Tìm hi u v đề ể ề hệ u khi thống điề ển phân tán nói chung và centrum 3000 c a yokogawa DCS hệ thống điều khiển phân tán

Một trạm điều khiển cục b chính là mộ ột máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao di n bus h ệ ệ thống.. Nế

TRƯỜ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ạ Ọ Ộ

TRƯỜ NG ĐIỆN-ĐI N TỬ Ệ

──────── * ───────

BÁO CÁO NH P MÔN Ậ NGÀNH ĐIỆ N

Ch ủ :Tìm hi u v đề ể ề DCS -Hệ thống điề u khi ển phân tán nói chung

MỤC LỤC Phầ n A: DCS-Hệ thống điề u khi ể n phân tá n……….3

Phần B: Centrum 3000 c ủa Yokogawa……… 10

Tài li u tham kh ệ ảo……… 2 5

PHẦN A DCS-Hệ thống điều khiển phân tán

I) DCS là gì?

DCS là tên viết tắt của cụm từ Tiếng anh Distributed Control System Chúng được hiểu là hệ thống điều khiển phân tán DCS là hệ thống điều khiển cho một dây chuyền sản xuất, một quá trình hoặc bất cứ một hệ thống nào Trong đó thì các bộ điều khiển không đặt tập trung tại một nơi Chúng được phân tán trên toàn hệ thống khác nhau Mỗi hệ thống con sẽ được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển

Hình dưới là hình ảnh một số tủ điều khiển DCS Hình bên trái là một trạm PCS7 (Siemens) với bộ điều khiển lắp đặt cùng các module vào/ra phân tán Hình giữa minh họa một trạm vào/ra từ xa lắp độc lập Tủ điều khiển bên phải minh họa trạm điều khiến cục bộ DeltaV (Fisher Rosermount) sử dụng giải pháp Foundation -Fieldbus (không cần các module các vào/ra)

1.Hệ thố ng DCS truy n thề ống

Hệ thống này sử dụng các bộ điều khiển theo kiến trúc riêng của từng nhà sản xuất Các hệ thống cũ thường đóng kín và chúng ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp Còn các bộ điều khiển cũng chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình Chính vì vậy trong quá trình sử dụng phải kết hợp thêm với các thiết bị điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller)

2 H ệ thống DCS trên n n PLCề

PLChiện đại không chỉ thực hiện các phép tính logic đơn giản, mà chúng còn có khả năng làm việc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán, các thuật toán điều khiển phản hồi PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển thường có cấu hình mạnh Ngoài ra chúng còn hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại

Các thành phần chức năng chính của một PLC

3 H ệ thống DCS trên n n PC ề

DCS trên n n PC là mề ột hướng giải pháp tương đối mới, mới có m t s s n ph m ộ ố ả ẩtrên thị trường như PCS7 (Siemens, giải pháp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management) Hướng gi i pháp này th ả ể hiện nhiều ưu điểm v m t giá thành, hiề ặ ệu năng tính toán

và tính năng mở Một trạm điều khiển cục b chính là mộ ột máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao di n bus h ệ ệ thống

Trong giải pháp điều khi n dùng máy tính cá nhân thì m t vể ộ ấn đề thường rất được quan tâm là độ tin c y c a máy tính M t ph n ta có th yên tâm b i v i c u trúc ậ ủ ộ ầ ể ở ớ ấvào/ra phân tán, máy tính điều khiển được đặt trong phòng điều khiển trung tâm với điều kiện môi trường làm việc tốt Mặt khác, trên thị trường cũng đã có rất nhiều lo i máy tính cá nhân công nghiạ ệp, đảm bảo độ tin cậy cao không kém một PLC M t khi máy tính ch ộ ỉ được cài đặt hệ điều hành và ph n mầ ềm điều khi n thì ểkhả năng gây lỗi do phần mềm cũng sẽ được giảm thiểu

II) Cấu trúc của hệ thống DCS là gì?

