Tổng quan hệ thống điều khiển tự động

Thiết bị giao tiếp người dùng HMI là thiết bị đóng vai trò nhận dữ liệu từ bộ điều khiển hoặc cấp dữ liệu điều khiển cho bộ điều khiển dưới dạng dữ liệu đã được số hóa.. Thiết bị điều k

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.

Mục đích :

Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển PLC, các thành phần trong hệ thống điều khiển PLC độc lập, tập trung và mở rộng Ngoài ra, phần này cũng nhằm cung cấp các khái niệm cần lưu ý trong hệ thống điều khiển sử dụng PLC, bao gồm cả khái niệm mạng điều khiển

Yêu cầu sau khi học :

a Nắm được các thành phần của hệ thống điều khiển PLC

b Các khái niệm về các thành phần trong hệ thống

c Những vấn đề liên quan đến hệ thống điều khiển sử dụng PLC

Số tiết giảng dạy: 4

Nội dung giảng dạy :

Trọng tâm bài giảng :

1 Mô tả được cấu hình chung của hệ thống điều khiển sử dụng PLC

2 Chỉ rõ được cách chung để giải quyết các vấn đề điều khiển dùng PLC

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

1.1.1 Hệ thống điều khiển tự động bao gồm các thành phần :

Hình 1.1.1: Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển độc lập

1.1.2 Sensor (Cảm biến) là thiết bị chuyển đổi tín hiệu, tác động vật lý thành tín hiệu điện

Ví dụ : Cảm biến quang chuyển đổi việc có mặt của tín hiệu quang thành tín hiệu điện

1.1.3 Thiết bị chấp hành là thiết bị chuyển đổi tín hiệu điều khiển trở thành tín hiệu vật lý hoặc

các chuyển động

Ví dụ : Đèn, chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng

1.1.4 Thiết bị giao tiếp người dùng (HMI) là thiết bị đóng vai trò nhận dữ liệu từ bộ điều khiển

hoặc cấp dữ liệu điều khiển cho bộ điều khiển dưới dạng dữ liệu đã được số hóa

Ví dụ : Màn hình TD200 của Siemens

1.1.5 Thiết bị điều khiển là thiết bị nhận tín hiệu điện logic (hoặc analog) từ cảm biến (ngoài ra

còn từ HMI), xử lý theo các thuật toán đã được lập trước, xuất tín hiệu ra điều khiển thiết

bị chấp hành (và cả HMI để hiển thị)

Ví dụ : Vi điều khiển, máy tính, PLC, PAC,

1.1.6 Dữ liệu truyền tải giữa các khối trong hệ thống điều khiển bao gồm: Dạng chứa ít thông

tin (dữ liệu logic) được mô tả bởi tín hiệu điện dạng on/off; Dạng chứa nhiều thông tin (dữ liệu trường) được mô tả dưới dạng analog (sự thay đổi liên tục dòng, áp thể hiện sự thay đổi về cường độ tín hiệu), độ rộng xung (độ rộng xung biến thiên liên tục trong một thời gian chu kì thể hiện sự thay đổi về cường độ tín hiệu), tần số (liên tục về số

xung trong vòng 1s thể hiện sự thay đổi về cường độ tín hiệu), hoặc điều chế truyền qua các chuẩn mạng (dữ liệu được điều chế theo các chuẩn mạng, truyền đi và được hồi phục tại đầu thu)

Tín hiệu vào cho PLC thường chỉ tồn tại dưới các dạng : on/off, analog (dòng/áp), tần số

xung, và dữ liệu truyền qua mạng

Phần cứng làm nhiệm vụ ánh xạ dữ liệu logic (dạng áp 24VDC) vào PLC là các ngõ vào logic riêng lẽ, thường được nhóm lại thành các nhóm 8 ngõ vào với 1 chân chung được gọi chung là các ngõ vào số (digital input)

Phần cứng làm nhiệm vụ ánh xạ dữ liệu analog vào PLC là bộ ADC (hay còn gọi là ngõ vào analog – analog input) Dữ liệu được ánh xạ vào được chứa trong các trường 8bit (1 byte), 10bit, 12bit, 16bit (1word)

