Hurtigåpnende karakteristikk 44 1.2.7.3 Likeprosentlig karakteristikk 45 1.2.7.4 Bruk av ventilkarakteristikker 46 1.2.8 Ventiler med dreiebevegelser 47 1.2.8.1 Spjeldventiler 47 1.2.8.2 Kulesegmentventiler 47 1.2.8.3 Kuleventiler 48 1.2.8.4 Treveisventiler 48 1.2.9 Forstillingsmekanismer for reguleringsventiler 49 1.2.9.1 Membranmotor 49 1.2.9.2 Revers- og direktevirkende forstillingsmekanismer 50 1.2.9.3 Sylinderforstillingsmekanisme 52 1.2.9.4 Elektriske forstillingsmekanismer 53 1.2.9.5 Styring av elektriske forstillingsmekanismer 53 1.2.10 Omformere 54 1.2.10.1 Strøm-til-luft-omformer 54 1.2.10.2 I/P-omformerens virkemåte 55 1.2.11 Ventilstiller 57 1.2.11.1 Ventilstillerens virkemåte 58 1.2.12 Vedlikehold av reguleringsventiler 59 1.2.12.1 Demontering av reguleringsventiler 59 1.2.12.2 Service 59 1.2.12.3 Sammenkopling av reguleringsventil og justering av slaglengde 60 1.2.12.4 Forspenning av motorfjæren (bench-set) 60 1.2.12.5 Eksempel på justering av ventiler 60 1.2.12.6 Typiske feil i ventilstillere 60 1.2.13 Installasjon 61

7

Innhold

1.2.13.1 Avsett god plass til ventilen i rørsystemet 61 1.2.13.2 Installasjon med forbikopling 61 1.2.13.3 Rent rørsystem 61 1.2.13.4 Montering 62 1.2.14 Reduksjonsventiler 62 1.2.15 Elektriske pådragsorganer 63 1.2.15.1 Likestrømsmotor 63 1.2.16 Frekvensomformer 65 1.2.16.1 Frekvensstyringer i verkstedindustrien 67 1.3 Alternative reguleringsprinsipper 68 1.3.1 Kaskaderegulering 69 1.3.2 Forholdsregulering 70 1.3.3 Foroverkobling 70 1.3.4 Trykkregulering 73 1.3.5 Trykkregulering i en separasjonsprosess 73 1.3.6 Regulering av gjennomstrømning 74 1.3.7 Massestrømsregulering 76 1.3.8 Målestasjon for avregning 77 1.3.9 Temperaturregulering 78 1.3.10 Varmeveksler 79 1.3.11 Regulering av varmevekslere 79 1.3.12 Regulering av tilført varmemengde 81 1.3.13 Reguleringsformer av fordampere 82 1.3.14 Eksempel 1. Regulering av en kjemisk reaktor 83 1.3.15 Eksempel 2. Regulering av en blandeog krystalliseringsprosess 84 1.3.16 Multivariabel regulering 86 1.3.17 Foroverkobling i klimaanlegg 87 1.3.18 Delt områderegulering (split range) 88 1.3.19 Delt områderegulering med overlapping 90 1.3.20 Valg av regulatorparametrer og regulatorinnstilling 91 1.3.20.1 Statisk nøyaktighet 91 1.3.20.2 Reguleringssløyfens innsvingning 91 1.3.20.3 Innsvingningstid 92 1.3.21 Valg av regulatorparametrer 93 1.3.22 Regulatorinnstilling og prosessundersøkelse 94 1.3.22.1 Ziegler og Nichols innstilling 94 1.3.22.2 Ziegler og Nichols 1. regel 94 1.3.22.3 Ziegler og Nichols 2. regel 95 1.3.23 Innstilling av reguleringssløyfe med flere variable 97 1.3.24 Kaskaderegulering 97 1.3.25 Praktisk metode for å finne de dynamiske egenskapene til prosessen 97 1.4 Klassiske reguleringsstrukturer 99 1.4.1 Elektrokjel 99 1.4.2 Sekvens- og reseptstyrte prosesser 108

2 Regulering av posisjon og hastighet I 14 2.1 Frekvensomformere 114 2.1.1 Teknologi 114 2.1.1.1 Styreprinsipper 114 2.1.1.2 Programmerbare innganger og utganger i to oppsett (engelsk:setups) 115 2.1.1.3 Nettbeskyttelser 115 2.1.1.4 Frekvensomformerbeskyttelser 116 2.1.1.5 Sikker galvanisk atskillelse 116 2.1.1.6 Avansert motorbeskyttelse 117

8

INNHOLD

2.1.2 CE-merking 117 2.1.2.1 Hva er CE-merking? 117 2.1.2.2 Maskindirektivet (89/392/EEC) 117 2.1.2.3 Lavspenningsdirektivet (73/23/EEC) 117 2.1.2.4 EMC-direktivet (89/336/EEC) 117 2.1.3 Kapsling 118 2.1.4 Filter 118 2.1.5 Harmonisk filter 118 2.1.6 Betjeningsenhet 118 2.1.7 Feltbussprotokoller 118 2.1.8 Bremsemotstander 119 2.1.9 Bremseoppstilling 119 2.1.10 Beregning av bremsemotstand 120 2.1.11 Beregning av bremseeffekt 120 2.1.12 Beregning av spisseffekt på bremsemotstand 121 2.1.13 Beregning av middeleffekten på bremsemotstand 121 2.1.14 Kontinuerlig bremsing 122 2.1.15 Optimal bremsing 122 2.1.16 Bremsekabel 123 2.1.17 Sikkerhetsfunksjoner ved installasjon 123 2.1.18 Generell advarsel 124 2.2 Pumpe- og viftedrift 125 2.2.1 Bakgrunn 125 2.2.2 Dimensjonering og valg av motorer 125 2.2.3 Ta hensyn til den reaktive effekten 126 2.2.4 Oversikt over prosesser hvor pumpe- og viftedrifter inngår 126 2.2.4.1 Regulering av pumpe- og viftemotorer 126 2.2.4.2 Turtallsregulering av pumper og viftemotorer 127 2.2.4.3 Sentrifugalpumpen 127 2.2.4.4 Viftedrifter 131 2.2.4.5 Andre fordeler ved turtallsregulering 132 2.3 Regulering av roboter og verktøymaskiner 135 2.3.1 Turtallsregulering av elektriske motorer 135 2.3.1.1 Likestrømsmotor 135 2.3.2 Posisjons- og hastighetsregulering av roboter 136 2.3.3 Hastighets- og posisjonsmåling 137 2.3.4 Hastighetsmåling 138 2.3.5 Posisjonsmåling 138 2.3.6 Banestyring 139 2.3.7 Programmeringsmetoder 140 2.3.7.1 Led-og-lær-programmering 140 2.3.7.2 Jogg-og-lær-programmering 140 2.3.7.3 Syntetisk programmering 141 2.3.8 Styring og regulering av verktøymaskiner 142 2.3.9 Eksempler på maskiner 143 2.3.9.1 Fresemaskin 144 2.3.9.2 Horisontal fresemaskin 145 2.3.9.3 Dreiebenk 145 2.3.10 Regulering 146 2.3.11 Virkemåte til blokkskjemaet på figur 2.36 147 2.3.12 Regulatorinnstilling 149 2.3.13 Programmering 149

3 Regulering av klima- og ventilasjonsanlegg

152

3.1 Inneklima, ventilasjon 152 3.1.1 Termisk klima 152 3.1.2 Atmosfærisk klima 152

9

INNHOLD

3.1.3 Optisk klima 153 3.1.4 Akustisk klima 153 3.1.5 Fuktig luft 153 3.1.5.1 Innledning 153 3.1.5.2 Tørr og fuktig luft 153 3.1.5.3 Tilstandsligninger 154 3.1.5.4 Fuktighetsinnhold 155 3.1.5.5 Luftens vekt 157 3.1.5.6 Luftens varmeinnhold 157 3.1.5.7 Mollierdiagram 158 3.2 Prosesskomponenter 165 3.2.1 Vifter 165 3.2.2 Spjeld 165 3.2.3 Varmevekslere 166 3.2.4 Filtre 167 3.2.5 Varmegjenvinnere 168 3.2.5.1 Roterende varmegjenvinner 168 3.2.5.2 Luft-væske-gjenvinner 170 3.2.6 Ventilasjonsaggregat 172 3.2.7 Regulering av luftmengde i ventilasjonsanlegg 172 3.2.8 Regulering av sentralvarmeanlegg 173 3.2.8.1 Foroverkobling 174 3.2.9 Kjøleregulering i ventilasjonsanlegg 175 3.2.9.1 Valg av målested 175 3.2.9.2 Regulering av romtemperaturen ved kjølebehov 177 3.2.9.3 Minimumsbegrensning av temperaturen i tilluften 178 3.2.9.4 Kaskaderegulering av romtemperatur og tillufttemperatur 179 3.2.10 Varmepumpe 180 3.2.10.1 Energisparing med varmepumpen 180 3.2.10.2 Varmepumpens virkemåte 180 3.2.10.3 Liten «varmepumpe-ABC» 182 3.2.10.4 Hvor kan varmepumper brukes? 183 3.2.11 Eksempel på et moderne klimaanlegg, regulert og styrt av en moderne regulator 184

4 Industri vekter og automatiserte veieprosesser 4.1 Teorigrunnlag 187 4.1.1 Masse 187 4.1.2 Masse og treghet 188 4.1.3 Masse og tyngde 189 4.1.4 Massemåling 189 4.1.5 Massetetthet 190 4.1.6 Tyngde 191 4.2 Vektarmer 192 4.2.1 Opplagring 193 4.3 Indirekte massebestemmelse (veieceller) 193 4.3.1 Veiecelle med fjærvekt 193 4.3.2 Veieceller med strekklapper 194 4.3.3 Veiecelle basert på endring i permeabilitet 197 4.4 Kontinuerlig veiing og dosering 198 4.4.1 Doserbåndvekter 198 4.4.2 Beholdervekter 199 4.4.3 Fallstrømvekter 201 4.4.4 Massestrømningsmåler 202 4.4.4.1 Virkemåte 204 4.4.4.2 Målesystemet 205

