giới thiệu kiến trúc điều khiển phổ biến

Đối với cá nhân em, trong Đồ án tốt nghiệp này, sẽ đi tìm hiểu về các hệ thống, kiến trúc điều khiển công nghiệp đang được áp dụng rộng rãi hiện nay, cụ thể hệ điều khiển quá trình PCS 7

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, chúng ta đang đi những bước vững chắc trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Từ một nước nông nghiệp lạc hậu, cơ sở hạ tầng thấp kém, chịu nhiều hậu quả do chiến tranh để lại, chúng ta đã dần dần bắt kịp các nước có nền công nghiệp phát triển hơn Có được những thành công đáng kể đú, chớnh là do chúng ta đã nắm bắt được những thành tựu khoa học công nghệ mới của thế giới, áp dụng một cách hiệu quả, phù hợp vào từng lĩnh vực công nghiệp, từng nghành nghề sản xuất đặc thù Đây cũng chính là một trong những định hướng phát triển trọng tâm trong giai đoạn hiện nay, được Nhà nước, Chính phủ, Quốc hội Việt nam xác định rõ ràng

Là những sinh viên nghành Tin học công nghiệp, đứng trước trào lưu phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, đặc biệt là các công nghệ ứng dụng vào sản xuất công nghiệp, chúng ta không thể không suy nghĩ Với những kiến thức đã thu nhập được trong trường học và thực tế, chúng

em đó cú những kiến thức nhất định về các vấn đề này Nhưng để bắt tay cụ thể vào công việc, đó không hề đơn giản, đòi hỏi chúng ta phải nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu, học hỏi và vận dụng sáng tạo các công nghệ tiên tiến, góp phần thúc đẩy nền công nghiệp nước nhà bắt kịp các nước trong khu vực và thế giới, đóng góp chung cho sự phát triển của đất nước Đối với cá nhân em, trong Đồ án tốt nghiệp này, sẽ đi tìm hiểu về các hệ thống, kiến trúc điều khiển công nghiệp đang được áp dụng rộng rãi hiện nay, cụ thể hệ điều khiển quá trình PCS 7 của Siemens và bắt tay vào thiết kế một hệ thống thực, " Hệ thống kiểm soát điều khiền cửa đập tràn xả lũ"- Nhà máy thuỷ điện Thác Mơ

Em xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn Vũ Đức Trọng, Trần Quốc Hiệp, đã theo sát

em trong suốt quá trình làm đồ án Em cũng xin gửi lời cám ơn tới thầy Nguyễn Anh Tuấn, anh Nguyễn Nam Hải, đã cung cấp cho em tài liệu và công cụ phần mềm để hoàn thành đồ án

PHẦN I: GIỚI THIỆU CÔNG TY GIỚI THIỆU CÔNG TY

CÔNG TY CỔ PHẦN KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HƯNG VIỆT

• Giấy phép đăng ký kinh doanh (bản sao có công chứng đớnh kèm)

• Tên đăng ký đầy đủ: Công ty Cổ phần Kỹ thuật Công nghiệp Hưng Việt Công ty Cổ phần

Kỹ thuật Công nghiệp Hưng Việt

Tờn viết tắt:IEC., JSC IEC., JSC

Tên giao dịch:Hung Viet Industrial Engineering Joint Stock Company Hung Viet Industrial Engineering Joint Stock Company

Tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Kỹ thương Việt Nam

• Loại hình sản xuất kinh doanh và lĩnh vực chuyên ngành

ο Hình thức doanh nghiệp:Cụng ty Cổ phần Công ty Cổ phần

o Đăng ký kinh doanh (Lần 2) số: 0103000423 do Sở Kế Hoạch và Đầu Tư

0103000423 do Sở Kế Hoạch và Đầu Tư

Thành Phố Hà Nội cấp ngày 29/04/2004

o Các lĩnh vực chuyên ngành:

- Tư vấn giám sát thi công công trình,

- Sản xuất phần mềm tin học,

- Kinh doanh thiết bị viễn thông,

- Dịch vụ kỹ thuật và chuyển giao công nghệ trong trong lĩnh vực điện, điện tử, tin học, viễn thông, tự động hoá công nghiệp ,

- Chế tạo, lắp đặt, tư vấn thiết kế các thiết bị và hệ thống điện tử viễn thông,

- Mua bán, lắp đặt, sửa chữa, bảo trì, bảo hành các thiết bị rời, thiết bị đồng bộ và sản phẩm hoàn chỉnh cơ điện lạnh,

- Buôn bán vật tư, thiết bị công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải, xử lý chất thải công nghiệp và dân dụng, thiết bị an toàn, thiết bị phòng cháy chữa cháy, thang máy, trang thiết bị y

tế, đo lường thí nghiệm, thiết bị khoa học kỹ thuật và chế biến thực phẩm,

Đại lý kinh doanh các thiết bị bưu chính viễn thông,

- Xây lắp công trình điện đến 35KV,

- Sản xuất bảng điện, tủ điện trung, hạ thế

• Sơ đồ tổ chức cỏc phũng ban và nhân sự chủ chốt:

o Tổ chức Công ty IEC được chia thành các bộ phận sau :