Phần cứng làm nhiệm vụ ánh xạ dữ liệu dạng tần số xung vào PLC là ngõ vào bộ đếm tốc

độ cao (bản chất là các ngắt ngõ vào không phụ thuộc vào chu kì vòng quét PLC - HSC)

Dữ liệu được đọc, chứa vào một vùng nhớ (1byte/1word/1doubleword) được xác định theo số lượng xung/một đơn vị thời gian (vận tốc) hoặc đạt số lượng xung đặt trước (vị trí)

Tín hiệu ra từ PLC thường chỉ tồn tại dưới các dạng : on/off, analog (dòng/áp), tần số

xung, độ rộng xung và dữ liệu truyền qua mạng tùy theo đối tượng tải

Dữ liệu dạng on/off

Dữ liệu dạng logic được xử lý trong chương trình trên cơ sở nền tảng môn học kỹ thuật

số

Dữ liệu dạng trường, được xử lý trong chương trình trên cơ sở nền tảng môn học điều khiển tự động (cơ sở điều khiển tự động)

Phương pháp điều khiển sẽ tùy thuộc vào việc xử lý dữ liệu (theo bit (discrete) hoặc theo trường (continuous)) được mô tả như hình dưới :

Hình 1.1.Các phương pháp điều khiển

1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM

1.2.1 Thuật toán điều khiển

Tùy theo yêu cầu điều khiển, tín hiệu cần điều khiển, khả năng của người điều khiển mà người ta có những giải thuật điều khiển khác nhau

Những thuật toán điều khiển tín hiệu logic thông dụng, bao gồm : Phương trình trạng thái, bit tuần tự, lưu đồ, sơ đồ trạng thái, Grafcet, SFC, PetriNet,…

Những thuật toán điều khiển tín hiệu analog thông dụng, người ta phân loại làm 3 phương pháp điều khiển : Phương pháp điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại và điều khiển thông minh Tùy thuộc vào việc đối tượng có thể xác định hay không mà người ta quyết định lựa chọn phương pháp điều khiển (có : điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại; không : điều khiển thông minh) Tùy theo khả năng của từng kỹ sư điều khiển để có thể triển khai việc ứng dụng của các thuật toán này

1.2.2 Thiết bị điều khiển

Là thiết bị nhận tín hiệu được cung cấp từ cảm biến, xử lý tín hiệu theo chương trình (giải thuật) do người dùng viết (bộ điều khiển có thể lập trình) hoặc kết nối phần cứng bên trong (bộ điều khiển cứng), sau đó xuất tín hiệu ra ngõ ra để điều khiển thiết bị Thiết bị điều khiển đồng thời giao tiếp với HMI để thực hiện chức năng giao tiếp giữa người và máy

1.2.3 Thiết bị lập trình

Là thiết bị cho phép người dùng soạn thảo chương trình điều khiển theo một chuẩn chung nào

đó, sau đó thực hiện chuyển đổi sang mã máy, nạp xuống cho thiết bị điều khiển

Ví dụ : Máy tính + phần mềm lập trình

1.2.4 Mạng

Bao gồm một nhóm thiết bị làm nhiệm vụ kết nối (có dây hoặc không dây), truyền dữ liệu được mã hóa dưới dạng tín hiệu điện từ nơi này đến nơi khác

1.2.5 Hệ thống giám sát

Là hệ thống thực hiện chức năng hiển thị trạng thái quy trình cho người sử dụng bằng màn hình hoặc đèn báo, vẽ lại kết quả hoạt động và ghi chú lại những vấn đề bất thường cần phải lưu ý Để thực hiện được nhiệm vụ này, hệ thống phải được trang bị những cảm biến phù hợp Bên cạnh đó, việc xây dựng hệ thống mạng đảm bảo việc truyền dữ liệu theo thời gian thực là một yêu cầu cực kì quan trọng

1.2.6 Hệ thống vòng lặp kín

Giải thuật điều khiển sẽ điều chỉnh thiết bị chấp hành cho đến khi không còn lỗi, tức là biến quá trình (Process Value) và điểm đặt trước (Setpoint) sẽ có cùng một giá trị Dữ liệu xử lý trong các hệ thống này là analog hoặc dữ liệu trường

