đồ án công nghệ thông tin Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 và ứng dụng trong công đoạn trộn bột nhà máy xeo Công ty giấy Bãi Bằng

Trong phạm vi của đề tài, chúng em đã thực hiện những nội dung sau: Phần 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000: Đề cậpđến các vấn đề cơ bản của mạng truyền thông và th

lời nói đầu

Ngày nay trên thế giới, sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạo thiết bị

tự động hoá và những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin đã chophép các chuyên gia tích hợp hệ thống có các giải pháp kỹ thuật linh hoạt, tối ưu, antoàn và hoàn toàn tự động hoá Người sử dụng có khả năng điều hành, quan sát vàquản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất trong nhà máy bằng các thiết bị gọn nhẹ, làmviệc thông minh và có độ tin cậy cao Mét trong các giải pháp kỹ thuật hiện đại nhất để

tích hợp hệ thống là tích hợp các mạng công nghiệp (Industrial Network) Mạng công

nghiệp của các hãng tự động hoá hàng đầu trên thế giới đều được tích hợp theo chuẩnISO Điều đó có nghĩa là các thiết bị trong mạng không chỉ riêng của một hãng chế tạo

mà còn là thiết bị của hãng khác có thể tích hợp thành một mạng hoàn chỉnh Do vậy

sẽ đạt được một kết quả tốt nhất về kỹ thuật và kinh tế

Việc trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hoá với các thiết bị phân tánđược thông qua các mạng thông tin công nghiệp chuẩn Với ứng dụng của mạng thôngtin trong nhiều lĩnh vực của các nghành công nghiệp khác nhau đã chứng minh côngnghệ này đạt được độ tin cậy cao

Mạng công nghiệp trong những năm gần đây đã được sử dụng trong nhiều lĩnhvực như hàng không, dầu khí, điện năng, chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất ximăng, công nghiệp giấy, công nghiệp khai thác mỏ Những hãng công nghiệp chế tạothiết bị tự động hoá, mà giải pháp kỹ thuật của họ được định hướng như trên là ABB,Honeywell, Siemens và Yokogawa

Ở Việt Nam mạng công nghiệp cũng được sử dụng trong nhiều nhà máy nh: PhảLại, Lâm Thao, Bãi Bằng ,… Do đó, để có được các định hướng theo hướng pháttriển mới, trong đề tài tốt nghiệp của mình em tập chung nghiên cứu ứng dụngCentum CS3000

Trong phạm vi của đề tài, chúng em đã thực hiện những nội dung sau:

Phần 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000: Đề cậpđến các vấn đề cơ bản của mạng truyền thông và thông tin công nghiệp, đưa ra môhình phân cấp, các thiết bị phần cứng, chức năng liên kết mạng trong hệ thống, đồngthời còn đưa ra quá trình tạo một dự án mới

Phần 2: Phần xây dựng hệ thống điều khiển CENTUM CS3000 cho công đoạntrộn bột cho nhà máy xeo, nhà máy giấy Bãi Bằng: Đưa ra được thực trạng của nhàmáy và quá trình xây dựng hệ điều khiển cho công đoạn này, bao gồm cả chọn thiết bịphần cứng và các điểm đo lường điều khiển

PHẦN 1

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CENTUM CS3000

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

I KHÁI NIỆM CƠ BẢN.

Hệ thống Truyền thông thông tin công nghiệp thực chất là một quá trình trao đổithông tin giữa hai thiết bị với nhau theo kiểu truyền thông được quy định trước, đượcgọi là các đối tác truyền thông Đối tác này có thể điều khiển hoặc quan sát các trạngthái của đối tác kia có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau

Đối tác truyền thông thực chất là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá trìnhtruyền thông Các đối tác truyền thông có thể cùng nằm trong một thiết bị, ví dụ nh cácCPU, các module, là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá trình truyền thông

Trạm là thiết bị (nh các hệ thống tự động hoá, thiết bị lập trình, panel điều hành

OP, các thiết bị ngoại vi khác) được ghép nối vào một hay nhiều mạng con(Subnetwork )

Mạng con (Subnetwork ) là sự liên kết thống nhất của các phần tử vật lý tham giavào quá trình truyền thông trong mạng, cũng như của phương pháp truyền thông chung

để đảm bảo sự trao đổi dữ liệu trong mạng được thực hiện

Các thành viên trong mạng Subnetwork không nối với nhau theo kiểu truyềnthông qua lại, mà có một cấu trúc vật lý chung của một mạng Subnetwork ( MPI,PROFIBUS, ModBus, DeviceNet, ControlNet, Industrial Ethernet ) cấu trúc này đượcgọi là môi trường truyền thông (Tranfer medium)

Mạng (Network) là sự liên kết thông nhất của một hay nhiều mạng con kiểu khácnhau, nó liên kết tất cả các trạm để có thể truyền thông với nhau

Subnetwork

Hình 1.1 Mạng truyền thông

Nối là tổ chức logic giữa hai đối tác truyền thông trong mạng để thực hiện mộtdịch vụ truyền thông nhất định nào đó Nối liên kết trực tiếp với dịch vụ truyền thông.Mỗi một nối có có hai điểm kết thúc, hai điểm này có chứa đựng thông tin về địa chỉcủa đối tác truyền thông về cấu trúc đường truyền Những hàm truyền thông được sửdụng cho điểm cuối cục bộ để chỉ đường nối

Những hàm truyền thông được thiết lập sẵn ở các phần mềm chuyên dụng để đápứng các đòi hỏi của dịch vụ truyền thông Các hàm truyền thông thực hiện việc truyền

dữ liệu giữa các đối tác truyền thông, có thể điều khiển các đối tác truyền thông ( ví dụ

nh ngừng truyền thông ) hoặc giám sát các trạng thái tức thời

Dịch vụ truyền thông và phần mềm chuyên dụng mô tả các hàm truyền thông vớicác tiêu chuẩn định trước, nh trao đổi dữ liệu, điều khiển thiết bị, giám sát các thiết bị

và cài đặt chương trình

Một phần mềm chuyên dụng không cần phải thoả mãn tất cả các nhiệm vụ màdịch vụ truyền thông yêu cầu Dịch vụ truyền thông có thể chấp nhận các phần mềmtruyền thông chuyên dụng khác nhau

Trong khi thực hiện truyền thông, một việc không thể thiếu được là khai báo giaothức truyền thông ( Protocol) Protocol thực chất là sự thoả thuận xác định một quy tắctrao đổi dữ liệu nhất định giữa các đối tác truyền thông để xác định dịch vụ truyềnthông được sử dụng Trong giao thức truyền thông cấu trúc truyền dữ liệu được địnhnghĩa: đường truyền vật lý, kiểu lắp đặt các đường nối, bảo vệ dữ liệu và tốc độ truyền.Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện tử giữa các trạm Các tínhiệu điện tử đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng xung nhị phân Khi lựa chọn

đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản của chúng là dải thông (dải

thông của đường truyền chính là phương truyền - được tính bằng số lượng bit được

truyền đi trong một giây Thông lượng còn được đo bằng một đơn vị khác là baud.

Baud biểu thị số lượng thay đổi tín hiệu trong một giây

Độ suy giảm là độ đo sự suy yếu của tín hiệu trên đường truyền Nó cũng phụthuộc vào độ dài của cáp Nhiễu điện từ (EMI- Electromagnetic Interference ) gây rabởi nhiễu điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng

Mật độ dữ liệu là độ lớn của phạm vi lưu trữ dữ liệu không thay đổi với quá trình.Phạm vi lưu trữ dữ liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu có thể làm sai dữ liệu tổng thể.Điều đó có nghĩa phạm vi lưu giữ số liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu thì có thể xẩy ratại một thời điểm nào đó mật độ dữ liệu bao gồm cả khối dữ liệu cũ và khối dữ liệumới

II NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

1 Khái niệm hệ thống thông tin công nghiệp

Hệ thống thông tin công nghiệp là một khái niệm mới trong kỹ thuật thông tinhiện đại Nó làm nhiệm vụ thu nhận, biến đổi thông tin trong quá trình đo lường điềukhiển và đang là xu hướng của nền công nghiệp tự động hoá các quá trình

Hệ thống bao gồm các quá trình:

- Thu thập thông tin từ đối tượng

- Gia công, xử lý thông tin

- Truyền thông tin trên kênh liên lạc

- Lưu giữ thông tin

- Tìm kiếm thông tin để chọn ra những thông tin khác nhau…

Từ đó ta có thể đưa ra định nghĩa về một hệ thống thông tin công nghiệp nh sau :Một hệ thống tự động đo, điều khiểu và gia công thông tin theo mét Algorithmnào đấy, được kết nối trong hệ thống mạng thực hiện việc truyền tin giữa các đối táctruyền thông trong hệ thống đó theo mét giao thức công nghiệp thì được gọi là hệthống thông tin công nghiệp

Sơ đồ khối của hệ thống:

§èi t îng

nghiªn cøu

Bé ®iÒu khiÓn Ng êi thao t¸c

ThiÕt bÞ gia c«ng th«ng tin

BiÕn truyÒn vµ l

u gi÷

HiÓn thÞ

ThiÕt bÞ thu nhËn th«ng tin

- Thiết bị thu nhận thông tin: Quá trình đo và biến đổi thành tín hiệu chuẩn nhưcác sensor, các tranmiter

- Thiết bị gia công: Chíp vi xử lý hoặc máy tính PC

- Biến truyền và thiết bị lưu giữ : Thông tin được truyền trên các đường dây nhờcác thủ tục giao thức mạng

- Thiết bị thể hiện: Thông tin được thể hiện theo nhiều cách

+ Các thiết bị cũ nh: - Dụng cô kim chỉ

- Dụng cụ tự ghi

- Dụng cụ số+ Các thiết bị hiện đại: Màn hình giám sát, Các hiển thị số

- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển dùng cho các hệ thống nhỏ là các Microcontroller, còncác hệ thống lớn là các CPU làm việc nh một máy tính công nghiệp

2 Nhiệm vụ của hệ thống thông tin công nghiệp :

Hệ thống thông tin công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ sau :

2.1 Đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng về số

lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu Đây là quá trình quan trọng nhấtbởi từ kết quả này sẽ phục vụ cho các bước tiếp theo trong hệ thống

2.2 Kiểm tra: Là so sánh trạng thái của đại lượng kiểm tra với mẫu và đưa ra tín hiệu

để đánh giá

2.3 Nhận dạng: Xác định xem có sự tương ứng giữa đại lượng cần kiểm tra với mẫu

hay không

2.4 Điều khiển: Từ các kết quả đo nhận được chúng sẽ được tính toán theo các luật

điều khiển để đưa tín hiệu ra điều khiển đối tượng

2.5 Chuẩn đoán: Để giúp cho hệ thống làm việc hiệu quả cần thiết phải chuẩn đoán

tình trạng thiết bị Một hệ thống chuyên kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị thìđược gọi là hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật

2.6 Tính toán: Đây là quá trình tính toán theo các Algorithm từ các đại lượng đầu vào

để đưa ra quyết định

2.7 Truyền thông: Đây là quá trình rất quan trọng trong hệ thống thông tin công

nghiệp bởi ngày nay khi các đối tác tham gia truyền thông là rất lớn thì vấn đề truyềnthông tin đảm bảo không lỗi và hiệu quả là vấn đề đặt lên hàng đầu

3 Các loại hệ thống thông tin công nghiệp

3.1 Phân loại hệ thống theo sơ đồ cấu trúc.

3.1.1 Hệ thống với cấu trúc song song.

- Đặc điểm : Các kênh làm việc độc lập với nhau.

- Ưu điểm : Độ tin cậy cao, tốc độ truyền thông tin cao, nếu hỏng một kênh cáckênh kia vẫn hoạt động

- Nhược điểm tốn kém dây dẫn, hệ thống rất phức tạp và chỉ kinh tế trong phạm vimột nhà máy

3.1.2 Hệ thống với cấu trúc nối tiếp.

- Đặc điểm: Hệ thống biến tín hiệu song song thành nối tiếp, mỗi tín hiệu chiếm mộtkhoảng thời gian do người thiết kế quyết định và phụ thuộc vào sai số, tốc độ của hệthống yêu cầu

- Ưu điểm : tiết kiệm dây dẫn dẫn đến giá thành rẻ

- Nhược điểm: Độ tin cậy thấp

HiÓn thÞ

- Ưu điểm : Độ tin cậy tăng số kênh tăng

- Nhược điểm : Phức tạp , thường được sử dụng trong các hệ thống lớn

3.1.4 Hệ thống kiểm tra tự động

Đại lượng đo được so sánh với mẫu cho toàn hệ thống, sau đó được đưa về để

xử lý kết quả đo phân tích và điều khiển

3 2 Phân loại theo môi trường truyền đẫn.

- Hệ thống hữu tuyến: Là hệ thống sử dụng các đường truyền thông tin thôngthường nh cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục Tốc độ truyền có thể lên tới hàngMb/s

- Hệ thống truyền vô tuyến: Là hệ thống sử dụng sóng vô tuyến truyền đi trongkhông gian, đường truyền này rất thích hợp với những khu vực địa hình phứctạp mà ở đó khả năng thực hiện một đường truyền hữu tuyến là không hiệnthực Tốc độ truyền có thể lên đến hàng Gb/s

- Hệ thống cáp quang: Đây là môi trường truyền dẫn đặc biệt, tín hiệu truyền trênđường truyền là tín hiệu quang sử dụng các bước sóng trong vùng hồng ngoại.Cáp quang có rất nhiều ưu điểm nh: khả năng chống nhiễu điện từ cao, tínhbảo mật, tốc độ truyền

3 3 Phân loại theo mục đích

- Hệ thống đo lường: Đó là các hệ thống có nhiệm vụ đo lường các đại lượng vật

lý, thông tin ra bằng số hoặc mang tính chất số lượng

- Hệ thống kiểm tra tự động và điều khiển: Để thực hiện việc kiểm tra (hay điềukhiển ) cần thiết phải có giá trị đặt và so sánh đại lượng kiểm tra với chúng

- Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Trên cơ sở của kết quả đo so sánh với mẫu để đưa

®o

HiÓn thÞ

3 4 Phân loại hệ thống theo khoảng cách.

- Hệ thống gần: Là hệ thống hoạt động trong phạm vi nhà máy bán kính 2 Km Nóthường sử dụng các chuẩn thông tin nh RS422, RS485

- Hệ thống xa: Là hệ thống hoạt động với bán kính lớn hơn 2 Km Người tathường sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu nh điều chế tần số, điều chếpha

3 5 Phân loại theo quy mô hiện đại hoá

3.5.1 Hệ thống tập trung quy mô nhỏ:

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ nh hìnhbên Một máy tính duy nhất để điều khiển các quá trình con Các bộ cảm biến và cơcấu chấp hành được nối trực tiếp điểm - điểm với các máy tính điều khiển trung tâmqua các cổng vào ra của nó Đặc điểm chung nhất của hệ thống này là toàn bộ quá trình

xử lý tập chung ở một thiết bị điều khiển duy nhất

Ưu điểm của hệ thống này là thích hợp với các loại máy móc và thiết bị và cácđiểm đo Ýt bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điềukhiển

Tuy nhiên cấu trúc này cũng có hạn chế nh: Viếc nối dây phức tạp, giá thànhcao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn Độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc hoàntoàn vào một máy tính điều khiển duy nhất Nếu muốn nâng cao độ tin cậy của hệthống phải dùng thêm một máy tính dự phòng cho máy tính điều khiển dẫn đến giáthành cao

Điển hình cho các hệ thống có cấu trúc tập trung là các hệ thống:

- CAMAC : Computer Application for Measurement and Control

- SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition

Cấu trúc của một hệ thống điều khiển tập trung :

3.5.2 Hệ thống có cấu trúc phân tán :

Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính điều khiển và tăng tính linh hoạt

ổn định của hệ thống, trong cấu trúc phân tán mỗi quá trình con ( hay một nhómquá trình con ) được điều khiển, giám sát bởi một máy tính riêng

Đặc điểm của hệ thống có cấu trúc phân tán là việc phân bố chức năng theochiều rộng và theo chiều sâu, kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông thay chophương pháp dùng dây nối và bảng điện cổ điển Bên cạnh việc sử dụng các cụmvào ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa ra các loạimáy tính chấp hành nhỏ (ví dụ như các bộ điều khiển chuyên dụng, các loại vi điềukhiển ) xuống các vị trí liền kề với các quá trình kỹ thuật Sơ đồ chung của hệthống có cấu trúc phân tán nh dưới Trong cấu trúc này, trung tâm điều khiển baogồm các trạm kỹ thuật (ES – Engineering Station), trạm thao tác vận hành OS(Operation Station) và trạm phục vụ SS (Server Station) là các máy tính côngnghiệp kết hợp với trung tâm điều hành sản xuất