- Ban giám đốc điều hành : Giám đốc Công ty và 2 Phó giám đốc phụ trách kỹ thuật và kinh doanh

- Khối gián tiếp : Bộ phận văn phòng, Kế hoạch, Tài chính và Kho vật tư

- Khối kỹ thuật có 4 bộ phận :

 Trung tâm tích hợp hệ thống

 Trung tâm nghiên cứu và phát triển

 Trung tâm điện tử và công nghiệp

 Xưởng lắp ráp và chế tạo

- Khối kinh doanh :

Bộ phận Tiếp thị, Kinh doanh, Dự án và Phòng trưng bày

o Sơ đồ tổ chức cỏc phũng ban

PGĐ PHỤ TRÁCH KINH DOANH

Trung tâm điện tử công nghiệp

Xưởng lắp ráp và chế tạo

và an ninh

Lắp ráp điện tử,

Cơ khí

Tài chính

Vật tư Quản lý và phát

triển dự án

Công nghệ thông tin

Thiết bị

đo lường Đội thi công

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG QUẢN

TRỊ KIÊM GIÁM ĐỐC

Phòng kinh doanh và dự án

Tiếp thị, Kinh doanh,

Dự án

Phòng trưng bày

o Nhân sự chủ chốt

IEC có đội ngũ cán bộ đông đảo với hơn 25 kỹ sư, 2 tiến sĩ, cựng cỏc kỹ thuật viên và công nhân với chất lượng cao, giàu kinh nghiệm thực tiễn Hơn nữa, để đáp ứng mọi yêu cầu của khách hàng, IEC còn hợp tác với nhiều phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu và các trường đại học lớn trong nhiều lĩnh vực

• Công nhân trình độ cao:10 10

• Cơ cấu tổ chức theo chiều dọc với cơ quan chủ quản:

SỞ KẾ HOẠCH VÀ ĐẦU TƯ THÀNH PHỐ HÀ NỘI

CÔNG TY CỔ PHẦN KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HƯNG VIỆT

PHẦN II: LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG CỤ

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU KIẾN TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHỔ BIẾN

GIỚI THIỆU KIẾN TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHỔ BIẾN

I.1 Kiến trúc DCS

I.1.1 Giới thiệu chung

 DCS = Distributed Control System

 Tiến hóa từ giải pháp DDC, phân tán chức năng điều khiển xuống nhiều bộ điều khiển nối mạng

 Hệ điều khiển tích hợp trọn vẹn của một nhà sản xuất (tích hợp về phần cứng, phần mềm và

chức năng)

 Hệ DCS đầu tiên: TDC2000 của Honeywell (1975)

 Các sản phẩm tiêu biểu:

– ABB: Advant OCS, IndustrialIT

– Emerson (Fisher-Rosemount): PROVOX, DeltaV

 Hệ DCS được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp chế biến:

– Hóa chất, hóa dầu, thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm

– Khai thác dầu khí, than

– Điện năng, xi măng, giấy

 Ví dụ hệ CS 3000:

I.2 Kiến trúc PLC

I.2.1 Giới thiệu sơ lược về PLC

 PLC (Programmable Logic Controller):

– Thiết bị điều khiển có thể „lập trình mềm“, làm việc theo chương trình lưu trong bộ nhớ => máy tính điều khiển chuyên dụng.

– Thích hợp nhất cho điều khiển logic (thay thế các rơle), song cũng có thể chức năng điều chỉnh (PID, mờ, ) và các chức năng tớnh toán khác

– Ngày nay khái niệm „Programmable Controller“ được sử dụng nhiều hơn, mặc dù từ viết tắt

„PLC“ vẫn thông dụng

I.2.2 Phạm vi ứng dụng, ưu và nhược điểm:

– Lúc đầu chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế tạo, điều khiển các quá trình rời rạc

– Ngày nay cả trong điều khiển trình tự và điều khiển quá trình liên tục -> cạnh tranh với Compact Digital Controllers và các hệ DCS trong các ứng dụng “lai”

–Thiết bị thu thập dữ liệu trong các hệ SCADA

 Ưu điểm:

– Phần cứng gọn nhẹ, thiết kế bền chắc, độ tin cậy cao, thích hợp với môi trường làm việc công nghiệp

– Khả năng xử lý tín hiệu logic (24VDC-240VAC) và tín hiệu tương tự

– Khả năng mở rộng số đầu vào/ra đơn giản

– Lập trình và thay đối chương trình đơn giản với kỹ sư điện

– Khả năng giám sát hoạt động của dây chuyền SX, khả năng phát hiện lỗi thiết bị trường từ máy tính điều khiển

– Tính năng thời gian thực

 Nhược điểm:

– Giải pháp đơn lẻ, cần tích hợp giao diện người-mỏy (HMI)

– Kiến trúc đóng kín, khó tích hợp sản phẩm ngoài

– Năng lực tính toán tương đối yếu

I.2.3 Cấu hình cơ bản một hệ PLC+HMI

I.3 Kiến trúc PC-Based

I.3.1 Giới thiệu chung PC-Based

 Tại sao sử dụng giải pháp IPC?

