GIỚI THIỆU VỀ PCS7- SIEMENS và các ứng dụng, Giới thiệu về hệ DCS trên nền PLC và nền PC, các ứng dụng của hệ DCS, Mô hình điều khiển và giám sát, ứng dụng trong thực tiễn.
Trang 11. Giới thiệu chung về hệ PCS7 của hãng SIEMENS:
“SIMATIC PCS 7: nền tảng tự động hoá quá trình cho tương lai”.
Trang 2SIMATIC PS7 là hệ điều khiển quá trình (PAS) mà Siemens đưa ra thị trườngnhư một sản phẩm cơ sở cho toàn bộ chiến lược phát triển trong ngành côngnghiệp xử lý - chế biến Hiện có hàng ngàn hệ SIMATIC PCS 7 đã được lắp đặttại châu Âu, Bắc Mỹ, châu Á, và châu Mỹ Latin.
SIMATIC PCS7 tương thích với tầm nhìn TIA về nền tảng phần cứng chungxuyên suốt các lĩnh vực ứng dụng dựa trên cơ sở nền tảng chung S7, hệ tự độnghoá đã được coi là nền tảng điều khiển cho các sản phẩm PLC và các hệ thống
an toàn do SIEMENS cung cấp SIMATIC PCS7 sử dụng dòng sản phẩm I/Ophân tán ET200, truyền thông PROFIBUS và Ethernet công nghiệp với cấu hìnhchung, công cụ thiết kế, giao diện vận hành và cơ sở dữ liệu tự động hoá thốngnhất
Từ giữa thập kỷ 90, Siemens bày tỏ ý định tìm các cơ hội phát triển trong ngànhcông nghiệp xử lý - chế biến Đến nay, công ty này đã thành công rực rỡ khithâm nhập vào thị trường quốc tế Theo thông tin từ chính hãng, trong vòng vàinăm qua doanh số từ hệ SIMATIC PCS7 đã vượt qua chỉ tiêu tăng trưởng đề ra
và công ty hiện đang nằm trong nhóm 4 hãng cung cấp hệ phân tán DCS lớnnhất thế giới Trong khi đã từ lâu Siemens là nhà cung cấp hàng đầu trên thịtrường PLC, tập đoàn vẫn nhận ra rằng họ cần đến những công ty nhỏ mang tới
sự cách tân và các giá trị cần thiết để đẩy nhanh vị trí của tập đoàn trong ngànhcông nghiệp xử lý và chế biến
Hơn 10 năm trên thị trường với hàng ngàn ứng dụng đang hoạt động trong nhiềungành công nghiệp khắp toàn cầu, hệ Điều khiển quá trình SIMATIC PCS 7 củaSiemens đã được chứng minh như là một trong những giải pháp Tự động hóaphổ biến và thành công nhất hiện nay
Trang 3Kiến trúc của SIMATIC PCS7
Phần cứng chung và nền tảng điều khiển :
Nền tảng phần cứng điều khiển chung cho SIMATIC PCS 7 là bộ điềukhiển dòng 400 bao gồm Trạm Tự động AS 414, 416, và 417 Những trạm tựđộng này có CPU giống như PLC dòng SIMATIC S7 của Siemens Được sửdụng như Hệ điều khiển phân tán DCS, các bộ điều khiển này có thời gian quétđạt 10 mili giây Những bộ điều khiển lớn hơn có thể vận hành hơn 1000 mạchvòng điều khiển PID loop trong 0,5 giây và hỗ trợ mở rộng bộ nhớ lập trình trựctuyến ET200M là sự lựa chọn đầu tiên, và có thể đặt tại các khu vực nguy hiểm,gồm cả cấp 1 bậc 2
Phiên bản an toàn được TUV thông qua và có thể sử dụng cho các ứng dụng SIL
3 với bộ điều khiển hệ thống an toàn tích hợp Thiết bị đầu cuối dòng ET 200Sđược thiết kế để điều khiển mô tơ, bộ phận khởi động và ứng dụng điều khiểnvan khí Về bản chất, thiết bị này được thiết kế nhằm hỗ trợ cho cấu trúc phântán sẵn có, cho phép người sử dụng có thể hoàn toàn linh hoạt lựa chọn điểm đặtI/O (I/O điều khiển từ xa)
Cơ sở hạ tầng thông tin chung:
Cơ sở thông tin chung cung cấp cơ cấu truyền thông thống nhất cho môhình CPAS Tại cấp hiện trường, cơ sở hạ tầng chủ yếu phục vụ các thiết bị cảmbiến, thiết bị chấp hành và các thiết bị logic, cung cấp một môi trường tính toánphân tán chuẩn cho các thiết bị đó Tại cấp điều khiển (Control Level), Cơ sở hạtầng truyền thông chung cung cấp khả năng chịu lỗi cho phép đồng bộ hoá thôngtin trong cả các ứng dụng điều khiển quá trình và quản lý sản xuất Điều này dẫntới một môi trường dữ liệu phong phú, mạnh, an toàn và duy nhất từ thiết bịtrường cho đến giao diện với hệ thống kinh doanh
Trang 4Profibus, HART và Ethernet Công nghiệp tạo ra nền tảng
thông tin chung cho PCS7
Cơ sở thông tin chung cho hệ SIMATIC PCS 7 được xây dựng trên nền tảnggiao thức PROFIBUS chuẩn và đường trục Ethernet công nghiệp của Siemens.PROFIBUS DP kết nối trạm I/O từ xa, các thiết bị truyền động và cung cấp giaodiện cho các mạng thiết bị khác như AS-i PROFIBUS-PA được sử dụng tại cấpthiết bị hiện trường, cung cấp kết nối cho các thiết bị hiện trường tương thíchmạng trường và bộ điều khiển vị trí van thông minh PROFIsafe cũng được tíchhợp vào cấu trúc hệ thống thông qua hệ thống an toàn do Siemens cung cấp.Mạng điều khiển Ethernet công nghiệp đáp ứng các yêu cầu đặc biệt của các bộđiều khiển thời gian thực (real-time controller) dựa trên đường trục Ethernetchuẩn
SIMATIC PCS 7 cung cấp khả năng mở rộng và dự phòng :
SIMATIC PCS 7 cung cấp cấu hình dự phòng tại mọi cấp và độ sẵn sàngđiều khiển cao cho các ứng dụng quan trọng và ứng dụng lớn, có thể đáp ứngcho những ứng dụng lớn tới hơn 100,000 đầu tín hiệu I/O Hệ thống này có khảnăng giảm cấu hình tới tối thiểu, thích ứng với các ứng dụng nhỏ nhất với cấuhình mới PCS 7 Box Đây là dạng cấu hình có một máy trạm thiết kế, vận hành,một bộ điều khiển PLC dưới dạng một card PCI, và khả năng kết nối mạng
Trang 5PROFIBUS, tất cả gói gọn trong một máy tính công nghiệp với giá thành chưađến $20,000 PCS 7 Box có chức năng như một hệ PCS 7 hoàn chỉnh, có thể xử
lý 800 đầu I/O SIMATIC PCS 7 hỗ trợ việc sử dụng các máy khách nhỏ truycập qua Microsoft Internet Explorer, như máy tính cầm tay MOBIC của Siemenschẳng hạn
SIMATIC PCS7 cung cấp cấp hình dự phòng tại mọi cấp
Không thể có một lỗi nào có thể xảy ra trên Hệ thống có khả năng dự phòngtoàn bộ tại mọi cấp, từ dự phòng tín hiệu I/O, dự phòng bộ điều khiển và dữ liệulịch sử Trong cấu hình dự phòng các CPU sẽ chạy song song và các bộ điềukhiển có thể tách biệt nhau đến 500m Hơn nữa, gói phần mềm SIMATICBATCH, công cụ bổ sung Add-on vào SIMATIC PCS7 cũng hỗ trợ cấu hình dựphòng, một đặc tính mà gần như không thể thấy trong các ứng dụng điều khiển
mẻ (batch control) tương tự
SIMATIC PCS 7 hỗ trợ thực thi đa ứng dụng:
Một nhà máy xử lý - chế biến điển hình yêu cầu ít nhất là 3 ứng dụng điềukhiển, từ điều khiển tự chỉnh (regulatory control) đến điều khiển tuần tự(sequence control), điều khiển rời rạc và các ứng dụng an toàn (safetyapplication) Mô hình CPAS của ARC kết hợp những chức năng điều khiển kểtrên cùng với khả năng quản lý tài sản, điều khiển tiến tiến (advanced control)
và quản lý sản xuất
SIMATIC PCS7 đã đưa ra toàn bộ các yêu cầu của các ứng dụng quátrình, các ứng dụng lai và rời rạc trong cùng một khuôn khổ duy nhất Nền tảngphần cứng chung và hạ tầng cơ sở mạng chung, cũng như môi trường thiết lập
Trang 6cấu hình trên cơ sở SFC và chuẩn IEC 61131 cho phép hợp nhất điều khiển rờirạc, điều khiển mẻ và các ứng dụng an toàn cùng với điều khiển quá trình.SIMATIC BATCH của SIEMENS đáp ứng được các yêu cầu về khả năng thựcthi cao của điều khiển mẻ Hệ an toàn 400 FH được áp dụng cho các ứng dụng
an toàn
Điều khiển cấp cao trong SIMATIC PCS7 bao gồm ứng dụng điều chỉnh
và phân tích bộ điều khiển PID (PID tuning and analysis) SIMATIC PCS7 cũngcung cấp điều khiển logic mờ (fuzzy logic control) theo mẫu của S7 Fuzzy và hỗtrợ các ứng dụng của nhà cung cấp thứ 3 như Inca, ADCO và Brainware Công
cụ mô phỏng của SIMATIC PCS7 và đào tạo vận hành nằm trong gói mô phỏngđào tạo cho điều khiển quá trình SIMIT Công cụ thiết lập cấu hình hệ thống chophép tự động tạo môi trường mô phỏng trực tiếp từ kế hoạch điều khiển Đối vớiứng dụng quản lý sản xuất, SIMATIC PCS7 giao diện trực tiếp với hệ quản lýsản xuất SIMATIC IT Production Suite
Đối với các ứng dụng quản lý tài sản doanh nghiệp, Siemens đưa ra sảnphẩm quản lý thiết bị PDM (Process Device Manager) Sử dụng PDM từ trạm
kỹ thuật trung tâm, người sử dụng có thể cài đặt thông số thiết bị và và khắcphục từ xa các sự cố xuất hiện tại các thiết bị thông minh ngoài hiện trường.PDM là kênh thông tin cơ sở cho hệ thống quản lý tài sản và có thể tích hợp vớiSIMATIC PCS 7 hoặc trong các cấu hình độc lập PDM giảm thời gian “Kiểmtra sản phẩm tại xưởng” (Factory Acceptance Testing), thời gian vận hành vàkhởi động
2.Nền làm việc của DCS:
Các hệ DCS trên nền PLC:
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loạimáy tính điều khiển chuyên dụng, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morleylần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật củaGeneral Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thếcho mạch điều khiển logic cứng, hai công ty độc lập là Allen Bradley vàBedford Associates (sau này là Modicon) đã đưa ra trình bày các sản phẩm đầutiên Các thiết bị này chỉ xử lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra(1 bit) và 1kByte bộ nhớ Lúc đầu, cái tên programmable controller, viết tắt là
PC, được sử dụng rộng rãi Trong khi đó, programmable logic controller hayPLC là thương hiệu đăng ký của công ty Allen Bradley Sau này, khi máy tính cánhân trở nên phổ biến thì từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn
Vì vậy từ đây về sau ta sẽ dùng khái niệm thiết bị điều khiển khả trình nhưngvới từ viết tắt là PLC.Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làmviệc đơn giản theo chu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộnhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng, PLC nhanh chóng thu hút sựchú ý trong giới chuyên ngành.Vào thời điểm các máy tính điều khiển chuyêndụng và không chuyên dụng đều có kích cỡ rất lớn và giá thành rất cao, thì việc
sử dụng PLC là giải pháp lý tưởng để thay thế các mạch logic tổ hợp và tuần tựtrong điều khiển các quá trình gián đoạn.Cho đến nay, danh mục các chủng loại
Trang 7PLC có mặt trên thị trường thậtphong phú đến mức khó có thể bao quát Chúngkhông những khác nhau ở công suất làm việc của bộ xử lý trung tâm, ở dunglượng bộ nhớ và ở số lượng các cổng vào/ra, mà còn ở các đặc tính chức năngnhư cấu trúc linh hoạt, phương pháp lập trình và khả năng nối mạng Trừ một sốloại nhỏ dùng trong các ứng dụng đơn giản, hầu hết các PLC hiện đại đều khôngdừng lại ở việc thực hiện các phép tính logic đơn giản, mà còn có khả năng làmviệc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, thậm chí cả cácthuật toán điều khiển phản hồi như điều khiển nhiều điểm, PID và điều khiểnmờ.
