1.1.  Malo povijesti

Pojava nove tehnologije djeluje na sva područja ljudske djelatnosti, pa djeluje naravno i na teoriju i praksu automatskog vođenja.

Šezdesetih godina automatsko vođenje temeljilo se na tehnologiji analognih računala koja su se koristila i pri simulaciji ponašanja dinamičkih sustava, ali i kao izvršne jedinice za vođenje. Pojavom digitalnih računala situacije se bitno mijenja. U samom početku digitalno se računalo upotrebljava samo pri vođenju najsloženijih procesa da bi ih danas u obliku mikroračunala i mikroregulatora nalazili doslovno svugdje.

Prve ideje o upotrebi digitalnih računala u vođenju javljaju se još 50-ih godina. Prva su se istraživanja odnosila na vođenje projektila i aviona. Studije iz tog doba su pokazale da tadašnja digitalna računala nemaju nekakvu praktičnu primjenu u vođenju. Bila su previše velika, trošila su previše energije i nisu bila dovoljno pouzdana.

Značajniji napredak u primjeni digitalnog vođenja javlja se krajem 50-ih godina u procesnoj industriji. Ozbiljna istraživanja počela su u ožujku 1956. kada je tvrtka Thompson Ramo Woodridge (TRW), koja se primarno bavila zračnom industrijom, za tvrtku Texaco i izradila studiju izvodivosti primjene digitalnog vođenja procesa polimerizacije u rafineriji Pont Arthur Texsas. U suradnji ove dvije tvrtke napravljena je studija izvodivosti "teška" 30 inženjer-godina. 12.ožujka 1959. pušten je u pogon digitalni sustav vođenja, temeljen na računalu RW-300, koji je vodio 26 tokova, 72 temperature, 3 pritiska i 3 smjese. Osnovni mu je zadatak bio minimizirati pritisak u reaktorima, optimirati distribuciju sirovina između 5 reaktora, upravljati dotokom tople vode na temelju mjerenja aktivnosti katalizatora te uz sve to i izračunati optimalnu recirkulaciju. Dovoljno složenih zadataka i za današnje uvjete. Inženjeri TRW-a uspješno su zadatak riješili, a njihovi uspjesi potaknuli su ostale proizvođače digitalnih računala u daljnja istraživanja, pretpostavljajući da u tom području leži veliko tržište za plasiranje digitalnih računala.

Razvoj primjene digitalnog vođenja možemo podijeliti u 7 vremenskih područja:

1. Pionirski period oko 1955.
2. Period DDC-a (Direct Digital Control) oko1962.
3. Period miniračunala oko 1967
4. Period mikroračunala oko 1972.
5. Široka upotreba standardnog digitalnog vođenja oko 1980.
6. Primjena inteligentnog digitalnog vođenja (primarno fuzzy vođenja) oko 1990.
7. NEST (Network Embadded System Technology) u vođenju oko 2000.

1. Pionirski period

Lavinu je pokrenuo TRW i Texaco. Prva su računala bila cijevna, trošila su puno energije, a proračuni su trajali dugo (zbrajanje 1 ms, množenje 20 ms), te nisu bila pouzdana MTBF - Mean Time Between Failure (srednje vrijeme između dva kvara) je bilo od 50 do 100 sati. Upravo zbog te nepouzdanosti u prvim su primjenama digitalna računala u vođenju korištena isključivo tako da su radila ili u tzv. operatorskom režimu rada (eng. Operator Guide Control) na način da su se upute o intervenciji tiskale, a čovjek operator ih je provodio, ili u postavnom režimu rada (eng. Set-Point Control) u kojem je računalo samo mijenjalo postavne vrijednosti analognih regulatora .

