Hệ thống PLC và DCS: C7 System Integration

Ngay từ khi ra đời, DCS đã có đầy đủ các chức năng điều khiển Logic như các PLC vì DCS ra đời sau vì vậy DCS đã kịp kế thừa các chức năng này. Trong quá trình phát triển của PLC, đã có rất nhiều xu hướng làm xoá dần ranh giới của PLC và DCS. C7Module2906061PLC và DCS ra đời không cách xa nhau nhiều. Nếu PLC chuyên sâu về điều khiển Logic rời rạc (discrete) thì DCS lại thiên về điều khiển quá trình (Process control). Tuy nhiên, ứng dụng của DCS thường dành cho các nhà máy xí nghiệp lớn, cho nên nếu dùng điều khiển tập trung sẽ rất tốn kém, cả về đầu tư ban đầu lẫn giá thành bảo trìvận hành. Vì vậy, các hệ DCS đã ứng dụng phương thức điều khiển phân tán thay vì điều khiển tập trung như PLC. Ngay từ khi ra đời, DCS đã có đầy đủ các chức năng điều khiển Logic như các PLC vì DCS ra đời sau vì vậy DCS đã kịp kế thừa các chức năng này. Trong quá trình phát triển của PLC, đã có rất nhiều xu hướng làm xoá dần ranh giới của PLC và DCS. Thực tế, với các hệ thống PLC lớn như 9070 của GE Fanuc hay S7400 của Siemens đều có các hình bóng của DCS như điều khiển phân tán qua mạng, điều khiển PID, dự phòng nóng... và giá thành của các hệ PLC này cũng tiệm cận giá của các hệ DCS. Như vậy, các đặc điểm chính của 1 hệ thống DCS là: Điều khiển quá trìnhPID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward... Điều khiển phân tán qua mạng FieldBUSProfibus, Device Net, FF... Dự phòng nóng (Redundancy) và có khả năng Hot plug. Nạp chương trình khi hệ thống đang chạy. Và nhiều đặc điểm khác. Do vậy, DCS là một trong các thiết bị sử dụng phương pháp điều khiển phân tán, nhưng không phải là duy nhất. Ngược lại, DCS không chỉ điều khiển phân tán mà còn rất nhiều chức năng như trên. C7Module2906061_copy Rất nhiều người nhầm lẫn các hệ SCADA với DCS, cũng có người cho rằng PLC+PC= DCS. Tại sao lại dễ nhầm như vậy? Vì hệ SCADA cũng có yếu tố điều khiển qua mạng, SCADA cũng có các phần mềm HMI, các data server. Tuy nhiên, đây là 2 hệ thống khác nhau. Trong hệ thống DCS, có cả điều khiển đối tượng và điều khiển giám sát. Chức năng điều khiển đối tượng được thực hiện bởi các trạm điều khiển (Control station), còn chức năng điều khiển giám sát được thực hiện tại trạm vận hành (Operator station). Trong khi đó, SCADA chỉ có điều khiển giám sát, còn điều khiển đối tượng cũng có thể tồn tại trong các hệ thống điều khiển chung, nhưng nằm ngoài chức năng của hệ SCADA. Còn PLC+PC=DCS, có đúng vậy không? Giống vậy nhưng không đúng vậy. Vì PLC dù đã còn rất ít sự khác biệt với DCS nhưng vẫn không phải là DCS do thiếu những tính năng chủ đạo hoặc các tính năng này không hoàn thiện như DCS. Còn PC trong hệ PLC và DCS có nhiệm vụ không hoàn toàn giống nhau. PC trong hệ DCS có cả chức năng trạm vận hành lẫn trạm thiết kếkỹ thuật. PC trong hệ PLC có thể chạy các phầm mềm HMI, SCADA, nhưng chưa thể là trạm vận hành một cách đầy đủ như trong hệ DCS. Để xây dựng một hệ thống điều khiển phân tán, chúng ta có thể sử dụng rất nhiều loại thiết bị khác nhau và có tích hợp của tất cả các loại thiết bị này. Ví dụ, chúng ta có thể dùng PLC để xây dựng 1 hệ thống điều khiển phân tán, nếu bài toán điều khiển thiên về Logic và ít đòi hỏi cao về điều khiển quá trình. Hiện nay, xuất hiện nhiều hệ điều khiển lai (hybrid) trong đó có cả PLC và DCS hoặc thực hiện chức năng của cả hai hệ thống này. CommanD Automation đang là đại lý của Supcon về DCS và GE Fanuc về PLC và HMI. Trong đó, Supcon DCS ngoài chức năng của hệ DCS còn rất mạnh về điều khiển logic. Vì vậy, Supcon DCS sẽ có lợi thế hơn các hệ điều khiển lai khác về tính đồng bộ và tính hệ thống. Còn GE Fanuc có các hệ thống PAC, có tính năng mạnh mẽ của cả PLC, DCS mà lại còn là hệ thống PC based tuyệt vời. PAC của GE Fanuc còn cho phép nhà sản xuất thứ ba nối ghép sản phẩm nhúng của mình vào bus hệ thống vì dùng chuẩn chung VME và Ex PCI. Chúng ta lại được nhìn thấy tính mở thật sự của 1 hệ thống điều khiển không thua kém gì với chiếc PC chúng ta đang dùng. Ngoài ra, CommanD Automation còn đang phát triển sản phẩm điều khiển phân tán riêng của mình với các thế hệ Preloaded PLC Cd5000, PLC tích hợp HMI Cd6000, Compact PLC C7. Các thiết bị này vừa có thể là 1 thiết bị điều khiển khả trình độc lập, vừa có thể là các Module điều khiển phân tán. Nghĩa phân tán của CommanD PLC không chỉ ở ý nghĩa phân tán chấp hành như các hệ DCS mà phân tán cả tính toán và điều khiển. Vì vậy, trong hệ điều khiển phân tán của CommanD, các Field device chấp hành các lệnh của Master Control Unit vừa có thể thực hiện một số chức năng riêng biệt của mình, cho nên khi hệ thống trung tâm có trục trặc thì các field device vẫn có khả năng tiếp tục thực hiện chức năng của mình.

