Lịch sử phát triển của Đo và điều khiển công nghiệp

NỘI DUNG MÔN HỌC1 2 5 Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo và điều khiển công nghiệp Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp Các thiết bị đo lường và chấp hành trong

H Ệ TH Ố NG Đ O VÀ Đ I Ề U KHI Ể N CÔNG NGHI Ệ P

BÀI GIẢNG

Nguyễn Thị Huế

Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

Môn học để làm gì?

Môn học này học những gì?

Nội dung môn học

NỘI DUNG MÔN HỌC

1

2

5

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

và điều khiển công nghiệp

Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

3

4

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

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

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

xuất bản Khoa học và Kĩ thuật

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

Giáo trình “Cảm biến công nghiệp”

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

và Tin học công nghiệp

…

Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

1

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

đo và điều khiển công nghiệp

Các thế hệ đo và điều khiển

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

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

đ o l ườ ng đ i ề u khi ể n

Giai đoạn dụng cụ đo cơ điện riêng rẽ

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

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

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển

Giai đoạn dụng cụ đo cơ điện riêng rẽ

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

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (2)

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

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

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

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

để điều khiển

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

áp suất, mức và lưu tốc trong công nghiệp

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

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

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

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

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

URSAMAT c ủ a Đ ông Đứ c, h ệ Solation c ủ a Anh, h ệ HP và h ệ IBM c ủ a Hoa K ỳ đặ c bi ệ t là h ệ CAMAC là h ệ đ i ể n hình module hoá c ủ a 7 n ướ c

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (4)

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

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

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

H ệ th ố ng đ o l ườ ng đ i ề u khi ể n (t ự độ ng hoá các xí nghi ệ p công

độ ng hoá b ằ ng PLC đ ã chi ế m l ĩ nh h ầ u nh ư toàn b ộ ph ầ n t ự độ ng hoá quá trình s ả n xu ấ t.

đ i ề u khi ể n v ậ n hành, qu ả n lý thông tin, qu ả n lý k ỹ thu ậ t đề u đượ c x ử

lý trong các máy tính công nghi ệ p c ủ a các hãng, đượ c thi ế t k ế thích

ứ ng v ớ i đ i ề u ki ệ n ho ạ t độ ng công nghi ệ p.

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (5)

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

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

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

1.1 Các thế hệ đo và điều khiển (6)

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

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

Ch ứ c n ă ng

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

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

m ặ t gi ữ a qu ả n tr ị kinh doanh v ớ i giám sát, qu ả n lý thông tin và k ỹ thu ậ t

c ủ a các xí nghi ệ p s ả n xu ấ t, đả m b ả o tính thông su ố t v ề thông tin t ừ

d ướ i lên và đ i ề u khi ể n t ừ trên xu ố ng

Triết lý tích hợp.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Triết lý về ID (intelligent device)

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

lý Hệ phân bố ngày nay được hiểu là khái niệm quan hệ giữa cáccấp với nhau với ý tưởng:

Thu thập thông tin càng sát đối tượng càng tốt

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

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

Đảm bảo quan hệ giữa tập trung và phân bố

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

Thành lập các hệ cảm biến – thừa hành (actuator – sensor) thựchiện điều khiển tại chỗ trên cơ sở vi hệ thống Thông tin số haichiều trên và dưới được thông suốt.(transparent)

Triết lý về hệ phân bố

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

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

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

phần cứng

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

nằm trong xu hướng này

Triết lý về modul hóa

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

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

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

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

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

cầu của người sử dụng và trở thành một tiêu chí của hệ thống.Trong thập niên 90 và đầu năm 2000 rộ lên trào lưu nghiên

cứu hệ mở

Triết lý về hệ mở

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

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

Điều khiển

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

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

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

Giao diện vận hành và giám sát

Chức năng của hệ thống đo lường và điều khiển

Xử lý thông tin tại hiện trường (phân tán) hay tập trung

Nâng cao hiệu quả xử lý nhờ phân cấp, nâng cao độ tin cậy

Các hệ thống đo lường và điều khiển

Hệ thống điều khiển cục bộ/điều khiển song song

Cấu trúc hệ thống điều khiển

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

Cấu trúc cổ điển nhất

Thường được sử dụng cho các hệ thống có quy mô vừa và

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

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

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

Nối dây truyền thống

Cấu trúc hệ thống điều khiển

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

Sử dụng bus trường

Cấu trúc hệ thống điều khiển

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

Cấu trúc hệ thống điều khiển

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

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

Cấu trúc kết hợp

Cấu trúc hệ thống điều khiển

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

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

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

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

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

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

Cấu trúc kết hợp sử dụng bus

Cấu trúc hệ thống điều khiển

CIM là viết tắt của Computer Integrated Manufacturing – hệ

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

bảo vệ,…

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

và khâu thừa hành

Mô hình phân cấp CIM

Mô hình phân cấp CIM

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

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

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

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

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

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

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

dụng ngôn ngữ của công nghệ thông tin

Mô hình phân cấp CIM

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

mạng ethernet thực hiện các chức năng

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

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

chương trình cải tiến, vv

Điều khiển gồm: Khởi động, dừng toàn bộ hệ thống hoặc từng

phần tử của hệ thống (phân cấp), điều khiển các quá trình

Mô hình phân cấp CIM

C ấ p đ i ề u khi ể n:

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

Thực hiện các chức năng:

Điều khiển

Thu thập và theo dõi số liệu

Xử lý tín hiệu vào/ra

Thông tin giữa Controller và các I/O

Thông tin với các hệ điều khiển khác nhau

Mô hình phân cấp CIM

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

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

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

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

phản ứng

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

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

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

xử lý lại lớn hơn nhiều

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

thống tự động hóa nói chung cũng như hệ thống truyền thôngnói riêng của một công ty

Mô hình phân cấp CIM

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

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

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

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

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

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

Mô hình phân cấp CIM

Mô hình phân cấp CIM

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

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

Bus tr ườ ng (fieldbus)

Bus trường là các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuậttruyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC,PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp các thiết bị cấp trường.Các thiết bị cấp trường có khả năng nối mạng là các vào raphân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor,transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator,valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông

Mô hình phân cấp CIM

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

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

đặt lên hàng đầu

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

là Profibus, ControlNet, Interbus-S, Can, Modbus và gần đây

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

Mô hình phân cấp CIM

Bus h ệ th ố ng (system bus)

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

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

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

dùng trong đ i ề u khi ể n quá trình)

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

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

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

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

Ki ể u bus h ệ th ố ng thông d ụ ng nh ấ t là Ethernet c ũ ng nh ư Industrial

Fieldbus Foundtaion’s High Speed Ethernet.

Mô hình phân cấp CIM

M ạ ng xí nghi ệ p

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có

chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành

với cấp điều khiển giám sát Thông tin được đưa lên trên bao

gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giànmáy cũng như các hệ thống điều khiển tự động, các số liệu,

thống kê về quá trình sản xuất và sản phẩm Thông tin theochiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển

M ạ ng công ty

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

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

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

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

tử…

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

đặc biệt cao Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ côngnghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong tương lai và hiện tại

Mô hình phân cấp CIM

Hệ DeltaV

Hệ centum CS3000

Hệ PCS7

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI