BME VIK - Folyamatszabályozás

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Kiss Bálint,

A tantárgy tanszéki weboldala https://edu.vik.bme.hu

4. A tantárgy előadója Dr. Kiss Bálint, docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Méréstechnika, Szabályozástechnika

7. A tantárgy célkitűzése

A tárgy célkitűzése a számos termelési szektorban (erőművek, finomítók, gyógyszeripari, élelmiszeripari és vegyipari üzemek) alkalmazott folytonos és szakaszos technológiák irányítástechnikájának bemutatása. Az ilyen irányítórendszerekben alkalmazott hierarchikus szervezési elvet követve ismerteti az elosztott irányító- és felügyeleti rendszerek felépítését és szolgáltatásait, a korszerű irányítási elveket és módszereket, a szabályozási körök megvalósításának gyakorlati vonatkozásait, továbbá a folyamatirányításban leggyakrabban előforduló mennyiségek mérésére szolgáló érzékelési elveket és technológiákat.

A tárgy követelményeit sikeresen teljesítő hallgató képes

• bemutatni az elosztott folyamatirányító rendszerek szintjeit és az egyes szinteken alkalmazott eszközök típusait és feladatait a kapcsolódó szabványok és ajánlások főbb jellemzőit,

• elmagyarázni a DCS rendszerek működését és szolgáltatásait, illetve azokra alapozva folyamatirányító rendszerek tervezésében, kivitelezésében és üzemeltetésében közreműködni,

• elmagyarázni és alkalmazni az egyváltozós, stabil lineáris folyamatmodellek identifikációjának egyes eljárásait,

• elmagyarázni és alkalmazni a modellalapú prediktív és optimális szabályozási eljárásokat egyváltozós, lineáris rendszerek esetében,

• elmagyarázni a különböző elveken alapuló hőmérsékletérzékelők működését, azokat az alkalmazásfüggő specifikációknak megfelelően kiválasztani és alkalmazni,

• elmagyarázni az erő- és nyomásérzékelők működését, azokat az alkalmazásfüggő specifikációknak megfelelően kiválasztani és felhasználni,

• elmagyarázni különböző fizikai elven működő áramlásmérők működését, azokat az alkalmazásfüggő specifikációknak megfelelően kiválasztani és alkalmazni.

8. A tantárgy részletes tematikája

Előadások

1. Folyamatirányítás és DCS rendszerek (2 hét): Folytonos és szakaszos működésű (batch) termelési folyamatok jellemzői és kapocslódó iparágak. A hierarchikusan kialakított folyamatirányítás szintjei, az elosztott irányítórendszerek tipikus szolgáltatásai és felépítése. A szakaszos folyamatok irányítását leíró ISA S88-as szabvány, a GMP gyakorlat célkitűzései és ajánlásai az élelmiszer és gyógyszeriparban.

2. PID szabályozók méretezésének és megvalósításának gyakorlati megfontolásai a folyamatszabályozásban (1 hét). Méretezés stabil rendszerek domináns tranziensei alapján: PID hangolás ideiglenes relés visszacsatolás alkalmazásával, az átkapcsolás kezelése, önhangoló megvalósítás; a Ziegler-Nichols módszer és korszerűsített változatai. Az I-hatás túlcsordulásának kezelésére szolgáló módszerek (integrator antiwindup).

3. Modellalapú predikciót használó folyamatidentifikációs és szabályozási módszerek egyváltozós rendszerekhez (2 hét). Stabil folyamatok átviteli függvényeinek identifikálása mintavételezett gerjesztés-válasz párokból. A k lépéssel előre tartó prediktor zajjal terhelt diszkrét, egyváltozós lineáris rendszerek esetében. Diszkrét idejű, zajhatást is tartalmazó modellek (ARX, ARMAX, PEM, Box-Jenkins) és identifikálásuk egylépéses prediktor használatával. A prediktív irányítás elve, predikciós horizont, korlátozások figyelembevétele (beavatkozó jel, kimenet, állapotok), a költségfüggvény alakja. Az optimális beavatkozó jel számítása kvadratikus költségfüggvényhez, kiterjesztések nemlineáris rendszerekhez.

4. Hőmérsékletérzékelők (2 hét): A folyamatirányítási rendszerekben alkalmazott hőmérsékletérzékelők, jellegzetességeik és alkalmazástechnikájuk. Fém ellenálláshőmérők működésének fizikai alapjai, lineáris hőmérséklet-feszültség karakterisztika biztosítása aktív mérőhíddal. Termisztorok működésének fizikai alapjai, PTC és NTC termisztorok, lineáris hőmérséklet-feszültség karakterisztika közelítése soros linearizáló ellenállással. Félvezető (PN-átmenetet használó) hőmérők. Hőelemek működésének fizikai alapjai, az abszolút hőmérsékletmérés biztosításának módszerei.

