Slide bài giảng hệ thống đo và điều khiển công nghiệp

tổng hợp kiến thức về đo lường trong công nghiệp.Slide này tổng hợp kiến thức về đo lường trong công nghiệp, bao gồm các chủ đề như: Hệ thống đo: khái niệm, thành phần, tính chất, phân loại, lỗi đo, chuẩn đo, hiệu chuẩn. Các đại lượng cơ bản và phương pháp đo: độ dài, góc, diện tích, thể tích, khối lượng, mật độ, lực, momen lực, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, độ ẩm, độ pH, độ đục, độ bão hòa. Các thiết bị đo và chuyển đổi tín hiệu: cảm biến, truyền động, hiển thị, ghi, điều khiển, bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ chuyển đổi tương tự số, bộ chuyển đổi số tương tự.

HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG

Nguyễn Thị Huế

Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

Môn học để làm gì?

Môn học này học những gì?

Nội dung môn học

Sơ đồ khối một vòng điều khiển

Hệ đo và điều khiển công nghiệp

Ø Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

Ø Tại sao phải dùng mạng truyền thông công nghiệp?

Ø Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp ở đâu?

Ø Thực hiện mạng truyền thông công nghiệp?

Smart grip

Nội dung môn học

Smart Grid

Nội dung môn học

NỘI DUNG MÔN HỌC

1

2

5

Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo

và điều khiển công nghiệp

Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp3

4

7

Các bộ điều khiển khả trình Các thiết bị giám sát trong công nghiệp

Một số hệ thống công nghiệp thực tế

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

Giáo trình “Mạng thông tin công nghiệp” Hoàng Minh Sơn, nhà

xuất bản Khoa học và Kĩ thuật

Giáo trình “Hệ thống thông tin công nghiệp’ Phạm Thượng Hàn(chủ biên) Nhà xuất bản giáo dục

Giáo trình “Cảm biến công nghiệp”

Bài giảng “ Đo và điều khiển công nghiệp” bộ môn Kĩ thuật đo

và Tin học công nghiệp

…

Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

1

Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống

đo và điều khiển công nghiệp

Lịch sử phát triển

Cấu trúc tổng quan của hệ đo và điều khiển công nghiệp

L ị ch s ử phát tri ể n c ủ a thi ế t b ị đ o và h ệ th ố ng thông tin

Giai đoạn dụng cụ đo cơ điện riêng rẽ

Giai đoạn dụng cụ đo tự động hoáGiai đoạn hệ thống thông tin đo lường điều khiển(HTTTĐLĐK) tập trung

Giai đoạn hệ thống đo lường & điều khiển phân tánGiai đoạn các HTTTĐLĐK hiện đại, tích hợp toàn diện

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển

Giai đoạn dụng cụ đo cơ điện riêng rẽ

Cu ố i th ế k ỷ 19 con ng ườ i đ ã phát minh ra c ơ c ấ u đ i ệ n t ừ và đượ c coi là d ụ ng c ụ đ o đ i ệ n đầ u tiên.

Đầ u th ế k ỷ 20 ra đờ i d ụ ng c ụ đ o t ừ đ i ệ n nh ư milivolmet, µ Ampemet,

đ i ệ n k ế , đ i ệ n k ế xung kích; d ụ ng c ụ đ i ệ n độ ng ( đ o công su ấ t) và

d ụ ng c ụ c ả m ứ ng (trong các công t ơ đế m đ i ệ n n ă ng)

N ă m 1954 xu ấ t hi ệ n d ụ ng c ụ đ o t ừ độ ng t ự ghi b ằ ng độ ng c ơ thu ậ n ngh ị ch (servo motor): c ầ u t ừ độ ng t ự ghi, đ i ệ n th ế k ế t ừ độ ng t ự ghi

đ ánh d ấ u cho vi ệ c t ự độ ng hoá các quá trình công nghi ệ p.