– Hiệu năng tính toán cao với giá thành thấp, chu kỳ điều khiển có thể xuống tới 1ms

– Kiến trúc máy tính phổ thông, quen thuộc

– Dễ dàng ghép nối với các ứng dụng cấp trên

– Độ tin cậy ngày càng được cải thiện

– Ghép nối vào/ra đơn giản qua bus trường

I.3.2 Phạm vi ứng dụng, ưu và nhược điểm

 Các dây chuyền chế tạo, lắp ráp, đóng bao:

– Thay thế giải pháp PLC truyền thống => Slot-PLC, Soft-PLC

– Kết hợp chức năng điều khiển và vận hành-giỏm sỏt tại chỗ

– Độ tin cậy không phải là vấn đề đáng lo ngại

 Điều khiển chuyển động:

–Thay thế giải pháp CNC truyền thống => Soft-CNC

– Điều khiển tay máy

 Điều khiển một nhóm thiết bị, máy móc đơn lẻ

 Điều khiển quá trình: công nghệ thực phẩm, dược phẩm, xử lý nước sạch, nước thải, CN bán dẫn,

 SCADA

 Khả năng xử lý nhanh, hỗn hợp, linh hoạt, dễ tích hợp HMI và các chức năng cao cấp

 Slot-PLC, Embedded PLC

– Chưa lợi dụng được thế mạnh thực sự của PC

– Ít có sự lựa chọn các khối vào/ra

 Soft-PLC, SoftLogic

– Ưu điểm: gọn nhẹ, rẻ

– Nhược điểm: độ tin cậy phụ thuộc vào PC

I.3.3 Cấu hình cơ bản

I.4 Kiến trúc FCS

I.4.1 Các vấn đề của kiến trúc DCS/PLC

 Điều khiển phân tán chưa triệt để:

– Độ tin cậy vẫn còn phụ thuộc nhiều vào bộ điều khiển

– Hiệu năng của hệ thống chưa cao

– Kém linh hoạt trong thay đổi chương trình

 Giao diện quá trình chủ yếu vẫn là nối dây truyền thống:

– Sử dụng I/O, I/O termination

– Tốn cáp truyền, công lắp đặt

– Tốn thời gian đưa vào vận hành

 Khả năng chẩn đoán còn hạn chế

I.4.2 Khái niệm FCS = Field Control System

 Điều khiển phân tán triệt để nhờ sử dụng công nghệ bus trường (Foundation Fieldbus, Profibus-PA, )

 Phần lớn chức năng điều khiển cơ sở thực hiện tại thiết bị trường

 Các thiết bị trường phối hợp trực tiếp để thực hiện chức năng điều khiển

 Bộ điều khiển thực hiện chức năng phối hợp hoặc điều khiển cao cấp

 Phát triển tích hợp: điều khiển và truyền thông

 Tóm tắt các ưu điểm chính:

 Tiết kiệm vật liệu (I/O, I/O termination, cáp truyền, tủ điều khiển) và công lắp đặt

Nâng cao hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống nhờ điều khiển tại chỗ, giảm tải bus

 Đưa thiết bị trường vào vận hành đơn giản nhờ môi trường phát triển tích hợp

 Tạo dựng ứng dụng điều khiển đơn giản => thông qua cấu hình thay vì lập trình

 Nâng cao độ tin cậy nhờ khả năng chẩn đoán => bảo trì phòng ngừa

I.4.3 Cấu hình cơ bản

I.5 SCADA

I.5.1 Khái niệm chung

 Theo nghĩa hiện đại:

– Chức năng điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu như đúng tên gọi của nó

– Được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực tự động hóa (trừ các ứng dụng phạm vi nhỏ như điều khiển nhúng, điều khiển mỏy múc/thiết bị đơn lẻ)

– Trọng tâm là hệ thống phần mềm (phần mềm SCADA/HMI)

 Quan điểm mới về hệ SCADA

Trọng tâm là hệ thống phần mềm:

– Các công cụ phát triển, tạo dựng giao diện người-mỏy

– Các phần mềm kết nối (I/O Drivers, I/O Servers)

– Ứng dụng công nghệ mới (hướng đối tượng, phần mềm thành phần, Web, )

 Kiến trúc mở:

– Khả năng tương tác, hợp tác giữa các thành phần của một hệ thống và giữa các hệ thống.– Khả năng thay thế, mở rộng hệ thống bởi các sản phẩm do chính bản thân người sử dụng lựa chọn

– Chuẩn hóa các giao diện quá trình > OPC là một ví dụ tiêu biểu

– Sử dụng máy tính cá nhân và các hệ điều hành thông dụng (ví dụ WindowsNT/2000/XP) > giảm giá thành