Yêu cầu và mô tả công nghệ

Các định luật vật lý

và hóa học

Lý thuyết điều khiển tự động

Kinh nghiệm từ các

dự án khác

Các mục đích điều khiển cơ bản

Dữ liệu vận hành thực tế

Công nghệ phần mềm công nghiệp

Thông tin, hỗ trợ từ nhà cung cấp

Công nghệ hệ thống điều khiển

Phân tích & nhận dạng quá trình

Thiết kế sách lược điều khiển

Thiết kế thuật toán điều khiển

1 Đảm bảo vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo

năng suất (tốc độ sản xuất), kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện

2 Đảm bảo chất lượng sản phẩm: giữ các thông số

chất lượng sản phẩm biến động trong một khoảng nhỏ

3 Đảm bảo vận hành an toàn: cho con người, máy

móc, thiết bị và môi trường

4 Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm

chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường

5 Giảm ô nhiễm môi trường: Giảm nồng độ các chất

độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu

(Pipe and Instrumentation Diagram)

(Binary Logic Diagram)

tự (Sequential Function Charts)

 Điều chỉnh (regulatory control): Duy trì các biến đầu ra của

một quá trình tại các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện

có tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi

– Ví dụ điều chỉnh nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất, nồng độ

 Điều khiển rời rạc (discrete control): Duy trì các trạng thái

của thiết bị quá trình tại một giá trị chọn từ tập các trạng thái ổn định biết trước.

– Ví dụ điều khiển đóng/mở máy bơm, quạt gió, máy khuấy

 Điều khiển trình tự (sequential control) : một lớp chức năng

điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình qua một trình tự các trạng thái riêng biệt (đóng/mở, khởi động/dừng)

– Ví dụ: Điều khiển quá trình khởi động/dừng một nhóm thiết bị quá trình, điều khiển một mẻ pha chế hỗn hợp

Ví dụ điều khiển rời rạc

 Điều khiển thiết bị: điều khiển và giám sát việc khởi động, dừng

hoặc chuyển chế độ cho các thiết bị quá trình đơn lẻ, ví dụ van on/off, băng tải, động cơ, máy bơm, v.v

Trạng thái ổn định DO1 DI1-1 DI1-2

ON ON OFF OFF OFF ON

Ví dụ trạng thái lỗi

ON OFF OFF

Trạng thái ổn định Start Stop Motor

ON OFF Running OFF OFF Running OFF ON Stopped OFF OFF Stopped

 Khóa liên động: Đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho hệ

thống máy móc thiết bị và cho con người bằng cách ngăn chặn tình huống dẫn đến trạng thái lỗi cũng như giảm thiểu tác hại của trường hợp xảy ra sự cố:

hành bình thường, tránh gây lỗi và sự cố cho thiết bị quá trình

can thiệp mạnh (tách, cách ly hoặc dừng khẩn cấp để giảm thiểu hậu quả của sự cố tới máy móc, con người và môi trường

 Ví dụ các bước điều khiển bình trộn theo mẻ

– Kiểm tra van xả đã đóng chưa, nếu chưa thì đóng lại và mở các van cấp vào ở chế độ làm việc (ví dụ 50%)

– Khởi động các máy bơm cấp, khởi động các vòng điều khiển mức

và lưu lượng để điều khiển các van cấp – Khi mức dung dịch đạt được một giá trị nào đó, khởi động động cơ quay trộn

– Chờ một thời gian và dừng động cơ quay trộn – Dừng theo thứ tự các máy bơm, vòng điều khiển lưu lượng, mức,

Mở van xả và bơm hút sản phẩm

– Lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa

– Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống

đo lường, điều khiển và giám sát– Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình)

Society of America ) chuẩn hóa:

– ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification – ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared

Display Instrumentation, Logic and Computer Systems

– Các biểu tượng thiết bị– Các biểu tượng tín hiệu và đường nối– Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng

Biểu tượng thiết bị

Phòng điều khiển trung

tâm (Remote)

Vị trí mở rộng (Auxilary Location)

Hiện trường (Local)

Biểu tượng tín hiệu và đường nối

Tín hiệu không định nghĩa Đường nối tới quá trình kỹ thuật hoặc cấp năng lượng Tín hiệu khí nén

Tín hiệu điện Tín hiệu thủy lực Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định) * Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn định)*

Đường nối nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ liệu) Đường nối cơ học

* Các hiện tượng điện từ gồm cả nhiệt, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng.

