Phân tích và nghiên cứu hệ thống điều khiển công đoạn nghiền liệu của nhà máy xi măng

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Trong bối cảnh đất nước ta không ngừng phát triển, đẩy mạnh quá trình CNH-HĐH đất nước, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ điều khiển công nghiệp nói riêng đã và đang trở thành một yêu cầu cấp thiết. Xi măng là một trong những nghành công nghiệp quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng xã hội. Để đáp ứng với nhu cầu xây dựng trong quá trình phát triển và hội nhập, nhiều nhà máy xi măng đã không ngừng cải tiến công nghệ, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhiều sáng kiến, cải tiến kỹ thuật, đề tài nghiên cứu khoa học đã được áp dụng vào sản xuất kinh doanh mang lại hiệu quả kinh tế to lớn. Với mục đích tìm hiểu về quy trình công nghệ và kỹ thuật mới trong nghành công nghiệp sản xuất xi măng, em đã được giao đề tài: “Phân tích và nghiên cứu hệ thống điều khiển công đoạn nghiền liệu của nhà máy xi măng” Nội dung bản đồ án gồm các phần cơ bản như sau:  Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng và công nghệ nghiền liệu.  Chương 2: Tìm hiểu chung về hệ thống DCS của nhà máy sản xuất xi măng.  Chương 3: Tìm hiểu PCS7 và phần mềm CEMAT.  Chương 4: Ứng dụng PCS7 và phần mềm CEMAT trong công nghệ sản xuất xi măng.

Em xin được gửi lời cảm ơn trực tiếp tới thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến –

người đã tận tình chỉ đạo và hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này.

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các kỹ sư của công ty xi măng xi Hoàng Thạch – những người đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực tập cũng như cung cấp những tài liệu liên quan đến đề tài tốt nghiệp này.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người thân và bạn bè đã luôn theo sát động viên cả về vật chất và tinh thần.

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các công nghệ tiêntiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnhvực của đời sống xã hội Trong bối cảnh đất nước ta không ngừng phát triển, đẩymạnh quá trình CNH-HĐH đất nước, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống tựđộng hóa nói chung và các hệ điều khiển công nghiệp nói riêng đã và đang trở thànhmột yêu cầu cấp thiết

Xi măng là một trong những nghành công nghiệp quan trọng trong nền kinh

tế quốc dân, trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng xã hội Để đáp ứng với nhu cầu xâydựng trong quá trình phát triển và hội nhập, nhiều nhà máy xi măng đã khôngngừng cải tiến công nghệ, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Nhiều sángkiến, cải tiến kỹ thuật, đề tài nghiên cứu khoa học đã được áp dụng vào sản xuấtkinh doanh mang lại hiệu quả kinh tế to lớn

Với mục đích tìm hiểu về quy trình công nghệ và kỹ thuật mới trong nghành

công nghiệp sản xuất xi măng, em đã được giao đề tài: “Phân tích và nghiên cứu

hệ thống điều khiển công đoạn nghiền liệu của nhà máy xi măng”

Nội dung bản đồ án gồm các phần cơ bản như sau:

 Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng và công nghệ nghiềnliệu

 Chương 2: Tìm hiểu chung về hệ thống DCS của nhà máy sản xuất xi măng

 Chương 3: Tìm hiểu PCS7 và phần mềm CEMAT

 Chương 4: Ứng dụng PCS7 và phần mềm CEMAT trong công nghệ sản xuất

xi măng

Do kiến thức và kinh nghiệm của em còn hạn chế, bản đồ án này chắc chắn cònnhiều thiếu sót Em kính mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý của các thầy cô đểbản đồ án của em được hoàn thiện hơn

Sinh viên

Mai Hoài Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI

MĂNG VÀ CÔNG NGHỆ NGHIỀN LIỆU

1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng

1.1.1 Các thành phần hoá học của xi măng

Xi măng là chất kết dính thuỷ lực cứng trong nước và không khí được tạo rabởi việc nghiền chung clinke với thạch cao và một số phụ gia khác Các phụ gia vàthạch cao được lấy từ tự nhiên (các mỏ), còn clinhke là thành phần quan trọng nhấtcủa xi măng, quyết định tính chất của xi măng, thì được tạo ra nhờ quá trình nungluyện các chất Nguyên liệu chính để sản xuất clinhke là đá vôi, đá sét, quặng sắt vàbôxit Chất lượng của clinhke phụ thuộc vào thành phần hoá học và thành phầnkhoáng của nó

Thành phần hoá học của clinhke được biểu diễn bằng tỉ lệ oxit các thànhphần trong phối liệu và là chỉ tiêu quan trọng nhất để kiểm tra chất lượng clinke.Tổng hàm lượng oxit cơ bản chiếm tới 95% - 98% Thông thường tỉ lệ này như sau:CaO: (63% - 67%), SiO2 (21% - 24%), Fe2O3 (2% - 4%), Al2O3 (4% - 7%)

Bằng cách thay đổi tỉ lệ hàm lượng các oxit mà ta có thể thay đổi được tínhchất xi măng Trong quá trình nung luyện, 4 oxit cơ bản này sẽ tác dụng với nhautạo thành khoáng xác định tính chất của xi măng

Các phụ gia được đưa vào phối liệu như: đá trắng, đá bazan…nhằm tăngcường hoặc hạn chế một số tính chất nào đó của xi măng như: độ kết dính, độ đóngrắn, tính bền nước…

1.1.2 Các phương pháp sản xuất xi măng

Tuỳ thuộc vào dạng phối liệu được chuẩn bị trước khi đưa vào lò nung màngười ta phân ra các phương pháp sản xuất khác nhau:

 Công nghệ ướt: hỗn hợp bột nguyên liệu được khuấy đồng nhất trong nướcdưới dạng bùn lỏng trước khi đưa vào lò nung

 Công nghệ bán khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được trộn ít nước và tạo thànhdạng viên trước khi đưa vào lò nung

 Công nghệ khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được đồng nhất dưới dạng bột khôhoàn toàn trước khi đưa vào lò nung

Tương ứng với các phương pháp sản xuất khác nhau đó thì lại có các hệthống lò nung riêng:

 Công nghệ ướt: lò ống dài

 Công nghệ bán khô: lò ống đứng.

 Công nghệ khô:lò ống dài công nghệ khô, lò ống làm nguội kiểu hành tinh,

lò ống có xiclon trao đổi nhiệt, lò ống có tháp tiền nung và xiclon trao đổinhiệt

1.1.3 Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng

Việc sản xuất xi măng được thực hiện chủ yếu theo các công đoạn sau:

Khoan, nổ mìn, vận chuyển

Kho chứa đá vôi, đá sét

Máy nghiền nguyên liệu

Silo chứa đồng nhất (Silo CF)

Hệ thống Cyclone trao đổi nhiệt

Silo chứa Clinker

Máy nghiền xi măng

Silo chứa xi măng

a Khai thác liệu và đập liệu

Đá vôi được khai thác theo phương pháp cắt tầng bằng nổ mìn sau đó dùng

xe ủi hạng lớn ủi xuống chân núi Dưới chân núi, máy xúc có công suất lớn xúc đálên xe tải, băng tải xích chuyển về máy đập Đá sau khi được đập có kích thước cựcđại cỡ 15mm, qua hệ thống băng tải cao su vận chuyển về kho đồng nhất sơ bộ Bụisinh ra được lọc qua các ống tay áo lọc bụi

Cũng giống như đá vôi, đá sét có kích thước <1000mm được máy xúc đổ lên

xe tải chuyên dụng tự đổ vận chuyển vào phễu tiếp liệu, nhờ băng tải xích đá sét đivào máy đập kiểu va đập đàn hồi đập sơ bộ xuống cỡ < 75mm Sau đó đá sét đượcbăng tải cao su vận chuyển tới máy cán hai trục để đập hai lần xuống kích thướccòn < 25mm Sau khi cán đá sét được hệ thống băng tải cao su vận chuyển về khođồng nhất sơ bộ

c Công đoạn nghiền liệu

Mục đích của máy nghiền liệu là sản xuất ra bột liệu đồng nhất đủ các tiêuchuẩn cho phép nung tốt trong lò.Việc này phải được thực hiện một cách kinh tếnhất đồng thời phải bảo đảm hoạt động tin cậy và phải đáp ứng được các đặc tínhnhư: kích cỡ hạt liệu, khả năng nghiền nhỏ, độ dính và độ mài mòn

Các nguyên liệu thô từ kho chứa đồng nhất sơ bộ được cân trên băng tải đểgiám sát khối lượng đặt sau đó được trộn với cát thạch anh và sỉ sắt với thành phầnphù hợp theo công nghệ ngay trên băng tải chính trước khi đổ vào máy nghiền.Trong máy nghiền hỗn hợp phối liệu sẽ được nghiền mịn

Ở công đoạn này bộ phân ly làm nhiệm vụ kiểm tra độ mịn của phối liệu.Những hạt nguyên liệu đủ độ mịn sẽ được chuyển đến silo-CF hoặc đưa thẳng đếntháp tiền nung Những hạt chưa đạt tiêu chuẩn kích thước sẽ đưa trở lại máy nghiền