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (2)

Giai đ o ạ n d ụ ng c ụ đ o t ự độ ng hoá

Những năm 1960 đã xuất hiện các dụng cụ tự động hoá đầutiên nhưng chỉ là các dụng cụ tự động riêng rẽ

Các điện thế kế tự động cho phép đo điện áp của các nhiệt

ngẫu tự ghi số liệu và có đủ momen để đóng cắt các công tắc

để điều khiển

Các dụng cụ tự động biến áp vi sai cho phép đo và điều khiển

áp suất, mức và lưu tốc trong công nghiệp

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (3)

Giai đ o ạ n h ệ th ố ng thông tin đ o l ườ ng đ i ề u khi ể n (HTTT Đ L Đ K) t ậ p trung

Trong nh ữ ng n ă m 70 v ớ i s ự ra đờ i c ủ a các IC, các máy tính mini đ ã

đượ c th ươ ng ph ẩ m hoá Tuy giá v ẫ n còn đắ t (kho ả ng 500 000USD)

nh ư ng c ũ ng đ ã cho phép x ử lý nh ữ ng bài toán đ i ề u khi ể n để t ự độ ng hoá toàn b ộ quá trình s ả n xu ấ t ph ứ c t ạ p HTTT Đ L Đ K t ậ p trung ra đờ i Trong HTTT Đ L Đ K đạ i l ượ ng đ o đượ c th ố ng nh ấ t hoá (4 – 20mA) và t ậ p trung v ề đầ u vào máy tính mini

Trong th ờ i k ỳ này, tri ế t lý module hoá đượ c đặ t ra r ấ t cao và đ ã hình thành các h ệ th ố ng th ố ng nh ấ t hoá nh ư : h ệ URSAMAT c ủ a Đ ông Đứ c,

h ệ Solation c ủ a Anh, h ệ HP và h ệ IBM c ủ a Hoa K ỳ đặ c bi ệ t là h ệ

CAMAC là h ệ đ i ể n hình module hoá c ủ a 7 n ướ c châu Âu.

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (4)

Giai đ o ạ n h ệ th ố ng đ o l ườ ng & đ i ề u khi ể n phân tán

N ă m 1978 máy vi tính 8 bit đầ u tiên ra đờ i m ở đầ u cho vi ệ c s ử d ụ ng

vi x ử lý và vi đ i ề u khi ể n 8 bit vào quá trình s ả n xu ấ t.

H ệ th ố ng đ o l ườ ng đ i ề u khi ể n (t ự độ ng hoá các xí nghi ệ p công nghi ệ p) đượ c d ự a trên c ơ s ở các PLC (Programable Logic Controller).

Trong nh ữ ng n ă m 80 và 90 c ủ a th ế k ỷ 20, các h ệ t ừ độ ng hoá b ằ ng PLC đ ã chi ế m l ĩ nh h ầ u nh ư toàn b ộ ph ầ n t ự độ ng hoá quá trình s ả n

xu ấ t.

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (5)

Giai đoạn các HTTTĐLĐK hiện đại, tích hợp toàn diện

H ệ th ố ng đ o và đ i ề u khiên tr ở thành h ệ th ố ng thông tin đ o l ườ ng đ i ề u khi ể n hi ệ n đạ i (Advanced Instrumentation and Control System) v ớ i 5 tri ế t

lý sau:

Tri ế t lý tích h ợ p.

Tri ế t lý v ề h ệ thông minh (micro processor based): M ộ t h ệ d ự a trên

c ơ s ở vi tính là h ệ thông minh (ID) Tri ế t lý v ề h ệ phân b ố (DCS) là quan h ệ gi ữ a phân b ố và t ậ p trung Tri ế t lý v ề module hoá

Tri ế t lý v ề h ệ m ở : Độ c l ậ p v ớ i ng ườ i bán hàng (Independence vendor)

Đ ánh giá m ộ t HTTT Đ L Đ K đượ c xét trên 5 tri ế t lý trên c ộ ng thêm là tính

hi ệ u qu ả c ủ a h ệ th ố ng (d ự tr ữ v ậ n hành).

Tích h ợ p trong m ọ i khâu c ủ a h ệ th ố ng Hi ệ n nay, trong m ọ i khâu c ủ a

h ệ th ố ng ph ả i tích h ợ p 3 y ế u t ố :

Ch ứ c n ă ng

C ấ u trúc Thông tin Tích h ợ p v ớ i h ệ th ố ng mà nó ph ụ c v ụ , nêu lên tính hi ệ u qu ả c ủ a HTTT Đ L Đ K, đ áp ứ ng m ọ i đ i ề u ki ệ n mà h ệ s ả n xu ấ t yêu c ầ u trong m ọ i tình hu ố ng trong đ i ề u ki ệ n ho ạ t độ ng

Tích h ợ p toàn di ệ n Ý t ưở ng này ra đờ i v ớ i yêu c ầ u thông su ố t v ề m ọ i

Triết lý tích hợp.