10

187

INNHOLD

4.4.5 Transportbeltevekter 207 4.5 Fleksible datasystemer 207

5 Digitale regulatorar og datamaskinar 21 I 5.1 Blokkskjema 212 5.2 Regulering av ulineære prosessar 213 5.3 Regulator med parameterstyring, ikkje-lineær regulator 213 5.4 Linearisering i ei pH-sløyfe 214 5.5 Adaptiv regulator 215 5.6 Sjølvjusterande regulatorar 216 5.7 Døme på konfigurerbar regulator for varme-, ventilasjons- og klimaanlegg 217 5.8 Datamaskinar for sentral driftskontroll av tekniske anlegg i bygningar 222 5.9 Andre funksjonar 223 5.10 Konfigurerlege regulatorar frå prosessindustrien 224 5.11 Datamaskinar i prosessregulering 227 5.12 Personleg datamaskin overordna til regulator 227 5.13 PC brukt som overordna prosessdatamaskin 228 5.14 Prosessdatamaskinar 229 5.14.1 Systemeiningar 230 5.14.2 Bussystemet 235 5.14.3 Programmering (konfigurering) 235 5.15 Blokksamankopling (Compound) 236 5.16 Påliteleg styring/redundans 238 5.17 Spenningstilførsel 239 5.18 Vedlikehald 239 5.19 Signaloverføring og jording 240 5.20 Krysskopling 241 5.21 Jording 242 5.21.1 Vernejord (BJ) 243 5.21.2 Signaljord (SJ) 243 5.21.3 Ex-i-jord 244 5.21.4 Hovudkanaljord 244 5.21.5 Datajord 244 5.22 Nokre enkle, men viktige reglar for jording i automatiserte prosessanlegg 244

6 Systematisk vedlikehald 246 6.1 Kva er systematisk vedlikehald 246 6.1.1 Viktige ord og omgrep 247 6.1.1.1 Systematisk vedlikehald 247 6.1.1.2 Førebyggjande vedlikehald 247 6.1.1.3 Korrektivt vedlikehald 248 6.1.1.4 Uventa vedlikehald 248 6.1.1.5 Klassifisering 248 6.1.1.6 Gjennomsnittleg tid mellom feil (MTBF) 248 6.1.1.7 Sløyfenummer (Loop Tag Number) 248 6.1.1.8 Instrumentnummer (Instrument Tag Number) 248 6.1.1.9 Utstyr 249 6.1.1.10 Utstyrsnummer 249 6.1.2 Førebyggjande vedlikehald 249 6.1.2.1 Tidsbasert vedlikehald 249 6.1.2.2 Tilstandsbasert vedlikehald 250 6.1.2.3 Modifikasjonsbasert vedlikehald 251 6.1.3 Korrektivt vedlikehald 251

11

Innhold

6.1.4 Uventa vedlikehald 252 6.2 Grunnlaget for å innføre systematisk vedlikehald 252 6.2.1 Stega 253 6.2.2 Mål og strategi 253 6.2.3 Kodestrukturar 254 6.2.3.1 Utstyrsnummerering 255 6.2.3.2 Kodar for utstyrsgrupper 256 6.2.3.3 Nummerering av dokumentasjon 256 6.2.3.4 Kodar i arkivsystem 256 6.2.3.5 Stadkodar (lokalisering av utstyr) 257 6.2.3.6 Kostnadsstader 257 6.2.3.7 Reservedelskodar 257 6.2.3.8 Jobbartkodar (type arbeid) 257 6.2.3.9 Prioritetskodar 258 6.2.3.10 Feilkodar 258 6.2.3.11 Aktivitet og ressurskodar 259 6.2.4 Klassifisering 259 6.2.4.1 Kva for val eller avgjerder blir påverka av klassifiseringa? 262 6.2.5 Dokumentasjon 263 6.2.5.1 Prosjekteringsdokumentasjon 263 6.2.5.2 Montasjedokumentasjon 263 6.2.5.3 Vedlikehaldsdokumentasjon 263 6.2.5.4 Standardisering 264 6.2.5.5 Eit framlegg til arkivsystem 265 6.2.5.6 Hovudelementa i arkivsystemet 265 6.2.6 Registrering av utstyr 267 6.2.6.1 Datafangst (utstyrsinformasjon) 267 6.2.7 Reservedelsvurdering 268 6.2.8 Førebyggjande vedlikehald 268 6.2.8.1 Vedlikehaldskalender 269 6.2.8.2 Spesifikasjon av vedlikehaldet, vurdering av utstyr 269 6.2.9 Analyse og erfaringstilbakeføring 270 6.3 Edb-baserte system 271 6.3.1 Overordna krav til eit edb-basert vedlikehaldssystem 271 6.3.2 Ekspertsystem 274 6.4 Vedlikehaldsmetodar 275 6.4.1 Diagnose, feilretting 275 6.4.2 Tilstandskontroll 277 6.4.3 Kalibrering 277 6.4.3.1 Sporevne 278 6.4.3.2 Kalibreringsmetodar 278 6.4.4 Analysatorar 280 6.4.5 Vedlikehald av elektronikk 281 6.4.5.1 Overvaking av jordfeil 281 6.4.5.2 Vedlikehald av Ex-installasjonar og ex-utstyr 282 6.4.6 Funksjonsprøving av sikringssystem 282 6.4.7 Ventilar 284 6.4.7.1 Reguleringsventilar 284 6.4.7’.2 Sikringsventilar 284

7 Automatiseringsteknologi, funksjonelle forhold 287 7.1 Feltinstrumentering 287 7.1.1 Måleprinsipp 287 7.1.2 Krav til dynamikk, prosessgrensesnitt og lokalisering 290 7.1.3 Miljø og montasje 297 7.1.4 Grannsemd 302

12

INNHOLD

7.1.5 Pålitelege målingar 304 7.2 Utstyr i kontrollrommet 305 7.2.1 Parallell og seriell teknologi 305 7.3 Datamaskin som kontrollromsutstyr 312 7.3.1 Signalgrensesnittet til datamaskinane 312 7.3.2 Sanntidsoperasjon 314 7.3.3 Forhold som gjeld tilgang og tryggleik 315 7.3.4 Applikasjonprogrammering 315 7.3.5 Operatørgrensesnittet til datamaskinen 317 7.4 Distribuerte automatiseringssystem 319 7.4.1 Prosesstasjonane 322 7.4.2 Operatørstasjonane 322 7.4.3 Kommunikasjonsnettverket 323 7.4.4 «Management Information System», MIS 325 7.5 Utvikling av DCS-topologi 325 7.5.1 Distribusjonsprinsipp 325 7.5.2 Eit døme frå oljeindustrien 328 7.6 Systempresentasjonar 332 7.6.1 Prosessanlegg, døme frå NH3-anlegg, ved tankterminalen, Hydro Porsgrunn Industripark 332 7.7 Datainnsamling - registrering - behandling 344 7.7.1 Innsamlingsutstyr 344 7.7.2 Datavising og behandling 345 7.7.3 Verktøy for å vise og behandle data 345 7.7.3.1 Skjermvising 345 7.7.3.2 Rapportgenerering og datalagring 346 7.7.4 Utforminga av dialogar og bilete i eit HMI-system 347 7.7.4.1 Kommunikasjonsgrensesnitt og database 347 7.7.4.2 Utvikling av grafisk grensesnitt - vindauge 348

Litteratur- og kildehenvisninger 352

Stikkordregister 353

13

Kapittel 1

Reguleringsmetoder I. I Ulike typer prosesser Vi skal studere ulike typer prosesser og vise hvordan de kan deles inn i grupper. Følgende prosesser skal behandles: • • • •

prosesser med prosesser med prosesser med prosesser med

én tidskonstant (1. ordens system) to tidskonstanter (2. ordens system) dødtid integrasjon

Man skulle tro at reguleringssløyfene må bli forskjellige når pros­ essene er forskjellige, men det er ikke tilfellet. Typisk for reguler­ ingsteknikken er at prosesser og systemer med helt ulik anven­ delse kan ha samme reguleringstekniske egenskaper og reguleres på samme måte.

En elektrisk motor kan for eksempel ha samme regulerings­ tekniske egenskaper som en varmeteknisk prosess. En prosess for nivåregulering kan ha samme egenskaper som en prosess for konsentrasjonsregulering. En prosess for trykkregulering kan ha samme egenskaper som en termisk prosess og så videre. Siden mange ulike prosesser og systemer oppfører seg likt reguleringsteknisk sett, skal vi dele dem inn i grupper med tanke på dette. Vi skal studere en måte å karakterisere prosesser og syste­ mer på, nemlig etter deres svar på et sprang i energitilførselen eller belastningen. Dette kalles en sprang/respons-test.

Figur 1.1 Sprang/respons-test

Normalt er utgangssignalet hos typiske prosesser alltid mer eller mindre forvrengt enn inngangssignalet.

15

Kapittel

1

Eksempler Når vi øker effekten til en panelovn i et hus, tar det en viss tid før temperaturen i huset øker. Energitilførselen endres i et sprang, mens prosessens svar (temperaturen i huset) endres over tid. Om vi ønsker høyere hastighet på bilen, trykker vi inn gasspedalen - det tar da en viss tid før bilen har kommet opp i ny ønsket hastighet.

Systemer som har den egenskapen at inngangssignalet tar en viss tid for å forplante seg til utgangen, kalles dynamiske systemer. I et system som ikke er dynamisk, vil utgangen reagere momen­ tant på en endring i inngangssignalet.

I. I. I Prosesser med én tidskonstant (I. ordens prosess) Prosesser og systemer med én tidskonstant, 1. ordens prosess, har en sprang/respons-kurve som vist på figur 1.2.

Tidskonstant Tt

=t

Figur 1.2 Sprang/respons-kurve for 1. ordens prosess

Kurven har størst helning i starten, for så å avta til sluttnivået er nådd. For å ha et mål på hvor rask prosessen er, oppgis tidskonstanten. Tidskonstanten defineres som den tid det tar for utgangen (verdien i målepunktet) å nå 63,2 % av den nye stabile verdien. Den matematiske funksjonen for sprang/respons-kurven er y(t) = K(1 - e’t//x), hvor t er prosessens tidskonstant.

