Giáo trình Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng: Phần 1

Phần 1 cuốn giáo trình cung cấp cho người học các kiến thức: Điều khiển phân tán, khái quát chung về hệ thống điều khiển lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, hệ thống điều khiển hơi, hệ thống điều khiển mức nước báo hơi. Mời các bạn cùng tham khảo.

BÙI QUỐC KHÁNH - NGUYỀN DUY BÌNH

CHO NHÀ MÁY

BÙI Q l ỏ c KHẢNH - NGUYỄN DUY BÌNH

PHẠM QUANG ĐĂNG - PHẠM HÒNG SƠN

HỆ ĐIỀU KHIẺN DCS CHO

NHÀ MÁY SẢN XUẤT ĐỈỆN NĂNG

(Sách giáo trình dùng cho sinh viên các trường đại học kỹ thuật)

(Tái ban lần thứ 2 - có sưa chữa )

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỢC VÀ KỶ THUẬT

HÀ NỘI 2013

Lời nói đâu

Sàn xuất diện năng là quá trình phức tạp liên quan tới nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ

khác nhau M ỗi nhà máy điện có nhiều tô máy, các nhà máy điện được găn kêt với lưới điện

thành một hệ thống điện quốc gia Vì vậy hệ thống điều khiển nhà máy điện là hệ thống lớn, cơ

sở dữ liệu phải thống nhất, đảm bào tính ổn định bền vững, độ tin cậy cao

Trong những năm gần đây, hệ thống tự động hóa nhà máy điện được thừa hường thành tựu

khoa học công nghệ điện tử, tin học và kỹ thuật điều khiên, đã có sự phát triên vưọt bậc Hệ tự

động hóa nhà máy điện hiện đại được ứng dụng gần đây phần lớn sử dụng hệ điều khiên phân

tán (DCS - Distributed Control System) Hệ được xây dựng trên môi trường số, có cơ sờ dừ liệu

toàn cục (G lobal) cho giám sát vận hành và điều khiển Những chức năng điều khiên được phân

bô cho các bộ điêu khiên với khả năng điều khiển lớn có đầu vào/ra phân tán đê kết nôi với các

thiết bị chấp hành và đo lường thông minh (Smart Sensor) Tất cả hệ được tích hợp và kết nối

với nhau bời các mạng truyền thông chuẩn công nghiệp

ờ V iệt Nam những năm gần đây đã có hàng loạt nhà máy điện đang xây dựng và đưa vào

vận hành với mức độ tự động hóa cao trang bị hệ điều khiên DCS hiện đại của các hãng nôi

tiếng thế giới như: Yokogawa, A B B , Siemens, Honeywell, Emerson Chính vì vậy lưọ*ng kỹ sư

tự động hóa làm việc trong các nhà máy điện được dự báo ngày càng tăng

Đẻ đáp ứng nhu cầu của thực tiễn sản xuất, Bộ môn Tự động hóa - Trường Đ H B K Hà nội đã

cho giảng dạy môn học Hệ điều khiên DCS tự động hóa nhà máy nhiệt điện cho sinh viên Bộ

môn giao cho PGS Bùi Quốc Khánh chủ biên phối họp với các cán bộ phòng Hệ thống Tự động

hóa và phòng Công nghệ Năng lượng - Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay là Viện K ỹ thuật

Điều khiển và Tự động hóa - Trưcrng Đ H B K Hà nội) biên soạn giáo trình ';Hệ điều khiên DCS

cho nhà máy sản xuất điện năng'\ N ội dung giáo trình đà được Hội đồng xét duyệt giáo trình

của Truông Đại học Bách khoa Hà nội thông qua

N ội dung của giáo trình được chia làm 3 phần:

■ Phần I: Tổng quan về Điều khiển phân tán (DCS)

■ Phan II: Phân tích cấu trúc các mạch vòng điều khiển điển hình của nhà máy nhiệt

điện đốt than

■ Phan III: Hệ DCS cho nhà máy điện đốt than

PGS Bùi Quốc Khánh, TS Phạm Quang Đăng, ThS Phạm Hồng Son tham gia biên soạn

phần I PGS Bùi Quốc Khánh biên soạn phần II, PGS Bùi Quốc Khánh, Ks Nguyễn Duy Binh,

Ths Phạm Hồng Son’, tham gia biên soạn phần III

Giáo trình được biên soạn phục vụ cho sinh viên ngành Tự động hóa đồng thời có thể dùng

làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư các ngành có liên quan

Tập thê tác già xin cảm on các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa, cán bộ nghiên cứu

của Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay là Viện K ỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa -

Trường Đ H B K Hà nội), các cán bộ kỹ thuật trong ngành điện lực đã quan tâm góp ý cho nội

dung giáo trinh

Tiếp thu ý kiến đóng góp cùa bạn đọc và các đồng nghiệp, trong lần tái bản này một số nội

dung đã được sửa chữa và chinh sửa Tuy nhiên nội dung của cuốn sách đề cập tới vấn đề lớn,

phức tạp lại mang tính thực tiễn cao do vậy việc biên soạn không tránh khỏi thiếu sót Tập thê tác già mong các bạn đồng nghiệp và độc giả tiếp tục góp ý kiến đẻ cho cuôn sách ngày càng được hoàn thiện hơn Thư góp ý xin gửi về Viện kỹ thuật điều khiên và tự động hóa, nhà Công nghệ cao, Trường Đại học Bách khoa Hà N ội hoặc Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 70 Trân hưng Đạo - Hà N ội Chứng tôi xin chân thành cảm ơn.

Các tác giả

PHÀN I: TÒNG QUAN HỆ ĐIÈU KHIẾN DCS

1.1 Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất và các hệ đỉều khiến

1.1.1 T ự động hóa quá trình sản xuất và tự động hóa quá trình công nghệ

Hệ thống điêu khiên, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành

nhiều câp Phù hợp với thực tẽ này, hệ thôn« tự độn« hóa quá trình sản xuât cũng được phân

chia thành nhiêu câp và điên hình của một hệ thốn« tự độn« hóa quá trình sản xuất thường bao

gôm 5 cấp như trẽn Hình 1-1.

Đặc điêm của các cấp này như sau:

Câp thứ nhất: là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường Nó thực hiện kết nổi các thiết bị

điêu khiên vói các cảm biến và co* cấu chấp hành

cấp thứ hai: là cấp điều khiên thực hiện các chức năng điêu khiên các quá trình công nghệ

và thực hiện việc kết nối các thiết bị điều khiên, thiết bị điều khiên logic kha trình PLC thiẻt bị điều khiển trong các máv điều khiên số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp

Cấp thứ ba: là cấp vận hành, giám sát chi huy và thực hiện chức năng vận hành giam sát Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người - máy lưu trữ các sô liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đôi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất Chức năng điều khiên ờ câp này là điêu khiên câp cao do người vận hành dam nhiệm hoặc do các máy tính thực hiện chức năng điều khiên cấp cao Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC Các câp 1 2 và 3 là các câp trực tiêp thực hiện quá trình công nghệ

Cấp thứ tư: là cấp điều hành sản xuất thực hiện phối hợp các quá trình công nghệ với nhau

và với các hệ thống phụ trợ sán xuất như kho tàng, hệ thống cung ứng vật tư, nguyên liệu, nhiên liệu và nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lv san xuất, quan lý nguỗn lực,

Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và vãn phòng công ty tại nhiêu thành phố và quốc gia khác nhau

