Najlepszym rozwiązaniem jest wyposażenie jednostek sterujących w niezbędne oprogramowanie diagnostyczne. Powinno ono stanowić całość systemu oprogramowania służącego do sterowania obiektem. Szybkość reakcji na rozpoznane uszkodzenie jest w tym przypadku znacznie większa. Ogólną zasadą diagnostyki jest stosowanie metod gwarantujących szybką detekcję uszkodzeń [5,6]. Powszechnie stosowaną metodą do tych celów jest wykorzystanie modeli cząstkowych. Przy tworzeniu programów dla układów rekonfi gurowanych w stanach z uszkodzeniami procedury diagnostyczne można włączyć do programu sterownika w postaci odpowiednich podprogramów.

Przykład układów diagnostycznych FTC
W pracy [3] został przedstawiony układ regulacji zasilania zbiornika tolerujący uszkodzenia torów pomiarowych. Istnieją następujące możliwości tolerowania uszkodzeń torów pomiarowych:
• redundancja sprzętowa toru pomiarowego,
• redundancja analityczna toru pomiarowego,
• przełączenie na strukturę wykorzystującą inne sygnały pomiarowe.

Zasada działania układów tolerujących uszkodzenia torów pomiarowych zostanie przedstawiona na przykładzie układu automatycznej regulacji poziomu wody w walczaku. Dla potrzeb regulacji i diagnostyki wykorzystano następujące, istniejące w przemysłowym systemie, sygnały pomiarowe:
• H1 – poziom wody w walczaku (strona lewa), 
• H2 – poziom wody w walczaku (strona prawa),
• Mw – strumień przepływu wody do walczaka,
• MD – strumień przepływu pary z walczaka,
• X – położenie tłoczyska siłownika zaworu regulacyjnego.

W stanie pełnej zdatności (bez uszkodzeń) regulacja poziomu prowadzona jest w strukturze, w której H1 jest główną wielkością regulowaną. Z kolei różnica przepływów (MW-MD) jest pomocniczą wielkością regulowaną.
 Rozważmy możliwość zabezpieczenia pracy układu w stanach z pojedynczymi uszkodzeniami jego torów pomiarowych. Uszkodzenia torów pomiarowych poziomu H2 oraz położenia tłoczyska siłownika X nie mają bezpośredniego wpływu na pracę układu w stanie jego pełnej zdatności. Z punktu widzenia konwencjonalnego układu regulacji są one nadmiarowe. Wprowadzone zostały dla potrzeb kontroli obiektu. W przypadku uszkodzenia toru pomiarowego poziomu H1 w układzie można wykorzystać pomiar redundancyjny H2, dokonując odpowiedniej rekonfi guracji w torze wielkości regulowanej. W przypadku awarii toru pomiarowego przepływu wody MW możliwe jest zastąpienie go sygnałem położenia tłoczyska siłownika X.

Zdolność tolerowania uszkodzeń układu zapewnić można również w przypadku braku redundancji sprzętowej sygnału poziomu, wykorzystując redundancję analityczną. W przypadku uszkodzenia toru pomiarowego H1 i braku pomiaru H2 możliwa jest estymacja sygnału H1 na podstawie modelu: H1*=f(MW,MD). Czas wystarczająco dokładnego odtwarzania wielkości regulowanej na podstawie modelu jest w tym przypadku ograniczony, lecz może być wystarczający do dokonania naprawy uszkodzonego toru pomiarowego. Redundancja analityczna może być zastosowana także w przypadku uszkodzeń obu przepływów. Są one wyliczane z zależności: MW*=f(H1,MD), MD*=f(H1,MW). Do estymacji sygnałów stosowane mogą być różnego rodzaju modele: bilansowe, obserwatory stanu, neuronowe i rozmyte. Projektowanie układów tolerujących uszkodzenia wymaga zatem opracowania rezerwowych struktur i algorytmów sterowania dla wszystkich uszkodzeń, które powinny być tolerowane.

***

Układy FTC, wraz z wykorzystywanymi przez nie systemami diagnostycznymi, stanowią nową, dodatkową warstwę zabezpieczeniowo-ochronną dla sterowanych procesów, eliminując ryzyko wystąpienia poważnych awarii. Przedstawione rozwiązania stanowią nowoczesną koncepcję redukcji ryzyka przy jednoczesnym zapewnieniu minimalizacji strat ekonomicznych spowodowanych uszkodzeniami, co ma istotny wpływ na bezpieczeństwo pracy instalacji technologicznych. Można przewidywać, że w niedługim czasie nastąpi gwałtowny rozwój systemów sterowania wyposażonych w oprogramowanie do diagnostyki procesów i realizacji układów FTC oraz przyrost liczby zastosowań także w przemyśle chemicznym. Pewną barierą utrudniającą aplikacje przemysłowe jest brak dostatecznej liczby specjalistów w tym zakresie.
 

Literatura dostępna w redakcji
Cały materiał został zamieszczony w magazynie Chemia Przemysłowa 3/2015

fot. photogenica