C u trúc h ấ ệ thống điề u khi n trung tâm DCS ể

Cấu trúc của hệ thống DCS bao gồm 4 thành phần chính như:

- Trạm điề u khi n cể ục bộ

Trạm điều khiển cục bộ hay còn được ký hiệu là LCS thuộc cấp điều khiển Đây

là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển cho một quá trình Trạm thường được đặt ở trong phòng điều khiển hoặc phòng điện Ngoài ra chúng cũng có thể nằm rải rác gần khu vực hiện trường

- Trạ m v n hànhậ

Trạm vận hành được đặt ngay tại phòng điều khiển trung tâm Các trạm vận hành

có thể được hoạt động song song hay độc lập với nhau Người ta thường sắp xếp

mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc là một phân xưởng để tiện cho việc vận hành hệ thống

Các phương pháp bố trí vận hành

- Trạ m k thuỹ ật

Trạm kỹ thuật hay còn được ký hiệu là ES Đây là nơi cài đặt các công cụ phát triển Trạm cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường

- H ệ thố ng truy n thôngề

Đây là phần quan trọng nhất của hệ thống DCS Hệ thống truyền thông bao gồm bus trường (field bus) và bus hệ thống (system bus) Với Bus trường thì chúng có chức năng ghép nối trạm điều khiển với các trạm vào/ra và các thiết bị trường thông minh Còn với bus hệ thống thì sẽ nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau

III) Ưu điểm của hệ thống DCS là gì?

• Nền tảng có thể mở rộng: Cấu trúc của DCS có thể dễ dàng mở rộng chỉ bằng cách thêm một số đơn vị điều khiển hoặc đơn vị quy trình

• Mức điều khiển cao: Hầu hết hệ thống DCS đều bao gồm các bộ điều khiển, hệ thống mạng truyền thông và phần mềm để điều hành hệ thống tích hợp Do đó, DCS là gì có khả năng quản lý được rất nhiều điểm vào/ra khác nhau

• Cấu hình linh hoạt: Nhờ khả năng dự phòng kép ở các thành phần khác nhau nên DCS có khả năng thay đổi các chương trình, thay đổi cấu trúc của hệ Hoặc chúng cũng có thể thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn hay khởi động lại quá trình

• Tỷ lệ lỗi thấp: Việc ghi dữ liệu được thực hiện bởi một máy in, do đó tính chính xác sẽ cao hơn, có thể loại bỏ được các lỗi của con người

IV) Các bước lập trình cho hệ thống DCS

- H ệ thống được thi t l p b i m t DCS server và nhi u máy k thu t khác.ế ậ ở ộ ề ỹ ậ

- Các ph n c ng và ph n m m, công ngh , truy n thông c a hầ ứ ầ ề ệ ề ủ ệ thống DCS đều xuất x t m t hãng cung cứ ừ ộ ấp

- Các k ỹ sư sẽ thống nh t vấ ới nhau để ạo ra d t ự án Trong đó bao gồm chương trình PLC và SCADA được nối kết một cách ch t chặ ẽ

- Khi đã lập trình xong thì bước lập trình dự án được ti n hành:ế

• Chương trình điều khiển sẽ bắt đầu đượ ải vào PLC c t

• Chương trình SCADA sẽ ắt đầu đượ b c chạy trên các máy tính SCADA

• Phần cấu hình và chương trình của Remote I/O và thi t b ế ị trường s ẽ được tải xu ng các thi t b này.ố ế ị

V) Đặc điểm và ứng dụng của điều khiển phân tán

• Việc xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát phụ thuộc vào đặc điểm

và tính chất của đối tượng điều khiển Thực tế các quá trình sản xuất thường đòi hỏi cùng lúc phải tiến hành điều khiển nhiều đại lượng Nếu các đại lượng này là độc lập với nhau hay ma trận đặc tính của phương trình trạng thái mô tả đối tượng chỉ bao gồm các thành phần trên đường chéo thì ta có thể thiết lập hệ thống điều khiển với nhiều mạch vòng điều khiển độc lập