1.2.7 Hệ thống điều khiển quá trình

Hiện nay có 2 khái niệm hiểu về hệ thống điều khiển quá trình :

1 Điều khiển quá trình công nghệ

2 Điều khiển liên tục (quá trình)

1.2.8 Phân loại hệ thống điều khiển dùng PLC

Cấu hình điều khiển phù hợp bao gồm điều khiển riêng lẽ, điều khiển tập trung và điều khiển phân tán Hình dưới minh họa những cấu hình này

Điều khiển độc lập

Điều khiển riêng lẽ, hay điều khiển độc lập, được dùng khi một PLC điều khiển một thiết bị với chỉ những ngõ I/O cục bộ hay với những I/O cục bộ và một vài I/O điều khiển từ xa

Hình 1.2 – Hệ thống điều khiển độc lập Điều khiển tập trung

Tác vụ điều khiển được đảm nhận bởi một PLC lớn, trong đó bao gồm thực hiện đồng thời nhiều tác vụ con

Loại điều khiển này yêu cầu PLC có khả năng cao, có đầy đủ những chức năng của các tác vụ con và phải đủ nhanh để điều khiển hệ thống

Hình 1.3.Hệ thống điều khiển tập trung Điều khiển phân tán (DCS)

Hình 1.4 Hệ thống điều khiển phân tán

Tác vụ điều khiển lớn được phân chia thành các nhiệm vụ nhỏ hơn cho các bộ điều khiển riêng lẽ thực hiện Dữ liệu của chúng được trao đổi với nhau thông qua một cơ sở mạng Loại điều khiển này không yêu cầu PLC phải có cấu hình lớn, chỉ cần có cấu hình vừa đủ để thực hiện tác vụ riêng lẽ Ngoài ra phải có module truyền thông để truyền nhận các dữ liệu yêu cầu

Một đặc trưng khác của hệ DCS là có thể xây dựng hệ điều khiển có chức năng dự phòng (Redundand)

1.2.9 Module mở rộng

Trên PLC thường tích hợp một số giới hạn các ngõ vào/ra, hoặc các chức năng giới hạn Để

có thể sử dụng được cho các ứng dụng, thường ta phải lắp đặt thêm các module mở rộng Các module mở rộng bao gồm :

 Module ngõ vào/ra

 Chức năng (Function Module)

 Bộ nhớ (Memory)

 Module Phần mềm (Options Software)

 Module Truyền thông (Communication Module)

Ta sẽ từng bước nghiên cứu từng loại module :

Ngõ vào/ra

Có một số cách phân loại sau : Phân loại theo vùng địa lý (cục bộ - local, ở xa – remote), phân loại theo dạng tín hiệu (tín hiệu on/off – logic, tín hiệu tương tự thay đổi liên tục –

analog), phân loại theo mức độ thông minh (ngõ vào ra thường (được kết nối trực tiếp với PLC hoặc được tích hợp trên PLC)/ngõ vào ra thông minh (được kết nối gián tiếp với PLC qua mạng Hay nói một cách khác, ngoài việc nhận tín hiệu ngõ vào/ra này còn có nhiệm vụ

mã hóa và truyền dữ liệu về PLC thông qua mạng)

Ngõ vào/ra cục bộ

Là các ngõ vào/ra được tích hợp trực tiếp lên PLC hoặc trên các module mở rộng, các rack

mở rộng mà khoảng cách kết nối lân cận PLC chủ

Ngõ vào/ra được điều khiển từ xa

Module ngõ vào ra điều khiển từ xa, được đặt ở xa CPU và được kết nối với CPU bằng cáp xoắn hai dây, có thể làm giảm chi phí kết nối trong nhân công cũng như thiết bị Ưu điểm khác của hệ thống con I/O điều khiển từ xa là ngõ vào và ngõ ra có thể nhóm lại theo mục đích để điều khiển những thiết bị riêng lẽ hay từng phần của một thiết bị hay của một quá trình