M t ph n t có vi x lý hay m t ID đ u có 4 quan h c b n:

Quan h ệ v ớ i đố i t ượ ng: M ộ t ID có m ộ t hay nhi ề u đố i t ượ ng ph ụ c v ụ ,

nó ph ả i tích h ợ p v ớ i đố i t ượ ng Liên quan tr ự c ti ế p là h ệ đ o l ườ ng (acquisition) và h ệ th ừ a hành và đ i ề u ch ỉ nh (actuator, regulator).

Quan h ệ v ớ i môi tr ườ ng: ý ngh ĩ a môi tr ườ ng ở đ ây khá r ộ ng, có th ể

là môi tr ườ ng th ậ t nh ư ng th ườ ng là môi tr ườ ng ả o.

Quan h ệ v ớ i ng ườ i: H ệ th ố ng quan h ệ v ớ i ng ườ i ch ủ y ế u là giao ti ế p

v ớ i ng ườ i (HMI) Đ ó là nh ữ ng n ộ i dung các d ị ch v ụ cho ng ườ i nh ư

hi ể n th ị , trao đổ i ng ườ i máy, ứ ng d ụ ng trí tu ệ nhân t ạ o, v.v…

Quan h ệ v ớ i h ệ th ố ng: Đ ây là n ộ i dung v ề trao đổ i thông tin, v ề v ấ n

đề t ươ ng thích, v ề giao th ứ c, v ề ngôn ng ữ , v.v…

Triết lý về ID (intelligent device)

Hiện nay, triết lý này tương đối rõ ràng, đó là vấn đề phân cấp quản

lý Hệ phân bố ngày nay được hiểu là khái niệm quan hệ giữa các

cấp với nhau với ý tưởng:

Thu thập thông tin càng sát đối tượng càng tốt

Truyền tin theo yêu cầu của cấp trên, đảm bảo thời gian thực

Điều khiển theo yêu cầu của cấp trên, của hệ thống

Đảm bảo quan hệ giữa tập trung và phân bố

Các thừa hành phải đơn giản, kịp thời, hiệu quả

Triết lý về hệ phân bố

Triết lý này đã được đề ra và xây dựng từ thời các hệ thống

điều khiển tập trung và nhiều hệ thống thống nhất hóa ra đờivào những năm 70 của thế kỷ 20

Tư tưởng modul hóa được mở rông sang phần mềm trở thànhcác khối (block) trong phần mềm các PLC, phát triển đến các

phần cứng

Lập trình hướng đối tượng, lập trình Graphic (đồ họa) cũng

nằm trong xu hướng này

Triết lý về modul hóa

Khi phát triển các PLC, các nhà sản xuất và tích hợp hệ thống

chỉ quan tâm đến thuận lợi cho người sử dụng, đặt ra các ngôn

ngữ lập trình riêng thuận lợi cho các kỹ sư tự động hóa chuyểnsang lập trình

tương thích với nhau Vì thế, việc sửa chữa, bảo dưỡng, pháttriển phụ thuộc vào nhà sản xuất Người sử dụng có yêu cầu

về độc lập với nhà cung cấp Yêu cầu về hệ mở bắt đầu do yêu

cầu của người sử dụng và trở thành một tiêu chí của hệ thống

Triết lý về hệ mở

Lịch sử phát triển của truyền thông công nghiệp

Lịch sử phát triển của truyền thông công nghiệp

Lịch sử phát triển của truyền thông công nghiệp

Tình hình thế kỷ 21.

– Từ những năm 1990 đã có sự bùng nổ về truyền thông

– Truyền thông phát triển đa dạng

– Truyền thông giữa các máy tính

– Thông tin trong các nhà máy sản xuất

» Điều khiển ở khoảng cách đối với máy công cụ

» Điều hành tự động sản xuất

Lịch sử phát triển của truyền thông công nghiệp

Phát minh ra máy tính.

– Thông tin được mã hoã dưới dạng số

– Thông tin có thể xử lý theo thời gian thực

– Thông tin được xử lý tập trung

– Sự ra đời của các máy tính lớn đơn chiếc

– Xuất hiện khái niệm phòng máy tính

Lịch sử phát triển của truyền thông công nghiệp

1.2 Cấu trúc tổng quan của hệ đo và điều khiển công nghiệp

Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp có nhiệm vụ đảm bảocho các quá trình sản xuất công nghiệp luôn ổn định, theo đúngquy trình công nghệ.