Trong SO' đỏ phân cắp cúa hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiẽp thực hiện quá trình còng nghệ và hệ thống điều khiên tự động áp dụng cho các câp này còn được gọi là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng điều hành, quản lý và hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp này được gọi là

hệ thống tự động hóa điều hành và quản lý sán xuất Trong khuôn khỏ cua cuốn sách nàv hệ thống được đề cập chù yếu là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ, có nghĩa là các cấp 1 2

và 3 trong SO' đô phân cấp hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất

cơ cấu chấp hành

Hình 1-2 Thông tln trong một hệ thống điều khiển đơn giản

1.1.2 Sự ra đòi và phát triên của các hệ thống điều khiên

Mục tiêu của hệ thống tự động hóa quá trình san xuất la để đảm bào hoạt động an toàn và kinh tế Trong hâu hét các nhà máy công nghiệp hiện nav đều có một sô loại thiết bị điều khiên nhất định, ơ cấp độ đon giản nhất, nhà máy có thể chi bao gồm một động co- điện truyền động cho một chiếc quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ trong phòng Ớ dạng phức tạp hơn đó có thẻ

là một lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện năng cung cấp cho nền kinh tế Bẽn cạnh quy mô và độ phức tạp, tất cà các hệ thống điều khiên đều được chia ra thành ba phần theo chức năng: thiết bị

đo thiết bị điêu khiên và CO' cấu chấp hành

Thiết bị điều khiên giám sát các thông số trạng thái của các quá trình trong nhà máy thông qua các thiết bị đo Thiết bị đo có chức năng chuyên đôi thông tin vật lý thành tín hiệu điện và đưa vào đầu vào cùa thiết bị điều khiên Dựa trẽn trạng thái từ các đau vào, thiết bị điều khiển

sử dụng các thuật toán đã được chương trình hóa đẽ tính toán cho tín hiệu ra điều khiên các cơ cấu chấp hành

Tùy thuộc yéu câu của công nghệ, mức đâu tư và trình độ ứng dụng mà các hệ thống điêu khiên khi dua vào thực tế cũng có nhiêu mức độ khác nhau Tuy nhiên bất cứ một hệ thong điêu khiên nào cũng đêu có các mục đích chung:

• An toàn cho con người và thiẻt bị trong hoạt động san xuất;

• Vặn hành tin cậy, kinh tẻ:

• Nâng cao chất lượng, năng suất;

• Tăng sản lượng

Những hệ thống điều khiên đầu tiên dã ra đòi trong cuộc Cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ X IX Chức năng điều khiên được thực hiện thông qua các thiết bị cơ khí tinh xảo như các

cơ câu cam chương trình, thực hiện tụ động hóa cho một vài công đoạn quan trọng, phức tạp và

có tính lặp đi lặp lại trong các dây chuyên Các thiết bị này thưÒTìg được thiết kế cho từng ứng dụng cụ thẻ riêng biệt

Đâu the kỳ 20 các đèn điện tử và khuêeh đại điện tử băt đâu xâm nhập vào công nghiệp đã làm cho dâv chuyền sản xuât tự động đỡ công kênh hon Thiêt bị tự động điên hình trong thời gian này là các thiết bị điều khiên dùng dẻn diện tư các thiét bị do và điều khiên được tô hợp là điện thế kế tự động ghi các rơle thời gian diện tứ

Vào cuối những năm 1960 đâu những năm 1970 điện tử công suất, vi mạch điện tử đặc biệt

là các bộ vi xử lý 4-bit 8-bit ra dòi đâ làm thay đòi rắt nhiều về các thiết bị điều khiên Các thiết

bị điêu khiên tương tự thiết bị điều khiến số thiết bị điều khiển số lập trình 4-bit Nhò' tiến bộ

kỹ thuật này hệ điều khiên đã có cải thiện rõ rệt, gọn nhẹ và tính năng giám sát vận hành tập trung đã bất đâu xuât hiện Điên hình về các công nghệ mới giai đoạn này ỏ' V iệt Nam là các dây chuyền tự động X i măng Hoàng Thạch I giấv Bãi Bằng, nhiệt điện Phả Lại

Vào cuối thập kỷ 80 của thế ký 20 do tính năng vi xử lý và vi điều khiển được nâng cao nên

đà xuất hiện các thiết bị điều khiên mạnh là PLC (thiết bị điều khiên logic kha trình) chađiều khiên logic, thiêt bị điều khiên sỏ quá trình có các mạch vòng tín hiệu liên tục

Vào giữa thập kỷ 90 của thể kv 20 hệ điều khiển DCS ra đòi, các PLC và các thiết bị điều khiên sô được kêt nôi với nhau và với trung tâm giám sát vặn hành qua các đường truyền thông Các hệ thống điêu khiên sản xuảt dần dần hoàn thiện và phát triẽn hoàn chinh như ngày nay

Đen nhũng năm cuối cùa thế kỷ 20 và những năm đầu của thế kỷ 21 đã chửng kiến một xu hướng mới trong quan điểm về các hệ điều khiển Giờ đây ranh giới giữa các hệ điều khiển ngày càng bị lu mờ và ngày càng xuất hiện them nhiêu hệ thống điều khiển mói nhằm đáp ứng như cầu của các công nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (H ybrid Control System), hệ điều khiển bằng máy tính (Computer Based), Những năm này cũng chứng kiến sự ra đòi của hàng loạt tiêu chuân trong điều khiên như tiêu chuẩn về ngôn ngừ lặp trình, tiêu chuân truyền thông, tiêu chuân về giao diện đã mang các hệ điều khiên lại gân nhau hon phá bo the độc quven của các nhà cung cắp trước đó, tạo sự thuận lợi lớn cho khách hàng.

Xu thế của các hệ thống điều khiên hiện nay là giảm thiêu chi phí phân cứng, tăng cường áp dụng các thuật toán, cấu trúc điều khiên hiện đại, tiến tiên như điều khiên mờ, điều khiên noron, điều khiển theo mô hình dự báo, vào trong công nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng chất lượng và tiết kiệm năng lượng

1.1.3 Các hệ thống điều khiển hiện nay

Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử và tin học làm xuất hiện các thiết bị và hệ thống điều khiển sử dụng kỹ thuật số Ngày nay các thiết bị và hệ thống điều khiển phô biến đều sử dụng

kỹ thuật ,số với chủng loại và quy mô vô cùng phong phú và gần như không có gianh giói giữa các lớp thiết bị, hệ thống điều khiển Tuy nhiên cho dù nhà máy ở quy mô lón hay nhò thì ta cũng thấy trong đó tồn tại ba ứng dụng điều khiển co bản sau:

• Điều khiển logic

Thực hiện các liên động, logic trình tự cho quá trinh công nghệ Nền tảng khoa học cho ứng dụng này là các phép toán logic

• Điều khiển - điều chinh

ủ n g dụng này thực hiện các mạch vòng điều khiên - điều chinh nhằm duy trì một đại lượng xác định của quá trình công nghệ theo lượng đặt cho trước để đảm bao các điều kiện yêu cầu của quá trình công nghệ Nền tảng khoa học cho việc xây dựng và phát triển ứng dụng này là lý thuvết điều khiển tự động

• Giám sát, vận hành và thu thập số liệu (S C A D A )