để nghiền lại đến khi đủ độ mịn

Phòng phân tích hoá nghiệm KCS làm nhiệm vụ lấy mẫu và phân tích mẫunhư thành phần hoá học của các nguyên liệu bằng hệ thống QCX để điều chỉnhthành phần các nguyên liệu đầu vào Việc phân tích được thực hiện theo chu kỳ vàhoàn toàn tự động để đảm bảo chất lượng của xi măng.

d Công đoạn đồng nhất phối liệu

Liệu ở silo lắng được tháo vào silo theo kiểu tháo chéo (đây cũng là mộtbước sơ bộ nữa) Silo gồm 2 tầng, đáy silo có hệ thống máy nén khí - sục khí vàotrong silo để đồng nhất phối liệu và tạo sự linh động cho phối liệu khi tháo sẽ dễdàng Khi khởi động công đoạn này một trong hai silo đã được nạp đến một nửa.Sau đó liệu được nạp vào từng silo theo những khoảng thời gian đặt trước Khi liệu

đã được điền đầy một trong hai silo thì tháo từ silo đầy xuống silo chứa bên dướitheo nguyên tắc silo đang tháo sẽ không được nạp còn silo đang nạp sẽ không đượctháo Mỗi silo đều có các thiết bị đo mức và báo mức đầy đến trung tâm điều khiển

về tình trạng của từng silo

Công đoạn đồng nhất phối liệu có hai chức năng :

- Cung cấp cho lò nung nguyên liệu có thành phần hoá học và độ mịn ổn định

- Cung cấp cho kho trung gian bột liệu có thành phần hoá học và độ mịn ổnđịnh

Có hai hệ thống đồng nhất liệu chính:

- Hệ thống ngắt quãng Silo-FF (dòng qua phễu)

- Hệ thống liên tục silo-CF (dòng chảy được điều khiển)

e Công đoạn nung Clinke

Trước khi liệu đưa vào lò nung, phải qua tháp sấy 5 tầng - gồm 5 silo đồngnhất, mỗi silo được chia thành 2 tầng : tầng 1 dùng để đồng nhất, tầng 2 dùng đểchứa bột liệu Liệu có thể được tháo từ tầng 1 của silo thứ nhất sang tầng 2 của silothứ 2 hoặc có thể tháo trực tiếp xuống tầng 1 của silo đó Liệu được sấy sơ bộ đếngần 10000C trước khi đi vào lò nung Nhiên liệu để nung là bột than được phun ở ápsuất cao dưới dạng mù Dòng khí nóng đi ngược từ đáy lò đến đỉnh lò Liệu từ kétchứa được đi xuống, liệu đi vào lò nhiệt độ tăng dần làm các phản ứng pha rắn xảy

ra và được kết khối ở 13000C đến 14500 tạo thành clinhke

Clinke ra khỏi lò có nhiệt độ khá cao được làm nguội qua hệ thống giàn ghi

để làm mát đên khoảng 1200 Clinhke được ủ từ 7 đên 15 ngày trước khi tháo cùngphụ gia và thạch cao vào máy nghiền xi măng

f Công đoạn nghiền xi măng

Clinker, thạch cao và phụ gia ở trong các két chứa được tháo qua một hệthống van vào các cân Dosimat để đổ vào hệ thống băng tải 2 chiều để đồng nhấtcác thành phần

Clinker, thạch cao và phụ gia sau khi đồng nhất được đưa vào máy nghiền ximăng để tạo ra sản phẩm xi măng Thành phần Clinker, thạch cao, phụ gia đượcđiều chỉnh để đạt được chất lượng xi măng theo yêu cầu Máy nghiền xi măng làmáy nghiền kiểu bi đạn Để đảm bảo nhiệt độ của xi măng, trong khi nghiền nướcđược phun vào dưới dạng sương mù ở áp suất cao Ngoài ra máy nghiền còn đượcgiám sát bởi Pholaphone để đo mức độ ồn của máy nghiền để điều chỉnh lượng liệucấp vào máy nghiền Khi độ ồn lớn tức là liệu cấp vào ít hệ thống phản hồi về cáccân Dosimat để tăng lượng liệu cấp vào máy nghiền và ngược lại

Xi măng ra khỏi máy nghiền được đưa qua bộ phân ly tại đây có sự sàng lọc.Nếu hạt xi măng quá to thì được thu hồi trở lại đầu máy nghiền Nếu xi măng đạttiêu chuẩn thì được đưa đến 5 Silo chứa ở bên kia sông qua hệ thống băng tải Nếuhạt xi măng quá lớn thì được thu hồi và đưa trở lại máy nghiền Một phần xi măng

ra khỏi máy nghiền được thu hồi bởi hệ thống lọc bụi tĩnh điện

g Quá trình đóng bao và xuất sản phẩm

Xi măng ra khỏi máy nghiền được vận chuyển lên đỉnh và đổ vào các silochứa bên khu vực đóng bao Sau đó xi măng từ đáy của các silo chứa được đưa tớithiết bị đóng bao tự động loại 50kg hoặc được xuất rời lên tàu hỏa, tàu thủy hoặcôtô…

1.2 Tổng quan công nghệ nghiền liệu

1.2.1 Giới thiệu chung

Công đoạn nghiền liệu tạo ra lượng liệu đạt tiêu chuẩn về độ mịn và độ ẩmcho phép nung tốt trong lò Thực tế nguyên liệu thô cho sản xuất xi măng rất đadạng, nhiều chủng loại trong tự nhiên, từ đá phấn đá sét mềm cho đến đá rắn, đátinh thể…Độ ẩm của nguyên liệu thô rất khác nhau từ 020% thậm chí cao hơn.Chính vì vậy máy nghiền thô được lựa chọn phải hoạt động một cách hiệu quả vàkinh tế nhất

Những yếu tố sau đây quyết định việc lựa chọn một hệ thống nghiền liệu phùhợp:

- Độ ẩm trong nguyên liệu

- Công suất của nhà máy

- Tính chất ăn mòn của nguyên liệu.

- Mức tiêu thụ năng lượng

- Chi phí lắp đặt

1.2.2 Các loại máy nghiền

a Máy nghiền Tirax

Máy nghiền Tirax là loại máy nghiền quét gió nơi mà dòng khí được thổi vào

để sấy liệu và vận chuyển liệu tới bộ phân ly Máy nghiền loại này thích hợp choloại liệu có độ ẩm cao

b Máy nghiền Tirax Unidan

Máy nghiền Tirax Unidan là máy nghiền kiểu bi đạn, sấy nguyên liệu trướckhi nghiền, làm việc theo chu trình kín và có phân ly trung gian

Máy nghiền được thiết kế với một ngăn nghiền và một hệ thống phân loạiliệu Máy nghiền loại này thích hợp cho loại liệu có độ ẩm thấp

c Máy nghiền Atox

Máy nghiền Atox là loại máy nghiền quay đứng thẳng, chu trình khí nóng,thích hợp cho những loại nguyên liệu có độ ẩm cao

d Máy nghiền Dudan

Máy nghiền Dudan có 2 ngăn nghiền và một khoang sấy do vậy khả năng sấykhô nguyên liệu cao

Ngoài ra, trong công đoạn nghiền liệu còn có các thiết bị phụ trợ khác như:thiết bị sấy Flash, máy nghiền drier, máy ép quay (Roller Press)…

1.2.3 Giới thiệu về hệ điều chỉnh chất lượng QCX

Vì tính pha tạp không đồng nhất của nguyên liệu thô đầu vào, thành phần hóahọc của mỗi mẻ liệu là rất khác nhau Do vậy để đảm bảo chất lượng xi măng sảnxuất ra người ta phải sử dụng hệ thống QCX để điều chỉnh mức phối liệu nhằm đảmbảo các thành phần hoá học thích ứng của vật liệu trước khi đưa vào máy nghiền

Hệ QCX có hai thiết bị chính là: Máy tính Solar –16/40 và Máy phân tíchRơnghen ARL-7400

Máy tính Solar 16/40 nhận tín hiệu vào máy phân tích Rơnghen và đưa rachủ yếu là 4 tín hiệu điều chỉnh 4 chiết áp xác định mức đặt % cho đá vôi, đá sét,

xỉ sắt và cát trong tổng lượng liệu đặt trước cho máy nghiền liệu Thành phần trămcủa đá vôi, xỉ sắt, đá sét, cát được máy tính Solar tính toán theo một chương trình

công nghệ đã có sẵn trong máy tính Thành phần % các loại nguyên liệu này đượcđiều khiển thay đổi hàng giờ theo lượng liệu đặt tổng.