I.5.2 Cấu hình tiêu biểu

I.5.3 Phần mềm điều khiển giám sát

 Cơ sở dữ liệu quá trình:

 Chức năng quản lý, lưu trữ:

 Về cơ bản giống các hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường:

– Thường được xây dựng trên cơ sở một thương phẩm như SQL Server, Sybase, Informix,

 Các yêu cầu đặc biệt:

– Tần suất cập nhật cao, mang tính tuần hoàn

– Tính năng thời gian thực

– Quản lý hiệu quả cơ sở dữ liệu lớn liên tục rất nhanh

 Giao diện người-máy:

 Sơ đồ khối (hệ thống): Hiển thị tình trạng các thiết bị, máy móc lLưu đồ công nghệ (phõn đoạn, nhúm): Hiển thị các giá trị quá trình, các hình ảnh động minh họa, cỏc phớm điều khiển

 Biểu đồ chức năng trình tự (SFC)

 Faceplates: Hiển thị và can thiệp chi tiết một vòng điều khiển (chế độ điều khiển, các giá trị biến và tham số điều khiển, tình trạng báo động)

 Đồ thị thời gian thực: Hiển thị các giá trị quá trình (tức thời)

 Đồ thị quá khứ: Hiển thị các giá trị lưu trữ

– Trạm được quyền can thiệp.

– Mức ưu tiên, tính cấp thiết

 Lưu trữ dữ liệu cảnh bỏo/bỏo động

 Hiển thị cảnh bỏo/bỏo động:

– Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết

– Sắp xếp theo thời gian xảy ra

– Sắp xếp theo loại cảnh bỏo/bỏo động

– Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhấp nháy

– Sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (C++, Java, Visual Basic, Delphi)

– Có sự tham gia của một compiler

 Không lập trình > cấu hình (configurating):

– Sử dụng một công cụ SCADA chuyên dụng

– Sử dụng các ký hiệu đồ họa và script để xây dựng cấu hình

– Sử dụng các phần tử đồ họa đối thoại để đặt các tham số

– Không cần compiler

– Hiệu quả cao, dễ thực hiện

ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP

II.1 Mô hình phân cấp hệ thống

Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng Càng ở những cấp dưới thỡ cỏc chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn.

Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống

 Cấp chấp hành: Chức năng chủ yếu là đo lường, truyền động, và chuyển đổi tín hiệu

trong trường hợp cần thiết Hiện nay, đa số các Sensor hay Actuator cũng có phần điều khiển riêng cho việc đo lường/truyền động chính xác và nhạy cao Các thiết bị thông minh có thể đảm nhiện việc tiền xử lý thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

 Cấp điều khiển: Nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý thông tin đó theo một thuật

toán định trước, và truyền đạt kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Trong một hệ thống, nhiệm vụ điều khiển được thực hiện bằng máy tính

 Cấp điều khiển giám sát: Giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật tự động Hỗ

trợ người sử dụng việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống sự cố bất thường, hay các lỗi Ngoài ra, trong nhiều trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như: điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự, và điều khiển theo công thức

 Cấp điều hành sản xuất: Nhận thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ

thuật, các giàn máy, các hệ thống tự động, các số liệu trả về, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Xử lý số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về thông số thiết kế, công thức điều khiển, và lệnh điều khiển xuống cấp dưới

 Cấp quản lý công ty: Là cấp trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống Nhiệm vụ

của nó là trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng thông qua email, hội thảo từ xa, dịch

vụ truy cập Internet và thương mại điện tử Cũn cú nhiệm vụ tính toán giá thành, kế hoạch sản xuất, thống kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hàng, nhân sự

Để kết nối các cấp trong hệ thống phân cấp, người ta dựng cỏc hệ thống Bus:

 Bus trường: Là hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để ghép nối các

thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị của cấp chấp hành, thiết bị trường Đặc trưng cơ bản của bus trường là tính năng thời gian thực cao, yêu cầu lượng thông tin không cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng: Profibus, ControlNet, Modbus, Fiedbus, DeviceNet,

 Bus hệ thống, Bus quá trình: Kết nối máy tính điều khiển với các máy tính ở cấp

trên điều khiển giám sát với nhau Thông qua bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm quan sát Đối với bus hệ thống, yêu cầu về tính năng thời gian thực tuỳ lĩnh vực ứng dụng, thời gian phản ứng trong khoảng vài trăm miligiõy Khác với bus trường, lượng thông tin qua bus hệ thống là rất lớn Tiêu biểu có: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS,

 Mạng xí nghiệp: Giống như mạng LAN thông thường, kết nối các máy tính văn

phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Không yêu cầu nghiêm ngặt

về thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không theo chu kỳ, nhưng có khi với dung lượng lớn đến vài Megabyte Phổ biến là: Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn nhu TCP/IP và IPX/SPX

 Mạng công ty: Đặc trưng của nó là gần với một mạng viễn thông hoặc mạng WAN,

nhiều hơn trờn cỏc phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Thường sử dụng các mạng truyền thông tốc độ cao và độ an toàn, bảo mật thông tin đặc biệt cao: Fast Ethernet, ATM, FDDI,

II.2 Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

II.2.1 Các cấu trúc điều khiển

 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung:

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ phía dưới Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển

(MTĐK) có thể là các bộ điều khiển trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình Trong điều khiển công nghiệp, MTĐK tập trung thường đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển tập trung qua các cổng vào/ra của nó Cách bố trí vào/ra tại MTĐK như vậy gọi là vào/ra tập trung.

Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975 Ngày nay, cấu trúc này thường thích hợp cho những ứng dụng tự động có quy mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho các máy tính điều khiển Tuy nhiên, với cấu trúc này, toàn bộ hệ thống tập trung vào 1 máy tính điều khiển, do

đó có hạn chế sau:

 Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

 Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

 Độ tin cậy kém

 Điều khiển tập trung vởi vào/ra phân tán:

Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm có một nhược điểm là số lượng dây nối lớn, giá thành cao và công thiết kế, lắp đặt Một nhược điểm cố hữu nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây sai số lớn Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường Hình dưới minh hoạ một cấu hình mạng với vào/ra phân tán Ở đây các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn có khả năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, chuẩn đoán trạng thái Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhận nhiệm vụ điều khiển đơn giản

Sử dụng Bus trường và cấu trúc vào/ra phõn tỏn có những ưu điểm sau:

 Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây

 Giảm kích thước hộp điều khiển

 Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ việc sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn

 Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản

 Khả năng chẩn đoán tốt hơn

 Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống.

 Điều khiển phân tán với vào/ra tập trung:

Trong đa số các ứng dụng quy mô vừa và lớn, mô hình điều khiển tập trung sẽ không còn phù hợp do 1 thiết bị điều khiển trung tâm khó có thể đảm nhiệm được việc điều khiển toàn bộ hệ thống Do đó, các chức năng điều khiển sẽ được phân tán tới nhiều thiết bị điều khiển khác nhau Một dây chuyền sản xuất thường được chia thành nhiều phân đoạn, có thể được bố trí tại nhiều vị trí khác nhau Tại mỗi công đoạn có thể sử dụng một hoặc một vài máy tính điều khiển cục bộ và các máy tính này được nối mạng với nhau và kết nối về máy tính điều khiển trung tâm Hình dưới minh hoạ hệ thống với cấu trúc điều khiển phân tán

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại cỏc phũng điều khiển của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật Các phân đoạn có thể liên hệ tương tác với nhau Vì vậy, để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Do đó, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và

nối với 1 hoặc một vài máy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán.

Ưu thế của hệ thống điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy của hệ thống tổng thể được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới

 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán:

Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các thiết

bị trường thông minh chính là xu hướng phát triển trong xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh tế cúng chiếm tỷ lệ quan trọng

II.3 Hệ thống điều khiển phõn tán

Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán được minh hoạ trên hình vẽ bao gồm các thành phần sau:

 Các trạm điều khiển cục bộ (LCS-Local Control Station), đôi khi còn gọi là các khối điều khiển cục bộ (LCU-Local Control Unit) hoặc các trạm quá trình (PS-Process Station)

 Các trạm vận hành (OS-Operator Station)

 Các trạm kỹ thuật (ES-Engineering Station) và công cụ phát triển

 Hệ thống truyền thông

 Trạm điều khiển cục bộ:

Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc module Các thành phần của chúng bao gồm:

 Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng

 Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể có lựa chọn loại có dự phòng

 Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng

 Giao diện với bus trường, nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán

 Các module vào/ra số cũng như tương tự, các module vào/ra an toàn cháy nổ

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm gồm:

 Điều khiển quá trình: Điều khiển các mạch vũng kớn (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,

độ PH, độ đậm đặc ) Hầu hết các mạch vòng đơn được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỷ lệ Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ điều khiển dựa theo mô hình, điều khiển thích nghi,

 Điều khiển trình tự (Sequential Control)

 Điều khiển logic

 Điều khiển theo công thức (Recipe Control)

 Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệ thống

 Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với trạm vận hành

 Nhận biết các trường hợp quá ngưỡng giới hạn và đưa ra các cảnh báo, báo động.Chớnh vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi, cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng Một điều quan trọng là một trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus gặp sự cố

Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp, PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp Dựa trên cơ sở này, người ta phân biệt các hệ thống điều khiển phân tán hiện nay

Yêu cầu về mặt kỹ thuật cho một trạm điều khiển cục bộ:

 Tính năng thời gian thực

 Độ tin cậy và tính sẵn sàng

 Lập trình thuận tiện cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp.

 Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)

 Bus trường và các trạm điều khiển từ xa:

Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra phân tán và một số thiết bị trường thông minh Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là: tính năng thời gian thực, đơn giản và giá thành thấp Bên cạnh đó, với môi trường dễ cháy nổ cũn cú cỏc yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác

về truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cỏp truyền, Cỏc bus trường thông dụng là: Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I

Một trạm vào/ra từ xa thực chất có cấu trúc khụng khỏc lắm so với một trạm điều khiển cục bộ, duy chỉ thiếu khối xử lý trung tâm cho chức năng điều khiển Thông thường, các trạm vào/ra từ xa được đặt rất gần với quá trình kỹ thuật, vì thế tiết kiệm nhiều cáp truyền và đơn giản hoá hệ thống Trạm vào/ra từ xa cũng có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, tuy nhiên như vậy không sử dụng được ưu điểm của cấu trúc này

Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác nhau với điều kiện có hỗ trợ loại bus trường quy định

Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật thông qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có giao diện bus trường Qua đó có thể đơn giản hoá cấu trúc hệ thống hơn nữa, tiết kiệm chỗ trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do tận dụng được khả năng xử lý thông tin của thiết bị trường

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

 Hiển thị hình ảnh quá trình (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và quá khứ).

Hiển thị hình ảnh đồ hoạ tự do: Lưu đồ công nghệ, cỏc phớm điều khiển

 Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

 Tạo và quản lý các công thức điều khiển

 Xử lý các sự kiện sự cố

 Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

 Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Khác với trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản phẩm thương mại thông dụng như máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền Window NT/2000, hoặc các máy tính chạy trờn nờn UNIX Cùng với các màn hình màu lớn với độ phân giải cao

để theo dõi quá trình sản xuất, một trạm vận hành hiện đại bao giờ cũng có các thiết bị thao tác chuẩn như bàn phím, chuột Một trạm vận hành cú thờ bố trí theo kiểu một người sử dụng với nhiều Terminal

Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kèm đồng bộ với hệ thống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuản giao tiếp công nghiệp TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking Embedding), ODBC ( Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control)

 Trạm kỹ thuật và công cụ phát triển:

Trạm kỹ thuật là nới đặt các công cụ phát triển, cho phép ta đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người-mỏy, đặt cấu hình và tham số hoá các thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối các khối chức năng có sẵn trong thư viện Cũng như trạm vận hành, thiết bị sử dụng thông thường là các máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền Windows 95-98-2000-NT hoặc UNIX

Một số đặc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển kỹ thuật:

 Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống

 Công việc phát triển không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ

 Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là FBD, CFC, SFC

 Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song

 Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )

Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung cấp các thư viện khối hợp chuyên dụng Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung cấp nhiều phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mô phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn Trong hệ thống người ta không phân biệt giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuật, mà sử dụng một bàn phím cú khoỏ chuyển qua lại giữa hai chế độ vận hành và phát triển

 BUS hệ thống:

Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với trạm vận hành và trạm kỹ thuật Trong đa số các hệ thống ứng dụng, người ta lựa chọn cấu hình dự phòng cho Bus hệ thống Thêm nữa, đẻ cải thiện tính năng thời gian thực, nhiều khi một mạng

riêng biệt dùng để ghép nối các trạm điều khiển cục bộ Phổ biến là Ethernet, Profibus-FMS

và ControlNet

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn, vì vậy, tốc độ đường truyền phải tương đối cao Tính năng thời gian thực cũng là một yêu cầu đặt ra (nhất là với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm ngặt như đối với bus trường Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu không có đột biến lớn Vì vậy với mạng Ethernet, thường sử dụng phương pháp truy cập bus sóng mang CSMA/CD

III.1 Tìm hiểu WinCC

III.1.1 Giới thiệu WinCC

WinCC là 1 hệ thống giao diện người máy xây dựng trên nền hệ điều hành Windows

NT và Windows 2000, và Windows XP từ Version 6.0, giao diện người máy ở đây có nghĩa là giao diện giữa người vận hành và quá trình kỹ thuật Một mặt hệ thống quản lý việc giao tiếp giữa WinCC và người vận hành, đông thời quản lý giao tiếp giữa WinCC và hệ thống điều khiển tự động

WinCC được sử dụng để minh hoạ hình ảnh quá trình và phát triển giao diện đồ hoạ người sử dụng tới người vận hành:

 WinCC cho phép người vận hành quan sát được quá trình Quá trình được hiển thị bằng các hình ảnh đồ hoạ trên màn hình Chế độ hiển thị được cập nhật thường xuyên mỗi khi các biến quá trình thay đổi

 WinCC cho phép người vận hành điều khiển quá trình Họ có thể: đặt trước các Setpoints hoặc mở van, chạy động cơ từ giao diện đồ hoạ người sử dụng

 Các cảnh báo sẽ tự động hiển thị mỗi khi có một sự kiện về một trạng thái giới hạn nào đó của quá trình.