Tại cấp điều khiển và giám sát bao gồm các thiết bị điều khiển tại chỗ nh các bộ

vi điều khiển, các module vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm ứng và cơ cấu chấp hànhđược nối lên trung tâm

Nhìn chung, hệ thống cấu trúc điều khiển phân tán ra đời khắc phục được tínhnăng thời gian thực, tiết kiệm dây dẫn, độ ổn định cao, linh hoạt và phạm vi quản lýrộng

Hệ thống này được giới thiệu chi tiết ở phần sau

M¸y tÝnh ®iÒu khiÓn trung t©m

C¬ cÊu

chÊp

hµnh

C¬ cÊu chÊp hµnh

C¬ cÊu chÊp hµnh

®iÒu khiÓn ®iÒu khiÓnM¸y tÝnh

Bé ®iÒu khiÓn Qu¸ tr×nh

I/O Qu¸ tr×nh I/O

* Các kiểu liên kết logic :

+ liên kết điểm - điểm : chỉ có 2 đối tác tham gia, về vật lý thì 2 trạm này đượcnối chung 1 đường dây

+ liên kết điểm - nhiều điểm : nhiều trạm nối chung với 1 trạm chủ Các đối tác

sẽ nối chung 1 đường dây

+ liên kết nhiều điểm – nhiều điểm : nhiều đối tác tham gia và thông tin đượctrao đổi theo nhiều hướng Chúng đều nối trên 1 đường dây Đây là đặc trưng củamạng truyền thông trong điều khiển phân tán

Topology được hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng và cũng là sắpxếp logic của các nút mạng

*Một số kiểu topology:

- Topology hình sao

Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất

cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông toàn mạng Các thành viên khácđược kết nối với nhau qua trạm trung tâm Kiểu liên kết vật lý ở đây là điểm - điểmnhưng về mặt liên kết logic thì có thể là điểm – nhiều điểm Cấu trúc này có nhượcđiểm là tốn dây dẫn, nếu có sự cố ở trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các mạng truyềnthông trong mạng vì vậy trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao

Cấu trúc này thường được áp dụng trong các phạm vi nhỏ thường được dùng để

mở rộng cấu trúc khác

- Topology vòng lặp:

Trong cấu trúc này các đối tác được nối thành vòng kín Thông tin truyền theo 1chiều, ưu điểm là tín hiệu được truyền đi xa và ngăn khả năng xảy ra xung đột Có hailoại mạng vòng là mạch vòng có điều khiển trung tâm và loại mạch vòng không cóđiều khiển trung tâm Với mạch vòng có điều khiển trung tâm một trạm chủ sẽ đảmnhận việc truy cập đường truyền Với mạch vòng không có điều khiển trung tâm, cáctrạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu Nh vậy, việc kiểmsoát đường truyền do các trạm tự phân chia

- Topology bus:

Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông được nối trên cùng một dây dẫnchung Với cấu trúc daisy chain các đối tác truyền thông được nối trực tiếp vào đườngtruyền Cấu trúc trunk- line/ drop-line thì có các dây nối từ các thiết bị tới đường buschung Cấu trúc này có ưu điểm là đơn giản và tiết kiệm dây dẫn do dùng chung mộtđường dẫn duy nhất, bên cạnh đó còn có ưu điểm là tính đơn giản, dễ thực hiện Vì vậy

mà cấu trúc này rất phổ biến trong mạng công nghiệp Tuy nhiên việc dùng chung mộtđường dẫn đòi hỏi việc phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tínhiệu gọi là phương pháp truy cập đường truyền Tuy nhiên một nhược điểm dễ thấy làtất cả các trạm có khả năng phát và luôn lắng nghe đường dẫn để phát hiện ra mộtthông tin có phải gửi cho mình hay không nên phải thiết kế sao cho đủ tải và số trạmtối đa Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn, khi cần mở rộng mạngthì phải lắp thêm bộ lặp

CÊu tróc trunk – line/drop line CÊu tróc daisy chain

D

B

CA

Cấu trúc cây.

Là cấu trúc tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc trên Đây là cấu trúcthường gặp Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấutrúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao Đặc trưng của cấu trúc này là sự phân cấpđường dẫn Để chia từ đường trục ra tới các nhánh có thể dùng các bộ nối tích cực haycác bộ lặp để mở rộng phạm vi của mạng Trong trường hợp các mạng con này hoàntoàn khác nhau thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng nh Bridge, Router và Gateway.Một số ví dụ các hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho mạng đồng nhất làFoundation Fieldbus, LonWorks, DeviceNets và AS-I

1.2 Giao thức công nghiệp.

a Khái niệm:

Để trao đổi thông tin trên mạng, các đối tác truyền thông phải tuân theo các thủtục chung để phục vụ cho việc giao tiếp gọi là giao thức Giao thức chính là cơ sở choviệc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông

Mét giao thức sẽ bao gồm những quy định:

- Định thời: Quy định về các thủ tục giao tiếp, chế độ truyền dẫn, tốc độ truyền

- Ngữ nghĩa: Quy định về nội dung của từng phần trong mét khung truyền

- Cú pháp: Quy định về cấu trúc Frame

Quá trình xử lý các giao thức có thể là mã hoá tín hiệu hoặc giải mã Xử lý giao thức làquá trình thực hiện 1 quá trình truyền thông dựa trên cơ sở giao thức đã định

Giao thức chia làm 2 loại :

- Cấp cao: gồm người sử dụng và thực hiện bằng phần mềm Ví dụ nh FTP (FileTranfer Protocol) dùng trao đổi dữ liệu và truyền xa, HTTP (Hyper Text TranferProtocol) để trao đổi dữ liệu truyền xa, MMS (Manuafactory MessageSpecification) dùng cho giải pháp về đo lường, điều khiển

- Cấp thấp: thực hiện nhờ phần cứng Ví dụ TCP/IP (Transmission ControlProtocol / Internet Protocol) dùng cho mạng Internet, HDLC (High-lever Data LinkControl) dùng cho giao diện vật lý của bus trường Đây là giao thức sử dụng rộng rãi

trong hệ thống bus trường

b Các giao thức công nghiệp hiện đang sử dụng.

Bé nèi vßng

Bé nèi

* Yêu cầu:

- Dễ dàng cho các hệ thống xử lý: chọn giao thức đơn giản, ví dụ nh ASCII

- Tính bảo toàn dữ liệu cao: chọn phương thức kiểm tra lỗi hiệu quả, ví dụ CRC

- Chuẩn hoá các giao thức: cần phải có giao thức truyền thông công nghiệp chung

do yêu cầu trao đổi thông tin từ các thiết bị khác nhau, ví dụ Modbus

- Tốc độ truy cập cao: yêu cầu cập nhật đồng thời các thông số từ các thiết bịtrường là đồng thời

 ASCII cho Transmitter sè:

Các Transmitter số có thể coi là các thiết bị đo thông minh, chúng được tích hợp cáccổng ghép nối truyền thông nh RS232, RS485 …

+Phần cứng truyền thông: Được ghép theo chuẩn RS232, chế độ truyền đơn công.