16

REGULERINGSMETODER

Et eksempel på en prosess av 1. orden er et elektrisk RC-ledd. R

o----------

----- o 1 MQ

Ui o-----------

C _ 1^F- L

U2

----- o

Figur 1.3 Elektrisk RC-ledd av 1. orden

Tidskonstanten for RC-leddet på figur 1.3 er t

= R • C = 1 • 106 • 1CT6 = 1 s

Et annet eksempel på en prosess av 1. orden er en nivåprosesstank med en væske som vises på figur 1.4.

Qjj = massestrøm inn Qu = massestrøm ut

Figur 1.4 1. orden tankprosess

Den manuelle ventilen R er væskens strømningsmotstand på lik linje med at R i det elektriske RC-leddet er elektrisk strøm­ ningsmotstand. I tanken er kapasitansen C lik det væskevolumet som skal til for å heve nivået i tanken en høydeenhet. Trykket p (forårsaket av høyden h) er spenningen sett fra utgangen.

I det elektriske RC-leddet er kapasitansen C lik den elektrisitetsmengder som skal til for å heve den elektriske spenningen over kondensatoren én enhet. U2 er spenningen i systemet sett fra utgangen.

17

Kapittel

1

Figur 1.5 viser fire ulike prosesser og deres sprang/respons­ kurver. Elektrisk kapasitet

ZFk

Varmekapasitet

R (varmestrømningsmotstand) ------ Gass

Figur 1.5 Ulike prosesser og deres sprang/respons-kurver

Tabell 1.1 viser sammenhengen mellom elektriske størrelser og hydrauliske, pneumatiske og termiske systemer. Variabel

Elektrisk system

Hydraulisk system

Pneumatisk system

Termisk system

Potensial

Emf E (volt)

Trykk p (bar)

Trykk p (bar)

Temperatur T (celsius)

Strømningsvariabel

Strøm I (ampere)

Mengde QH (m3/s)

Mengde Qp (m3/ s)

Varmestrøm QT (J / s)

Resistans

R (ohm)

Rh (bar/m3/s)

Rp (bar/m3/s)

RT (grader/watt)

Kapasitans

C(Farad)

m (m3/m)

m (m3/m)

CT (joule/°C)

Tid

Sekund

Sekund

Sekund

Sekund

Tabell 1.1 Sammenhengen mellom elektriske systemer, hydrauliske systemer, pneumatiske systemer og termiske systemer

1.1.2 Prosesser med dødtid Typisk for prosesser og systemer med dødtid er at det tar en viss tid før en endring kan registreres på utgangen. Vi kan definere dødtiden slik:

Dødtid er den tiden det tar fra vi innfører en endring i pådraget, til det kan registreres noen endring i prosessverdien. Dødtid kan illustreres med en båndvekt. Båndvekten kan sees på som en prosess.

18

Reguleringsmetoder

Figur 1.6 Båndvekt har en dødtid

Prosessverdien måles med vekten. Den tiden det tar å forflytte prosessmediet over strekningen L til vekten for registrering, blir dødtiden i systemet.

Dødtid kalles ofte transporttid og forekommer også i rørledninger og temperaturprosesser. Vi betrakter dødtid som det vanskeligste dynamiske elementet i en reguleringssløyfe, fordi prosessen er ute av regulering i hele dødtidsperioden. Grafisk kan vi vise dødtid som på figur 1.7. Pådrag

Endring i pådrag

Prosessverdi

Endring i måleverdi

► Tid

Dødtid

Figur 1.7 Grafisk presentasjon av dødtid

Om pådraget er et sprang, vil dødtiden gi en faseforskyvning mellom inngangs- og utgangssignalet.

19

Kapittel

1

En prosess med dødtid og 1. ordens tidskonstant vil ha en sprang/respons-kurve som vist på figur 1.8. Inn

Figur 1.8 Prosess med dødtid og 1. ordens tidskonstant

1.1.3 Prosess med to tidskonstanter I praksis inneholder de fleste prosesser mange kapasitanser og resistanser.

Figur 1.9 Temperaturprosess med elektrisk varmekolbe

På figur 1.9 vises en prosess hvor vann skal varmes opp av en elektrisk varmekolbe. Dersom vi gir et økende sprang i pådragssignalet, vil effekten til varmekolben øke. Vi antar at omrøringen er ideell. Før måleinstrumentet kan registrere en økning i vanntemperaturen, må varmespiralen varme opp luften inne i kolben. Varmen må bre seg fra luften til kolben, og varmen må bre seg fra kolben til vannet. Illustrert med RC-ledd blir det som på figur 1.10.

20

Reguleringsmetoder

Elektrisk effekt

Vann temperatur

Varmespiral

Kolbe

Vannet i tanken

Figur 1.10 Temperaturprosess med elektrisk varmekolbe illustrert med RCledd

I tillegg vil alltid måleelementet også ha én eller flere tidskon­ stanter, men ofte er disse små i forhold til prosessen. Temperatur (Tu)

Effekt (kW)

Figur 1.11 Sprang/respons-kurve for en prosess med flere små og én stor tids­ konstant

Denne kurven er typisk for en prosess med en eller flere små tidskonstanter og én stor dominerende tidskonstant.

I praksis kan vi betrakte slike prosesser som en prosess med en dødtid og en 1. ordens prosess uten at det gjøres store feil.

Figur 1.12 viser en nivåprosess med to tidskonstanter. Tank 1 Ci

Trykk P1

Tank 2 C2

Figur 1.12 Nivåprosess med to tidskonstanter og prinsipielt ekvivalentskjema

Trykk P2 f

21

Kapittel

1

1.1.4 Forsterkning Når inngangen og utgangen til en prosess eller et instrument er konstant (statisk), er blokkens forsterkning definert som

r prosess 1 Inngang { eper insfr] Utgang

A Utgang F - Åinngang

Eksempel En transformator tilføres vekselspenning på primærsiden. På sekundærsiden tar vi ut en høyere spenning. Sammenhengen mellom inngang og utgang er vist på figur 1.13, som viser sekundærspenningen i en transformator som funksjon av primærspenningen.

Figur 1.13 Sekundærspenningen i en transformator som funksjon av primær­ spenningen

U7 Forsterkning =---- = konstant over hele området. Ui

Forsterkning = 400/100 = 4 ganger.

Forsterkningen er per definisjon lik stigningen til kurven. Vi ser at stigningen er konstant over hele området. Da er forsterkningen også konstant over hele området.

Når forsterkningen er konstant over hele området, sier vi at karakteristikken (overføringsfunksjonen) er lineær. Figur 1.14 viser karakteristikken til en reguleringsventil. Denne reguleringsventilen har ulineær karakteristikk. For den lineære karak­ teristikken var forsterkningen konstant over hele området, mens den for den ulineære varierer med arbeidspunktet.

22

Reguleringsmetoder

Figur 1.14 Grafen til en ulineær ventil (logaritmisk ventil)

Forsterkningen til ventilen i arbeidspunktet A blir

s,at,sk

(72-37,3) m3/h 3,8 mm

34,7 m3/h = 9,13 m3/hmm 3,8 mm

Forsterkningen til ventilen i arbeidspunkt B blir

r (8,8-4,1) m3/h F^n^k ~----------- = statlsk 3,8 mm

4,7 m3fa 3 -------- = 1,24 m^/nmm 3,8 mm

1.1.5 Statisk sløyfeforsterkning Figur 1.15 viser en nivåreguleringssløyfe. Den statiske sløyfeforsterkningen til hver enkelt komponent i sløyfen finner man ved å observere responsen på utgangen når det tilføres et sprang på inngangen. Vi tenker oss dette gjort i komponentens arbeids­ punkt.

Den statiske sløyfeforsterkningen får vi ved å multiplisere alle komponentenes statiske forsterkning. LTs LCs Membranmotorens Ventilens Prosessens

Omformerens

forsterkning i mA/m forsterkning i mA/mA forsterkning i m/bar forsterkning i m3/ meter løft av plugger forsterkning i m/m3 (meter nivåøking per m3 væske inn) forsterkning i bar/mA

23

Kapittel

1

Den statiske sløyfeforsterkningen får da benevningen mA mA bar m m3 m , ---- -------------- - ------------------- = ubenevnt m mA mA bar m m3

Statisk forsterkning = • F2 • F3 • F4 • F5 • F6 der F: til F6 er de enkelte komponentenes forsterkning. Hver enkelt komponent i reguleringssløyfen bidrar med for­ sterkning til den totale sløyfeforsterkningen.

1.1.6 Reguleringssløyfens tidskonstanter Vi har tidligere vært inne på at en tank for væske med ventil i utløpet kan sammenlignes med et RC-ledd satt sammen av mot­ stand og kondensator. De følger samme matematiske formel, både dynamisk og statisk sett. Det betyr at prosesser og instru­ menter kan betraktes som RC-ledd, dødtider og forsterkere. Dette er vist på figur 1.16.

24

Reguleringsmetoder

Figur 1.16 Tidskonstanter og dødtider i en reguleringssløyfe

Prosessen består her av kapasiteter for å lagre energi og mot­ stander for strømning. På samme måte vil vi ha RC-ledd (dynamiske ledd) i måleelementer, måleverdiomformere, i regu­ latorer og forstillingsmekanismer. Reguleringsventilen kan sees på som en variabel strømningsmotstand. Således er analysen av et reguleringssystem en analyse av hvordan signaler forandres i amplitude og fase når de passerer gjennom RC-ledd, dødtider og forsterkere av forskjellige typer.

1.1.7 Kapasitet Med kapasitet menes et område hvor masse eller energi lagres. For et nivåsystem som vist på figur 1.17 kan kapasitet C gis føl­ gende definisjon: Det væskevolumet som skal til for å heve nivået i tanken én høydeenhet.

Figur 1.17 En ikke selvregulerende prosess

25

KAPITTEL 1

Tanken har en kapasitet C, en tilførsel Q1 og et utløp Qu. Den opp­ trer som en buffer mellom inngang og utgang og bestemmer hvor hurtig energi eller masse kan endres.