Điều khiển

Điều khiển các quá trình: điều khiển vòng kín, vòng hở

Điều khiển logic: điều khiển logic, liên động, cảnh báo, antoàn, tuần tự

Các chức năng điều khiển cao cấpThu thập và quản lý dữ liệu

Giao diện vận hành và giám sát

Chức năng của hệ thống đo lường và điều khiển

Các hệ thống đo lường và điều khiển

Hệ thống điều khiển cục bộ/điều khiển song song

Cấu trúc hệ thống điều khiển

H ệ th ố ng đ i ề u khi ể n c ụ c b ộ / đ i ề u khi ể n song song

Cấu trúc cổ điển nhất

nhỏ, đặc viết trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp(các dây truyền song song với nhau độc lập)

Có thể sử dụng kết hợp cấu trúc vào ra tập trung hoặc vào ra

C ấ u trúc đ i ề u khi ể n n ố i ti ế p

Nối dây truyền thống

Cấu trúc hệ thống điều khiển

C ấ u trúc đ i ề u khi ể n n ố i ti ế p

Sử dụng bus trường

Cấu trúc hệ thống điều khiển

Kết nối vào ra với thiết bị thường và thiết bị bus trường

Cấu trúc hệ thống điều khiển

Độ tin cậy thấp: Tập trung chức năng điều khiển và xử lý thôngtin tại một máy tính duy nhất

Độ linh hoạt thấp: Mở rộng cũng như thay đổi một phần trong

hệ thống thì đỏi hỏi phải dừng toàn bộ hệ thống

Hiệu năng kém: Toàn bộ thông tin phải đưa về máy tính trungtâm nên chậm chễ thời gian do truyền dẫn và xử lý tập trung

Chỉ phù hợp với những ứng dụng có quy mô nhỏ

Có sự kết hợp giữa các giai đoạn khi giải quyết cùng một

Cấu trúc hệ thống điều khiển

Cấu trúc kết hợp

Cấu trúc hệ thống điều khiển

Phân chia chức năng điều khiển xuống các máy tính điều khiển

tại các trạm cục bộ (ở vị trí không xa với quá trình kĩ thuật)

Điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển có thể diễn

ra trực tiếp hoặc thông qua các máy tính giám sát trung tậm(MTGS)

Độ linh hoạt cao hơn hẳn so với cấu trúc tập trung

Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống đượcnâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới

Cấu trúc hệ thống điều khiển

Cấu trúc kết hợp sử dụng bus

Cấu trúc hệ thống điều khiển

CIM là viết tắt của Computer Integrated Manufacturing – hệ

thống sản xuất tích hợp máy tính Máy tính ở đây không chỉ làmáy tính ở trên các trung tâm mà là cả các vi xử lý ở khắp nơitrong hệ thống, kể cả trong từng cảm biến, trong các công tắc

bảo vệ,…

Hệ thống CIM bao gồm từ tập đoàn, tổng công ty, xuống cácnhà máy sản xuất, xuống các phân xưởng, xuống từng dâychuyền sản xuất, thậm chí xuống cả các khâu thu thập số liệu

và khâu thừa hành

Mô hình phân cấp CIM

Mô hình phân cấp CIM

C p qu n lý công ty: nghiên cứu chiến lược kinh doanh, kế

hoạch đầu tư, là cấp định mục tiêu, công nghệ cơ bản; yêu cầu

về chất lượng và số lượng sản phẩm Nói cách khác, đây là

cấp tập đoàn kinh tế; thiết bị ở cấp này là mạng quản trị kinhdoanh toàn cầu thuộc lĩnh vực công nghệ thông tin

C p đi u hành s n xu t Cấp này có vai trò vạch kế hoạch

sản xuất, sử dụng tài nguyên (vật chất và nhân lực); đảm bảocác chỉ tiêu cụ thể ở từng nơi, từng công đoạn trong quá trình

sản xuất Thiết bị ở cấp này là mạng máy tính văn phòng sử

Mô hình phân cấp CIM

Hệ thống vận hành và giám sát

Mô hình phân cấp CIM

C ấ p đ i ề u khi ể n giám sát: gồm mạng máy tính văn phòng, nối

mạng ethernet thực hiện các chức năng

Giám sát (supervsor) gồm: Mô phỏng quá trình và thiết bị, theodõi (monitoring), quan hệ người máy (HMI), quản lý thông tin(MIS), báo động, bảo vệ và chuẩn đoán kĩ thuật