Ký hiệu các đường cấp năng lượng

 AS (Air supply): cấp không khí

 ES (Electric supply): cấp điện

 GS (Gas supply): cấp gas

 HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực

 NS (Nitrogen supply): cấp nitơ

 SS (Steam supply): cấp hơi nước

 WS (Water supply): cấp nước

AS ES GS HS NS SS WS

Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau

Biến đo hoặc khởi tạo

Bố sung, thay đổi

Chức năng chỉ thị hoặc bị động

Chức năng đầu ra

Bổ sung, thay đổi

B Burner, Combustion

Time Rate of Change

Control Station

Ý nghĩa các chữ cái (tiếp)

Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau

Biến đo hoặc khởi tạo

Bố sung, thay đổi

Chức năng chỉ thị hoặc bị động

Chức năng đầu ra

Bổ sung, thay đổi

Restriction

P Pressure, Vacuum

Point (Test Connection)

Q Quantity Integrate, Total

S Speed, Frequency

U Đa biến (Universal)

Đa chức năng Đa chức năng Đa chức năng

V Vibration, Mech

Analysis

Valve, Damper, Louver

X Không xếp loại Trục X Không xếp loại Không xếp loại Không xếp loại

Y Event, State, Presence

Convert

 hoặc ADD Cộng hoặc tổng (cộng và trừ), với 2 hoặc nhiều đầu vào

 hoặc SUB Hiệu (với hai hoặc nhiều đầu vào)

 , +, Độ dịch (1 đầu vào)

C B

OR A

C B

TagID

TagID

VÍ DỤ

LSH 3

Tank A Level High

Open Valve

HV 1

BIỂU TƯỢNG

A

Valve A Open Valve B Closed Valve C Closed

Start Filling

OR

Valve A Open Valve B Open Valve C Open

Operate Pump

* A

C B

S R

A B

C D

Operate Pump

Time Delay X: DI (Delay Initiatation of Output) DT(Delay Termination of Output)

PO (Pulse Output)

*: s, m, h

Flip-Flop

S R

Start Stop

Start Motor

Stop Motor

Bài toán điều khiển trình tự

– Khởi động hoặc dừng (từng phần) hệ thống– Điều khiển quá trình mẻ: Ví dụ điều khiển máy giặt, ví dụ quá trình pha chế hỗn hợp, chế biến dược phẩm,

– Các bước (Step) kèm theo hành động (Action)– Các chuyển tiếp (Transition), gắn với điều kiện chuyển tiếp

rời rạc và bài toán điều chỉnh?

– Điều khiển trình tự kích hoạt các hành động điều khiển rời rạc và các vòng điều chỉnh

– Điều chỉnh và điều khiển rời rạc cũng tạo ra các điều kiện chuyển tiếp cho các bước trình tự

– ĐK rời rạc gắn với một thiết bị, ĐC gắn với một vòng điều chỉnh, ĐK trình tự gắn với một nhóm thiết bị

được hỗ trợ trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình

dạng đặc biệt của mạng Petri

giám sát điều khiển trình tự (rất khó nếu sử dụng các biểu đồ logic)

mô tả ở nhiều mức sơ lược hoặ chi tiết khác nhau

khi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn

– Nằm trong một "Action Block"

– Được kiểm soát thực thi qua các "Qualifier"

– Thư viện chức năng điều chỉnh (PID, MPC, Fuzzy) với các yêu cầu công nghiệp: chuyển Manual/Automatic trơn tru, Anti-Reset-Windup.

– Điều khiển thiết bị, khóa liên động

– Điều khiển mẻ, điều khiển công thức– Điều khiển thích nghi, bền vững, tối ưu– Điều khiển chuyên gia

– Chất lượng giao diện đồ họa– Khả năng lập báo cáo tự động– Cơ chế quản lý và xử lý sự kiện, sự cố– Hỗ trợ ActiveX-Control và OPC

– Hỗ trợ giao diện cơ sở dữ liệu ODBC– Chức năng Web

– vào/ra tập trung– vào/ra phân tán– vào/ra trực tiếp với các thiết bị bus trường

biệt bus trường liên quan tới các chủng loại thiết bị trường có thể hỗ trợ).

– COM (Component Object Model)– OPC (OLE for Process Control)– ActiveX-Control

– ODBC (Open Database Connection)– IEC 61131-3

dễ dàng qua phần mềm từ trạm kỹ thuật

– Đơn giản, hướng đối tượng– Các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng (FBD, SFC, ST, )– Các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C/C++, BASIC)

– Lập trình giao tiếp ngầm hay hiện– Khả năng tự mở rộng thư viện chức năng (thông qua một ngôn ngữ lập trình bậc cao)