Ú ng dụng này hỗ trợ người vận hành giám sát và vận hành toàn bộ quá trinh công nghệ, ủ n g dụng này thực hiện chức năng điều khiên cấp cao do con người thực hiện với sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng như điều khiển mẻ, tố i ưu quá trình, Tùy theo tính chất của quá trình công nghệ trong một nhà máy có thể ứng dụng điều khiến logic chiếm ưu the hon ứng dụng điều khiên - điều chỉnh hoặc ngược lại và chúng ta cỏ thể phân chia chúng thành cac nhóm như sau:

• Hệ thống tự động hóa nhà máy (Factory Automation): Hệ thống tự động hóa nhà máy kết nối các thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) với các trạm vận hành giám sát Úng dụng chủ yếu cùa hệ thông này là cho các ứng dụng sản xuất rời rạc trong đỏ các ứng dụng điêu khiên logic là chủ yếu như các hệ thống sàn xuất, lắp ráp cơ khí mà điên hình là các nhà máy sàn xuất và lap ráp ỏ-tô; •

• Hệ thống tự động hóa quá trình (Process Automation): Hệ thống tự động hóa quá trình kết nối các thiết bị điều khiên số quá trình với nhau và với các trạm vận hành giám sát Điẻm nôi bật của các hệ thống này là nó cho phép các thiết bị điều khiển

có thể trực tiếp trao đồi dữ liệu với nhau đẽ cho phép thiết lập cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) nhằm nâng cao chất lưọng và hiệu quả điều khiển, ủ n g dụng chú yếu của các hệ thống này là cho các quá trình sản xuất liên tục trong đó các vòng

điều khiên điều chinh liên tục là chu yếu như các quá trình sản xuảt điện năng trong

nhà máy nhiệt điện, quá trình san xuất trong các nhà hóa chât lọc dâu, ;

• Hệ thống điều khiển lai là các hệ thống điều khiển trung gian giừa hai hệ thong kê

trên trong đó các thiết bị điều khiển có thẻ tùy biến cho hoạt động theo chẻ độ cua

PLC hoặc theo chế dộ của các thiết bị điều khiển số quá trình, ú n g dụng chu yếu

của hệ thống này là trong các quá trinh cỏng nghệ cỡ vừa trong đó tưong quan giữa

ứng dụng điều khiển logic và điều khiên-điều chỉnh là tương đưong nhau

a) Thiết bị điều khiển điển logic khả trình (PLC)

Các thiết bị điều khiên logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triên

trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le Các thiết bị PLC có ưu diêm là

tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cõ' micro tới m ili giây) tuy nhiên khả năng xử lý các tín

hiệu analog lại kém

Trên Hình 1-3 là cấu trúc tổng quan phần cứng của các thiết bị PLC:

CentralProcessingUnit

X\ l

T — Í M / —p

u y~<

s L J

Hình 1-3 Tồng quan phần cứng của PLC

Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng điều khiên logic độc lập như là ứng dụng điều

khiên trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn san xuảt độc lập tưong đối với các

công đoạn khác N ói chung PLC thiên về các ừng dụng đon le

Ưu điểm cua PLC là xử lv các phép tính logic với tôc độ rât cao thời gian vòng quét nhò (cõ'

JUS - ms/vòỉigquét). Ban đầu PLC chi dược sử dụng cho dieu khiên logic và chi quàn lý được các

đâu vào/ra sô Qua quá trình phát triẻn, ngày nay một số loại PLC đã được bô xung thêm nhiều

chức năng như khả năng quàn lý đầu vào/ra analog, khả năng hỗ trợ các hệ thống truyền thông

công nghiệp Các giao thức truyền thông công nghiệp mà các PLC hiện nay hỗ trợ là:

PROF1BUS AS-i DeviceNet Việc hỗ trợ thêm các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế

hệ sau này cua PLC đã mờ ra khả năng ứng dụng PLC trong các hệ thống lớn hơn bằng cách nối

mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), hoặc cũng có

thẻ két nối vói mảy tính có phần mềm giao diện người - máy (H M I) tạo thành hệ P LC /H M I đẻ

điêu khiên, giám sát và thu thập số liệu

Tuy có khả năng quản lý được dầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được CÒĨ1 khá hạn

che, không hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (multi-task) nên thuật toán xử lý trên các biến analog

kém không phù hợp với yêu cầu điều khiển-điều chinh PLC cộng với các máy tính cá nhân

(PC), các máy tính công nghiệp (IPC) cùng có thể thực hiện được phương án điều khiên phân

tán nhưng sè mât rât nhiêu công sức lặp trình và nó không thê thav thê các hệ DCS thương

phẩm do có những hạn chế sau: •

• Co sò' dừ liệu nhò chua mang tính toàn cục dẫn tới dòi hòi các kỹ sư thiết kế phái

tiêu tôn nhiều thời gian vả công sức đẻ phát triẻn hệ cơ sò' dũ' liệu quá trình nếu

muôn sử dune PLC cho các ứng dụng lớn, phức tạp hơn Đặc biệt nêu muôn thiẻt lập cấu trúc điêu khiên phân tán thì phái mất nhiều công sức cho lập trình truyền thòng chia sẻ dữ liệu giữa các PLC.

• Độ tin cậv trong sản xuất kém vì hiện nay kha năng dự phòng của PLC mới thực hiện được ờ một số khâu và hạn chế nữa cua PLC là không có khá năng thay đôi chương trình trực truyền - thay đôi chương trình trong khi PLC vẫn làm việc Nẻu muôn thav đôi chương trình của PLC, ta phải dừng PLC dan đẻn làm gián đoạn sản xuất

M ỏt số nhà cung cấp sản phâm PLC: Rockwell Autom ation, Schneider Electric, Siemens Yokogawa, Omron A B B A B

b) Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)

DCS là chừ viết tắt cua Distributed Control System - hệ thống điều khiên phân tán - và nó dược dùng đẻ chi lớp các hệ thông điêu khiên sử dụng cấu trúc điều khiên phân tán Khác với hệ thống điêu khiên xảy dựng trên CO' sờ PLC DCS là giải pháp tông thê kẻ cà pìiần cứng, phần mêm và truyền thông cho toàn hệ thống được phát triên từ các ứng dụng điều khiên của ngành công nghiệp hóa chât với các thiêt bị điêu khiên ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kẽ của các hệ thống điêu khiên sản xuất thương phâm là hướng vào hỗ trợ các ứng dụng điêu khiên phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mờ khả năng tích hợp cao kẻ ca tích hợp với các PLC khác nhau điều khiên máy và công đoạn sản xuất độc lập Đặc biệt đẻ hỗ trợ cho cấu trúc điều khiên phân tán nên các hệ thống điều khiên này có chức nàng trao đổi dừ liệu trực tiếp giữa các thiết bị điều khiên Mục tiêu là tạo thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điêu khiên

Thê mạnh của hệ thống điều khiên sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tưong tự và thực hiện các chuôi quá trình phức tạp khả năng tích hợp dề dàng Các hệ thống điều khiên san xuất thương phàm ngày nay thường bao gồm các thiết bị điều khiển (controller),

hệ thống mạng truyền thông và phân mềm điều hành hệ thống tích hợp hồ trợ khá năng điều khiên phân tán Các hệ thống này có the quản lý được từ vài nghìn điểm đến hàng chực nghìn diêm vào/ra Nhò' câu trúc phân cứng và phân mẻm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thòi nhiều vòng điều chỉnh, điều khiên nhiều tầng, hay theo các thuật thuật toán điều khiên hiện đại: nhận dạng hệ thông, điêu khiên thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC) Fuzzy, Neural, điều khiên chất lượng (ỌCS)