Hệ thống QCX có nhiệm vụ là biến giá trị vật lý là lượng đặt tương ứng vớimột điện áp u(t) Điện áp u(t) tỷ lệ với tổng lượng liệu cho vào máy nghiền Tổnglượng liệu này được giữ không đổi nhờ 5 mạch vòng điều chỉnh Mạch vòng điềuchỉnh tốc độ băng tải đổ vào máy nghiền và 4 mạch vòng điều chỉnh trọng lượng đávôi, sét, xỉ sắt , thạch cao đổ lên băng tải đưa vào máy nghiền Các mức điện ápUq1, Uq2, Uq3, Uq4 sẽ tỷ lệ với trọng lượng của đá vôi, đá sét, xỉ sắt và thạch cao

1.2.4 Nguyên lý hoạt động chung của công đoạn nghiền liệu

Đá vôi

(A2L03A1)

Pyrite (L02)

Cát (L01)

Đá sét

J08 J07

J09

Máy nghiền Tirax Unidan

Bộ phân ly SEPAX Động cơ chính S01, Quạt S20,

2 nắp chặn R01&R02,

2 Silo S15&S17

2 van S16

&S18 Cân

J06

Lò sấy phụ T01

J04

J01 J02

M22 Các động cơ bơm

dầu, bơm mỡ

M

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan công đoạn nghiền liệu

Công đoạn nghiền liệu được tính từ quá trình vận chuyển đá vôi, đá sét từcác kho đồng nhất sơ bộ đến khi liệu ra khỏi bộ phân ly SEPAX Sau đây là phầnthuyết minh nguyên lý hoạt động của công đoạn nghiền liệu theo quá trình liệuđược xử lý

Đá vôi và đá sét được lấy ra từ các đống trong kho bằng hệ thống gàu xúc(A2L03A1 & C2L03A1) Lượng đặt (Setpoint) của mỗi gàu xúc theo tỷ lệ thànhphần của đá vôi và đá sét trong xi măng được đặt bởi hệ thống QCX Đá vôi đượcxúc và đổ lên băng tải của gàu xúc và đổ xuống băng tải J07 Trên băng tải J07 cóđặt hệ thống cân định lượng trên mỗi mét băng để giám sát lượng đá vôi được xúc.Sau đó đá vôi được đổ xuống băng tải J08 Đồng thời có 1 gàu xúc còn lại xúc đá

sét và đổ lên băng J08 Hỗn hợp đá vôi và đá sét được trộn lẫn trên băng tải J08.Đồng thời trên băng J08 người ta cũng sử dụng hệ thống cân định lượng để giám sáttổng khối lượng 2 thành phần đá vôi và đá sét.

Cát và pirit được chứa trong các két chứa L01 và L02 Cát và pirit được tháochảy xuống các Dosimat A01 và B01 qua hệ thống các van Lượng đặt theo % tỷ lệcác thành phần được đặt bởi hệ thống QCX Khi ra khỏi Dosimat cát được vậnchuyển theo băng tải U18 và Pirit được vận chuyển theo băng tải U17 Hai băng tảinày vận chuyển cát và pirit đổ xuống băng tải J08 Lúc này băng tải J08 đã chứa đávôi và đát sét được lấy từ gầu xúc với tỷ lệ thích hợp Hỗn hợp các thành phần đávôi, đá sét, cát và pirit được trộn lẫn trên băng J08 và sau đó đổ xuống băng tảichính J09 để đổ vào máy nghiền liệu M01 Nguyên liệu trước khi vào máy nghiềncần phải đảm bảo về độ ẩm trong khoảng 6-7% Nếu độ ẩm được đảm bảo thìnguyên liệu được sấy trong máy nghiền và khí nóng là khí hoàn lưu được lấy từ lònung Nếu độ ẩm của nguyên liệu lớn thì ngoài khí hoàn lưu được cấp từ lò nung thìnguyên liệu cần được sấy bổ xung bổ từ máy sấy phụ T01 Mục đích của việc sấyphụ trợ là để đảm bảo chất lượng của phối liệu đầu ra của máy nghiền

Máy nghiền thô được quay bởi động cơ M03 có công suất 4850 KW và hệthống 2 hộp giảm tốc M02 và M04 để tăng mômen khi khởi động Máy nghiền thôđược thiết kế gồm có 2 ngăn Mỗi ngăn được ngăn cách với nhau bởi các vách ngăntrên đó có lỗ nhỏ để cho liệu đi qua Ngăn đầu tiên chứa các bi đạn có kích thướclớn làm nhiệm vụ nghiền sơ bộ Khi các hạt đã đạt tới một kích thước nhất địnhchúng được thổi sang ngăn thứ 2 Ở trong ngăn thứ 2 có các bi nghiền có kích thướcnhỏ hơn làm nhiệm vụ nghiền tinh Phối liệu đầu ra của máy nghiền được vậnchuyển bằng máng trượt M22 Phối liệu dưới dạng bột được thổi bởi quạt M21 đếngầu nâng J01 để đưa lên cao Phối liệu ra khỏi gầu nâng sẽ được vận chuyển tớitháp phân ly bởi quạt J03 Ngoài ra máy nghiền còn được giám sát bởi thiết bị âmthanh pholaphone Thực chất pholaphone là một cảm biến âm thanh đặt ở bên ngoàimáy nghiền Nhiệm vụ của Pholaphone là giám sát mức độ ồn của máy nghiền.Nếu mức độ ồn cao tức là máy nghiền đang thiếu nguyên liệu và nếu độ ồn thấp thìmáy nghiền đang đầy nguyên liệu Tín hiệu đo được của Pholaphone được đưa về

để hiệu chỉnh tổng lượng đặt vào máy nghiền

Quạt công suất lớn S20 làm nhiệm vụ thổi khí từ dưới tháp phân ly lên trênđỉnh tháp Do vậy phối liệu được thổi lên trên đỉnh tháp để đưa tới bộ Phân lySEPAX S01 Bộ phân ly SEPAX được quay bởi động cơ M1 công suất 240 KW.Nguyên lý hoạt động của bộ phân ly là bộ phân ly được quay với tốc độ lớn, khi đócác hạt lớn sẽ có gia tốc lớn và nằm ở phía ngoài và được đẩy ra ngoài rồi theo

máng trượt J04 và quạt J05 thổi đến cân J06 và quay lại máy nghiền để nghiền lại.Còn các hạt nhỏ và mịn sẽ nằm ở trong và được thổi lên tầng trên của bộ phân ly.

Do quạt S20 hút khí trong các bình lắng S15 và S17 nên đã tạo ra độ chênh áp suất

và các hạt phối liệu nhỏ sẽ được hút vào trong các bình lắng S15 và S17

Cân J06 cũng làm nhiệm vụ đo lường lượng liệu quay lại máy nghiền vàchuyển chúng thành tín hiệu điện đưa hồi tiếp để hiệu chỉnh Tín hiệu đặt tổng đượchiệu chỉnh bởi tín hiệu đưa về từ Pholaphone và cân J06 được hồi tiếp để hiệu chỉnhlượng cấp liệu từ 2 Dosimat và các gàu xúc xúc đá vôi và đá sét

Ở trong các bình lắng các hạt phối liệu sẽ lắng suống đáy của bình và đượctháo ra ngoài qua hệ thống van hình sao S16 và S18 và đổ xuống máng trượt U01 đểđưa vào Silo H01 (Silo-CF)

Ngoài ra, ở gần các băng tải vận chuyển liệu trước và sau khi nghiền người tacòn đặt các hệ thống lọc bụi tay áo để giảm lượng bụi trong nhà máy đồng thời thuhồi lượng liệu đó cho quá trình sản xuất

1.2.5 Các mạch vòng điều chỉnh

Quá trình nghiền liệu có 4 mạch vòng điều chỉnh mong muốn, đó là:

- Mạch vòng cung cấp tổng lượng liệu cho máy nghiền

- Mạch vòng tỷ lệ cung cấp liệu: hệ thống QCX như đã trình bày sẽ theo dõi tỷ

lệ của 4 loại nguyên liệu đầu vào

- Mạch vòng dòng khí vào máy phân ly: năng lượng tiêu thụ của quạt S20được sử dụng như là một thông số đo dòng khí thổi trong máy phân ly Nắpchặn J10 trong quá trình thu hồi bụi được sử dụng trong vòng điều khiển này

- Mạch vòng nhiệt độ: nhiệt độ ra khỏi máy nghiền được thu hồi để sấynguyên liệu cấp vào máy nghiền Nhiệt độ này được giữ không đổi nhờ lòđốt phụ và sự điều chỉnh của nắp chặn J11

Trong 4 mạch vòng trên thì ta quan tâm nhiều nhất đến mạch vòng cung cấptổng lượng liệu cho máy nghiền Ta có được sơ đồ điều chỉnh tổng lượng liệu cấpcủa công đoạn nghiền liệu như hình 1.3 sau:

Tổng hợp

+ _

FY

FC

QCX setpoint +

_

+ _ +

Băng tải J07

Băng tải J08

Băng tải J08

Băng tải J08

Hình 1.3 Các mạch vòng điều chỉnh công đoạn nghiền liệu

Trong sơ đồ điều chỉnh này lại gồm có 3 cấp mạch vòng điều chỉnh:

- Mạch vòng điều chỉnh bản thân của 2 Dosimat cân cát, Pyrite và 2 cânbăng tải lượng đá vôi và đá sét lấy từ gầu xúc

- Mạnh vòng điều chỉnh tổng lượng liệu cấp, sử dụng bộ FC (Flowratecontrol)

- Mạch vòng điều chỉnh của cân lượng liệu quay lại máy nghiền J06 vàphản hồi âm thanh từ Pholaphone để hiệu chỉnh cho bộ FY (Flowratecompute)

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG DCS

CỦA NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG

2.1 Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật truyền thông công nghiệp

2.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là mộtkhái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được

sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liênkết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấptrường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiểngiám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

2.1.2 Mô hình phân cấp hệ thống

Hệ thống điều khiển trong công nghiệp có thể chia thành 5 cấp chức năng nhưhình 2.1 sau:

Cấp quản lý

Cấp điều khiển giám sát

Cấp điều hành

Cấp điều khiển

Cấp chấp hành

- Tổng hợp dữ liệu sản xuất, tính toán giá thành, lãi suất,

hoạch định sản xuất, kinh doanh…

- PC, workstation…

- ERP, EnterpriseResourcePlanning, PPS,

ProductionPlanningsystem

Bus hệ thống (Bus quá trình)

- Theo dõi đánh giá kết quả vận hành, lên kế

hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, tối ưu hóa sản xuất

- PC, workstation…

- MMI (ManufacturingMag.Info), MES

(MafExecutionSys )

- Hiển thị, giám sát, vận hành, điều khiển

cao cấp, nhận biết và xử lý sự cố cao cấp

trên, lưu trừ dữ liệu….