5. Erő- és nyomásérzékelők, inerciális érzékelők (2 hét): Mechanikai feszültség hatása a villamos paraméterekre, geometriai és piezorezisztív hatás, gauge faktor. Nyúlásmérő bélyegek felépítése és illesztőáramkörei, egy-, két- és négy aktív bélyeges hídkapcsolások. Erőmérő cellák felépítése és típusai, a cellatényező fogalma. Nyomatékmérési módszerek. A nyomásmérés elve, nyúlásmérő bélyeges és kapacitív nyomásérzékelők, rezgőelemes nyomásmérés. Inerciális érzékelők: MEMS gyorsulásérzékelők és alkalmazástechnikájuk.

6. Szintérzékelés (1 hét): Szintkapcsolók típusai és jellemzői, rezgővillás szintérzékelők. Folytonos szi ntérzékelési megoldások: úszós szinttávadók, differenciális nyomáson alapuló, kapacitív, ultrahangos és radaros szintérzékelők.

7. Áramlásmérés (2 hét): Alapfogalmak, a mért mennyiségek: tömegáram és térfogatáram. Az csővezetékekben áramló közegek jellemzői, Reynolds-szám, turbulens és lamináris áramlás, áramvonal. A dinamikus és kinematikus viszkozitás fogalma, Newton viszkozitási törvénye. Áramlási konfigurációk és a Reynolds-szám. Az áramlást leíró egyenletek: anyagmegmaradás, Bernoulli-egyenlet, Euler-egyenlet. Nyomáskülönbségen alapuló áramlásmérés, térfogatkiszorításos áramlásmérők, Coriolis-elvű tömegáramlás és sűrűségmérés, örvényleváláson alapuló és turbinás áramlásmérés, indukciós mérők, terjedési idő (time-of-flight) mérésen és Doppler-hatáson alapuló ultrahangos áramlásmérők, a mérési elvek összehasonlító összefoglalása.

8. Távadók (1 hét): Érzékelők jelének továbbítása a folyamatirányító rendszer felé. Analóg áramtávadók, leképezés a 4-20 mA-es jeltartományra. Digitális jelek továbbítása az analóg jellemző mellett, HART protokoll. A Foundation Fieldbus terepi buszrendszer.

Gyakorlatok

1. Műszerezési terv (1 hét): a P&I diagram szimbólumai és felépítése. Szabványos jelölések és megnevezések, konvenciók, szabályozási körök elkülönítése a diagramon.

2. DCS rendszerek (2 hét): elosztott folyamatirányító rendszerek szoftverkomponensei, irányítási algoritmusok megvalósítása, folyamat- és szabályozóparaméterek vizualizációja. A szabályozási algoritmusok leírásának módjai, korszerű irányítási elvek alkalmazása, több szabályozási kört tartalmazó rendszerek kezelése.

3. PID méretezés gyakorlati módszerei stabil rendszerek tranziensei alapján (2 hét). Ideiglenes relés (hiszterézises) szabályozó paramétereinek beállítása, önhangoló PID méretezést végző algoritmus implementálása és a szabályzók közötti váltás kezelése. A Ziegler-Nichols méretezési algoritmus vizsgálata.

4. Identifikációs algoritmusok vizsgálata (1 hét). Egy lépéssel előre tartó prediktor implementálása és vizsgálata. A Matlab rendszeridentifikációs (System Identification) toolboxának használata és beállításai. Gerjesztés-válasz párok mintáinak gyűjtése, a modellosztály kiválasztása, modellillesztés végrehajtása. A jel-zaj viszony és a mintavételi periódusidő hatásának vizsgálata a modellillesztés pontosságára, a túlillesztés jelenségének vizsgálata. Eljárások a a gerjesztés és a válasz korrelálatlanságának biztosításához zárt körben történő identifikáció esetén.

5. Modellprediktív irányítás megvalósítása és vizsgálata (2 hét). A Matlab MPC toolboxának használata, beállításai. MPC algoritmusok implementálása és vizsgálata állapotteres modellekhez, a predikciós horizont hosszának és a költségfüggvény paramétereinek hatása a zártkörű irányítás stabilitására és performanciájára. Nemlineáris MPC vizsgálata egy egyszerű példa segítségével.