Av figur 1.17 ser vi at dersom er større enn Qu vil nivået stige lineært, helt til det renner over. Dersom Q„ er større enn Q-, synker nivået lineært helt til tanken er tom.

1.1.8 Dynamisk forsterkning Dette avsnittet er beregnet for dem som ønsker en bedre teoretisk forståelse av dynamikken i reguleringssløyfen. Kravet til matem­ atikk går ikke ut over videregående skoles pensum for grunnkurs elektro. Hvis i2 er null, har vi:

IL

z, =--- -—

. R7 IL = i-, • R-, => IL = U, ■ ——

1 Rj+R2 & 2

7

2

2

7

R, + R2

Figur 1.18 Spenningsdeler

På figur 1.18 har vi en ren ohmsk spenningsdeler. Utgangsspenningen U2 er her gitt ved

U2=Ur

~R~Fr~

Ligning 1.1

Forsterkningen I F I er

IFI

26

i

Rq + R7

Ligning 1.2

Reguleringsmetoder

Om U1 er en sinusformet spenning, vil U2 ha samme fase som U1 siden en ren ohmsk resistans ikke gir faseforskyvning.

Faseforskyvningen Z.F blir da

AF = 0

Ligning 1.3

Her er: I F I forsterkningen uten hensyn til faseforskyvningen Å F faseforskyvningen

Av ligning 1.2 ser vi at forsterkningen i dette tilfellet er mindre enn 1 (signalet dempes).

1.1.9 Det integrerende RC-leddet Hvis nå R2 byttes ut med en kapasitans, skal vi se at IFI og Z.F er avhengig av frekvensen. A: = amplituden til U: A2 = amplituden til U2 ZF = faseforskyvningen co = vinkelfrekvensen 2nf

Figur 1.19 Frekvensavhengig spenningsdel

Av figur 1.19 har vi A2 U2 Forsterkning = I F I =---- -------AI Uj

Faseforskyvning = ZF Utledninger Fra elektronikken har vi vinkelfrekvensen co = 2jif

Impedansen for kondensatoren er 1 2jtfc

1 coc

Xc = -5T7- = —

27

KAPITTEL 1

Impedansen til kretsen på figur 1.19 blir

Viserdiagrammet i kretsen på figur 1.19 blir som figur 1.20 viser.

Figur 1.20 Viserdiagram for en RC-krets

Av figur 1.20 har vi

Ligningen for forsterkning blir da

Ligning 1.4 yi + (wRC)2

Når vi skal finne faseforskyvningen mellom Ul og U2 (AF), benytter vi igjen viserdiagrammet på figur 1.20. Vi ser at U R tan L F =--------------- = - co R C _. 1 11 '

(Element) Analog til Digital

Datamaskinfunksjon

Digital til Analog med overlagra digital kommunikasjon

Overlagra t.d, 4-20 mA HART-protokoll

Figur 7.21 Døme på ein smart trykksendar (engelsk: transmitter) med HART-protokoll

7.3 Datamaskin som kontrollromsutstyr Ein datamaskin som blir brukt i prosessautomatisering, omfattar dei same einingane som alle andre datamaskinar: sentraleining, minne og inn-/uteiningar. Sentraleininga legg til rette infor­ masjonselement i samsvar med reglar lagra i minnet. Desse reglane kan vere logikk for binære styringsfunksjonar, aritmetikk for utrekningar og regulering og rein flytting av data for å styre operatørgrensesnitt, logge hendingar og liknande (til dømes figur 5.2).

Men til generell automatisering blir det stilt fleire krav til data­ maskinen.

7.3.1 Signalgrensesnittet til datamaskinane Det typiske for dei første DCS-systema var at teknologien var lukka og i stor grad sjølvutvikla, det vil seie at andre produsen­ tar ikkje kom til med å utvikle applikasjonar på området. Kon­ vensjonelle datamaskinar har også vore brukte. Dei vart i dei fleste anlegga monterte som sett-punkt-styringar og vart ei stan­ dard teknisk løysing i til dømes raffineri og liknande.

312

Figur 7.22 Eit «ope» industrielt kontrollsystem. «Ope» vil seie at det kan kommunisere med andre «datamaskinar», her på nivå 2 og 3

bxboro l/A-system for prosesskontro

AUT0MAT1SERINGSTEKN0L0GI, FUNKSJONELLE FORHOLD

313

KAPITTEL 7

For å kunne overvake, regulere og ta seg av styringsoppgåver på sløyfenivå må datamaskinen kunne utveksle analoge og binære signal med instrument, pådragsobjekt og konvensjonelle styringstavler. Det er viktig å velje datamaskinar med standard signalutveksling (1/O-ar), det vil seie tilpassa standard feltinstrumentering, så vi ikkje gjer oss avhengige av éin produsent eller éin leverandør. (Sjå tabellr 5.2 som viser døme på I/O-modular.)

Den vanlege løysinga har vore å bruke ein felles analog til digital omsetjar (A/D-multipleksar), som maskinen kan lese av for ei gruppe signal. Inngangssignala blir kopla til i tur og orden. Tilsvarande finst det krinsar for å gå den motsette vegen (D/Ademultipleksar).

8 Analoge inngangssignal

1 -------- O

Start omforming

Figur 7.23 Multipleksing og analog til digital omforming

Elektronikken for å lese inn- og utsignal, I/O, i datamaskinen, kan også plasserast nærmare prosessutstyret og dermed spare oss for mange koplingar (fjern I/O (engelsk: remote 1/O), sjå figur 5.29; her kan 1/O-ane liggje 1,2 km unna).

Som alle andre datamaskinar må også denne maskinen kunne kommunisere med andre datamaskinar på seriell form. Det er nødvendig for å rapportere målingar og status oppover i sys­ temet, eventuelt også kunne kommunisere med operatøren over operatørstasjonen (sjå figur 5.23 og 7.19).

7.3.2 Sanntidsoperasjon Til automatiseringsbruk er det ein føresetnad at datamaskinane kan tilpasse seg dynamikk, reaksjonstid og responskrav i pros­ essen, det vil seie ha eit sanntids operativsystem. Operativsystemet må kunne handtere fleire oppgåver på same tid, også kalla «mul­ titasking».

Ein svært viktig, men spesiell funksjon i sanntids operasjonssystem er korleis systemet handterer avbrot. Sentraleininga kan få tilført signal som får ho til å avbryte ein aktivitet som er i gang,

314

Automatiseringsteknologi,

funksjonelle forhold

og å køyre eit spesielt program. I automatiseringsbruk kan dette signalet stamme frå ei klokke eller frå ein binærinngang i pros­ essen. Ei mogeleg kjelde til avbrotet kan vere farlege forhold som er oppdaga, eller at vi straks ønskjer å setje i verk ei forrigling. Ei anna mogeleg kjelde er at tida er inne for å lese av inngangane til PID-regulatorane og utføre utrekning og pådragsendring (sykliske oppgåver). Eit avbrot kan også vere sett i verk av oper­ atøren, som til dømes ønskjer ein rapport eller liknande. Etter at ei oppgåve som er sett i gang av eit avbrot, er over, må maskinen kunne gå tilbake og ta opp att den oppgåva som vart avbroten, på rett stad.

Sjølvsagt må vi sjå til at alle tidskritiske program som blir starta syklisk og på prosesshendingar, kan avviklast på den tida pros­ essoren har til disposisjon. Avviklinga av eit program kan variere i tid, avhengig av kva som skal gjerast. Mønsteret av hendingar kan også variere, men må avpassast til det venta verste tilfellet («worst case»). Normalt har sentraleininga derfor noko disponi­ bel tid som kan brukast til å gjere oppgåver i «bakgrunnsmodus». Når det gjeld tidsforbruk, er desse oppgåvene ukritiske, som sta­ tistikk, rapportutskrift, programutvikling og liknande.

7.3.3 Forhold som gjeld tilgang og tryggleik Datamaskinar som blir sette direkte inn i ei prosesstyring, må sikrast mot feil som kan gi farlege eller uakseptable prosessforhold, eller mot forhold som er uakseptable for sjølve drifta. Til skilnad frå vanlege datamaskinar er det gjerne lagt inn sjølvsjekkrutinar i maskinvara og/eller i programvara. Dersom det blir påvist interne feil, stansar programmet, og feilhandteringsprogrammet set utgangane til forutbestemte verdiar.

Ei eiga ekstern eining i maskinvara, kalla «watchdog», overvak­ er programutføringa. Ho tek mot pulsar som er normale binære utgangssignal og som er sett i gang av programmet. Om programutføringa tek slutt slik at pulsane ikkje oppdaterer «watchdog»-en, blir utgangane deaktiverte til sikker (engelsk: fail safe) stilling.

7.3.4 Applikasjonprogrammering Ein generell datamaskin for automatisering må kunne programmerast i maskinkode (engelsk: assembler) og i eit standardisert høgnivåspråk som C, Pascal, Fortran eller liknande. Vi må kunne utvikle og teste programmet på ein trygg måte medan maskinen er i drift.

315

F B M

i

C30FT

:

CP0201 FBM

Kapittel

316

7

Automatiseringsteknologi,

funksjonelle forhold

Når mikroelektronikken kom i handelen i første delen av 1970åra, vart teknologien gjord allment tilgjengeleg fordi utstyret kunne konfigurerast. Det vil seie at brukaren får tilgang på nokre få basisfunksjonar som blir brukte ofte. Dei blir sette saman etter enkle reglar, gjerne med utstyret fråkopla (engelsk: off-line).

Først ute var dei «programmerbare logiske styringane» - PLS (engelsk: PLC = Programable Logic Controllers). Dei utførte logikkfunksjonar. «OG», «ELLER», «tidsforseinking», «invertersignal», «les inngangssignal» og «sett utgangssignal» var typisk funksjonsrepertoar. Konfigureringa skjedde når brukaren sette saman brytar- eller relésymbol på same måten som når vi byggjer opp ein tradisjonell relélogikk. I dag kan brukaren sjølv utvikle og programmere funksjonsblokker, også ofte kalla «makroar». Med «programmering» mein­ er vi her bruk av høgnivåspråk for funksjonsdefinisjon. I den vidare bruken verkar desse funksjonane som «black box»-symbol med relevante grensesnittsignal utveksla over «terminalar» (pin­ nar) på blokka. Applikasjonsingeniørane treng derfor ikkje kunne tradisjonell «programmering», dei knyter berre saman signalterminalane på (funksjons-)blokknivå. På den måten kan vi byggje opp - konfigurere - komplekse strukturar. Vi kan som regel konfigurere og dokumentere grafisk på ein PC og/eller direkte på datamaskinen. Databasen blir dekompilert på PC-en for dokumentasjonsdelen. Det skjer frikopla frå prosessen («offline») og eventuelt også i drift («on-line»), sjå figurane 5.31 og 7.24. Konfigureringa omfattar normalt lenking og parameterisering. Som namnet indikerer, er lenking å få fram og å binde saman dei ulike funksjonsblokkene i samsvar med den styringsstrategien som er vald. Som regel må vi også knyte indikeringsfelt og styringsfelt på skjermen til dei tilsvarande felta i applikasjonslogikken. Parameterisering vil seie å knyte spesifikke talverdiar til måleområde, alarmgrenser, PID-parametrar og liknande. Funksjonsblokkene har «terminalar for å kople til» parameterverdiar i programmerings-verktøyet.

Applikasjonslogikken må tildelast eit utførselsintervall, som nor­ malt kan liggje i området 10-1000 millisekund.

7.3.5 Operatørgrensesnittet til datamaskinen I små, avgrensa oppgåver kan operatøren kommunisere over tavlemontert utstyr som brytarar, lamper, visarinstrument og lik­ nande. Signala til og frå tavla blir førte til datamaskinen som ordinære prosessignal. Meldingar til operatøren kan også vere gitt i små alfanumeriske vindauge som kommuniserer serielt

317

KAPITTEL 7

med datamaskinen på same måten som ein skrivar. Men i kontrollromma er det som regel operatørstasjonane som «rår», med noko panelinformasjon (sjå figur 5.21).

Biletskjermen gir «uendeleg» mange måtar å stille saman og pre­ sentere informasjon på. I praksis ligg funksjonalitet og ikkje minst avgrensingar i fantasi og kreativitet hjå brukaren (sjå figu­ rane 7.32-7.36). Meir generelt blir det brukt fargeskjermar med «peikeverktøy», mus, rulleball og liknande (sjå figur 5.24 og 5.27). Det er relativt vanleg å få vist prosessmimikk på skjermen. Styringsoppgåver er symbolorienterte på den måten at operatøren «kjenner att» den funksjon eller det objektet han skal operere som symbol på skjer­ men, og vel det med utpeiking (sjå figur 7.32). Informasjonen ut til operatøren er ferdigprogrammerte bilete der måleverdiar for prosessvariablane og tilstandane til binære vari­ ablar blir viste på faste plassar. Symbolform og farge er verkemiddel som blir brukte til å formidle prosesstilstanden. For kvart objekt ligg det ein liten logikk som berre viser dei lovlege og mogelege pådraga i styringsmenyen. Denne menyen kjem fram når operatøren peiker på det objektet han ønskjer å styre (sjå figur 5.25). Alle system har i utgangspunktet eit sett standardblokker og tilhøyrande biletsymbol for å styre dei vanlegaste pådraga. Måten analogsignal som søylediagram blir presenterte på, er ei enkel vidareføring av tradisjonell parallell teknologi. Søylediagramma har den fordelen at dei er lette å oppfatte med eit raskt blikk. Dersom operatøren vil endre analoge variablar som settpunkt og utgangssignal til reguleringsventilen, kan han bruke funksjonstastar for å auke eller minske variablane, eller taste inn ein ny verdi med eit taltastatur.

Det er også standard å trendpresentere analogvariablar som er utvalde på førehand. Det er dessutan nyttig for å analysere ei hending (sjå figur 7.36). Det operatøren kan velje, er å plassere kurver på skjermen, tidshorisont og kva for variablar som skal visast i det same diagrammet. «Sanntidstrend» vil seie at oper­ atøren kan trende ein ønskt variabel. Det er nyttig når vi skal gjennomføre planlagde oppgåver som til dømes å trimme inn regulatoren. Ein av grunnideane med skjermbasert operatørprosesskommunikasjon er å organisere informasjon og pådragsfunksjonar i ein hierarkisk trestruktur. I ein slik trestruktur må det vere mogeleg å komme frå eit bilete på eitt nivå til eit bilete på eit nivå som ligg over, på ein enkel måte. Vi må også kunne gå frå eit detaljbilete i

318

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

ei grein til eit detaljbilete i ei anna utan å måtte gå opp til eit høgt nivå og ned att. Systemprogramma må også kunne presentere og annonsere alar­ mar og meldingar. Utskrift av tidspunkt, alarmtekst, merkelapp (engelsk: tag) og funksjonsforklaring til skjermen og skrivaren er i dag standard på alle systemprodukt. Systemprogrammet bør også kunne hjelpe operatøren til raskt å finne fram til detaljbilete der den aktuelle alarminitiatoren er vist.

7.4 Distribuerte automatiseringssystem På større fabrikkar er det ein fordel å dele oppgåvene på fleire datamaskinar, av fleire grunnar: • enkel, billig og robust teknologi • lokalisering nær utstyret som skal styrast, gir mindre kabling og sjanse for å få utstyret tidleg ferdigstilt og testa • konsekvensane av tekniske eller menneskelege feil i samband med vedlikehald og modifikasjon blir reduserte på grunn av betre oversikt, og blir i verste fall avgrensa til ein mindre del av prosessen • når kvar maskin får tildelt avgrensa funksjonelle oppgåver, blir teknologibruken optimalisert, og omfanget av støtteprogram i kvar datamaskin kan avgrensast Styrken til ein stor datamaskin er sjølvsagt at ulike oppgåver blir koordinerte like enkelt som når dataregistra i maskinen blir knytte til kvarandre. Når vi fordeler funksjonane på fleire uavhengige maskinar, skaper vi derfor eit stort kommu­ nikasjonsbehov eller kommunikasjonsproblem.

I mange anlegg trengst det lite kommunikasjon mellom funksjonsøyane. På ei produksjonsplattform er det derimot stor gjensidig kopling mellom prosessystema. Denne koplinga ønskjer vi også å reflektere i styringane. Føresetnaden for oppdelinga er sjølvsagt at datamaskinane kan kommunisere uhindra med kvarandre. Denne kommunikasjonen kan sjølvsagt skje ved hjelp av fast fortråda signal. Når vi bruker datateknikk, får vi utveksla digital informasjon. Kommunikasjonen må kunne konfigurerast og samtidig vere svært påliteleg. Dei fleste leverandørane tilbyr no produkt - «systempakkar» - for generell automatisering. Hittil har desse pakkane vore lukka, i beste fall kunne prosessdata og kommandoar berre utvekslast på leverandørspesifikke format over ei treg seriell kommunikasjons­ linje. Det har praktisk talt vore uråd å kople saman systempakkar frå ulike leverandørar.

319

Kapittel

7

O/I 310W3H

ss__ "mho: ho: o/i o/i QZ1

3A3VA lOaiNOO

8010W NVd O/I

ho:

O/I 310N3H

ho:

O/I

H0133130 3X0WS ftllSNl -H10333

O/I 310W3H H3XV3H8

5 5

O/I 310W3H

HYpROCARBON FIRE

AND GAS DETECTIOK

83XV3H8

0/

~57 0/ 0/

si 3A3VA 390330 80133130 3WV33

Ul co

□ □ □ □

Ol O|

80133130 SVO

Q-cn 3A3WA N0I1830S1

H311IHSNVH1 dWOd 310

3A3VA 3081N03

8311IWSNV81

co co z o

— O/I 310H38

LLm

£Dc/i 0/ arO *

z« •-

0/1 310H38

-

38O1VH38W31

83SA3VNV

«033 HV31S

320

Automatiseringsteknologi, funksjonelle forhold

Slike systempakkar blir på engelsk kalla «Distributed Control Systems», forkorta DCS. Denne forkortinga blir stadig meir brukt i Noreg. Elles ser vi at slike systemløysingar får namn av brukarane (til dømes PCS, DISCOS, PCDA) og av leverandørane (AIM, 1/ A, Provox, TDC). Vi vel å bruke nemninga DCS. Der DCS er brukt i stor utstrekning, finn vi desse forholda: • Ein del av datamaskinane har inn-/uteiningar for prosessignal. Dei er konfigurerte for å dekkje alle styre- og reguleringsfunksjonar på sløyfenivå. Det skjer syklisk eller drive av hendingar ut frå dei krava prosessen stiller til sanntidsrespons. Vi kallar dei «prosesstasjonar» eller «nodar». Det er omfattande sjølvovervaking i kvar stasjon og sentraliserte funksjonar for feildiagnose eller alarmering. • Ein del av datamaskinane har maskinvare og programvare for å handtere alle vanlege operatørgrensesnitt med skjerm og peikeverktøy, rapportar og liknande. Ein datamaskin kan nor­ malt styre fleire skjermar, peikarar, skrivarar og liknande. Ei slik samling av utstyr kallar vi ein «operatørstasjon». • Systemet kan utveksle informasjon med andre system, til dømes med overordna informasjonssystem, sideordna automatiseringssystem eller underordna framandsystem for spesialiserte oppgåver. For tyngre oppgåver blir det gjerne brukt ein eigne datamaskin, kalla portnar stasjon. • Eit kommunikasjonsnettverk som ♦ automatisk handterer all informasjonsveksling mellom operatørstasjonen og prosesstasjonen innanfor rimelege krav til fart på responsen, og høg garanti for at informasjo­ nen når fram til mottakaren ♦ tillet konfigurerleg informasjonsutveksling mellom prosesstasjonane; det gir sikker kommunikasjon innanfor dei avstandane vi har i eit større prosessanlegg, og systemet har nok støyimmunitet og sjølvovervaking til å gi påliteleg kommunikasjon ♦ automatisk handterer start, systemovervaking, fjerning og tilkopling av nye stasjonar og liknande medan systemet er i drift

Figur 7.25 viser strukturen i eit distribuert automatiseringssys­ tem som er typisk etter dei funksjonane vi har sett på hittil. Oppgåva til stasjonane er vist, men det er sjølvsagt ikkje noko problem å bruke fleire stasjonar til den same oppgåva. Alle stasjonane (datamaskinane) i systemet er bundne saman med ein felles kommunikasjonskanal. La oss kort sjå på hovuddelane.