- Logical Control, PID

- Đo lường, truyền động,

chuyển đổi tín hiệu

Hình 2.1 Mô hình phân cấp chức năng của một nhà máy công nghiệp

a Các cấp chức năng

Như ta sẽ thấy, mô hình phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệthống và lựa chọn thiết bị Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tínhchất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phảnứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấpdưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngượclại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Thông thường, người

ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điểu khiển và giám sát.Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất)giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể của cáccông ty sản xuất công nghiệp Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng cóthể khác một chút so với trình bày ở đây

Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường,

truyền động, và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiêt Thực tế, đa sốcác thiết bị cảm biến (Sensor) hay cơ cấu chấp hành (Actuator) cũng có phầnđiều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động được chính xác vàhiệu quả

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ

các cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạtlại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, thì cácnhiệm vụ đó được các người đứng máy thao tác trực tiếp đảm nhận qua việctheo dõi các thiết bị đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiệnnhững thao tác cần thiết như: đóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, númxoay Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại những nhiệm vụ đóđược thực hiện thông qua điều khiển bằng máy tính

Cấp điều khiển giám sát: Có chức năng giám sát và vận hành một quá

trình kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh,bảo toàn hệ thống được các cấp dưới thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiểngiám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi,giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một

số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điềukhiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trongchế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với cấp dưới cấp điều khiển giám sátkhông đòi hỏi phương tiện đặc biệt, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy

tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal ) Việcphân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị.

Cấp điều hành: Nhiệm vụ của cấp điều hành là nhận các thông tin về

trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, cũng như của hệthống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trìnhsản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất có nhiệm vụ

xử lý các số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối

ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thứcđiều khiển, và mệnh lệnh điều hành xuống cấp dưới Mặt khác cấp điều hànhsản xuất còn có chức năng là trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Cấpđiều hành sản xuất bao gồm các máy tính văn phòng nối mạng cục bộ với nhau

Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp trên cùng trong mô

hình phân cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty vàkhách hàng thông qua thư điện tử, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập Internet vàthương mại điện tử Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành,

kế hoạch sản xuất, thống kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hàng Để kết nối các cấptrong hệ thống phân cấp với nhau ta sử dụng các hệ thống bus

b Các cấp truyền thông

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông

Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “Bus” thường được dùng để thaythế cho “mạng” với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dươis đều có cấu trúcvật lý hoặc logic kiểu Bus

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

số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với cácthiết bị của cấp chấp hành, hay các thiết bị trường Đặc trưng cơ bản của bustrường là tính năng thời gian thực phải cao, yêu cầu về lượng thông tin thìkhông cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng là: Profibus, ControlNet,Modbus, Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB

Bus hệ thống, Bus quá trình: Dùng để kết nối các máy tính điều

khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệthống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữliệu quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm quan sát Đối với Bus hệ thống, tuỳtheo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ramột cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng thông thường trongkhoảng vài trăm miligiây Trong khi đó lưu lượng thông tin lớn hơn nhiều so

với bus trường Các kiểu bus hệ thống tiêu biểu: Ethernet, Industrial Ethernet,Profibus-FMS, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet.

Mạng xí nghiệp: Là một mạng cục bộ (LAN) bình thường, có chức

năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điềukhiển giám sát Mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thờigian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với sốlượng lớn tới hàng Mbyte Hai loại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet vàToken-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

Mạng công ty: Đặc trưng của mạng công ty là gần với một mạng

viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phươngdiện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu

về kỹ thuật Mạng công ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông

và độ an toàn tin cậy đặc biệt cao, chẳng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM,

2.1.3 Cấu trúc mạng

a Liên kết

Là mối liên kết vật lí hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông Vớiliên kết vật lí, các đối tác là các trạm truyền thông được liên kết với nhau qua mộtmôi trường vật lí Đối với liên kết logic, đối tác truyền thông không nhất thiết phải

có một thiết bị phần cứng mà có thể là một chương trình hệ thống hay một chươngtrình ứng dụng trên một trạm nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic.Tương tác với một đối tác vật lí thường có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiềumối liên kết logic được xây dựng trên cơ sở một mối liên kết vật lí

Có thể có các kiểu liên kết sau:

- Liên kết điểm-điểm (Point to Point): Mối liên kết chỉ có hai đối tác tham gia Vềmặt vật lí, hai trạm được nối với nhau bởi một đường truyền Mạng truyền tindựa trên liên kết này sẽ là tập hợp của nhiều đường dây độc lập

- Liên kết điểm-nhiều điểm (multi-drop): Nhiều trạm được nối chung với mộttrạm chủ (master) Như vậy các đối tác sẽ được nối chung vào một đường dây

- Liên kết nhiều điểm-nhiều điểm (multi-point): Nhiều đối tác tham gia và thôngtin được trao đổi theo nhiều hướng Cũng tương tự như liên kết điểm-nhiềuđiểm, với liên kết này các đối tác cũng được nối trên cùng một đường dây

Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trưng của mạng điều khiển phân tán

b Cấu trúc mạng (Topology)

Cấu trúc mạng là tổng hợp của các mối liên kết, là cách sắp xếp, tổ chức về mặtvật lí của mạng, cách sắp xếp logic của từng nút mạng.

Có các loại cấu trúc mạng sau:

- Cấu trúc mạng kết nối đầy đủ: Với cấu trúc đầy đủ thì sự giao tiếp giữa các

trạm là nhanh, một đối tác bị sự cố sẽ không ảnh hưởng tới các đối tác còn lại,nhưng cấu trúc này có giá thành cao do tốn kém dây dẫn

Hình 2.2 Cấu trúc mạng kết nối đầy đủ

- Cấu trúc hình sao: Các đối tác trao đổi thông tin với nhau thông qua một trạm

chủ, tuy nhiên một sự cố của trạm chủ sẽ dẫn đến sự tê liệt của toàn hệ thống

Do đó, trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao

Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình sao

- Cấu trúc vòng lặp: Các thành viên được nối với nhau tạo thành mạch vòng

khép kín, tín hiệu được truyền đi theo chiều cố định Ưu điểm của phương phápnày là mỗi nút mạng có thể là bộ khuếch đại Điều đó khiến cho khoảng cách đốivới cấu trúc này có thể là rất xa Mặt khác, mỗi đối tác ngăn mạch vòng làm haiphần nên khả năng xảy ra xung đột sẽ giảm đi do tín hiệu chỉ truyền đi theo mộtchiều

E

CD

DE

F

Hình 2.4 : Cấu trúc mạng vòng lặp

- Cấu trúc bus: Trong cấu trúc này có các đối tác truyền thông được nối trên

cùng một dây dẫn Với cấu trúc daisy-chain, các đối tác được nối trực tiếp vàođường truyền Còn với cấu trúc trunk-line/drop-line thì có các dây phụ để nốicác đối tác vào đường bus chung Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản vàtiết kiệm dây dẫn

Hình 2.5 : Cấu trúc bus

- Cấu trúc cây: Cấu trúc cây là tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc như

đường thẳng, sao, mạch vòng Đây là cấu trúc thường gặp trong thực tế

a Giới thiệu chung

Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần có một ngôn ngữ chung cho các đối tác.Trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụđều phải tuân thủ theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức

Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông

Một quy chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:

- Cú pháp (Syntax): Qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi

trao đổi, trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ nhưđịa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi…

- Ngữ nghĩa (Semantic): Quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một

bức điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tụcđiều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi…

- Định thời (Timing): Quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền

(đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông

Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứngđược gọi là xử lý giao thức Nói một cách khác, quá trình xử lý giao thức có thể là

mã hóa (xử lý giao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận) Tương tựnhư các dịch vụ truyền thông, có thể phân biệt các giao thức cấp thấp và giao thứccấp cao Các giao thức cao cấp là cơ sở cho các dịch vụ cao cấp và các giao thứccấp thấp là cơ sở cho dịch vụ cấp thấp

Giao thức cao cấp gần với người sử dụng như: FTP (File Transfer Protocol)dùng trong trao đổi File từ xa, HTTP (HyperText Transfer Protocol) dùng để traođổi các trang HTML trong các ứng dụng Web, MMS (Manufacturing MessageSpecificcation) dùng trong tự động hóa công nghiệp

Giao thức cấp thấp gần với phần cứng, thường được thực hiện trực tiếp vớicác mạch điện tử Giao thức cấp thấp quen thuộc nhất là TCP/IP (TransmissionControl Protocol/Internet Protocol) được dùng phổ biến trong Internet

TCP/IP được dùng trong các mạng máy tính cục bộ và các mạng truyềnthông công nghiệp Vấn đề được đặt ra ở đây là nếu có nhiều máy cùng gửi đi cácthông tin trên mạng thì điều gì sẽ xảy ra? Ethernet sử dụng một phương pháp đượcgọi là phát hiện xung đột Nếu các gói được gửi đi cùng một lúc từ các máy khácnhau, chúng sẽ xung đột với nhau Khi xung đột xảy ra, tất cả các máy không đượcgửi đi bất cứ gì trên mạng trong khi 2 máy sẽ được quyền gửi các gói và khởi độngcác bộ tính giờ ngẫu nhiên Máy thứ nhất sẽ nắm quyền điều khiển của mạng chođến khi gửi xong các gói

b Kiến trúc giao thức OSI

Năm 1983, tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế đưa ra một kiến trúc giao thứcchuẩn ISO 7498 được gọi là mô hình tham chiếu OSI nhằm hỗ trợ cho vệc xây dựngcác hệ thống truyền thông có khả năng giao tiếp với nhau.