 Khi làm việc với WinCC, các biến quá trình có thể được tự động thu thập và lưu trữ,

in ấn

Các đặc điểm nối bật của WinCC:

 WinCC là một thành phần hệ thống tích hợp tổng thể TIA (Totally Intergrated Automation), WinCC làm việc rất hiệu quả với các hệ thống tự động hoá thuộc họ SIMATIC Các hệ thống của các nhà sản xuất khác cũng được hỗ trợ

 Dữ liệu WinCC có thể được trao đổi với các giải pháp công nghệ thông tin khác thông qua giao diện chuẩn, ví dụ tầng ứng dụng MES và ERP hoặc các ứng dụng nhu EXCEL

 Giao diện lập trình mở cho phép ta có thể kết nối chương trình và khi đó có thể điều khiển quá trình và dữ liệu quá trình

 WinCC có thể có nhiều loại cấu hình khác nhau phù hợp với nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau: từ hệ thống một người sử dụng, client-server cho tới lựa chọn dự phòng, hệ phân tán với vài máy chủ

 Việc cấu hình WinCC có thể chỉnh sửa bất cứ lúc nào mà không ảnh hưởng gì tới

dự án

 WinCC là hệ thống có hỗ trợ kết nối Internet, thuận tiện cho việc xây dựng các trạm

tớ trên nền Web

III.1.2.2 Các lựa chọn của WinCC:

Các lựa chọn của WinCC cho phép chúng ta mở rộng chức năng của hệ thống WinCC

cơ bản Gồm có:

WinCC Options Applications

WinCC/Web Navigator Cho phép vận hành và quan sát thông qua Internet và IntranetWinCC/Server Cho phép một hoặc nhiều trạm tớ liên kết tới 1 trạm chủ

WinCC/User Cho phép tạo khung dữ liệu với bất cứ cấu trúc dữ liệu nào

Archive Dữ liệu lưu trữ trong WinCC có thể trao đổi với các hệ thống khác

liên kết với nó Do đó, người sử dụng có thể nhập một công thức

dữ liệu, lưu trữ nó và truyền xuống cho hệ điều khiển tự động.WinCC/Redundancy Lựa chọn dự phòng Server

WinCC/ProAgent Hỗ trợ chẩn đoán quá trình cho hệ điều khiển tự động S7

WinCC/Messenger Cho phép gửi email với âm thanh, hình ảnh , hình động Cho phép

forward các bản tin, thông báo, cảnh báo bằng email tới bất cứ vị trí nào của hệ thống

WinCC/Guardian Cho phép theo dõi bằng hình ảnh cẩn thận với những vùng nhạy

cảm khó kết nối tới Khi có sự kiện thay đổi trạng thái, màu sắc hay di chuyển, một bản tin sẽ được tạo ra Quá trình được ghi lại bằng camera và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu hình ảnh

WinCC/Industrial X Cung cấp các hỗ trợ khi tạo ra các màn hình riêng hoặc các phần

tử điều khiển (Active X) với Visual Basic Các điều khiển Active

X trên có thể tích hợp với màn hình của WinCCWinCC/ODK Cung cấp các hổ trợ khi phát triển các ứng dụng riêng kết nối với

dữ liệu cấu hình và dữ liệu vận hành của WinCC Lưu trữ dữ liệu giao diện lập trình giữa WinCC và C

WinCC/CDK Cung cấp các hỗ trợ khi phát triển các kênh riêng Lưu trữ dữ liệu

giao diện lập trình giữa WinCC với hệ điều khiểnWinCC/Basic Process

Control

Cung cấp các hỗ trợ cho các dự án điều khiển quá trình và trong trường hợp các hệ thống lớn bao gồm nhiều màn hình Khi đó xây dựng hệ thống màn hình vận hành phân cấp

WinCC/Storage Lưu trữ dữ liệu với WinCC

III.1.2.3 WinCC Add-Ons:

WinCC Add-ons là các sản phẩm và giải pháp cho các ứng dụng đặc biệt

III.1.3 Tích hợp WinCC trong PCS7

III.1.3 Tích hợp WinCC với các giải pháp công nghệ thông tin

Tích hợp với MES và ERP: Các nhà máy hiện đại hiện nay đều yêu cầu một hệ thống thông tin tổng hợp từ cấp điều khiển cấp quản lý sản xuất (MES- Manufacturing Execution Systems) cho tới cấp ERP (Enterprise Resource Planning) Do đó có nhu cầu kết nối WinCC với các hệ thống cấp cao hơn

Cơ sở dữ liệu mở:

Có 2 cơ sở dữ liệu cần cho mỗi dự án WinCC: Dữ liệu cấu hình và dữ liệu vận hành trong đó có chứa dữ liệu quá trình Các dữ liệu cấu hình được tạo ra khi cấu hình hệ thống, còn dữ liệu vận hành tạo ra khi vận hành hệ thống Cả 2 đều sử dụng ngôn ngữ SQL.