321

Kapittel

7

7.4.1 Prosesstasjonane Desse stasjonane er i prinsippet små sanntids datamaskinar. Dei minste gjer ei enkelt PID-regulering og/eller binærlogikk med ei handfull signal, medan dei største kan behandle mange tusen signal. (På figurane 7.22 og 5.29 er dei omtalte som Control Pros­ essor - CP.)

1/ O-korta eller modulane blir laga i fleire variantar, tilpassa ulike signaltypar (likespenning, pulsar, termoelement og liknande). Korta leverer normalt nødvendig spenning til instrument og pådragsorgan. Dei kan også innehalde ulike typar overvaking av signalkrinsen, som brot, jordfeil, kortslutning og liknande. I somme systempakkar kan systemresponsen i samband med ein feil konfigurerast. Vi kan til dømes velje om eit brot i signalkrin­ sen frå eit instrument skal løyse ut forrigling (fail-safe) eller berre gi alarm.

Når det gjeld kapasitet, opplyser fabrikanten om kor stor del av tida som blir brukt til operativsystemet, og kor stor del som står til disposisjon for applikasjonsfunksjonar hjå brukarane. Her kjem syklustida ofte inn som parameter. Syklustida viser det kor­ taste intervallet som kan konfigurerast for repetitiv utføring av den same funksjonen. For stasjonar som primært er bygde for klokkestarta funksjonar, ligg syklustida gjerne i området 100-1000 millisekund, medan stasjonar primært bygde for hendingsstarta logikk, kan respondere innan ti millisekund eller kortare på prosesstarta funksjonsbehov. Syklustida er fastsett ut frå prosessdynamikken for oppgåvene. Vi skal vere merksame på at tidsoppløysinga i alarmlistene ikkje kan bli betre enn syklusti­ da for signal som blir avlesne klokkestyrte. I raske prosessar gjer ei lang syklustid det vanskeleg å seie kva som skjer etter ei avstenging.

I eit typisk DCS-system gjer elementærblokkene det normalt mogeleg å bruke dei fire rekningsartene, signalveljarfunksjonar og PID-regulering. Blokker som gir dødtid, tidskonstant og derivatverknad, er tilgjengelege for framoverkoplingsstrategiar. Stasjonane er i ulik grad bygde for sekvensprogrammering.

7.4.2 Operatørstasjonane Desse stasjonane er ofte bygde opp på same datateknologi som prosesstasjonen. I/O-delen er erstatta med kort for dataskjerm, og programvara for signalbehandling er erstatta med program­ vare for drift av skjerm, peikar og liknande. Operatørstasjonane har program som gjer at operatøren kan kommunisere med pros­ essen. I tillegg kan operatørstasjonen gjere andre oppgåver

322

Automatiseringsteknologi, funksjonelle forhold

knytte til systemutvikling, vedlikehald og feildeteksjon i sys­ temet. (Du finn illustrasjonar av operatørstasjonar på figurane 5.20, 5.21, 5.22, 5.24, 5.27 og 7.22.) Brukaren må fastleggje informasjonsstrukturen på operatørskjer­ mane, basert på eit eige hierarki for prosessfunksjonane. Dei sta­ tiske og dynamiske (prosessavhengige) biletelementa må defin­ erast i prosjektfasen. Når operatøren kallar opp det aktuelle biletet, styrer han den informasjonen han ønskjer, over kommunikasjonsnettverket til operatørstasjonen, slik at måleverdiane blir oppdaterte. Kom­ mandoar må styrast den motsette vegen av programvara i systempakken. Under arbeidet må vi ta stilling til kva for inngrep operatøren skal kunne gjere. Ein viktig faktor er oppdateringsfrekvensen for informasjonen i biletet. Denne frekvensen kan vere kritisk dersom vi regulerer raske prosessar manuelt. Vi skal vere kritiske til system som med normal belastning treng meir enn to sekund mellom kvar oppda­ tering av bilet-informasjonen. Første gongs oppkalling av eit bilete tek gjerne noko lengre tid, da skal meir informasjon som merkelappnummer (engelsk: tøg-nummer), serviceinformasjon og annan databaseinformasjon overførast til skjermen. Det seier seg sjølv at oppdateringstida kan gå opp når vi har mykje infor­ masjon i biletet og/eller har mange skjermar som skal vise bilete og såleis oppdaterast kontinuerleg. Systemet skal sjølvsagt stadfeste ordrane frå operatøren, helst også signalisere når ordren er sett i verk dersom det ikkje skjer straks. Ein ulovleg ordre bør kunne avvisast straks på operatørstasj onsnivå.

For å kunne lage oversiktsbilete på høgt nivå er det viktig at operatørstasjonen kan hente inn enkeltinformasjon frå prosesstasjonane og gjere logiske og aritmetiske operasjonar på dei som bakgrunn for presentasjonen.

7.4.3 Kommunikasjonsnettverket Moderne distribuerte automatiseringssystem baserer seg på busskommunikasjon mellom stasjonane. Prinsippet gjer at alle stasjonane kan sende og ta mot meldingar på ein felles kommu­ nikasjonskanal, «bussen». Fysisk er bussen gjerne ein koaksial­ kabel eller lysleiar som kan formidle høgfrekvenssignal. Etter­ som bussen er kritisk for kommunikasjonen i systemet og sam­ tidig utsett for å bli øydelagd mekanisk, blir det gjeme brukt to skilde bussar. I kvar stasjon sit eit eige kort som skal handtere

323

Kapittel

7

kommunikasjonen med bussen. Vi skal her sjå på dette som ein del av kommunikasjonssystemet, ikkje stasjonen. Dersom vi bruker to uavhengige bussar, må sjølvsagt kommunikasjonskortet ha to uavhengige sende-/mottakskanalar. (Jamfør figur 7.22, som viser nettverket til 1/A-systemet.) Informasjonen blir send ut og motteken som bitserielle telegram. Eit slikt «datagram» omfattar eit «hovud» med mottakar og sendar, eit felt med meldingstype, sjølve meldinga og ein «hale» med feilsjekkingsinformasjon. DO

D1

D2 D3 D4

D5

D6

D7

Start Bit

Partiets Bit

Stopp Bit

Figur 7.26 Døme på eit bitserielt telegram (pulstog)

Sendefarten er standardisert til 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 eller 38400 bit/s. Berre éin stasjon kan sende om gongen, fleire kan ta mot. Dersom stasjonen har ein spesiell informasjon i «hovudet», tek alle mot og tolkar meldinga, kalla kringkastingsfunksjon. Størstedelen av kommunikasjonen skjer mellom to stasjonar. (Figurane 7.22 og 5.23 viser stasjonane kopla til nodebussen.)

Mottakaren sender kvittering tilbake til sendaren om at datapro­ grammet er motteke og eventuelt inneheld feil (ikkje samsvar mellom bitmønsteret i meldinga og kontrollkarakterane i «halen»). Telegrammet blir i så fall sendt på nytt til det blir rett motteke, eller til vi har prøvd mange nok gonger. Det er viktig at nettet er kommunikasjonspåliteleg og har kom­ munikasjonskapasitet. Det er også viktig å sikre at informasjonen blir utveksla heilt påliteleg. Med etablerte reglar for slik kommunikasjon reknar vi at faren for eit ikkje-detektert, korrumpert signal skal vere éin per tusen år.

Kommunikasjonen på nettet må avviklast på ein måte som gir eit minimum av framkomst for telegramma. Alle stasjonane bør der­ for få tilgang til bussen for å sende meldingar (med maksimalt tidsintervall). Ulike metodar blir brukte. Den mest kjende er kan­ skje «token passing» og Ethernett. I den første vandrar eit «token» - ein stafettpinne - frå stasjon til stasjon. Den som har

324

AUTOMATiSERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

pinnen, kan etablere kommunikasjon og utveksle telegram med dei andre stasjonane. Kvar stasjon kan berre gjere dette ei viss maksimaltid, før pinnen blir gitt vidare til neste stasjon.

7.4.4 «Management Information System», MIS Driftsorganisasjonen har også tekniske støttegrupper for prosess­ utvikling, prosessoptimalisering og vedlikehald. Det er her eit anna informasjonsbehov enn hjå operatørane i kontrollrommet. I moderne fabrikkar ønskjer vi å integrere prosessdata, tilstandskontrolldata, laboratoriedata og økonomiske data for slike oppgåver. På topologifiguren er det gjort som eit overordna kom­ munikasjonsnettverk med datamaskinar for økonomi, vedlikehaldsinformasjon, vibrasjonsanalyse, laboratorieanalysar, produksjonskvantitetar, utbyte og liknande.

Figur 7.25 viser hovudelementa i eit DCS, med samband «opp» til MIS. Ingeniørane bør kunne søkje etter og integrere aktuelle og his­ toriske data frå alle desse kjeldene. Alle data kan behandlast vidare og stillast saman lokalt i dei respektive arbeidsstasjonane eller PC-ane eller med støtte av større system i datamaskinane. På dette området er det eit grensesnitt mellom automatisering og tradisjonell databehandling som er vanskeleg å definere, og det kan vere ein grunn til at det er gjort lite på området. Det er liten tvil om at dette er eit viktig og spennande satsingsområde, som kjem for fullt.

7.5 Utvikling av DCS-topologi Det er heilt avgjerande for resultatet korleis strukturen i DCS-systemet reflekterer strukturen i prosessen. For å kunne etablere best mogeleg topologi må vi kjenne eigenskapane til DCS-produktet og krava til prosessen frå ulike sider. Det er vanlegvis nødvendig å ha eit nært samarbeid med den dataleverandøren vi har valt.