Các bộ đếm, bộ định thời và một số hàm toán học thông dụng thuộc phạm vichức năng chuẩn của một PLC Việc sử dụng PLC vì vậy không chỉ dừng lại ởcác quá trình gián đoạn, mà nay đã rất phổ biến đối với điều khiển các quá trìnhliên tục như trong công nghiệp chế biến, khai thác, công nghệ môi trường v.v Một số hệ DCS trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Process Logix(Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens),… Thực chất,ngày nay đa số các PLC vừa có thể sử dụng cho bài toán điều khiển logic vàđiều khiển quá trình Tuy nhiên, các PLC được sử dụng trong các hệ điều khiểnphân tán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với cácphương pháp lập trình hiện đại (ví dụ SFC)
Cấu trúc phần cứng
Hình 3-5 minh họa các thành phần chức năng chính của một hệ thốngthiết bị điều khiển khả trình và quan hệ tương tác giữa chúng Về cơ bản, mộtPLC cũng có các thành phần giống như một máy vi tính thông thường, đó là vi
xử lý, các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình, giao diện vào/ra và cung cấpnguồn Tuy nhiên, một điểm khác cơ bản là các thành phần giao diện người-máynhư màn hình, bàn phím và chuột không được trang bị ở đây Việc
lập trình vì vậy phải được thực hiện gián tiếp bằng một máy tính riêng biệt, ghépnối với CPU thông qua giao diện thiết bị lập trình (thường là một cổng nối tiếptheo chuẩn RS-232 hoặc RS-485).Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit,CPU) bao gồm một hoặc nhiều vi xử lý, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ làm việc,đồng hồ nhịp và giao diện với thiết bị lập trình, được liên kết với nhau thông quamột hệ bus nội bộ Nhiệm vụ chính của CPU là quản lý các cổng vào/ra, xử lýthông tin, thực hiện các thuật toán điều khiển Bộ nhớ chương trình thường códạng EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory) hoặcEEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), chứa
hệ điều hành và mã chương trình ứng dụng Dữ liệu vào/ra cũng như các dữ liệutính toán khác được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random Access Memory).Đồng hồ nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình theo chu kỳ,thông thường trong khoảng từ 0,01giây tới 1000 phút Các thành phần vào/ra(input/ouput, I/O) đóng vai trò là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật.Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly galvanic giữacác thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU Các thành phầnvào/ra được liên kết với CPU thông qua một hệ bus nội bộ hoặc qua một hệ bus
Trang 8trường (xem chương 3) Bộ cung cấp nguồn (power supply, PS) có vai trò biếnđổi và ổn định nguồn nuôi (thông thường 5V) cho CPU và các thành phần chứcnăng khác từ một nguồn xoay chiều (110V, 220V, ) hoặc một chiều (12V,24V, ).Bên cạnh các thành phần chính nêu trên, một hệ thống PLC có thể cócác thành phần chức năng khác như ghép nối mở rộng, điều khiển chuyên dụng
và xử lý truyền thông
Thiết kế module và thiết kế gọn
Tùy theo sự phân chia chức năng trên các thành phần thiết bị, ta có thểphân biệt giữa các PLC có thiết kế module và các PLC có thiết kế gọn Trongmột PLC có thiết kế gọn, tất cả các chức năng được tích hợp gọn trong một thiết
bị Thông thường, loại PLC này có sẵn một số cổng vào/ra cố định Một số cũngđược tích hợp giao diện truyền thông cho một loại bus trường Tuy nhiên, một số
ít loại có cấu trúc gọn vẫn cho phép tăng số lượng cổng vào/ra