Računala su također korištena kod traženja optimalnih radnih uvjeta pri planiranja proizvodnje kao i  kod sastavljanja izvještaja. Problemi su uglavnom pretežno tretirani kao statički. U ožujku 1961. 37 sustava je bilo instalirano, a godinu dana kasnije broj im je narastao na 159 i to pretežno u kemijskoj i metalurškoj industriji, te u elektroenergetici.

2. Period direktnog digitalnog vođenja (DDC)

U operatorskom ili postavnom režimu rada  važan dio svake petlje vođenja su i dalje bili analogni regulatori. Bitna se promjena dogodila 1962. ICI (Imperial Chemical Industries) je postavio sustav vođenja u potpunosti temeljen na digitalnim računalima. Mjerene su 224 veličine i upravljano je s 124 ventila, s tim da je ventilima upravljalo samo računalo. Bio je to početak nove ere digitalnog vođenja: analogna je tehnologija zamijenjena digitalnom uz zadržavanje iste funkcionalnosti sustava. Uveden je pojam direktno digitalno vođenje (eng. DDC - Direct Digital Control) kako bi se ta činjenica naglasila. Računala su postala brža (zbrajanje 100 μs, množenje 1ms) a i pouzdanija (MTBF preko 1.000 sati).

Osnovna prepreka šire upotrebe bila je cijena. Cijena analognog sustava raste linearno s brojem petlji vođenja, dok se kod digitalnog vođenja inicijalna cijena računala je najveća, bez obzira da li ono vodi 1 ili 100 petlji vođenja. Cijena dodatnih osjetila i izvršnih sprava je bila zanemariva u odnosu na cijenu početne investicije. Zbog toga su digitalni sustavi korišteni isključivo kod velikih sustava s velikim brojem regulacijskih petlji.

Međutim prednosti digitalnih sustava su bile brojne, od smanjenja troška za operatorski pult, stotine analognih instrumenata moglo se zamijeniti samo jednim pokazivačem i tipkalom. Sustavi su bili i puno fleksibilniji. Analogni su se sustavi mijenjali promjenom ožičenja, a digitalni preprogramiranjem. Razvili su se posebni DDC jezici koji su programiranje digitalnih sustava vođenje znatno pojednostavili.

U DDC periodu pažnja je bila usmjerena prema temeljnim funkcijama vođenja, za razliku od nadzornih funkcija u pionirskom periodu.

3. Period miniračunala

Tehnologija digitalnih računala je tijekom 60-ih godina znatno napredovala. Pojavljuju se prvi integrirani krugovi. Računala postaju manja, brža, pouzdanija, jeftinija. Uvodi se pojam miniračunala.

Teorijska znanja o digitalnom vođenju  prednjačila su u odnosu na mogućnosti tehnološke primjene, te su tek pojavom miniračunala dobila tehnologiju na kojoj su se mogla dokazati. Tipično digitalno računalo tog perioda prilagođeno vođenju bilo je 16 bitno, imalo memoriju od 124 kbyta. Zbrajanje je trajalo 2μs, množenje 7μs, a MTBF se popeo na 20.000 sati. Zbog svega toga broj primjena digitalnog vođenja narastao je sa 5.000 1970. na 50.000 1975.

4. Period mikroračunala

Prije 1975. mikroračunalo je koštalo i do 10.000 $, ali se tih godina javljaju mikroračunalo čija cijena ne prelazi 500$. Pet godina poslije cijena  pada i na 50$. Sustavi su napokon dovoljno jeftini i dovoljno mali da se mogu primijeniti doslovno svugdje, u svakoj petlji automatskog vođenja. Integracijom A/D i D/A pretvarača s mikroračunalom javlja se i nova generacija tzv. mikroregulatora (eng. microcontrollers).

5. Široka primjena standardnog digitalnog vođenja

80-te godine su bile prelomne za širu primjenu digitalnog vođenja. Nijedan se novi sustav vođenja više ne temelji na analognim regulatorima. Na tržištu se pojavljuju digitalni PID regulatori, a poseban poticaj daje pojava PLC-ova (Programmable Logic Controllers) koji zamjenjuju dotadašnje relejne sustave u režimu programabilnog vođenja, a koje su isto tako imali i module s digitalnim PID regulatorom ili DDC vođenjem.