Chuẩn này không đưa ra qui định nào về cấu trúc một bản tin, và cũng khôngđịnh nghĩa một chuẩn dịch vụ cụ thể nào OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớpvới mục đích phục vụ cho việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông cósẵn, trong đó bao gồm việc so sánh đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông,cũng như làm cơ sở cho phát triển hệ thống

Lớp ứng dụng Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp mạng Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lí

Lớp ứng dụng Lớp biểu diễn dữ liệu Lớp kiểm soát nối Lớp vận chuyển Lớp mạng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lí

N D P Môi trường truyền dẫn

Hình 2.7 : Mô hình tham chiếu OSI

 Lớp vật lí (Physical Layer): Là sự kết nối vật lý giữa PC và mạng như sau:

- Theo cấu trúc mạng

- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng

- Theo phương thức mã hoá tín hiệu

- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)

 Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)

- Là giao thức phù hợp với việc truy cập mạng theo các bản tin nhận và gửi

- Chia các khối dữ liệu lớn thành các khung định dạng dữ liệu

 Lớp mạng (Network Layer)

- Truyền thông tối ưu trên mạng

- Điều khiển các thông điệp trạng thái để gửi chúng tới các thiết bị kháctrong mạng

 Lớp vận chuyển (Transport Layer)

- Quản lí địa chỉ của các thiết bị trên mạng

- Định vị các đối tác truyền thông thông qua địa chỉ

- Đồng bộ hoá giữa các đối tác

- Xử lí lỗi và kiểm soát dòng thông tin

 Lớp kiểm soát nối (Sension Layer)

Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa cácchương trình ứng dụng bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đường nốigiữa các ứng dụng của đối tác

 Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)

Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau

về cú pháp thành dạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau có thể giaotiếp với nhau

 Lớp ứng dụng (Application Layer)

Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (dựa trên cơ sở các giao thức caocấp) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng Các dịch vụ ở lớp nàychủ yếu được thực hiện bằng phần mềm

 Thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi khoảng cách vừa và nhỏ

Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên phải chia nhau thời gian sửdụng đường truyền Để tránh xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ởmỗi thời điểm trên một đường dẫn chỉ duy nhất một điện tín được phép truyền đi.Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định thìchỉ một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi Còn số lượng thành viêntrong mạng muốn nhận thông tin thì không hạn chế Một trong những vấn đề quan

trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng của mỗi hệ thống bus là phương phápphân chia thời gian gửi thông tin đi trên đường dẫn, hay phương pháp truy nhậpbus.

Lưu ý rằng, ở một số cấu trúc khác không phải cấu trúc bus, vấn đề xungđột tín hiệu cũng có thể xảy ra, tuy không hiển nhiên như cấu trúc bus Tuy nhiên,giống như cách dùng khái niệm chung “bus trường’ không chỉ dừng lại ở các hệthống có cấu trúc bus, “truy nhập bus’ cũng thường được dùng như một khái niệmchung

b Phương pháp truy nhập Token Passing

Token passing là một trong những phương pháp truy nhập Bus Token làmột bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với cácbức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khóa Một trạmđược quyền truy nhập Bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó giữ Token.Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có Token sẽ phải gửi tiếp tớicác trạm khác theo một trình tự nhất định Nếu trình tự này đúng với trình tự sắpxếp vật lý trong một mạch vòng, ta dùng khái niệm Token Ring (chuẩn IEE 802.4).Còn nếu trình tự được quy định chỉ có tính chất logic như ở cấu trúc Bus (ví dụtheo thứ tự địa chỉ) ta nói tới Token Bus (chuẩn IEEE 802.5) Trong mỗi trườnghợp đều hình thành một mạch vòng logic

Một trạm đang giữ Token không những được quyền gửi thông tin đi, màcòn có thể có vai trò kiểm soát tự động một số trạm khác, ví dụ kiểm tra xem cótrạm nào bị sự cố hay không Các trạm không có token cũng có khả năng tham giakiểm soát, ví dụ như sau một thời gian nhất định mà token không được đưa tiếp, cóthể do trạm đang giữ token có vấn đề Trong trường hợp đó, một trạm sẽ có chứcnăng tạo một token mới Chính vì vậy, token passing được xếp vào phương phápkiểm soát phân tán Do đó thời gian được quyền giữ token hạn chế dẫn đến việctính toán được thời gian phản ứng cũng như chu kỳ bus tối đa, các hệ thống sửdụng phương pháp truy nhập này cũng có khả năng thời gian thực

Trạm 4 Trạm 1

Token Bus

Hình 2.8 Hai dạng của phương pháp Token Passing 2.1.6 Các loại mạng và bus truyền thông thông dụng

a PROFIBUS

PROFIBUS là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987

và được chuẩn hóa trong DIN 19245

PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus dùng kết nối cácthiết bị trường với các thiết bị điều khiển và giám sát PROFIBUS là một hệ thống

nhiều chủ (Multi-Master), cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ

thuật và hiển thị quá trình cũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùngmạng bus

PROFIBUS bao gồm ba loại tương thích với nhau là PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-DP và PROFIBUS-PA Trong khi PROFIBUS-FMS được dùng chủyếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và điều kiện giám sát, thìPROFIBUS-DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với cácmáy tính điều khiển PROFIBUS-PA là kểu đặc biệt được sử dụng trong các lĩnhvực tự động hóa các quá trình có môi trường dế cháy nổ, đặc biệt trong công nghiệpchế biến Nếu không kể tới giá thành thiết bị tương đối cao, thì PROFIBUS là giảipháp chuẩn, đáng tin cậy cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, đặc biệt là cácứng dụng có yêu cầu cao về tính năng thời gian

b Mạng Ethernet

Ethernet là mạng cục bộ LAN (Local Area Network) là sản phẩm củaXEROX-1995 Ethernet được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay do tốc độ truyền tảithông tin nhanh và sử dụng tập giao thức TCP/IP Ethernet thực chất là mạng cấpdưới, giữa lớp vật lý (1) và một phần lớp liên kết dữ liệu (2) Truy nhập bus theophương pháp truy nhập ngẫu nhiên-CSMA/CD

Cấu trúc mạng:

- Về logic: Ethernet có cấu trúc bus

- Về vật lý: Ethernet có cấu trúc mạch thẳng hoặc mạch vòng

Cơ chế giao tiếp

 Ethernet có tính năng mở: tức là nó cho phép các hệ thống khác có thể tùy ýthực hiện các giao thức

 Được chuẩn hoá theo tiêu chuẩn IEE 802.3 Trong mạng ethernet mỗi trạmthường có modul hoặc card mạng được gắn địa chỉ ethernet toàn cầu

2.1.7 Các chuẩn giao tiếp trong công nghiệp

a Chuẩn giao tiếp MMS

MMS (Manufacturing Message Specification) là một chuẩn quốc tế choviệc xây dựng lớp ứng dụng theo mô hình quy chiếu OSI Về cơ bản, MMS quiđịnh một tập hợp các dịch vụ chuẩn cho việc trao đổi dữ liệu thời gian thực vàthông tin điều khiển giám sát Các dịch vụ này cũng như các giao thức tương ứngđược chuẩn hóa trong ISO/IEC 9506

Chuẩn MMS có xuất xứ từ MAP (Manufactoring Automation Protocol),một giao thức do hãng General Motors khởi xướng phát triển vào đầu những năm

80 Các dịch vụ được định nghĩa trong MMS có tính chất thông dụng và đa dạng,

có thể tích hợp nhiều loại thiết bị, nhiều ứng dụng và nghành công nghiệp khácnhau

Chuẩn ISO/IEC 9506 bao gồm hai thành phần cốt lõi sau:

- Phần 1: Đặc tả dịch vụ, định nghĩa mô hình thiết bị sản xuất ảo VMD(Virtual Manufactoring Device), các dịch vụ trao đổi giữa các nút mạng, các thuộctính cũng như các tham số tương ứng với VMD và các dịch vụ

- Phần 2: Đặc tả giao thức, định nghĩa trình tự các thông báo gửi đi trongmạng, cấu trúc và kiểu mã hóa các thông báo, tương tác giữa MMS với các lớpkhác trong mô hình OSI MMS sử dụng chuẩn lớp biểu diễn dữ liệu ASN.1(Abstract Notation Number One-ISO 8824) để đặc tả cấu trúc các thông báo

b Chuẩn giao tiếp IEC 61131-5

Đối tượng của chuẩn IEC 61131-5 là các dịch vụ do các PC thực hiện, hoặccác dịch vụ mà các PC có thể yêu cầu từ các thiết bị khác, thể hiện qua cáchàm/khối hàm sử dụng khi lập trình với IEC 61131-5 Phạm vi của chuẩn này vìvậy bó hẹp ở cấp điều khiển và cấp trường.