Về bản chất hệ thống điều khiển như vậy là hệ thống điều khiển phi tập trung (Decentred Control System) cho dù các mạch vòng điều khiển này được thực hiện bởi các bộ điều khiển một mạch vòng (single loop controller) hay sử dụng một hoặc vài thiết bị điều khiển lớn cho các mạch vòng điều khiển này Thông thường để tiết kiệm chi phí lắp đặt và bảo trì các hệ thống điều khiển phi tập trung như vậy sẽ được thực hiện bởi nhiều bộ điều khiển một mạch vòng

• Khi các đại lượng cần điều khiển của đối tượng điều khiển không có sự độc lập với nhau mà có sự tác động xen kênh hay nói cách khác, ma trận đặc

tính của phương trình trạng thái có các thành phần ngoài đường chéo khác không thì việc thực hiện hệ thống điều khiển theo cách phi tập trung như vậy sẽ mang lại chất lượng điều khiển không tốt Để khắc phục người ta đưa

ra các giải pháp như sau:

• Việc sửa quá trình công nghệ và thiết bị công nghệ nhằm khử tác động xen kênh giữa các biến điều khiển hay biến các thành phần ngoài đường chéo của ma trận đặc tính bằng không hoặc gần bằng không Khi đó ta có thể coi các tác động xen kênh (bây giờ còn rất nhỏ) như là nhiễu quá trình và thực hiện chiến lược điều khiển phi tập trung cho hệ thống điều khiển Việc sửa đổi này thường đòi hỏi phải xây dựng các khâu chứa trung gian trong quá trình sản xuất nên thường gây tốn kém và không phải lúc nào cũng thực hiện được

• Để loại bỏ tác động xen kênh người ta cũng có thể xây dựng các thuật toán điều khiển đa biến hoặc thực hiện tách kênh bằng các mạch điều khiển vượt trước (feedforward) Tuy nhiên điều này chỉ có thể thực hiện được khi ta sử dụng một bộ điều khiển và tập trung hóa toàn bộ dữ liệu quá trình vào trong

bộ điều khiển đó Cách thức thực hiện hệ thống điều khiển như vậy được gọi là điều khiển tập trung

• Cách thức thực hiện hệ điều khiển tập trung có nhược điểm là phải tập trung các giá trị đo lường về bộ điều khiển dẫn tới sự tốn kém trong chi phí lắp đặt, đi dây và bảo trì Việc thực hiện hệ thống điều khiển bởi một hệ vi xử

lý duy nhất cũng mang lại nhiều rủi ro và giám độ tin cậy hoạt động của toàn hệ thống Hơn nữa khi quá trình lớn, phức tạp có thể sẽ dẫn tới khối lượng tính toán lớn và làm quá tải các hệ vi xử lý của bộ điều khiển

• Sự phát triển của các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp đã cho phép triển khai luật điều khiển đa biến và tách kênh loại bỏ sự tác động xen kênh trên nhiều bộ điều khiển được nối mạng với nhau Theo cách thức này, khối lượng tính toán lớn của điều khiển đa biến và tách kênh được chia sẻ thực hiện trên nhiều thiết bị điều khiển Thông tin cần thiết phải trao đổi giữa các thiết bị điều khiển này được trao đổi thông qua các mạng truyền thông số kết nối các thiết bị điều khiển này Với cách thực hiện như vậy chúng ta có thể tận dụng được các ưu điểm cả của điều khiển tập trung và điều khiển phi tập trung và người ta gọi hệ điều khiển như vậy là hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS) Như vậy có thể nói điều khiển phân tán là một công nghệ hay cách thức thực hiện hệ thống điều khiển trong công nghiệp Hệ thống điều khiển phân tán là nhằm thực hiện các ứng dụng điều khiển điều chỉnh và điều khiển logic Các hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm thường có cấu trúc giống với hệ SCADA là do hệ thống điều

khiển tích hợp đó có thực hiện chức năng SCADA Trong hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm ứng dụng điều khiển logic và điều khiển điều chỉnh có thể thiết lập theo phương thức điều khiển phân tán còn SCADA chỉ là một chức năng của hệ thống