Javljaju se sve više i distribuirani sustavi, razvijaju se standardni industrijskog umrežavanja podređenih i nadređenih jedinica vođenja. Honeywell je bio jedan od pionira u tom području.

6. Period inteligentnog digitalnog vođenja

90-te na tržište donose nove pristupe vođenju složenih sustava temeljene na tzv. računalnoj inteligenciji (eng. CI - Computatival Intelligence). Tu se prije svega radi o fuzzy (neizrazitom) vođenju i vođenju temeljenom na neuralnim (živčevim) umjetnim mrežama. Na tržište izlazi cijela nova generacija "inteligentnih" strojeva vođenih ovim tipom regulatora. Realizacija se i dalje temelji na digitalnom računalu s tim da su algoritmi nešto drugačiji i nastaje "kopirati" postupke čovjeka u procesu vođenja.

7. Period NEST tehnologija

2000.-te su bez daljnjega u znaku globalnog umrežavanja. Internet je unio brojne promjene u živote i navike ljudi pa je normalno da se njegov utjecaj osjetio i u području vođenja.

Nova je filozofija povezivanje tzv. ugradbenih (eng. embeedded) sustava vođenja kod kojih se svakom osjetilu, svakom regulatoru, svakoj izvršnoj spravi pridodaje vlastiti procesorski sustav, a oni svi međusobno komuniciraju koristeći različite tehnologije umrežavanja (NEST - Network Embedded System Technology). Kod jednostavnijih umrežavanja senzora tu su jednostavni protokol umrežavanja npr. Dallasov 1-wire protokol, dok se kod umnožavanja višerazinskih jedinica osim specifičnih industrijskih standarda, sve više koriste i standardni protokol Interneta. To donosi nove prednosti (dostupnost iz bilo kojeg dijela svijeta, malu cijenu zbog masovne uporabe), ali i probleme, prije svega zbog paketnog prijenosa podataka. Pojedinim se jedinicama zbog toga ugrađuju brojne samo zaštitne i samo poboljšavajuće funkcije.

8. Budućnost

Tehnologije se toliko burno razvijaju da budućnost vrlo brzo postaje sadašnjost. Prema našoj procjeni budućnost na području digitalnog vođenja je:

a) u daljnjoj minijaturizaciji i povezivanju sustava (eng. Total Network Embedded Systems) posebno s bežičnim vezama (eng. Wireless Networking),

b) uključivanje osjetila za veličine koje danas nisu lako mjerljive (od osjetila mirisa do spektralne analize i možda čak detekcije genetske strukture),

c) sve veća autonomija i univerzalnost sustava vođenja te uključivanje nadzornih, samozaštitnih i samopopravljačkih funkcija,

d) primjena vođenja i to posebno inteligentnog vođenja u sustavima u kojima do sada automatsko vođenje nije bilo prisutno npr. inteligentna kuća (eng. Intelligent House), inteligentne prometnice (eng. Intelligent Highways), inteligentna vozila (eng. Intelligent Vehicles), pa čak i inteligentna odjeća (eng. Intelligent Clothes).

Cilj je ovog kolegija čitatelje upoznati s temeljnim znanjem o digitalnom vođenju koje nije povezano s tehnologijom i načinom  realizacije, te zbog toga ne zastarijeva. Zbog toga se u tekstu ne osvrće toliko na načine realizacije digitalnog vođenja. Ipak smo tehnologijama posvetili jedan dio teksta i to u posljednjem poglavlju.

No prije toga možemo definirati neke temeljne pojave teorije vođenja. Ovdje ćemo to napraviti koristeći sustavni pristup.

:. Sljedeća stranica > Sustavni pristup vođenju