Trạm chủ sẽ gửi thông báo cho các trạm tớ, trong thông báo có mang địa chỉtrạm nhận Trạm nào mang địa chỉ này sẽ được nhận và hồi đáp tới trạm chủ

• Ghép nối phần cứng theo chuẩn RS485: chế độ truyền bán song công

Trạm chủ phát thông báo để các trạm tớ cùng nghe, nếu trạm tớ they địa chỉ đó là củamình thì tiếp nhận và gửi lại cho trạm chủ

 Cấu tróc giao thức ASCII :

Phương thức hoạt động của giao thức ASCII là cơ chế hỏi / đáp Chúng được áp dụngtruyền thông giữa các trạm chủ (PC/PLC) với các transmitter Trạm chủ luôn phát tínhiệu 1 cách tuần tự Độ dài cực đại của mỗi mã trả lời là 20 kí tự

Phương pháp kiểm soát lỗi tổng để kiểm tra giá trị các số HEX trong bản tin

Các thiết bị nối mạng sẽ kiểm tra Bus liên tục để phát hiện ra đầu khung truyền (bắtđầu) thời gian nghỉ đến 1s nhưng nếu quá thì sẽ lỗi

- Là giao thức được phát triển bởi Modicol Thực chất là 1 chuẩn giao thức mà dịch

vụ thuộc tầng ứng dụng Vì vậy, nó được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấpthấp: TCP/IP, MAP (Manuafacturing Message Protocol) Modbus định nghĩa là mộttập hợp rộng lớn các dịch vụ trao đổi dữ liệu quá trình - điều khiển Modbus thựchiện việc trao đổi giao tiếp giữa bộ điều khiển và thiết bị truyền thông qua cơ chếhỏi đáp Modbus sử dụng trên các đường truyền RS232 ghép nối với các thiết bịđầu cuối DTE và DCE

Cách thức giao tiếp phụ thuộc vào hệ thống cấp thấp, chia làm 2 loại:

+ Modbus chuẩn: sử dụng giao diện RS232, các bộ điều khiển có các cổng giao tiếpnày có thể được nối mạng với nhau trực tiếp hay qua moderm Chóng giao tiếp theo

cơ chế chủ / tớ, ở đó trạm chủ chủ động gửi yêu cầu cho trạm tớ

+ Modbus Plus: là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơchế riêng Ví dụ trong giao tiếp điểm-điểm, các bộ điều khiển có thể thay nhauđóng vai trò chủ / tớ

 Cơ chế hỏi / đáp:

- Thông báo hỏi tới các trạm tớ gồm:

+ Địa chỉ trạm nhận: 0-247, trong đó 0 là gửi đồng loạt

+ Mã hàm: gọi chỉ thị hoạt động trạm tớ cần thực hiện yêu cầu

+ Dữ liệu: chứa thông tin bổ xung mà trạm tớ cần thực hiện cho việc trạm gọi + Thông tin kiểm tra lỗi: giúp trạm tớ kiểm tra sự toàn vẹn của nội dung thông tin.Chu trình hỏi / đáp:

+ Mã hàm: trả lời trạng thái của mình

+ Chế độ truyền: có thể sử dụng ASCII hay RTU

Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một tronghai chế độ truyền là: RTU và ASCII

- Chế độ truyền ASCII: Mỗi byte trong bản tin được gửi 2 kí tự ASCII, ưu điểm làcho phép khoảng trống tối đa giữa 2 kí tự tới 1s mà không gây lỗi

- Chế độ truyền RTU: Trong chế độ RTU (Remote Terminal Units) mỗi byte trongthông báo được gửi thành một kí tự 8 bit, ưu điểm là hiệu suất cao nhưng nhượcđiểm là mỗi thông báo phải truyền thành dãy liên tục

- Định dạng khung truyền: Các thông báo trong Modbus có nhiều thành phần vàchiều dài khác nhau Khi chế độ truyền được chọn, sẽ có khung ứng dụng đượctruyền đi Các kí tự sẽ được truyền đi liên tục ở RTU và gián đoạn ở ASCII Mụcđích chính của việc định dạng khung truyền chính là để đánh dấu điểm khởi đầu vàđiểm kết thúc của thông báo đồng thời bổ xung thông tin kiểm tra lỗi

b.3 Giao thức HDLC (High-level Data Link Control)

- Là giao thức chuẩn cho lớp liên kết dữ liệu Nó được ứng dụng trong việc truyền sốliệu điểm- điểm và nhiều điểm, quản lý liên kết và sửa lỗi, cho phép có sự thay đổicác kiểu liên kết Đây là giao thức hướng bit, các phần tử được xây dựng từ cấu trúcnhị phân và khi nhận dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit

Cấu tróc khung truyền HDLC:

Header TraileFlag Address Control Informatio

n

8 bit 8 bit 8-16 bit unlimited 16-32 bit 8 bit

Sử dụng truyền đồng bộ, các khung truyền cùng một dạng

Phần địa chỉ và điều khiển được hiểu là phần đầu của khung truyền, còn các bit kiểmtra lỗi FCS hay là Traile

+ Flag: dùng để nhận biết đầu và cuối khung truyền với dãy bit: 01111110 Dãy nàykhông thể xuất hiện trong các phần thông tin khác nhau nhờ phương pháp bit Stuffingthực hiện ở trạm gửi, tức là cứ sau 1 dãy bít có 5 bit liền nhau có giá trị 1 thì liền sau

đó 1 bit 0 được thêm vào Tại bên nhận, nếu được 5 bit 1 liền trước bit 0 thì bit 0 đượctách ra, còn trong tín hiệu là bit 1 thì số liệu nhận sẽ không bị lỗi, kết thúc khungtruyền

+ Address: chứa địa chỉ bên gửi và nhận

+ Control: định danh cho các khung truyền khác nhau:

 Loại U (unnumbered): có chức năng thiết lập liên kết dữ liệu theo các phươngpháp hoạt động khác nhau và để giải phóng liên kết khi cần, đây là loại khungđiều khiển.

 Loại I (information): chứa thông tin người dùng và chức năng kiểm soát lỗithông tin

 Loại S (supervisory): là khung điều khiển có chức năng kiểm soát thông tin dữliệu khi truyền

+ Information: không có chiều dài xác định, phụ thuộc vào thông tin truyền

+ FCS (Frame Check Sequence): gồm các bit kiểm tra lỗi, ghi các mã kiểm soát lỗicho nội dung khung, bao gồm phần nằm giữa 2 Flag

b.4.Giao thức HART (Highway Addressable Remote Transducer).

Đây là giao thức cho các thiết bị đo thông minh, được thiết kế cho các vùng dữ liệuđược đo truyền từ các thiết bị đo, cảm biến và các cơ cấu chấp hành với kỹ thuậttruyền tin số Các thành phần này được kết nối tới các PLC và máy tính

Có 2 phương pháp chính cho truyền tin của các thiết bị đo thông minh :

Giao thức HART có thể dùng để:

- Liên kết điểm - điểm với các tín hiệu tương tự sử dụng dòng 4-20 mA

- Liên kết với thiết bị trường trong chế độ nhiều trạm chủ

- Chế độ điểm- điểm với duy nhất một thiết bị trường ở trường hợp đặc biệt

Thiết bị thông minh đặt tín hiệu ra Analog tới dòng không đổi là 4 mA và truyền đitheo dạng số

HART có 2 cách định dạng truyền số liệu theo dạng số:

- Chế độ thăm dò/đáp ứng

- Chế độ gián đoạn

Trong chế độ thăm dò/đáp ứng thì trạm chủ thăm dò các thiết bị thông minh trên

Mặc dù chế độ này thực hiện nhanh nhưng nó không được sử dụng trong mạngnhiều trạm chủ.

Những lợi Ých khi so sánh HART với các giao thức khác:

- Cho phép truyền số liệu theo dạng tương tự và số đồng thời

- Cho phép một số thiết bị tương tự truyền trên đường truyền cao

- Cho phép nhiều trạm chủ điều khiển các thiết bị thông minh tương đương

- Cho phép truyền khoảng cách xa số liệu trên đường điện thoại

- Cho phép 2 kiểu truyền dữ liệu đan xen nhau

- Cho phép sự mềm dẻo của các dạng thông báo của các đặc trưng mới

- Cho phép tới hơn 256 quá trình trong thiết bị trường thông minh

Truy cập Bus.

Hai phương pháp truy cập Bus có thể được áp dụng độc lập hay hỗn hợp là TokenPassing và Master Slave Nếu áp dụng độc lập, Token Passing thích hợp với các mạngFMS dùng ghép nối thiết bị điều khiển và máy tính giám sát đẳng quyền trong khi đóMaster Slave thích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với cácthiết bị hiện trường cấp dưới sử dụng Profibus DP hay Profibus PA Khi sử dụng kếthợp, nhiều trạm tích cực có thể giữ token, một trạm tích cực nhận được token sẽ đóngvai trò là chủ để kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ mà nó quản lý hoặc có thể tự

do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng Chính vì nhiều trạm tích cực đóngvai trò là chủ nên mạng kết hợp còn được gọi là mạng nhiều chủ Thời gian vòng tối đa

để một trạm tích cực lại nhận được token có thể chỉnh bằng tham sè Khoảng thời giannày chính là cơ sở cho việc tính toán chu kì thời gian của cả hệ thống

c Các phương pháp truy cập đường truyền.