• Việc sử dụng sản phẩm hệ thống điều khiển phân tán của một nhà sản xuất nào đó mới chỉ là điều kiện thuận lợi để người kỹ sư có thể thiết lập hệ thống điều khiển phân tán Hệ thống điều khiển được xây dựng trên thực tế có trở thành hệ thống điều khiển phân tán thực sự hay không phụ thuộc vào đối tượng điều khiển của nó có cần phải thiết lập luật điều khiển đa biến và/hoặc tách kênh hay không và người kỹ sư thiết kế có thiết lập hệ thống điều khiển theo cách thức phân tán hay không

dĩ nhiên tăng lợi nhuận sản xuất Hệ thống này là một sự tổ hợp của các công nghệ mới nhất hiện nay với các tính năng ưu việt như:

• Môi trường mở, độ linh hoạt, độ bền của hệ thống cho tối ưu hoá toàn bộ doanh nghiệp,

• Môi trường vận hành tối ưu, phần cứng có thể cập nhật tới những công nghệ mới nhất,

• Giá thành sở hữu thấp nhất, lợi nhuận tăng cao

• Các chức năng thiết kế kỹ thuật tối ưu

Ngoài các chức năng điều khiển tiên tiến và rất linh hoạt của các hệ thống

CENTUM trước đây, CENTUM CS 3000 hiện bao gồm các tính năng sau:

• Được trang b ị chức năng Máy chủ OLE for Process Control (OPC)

• Hỗ trợ FOUNDATION ™ Fieldbus để tích hợp với mạng cảm biến trường và thiết bị truyền động

• Cho phép k t nế ối d dàng các bễ ộ điều khi n logic l p trình (PLC) ể ậ

• Cấu trúc dữ liệu k ỹ thuật m cho phép các công c ở ụ bên ngoài đượ ửc s dụng để tạo, sửa đổi và quản lý dữ liệu k thuỹ ật

b)Khả năng hoạt động tuyệt vời

Sử dụng Windows NT trong giao diện con người, CENTUM CS 3000:

• Cho phép các hoạt động dựa trên Windows, vốn quen thuộc với hầu hết người dùng PC

• Cho phép sử dụng phần cứng PC giá rẻ, tiêu chuẩn của nhà cung cấp làm giao diện con người

• Cho phép trao đổi dữ liệu với nhiều loại phần mềm đa dạng hiện có trên thị trường, bao gồm cả các ứng dụng kinh doanh

2)Cấu hình ph n c ng h ầ ứ ệ thố ng DCS

HIS được sử dụng chủ yếu cho việc vận hành và giám sát nó hiển thị - các biến qui trình, các tham số đ iều khiển, các báo hiệu cần thiết để người vận hành

có thể nhanh chóng nắm bắt được các trạng thái vận hành của nhà máy Nó cũng kết h ợp giao diện mở do đó các máy tính giám sát có thể truy nh ập vào đồ thị

dữ liệu (Trend data), các thông điệp (Messages), và dữ liệu xử lý (process data) Yokogawa cung cấp 3 kiểu trạm giao diện (HIS), đáp ứng các nhu cầu khác nhau của khách hàng chạy trong hệ điều hành Microsoft Windows

HIS loại Enclose- Enclose Display Style Console HIS

Loại Enclose được thiết kế dựa theo kiểu dáng của trạm vân hành phiên bản cũ CENTUM, cho phép đặt các trạm sát nhau, màn hình cảm ứng, bàn phím vận hành có 8 nhóm điều khiển, có tiếp điểm vào/ra phụ và các phím chức năng khác