7.5.1 Distribusjonsprinsipp Utfordringane er knytte til korleis vi vel å bruke prosesstasjonane, det vil seie fordele eller distribuere systemressursane. La oss sjå nærmare på nokre av retningslinjene for DCS systemstrukturering: Prosessystemorientert distribusjon vil seie at kvar prosesstasjon berre styrer ein mindre avgrensa del av prosessen. Grunnregelen er at uavhengige funksjonsøyar skal styrast av kvar sin

325

Kapittel

7

Figur 7.27 Prosessystemorientert distribusjon, brukt i einstrengsfabrikk eller i fabrikkar med fleire produksjonsstrenger

uavhengige prosesstasjon. Dersom stasjonen fell ut, skal det berre føre til ein avgrensa oversiktleg konsekvens for drifta. Det same gjeld når vi må modifisere prosessutstyr og automatisering. I startfasen må ofte system som instrumentluft, elkraftfordeling og liknande setjast i drift. Dersom desse systema deler pros­ esstasjon med system som enno ikkje er ferdig testa og konfigur­ erte, fell stasjonen lett ut, og vi får komplikasjonar når vi skal gjere resten av programma ferdige. Det førebels topologidiagrammet bør derfor vise ei slik oppdeling, utan omsyn til signalomfang i funksjonsøyane. Prosesstasjonane har fått forkortingar i samsvar med funksjonen. Kapittel 7.5.2 gir ein meir detaljert omtale av funksjonstypeorientert distribusjon (i parentes finn du dei nemningane som er bruk­ te på figur 7.30).

NAS (ESD)

B&G (FGS)

PAS (PSS)

Nød AvstengingsSystem

HKRA A (PCS)

Hovud KRAft generator A

Brann & Gass System

HKRA B (PCS)

Hovud KRAft generator B

Prosess AvstengingsSystem

HVAC (PCS)

Figur 7.28 Funksjonstypeorientert distribusjon

326

Hovud Ventilasjon Controll

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

Funksjonstypeorientert distribusjon blir først og fremst brukt for sikringsfunksjonane. Her blir det peikt på faren for at stasjonen skal falle ut i samband med fellesfeil fordi vi har lagt både reguleringsfunksjonar og forriglingsfunksjonar (som skal verne mot feil i reguleringane) i den same stasjonen. På ei produksjonsplatt­ form finn vi primær- og sekundærsikringar i eigne einingar (prosessikringsstasjonen og nødavstengingsstasjonen). Det blir mindre fare for produksjonstap om vi reduserer talet på stasjonar med direkte regulering og styring. Det krev at mindre kritiske oppgåver (oppstartsekvensering, innsamling av data og lik­ nande) blir samla i eigne stasjonar. Operatørstasjonar er eit typisk døme på funksjonstypeorientert distribusjon.

Figur 7.29 Geografisk orientert distribusjon

Geografisk orientert distribusjon vil seie at stasjonane fysisk er plasserte nær funksjonsøya. Ein prosesstasjon bør lokaliserast så nær prosessen som råd for å redusere kablinga frå og til instru­ ment og pådragsorgan. I anlegg med stor utstrekning, til dømes oljeraffineri, vil det seie at vi må byggje lokale utstyrsrom der prosesstasjonane blir plasserte.

327

KAPITTEL 7

Det er gjerne ein fordel å etablere eit førebels topologidiagram bygd på føresetnaden om at kvar DCS-stasjon har uavgrensa kapasitet og kan kommunisere med uavgrensa fart med kva stasjon som helst i kommunikasjonsnettverket. Oppdelinga i enkeltstasjonar er basert på minimumskrav til funksjonell og geografisk distribusjon.

7.5.2 Eit døme frå oljeindustrien Produksjonsplattformene i Nordsjøen bruker omtrent berre DCSløysingar til å ta hand om dei 5000-10000 signala sine. Her spen­ ner oppgåvene vidt, og DCS-strukturen er derfor normalt delt opp i familiar av undersystem med namn etter dei primære oppgåvene dei har. Kvar familie kan i prinsippet omfatte fleire stasjonar (med felles oppgåve). Ofte blir det installert tre uavhengige styringseiningar, som vi kan kalle

• generell prosess/utstyrsautomatisering (engelsk: PCS = Process/package Control System) for overvaking, regulering og styringar som ikkje er viktige for tryggleiken • prosessikringssystem, også kalla PAS (prosessavstengingssystem) (engelsk: PSS = Process Safety Shutdown System) for primær sikring mot skalbrot og primær nødhandtering om vi har fått skalbrot av andre årsaker • nødavstengingssystem, også kalla NAS (engelsk: ESS = Emergency Shutdown System) for sekundær sikring mot skalbrot og sekundær nødhandtering om vi likevel skulle ha fått skalbrot. Brann- og gassdeteksjon og tilhøyrande redningstiltak er ein del av den sekundære nødhandteringsstrategien. Men omfanget av slike funksjonar er så stort at vi ikkje får lagt alle funksjonane inn i ein stasjon (node). Avstengingane og deteksjon av brann, eventuelt sløkking av brann, er derfor fordelte på ulike stasjonar. Brann- og gassfunksjonane blir lagde inn i brann- og gassystemet (engelsk: FGS = Fire and Gas Detection System/Fire Fighting Sys­ tem). Det er igjen distribuert til sine respektive område.

Strukturen på den totale systemløysinga er vist på figur 7.30. Firkantane på figur 7.30 markerer slike uavhengige DCS-stasjonar. Kvar eining har inngangssignal frå prosessinstrument og instrument frå områdeovervaking. Som det går fram av figuren, er det også utgangssignal frå enkelte einingar som samtidig er inngangssignal i andre einingar.

328

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

sna soosio

329

Kapittel

7

Dei to einingane som er merkte FGS, les inn signal frå brann- og gassdetektorar på plattforma. Den øvste overvaker naturleg ven­ tilerte område med prosessutstyr, den nedste styrer også venti­ lasjonsanlegg i område med hjelpesystem, kontor, utstyrsrom og liknande. Ventilasjonssystemet inneheld viftesett for tilførsel og utlufting, diverse elektriske luftvarmarar, ei stor mengd brannspjeld og relé som koplar ut tennkjelder elektrisk. (Oppgåvene går også fram av figur 7.30.)

FGS-einingane løyser ut nødavstenging (engelsk: ESD = Emergency Shut Down) dersom det blir oppdaga gasslekkasje eller brann. Normalt er nødavstenginga oppdelt i to hierarkinivå, avhengig av om vi detekterer utleke hydrokarbon i prosessområda eller i område for bustadkvarter og hjelpesystem. Nødavstengingsstasjonen reagerer på signal frå FGS og frå operatørar (i kontrollrom og i felt). Det inneheld også sekundærsikringar med signal frå prosessutstyret og utgangar til separate pådragsorgan. Ein del andre sikringsfunksjonar, som å handtere gasslekkasje inn i hjelpesystem, ligg også i ESD-eininga. Som det går fram av figuren, sender ESD-eininga signal rett til aktuatorane på nødavstengingsventilane og motorstyringskrinsane (engelsk: MCC = Motor Control Center). På den måten kan ESD-eininga stoppe straumen i anlegget, same kva primærsikringseininga gjer.

Signala frå ESD-stasjonen kan overbruast på panelet, slik at sys­ temet kan funksjonstestast når det er i drift. Som det går fram av figuren, blir da overbruinga lesen tilbake og rapportert. Vi legg også merke til at operatøren har ein «ESD Master Power Isolation»-brytar på kontrollromspanelet. Det er siste skanse om ESD-systemet ikkje reagerer som venta på ein normal komman­ do. Når vi kuttar straumtilførselen til heile ESD-systemet, går alle pådrag i definert sikker stilling.

Primærsikringa ligg i eininga merkt PSS = «Process Safety Shutdown». Ho inneheld overvakingsblokker som skal løyse ut primærsikring mot skalbrot og primærdeteksjon om vi har fått skalbrot (høgtrykk og lågtrykk, temperatur og nivå). Eininga inneheld også HS-blokker for alle pådrag som skal forriglast. Det vil med andre ord seie at endebrytarsignalet blir ruta tilbake til PSS. Også forriglingsblokkene som er med i sikringsfunksjonar, ligg her. Process Control System - PCS - inneheld tilbakekopla regulering og mindre kritiske forriglingsfunksjonar for maskinvern. PCSstasjonane tek mot forriglingskommando frå FGS, ESD og PSS. Desse signala har to formål:

330

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

• stansar pumper og mindre utstyr dersom det blir oppdaga brann eller gass • forriglar dei normale styringsfunksjonane for enkel oppstart i samband med ei overordna avstenging Figur 7.30 viser også ein områdemimikk øvst til venstre på teikninga. Det er eit «kart» over dei områda som er overvakte av brann- og gasstasjonane. Mimikken er ein del av kontrollromspanelet og blir brukt til å vise om det er registrert brann eller gass i området. Det gir ein redundans i operatørpresentasjonen om vi mister skjermfunksjonen.

Der det er aktuelt, inneheld mimikken også brytarar (HS) for å løyse ut brannsløkkingsfunksjonane manuelt (sløkkjemiddel, elektrisk isolasjon av rom og liknande). Dette er også ein «reservefunksjon» om funksjonen i ei av FGS-einingane skulle svikte.

Figur 7.31 viser eit døme på topologidiagram. Vi ser at bussystemet er delt i fleire seksjonar som er skilde med portnarar. Subbussane dekkjer her ulike område, frå venstre prosessområdet, hjelpesystemområdet og kontrollsenteret med dei mest kritiske sikringssystema.