Trong hệ thống mạng công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng Bus đóng vai tròquan trọng bởi:

- Chi phí Ýt cho dây dẫn

- Dễ thực hiện lắp đặt

- Linh hoạt và thích hợp cho truyền dẫn

Có nhiều phương pháp truy cập Bus khác nhau và mỗi phương pháp có ảnh hưởngkhác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống Ta phải quan tâm tới 3 khía cạnh:

độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền Ta sẽ xét tớimột số phương pháp truy cập bus

c.1.Phương pháp truy cập Master/Slave.

Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân chiathời gian và quyền truy cập bus cho các trạm tớ (Slave) Các trạm tớ đóng vai trò bịđộng, chỉ có quyền truy cập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạm chủ có thểdùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kì để kiểm tra, kiểm soát toàn bộ hoạt

động giao tiếp của hệ thống Nhờ vậy các trạm tớ có thể gửi dữ liệu thu thập được từquá trình kỹ thuật tới các trạm chủ cũng như nhận các thông tin điều khiển.

Phương pháp Master/Slave

Trình tự giao tiếp của các trạm có thể do người sử dụng quy ước bằng các công cụlập trình tạo lập cấu hình Phương pháp này có ưu điểm là việc kết nối các trạm tớ đơngiản, đỡ tốn kém và toàn bộ mọi chức năng tính toán đều trên trạm chủ Tuy nhiênphương pháp này có nhược điểm là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bịgiảm đi do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sửdụng đường truyền Hạn chế nữa là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộchoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất, nếu xảy ra sự cố trên trạm chủ thì toàn bộ hệthống ngừng làm việc Chính vì 2 lý do trên mà phương pháp này chỉ sử dụng trongcác hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị khi việc trao đổi thông tinhầu như chỉ diễn ra giữa các trạm chủ và các trạm tớ là các thiết bị trường hay modulvào ra phân tán

c.2.Phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access).

Trong phương pháp này, mỗi trạm được phân chia thời gian truy cập bus nhất định,các trạm có thể thay nhau lần lượt gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi làlát thời gian (time slice) theo một tuần tự quy định sẵn Việc phân chia này được thựchiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động Khác với phương pháp Master/Slave, ở đây

có thể có hay không có trạm chủ, nếu có trạm chủ thì vai trò của nó chỉ hạn chế ở mức

độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các trạm khác Mỗi trạmđều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp với các trạm khác

c.3.Phương pháp Token Passing.

Token là bức điện ngắn không mang dữ liệu Mỗi trạm được quyền truy nhập bus vàgửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ token Sau khi không có nhu cầu gửi

Master

Slave

nhất định Nếu trình tự này đúng với trình tự vật lý sắp xếp trong mạng thì gọi làToken Ring, còn nếu trình tự chỉ có tính chất logic thì gọi là Token Bus.

Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi mà còn cóthể đóng vai trò kiểm soát sự hoạt động của các trạm khác Các trạm không có tokencũng có khả năng tham gia kiểm soát

Phương pháp Token Passing

Để kiểm soát mạng, các hoạt động sau được thực hiện:

- Giám sát token: Nếu do một lỗi nào đó token bị mất hay thừa thì cần phải thôngbáo xoá token cũ và tạo ra token mới

- Khởi tạo token: Sau khi khởi động một trạm có trách nhiệm tạo 1 token mới

- Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố phải được phát hiện vàtách ra khỏi vòng logic

- Bổ xung trạm mới: Một trạm mới cần được kết nối mạng, một trạm cũ đượcthay thế hay đưa trở lại sau khi sửa chữa phải được bổ xung vào mạch vònglogic để có thể nhận được token

c.4.Phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multiple with Collision Detection).

Theo phương pháp CSMS/CD, mỗi trạm đều có quyền truy cập bus mà không cầnmột sự kiểm soát nào Phương pháp này thực hiện nh sau;

- Mỗi trạm đều phải tự lắng nghe đường dẫn, nếu đường dẫn rỗi thì mới được phátthông tin

- Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó nên vẫn có khả năng xảy ratrường hợp hai hay nhiều trạm cùng phát tín hiệu trên đường truyền, do đó trongkhi phát thì mỗi trạm vẫn phải tự lắng nghe xem tín hiệu nhận được có xung độthay không Trong trường hợp có xung đột, các trạm cần huỷ bỏ bức điện củamình và chờ gửi lại

Ưu điểm : đơn giản, linh hoạt và việc ghép thêm hay huỷ bỏ các trạm không ảnhhưởng gì đến hoạt động của mạng

Nhược điểm : tính bất định của thời gian phản ứng Do tính bình đẳng của các trạm lànhư nhau nên có thể một trạm phải chờ một thời gian dài, do đó hiệu suất sử dụngđường truyền thấp

Tương tự nh CSMA/CD, mỗi trạm đều phải lắng nghe đường dẫn và sau khi gửithông tin Tuy nhiên một phương pháp mã hoá bit thích hợp được sử dụng ở đây đểtrong trường hợp xảy ra xung đột, tín hiệu này sẽ lấn át tín hiệu kia.

II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DCS :

Hệ thống DCS ( Distributed Control System ) là hệ thống điều khiển kết hợpnhiều thành phần khác nhau Hệ thống bao gồm các module phân tán với các chứcnăng điều khiển phân tán được liên kết với nhau theo một hệ thống mạng tuân theo cácgiao thức truyền thông công nghiệp

Hệ thống bao gồm các Module phân tán có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo lường,đưa ra các quyết định điều khiển đối tượng theo các luật đã định sẵn đồng thời nhậncác yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát để thực hiện các yêu cầu như gửi số liệu quátrình để lưu trữ lên trên, điều khiển trực tiếp đối tượng khi cần , thực hiện các chứcnăng phân tán trên các phân đoạn phân tán ( chẳng hạn như phân tán về mặt địa lý, vềmặt điều khiển ), các máy tính điều khiển ( như các bộ controller , IP, .), Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển theo quá trình ( ra nhiệm vụ chocác phần điều khiển riêng biệt, sau đó chỉ giám sát quá trình đó, hoặc trực tiếp điềukhiển một thiết bị hoặc một quá trình nào đó

Cấu trúc này ra đời đã khắc phục được tính năng thời gian thực, tiết kiệm dâydẫn và tính ổn định bền vững của hệ thống tốt hơn, linh hoạt, phạm vi hoạt động của

hệ thống này cũng vì thế được mở rộng Mặt khác với cấu trúc mở khiến cho khả nănggiao tiếp của hệ thống được mở rộng đáp ứng các đòi hỏi của quá trình công nghệ Một trong những minh chứng là công nghệ bus trường sử dụng kỹ thuật truyền thông

số, đã làm cho giá thành đi dây giảm, độ tin cậy cao và khả năng chống nhiễu rất tốt

1 Phân loại các hệ thống DCS

- Các hệ DCS truyền thống: Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặcchủng theo kiến trúc riêng của các nhà sản xuất cùng với các trạm điều khiểncủa riêng hãng

- Các hệ DCS trên nền PLC: Các PLC giữ vai trò nh một máy tính và được kết nốivới máy tính Về cơ bản các PLC cũng có các thành phần giống nh các máy tínhthông thường, đó là bộ vi xử lý, các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình,giao diện vào ra và bộ cung cấp nguồn Tuy nhiên, một điểm khác cơ bản là cácthành phần giao diện người máy như màn hình, bàn phím và chuột không đượctrang bị, việc lập trình phải được thực hiện thông qua máy tính gián tiếp riêngbiệt ghép nối với CPU thông qua giao diện thiết bị lập trình

- Các hệ DCS trên nền PC: Sử dụng máy tính cá nhân PC trực tiếp làm thiết bịđiều khiển Thế mạnh của hệ này là có tính năng mở, khả năng lập trình tự do,

hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, Và đặc biệt là rất hiệu quả về mặt kinh

tế kỹ thuật

Trạm điều khiển là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điềuhành thời gian thực và được cài đặt các card giao diện bus trường, bus hệ thống

2 Tổ chức của một hệ điều khiển phân tán.

Trước hết để có một cái nhìn tổng quát về một hệ thống điều khiển phân tán , tahãy tìm hiểu về mô hình phân cấp của nó :