HIS loại Open Display- Open Display Style Consol HIS

HIS loại Open Display là loại kiểu dáng mới của HIS vớ i màn hình tinh thể lỏng (LCD): có thể lựa chọn kích thước hiển thị và kiểu bàn phím, màn hình cảm ứng, bàn phím vận hành có 8 nhóm điều khiển, có tiếp điểm vào/ ra phụ

HIS loại Desktop -Desktop HIS

His loại desktop th ực hiện các chức năng của HIS trên một màn hình cá nhân

PC, và có thể sử dụng cùng với bàn phím chuyên dùng loại phím phẳng chống bụi, nước

Bàn phím vận hành

Bàn phím vận hành có hai loại: một loại được thiết kế với bàn phím vận hành có 8 nhóm điều khiển để sử dụng vớ i HIS loại Console, loại khác đượ c thiết kế bàn phím chỉ có một nhóm điều khiển để sử dụng với cả hai loại HIS là consol và Destop

b)Trạm Điều khiển hiện trường – Field Control Station (FCS)

FCS Cung cấp chức năng điều khiển quá trình, chẳng hạn như điều khiển điều tiết, điều khiển tuần tự và tính toán

Có 4 loại trạm FCS đựơ c lựa chọn để đáp ứng theo loại và kích thước của từng ứng dụng, vì thế việc mở rộng hay nâng cấp hệ th ống có thể được thực hiện dễ dàng Chuẩn FCS có hai loại gồm: KFCS và LFCS

KFCS-Standard Type Filed Control Station for FIO: FCU và Node được kết nối

sử d ụng loại Bus mở rộng nối tiếp ESB (Extended Serial Backboard) hoặc Bus tăng cường ER (Enhanced Remode)

LFCS- Standard Type Field Control Station for RIO: FCU và Node được kết nối sử dụng bus vào/ra từ xa (RIO-Remode Input Output)

Loại trọn bộ (Compact FCS): FCU và Node được kết nối cùng một tủ loại trọn

bộ mới nhất hiện nay có cấu trúc rất gọn để có thể lắp đặt ở những khu vực giới hạn về không gian Khi lắp đặt trong tủ, các bộ vào ra nhỏ hơn sẽ có kích thước chân cắm nhỏ hơn

KFCS-Standard Type Field Control Station for FIO

KFCS được kết hợp bởi một FCU, ESB bus, EB bus và Node unit Kiến

trúc CPU và sự kết hợ p với kiểu lắp đặt là sẵn có cho lựa chọn tối ưu:

o Kiến trúc CPU: Đơn hoặc kép

o Kiểu lắp đặt: loại tủ (cabinet) hay giá

cắm (Rack) ESB bus: Đơn hay dự phòng o

kép

o EB bus: Đơn hay dự phòng kép

Field Control Unit (FCU)

FCU bao gồm các card xử lý và một số các bộ phận khác để th ực hiện chức

n ăng tính toán điều khiển cho FCS, đối với CPU dự phòng kép, card xử lý, các

bộ nguồn, các bộ pin và các card bus giao tiếp ESB được dự phòng kép

ESB Bus và ER Bus

ESB bus (Extended Serial Backboard) là một bus truyền thông được sử dụng để kết nối các Node cục bộ được lắp đặt trong cùng một tủ với FCU Bus này có thể được dự phòng kép Khoảng cách truyền tối đa là 10m

EB bus (Enhanced Remode bus) là một bus truyền thông được sử dụng để kết nối giữa các node từ xa với CPU bởi mô đun bus tăng cường (EB) được lắp đặt

ở node cục bộ Bus này cũng có thể được dự phòng kép, việc sử dụng bus này, các node có thể được lắp đặt ở trong cùng một tủ vời FCU hoặc ở vị trí cách xa

tủ Khoảng cách truyền tối đ a của nó là 185m sử dụng cáp đồng trục 10 base 2 Ethernet tương thích hoặc 500m xử dụng cáp đồng trục 10 Base 5, hoặc tới 2

km sử dụng bộ lặp bus quang