hệ thống điểu khiển phân tán

Mục đích: Sinh viên cần nắm được* Các khái niệm cơ bản và tổng quan về các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại trong công nghiệp * Các nguyên tắc và phương pháp cơ bản cho hướng giả

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

CHƯƠNG I: CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

3/20/2014 3

Chương I : Mở đầu

1.1: Mục đích và phạm vi đề cập của môn học

1.2: Các nội dung cơ bản của môn học

1.3: Tổng quan các giải pháp điều khiển

1.4: Cấu trúc các hệ thống điều khiển giám sát

Mục đích: Sinh viên cần nắm được

* Các khái niệm cơ bản và tổng quan về các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại trong công nghiệp

* Các nguyên tắc và phương pháp cơ bản cho hướng giải quyết những bài toán thường được đặt ra trong thực tế

3/20/2014 5

1.2: Các nội dung cơ bản của môn học

• Cấu trúc hệ thống ĐK&GS Mô hình phân cấp, các thành phần chức năng cơ bản

• Các kiến trúc và giải pháp hệ thống điều khiển phân tán

DCS, PLC-based DCS, PC-based DCS, FCS

• Cơ sở lý luận của điều khiển phân tán

• Cơ sở tin học: Xử lý phân tán, công nghệ hướng đối tượng, phần mềm thành phần

• Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)

• Các chuẩn giao tiếp công nghiệp: MMS, OPC, XML

• Các hướng nghiên cứu và ứng dụng

1.3: Tổng quan các giải pháp điều khiển

1.3.1: Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển

+ Yêu cầu năng lực rất cao của các công ty tích hợp

hệ thống

- Tự động hóa xí nghiệp

+ Công nghiệp chế tạo, lắp ráp ( xe hơi, điện tử, máy công

cụ, nhựa, đóng bao, đóng chai…)

+ Quy mô sản xuất vừa và nhỏ

+ Các quá trình rời rạc, vận hành gián đoạn, các quá trình diễn ra rất nhanh (các quá trình cơ điện)

+ Yêu cầu cao về tốc độ, độ chính xác, sự linh hoạt, tính tích hợp cao giữa các cấp

+ Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển rời rạc

+ Các thiết bị đƣợc dùng phổ biến là PLC, CNC, PC + Ngày nay các hệ DCS cũng có một số ứng dụng trong lĩnh vực này

* Điều khiển và giám sát hệ thống giao thông -vận tải

+ Hệ thống tín hiệu đèn giao thông, chiếu sáng đô thị, điều vận bến cảng, điều hành xe bus, xe lửa…

+ Quy mô vừa và lớn, phạm vi địa lý rộng, đối tƣợng hỗn hợp

+ Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển logic, điều khiển rời rạc

+ Các thiết bị đƣợc phổ biến đƣợc dùng là PLC, DCS, PC, µP, µC

3/20/2014 11

* Các lĩnh vực ứng dụng khác

• Điều khiển và giám sát hệ thống quốc phòng

• Điều khiển và giám sát hệ thống thủy lợi, môi trường

• Điều khiển và giám sát hệ thống viễn thông

1.3.2: Các hệ thống điều khiển công nghiệp

Nội dung môn học trọng tâm nghiên cứu vào các giải pháp điều khiển công nghiệp

Có hai lĩnh vực ứng dụng cơ bản là:

- Công nghiệp chế biến khai thác (Tự động hóa quá trình)

- Công nghiệp chế tạo lắp ráp (Tự động hóa xí nghiệp)

Thiết bị điều khiển

- Control equipment: Thiết bị điều khiển, vd PLC,

IPC, Digital Controller, DCS Controller,

- Controller: Bộ điều khiển, có thể hiểu là

+ Cả thiết bị điều khiển, hoặc

+ Chỉ riêng khối tính toán điều khiển, vd PI, PID,

FLC, ON/OFF,

3/20/2014 15

Thiết bị chấp hành

- Actuator: Thiết bị chấp hành, cơ cấu chấp hành (van

điều khiển, máy bơm, quạt gió, chắn gió, rơ-le, )

- Actuator, actuating element: cơ cấu dẫn động, phần tử

dẫn động (động cơ điện, khối chuyển đổi dòng-khí nén, cuộn hút từ, )

- Final control element: Phần tử chấp hành (thân van,

tiếp điểm, sợi đốt)

Vận hành & giám sát

- Thu thập & quản lý

dữ liệu

- Giao diện người-máy

- Cảnh báo & báo động

- Giám sát & chẩn đoán

- Lập báo cáo tự động

3/20/2014 17

1.3.3 Các hệ thống điều khiển công nghiệp

Thiết bị điều khiển lập trình (PLC)

Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)

Hệ thống điều khiển lai

Thiết bị điều khiển lập trình (PLC)

3/20/2014 19

Thiết bị điều khiển lập trình (PLC)

Ưu điểm của PLC

Là xử lý các phép tính logic với tốc độ rất cao

Thơi gian vòng quét nhỏ (µs-ms/vòng quét) Ban đầu PLC chỉ quản lý được các đầu vào ra số

(Qua quá trình phát triển, ngày nay PLC đã được bố xung thêm nhiều chức năng

khác như khả năng quản lý đầu vào ra analog)

Nhược điểm của PLC

 Số lượng quản lý được khá hạn chế

 Thuật toán xử lý trên thiết bị analog kém

 Cơ sở dữ liệu nhỏ, chưa mang tính toàn cục dẫn tới đòi hỏi các kỹ sư thiết kế phải tiêu tốn nhiều thời gian và công sức phát triển hệ cơ sở dữ liệu.

 Độ tin cậy trong sản xuất kém

 Nếu muốn thay đổi chương trình PLC ta phải dừng PLC dẫn đến làm gián đoạn sản xuất.

3/20/2014 21

Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)

Khái niện: Hệ thống điều khiển phân tán là hệ điều khiển mà các

chức năng điều khiển đƣợc phân bổ trên toàn bộ hệ thống thay vì đƣợc xử lý tập trung ở một trạm trung tâm.

`

`

+ Analog Input: 2 + Analog output: 2 + Digital Input: 6 + Digital output: 6

Máy in A4

Máy giám sát vận hành Server 2

Máy thiết kế Server 1

3/20/2014 23

- Một hệ DCS điển hình bao gồm các trạm điều khiển có chức năng hoàn toàn độc lập và các trạm điều hành theo dõi và xử lý dữ liệu trong các trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người điều hành có thể thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng và thuận tiện.

- DCS là một hệ thống tích hợp với một hệ cơ sở dữ liệu rộng lớn Không giống như với các hệ thống dựa trên PLC

- DCS là một hệ thống hoàn thiện và việc truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận của hệ là một thể thống nhất.

- Hệ DCS được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình như các nhà máy hoá chất, nhiệt điện, khai khoáng, giấy

- Khả năng xử lý dữ liệu tương tự và thực hiện các trình tự phức tạp

và tối ưu hoá quá trình

- Một đặc điểm nổi bật nữa của hệ DCS là việc sử dụng các tagname

Hệ thống điều khiển lai

-Hệ lai có khả năng thực hiện cả quá trình liên tục và gián đoạn

- Có khả năng quản lý được đến 10000 điểm vào/ra

- Hệ thống lai có các thiết bị điều khiển nhỏ hơn các hệ DCS

thường phẩm nhưng tận dụng được các ưu điểm thiết kế của các

hệ DCS

- Hầu hết các hệ lai được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ , theo khối và điều khiển giám sát

- Các công cụ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao

diện thân thiện ngôn ngữ lập trình bậc cao đã chuẩn hóa giúp

cho các kỹ sư xây dựng, phát triển một ứng dụng dễ dàng nhanh chóng hơn.

3/20/2014 25

1.4 Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát

1.4.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản

Ví dụ

3/20/2014 27

Một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây:

+ Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối

vào/ra, chuyển đổi tín hiệu

+ Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ

điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital

controller)

+ Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao

diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

+ Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp

hành, bus trường, bus hệ thống.

+ Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.

1.4.2 Mô hình phân cấp

3/20/2014 29

Cấp chấp hành chức năng chính là đo lường, truyền

động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết

Cấp điều khiển Nhiệm vụ chính là nhận thông tin từ các

cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp

hành

Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận

hành một quá trình kỹ thuật, nhiệm vụ của cấp điều khiểngiám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứngdụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lýnhững tình huống bất thường

Cấp quản lý nhà máy thực hiện phối hợp nhiều nhiệm

vụ quản lý khác nhau như quản lý kĩ thuật, quản lý sảnxuất, quản lý nhân lực…

Cấp quản lý công ty thực hiện kết nối và phối hợp các

hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chinhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốcgia khác nhau

3/20/2014 31

1.4.3 Cấu trúc điều khiển

1.4.3.1 Điều khiển tập trung

3/20/2014 33

3/20/2014 35

1.4.3.2 Điều khiển tập trung

3/20/2014 37

3/20/2014 39

3/20/2014 41

3/20/2014 43