Các ứng dụng của MES và ERP đều có thể sử dụng ngôn ngữ truy vấn dư liệu SQL hoặc ODBC để kết nối tới giá trị quá trình

III.1.4 Tính năng mở của hệ thống

III.1.4.1 Các điều khiển Active X:

Các điều khiển Active X là các module chương trình chuẩn của Windows và nó cú giao diện người sử dụng riêng WinCC cung cấp rất nhiều điều khiển Active X Các điều khiển Active X có thể do người sử dụng tự lập trình, hoặc được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau Lựa chọn WinCC/Industrial X hỗ trợ khi xây dựng các điều khiển Active X với Visual Basic Các điều khiển Active X có thể đưa vào các ứng dụng WinCC chỉ bằng cách kéo thả:

III.1.4.2 OLE (Object Linking Embedding)

Đây là tiêu chuẩn giao tiếp giữa chương trình vơi Windows Với OLE từ một chương trình ta có thể gọi tới 1 chương trình ứng dụng khác Ví dụ:

III.1.4.3 OPC (OLE for Process Control)

OPC là một dạng của OLE mà chúng được phát triển cho điều khiển tự động OPC là một chuẩn giao tiếp khá thông dụng khi cần trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng phần mềm trong hệ thống điều khiển tự động

III.1.4.4 SQL và ODBC

SQL và ODBC có thể được sử dụng để kết nối tới cơ sở dữ liệu của WinCC:

 SQL (Structured Query Language): một chuẩn ngôn ngữ để kết nối tới cơ sở dữ liệu

 ODBC (Open Database Connectivity): là chuẩn giao thức để kết nối với cơ sở dữ liệu trong môi trường Windows.

III.1.4.5 API (Application Programming Interface)

WinCC có 1 giao diện lập trình với ngôn ngữ C Do đó các ứng dụng khác có thể can thiệp tới WinCC và có thể kết nối tới cơ sở dữ liệu của WinCC

Hệ thống nhiều người sử dụng có nhiều trạm vận hành (OS Clients) mà chúng được cung cấp dữ liệu từ OS Server thông qua Terminal Bus Terminal Bus là một loại Ethernet Bus, nó độc lập với System Bus và nó chỉ sử dụng cho các loại truyền thông sau:

 Giữa OS Server và OS Client

 Giữa OS Server và Trạm kỹ thuật

 Giữa OS Server và Máy chủ

Hiển thị và hoạt động của các Process diễn ra tại OS Clients, trong khi đó OS Server chịu trách nhiệm giao tiếp với PLC và vùng quản lý dữ liệu,

Hệ thống đa người sử dụng có những ưu điểm sau:

 Tại cùng một thời điểm OS Server vừa có thể giao tiếp với các PLC ở cấp điều khiển, trong khi đó vẫn có thể giao tiếp với cỏc kờnh vận hành ở tầng trên thông qua 2 Bus khác nhau

 Cấu trúc và cách sắp xếp các Clients linh hoạt

 Cấu trúc này có giá thành thấp

 System Bus(or Process Bus) và Terminal Bus là riêng rẽ

Hệ phân tán (Distributed System): Cấu trúc Multi-Clients cho phép dữ liệu có thể

phân tán ra một số Server, và cùng được kết nối bởi Multi-Clients Nó sẽ chia hệ thống thành các Section Mỗi Section có 1 OS riêng Ưu điểm của hệ phân tán là: các Section của hệ thống được tách riêng, có hiệu suất cao hơn

Central Archive Server (WinCC Historian): Sử dụng để lưu trữ tập trung các dữ liệu

quá trình liên quan từ một vài WinCC Servers và các nguồn dữ liệu khác Theo cách đó, dữ liệu quá trình dùng cho phân tích và quan sát sẽ có hiệu lực xuyên suốt công ty

Dữ liệu từ WinCC Historian có thể được hiển thị trờn cỏc màn hình quá trình của WinCC dựa vào WinCC Trend Control or WinCC Alarm Control

Central, Long-term Archive Server: Ví dụ để tạo ra các bản dự trữ (back-up) của các

file cơ sở dữ liệu của các giá trị quá trình lưu trữ 1 lần 1 thỏng Nó có thể được thực hiện theo cách của một Server không có kết nối tới quá trình mà Server trên đó với kết nối tới quá trình

có thể được truyền giao các dự trữ lưu trữ Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện truy nhập đến dữ liệu lưu trữ trao đổi:

 Truy nhập từ xa (Remote access): LAN, WAN, Internet

 Truy nhập sử dụng WinCC OLE-DB

 Sao lưu ngược các file cơ sở dữ liệu trên WinCC runtime system

Truy nhập sử dụng các màn hình quá trình của WinCC

Hệ thống dự phòng (Redundent Systems): Một Server dự phòng thứ 2 được vận hành

cho mỗi Server đang tồn tại Tất cả các dữ liệu quá trình và các thông báo sẽ được xử lý và lưu trữ trên cả 2 Servers Nếu 1 trong 2 Server gặp sự cố, các Clients kết nối với nó sẽ tự động được dẫn đường lại tới Server kia Quá trình vẫn có thể được vận hành và giám sát trên Clients hấu như không có gián đoạn nào