Hình 2.1 Mô hình phân cấp hệ điều khiển

2.1 Cấp chấp hành

Có chức năng chính là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trongtrường hợp cần thiết Thực tế đa số các thiết bị cảm biến (sensor), các cơ cấu chấphành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyềnđộng được chính xác nhanh nhạy Các thiết bị thông minh cũng có thể nhận việc xử lýthô trước khi đưa lên cấp điều khiển

2.2 Cấp điều khiển

Có nhiệm vụ nhận thông tin từ cảm biến, xử lý thông tin theo một thuật toánnhất định và truyền xuống cơ cấu chấp hành, đồng thời cũng nhận thông tin từ cơ cấuchấp hành gửi lên để đưa lên cấp trên nó Cấp điều khiển bao gồm các thiết bị nh :trạm điều khiển hiện trường FCS ( Field Control System ), các hệ thống PLC( Programmable Logic Controller )

2.3 Cấp điều khiển giám sát

Có chức năng giám sát, vận hành một quá trình kỹ thuật Khi đa số các chức

Trong cấp này gồm có:

- Trạm giao diện người - máy HIS ( Human Inteface Station ) : Đó là các máytính cá nhân có cài đặt phần mềm điều khiển, có khả năng hiển thị các thôngtin của hệ thống DCS và các hệ thống phụ khác

- Trạm thiết kế kỹ thuật EWS ( Engineering Work Station ) : Thực hiện các chứcnăng thiết kế, định nghĩa cấu hình mọi thiết bị kết nối trong hệ thống, phânvùng quản lý hệ thống, giải quyết các công việc về kỹ thuật, mở rộng hệ thống.Máy tính thực hiện chức năng của EWS cũng giống nh của HIS

2.4 Cấp quản lý

Bao gồm các mạng máy tính được nối mạng với nhau và có chức năng nh :

- Giám sát, theo dõi, đánh giá quá trình sản xuất, vận hành

- Lập kế hoạch sản xuất

3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển phân tán

Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, sự phân tán thể hiện được sựvượt trội, khắc phục được sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tậptrung và tăng tính linh hoạt của hệ thống Hơn thế nữa, hiệu năng, độ tin cậy và khảnăng đáp ứng thời gian thực của hệ thống cũng được nâng cao nhờ sự phân tán chứcnăng xuống cấp dưới

Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều khiển phân tán được thể hiện trên hình sau:

Hình 2.2 Cấu trúc hệ điều khiển phân tán

Hệ thống bao gồm các Module phân tán có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đolường, sử dụng các hệ thống Bus trường với kỹ thuật truyền tin số để truyền số liệu lêncấp điều khiển giám sát, đưa ra các quyết định về điều khiển đối tượng theo các luật đãđịnh sẵn đồng thời nhận các yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát để thực hiện

Cấu trúc của hệ điều khiển phân tán sẽ nói kỹ hơn trong phần cấu trúc mạng của

hệ CENTUM CS3000

4 Chức năng của hệ thống điều khiển phân tán

4.1.Chức năng đo lường điều khiển

Đây là một chức năng rất quan trọng của hệ thống, nó cho phép thực hiện việc

đo lường các quá trình nhằm thu được số liệu cần lưu giữ, đưa ra các cảnh báo quátrình, đưa vào tính toán để điều khiển đối tượng

Có nhiều phương thức để điều khiển:

- Điều khiển dùng các bộ điều khiển nh PID, các bộ hiển thị

- Điều khiển theo trình tự: điều khiển theo mét chu trình đã định sẵn hoặc điều khiển

4.2.Chức năng hiển thị.

Có thể hiển thị thông tin dưới dạng sau:

 Hiển thị trên các Faceplate

Hệ thống cho phép tổ hợp vài khối hoặc vài biến để tạo thành một Faceplate Trên mỗiFaceplate có thể có nhiều nút bấm, các đèn báo, các thông tin về giá trị của biến, chỉthị

 Hiển thị tổng thể

Cho phép người sử dụng có thể quan sát được quá trình làm việc hoặc một công đoạnnào đó của nhà máy Người vận hành có thể gọi bất kỳ của một công đoạn nào của quátrình để thể hiển thị qua màn hình

 Hiển thị dưới dạng đồ hoạ

Cho phép người vận hành có thể chọn một điểm nào đó trên màn hình để xem xét, thaotác trên đó

 Hiển thị báo động

Cho phép dùng đèn nhấp nháy hoặc thay đổi màu Mỗi báo động có kèm theo thơi gianxảy ra, trạng thái của báo động

 Hiển thị hướng dẫn vận hành

Trợ giúp người vận hành trong việc vận hành quá trình sản xuất

 Các hiển thị khác: cửa sổ trợ giúp, hiển thị thiết bị

4.3 Chức năng kiểm tra tự động

Hệ thống có chức năng kiểm tra trực tuyến các đặc tính nh:

- Bộ xử lý của module dự phòng sẽ hoạt động tính toán song song và đồng bộ đểchuyển mạch từ bộ xử lý chính sang ngắt dự phòng không gây ra ngắt tín hiệu

và không gây mất dữ liệu đang có trong máy tính

- Bé vi xử lý sẽ sử dụng mã sửa lỗi trong bộ nhớ chính để giảm sai lệch do bộ nhớtrong gây ra

- Báo cho người vận hành tại trạm vận hành biết khi có sự cố

4.4 Chức năng lưu giữ số liệu

Các số liệu có thể được lưu giữ dưới bảng cơ sở dữ liệu hoặc theo kiểu đồ thị( trend ) cho phép người vận hành có thể truy cập bất kỳ điểm nào của trend đó đểtham khảo các thông số quá trình tại thời điểm trước đấy

ABB Fischer and Porter System 6, IndustrialIT

CHƯƠNG 3

HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS CENTUM CS3000

I TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ DCS CỦA YOKOGAWA.

1 Tổng quan chung.

CENTUM CS 3000 và DARWIN là nhãn hiệu đăng kí sản phẩm của công tyđiện tử YOKOGAWA – Nhật bản Công ty này còn hỗ trợ lập dự án, tư vấn các giảipháp tối ưu và lựa chọn phương án tối ưu cho người sử dụng YOKOGAWA thựchiện hỗ trợ các giải pháp như : Các thiết bị kĩ thuật thông tin và hệ thống điều khiển,cung cấp các sản phẩm hệ thống thiết bị mô phỏng, các thiết bị thường hiện đại vớicông nghệ mới nhất, các sản phẩm công nghệ phần mềm … Và với khả năng đa dịchvụ: từ lập dự án, thiết kế, cài đặt, vận hành chạy thử đến bảo dưỡng

Hệ điều khiển DCS của YOKOGAWA bao gồm hai hệ : CS1000 và CS3000

Hệ thống centum CS1000 là hệ điều khiển phân tán dùng cho các hệ điều khiển nhỏcòn hệ điều khiển Centum CS3000 của YOKOGAWA là hệ điều khiển phân tán phùhợp với các ứng dụng điều khiển quá trình vừa và lớn, centum CS300 có tính năng linhhoạt và tin cậy cao

CENTUM CS 3000 là hệ thống điều khiển các thiết bị tích hợp, được sử dụng

để điều khiển và quản lý các thiết bị trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau như:lọc và tinh chế dầu mỏ, công nghiệp hoá dầu, công nghiệp hoá học, công nghiệp dượcphẩm, thực phẩm, giấy và nghiền giấy, thép và các vật liệu không có sắt, xi măng,năng lượng, gas, nước và nước thải ……

CENTUM CS 3000 là hệ thống điều khiển với các sản phẩm ứng dụng nhữngcông nghệ mới nhất, với nhiều tính năng, mềm dẻo và độ tin cậy dựa trên hệ thống busđiều khiển V-net

* Một số đặc điểm và tính năng cơ bản của hệ thống :

- Các thành phần của hệ DCS có sự tham gia của máy tính

+ Giao diện người –máy (HIS) thiết kế dựa trên một máy tính thông dụng

+ Dựa trên cơ sở windows NT làm hệ điều hành cho HIS (đây là hệ thống mở ,với sự hỗ trợ của hệ điều hành ta có thể thực hiện di chuyển dữ liệu giữa các quá trình

và các ứng dụng chạy trên nền NT sử dụng giao tiếp OPC và hoặc DDE)

+ Môi trường vận hành hoạt động thân thiện người dùng kết hợp các vận hành

cơ bản của windows với các chức năng vận hành và giám sát đặc biệt của hệ DCS

+ Có thể sử dụng máy tính thông thường làm cơ sở cho các trạm HIS và hoặccác trạm giao diện kiểu console thông thường