Module chức năng đặc biệt

Một vài ứng dụng cần những ngõ vào/ra đặc biệt (chẳng hạn như định vị, ngõ vào/ra tốc độ nhanh, tần số, ) mà không thể có được ở những module có ngõ vào ra chuẩn Những chức năng này thực hiện tất cả trên module, sau đó truyền dữ liệu cho CPU để bổ sung chức năng cho nó Ví dụ : PID cứng, định vị 3 trục, module động cơ bước là những module ngõ vào/ra

có chức năng đặc biệt hỗ trợ cho việc điều khiển dễ dàng hơn

Mạng I/O dùng bus

Mạng I/O dùng bus, bao gồm cả mạng thiết bị và những mạng điều khiển, được đề cập đến trong những ứng dụng cần điều khiển phân tán trong hệ thống PLC Mạng I/O dùng bus cung cấp một một cấu trúc mạng cho phép kết nối trực tiếp từ một thiết bị trường vào mạng bus, vì thế làm giảm việc kết nối mạng Tương tự như vậy, mạng giúp PLC nhận tín hiệu trực tiếp từ thông tin thiết bị trường I/O về những trạng thái của thiết bị Tuy nhiên, những thiết bị trường I/O của hệ thống phải được so sánh với mạng I/O dùng bus để có những ưu điểm của những chức năng truyền thông

1.2.10 Màn hình HMI

Màn hình giao tiếp với người dùng, hay còn gọi là HMI (Human Machine Interface) là thiết

bị thực hiện giao tiếp giữa người dùng với máy bằng cách hiển thị, cho phép truy cập, điều

khiển các ngõ vào, ngõ ra, các ô nhớ,… trên PLC dưới một hình ảnh, định danh quen thuộc với người dùng HMI giao tiếp với PLC thông qua cáp lập trình

Để thực hiện giao tiếp giữa người và máy và để hiển thị được quy trình hoạt động thiết bị trên màn hình HMI, người ta dùng các phần mềm riêng biệt để thiết kế HMI ví dụ như : Protool, WinCC, Citect, … Hoặc chỉ đơn giản là sự kết hợp giữa phần mềm lập trình có khả năng giao tiếp với phần cứng máy tính

1.2.11 Mạng công nghiệp

Là mạng được sử dụng trong môi trường công nghiệp, có khả năng chống nhiễu, bụi bẩn,… của môi trường công nghiệp

Việc xây dựng mạng truyền thông được thực hiện gồm 2 phần : xây dựng cơ sở mạng và lập trình kết nối

Hình 1.5.Cấu hình mạng Siemens

Hiện có các mạng phổ biến sau :

• Mạng cấp độ thiết bị (device-level bus networks (e.g., CANbus, Seriplex, etc.)), được dùng cho thiết bị số rời rạc

• Mạng trường (process field networks (e.g., Fieldbus and Profibus)), được dùng cho thiết

bị analog

• Mạng độc quyền (proprietary networks), được dùng rộng rãi bởi một số các công ty PLC

Hình 1.6 Sơ đồ mạng của Siemens

1.2.12 HỆ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)

Là hệ thống thực hiện chức năng điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Trong công nghiệp, chức năng điều khiển thường được thực hiện bằng việc dùng bộ điều khiển PLC

Hệ SCADA có thể chia làm hai loại : PLC SCADA hoặc DCS SCADA

PLC SCADA là hệ thống SCADA hoạt động sử dụng bộ điều khiển PLC

DCS SCADA là hệ thống SCADA hoạt động sử dụng bộ điều khiển DCS

Hình 1.7 Hệ thống SCADA cơ bản

Hệ thống SCADA phân tán :

Hình 1.8 Hệ thống DCS SCADA

Hình 1.9 Sơ đồ SCADA nhiều lớp

Tài liệu tham khảo

TIẾNG ANH

[2] L A Bryan; E A Bryan Programmable Controller Theory and Implementation

Industrial Text Company 1998

[3] HughJack Automating Manufacturing Systems with PLCs.2010

[4] E.A Parr, MSc, CEng, MIEE, MinstMC Programmable Controllers An engineer’s