Quản lý kĩ thuật (ES) gồm phân tích hoạt động của hệ thống vàthiết bị, xây dựng phương pháp xử lý lỗi, sửa đổi và xây dựng

chương trình cải tiến, vv

Mô hình phân cấp CIM

Thiết bị điều khiển

C ấ p đ i ề u khi ể n:

Thực hiện nhiệm vụ tự động hóa nhà máy gồm các bộ điềukhiển (controller) thương phẩm (programmable logic controller),PAC (programmable automation controller), DCS vv

Thiết bị đo quá trình

Mô hình phân cấp CIM

Thiết bị chấp hành

Mô hình phân cấp CIM

C p hi n tr ng (field level) gồm các S-A (sensors –actuators)các bộ điều chỉnh (regulator) dùng để thu thập thông tin từ đối

tượng hay hiện trường sản xuất, xử lý và truyền số liệu đến cácthiết bị trong hệ thồng

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản

hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian

phản ứng

Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức

năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh

như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi

xử lý lại lớn hơn nhiều

Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ

thống tự động hóa nói chung cũng như hệ thống truyền thông

Mô hình phân cấp CIM

Trong hệ thống CIM này, thông tin được chuyền từ dưới lên,càng lên cao số lượng bản tin càng ít nhưng càng chọn lọc.

Điều khiển từ trên xuống dưới, trên càng tập trung dưới càngphân tán đến từng bộ thừa hành

Hệ thống thu thập số liệu và điều khiển đòi hỏi phải thông suốt

từ trên xuống dưới, không bị tắc nghẽn ở bất kỳ khâu nàotrong hệ thống

Nội dung môn học tập trung vào thu thập và truyền tin và phục

vụ cho nhiệm vụ giám sát, điều khiển, tự động hóa các xínghiệp công nghiệp

Mô hình phân cấp CIM

Mô hình phân cấp CIM

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thốngtruyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ

“Bus” thường được dùng thay cho “mạng” với lý do phần lớncác hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic

Bus tr ườ ng (fieldbus)

Bus trường là các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuậttruyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC,PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp các thiết bị cấp trường.Các thiết bị cấp trường có khả năng nối mạng là các vào ra

valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông

Mô hình phân cấp CIM

Bus trường có nhiệm vụ chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điềukhiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ

cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu tính năng thời gian thực được

đặt lên hàng đầu

Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

phải kể tới Foundation Fieldbus, DeviceNet, As-i, Eib và Bitbus

Mô hình phân cấp CIM

Bus h ệ th ố ng (system bus)

Các h ệ th ố ng m ạ ng công nghi ệ p đượ c dùng để k ế t n ố i các máy tính

đ i ề u khi ể n và các máy tính trên c ấ p đ i ề u khi ể n giám sát v ớ i nhau

đượ c g ọ i là bus h ệ th ố ng hay quá trình (process bus - khái ni ệ m ch ỉ

dùng trong đ i ề u khi ể n quá trình)

Chú ý: s ự phân bi ệ t gi ữ a bus tr ườ ng và bus h ệ th ố ng không b ắ t

bu ộ c n ằ m ở s ự khác nhau v ề ki ể u bus đượ c s ử d ụ ng, mà ở m ụ c

đ ích s ử d ụ ng hay nói cách khác là các thi ế t b ị đượ c k ế t n ố i Trong

m ộ t s ố gi ả i pháp, m ộ t ki ể u bus duy nh ấ t đượ c dùng cho c ả ở hai

Mô hình phân cấp CIM

xuất và sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại là các thông

số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệch điều hành

Hai loại mạng dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và

IPX/SPX

Mô hình phân cấp CIM

M ạ ng công ty

Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông

hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn Chức năng của

mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của mạng xínghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ với cáckhách hàng như thư viện điện tử, email, hội thảo từ xa qua

điện thoại, cung cấp dịch vụ truy cập Internet, thương mại điện

tử…

Mạng công ty đòi hỏi tốc độ truyền thông và độ tin cậy, an toàn

Mô hình phân cấp CIM