Đê phục vụ cho việc trao đôi thông tin của chức năng DCS các hệ thống điều khiển thương phâm ngày nay hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện nay các giao thức nàv đă được chuân hoá (Profibus, Foundation FieldBus Ethernet)

Các hệ điêu khiên thương phâm với câu trúc DCS ngày này có độ tin cậv rất cao nhờ có kha năng dự phòng kép ờ tất cả các thành phần trong hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông), khả năng thay đôi chương trình (sửa chừa và download), thay đôi cấu trúc của hệ thêm bót các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khôi động lại quá trình (thay đổi online)

Co' sờ dừ liệu quá trình trong các hệ điêu khiên với câu trúc DCS cũng được thiết kế sẵn và

là CO' sờ dừ liệu lớn có tính toàn cục và thống nhất

Các nhà sản xuất hệ điều khiên hỗ trợ tính năng DCS cũng cam kết thời gian hồ trợ với các sản phâm từ 15 tới 20 năm đẻ đảm bảo thời gian hoạt động và khai thác của các hệ thống lớn.Tắt cả những đặc diêm trên cho thấy các hệ điều khiển sản xuất với tính năng DCS hoàn toàn đáp ứng yêu câu về một giải pháp tự động hoá tích hợp tông thẻ Các chuyên gia cho rằng tới

nav các hệ thống điều khiển theo cấu trúc DCS vẫn là không thế thay thế được trong các ứng

dụng lớn thị trường các hệ điều khiển theo cấu trúc DCS toàn cầu tăng trường 2-3%/năm

M ột số nhà cung cấp hệ DCS thông dụng tại Việt Nam: AB A B B Yokogawa, Emerson

Toshiba,

c) Hệ lai

Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho các hệ

thống điêu khiên, gằn đâv các nhà cung cáp đã cho ra đời các hệ điều khiên mới gọi là hệ điêu

khiên lai (H ybrid Control System)

Do ra đòi sau kế thừa nền tảng công nghệ cùa cả hệ thống điều khiên trên CO' sô' PLC và hệ

thống điều khiên với cấu trúc DCS nên hệ lai là sự pha trộn thuộc tính cua hệ điều khiên trên cơ

sơ PLC và hệ điều khiển với câu trúc DCS Trong hệ thông điêu khiên lai thiết bị điêu khiển có thẻ được tùy biến để có thể hoạt động như bộ PLC hoặc hoạt động như thiết bị điều khiên quá

trình nên nó có khả năng thực hiện được cả các quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng

quản lý được đến khoảng mười nghìn điểm vào/ra Hệ thống lai cỏ các thiết bị điều khiên nhò

hơn các hệ thống điều khiên thương phâm có cấu trúc DCS nhưng tận dụng được các ưu điêm

thiết kế của các hệ điều khiển có cấu trúc DCS thương phâm Các hệ lai cũng cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus trường bao gồm Foundation Fieldbus, AS-i Profibus và DeviceNet Các hệ

lai thường hỗ trợ các chuẩn mở như là OPC (OLE for Process Control), X M L và ODBC Chúng

cũng rất có ưu thế trong việc tích hợp vào hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết

bị thấp nhu điện thoại không đâv, máy nhắn tin và PDA

Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điêu khiển theo mẽ, theo khối và vận

hành giám sát Ngoài ra, các công cụ phát triẽn ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân

thiện, ngôn ngừ lập trình bậc cao đã được chuân hoá giúp cho các kỹ sư thiêt kê, phát triên một ứng dụng dễ dàng nhanh chóng hơn

Với nhũng ưu điểm trên, các hệ điêu khiên lai ngày càng phát triên mạnh mẽ và được ứng

dụng rộng rãi trong công nghiệp Mức tăng trường toàn cầu của thị trường này khoảng 5 - 7%/ năm

Hạn chế ứng dụng cua hệ thống điều khiên lai là do các thiêt bị điều khiên nhò dẫn tới lưu

lượng truyền thông lớn và nó sè hạn clìẻ vè so lượng diêm vào/ra đặc biệt khi hệ thống yêu cầu

chu kỳ điều khiển nhò Với khả năng IT1Ờ rộng cơ sờ dữ liệu hạn chế (tối đa khoang 60.000 tags) các hệ lai cũng không đu phục vụ cho các ứng dụng lớn

M ột số hệ điều khiên lai có thể kể ra như: DeltaV (Fisher-Rosemount) Simatic PCS7

(Siemens) Stardom (Yokogavva), Freelance (ABB)

1.1.4 Điều khiển phi tập trung, điều khiển tập trung và điều khiển phân tán

Có rất nhiều định nghĩa vẻ hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều

khiên, các nhà tích hợp hệ thông đều có những định nghĩa cho riêng mình về điều khiên phân

tán Các định nghĩa có sự khác nhau về cách trình bày nhưng các định nghĩa đều xuất phát từ câu trúc phần cứng, phân bố chức năng điều khiển và chức năng quản lý, CO' sô' dữ liệu, tính mờ rộng, độ săn sàng, độ tin cậy, của hệ thống Đẻ người đọc có được cái nhìn tông thê về hệ điều

khiên phân tán ờ đâv chúng tôi trình bày khái niệm về điều khiển phân tán trong tương quan với

các câu trúc điêu khiên khác là điều khiển phi tập trung và điều khiên tập trung

K hi xem xét một đôi tượng điều khiên với nhiều đầu vào nhiều đầu ra (hệ M IM O ), người kỹ

sư thiêt kẽ điều khiên có hai lựa chọn cho chiến lược điều khiên đối tượng này đó là sử dụng

chiến lược điểu khiên nhiều mạch ròng (multi-loops) hoặc là điêu khiên đa hiên (m ulti- variable) Theo truyền thống, để hệ thống điều khiển đơn giản và dễ thực hiện, chiên lược điêu khiển nhiều mạch vòng thường được lựa chọn trong đó mỗi vòng điều khiên là cặp đỏi cùa một biến bị điều khiên và biến tác động Trong chiến lược điều khiên này người ta thường bỏ qua tác động chéo giữa các vòng điều khiên hoặc coi các tác động chéo này là nhiêu đẽ thiêt kẽ bộ điêu khiển Chiến lược điều khiên này cho phép người ta có thể thực hiện riêng rẽ mồi mạch vòng điều khiển trên một thiết bị điều khiển độc lập vói các thiết bị điều khiển khác Dữ liệu quá trình với mỗi vòng điều khiên là độc lập riêng rê mà việc tập hợp chúng lại trên các máy tính vận hành - giám sát chi có ý nghĩa cho vận hành - giám sát không có ý nghĩa cho điều khiên Câu trúc của hệ điêu khiên như vậv gọi là điêu khiên phi lập trung.