hoặc bổ sung giao diện mạng bằng các module mở rộng đặc biệt PLC có cấutrúc gọn thích hợp với các bài toán đơn giản Đối với các ứng dụng có qui môvừa và lớn, ta cần sử dụng các PLC có thiết kế module bởi độ linh hoạt cao Ởđây, hầu hết mỗi thành phần chức năng được thực hiện bởi một module phầncứng riêng biệt, được lắp đặt trên một hoặc nhiều giá đỡ Bên cạnh các thànhphần cơ bản là CPU, nguồn và các module vào/ra, một PLC còn có thể chứa cácmodule chức năng, các module ghép nối và module truyền thông Hệ bus nội bộđược sử dụng để ghép nối các module mở rộng với CPU thường được gọi là busmặt sau (backplane
bus) Các module chức năng (function module, FM) được sử dụng để thực hiệnmột số nhiệm vụ điều khiển riêng, ví dụ module điều khiển PID, module điềukhiển động cơ bước, module cân, Các module này hoạt động tương đối độc lập
Trang 9với CPU, tuy nhiên có thể trao đổi dữ liệu quá trình và dữ liệu tham số thôngqua bus nội bộ và các hàm hoặc khối hàm giao tiếp hệ thống.
Các module ghép nối (interface module, IM) được sử dụng trong việc mở rộng
hệ thống khi số lượng các module lớn, không đủ chỗ trên một giá đỡ Thôngthường, mỗi giá đỡ cần có một module nguồn riêng bên cạnh module ghép nối.Thông qua các module ghép nối, một CPU có thể quản lý tất cả các module trêncác giá đỡ Số lượng và chủng loại các module cho phép trên một giá đỡ cũngnhư số lượng tổng cộng phụ thuộc vào khả năng quản lý của loại
CPU cụ thể Các module truyền thông (communication module, CM) có vai trò
là giao diện mạng, được sử dụng để ghép nối nhiều PLC với nhau, với các thiết
bị trường và với máy tính giám sát Các module truyền thông đảm nhiệm xử lýgiao thức một cách độc lập với CPU Tuy nhiên trong một số trường hợp, bộ xử
lý trung tâm cũng được tích hợp sẵn giao diện mạng cho một hệ bus trườngthông dụng
Các hệ DCS trên nền PC
Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển khôngnhững được bàn tới rộng rãi, mà đã trở thành thực tế phổ biến trong những nămgần đây Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình (PLC) và các bộ điều khiểnDCS đặc chủng thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, khảnăng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, mà còn ở khíacạnh kinh tế Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm
và công nghệ bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của
PC trong điều khiển công nghiệp DCS trên nền PC là một hướng giải pháptương đối mới, mới có một số sản phẩm trên thị trường như PCS7 (Siemens, giảipháp Slot-PLC), 4Control(Softing), Stardom (Yokogawa), Ovation(Westinghouse-Emerson Process Management)… Hướng giải pháp này thể hiệnnhiều ưu điểm về mặt giá thành, hiệu năng tính toán và tính năng mở Một trạmđiều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một
hệ điều hành thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao diệnbus hệ thống
Trong giải pháp điều khiển dùng máy tính cá nhân thì một vấn đề thường rấtđược quan tâm là độ tin cậy của máy tính Một phần ta có thể yên tâm bởi vớicấu trúc vào/ra phân tán, máy tính điều khiển được đặt trong phòng điều khiểntrung tâm với điều kiện môi trường làm việc tốt Mặt khác, trên thị trường cũng
đã có rất nhiều loại máy tính cá nhân công nghiệp, đảm bảo độ tin cậy caokhông kém một PLC Một khi máy tính chỉ được cài đặt hệ điều hành và phầnmềm điều khiển thì khả năng gây lỗi do phần mềm cũng sẽ được giảm thiểu.Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về tính sẵn sàng, độ tin cậy của
hệ thống, ta cần có một giải pháp dự phòng thích hợp Giải pháp đơn giản và tiếtkiệm nhất là “dự phòng lạnh”, có nghĩa là trong trường hợp có sự cố tại máy tínhđiều khiển xảy ra ta chỉ cần thay thế một máy mới với cấu hình và các phầnmềm đã được cài đặt giống hệt máy chính Song giải pháp tốt hơn là sử dụngmột cấu hình dự phòng nóng
Trang 103 DCS là hệ thống phân tán.