- Khả năng mạnh của các chức năng điều khiển giám sát

+ Có thể tới 2500 cửa sổ tạo ra bởi người dùng cho công việc vận hành và giámsát quá trình

+ Thời gian update 1 sec

+ Trên các cửa sổ đồ hoạ, ta có thể chạy chương trình Visual Basic và hiển thị

- Với hai kiểu trạm điều khiển

+ Theo tiêu chuẩn “pair and spare” ( kép và dự phòng; CPU kép trên CPU card,tại một thời điểm có một CPU card active mét standby) với dự phòng CPU , V-net bus,

- Các chức năng điều khiển và truyền thông mạnh

+ Với các chức năng đã được kiểm định , bao gồm mọi thứ từ bộ điều khiển PIDđến điều khiển tuần tự đến điều khiển phân đoạn

+ Cho phép tạo các khối chức năng giám sát dựa trên các các khối cơ bản mộtcách dễ dàng

+Giao tiếp kết hợp cho phép hỗ trợ và tương tác với các hệ thống đơn lẻ nhPLC và hệ thống đo mức chứa…

- Hiệu quả kĩ thuật

+ Các chức năng tương tác với hệ thống, thiết kế với số đầu vào cần thiết tốithiểu

+ Các dữ liệu kĩ thuật có thể được đặt tên và lưu lại dưới các file dữ liệu

+ Một bộ phận của cÊu hình hay định nghĩa cho một đơn vị nào đó trong hệthống có thể được lưu lại và đưa ra tái sử dụng

+ Các dữ liệu kĩ thuật có thể được export ra các dữ liệu chương trình ứng dụngkhác chạy trên máy tính PC và ngược lại các dữ liệu đó có thể được import ngược trởlại như những dữ liệu thông tin kĩ thuật

trình , chỉ cần trên máy tính PC thông thường và phần mềm hỗ trợ của hệ thốngCENTUM CS 3000

- Đóng gói điều khiển phân đoạn điều khiển mẻ

+ Có thể đóng gói quá trình điều khiển phân đoạn và quản lí dựa trên tiêu chuẩnISA S88.1

- Tính tương tác giữa CENTUM CS và các sản phẩm tích hợp XL

+ Với bộ chuyển đổi bus bạn có thể thực hiện kết nối tới CENTUM CS ,CENTUM CS 1000 , CENTUM- XL , CENTUM-V, và XL CENTUM CS có thểđược nối trên cùng một bus

+ Trong môi trường công nghiệp, một hệ thống điều khiển quá trình cần phảiđồng bộ với các hệ thống phụ như (Fatory Automation), hệ thống PLC Với CS3000cho phép thiết lập được hệ thống tối ưu, hệ thống mở, ở đó có sự tích hợp của CS3000với nhiều hệ thống phụ khác Chẳng hạn với hệ thống có sự tích hợp giữa DCS vớiPLC cung cấp một môi trường hoạt động rất thân thiết với người sử dụng

a Yêu cầu cấu hình

Đối với ổ cứng: thì yêu cầu phải có Ýt nhất 2 GB trống cho mỗi PC

Máy PC có bộ nhớ ảo khoảng 400 MB trở lên

Card màn hình : từ 8 MB lên

Hệ điều hành : Dùng Window NT , Windows 2000 hoặc

Window XP with SP1 ( với phiên bản R3)

b Cách cài đặt.

Trước khi cài đặt phải chuẩn bị : đĩa CD- ROM drive( hai đĩa CD ) , đĩa mềm3,5 inch, phần mềm Service pack 1

Các bước cài đặt :

1 Cài đặt hệ điều hành window (nếu đã cài rồi thì bỏ qua)

2 Cài đặt Service back Bước này không yêu cầu cho loại

HIS console

3 Setup window : Để thiết lập mạng , bộ nhớ ảo và các công việc về sắpxếp bộ nhớ

4 Cài đặt lại Service pack

5 Cài đặt phần mềm CS3000 và phần mềm hướng dẫn sử dông chongười vận hành

6 Thiết lập window : Mạng, tên người sử dụng và các thông tin cần thiết

để cài đặt CS3000

Các bước cài đặt centum CS3000:

1 Coppy các file trong thư mục ”keycode” vào đĩa mềm

Sau đó cứ để nguyên đĩa đó

2 Chạy đĩa CD- ROM có phần mềm CS3000 ( Chạy file

setup.exe)

3 Nhấn next 3 lần để xác nhận phần mềm, đích cài và đăng ký tên, bảnquyền người sử dụng

4 Một hội thoại để vào ID hiện ra , gõ vào :0cs1k0304724

5 Một thông báo “ Insert next “hãy nhấn NO

6 Thông báo tiếp theo chỉ ra các phần mềm sẽ được cài đặt, nhấn Next

7 Một thông báo hiện ra hãy nhấn NO Chương trình bắt đầu cài

8 Một thông báo sẽ xuất hiện: Insert next CD- ROM, đưa đĩa thứ hai vào

để tiếp tục cài

9 Một thông báo hiện ra, hãy nhấn NO

10 Nhấn next hai lần để chấp nhận cấc yêu cầu cài đặt

11 Hiện ra thông báo khởi động lại máy, nhấn OK

c Thiết lập hệ thống sau khi cài đặt CS 3000.

* Công việc 1: Cài đặt bộ Network Drives

* Công việc 2: Đặt lại tên vùng kết nối

* Công việc 3: Đặt địa chỉ cho mạng

Mạng Ethernet: IP address 172.16.1.24

Mạng control bus: IP address 172.17.1.24

* Công việc 4: Adapters và Bindings

* Công việc 5: Thay đổi tên máy

* Công việc 6: Thiết lập bộ Driver

II GIỚI THIỆU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG:

Hệ thống CS3000 bao gồm: HIS (Human Interface Station) dùng để điều khiểncác chức năng vận hành và giám sát, FCS (Field Control Station) thực hiện chức năngđiều khiển, và mạng điều khiển (V net) kết nối giữa các trạm trên Các chức năng khởitạo, định nghĩa của hệ thống làm việc trong HIS và các máy tính PC sử dụng cho mụcđích chung

Hình 3.1 – Cấu hình cơ bản hệ thống CS3000

1.HIS – Human Interface Station: Trạm giao diện người máy.

HIS là thiết bị được sử dụng chủ yếu trong vận hành và giám sát hệ thống HIS

thu thập các thông tin nh thông số công nghệ, giá trị đặt, giá trị đo, tham số điều khiển

và các cảch báo, báo động từ FCS để đánh giá tình trạng hoạt động của nhà máy và hệthống điều khiển Các thông tin này được thể hiện dưới dạng dễ hiểu, dễ đọc trên mànhình như biểu đồ, đồ thị , văn bản, biểu mẫu trang đồ hoạ Từ đó nó cung cấp một môitrường vận hành Ýt lỗi do nhầm lẫn nhất

Có hai loại HIS: Console Type HIS và Desktop Type HIS, cả hai loại này đều làcác máy tính PC công dụng chung

* Kiểu trạm máy tính thông dụng Desktop Type HIS.

Trạm loại này dùng máy tính đa dụng tương thích với IBM PC/AT hoặc máytính đa dụng tương tính với PC/AT, máy tính của YOKOGAWA.