Việc bô qua tác động chéo giừa các vòng điều khiên mang lại chât lượng điêu khiên không cao trong chiến lược điều khiên nhiều mạch vòng nói chung và câu trúc điẻu khiên phi tập trung nói riêng Đê nâng cao chất lượng điều khiên ta phai chuyên sang chiên lược điêu khiên đa biên Trong chiến lược điều khiên đa biến, các tác động chéo giữa các mạch vòng điều khiên phải được tính tới và phải thực hiện các thuật toán tách kênh Việc thực hiện chiến lược điều khiên

đa biến đòi hôi phải có cơ sở dừ liệu chung và thống nhất và do vậy cấu trúc điêu khiên phi tập trung không đáp ứng được Đê giải quyết khó khăn này có một số phương án và môi cách thực hiện có những ưu điểm và nhược diêm riêng Giải pháp cho chiến lược điều khiên đa biên ban đầu là các hệ thống điểu khiên tập trung với một thiết bị điêu khiên duy nhất (thường là các máv tính lớn) đẻ điều khiên toàn bộ quá trình công nghệ Trong các hệ thống điều khiên theo phương

án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện chiến lược điều khiên đa biên được thực hiện trẽn một hệ xử lý trung tâm Phương án điều khiên tặp trung này có ưu diêm là hệ cơ sờ dừ liệu quá trình thống nhất, tập trung và do vậy ta có thể thực hiện các thuật toán điều khiên đê điều khiên quá trình công nghệ một cách tập trung và thống nhất Nhược điẻm của phương án điều khiên tập trung là khi đối tượng điều khiên lớn, phức tạp có thê dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các

hệ xử lý không đáp ứng đưọ*c vẽu câu tính toán cua hệ thông M ộ t nhược điẻm nữa là trong phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lường phai tập trung về máy tính điêu khiên dan tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí khó khăn cho cống tác bảo trì và sửa chừa

Giải pháp khắc phục các hạn chê của điều khiên tập trung là điều khiên phán tán. Dưới góc

độ của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiên thì khái niệm “ điều khiên phân tán” được sử dụng đẽ phân biệt với điêu khiên tập trung truyền thống Khác với phương án điều khiển tập trung, điều khiến phân tán có quá trình tính toán điều khiển là quá trình tính toán phản tán Có nghĩa là quá trình tính toán điều khiển được thực hiện trẽn nhiều hệ

xử lý và hệ cơ sờ dữ liệu quá trình có thể tập trung hoặc phân tán trẽn các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất Đẻ đảm báo tính thống nhất và khả năng chia sẻ dừ liệu trên các thiết bị điều khiên, phương án điều khiển phân tán phải thực hiện chức năng trao dôi dừ liệu trực tiếp giữa các thiết bị điều khiển với nhau Với hệ thống cơ sờ dừ liệu thống nhất và được chia sẻ giừa các thiết bị điều khiển khác nhau sẽ cho phép hệ thống điều khiên theo phương án phân tán vẫn thực hiện được các bài toán điều khiển đa biến như trong hệ thống điêu khiến tập trung thậm chí còn cho phép thực hiện các luật điều khiển phức tạp hơn do nó ít bị giới hạn về năng lực xử lý và tính toán như trong điều khiển tập trung Hạn chế của điều khiển phân tán là phải thực hiện việc trao đỏi thông tin giữa các thiết bị điều khiển và làm tăng tính phức tạp của

hệ thống

Tóm lại, một hệ thông điêu khiên phân tán là một hệ thống điều khiên trong đó có hệ dữ liệu quá trình thông nhất nhưng chức năng điều khiên với chiến lược điêu khiên đa biến thay vì tập trung vào một thiết bị điều khiên duy nhất, được phân chia trẽn nhiều thiết bị điều khiên khác nhau Việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị điều khiển trong hệ điều khiển phân tán ngày nav

thường sư dụng mạng truyền thông kv thuật số Nhìn chung tính ưu việt của một hệ điều khiên phân tán được thẻ hiện rõ ờ những điẻm sau:

• T iẻt kiệm được dây nối và còng nối dây nhờ các mạng truyền thông

• Hiệu suât cũng như độ tin cậy tông thẻ của hệ thống được nâng cao nhò' sự phân tán

chức năng xuông các cấp dưới

• Đ ộ linh hoạt cao, thê hiện tính năng mờ trong việc mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị, nâng câp và tạo mới các chương trình phân mềm ứng dụng

Đê thực hiện điều khiên phản tán ta có thê cỏ các phương án sau:

câu trúc điều khiên phân tán nhưng đòi hỏi người kv sư thiết kế phải tự thực hiện việc

xây dựng hệ cơ sờ dữ liệu quá trình, phái tự thiết kế và lập trinh giao thức truyền thông thời gian thực đẻ trao đôi dừ liệu giữa các PLC, phải tự đánh giá và xắp xếp thứ tự thực hiện các luật điều khiên đẻ đảm bảo yêu cầu thời gian thực, M ột khó khăn nữa là phải

tự thực hiện lập lịch cho PLC đôi với các tác vụ của điều khiển quá trinh đẻ đảm bảo chu kỳ điêu khiên cho môi tác vụ là hăng sô Nói chung khôi lượng công việc sẽ rất lớn

và đối với các hệ thống lớn thi phương án sử dụng PLC để thực hiện điều khiển phân tán sẽ không khả thi Chi phí đâu tư ban đầu cho một hệ PLC nhò hon khi đem so sánh với chi phí cho một hệ điêu khiên thương phâm có chức năng điều khiển phân tán Tuy nhiên, chi phí phát triẻn ứng dụng (cả về thời gian và tài chính) của hệ thống điều khiển

sử dụng PLC cho các quá trình phức tạp lại quá lớn và làm cho phương án sử dụng PLC không cạnh tranh được với các phương án khác Trong chu kỳ sống của ứng dụng, các chi phí sửa chữa, xử lý sự cố, bào tri cả hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, cơ sờ

dừ liệu và vấn đề truyền thông sẽ làm chi phí dài hạn cho hệ PLC tăng lên rất nhiều

trợ cấu trúc DCS được thiết kế đê hưóng tới các ứng dụng phân tán nên rất phù họp khi

ta sư dụng nó đê thực hiện điêu khiên phân tán cho các hệ thống lớn phức tạp và đòi hòi độ tin cậy cao Vói các hệ thông lớn và phức tạp thì việc sử dụng các hệ thương phẩm hỗ trợ cấu trúc DCS cho phép rút ngan rất nhiều thời gian thiết kế và phát triển các ứng dụng điêu khiên Các hệ điều khiên với cấu trúc DCS thường có giá cao cho phân cứng và phân mềm nền nhưng lại có chi phí phát trien ứng dụng và chi phí vận hành thấp hơn so với các phưong án khác

điêu khiên ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống điều khiên lai để thực hiện là phù họp hơn cả vì nó cho phép tận dụng nhừng ưu diêm của các hệ thống điều khiên DCS

và điều khiển PLC với chi phí đầu tư thấp hon

1.2 Yêu cầu công nghệ sản xuất

Dưới góc độ điều khiên có thẻ phân chia các công nghệ sản xuất thành ba dạng sau:

• Các nhà máy có công nghệ liên tục từ đầu đến cuối quá trình sản xuất

• Các nhà máy mà quá trình công nghệ có thê chia thành các công đoạn gián đoạn, độc lập với nhau •

• Các nhà máy trong đó tồn tại cà hai loại quá trình liên tục và gián đoạn

1.2.1 Các nhà máy có quá trình công nghệ liên tục

Các nhà máy loại này hoạt động có tính liên tục với đầu vào là các nguvên liệu, và đầu ra là sản phâm Đặc điẻm nhà máv loại này là công nghệ có độ phức tạp cao sỏ lượng các thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiên lớn Quá trinh khởi động hay dừng là thực hiện cho cà nhà máy Neu một khâu nào đó dừng sẽ dẫn đen phai dừng ca nhà máy hoặc khi một khâu nào đó mắt ồn định cũng dan đến toàn bộ quá trình mất ôn định, sản phẩm ra không đảm bảo chất lượng Các ngành tiêu biêu cỏ thể kẻ ra đây là: ngành hoá dầu, hoá chất, nhiệt điện, Tuỳ quy mô nhà máy

mà số lượng vào/ra cỏ thê từ vài nghìn tới vài chục nghìn diêm đo và điều khiên M ột đặc diêm nữa là trong công nghệ cằn điều khiên rất nhiều các tham số dạng tương tự: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ, tỳ lệ các thành phần Các tham số này có quan hệ chặt chẽ tác động đa chiêu, biến đôi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chât lượng sản phâm ra Nhà máy dạng này thường có ứng dụng điều khiên - điều chinh chiếm ưu thế so với ứng dụng điều khiển logic