PLC và DCS ra đời không cách xa nhau nhiều Nếu PLC chuyên sâu vềđiều 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 trì-vận hành Vì vậy, các hệ DCS đã ứng dụngphương 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 cácPLC vì DCS ra đời sau vì vậy DCS đã kịp kế thừa các chức năng này Trong quátrình phát triển của PLC, đã có rất nhiều xu hướng làm xoá dần ranh giới củaPLC và DCS Thực tế, với các hệ thống PLC lớn như 9070 của GE Fanuc hayS7-400 của Siemens đều có các hình bóng của DCS như điều khiển phân tán quamạng, điều khiển PID, dự phòng nóng và giá thành của các hệ PLC này cũngtiệm cận giá của các hệ DCS
Như vậy, các đặc điểm chính của 1 hệ thống DCS là:
• Điều khiển quá trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward
• Điều khiển phân tán qua mạng FieldBUS-Profibus, 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
Rất nhiều người nhầm lẫn các hệ SCADA với DCS, cũng có người cho rằngPLC+PC= "DCS" Tại sao lại dễ nhầm như vậy? Vì hệ SCADA cũng có yếu tốđiều khiển qua mạng, SCADA cũng có các phần mềm HMI, các data server Tuynhiên, đây là 2 hệ thống khác nhau Trong hệ thống DCS, có cả điều khiển đốitượng và điều khiển giám sát Chức năng điều khiển đối tượng được thực hiệnbởi các trạm điều khiển (Control station), còn chức năng điều khiển giám sátđược 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 hệthống 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 dothiếu những tính năng chủ đạo hoặc các tính năng này không hoàn thiện nhưDCS 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 kế/kỹ thuật PCtrong hệ PLC có thể chạy các phầm mềm HMI, SCADA, nhưng chưa thể là trạmvận 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 rấtnhiều 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
Trang 11toán điều khiển thiên về Logic và ít đòi hỏi cao về điều khiển quá trình Hiệnnay, xuất hiện nhiều hệ điều khiển lai (hybrid) trong đó có cả PLC và DCS hoặcthực hiện chức năng của cả hai hệ thống này.
4.Các tầng của DCS
4.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản
Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trìnhđược minh họa trên Hình 2-1 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò
là giao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi đó,
hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và
máy Các thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua
số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/racủa máy tính Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh
sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị Đó chính là các chức năng của cácmodule vào/ra (I/O)
Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chứcnăng chính sau đây:
• Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,chuyển đổi tín hiệu
Trang 12• Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển
chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân
cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng
• Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy,các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp
• Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bustrường, bus hệ thống
• Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn
4.2 Mô hình phân cấp
Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn
và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chứcnăng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòihỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tincần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấpdưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thịhai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêmmột mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuấtcông nghiệp
4.2.1 Cấp chấp hành
Trang 13Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động vàchuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảmbiến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng choviệc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bịthông minh1 cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin, trước khi đưa lêncấp điều khiển.
4.2.2 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 đạt lại kết quả xuốngcác cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được ngườiđứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường,sử dụngkiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nútđóng/mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v Trong một hệ thống điều khiển
tự động hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằngmáy tính
4.2.3 Cấp điều khiển giám sát
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, bảotoàn hệ thống được các cấp cơ sở 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 sốtrường 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 trong chếbiến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng
ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứngđặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máychủ, termimal, )
Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệthống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng cóthể khác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá vàcấu trúc hệ thống cụ thể Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điềukhiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm, ), sự phânchia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại,trong tự động hóamột nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta cóthể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi
4.3 Cấu trúc điều khiển
Biến thể của cấu trúc cơ bản trên Hình 2-1 tìm thấy trong các giải phápthực tế khác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vịtrí các máy tính quá trình và phụ kiện được lựa chọn Căn cứ vào đó, ta có thể