Máy tính ĐKGS

Hệ thống mạng truyền thông

Các thiết bị khác có giao tiếp với PLC PLC1 PLC2

Máy móc hoặc quá trình kỹ thuật

Client

Client

Hình 2.9 Mô hình giao tiếp mạng theo IEC 61131

c Chuẩn giao tiếp OPC

OPC (OLE for Process Control) là chuẩn giao diện được OPC Foundationxây dựng và phát triển Nó được dựa trên mô hình đối tượng thành phần (D)COM.OPC định nghĩ thêm một số giao diện cho khai thác dữ liệu từ các quá trình khĩthuật tạo cơ sở cho việc xây dựng các ứng dụng điều khiển phân tán mà không phụthuộc vào mạng công nghiệp cụ thể Với mục đích ban đầu là thay thế cho cácphần mềm kết nối, OPC qui định một số giao diện chuẩn cho các chức năng như:

 Khai thác, truy nhập dữ liệu quá trình từ nhiều nguồn khác nhau như: PLC,thiết bị trường, Bus trường, cơ sở dữ liệu,

 Xử lý sự kiện và sự cố

 Truy nhập dữ liệu quá khứ

Phần cơ bản của OPC là một chương trình phần mềm phục vụ gọi là server, trong đó chứa các mục dữ liệu (OPC-Item) được tổ chức thành các nhóm(OPC-Group) Thông thường một OPC-server đại diện một thiết bị thu thập dữ liệunhư PLC, RTU hoặc một cấu hình mạng truyền thông Các OPC-Item đại diện chobiến quá trình, tham số điều khiển,

OPC-Hai thành phần đối tượng quan trọng nhất trong kiến trúc điều khiển OPC làOPC-server và OPC-Group OPC-Server có nhiệm vụ quản lý việc sử dụng và khaithác dữ liệu Các đối tượng của OPC-Group có chức năng tổ chức các phần tử dữliệu thành từng nhóm để tiện cho truy cập Thông thường mỗi Item ứng với một

biến trong quá trình công nghệ hay một thiết bị điều khiển.

Delphi,

OPC Server

Automation Interface

Custom

Interface

Hình 2.10 Kiến trúc sơ lược của OPC 2.1.8 Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Theo cách sắp xếp các trạm điều khiển và các đầu vào/ra trong hệ thống,

ta có được bốn cấu trúc điều khiển sau:

 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung: Đây là một hệ thốngđược sử dụng phổ biến trong những năm 1965-1975 Hệ thống này do chỉ

sử dụng một máy tính điều khiển (MTĐK) duy nhất lại để xa hiện trường vìvậy có nhiều hạn chế như công việc kết nối phức tạp, độ tin cậy của hệthống kém, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn…Hệ thống này chỉ ápdụng đối với những hệ tự động nhỏ, không đòi hỏi cao về độ tin cậy Cấutrúc này được minh họa như hình vẽ 2.11

HiÖn trõ¬ng

Phßng ®iÒu khiÓn trung t©m

I/O

MT§K

Ph©n ®o¹n n Ph©n ®o¹n 2

Ph©n ®o¹n 1

S A

S A S

A

I/O: Input/Output A: Actuator S:Sensor

Hình 2.11 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung

 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán: Trong cấu trúc này giảipháp bus trường được sử dụng, các thiết bị trường được nối với các modulvào/ra được đặt ngay sát hiện trường do vậy được gọi là vào/ra phân tán(hoặc vào/ra từ xa) Bên cạnh đó các thiết bị vào/ra còn trực tiếp xử lý

nhiễu, chuẩn đoán trạng thái làm việc, tạo thang đo cho các thiết bịtrường Việc sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán tạo ra các ưuđiểm sau: tiết kiệm chi phí lắp đặt cũng như bảo trì hệ thống; tăng độ tincậy, độ linh hoạt và khả năng chuẩn đoán cho hệ thống, Cấu trúc nàyđược mô tả như hình vẽ 2.12

A S A S I/O

S A

I/O

S A A

Bus truêng

Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung: Khi quy mô của hệthống tự động tăng lên thì hai hệ thống trên với chỉ một máy tính điềukhiển trung tâm sẽ không thể đảm nhiệm hết các công việc Giải pháp sửdụng nhiều máy tính được đưa ra, mỗi máy tính đảm nhiệm một công việc

cụ thể và được bố trí phân tán tại nhiều vị trí cách xa nhau Các máy tínhnày được đặt không xa quá so với quá trình kỹ thuật mà nó đảm nhiệm vàchúng được kết nối với trung tâm qua bus hệ thống Dễ thấy cấu trúc này

đã làm tăng khả năng xử lý quá trình cũng như tăng độ linh hoạt so với cấutrúc tập trung Cấu trúc này được mô tả như hình 2.13

Bus hÖ thèng

phßng ®iÒu khiÓn trung t©m

MTGS MTGS

Hình 2.13 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán: Đây là cấu trúc cho các hệthống điều khiển và giám sát hiện đại với khả năng hỗ trợ kết nối các thiết

bị trường thông minh Hệ thống sử dụng cấu trúc này có tính linh hoạt, độtin cậy và khả năng mở rộng cao nhất Do vậy, đây là hệ thống hay được sửdụng trong công nghiệp hiện nay đối với các hệ thống có quy mô lớn và đòihỏi độ tin cậy cao Cấu trúc này được minh họa theo hình vẽ 2.14

Hình 2.14 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 2.2 Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán DCS

2.2.1 Khái niệm

Hệ điều khiển phân tán (Distributed control system-DCS) là hệ điều khiển màcác chức năng điều khiển được phân bố trên toàn bộ hệ thống thay vì được xử lý tậptrung ở một trạm trung tâm

Một hệ DCS điển hình bao gồm các trạm điều khiển có chức năng hoàn toànđộc lập và các trạm điều hành theo dõi và xử lý dữ liệu trong các trạm điều khiển,cung cấp các giao diện đồ họa và cho phép người điều hành có thể thực hiện cácthay đổi một cách dễ dàng và thuận tiện

DCS là một hệ thống tích hợp với một hệ cơ sở dữ liệu rộng lớn Không giốngnhư với các hệ thống dựa trên PLC, ta có thể sử dụng các bộ điều khiển khác nhau

và các trạm điều hành từ các nhà cung cấp khác nhau vì DCS là một hệ thống hoànthiện và việc truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận của hệ thống là một thểthống nhất

Hệ DCS được sử dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình như các nhàmáy sản xuất xi măng, hóa chất, nhiệt điện, khai khoáng, giấy…DCS phát triển từcác bộ điều chỉnh tương tự Khả năng xử lý dữ liệu tương tự và thực hiện các trình

tự phức tạp và tối ưu hóa quá trình là thế mạnh của hệ thống DCS

Một đặc điểm nổi bật nữa của hệ DCS là việc xử dụng các tagname Trong các

hệ PLC sử dụng hệ thống địa chỉ để truy cập dữ liệu còn DCS lại sử dụng cáctagname Tagname là một tên bất kỳ được định nghĩa bởi người sử dụng, được ápdụng cho tất cả các khối chức năng và các điểm I/O trong trạm điều khiển Do vậy,người vận hành và theo dõi hệ thống có thể truy nhập tới bất kỳ một đối tượng nàotrong hệ thống thông qua các tagname

2.2.2 Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS

Các hệ thống DCS thường được phân loại theo các thiết bị điều khiển được

sử dụng trong hệ thống Trong công nghiệp hiện nay có các hệ DCS chính sau:

 Các hệ DCS truyền thống: Các hệ DCS truyền thống thường sử dụng các

bộ điều khiển riêng biệt theo cấu trúc chung của nhà sản suất

 Các hệ lai DCS/PLC: Là hệ thống DCS hoạt động dựa trên dựa trên PLC

 Các hệ DCS trên nền PC: Là hệ thống sử dụng máy tính cá nhân PC làmthiết bị điều khiển

2.2.3 Mô hình hệ thống điều khiển phân tán

Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân bố việc xử lýthông tin cũng như các chức năng theo chiều rộng cũng như chiều sâu kết hợp vớiviệc sử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp nối dây và bằng điện thôngthường Bên cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào/ra tại chỗ và các thiết bị chấphành thông minh, người ta còn đưa các bộ điều khiển xử lý từ xa (như các bộ vichỉnh, vi điều khiển) xuống các vị trí hiện trường (Remote I/O cabinet)

Cấu trúc điển hình của một hệ DCS được thể hiện trong hình vẽ dưới đây:

PC

Operator Station

Operator Station EngineeringStation

Local Control Station

Operator Station

Local Control Station

PROCESS

Hình 2.15 Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán

a Trạm điều khiển cục bộ (Local Control Station)

Các trạm điều khiển cục bộ có thể là các PLC, các máy tính đặc chủnghoặc máy tính cá nhân công nghiệp được xây dựng theo cấu trúc module Một

trạm điều khiển cục bộ bao gồm các thành phần sau:

- Bộ cung cấp nguồn (PS)

- Khối xử lý trung tâm (CPU)

- Module giao diện (IM) với bus hệ thống

- Bộ xử lý truyền thông (CP)

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

- Các module vào/ra (I/O module)

Thông thường các thành phần của trạm điều khiển cục bộ có dự phòng hệthống phòng trường hợp xảy ra các sự cố

Trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm các chức năng bao gồm: Điều khiểnquá trình; điều khiển trình tự (Sequential Control); điều khiển Logic; điều khiểntheo công thức (Recipe Control)…Ngoài ra trạm điều khiển cục bộ còn có khảnăng nhận biết các trường hợp quá ngưỡng giới hạn và đưa ra các cảnh báo,báo động; đặt các tham số giới hạn trong trường hợp có lỗi…

b Trạm vận hành (Operator Station)

Trạm vận hành thực hiện chức năng giao diện người-máy, hiển thị hình

ảnh quá trình, hiển thị các thông tin của hệ thống, hiển thị hình ảnh đồ hoạ, hỗtrợ vận hành hệ thống, xử lý sự cố, lưu trữ xử lý dữ liệu, tự động cảnh báo khi

có lỗi, lập báo cáo tự động….Mỗi trạm vận hành thường được bố trí tương ứngvới một phân đoạn hoặc một phân xưởng theo hình vẽ 2.16 sau đây:

Engineering Station

Operator Station

c Trạm kỹ thuật (Engineering Station)

Trạm kỹ thuật có các nhiệm vụ sau:

 Cài đặt các công cụ phát triển

 Đặt cấu hình cho hệ thống

 Thiết lập và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiểnnhư chương trình tạo giao diện người máy

 Đặt cấu hình và tham số hoá các thiết bị trường

Các trạm kỹ thuật cũng thường sử dụng các máy tính cá nhân (côngnghiệp) chạy trên nền Windows 95 – 98 - 2000 – NT hoặc UNIX

Thường người ta không phân biệt giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuậttrong một hệ thống, mà sử dụng một bàn phím có khoá chuyển qua lại giữa haichế độ vận hành và phát triển hệ thống

d Bus hệ thống

Chức năng của bus hệ thống là kết nối các trạm điều khiển cục bộ với nhau

và với trạm vận hành và trạm kỹ thuật Hầu hết các hệ thống ứng dụng phải cócấu hình dự phòng cho Bus hệ thống

Các loại Bus hệ thống phổ biến là: Ethernet, Profibus-FMS và ControlNet

e Bus trường

Bus trường được sử dụng để kết nối trực tiếp với các thiết bị trường hoặcvới các trạm vào/ra phân tán Lựa chọn bus trường tùy vào yêu cầu về tốc độtruyền dẫn, điều kiện làm việc, cũng như độ tin cậy…

Các lọai bus trường thông dụng là: Profibus-DP, Foundation FieldBus,DeviceNet và AS-I Trong môi trường dễ cháy nổ thì Profibus-PA và FoundationFieldBus H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất

f Các trạm vào/ra từ xa

Các trạm vào/ra t ừ xa có n hữ ng đặ c đ iểm sau :

 Cấu trúc gần giống một trạm điều khiển cục bộ, duy chỉ thiếu khối xử

lý trung tâm cho chức năng điều khiển

 Chúng được đặt rất gần với quá trình kỹ thuật, vì thế tiết kiệm nhiềucáp truyền và đơn giản hoá cấu trúc hệ thống Trạm vào/ra từ xa cũng

có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, tuy nhiên như vậykhông sử dụng được ưu điểm của cấu trúc này

Khi các thiết bị trường được hỗ trợ giao diện bus trường , hệ thống có thể:

 Sử dụng được các trạm vào/ra từ xa của nhiều nhà cung cấp khác nhau

 Đơn giản hoá cấu trúc hệ thống, tiết kiệm chỗ trong tủ điều khiển

 Nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do tận dụng được khảnăng xử lý thông tin của các thiết bị trường

2.2.4 Các vấn đề kỹ thuật của hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống điều khiển phân tán DCS có những vấn đề kỹ thuật sau: Tínhnăng thời gian thực; vấn đề xử lý phân tán; tính đồng bộ hoá; tính sẵn sàng và độtin cậy của hệ thống

a Tính năng thời gian thực

Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đốivới các hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ thống bus trường nói riêng Sự

hoạt động bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thựckhông chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụthuộc vào thời điểm đưa ra kết quả Một hệ thống có tính năng thời gian thực khôngnhất thiết phải phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thờiđối với các yêu cầu, tác động bên ngoài Tính năng thời gian thực của một hệ thốngđiều khiển phân tán phụ thuộc rất nhiều vào các hệ thống bus trường được sử dụng.

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặcđiểm sau đây:

- Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhucầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

- Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thờigian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

- Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệumột cách tin cậy giữa những trạm nằm trong một khoảng cách xác định

- Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gâyhại thêm cho toàn bộ hệ thống

b Xử lý phân tán

Quá trình xử lý phân tán làm tăng khả năng xử lý thông tin của hệ thống, từ

đó cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và tính linh hoạt của hệthống Trong hệ thống DCS, các chương trình trên các trạm hợp tác chặt chẽ vớinhau thông qua cơ chế giao tiếp ngầm để cùng thực hiện nhiệm vụ của hệ thống

Xử lý phân tán bao gồm các công việc sau: phối hợp hoạt động trong cácnhiệm vụ phức tạp; giao tiếp giữa các trạm; đồng bộ hoá các quá trình xử lý; dựphòng và khắc phục lỗi

c Đồng bộ hoá trong điều khiển phân tán

Đồng bộ hoá các tín hiệu vào/ra: Cấu trúc Bus trường làm nảy sinh xungđột trong truyền tải dữ liệu do thời gian trễ kênh khác nhau Để khắc phục nhượcđiểm này người ta thường chọn loại Bus sao cho chu kỳ của Bus nhỏ hơn nhiều lầnchu kỳ được điều khiển hoặc dùng Bus trường để hỗ trợ đồng bộ hoá việc vào/ra

Đồng bộ hoá thời gian: Vì khả năng xử lý thông tin của các trạm vận hành

và trạm kỹ thuật là khác nhau do vậy gây sai lệch về thời gian Trong một hệ thốngDCS, thường dùng phương pháp chọn một trạm vận hành làm hệ quy chiếu chuẩn,tất cả các trạm khác nối với Bus hệ thống được đồng bộ hoá theo trạm này thôngqua các bản tin gửi đồng loạt

d Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống

Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống DCS phụ thuộc vào chất lượng củatừng thiết bị trong hệ thống truyền thông, khả năng dự phòng, chế độ bảo dưỡngthường xuyên, cơ chế tạo an toàn và bảo mật hệ thống,

Hệ thống DCS có tính sẵn sàng và độ tin cậy cao nhờ khả năng dự phòng ởtất cả các trạm, có thể lựa chọn dự phòng từng thành phần

Hiện nay các hệ thống DCS đều dùng phương pháp giao tiếp số, cấu hình

xử lý phân tán, các phầm mềm trọn gói và việc chuẩn hoá phần cứng theo các tiêuchuẩn công nghiệp cũng như độ tích hợp cao giữa phần cứng và phần mềm đã giúpcho các hệ thống DCS có độ tin cậy cao Chính vì vậy, các hệ thống DCS ngàycàng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU PCS7 VÀ PHẦN MỀM CEMAT

3.1 Tìm hiểu PCS7

3.1.1 Giới thiệu chung

Với thiết kế hiện đại và kiến trúc mềm dẻo SIMATIC PCS 7 cho phép người

sử dụng thiết kế với chi phí thấp và hiệu quả, đồng thời vận hành kinh tế một nhàmáy qua toàn bộ các quá trình thực bao gồm: lập kế hoạch, thiết kế kỹ thuật, ramệnh lệnh, huấn luyện, điều hành và bảo dưỡng, cũng như xét đến việc mở rộngtrong tương lai

SIMATIC PCS7 là hệ thống điều khiển quá trình có khả năng kết nối hoàntoàn tự động, cho phép tổ hợp cả ba mảng: lưu trữ dữ liệu, truyền thông và cấu hình

hệ thống Nó không chỉ hữu dụng ở những tác vụ điều khiển trong quá trình kỹthuật, mà nó còn có khả năng sao lưu hoàn toàn tự động tất cả các quá trình làmviệc xuôi và ngược, ví dụ như quá trình cung cấp nguyên liệu hoặc đóng gói sảnphẩm

Các đặc điểm nổi bật của hệ thống PCS7:

- Là một hệ thống điều khiển quá trình “tự động tích hợp tổng thể”

- Các phần tử phần cứng tiêu chuẩn họ SIMATIC có chất lượng và tính chânthực cao

- Ứng dụng đa năng: áp dụng cho quá trình sản xuất liên tục hoặc theo kếhoạch; cũng như các ứng dụng cho các hệ thống chịu lỗi, đảm bảo an toànkhi xảy ra sự cố

- Hệ thống kỹ thuật trung tâm chứa tất cả các những phần tử hệ thống bao gồmcác sản phẩm của Siemens cũng như các nhà cung cấp thiết bị khác

- Cấu hình hệ thống đẹp và hiệu quả

- Tạo khả năng điều khiển quá trình đơn giản, an toàn trong vận hành

- Thiết kế mang tính module, đa dạng ở mọi cấp độ: trạm vận hành, trạm kỹthuật, hệ thống tự động và các thiết bị vào/ra

- Áp dụng cho các hệ thống từ nhỏ cho tới lớn với số phần tử từ 50 đến 18000

- Là một hệ thống mở cho phép nhiều người sử dụng

- Lắp đặt hệ thống đơn giản, khả năng mở rộng hệ thống dễ dàng khi cần thiết

Ngoài ra, hệ thống PCS 7 còn hỗ trợ những chức năng điều khiển cấp caotheo tiêu chuẩn công nghiệp đối với vấn đề truyền thông và xử lý dữ liệu như:đồng bộ hoá thời gian làm việc tại trung tâm; giám sát và điều khiển hoạt độngcủa các phần tử trong hệ thống; xử lý và lưu trữ dữ liệu, dự phòng hệ thống…

Sơ đồ tổng quan một hệ thống điều khiển PCS 7 như hình 3.1:

Hình 3.1 Tổng quan một hệ thống điều khiển PCS7

Theo hình vẽ trên, ta thấy một hệ thống điều khiển PCS7 có các thành phầnchính sau:

- Hệ thống kỹ thuật (Engineering system) với các trạm kỹ thuật

- Hệ thống vận hành (Operatior system) với các trạm vận hành bao gồmphần mềm thiết kế giao diện vận hành WinCC

- Các trạm điều khiển (Automation Systerm)

- Các thiết bị vào/ra phân tán: ET200M và ET 200iS

- Bus trường (PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA), các thiết bị trường và giaodiện cho các thiết bị trường thông minh HART

- Bus hệ thống gồm có các loại: Industrial Ethernet, Fast IndustrialEthernet, PROFIBUS- DP

3.1 2 Hệ thống kỹ thuật (Engineering system)

PCS 7 cung cấp một hệ thống kỹ thuật mạnh và phong phú với nhiềucông cụ để có thể cấu hình các hệ điều khiển quá trình và có thể sử dụng phùhợp cho mọi quy mô dự án

Hình 3.2 Tổng quan một hệ thống kỹ thuật trong PCS7

Hệ thống kỹ thuật trung tâm của SIMATIC PCS 7 gồm nhiều công cụ đểthực hiện những nhiệm vụ sau:

- Cấu hình phần cứng và các thiết bị trường

- Cấu hình mạng truyền thông

- Cấu hình cho hoạt động vận hành quá trình liên tục và tuần tự

- Thiết kế kế hoạch hoạt động và giám sát

- Tạo những cách thức xử lý theo khối chức năng

Đây là một hệ thống mở: các dữ liệu của một dự án (Project) có thể đượcnhập từ các công cụ CAD/CAE

Một hệ thống kỹ thuật có những đặc điểm nổi bật sau:

 Tính đồng bộ hóa do đó hệ thống kỹ thuật trung tâm làm giảm chi phí và thờigian thiết kế.

 Có các công cụ kỹ thuật đa năng áp dụng được với cả hệ thống cổ điển cũngnhư những hệ thống chịu sự cố và những hệ thống tạo an toàn

 Khả năng thiết kế kỹ thuật nhanh chóng bằng các biểu đồ, thư viện hình ảnh,các khối chuẩn có sẵn và khả năng kiểm tra, cấu hình tự động…

 Cấu hình quá trình không cần các chương trình đặc biệt

 Cấu hình đồ họa thuận tiện

 Tự động thực hiện các vòng làm việc

 Theo dõi chi tiết những khối chức năng chỉ bằng cách nhấp chuột trực tiếpvào các biểu đồ

 Kết nối những khối chức năng một cách đơn giản

 Định vị trí các biểu đồ, căn lề, đặt tên các khối nhanh chóng và đơn giản

Hệ thống kỹ thuật trung tâm của SIMATIC PCS 7 có nhiều thành phần vàđược quản lý bởi SIMATIC Manager Hệ thống PCS7 có đặc điểm: cho phépquản lý toàn bộ các phần tử của hệ thống theo cấu trúc dạng cây, phân tán cácchức năng điều khiển tới nhiều người sử dụng (trong đó mỗi người sử dụng chỉđược quản lý các thành phần thuộc chức năng của mình), trong một hệ thống lớn

có thể kết nối nhiều máy tính để thực hiện cùng một dự án,…

Trạm kỹ thuật của PCS 7 có chứa các phần tử chính sau:

 STEP 7 cùng với SIMATIC MANAGER là trung tâm điều hành của ES

 IEA (Import/Export Assistant) dùng để trao đổi dữ liệu hai chiều

 CFC/SFC (Continuous Function Chart/Sequential Function Chart) các công

cụ lập trình đồ hoạ

 Libraries: Thư viện đồ hoạ và các khối chuẩn

 HW config và NETPRO cấu hình phần cứng và mạng bằng các công cụ đồhoạ

 NCM S7: dùng cho Industrial Ethernet/PROFIBUS để kết nối truyềnthông cho các khối xử lý

 WinCC Graphic Designer (Window Control Center Graphic Designer) dùng

để xây dựng giao diện vận hành cho các trạm vận hành OS

 Faceplate Designer: Thiết kế dựa trên các mẫu đồ hoạ, biểu đồ chuẩn có

 DOCPRO: lưu trữ và quản lý dữ liệu của các dự án thực hiện

 SIMATIC BATCH: Dùng để quản lý các công việc theo khối

 SIMATIC PDM (SIMATIC Process Device Manager): khối chức năngdùng để quản lý các thông số, truyền các thông số, chuẩn đoán trong cácthiết bị trường thông minh mà có hỗ trợ PROFIBUS-PA hoặc giao thứcHART

3.1.3 Trạm vận hành (Operation station)

Hệ thống SIMATIC PCS7 cung cấp một số lượng lớn và linh hoạt các trạmvận hành, cho phép người sử dụng có thể vận hành và giám sát một nhà máy.Những trạm OS này đã được cấu hình, cài đặt và thử nghiệm trước cũng như hoànthành các Unit trên cơ sở của một PC và tương thích với phần mềm hệ thống điềukhiển Kết quả từ việc sử dụng công nghệ PC, các trạm vận hành được cung cấp cấuhình trạng thái phần cứng trên nền hệ điều hành Window NT, cùng với đó là thiết

kế phù hợp với môi trường công nghiệp cũng như văn phòng

Với rất nhiều phiên bản khác nhau bao hàm tất cả những ứng dụng có thể có:

từ hệ thống một người sử dụng (Single Station) cho tới cấu hình phân tán chủ/tớ, từmột máy chủ tiêu chuẩn cho tới một lớp máy chủ OS hiệu suất cao với hệ xử lýpentium lõi kép Hình vẽ 3.3 sau đây cho thấy một trạm vận hành chủ (OS Server)

có thể truyền thông với 16 trạm khách (Multi Client), ngược lại mỗi trạm khách lại

có khả năng truyền thông với 6 trạm vận hành chủ

OS LAN (Ethernet)

Plant Bus PLC

Những trạm vận hành được kết nối với nhau nhờ bus IE của nhà máy hoặcthông qua bộ xử lý truyền thông (CP) hoặc qua một card LAN đơn giản (Ethernettruyền thông cơ bản cho tối đa 8 trạm) Nếu những kênh vận hành được yêu cầuthêm vào, thì một hệ thống một người sử dụng được cung cấp song song với buscủa nhà máy

Một hệ thống nhiều người sử dụng bao gồm những đầu cuối vận hành (nhữngtrạm khách-Clients) nơi được cung cấp dữ liệu từ một hoặc một vài trạm chủ OSthông qua OS-LAN (Local Area Network) OS-LAN có thể kết nối vào bus xínghiệp hoặc là một bus có tính độc lập với bus xí nghiệp (Ethernet với kiến trúcgiao thức TCP/IP)

3.1.4 Trạm điều khiển - PLC (Programmable Logic Controller)

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable logic Control), viết tắt làPLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thôngqua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số.Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển

số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trườngxung quanh (với PLC khác và với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển đượclưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặcFB) và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét (scan) Để có thể thực hiệnđược một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máytính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữchương trình điều khiển, dữ liệu và phải có các cổng vào/ra để giao tiếp được vớiđối tượng điều khiển và để trao đổi với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằmphục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn có thêm các khối chức năng đặc biệt khácnhư bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng

Với hệ thống điều khiển SIMATIC PCS 7 thường sử dụng PLC S7-400.Với cấu trúc dạng modul, khả năng kết nối và xử lý, khả năng truyềnthông lớn, các chức năng tích hợp trong hệ thống lớn, thực hiện đơn giản, PLCS7-400 là tối ưu cho hệ PCS 7 SIMATIC PCS 7 có cấu trúc dạng modul kếtnối các phần tử của S7-400