Elpower distribution = Elektrisk spenningsfordeling Emerg. shutdown + aepress Nødavstenging + lasta av trykk fz7 trygg stilling Emergency genset = Nødagregat Fire & gas safeguard area I / II = Brann- og gassvern (beskyttelse) 5a+f BPTRaTOR OPERATOR OPERATOR WAY STAT1 ON område I / II STAT1ON STATION ! Z~T Flare / reclaim system = Fakkel og gjenvinningssystem jATE Flare system = Fakkelsystem WAY Fuel preparation / supply = Brennstoff produkssjon (bearbei­ ding), med forsyning Gate way = Kommunikasjonsport/ tilpassing Global Seauences = Køyre sekvenser mot alle underliggjande stasjoner (ikkje nødavstengningsystemet). Hydr. Power pack = Hydraulikksystem Instr. Air comp / drying = Instrumentluftkompressor med lufttørke Main bus = Hovudbuss Main el- genset A/B = Hovudgenerator A/B 1—raffl Main oil export pumps = Hovudi oljepumpe for eksport Marine safety Controls = Kontroll ii___ fgMA med sjø-(hav) tryggleiken (trim­ 1 PUMPS ming avflyterigg) Produced water cleanup = Vassreinseanleggfor produsert vatn Separate feedback control = Særskilt (spesiell) tilbakemeldingskontroll Figur 7.31 Forenkla døme på eit topologidiagram for ei produksjonsplattform UB - bus = Subbussene dekkjer her ulike områder, frå venstre proses- for olje og gass til havs sområde, hjelpesystemområdet og kontrollsenteret med de mest kri­ tiske tryggingssystemene Ventilation area 1/2 - Ventilasjons­ anlegg 1/2 Wellhead binary control Brønnhovud, på/av styringar, med binære meldingar

331

Kapittel

7

Legg merke til at vi set av ein stasjon for kvart hovudgeneratorsett og elles deler opp systemet etter grensene for prosessystem. Fellesfunksjonane ligg på hovudbussen. Her finn vi blant anna Global Sequencer, som skal køyre sekvensar mot alle under­ liggjande stasjonar (ikkje nødavstengingssysternet).

7.6 Systempresentasjonar 7.6.1 Prosessanlegg, døme frå NH3-anlegg, ved tankterminalen, Hydro Porsgrunn Industripark Dette er eit døme på korleis styringar, reguleringar og forriglingar er implementerte på eit DCS-system, med sløyfeteikning og noko av dokumentasjonsdelen for denne feltinstrumenteringa. Dessutan er det eit døme på menneske-maskin-grensesnitt-delen (MMI-delen) i dette prosessavsnittet.

Prosessavsnittet er frå eit lager med nedkjølt (om lag -32 °C) fly­ tande ammoniakk (NH3). Anlegget er eit «nøkkelen-i-døra»anlegg, levert og bygd av Chicago Bridge Industries i 1975. Styringa på anlegget vart modernisert i 1988, det vil seie frå van­ leg panelinstrumentering til DCS-system, medan feltinstrumenteringa stort sett vart halden uendra. Det DCS-systemet som vart valt, var I/A-systemet til Foxboro, som var nytt i 1987/88. Det var da også eit av dei første systema i Europa.

Vi skal kort sjå på oppvarmingsdelen og bruker eit utsnitt frå det tekniske flytskjemaet (TFS) som referanse (sjå figur 7.2 med fork­ laring). Vi viser også til kapitel 5.14.1, som forklarer I/A-systemet og korleis det skal brukast. På figur 7.32 er regulatorblokkene oppkalla ved å aktivisere FCV07144 og PCV07150. (Sjå figur 5.27 med forklaring.) På figur 7.33 (i «overlay») kan PID-blokkene styrast som vanlege regula­ torar.

Vi tek spesielt for oss sløyfene FIC07144 (loopen for FIC07144, sjå figur 7.38), TICAHL07149 og PICAH07150 for oppvarmingsde­ len som er i bruk når det blir teke ut væske til fabrikken eller til båtar med «varm last», det vil seie båtar med trykktankar (15-25 bar).

332

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

Figur 7.32 Det grafisk-dynamiske biletet for denne prosessdelen

Figur 7.33 Det same biletet som på figur 7.32, men med «overlag»

333

Kapittel

7

Figur 7.34 Forriglingsmatrisa. Når vi har forrigling, går punkta frå grønt til raudt

Figur 7.35 Det dynamiske alarmbiletet, der vi også kan avstillefrå (akustisk alarm må avstillast frå avstillingsknappen på alarmpanelet)

334

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

Figur 7.36 Trend/historiebilete

Kondenspottene X07002 og V14008 (symbol 0), også kalla kondensomatar, opnar gjennomløpet ved væske/vatn og stengjer ved gass/damp. Kondenspottene kan vere termisk styrte eller nivåstyrte. Desse pottene er nivåstyrte, det vil seie at dei opnar når dei blir fylte med kondensert damp (kondensat). Varmevekslar H07102 er ein fordampar med eit hovudreservoar som er om lag 75 % fylt med flytande ammoniakk (NH3). Nivået kan sjekkast gjennom eit lokalt sjåglas LI07159, som står parallelt med LAH07159. LAH07159 gir alarm i K-rommet om det skulle bli lekkasje frå primærsystemet til sekundærsystemet, og få over fylling.

På høgre sida er det sett inn ein 5 bar dampkoil. Koilen har mange rør (rørsatsar) som går mellom to kammer. Dampen kjem inn i det øvste kammeret, sirkulerer gjennom røra og kjem tilbake i det nedste kammeret meir eller mindre som kondensert damp, for så å bli ført over V14008 til avløpsvatnet. Opninga på PCV07150 avgjer trykket på dampen, og dermed temperaturen på dampen eller kondensatet i koilen og temperaturoverføringa til NH3-delen, som kokar og gir frå seg NH3-gass. Gassen blir overheta idet han passerer dei øvste røra i dampkoilen før han blir ført gjennom røret på 300 mm opp til H07101.

335

KAPITTEL 7

Varmevekslaren H07101 verkar her som kondensator. Han har også ein koil på same måten som H07102, men her er det den «kalde» (-32 °C) NH3-væska som blir driven gjennom av pumpetrykket i motstraum med den varme NH3-gassen, det vil seie inn i det nedste kammeret, sirkulerer gjennom røra og kjem tilbake i det øvste kammeret. Væska er da oppvarma til ein tem­ peratur lik settpunktet på TICAHL07149. Væska har fått denne varmen frå NH3-gassen, som etter å ha passert koilen, kon­ denserer att og renn tilbake til H07102 på grunn av gravitasjonskrafta. Vi plar kalle den indre innelukka, sirkulerande NH3-delen sekundærsystemet, og den kalde delen som skal varmast opp i H07101, primærsystemet.

Formålet med å bruke sekundær dampkrins med ammoniakk er å få redusert temperatur-differansen og unngå hurtigfordamping (engelsk: /las/z-fordamping) av ammoniakk. Dermed får vi roleg drift utan vibrasjonar. Vi unngår underkjøling (frostfare i damp/kondensatfasen) og/eller overheting. Gjennomstrøyminga av produktammoniakk i primærsystemet (H07101) og tilførselen av 5 bar damp til H07102 må heile tida balanserast, slik at vi får passeleg temperatur eller trykk i sekundærsystemet, det vil seie avhengig av den produktmengda som skal varmast opp. Røynsle viser at ved 30 tonn/h krevst det eit damptrykk på 5,0 bar, 8-9 °C, medan det ved til dømes 100 tonn/h krevst eit damptrykk på 9,5-10 bar, 25 °C (sjå fordampingskurva for NH3, figur 7.37). Denne samanhengen er avhengig av temperaturen på væska, det vil seie at vi i NH3-fordamparen får eit trykk som er relatert til den varmaste NH3-væskedelen, normalt overflatetemperaturen om gassen ikkje er overheta. Ein annan ting vi legg merke til om

Figur 7.37 Fordampingskurve for NH3

336

AUTOMATISERINGSTEKNOLOGI, FUNKSJONELLE FORHOLD

vi går inn på trendbiletet, er at vi ser endringar tidlegare på trykket PICAHL07150 enn på temperaturane TIC07149 og TIA07152.1 reguleringssamanheng er det best at prosessvariablar har stor følsemd og er så raske som råd. Parameterinnstillingane for FIC07144, 0-200 tonn/h er PB = 400 %, INT = 0,10 min/rep. TIC07149, -20 °C - +30 °C er PB = 200 %, INT = 2,5 min/rep. PICAHL07150, 0-20 bar er PB = 90 %, INT = 0,5 min/rep. Som vi blant anna ser av figur 7.36, er reguleringsfunksjonane til­ fredsstillande innstilte med tanke på parameterinnstillingane. Av sløyfeteikninga (figur 7.38) ser vi at feltinstrumenta står i eksplosjonsfarlege område som er klassifiserte som Ex-sone 1. Ex-sertifikata er ikkje tekne med her, men dataarket til zenerbarrieren ligg ved (figur 7.39) saman med dataarket for PCV07150 (figur 7.40) og kalibreringsprovet for vorteksmålaren FT07144 (figur 7,41 a/b).

Som nemnt vart programmeringa opphavleg gjord i 1988, og sys­ temet har hatt mange og viktige utbetringar både i maskinvara og programvara fram til i dag. I 1988 vart konfigureringsteikningane utarbeidde manuelt. Dei vart så DAK-teikna og reg­ istrerte. I dag er desse teikningane erstatta med utlistingsprogrammet av konfiguratordelen i systemet (sjå figur 7.24). For­ målet med desse utskriftene eller teikningane er å få topologien av funksjonane (blokkene) som høyrer med i styringar eller reg­ uleringar, med I/O-terminering og liknande. Konfigureringsutskrifta viser eit døme på det som må programmerast for ei reguleringssløyfe, sjå figur 7.42.

Trend/historikk Når vi skal etablere ein trend, må vi tenkje på kva tid er det spe­ sielt viktig at han skal gi gode (nok) opplysningar. Vi skal her prøve å konkretisere det med eit døme. Dersom det blir stans i føda, fell «einstrengsfabrikken» ut. Det får svært store konsekvensar med tap i millionklassen. I ein «einstrengsfabrikk» er det normalt store krav til tilkomst i heile pros­ essdelen, spesielt til fødedelen.

Mellom desse tre fabrikkstadene er det store avstandar, og dei har da også ulike sjølvstendige styresystem. I eitt tilfelle var det tomt og stopp i føda frå Stad 2 samstundes stoppa leveransepumpa frå Stad 1. Det vart sagt at reservepumpa starta, men trykkfallet eller forstyrringane var så store at fab­ rikken (Stad 3) fall ut. Det resulterte i at fabrikken måtte analy­ sere det som hadde skjedd.

337

Kapittel

PROS CP2O11 K O R T

D020AS

PR O SCP2011

7

5 £

$

—r