Đặc tính kỹ thuật của máy tính cho HIS nh sau:

CPU : Pentium 166MHz hoặc mạnh hơn

Bộ nhí trong : 64 MB trở lên

Đĩa cứng : 2GB hoặc hơn (Đĩa phải trống 500MB hoặc lớn hơn)

CARD màn hình :1024*768 hoặc hơn, 256 màu

Bộ nhí card màn hình : 2MB hoặc hơn

Màn hình : 17 inch hoặc hơn

Cổng nối tiếp : Một cổng RS 232C hoặc nhiều hơn ( kiểu 9chân)

Cổng song song : Một cổng hoặc nhiều hơn

Rãnh mở rộng : PCI, ISA ( Một rãnh PCI cho CARD mạng V/VL mét cho

CARD mạng Ethernet )Nguồn cấp : 220 - 240 VA

Phần mềm cơ bản : Windows NT phiên bản 4.0 kèm Service Pack 3.0

với phiên bản CS3000 R3 thì có thể chạy trên Windows 2000 hoặc có thể chạy trênWindows XP Service Pack 1.0

* Kiểu trạm máy tính chuyên dụng Console Type HIS

Cấu tạo của Console Type HIS bao gồm một bàn giao tiếp và một máy tính PC.Đây là loại HIS có sử dụng công nghệ PC mới nhất để thực hiện các chức năng vậnhành của hệ DCS

Hình dưới đây thể hiện hai loại màn hình LCD 15” và 18” của Console TypeHIS:

Hình 3.2 - Màn hình LCD Console Type HIS

Trên màn hình kiểu này bao gồm :

2 Trạm điều khiển hiện trường: Field Control Station.

Trạm điều khiển hiện trường FCS thực hiện chức năng điều khiển nhà máy.Phần cứng chung được sử dụng cho các trạm điều khiển khu vực trong các hệ thốngCENTUM CS 1000 và CENTUM CS 3000 là PFCS và PFCD (gọi chung là PFCS).Phần cứng chỉ được sử dụng trong hệ thống CENTUM CS3000 cho các trạm điềukhiển khu vực là các khối điều khiển AFS10S, AFS10D, AFS20S và AFS20D (gọichung là LFCS)

Trong cấu hình chuẩn của PFCS, các thành phần chính của nó gồm 2 khối Nestvào/ra (I/O module Nest) chứa các mô đun vào/ra để chuyển các tín hiệu đi và về từthiết bị Bằng việc thêm 1 rack mở rộng vào/ra, một PFCS có thể có tới 5 nest mô đunvào/ra LFCS bao gồm các Node, I/O Nest và mạng tín hiệu RIO bus

 PFCS Trạm điều khiển đơn

 PFCD Trạm điều khiển kép

 AFS10S Trạm điều khiển đơn kiểu rack treo

 AFS10D Trạm điều khiển kép kiểu rack treo

 AFS20S Trạm điều khiển đơn kiểu tủ

 AFS20D Trạm điều khiển kép kiểu tủ

Tất cả các kiểu trạm điều khiển khu vực này gọi tổng quát là FCS Với centumCS3000, FCS có những loại sau:

• Standard FCS ( LFCS và KFCS)FCS sử dụng RIO Bus để kết nối giữa khối điều khiển FCS với cácmodule vào ra và các module khác

KFCS sử dụng ESB bus và ER bus để kết nối giữa khối điều khiển FCSvới các module vào ra và các module khác

LFCS phù hợp với điều khiển sử dụng số lượng lớn dữ liệu vào ra trongkhi đó KFCS phù hợp với ứng dụng điều khiển cần tốc độ cao

• Compact type FCS ( SFCS hay PFCS)FCS này thường được đặt gần thiết bị hoặc quá trình mà nó điều khiển,thường sử dụng cho việc kết nối với hệ thống phụ

- Đối với KFCS: FCU (Field control unit ) và các node được nối với nhaubằng bus ESB (Extended Serial Backboard ) hoặc bus ER (Enhanced Remote)

- Đối với LFCS: FCU và các node được nối với nhau qua RIO bus

- Đối với SFCS : Không có node , FCU và I/O unit được nối trên cùng mộtbackplate

Sau đây sẽ giới thiệu cụ thể hơn về các FCS đã nêu ở trên

2.1 Standard FCS cho FIO (KFCS)

Standard FCS cho FIO (KFCS) gồm có một FCU, ESB bus, EB bus và các nodeunit

- FCU (Field Control Unit) bao gồm card và unit, nó thực hiện việc tính toánđiều khiển cho FCS Với FCU kép , Card của bộ xử lý gồm hai chiếc, các thiết bị:nguồn, card giao tiếp với ESB bus và đều được dự phòng kép

- ESB bus và ER bus ESB bus (Extended Serial Backboard Bus) là bus truyền thông sử dụng để kếtnối các local node, được cài trên cùng cabinet với FCU Bus này được dự phòng kép.Khoảng cách lớn nhất có thể truyền là 10 m

ER bus ( Enhanced )là bus truyền thông dùng để kết nối các node ở xa với FCU.Việc kết nối này thực hiện bằng các module giao tiếp với ER bus ( được cài đặt trêncùng cabinet với FCU hoặc một vị trí xa cabinet này) Khoảng cách lớn nhất có thểtruyền là 185 m ( sử dụng cáp đồng trục 10 base2 ) hoặc 500 m (với cáp 10base5) và

có thể đạt tới 2 km khi có sử dụng các bộ lặp quang

- Node unit (NU) trên KFCS

Node unit (NU) trên KFCS là đơn vị xử lý tín hiệu làm nhiệm vụ chuyển đổi vàtruyền tín hiệu vào ra số hoặc tương tự nhận được từ các thiết bị hiện trường Trên NU

có các ESB bus node unit cài đặt ở trạm FCS và ER bus node unit cài đặt trên cabinet

Để kết nối, node unit có một module ghép nối ESB hoặc module ghép nối ER và cácmodule vào ra

Hình sau đây mô tả cấu tạo và cách kết nối của node với FCU

Hình 3.3 Kết nối của node với FCU

2.2 Standard FCS cho RIO (LFCS)

Đối với Standard FCS cho RIO (LFCS), FCU nối tới các node bởi RIO bus Ta

có thể chọn dự phòng cho FCU của CPU và RIO bus Có thể đặt ở cabinet hoặc đặt ởtrên rack ( rack mounting)

CPU dự phòng : Đơn hoặc đôi ( kiểu dự phòng kép )

Kiểu lắp đặt : Trên cabinet hoặc rack RIO bus : Đơn hoặc dự phòng đôi

• Field control Unit (FCU) cho RIO

FCU cho RIO gồm có processor, các card và các unit Với FCU kép, card xử lý(processor card ), nguồn cấp ( power unit ) và card ghép nối RIO (RIO unit interfacecard ) đều được dự phòng kép

• RIO bus

RIO bus ( Remote I/O bus ) nối FCU tới các I/O node và có thể được dự phòngkép I/O node không nhất thiết phải ở trên FCU cabinet, chúng có thể được đặt ở xa.Nếu ta dùng cáp xoắn đôi bọc kim thì có thể đặt cách xa 750 m, và nếu sử dụng bộ lặpcùng với sợi quang thì khoảng cách có thể lên đến 20 km

• Node

Node bao gồm các unit làm nhiệm vụ kết nối giữa các tín hiệu số và tín hiệutương tự , các khối giao diện node được truyền thông bằng RIO bus với các FCU

-Khối giao diện Node : Node interface unit (NIU)

Khối giao diện Node bao gồm card truyền thông RIO bus và card nguồn, cả haiđều được dự phòng

- Khối I/O bao gồm các I/O module Nest mà nó chứa các module vào ra và đượckết nối với bộ xử lý

2.3 Compact FCS (SFCS)

Với loại SFCS này thì có nguồn cấp và CPU được dự phòng kép Trên FCS nàygồm có: Bộ xử lý ( processor unit), bộ nối bus điều khiển ( control bus coupler units ),nguồn pin (battery units) , đầu ra công tắc(contact output unit), board nguồn cấp, cácmodule vào ra, rack mở rộng

Hình dưới đây là của một compack FCS với các rack mở rộng

Hình 3.5 Cấu hình của một Compack FCS

2.4 Cấu hình vào ra :(I/O Module Nests and I/O Modules,Các kiểu Nest module vào/ra)

Cấu hình các thiết bị vào/ra:

Hình 3.6 Cấu hình các thiết bị vào ra

2.4.1 Nest.

Các kiểu Nest:

Có 9 kiểu Nest mô đun vào/ra nh trong bảng sau:

Bảng 3.7 – Các loại Nest mô đun vào/ra

- Nest AMN11 cho các mô đun vào/ra tương tự

Nest vào/ra tương tự là nơi để lắp đặt các mô đun vào/ra tương tự Một Nest môđun vào/ra tương tự có thể chứa được 16 mô đun vào/ra

- Nest AMN12 cho các module vào ra tương tự với tốc độ cao

Các mô đun vào/ra có thể lắp vào Nest vào/ra tương tự nh trong bảng sau:

Bảng 3.8 – Các module lắp trong Nest AMN11

- Nest AMN31 cho các module khối đầu cuối ( terminal) chứa các module I/O đa nhiệm và module I/O số, có thể có 2 module được đặt trong nest này

Các module vào ra có thể lắp vào nest này:

(*2)