6. Hőmérsékletérzékelők illesztő áramköreinek méretezése (1 hét): ellenálláshőmérők aktív hidas mérőáramkörének méretezése az önmelegedés okozta hiba minimalizálására, linearizáló ellenállás megválasztása NTC termisztoros hőmérsékletméréshez. Demonstráció.

7. Erő- és nyomatékérzékelők méretezése és működése (1 hét): cellatényező számítása az alkalmazott nyúlásmérő bélyegek paraméterei alapján, erőmérő cellák karakterisztikájának meghatározása. Erőmérő cellák hőmérsékletkompenzációja. Demonstráció.

8. Áramlásméréshez tartozó példák és számítások, demonstráció (1 hét).

9. A szakterületén dolgozó meghívott szenior szakember előadása a folyamatirányítási technológiák aktuális trendjeiről, esettanulmányok bemutatásával (2 hét).

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Heti két óra előadás, továbbá hetente két óra (részben számítógépes) gyakorlat. A félév során egymásra épülő fogalmak és módszerek kerülnek bemutatásra, így az előadások és gyakorlatok anyagának megértéséhez alapos és folyamatos felkészülés ajánlott. A számítógépes gyakorlatokon használt fejlesztőkörnyezet és a feladatokhoz előkészített projekt fájlok (pl. Matlab és Simulink modellek a gyakorlati tematika 3-7 pontjaihoz) a hallgatók számára virtuális gépeken a gyakorlatokon és azokon kívül is elérhetők. A számítógépes gyakorlatok anyagát a fejlesztőkörnyezetek újabb változataihoz szükség szerint adaptáljuk.

10. Követelmények

Szorgalmi időszakban: aláírás megszerzése az alábbi két követelmény teljesítésével

1. A félév során kiadott két otthoni feladat önálló megoldásának eredményes beadása (értékelés: elfogadva/nem elfogadva).

2. Összegző értékelés: egy darab 90 perces zárthelyi dolgozat (ZH) eredményes (legalább elégéges) megírása. A ZH-n számonkért anyagrész a teljes féléves tananyag 40%-a. A ZH eredménye a vizsgajegybe 40%-kal beszámít.

Vizsgaidőszakban: a vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése. A vizsga írásbeli teljesítményértékelésből és az évközi teljesítményértékelésen elért eredmények beszámításából áll. Az évközi teljesítményértékelések eredményének javítására a vizsgaidőszakban nincsen mód.

11. Pótlási lehetőségek A ZH a szorgalmi időszakban egy alkalommal pótolható vagy annak eredménye javítható. A ZH a pótlási héten nem pótolható. A két házi feladat közül az egyik a pótlási héten is beadható.

12. Konzultációs lehetőségek A szorgalmi időszakban elsősorban a tárgy oktatóinak fogadóóráján, illetve igény szerint előre egyeztetett időpontban. A vizsgaidőszakban elektronikus egyeztetés után a vizsga előtti munkanapon.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

Lantos Béla: Irányítási rendszerek elmélete és tervezése I. Egyváltozós szabályozások. Akadémiai kiadó, 2001, Budapest (elektronikusan: https://mersz.hu/)

William Dunn: Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control, Second Edition, McGraw Hill, 2018,

Elektronikus segédanyagok tárgy honlapján.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	56
Félévközi készülés órákra	20
Felkészülés zárthelyire	15
Házi feladat elkészítése	19
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása
Vizsgafelkészülés	40
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Kovács Gábor, tanársegéd, Irányítástechnika és Informatika Tsz.

Gincsainé Dr. Szádeczky-Kardoss Emese, docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.

Dr. Kiss Bálint, docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.

IMSc tematika és módszer Az IMSc hallgatók számára a tananyaghoz kapcsolódó készségek és kompetenciák mélyebb elsajátítását rendszeres órarenden kívüli foglalkozások és írásos segédanyagok segítik. A foglalkozásokon IMSc-s és nem IMSc-s hallgatók is részt vehetnek.

IMSc pontozás

A tárgyból IMSc pontok csak jeles eredmény elérése esetén járnak. A tárgyból mindösszesen 25 IMSc pont szerezhető az alábbiak szerint:

• A ZH emelt szintű feladatainak megoldásával 10 IMSc pont szerezhető.

• A vizsga emelt szintű feladatainak megoldásával 15 IMSc pont szerezhető.

Mind az ZH, mint a vizsga emelt szintű feladatainak esetében részpontszámok is szerezhetők. Az IMSc pontok megszerzése a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.

Idegen nyelvi részteljesítés követelményei Idegen nyelvi részteljesítés ebből a tárgyból nem lehetséges.