Hệ thống điều khiên sản xuất liên tục có những đặc điểm sau:

■ Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào/ra (M1MO)

■ Là hệ thông số rải, các thông số biến thiên lớn với phần lớn các đối tượng điều khiển là phi tuyến

Từ các đặc diêm trên ta thấy hệ điều khiên cho hệ thống sản xuất liên tục phải có khả năng thực hiện các chức năng:

■ Điẻu khiên tối ưu, thích nghi, điều khiên theo mô hình dự báo điều khiên thông minh

■ Điều khiên bền vững

■ Điều khiên chất lượng

Hệ thông điều khiên trong nhà máy phải đảm bảo được các yêu cầu rất cao tính an toàn vàtin cậy M ô i sự cố xảy ra không những chi gây thiệt hại lớn về kinh tế mà còn còn nguy hiểmđên tính mạng con nguời và ảnh huờng tới môi trường Trong các nhà máy này cũng có các khâu điêu khiên gián đoạn đê điều khiên logic liên động và trình tự làm việc của các thiết bị

Trong lĩnh vực này từ trước và cho đến nay, các hệ điều khiên duy nhất phù họp vẫn là hệ điều khiển DCS

1.2.2 Các nhà máy có quá trình cỗng nghệ gián đoạn

Có thẻ kẻ ra ở đây là các ngành như lap ráp ô tỏ, gia công các chi tiết máy, chế biên thức ăn chăn nuôi, M ột nhà máy kiêu này thường phân chia thành các khu vực theo chức năng và trong mỏi khu vực lại có thê chia nhò hơn nừa M ồi khu vực có thẻ có một hệ điều khiển riêng Các tín hiệu điêu khiên chủ yếu là tín hiệu logic, dùng đẻ liên động giữa các khâu, đóng cắt cho động cơ, đóng mờ van theo một sơ đồ logic cho trước, về mặt điều khiển thì nhà máy nàv có ứng dụng điêu khiển logic chiếm ưu thế hon so với ứng dụng điều khiến - điều chinh Trong nhà máy, yêu câu về tính an toàn và độ tin cậv không cằn thiết phải chặt chẽ như trong nhà máy

cỏ quá trình xử lý liên tục

Giải pháp vẫn thường được sử dụng là các PLC (Programmable Logic C ontroller)

1.2.3 Các nhà máy tồn tại đồng thòi quá trình liên tục và gián đoạn

Bao gôm các ngành như: sản xuất xi măng, đường, dược phâm, rượu bia, linh kiện bán dân Trong nhà máy chia thành các công đoạn độc lập M ỗi công đoạn có thể là một quá trình

lièn tục hoàn toàn và cũng có thẻ là gián đoạn Ta có thẻ khởi động hay dừng từng công đoạn

mà không làm ảnh hường tới các công đoạn khác Các nhà máy loại nàv và sản phâm cua nó

chiếm một tv trọng lớn trong toàn bộ ngành công nghiệp, về mặt điều khiên thì nhà máy dạng

này có ứng dụng điêu khiên logic và điều khiên - điều chinh là tương đương nhau

Đẻ đáp ứng yêu cầu công nghệ có thề thực hiện một trong hai giải pháp: sử dụng hệ m ini-

DCS hoặc kết họp PLC PC và các bộ điều khiến quá trình đặc biệt Giai pháp ban đau xuất phát

tư nền tảng DCS được phát triẻn cho các ứng dụng có cả điều khiên quá trình liên tục và rời

rạc G iải pháp này thường có chi phí lớn Một giai pháp khác lại dựa chu yếu vào PLC kẽt hợp

thêm các thiẻt bị điều khiên đặc biệt có kha năng thực hiện một hay nhiều mạch vòng điều khiên

cho các chức năng điêu khiên quá trình Giải pháp này có chi phí nhò nhưng lại phức tạp và có

độ tin cậy kém hon

G iai pháp phù họp nhất cho các ứng dụng loại này là sử dụng hệ điều khiên lai (H ybrid

System) Các thiết bị diêu khiên lai có thẻ được tùy biến đẽ hoạt động như bộ điêu khiên sô quá

trình hoặc PLC Các hệ thống này hướng tới các ngành công nghiệp đang phát trien nhanh, lợi

nhuận cao như thực phâm rượu bia dược phâm và linh kiện bán dân Các hệ lai thực hiện điều

khiên cả quá trình liên tục cũng như các khâu gián đoạn Chúng được trang bị các chức năng đẽ

cạnh tranh trong thị trường điều khiên các quá trình theo mẻ khối và điều khiên giám sát

1.3 Cấu hình của hệ DCS

M ột hệ thống điều khiên sản xuất theo cấu trúc DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc

lien kết với một phần cua cấp quán lý và điều hành sàn xuất thông qua hệ thống quản lý thông

tin của cấp này đẽ tích họp vào các hệ thống quan lý sản xuất, quản lv thông tin và phối hợp

quản lý trên diện rộng như SAP PRM Dặc diêm của một câu trúc điều khiên phân tán là việc

phân bô thiêt bị điều khiên xuông các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử dụng các mạng

truyền thông công nghiệp đê kết nối và trao đôi thông tin So' đồ cấu trúc tiêu biêu cho một hệ

thống điều khiên phân tán như trên Hình 1-4.

1.3.1 Cấp cháp hành - cảm bien

Cảp châp hành cam biên bao gôm các bộ vào/ra phản tán dỏ ghép nối với các thiết bị đo

lường, các cơ câu châp hành có chức nấng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý sơ bộ trước

khi chuyên lẽn câp điều khiên

Ngày nay, các thiẻt bị cảm biến chắp hành có sự phát triẻn mạnh mẽ và xuât hiện các thiết bị

đo thông minh (Smart sensor), các cơ cấu chấp hành thông minh (smart actuator) Các thiết bị

đo thòng minh, các cơ cấu chấp hành thông minh có thế kết nối trực tiếp vào hệ thống mạng để

liên kêt với cấp điều khiên mà không cần qua các bộ vào/ra phân tán

Thiêt bị do thông minh có các chức năng chính là thu thập dừ liệu quá trình, có khá nâng

truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lồi Thiết bị đo

thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dừ liệu về các đại lượng vật lý của quá trình cằn đo

như nhiệt dộ, tôc độ độ PH từ hiện trường, mă hóa các dừ liệu này rồi truyền tới các thiết bị

khác thông qua mạng truyền thông Ngoài ra thiết bị đo thông minh còn có khả năng tự hiệu

chuân, tự chuân đoán lôi các hòng hóc có thẻ gặp phải đẻ phát ra các cánh báo can thiết Thiết

bị đo thông minh còn có các chức năng khác đẻ có thê hoạt động như một phần tử mạng trong

hệ điều khiên phân tán

Tương tự như thiết bị đo thông m inh; các cơ câu chấp hành thông minh ngoài chức năng chính là thực hiện các tác động theo lệnh điều khiên nó còn được trang bị thêm các chức năng tự chuẩn đoán lỗi, mã hóa/giải mã các thông tin và truyền thông.

Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thê có các PLC, các máy tính công nghiệp điều khiên máy sản xuất hoặc một công đoạn sàn xuất tương đối độc lập

Cấp chấp hành cảm biển cung cấp các giao diện sau:

• Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tưong tự (như áp suất, nhiệt đ ộ , ) và các vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyên mạch, liên động, )

• Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuân Bus trường như: Foundation Fieldbus, Profibus, H A R T Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp hành \vao đôi thông tin trực tiếp với thiết bị điều khiển trên một đường truyền thông số duy nhất

• Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua một so card giao diện truyền thông Thông thường được nối với giao diện vào/ra và trong một sô trường họp có thể kết nối trực tiếp với thiết bị điều khiên Các PLC kết nối vói hệ DCS được gọi là các Subsystems

mang thiét bi (bus trifong)

Cấp điều khiển

Cấp trường (càm biến - chấp hành)

Smart sensor Smart actuator Smart actuator Smart sensor

Hình 1-4 Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS

1.3.2 Cấp điều khiển

Cấp điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển

cua toàn nhà máy

Bẽn cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năn« truyền thông với cấp cảm biến

chấp hành đê lấy dữ liệu từ đầu vào sau đỏ xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điêu khiên và

gửi tín ỉhiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị chấp hành ờ cấp cảm biến chấp hành

Các thiết bị điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ờ cấp

điều khiển

1.3.3 Cấp vận hành, giám sát chỉ huy

Cắp vận hành, giám sát chi huy bao gồm các trạm vặn hành, cung cấp giao diện cho người

vận hành với quá trình.Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn

bộ quá trình một cách sinh động và trực quan, cấp này thể hiện ứng dụng giám sát - vận hành

và thu tỄiập số liệu

Chức năng điều khiển trong cấp vận hành, giám sát chi huy là các điều khiển cắp cao được

thực hiện bôi người vận hành hoặc máy tính điều khiên với phần mềm điều khiển cấp cao

chuyên dụng như điều khiến mé, tối ưu hóa quá trình,

1.3.4 Hệ thống quản lý thông tin

Hệ tihống quản lý thông tin là một phần trong cắp điều hành và quản lý sản xuất Hệ thống

này bao gồm 3 lóp con:

-+ Gateway: phục vụ việc trao đôi dữ liệu với các thiết bị điều khiên của phân xưởng,

công đoạn khác

-+ Database: phục vụ việc định dạng và lưu trữ dừ liệu

-+• Management: xử lý thông tin'lưu trữ trong lóp Database

a) Lớp Gateway:

Tron g quá khứ mỗi nhà cung cấp giai pháp điểu khiển có một chuân giao thức truyền thông

riêng phục vụ việc trao đồi dữ liệu với thiết bị điều khiển Điều này đã nảy sinh việc độc quyền

cua các hãng cung cấp hệ thống điều khiển, khách hàng có ít sự lựa chọn và nếu đã lựa chọn sản

phâm của nhà cung cấp nào thì khi cần nâng cấp, mờ rộng, khách hàng vẫn phải sử dụng sản

phâm của hăng đó

N gà y nay, M icrosoft cùng với một số hãng khác đã phát triển một chuân truyền thông gọi là

OPC (O L E fo r Process Control) cho phép tất cả các máy tính đều có thề kết nối với các hệ DCS

có hỗ trợ OPC Chuân truyền thông OPC ngay từ khi ra đời đã nhận được sự đồng thuận và hỗ

trợ của hâu hêt các hãng cung cấp giải pháp DCS Đen nay hầu hết các hệ DCS đều có hỗ trợ

OPC

OPC có thê được cài đặt trẽn trạm điều khiển hoặc cũng có thể được cài đặt trên một máy

tính riêng biệt OPC cung cấp một chuẩn giao diện công nghiệp mờ, đơn giản và phù họp, cho

phép các nhà cung câp phân mềm tập trung vào việc phát triển thêm các đặc tính mới cho gói

phân mẽm của mình thay vì phát triên một loạt các phần mềm điều khiên (driver) độc quyền cho

các th iẽ t bị phân cứng Chuân OPC đă định nghĩa và cung cấp một môi trường chung cho nhà

sàn xuâtt thiết bị đê từ đó phát triển thành các OPC server cùa riêng mình vói đặc điểm cùng một

server c ó thẻ sử dụng nhiều bộ phần mềm khác nhau của các nhà cung cấp giải pháp H M I, PLC,

hoặc DCS Các nhà sản xuât phân cứng có thê mang nhừng hiẻu biêt \ôn có cua họ irons mạng truyên thông công nghiệp đẻ phát trien OPC server nhảm phát huy tôi đa các đặc tính cùa hệ thống.

OPC bao gồm các công cụ sau:

+ OPC Data Access: Là công cụ trao đôi dừ liệu thời gian thực từ PLC, DCS và các thiết bị điều khiên khác với các trạm H M I

+ ® OPC Alarms & Events: Thiết lập và cung cấp các thông điệp cảnh báo, báo động

và các sự kiện xảy ra trong hệ thống theo yêu cầu

+ OPC Batch: Công cụ này ứng dụng triết lý OPC và các quá trình ứng dụng cụ thẻ

có tính chất theo mè

-ỉ- OPC Data exchange: Công cụ này cho phép trao đôi thông tin giừa các servers với nhau, mò ra khả năng trao đôi thông tin giừa các máy chủ của nhiều nhà cung cấp khác nhau thông qua mạng truyén thông Ethernet Công cụ này cũng cho phép ta thêm các chức năng định cấu hình, chân đoán và giám sáưquản lý hệ thống từ xa

+ OPC Hystorical Data Access: Khác với OPC Data Access cho phép chúng ta truy cập dừ liệu thời gian thực, OPC Hystorical Data Access cho phép chúng ta truy cập

dừ liệu đã được lưu trữ

+ OPC Security: Tất cả các máy chù OPC đều cung cấp dữ liệu có giá trị của nhà máy mà nếu không được quản lý chặt chẽ đều có thể mang lại hậu quả đáng tiếc OPC Security sẽ định nghĩa cách thức truy nhập của các client vào máy chủ theo một phương thức nhằm bảo vệ các dữ liệu đó và ngăn cản m ội hành động không được phép

Ngoài ra còn có OPC X M L Data, OPC Complex Data, OPC Commands nhằm phục vụ các ứng dụng có sử dụng dịch vụ Web, các loại định dạng dữ liệu phức tạp và giám sát các lệnh thực hiện trẽn thiết bị

OPC do tồ chức OPC Foundation sáng lập và quán lý điều hành Hội đồng quản trị của OPC Foundation tính đến năm 2005 bao gồm các thành viên cùa Siemens AG, Emerson Process Management, Yokogawa, Honeywell, Rockwell Software ICONICS

b) Lớp Database:

Đọc dừ liệu từ các thiết bị điều khiển thông qua Gateway OPC và lưu trữ dưới một định dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle, đồng thời cung cấp các chức năng khác như ghi dừ liệu vào ô đĩa, nén dữ liệu, lập báo cáo và thực hiện các chức năng hiển thị đơn giản Trên Hình

1-5 là cấu trúc dữ liệu của hệ điều khiển phân tán

c) Lớp quản lý:

Lóp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới dạng các templates bao gồm: lập báo cáo, quàn lý theo mẻ, tính toán theo công thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá trình,.: Lớp quản lý sẽ đọc dữ liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các thiết bị điều khiên thông qua gateway OPC

Hình 1-5 Cấu trúc hệ cơ sở dữ liệu của hệ thống điều khiển phân tán

1.3.5 Cấu trúc của thiết bị điều khiển

Phần cứng của thiết bị điều khiển thường bao gồm các bộ phận chính sau:

• Giá đõ’ (Back-plane và Rack): là giá đỡ các module thiết bị điều khiển

• CPU: là trung tâm xử lý của thiết bị điêu khiên Thông thường mỗi thiết bị điều khiển

có một bộ xử lý trung tâm Tuy nhiện trong một sô hệ thông có độ tin cậy cao, người ta

sử dụng hai bộ xử lý trung tâm trong một thiêt bị dieu khiên Khi đó hai CPU này làm

việc song song với nhau: cùng nhận tín hiệu, cùng tính toán và kẻt quà cuôi cùng sẽ

được so sánh với nhau, nếu hai CPU không cho kết quả tính toán giông nhau, thiết bị

điều khiên đó sẽ được coi nhu làm việc không bình thường V ói hệ thống su dụng hai

CPU trong một thiết bị điều khiển, độ tin cậy có thể đạt bảy số 9 sau dấu phây Đối với

những hệ thống chi sử dụng một CPU trong một thiết bị điều khiển, độ tin cậy đạt bốn

số 9 sau dâu phây

• Bộ nhó*: Bao gồm các bộ nhớ ROM RAM

• Nguôn: Cung cấp nguồn nuôi

• Pin: Lưu giữ chương trình khi mất diện, thông thường có thê lưu giữ chương trình trong

khoảng 36 đến 72 giờ hoặc lớn hon tùv thuộc vào thời gian và mức độ sử dụng pin

• Các card truyền thông: Tích hợp các vi xử lý truyền thông và các chương trình phán

mềm điều khiên việc truyền thông với các thiết bị khác như vào/ra phân tán PLC các

thiết bị trường thông minh

Trẽn Hình 1-6 là cấu trúc thiết bị diều khiên ' K o r s ( entum CS3000 của hàng

Yokogawa

Trong cấu trúc này các thành phần như CPU nguồn, card truyền thông, pin và bộ nhớ đêu đà được tính hợp trên cùng một module lớn.

Hình 1-6 Cấu trúc phần cứng của thiet bị điều khiển CS3000 của hãng Yokogawa

Tuy nhiên trong một số hệ DCS khác, các nhà cung cấp đã tách các thành phân như nguôn và card truyền thông thành các module riêng biệt để tiện cho việc thay thế cũng như lựa chọn phù hợp với khả năng ứng dụng

1.3.6 Các thiết bị giao tiếp vào/ra (Các vào/ra phân tán)

Các tín hiệu vào/ra được truyền truyền tói bộ vi xử lý cua thiết bị điều khiên thông qua các thiết bị giao tiếp vào/ra Các thiết bị giao tiếp vào/ra bao £ồm các module vào/ra, nguồn và card truyền thông với vi xử lý điều khiên Các module vào/ra thône thường gồm có module số và module tương tự và ngoài ra còn có những module khác đẻ đáp ứng các yêu câu của thiẻt bị cảm biến chấp hành như PW M xung

Power

CPU Digital Digital Analog Analogsupply

I

Input Output Input Output

Hình 1-7 Bố trí vào/ra kiểu module

M odule số: Các module vào/ra số thônsỊ thường cỏ các loại 4 8 16 hoặc 32 đầu vào hoặc ra

sô Ngoài ra đẻ thuận lợi cho người su dụng, một sô hâng còn CUÍUỊ câp loại môđun kẻt hợp cà

đâu vào và đầu ra so Dane tín hiệu Vcào/ra Cling rat phone phú: có thẻ dùng loại 24VDC

48VDC hoặc 120/220 V A C và tương ứng ta có các loại module có done 0.5A 1.5A 2A hoặc

5A

Các module số thường có các loại sau:

• Module đâu ra kiêu rơ le có cách ly quang: xem trẽn Hình 1-8

• Module đầu vào có cách ly quang: xem Hình 1-9

Module tuong tự: Các module vào/ra tương tự thông thường có các loại 2, 4 8 hoặc 16 đầu

vào hoặc ra tương tự Ngoài ra đê thuận lợi cho người sư dụng, một sỏ hãng còn cung câp loại

môđun kết hợp cả đầu vào và đầu ra tương tự Có các loại module tương tự 8bits 12bits 13bits

hoặc lóbits

• Module đâu vào tương tự loại 16 bits có cách ly: Loại module nàv có thê dùng cho các

tín hiệu đo kiéi điện áp từ 0-1 ov hoặc từ 0-5V hoặc loại tính hiệu đo kiêu dòng điện từ

0-20mA hoặc từ 4-20mA Chi tiết xem trên Hình 1-10

• Mdule đầu ra tương tự loại 16 bits: Loại module này có thê dùng cho các co- câu chấp

hành dùng tín hiệu điện áp từ 0-1 ov hoặc từ 0-5V hoặc loại tính hiệu dòng điện từ 0-

2'0mA hoặc từ 4-20mA Chi tiết xem trên Hình 1-11

Cách đàu nối các module đầu vào và đầu ra tương tự xem trên Hình 1-12 và Hình 1-13.

Hỉnh 1-9 Module đầu vào có cách ly quang

Hình 1-10 Module đầu vào tương tự loại 16 bits có cách ly

Hình 1-11 Module đầu ra tương tự loại 16 bits

/

a) Cách đấu nối với module đẩu vào tương tự dùng cho tín hiệu dòng điện

b) Cách đấu nối với module đầu vào tương tự dùng cho tín hiệu điện áp

Hình 1-12 Cách đấu nối các module đầu vào tương tự

a) Cách đấu nối với module đầu ra tương tự dùng cho tín hiệu điện áp

b) Cách đấu nối với module đầu ra tương tự dùng cho tín hiệu dòng điện

Hình 1-13 Cách đấu nối các module đầu vào và đầu ra tương tự

1.4 Độ tỉn cậy của hệ thống điều khiển phân tán

DCS là hệ thống điều khiên thường được ứng dụng cho các quá trình công nghệ có quv mỏ lớn, độ phức tạp cao và đòi hòi cao về tính liên tục nên độ tiĩvcậy của từng thiết bị cũng như cùa

cả hệ thống ià một trong những tiêu chí quan trọng hàng đầu khi xem xét, thiết kế, xây dựng

Chúng ta có thể nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiên DCS bang cách tác động vào các yếu tố sau:

• Lỗi phần cứng của DCS

• Khả năng thay thế hoặc tháo bò các thiết bị phần cứng

• Khả năng thay đôi chương trình điều khiên

• Thay đổi nâng cấp các gói phần mềm

1.4.1 Lỗi phần cứng

Phần cứng cỏ thê bị sự cố là một tất yếu khó tránh khỏi Có thể giám thiểu các sự cố do lỗi phần cứng gảy nên bằng cách:

• Dự phòng cho tắt cả các thiết bị phần cứng quan trọng

• Sử dụng thiết bị có độ tin cậy cao

• Có giải pháp cách điện, cách ly tốt

Bẽn cạnh việc thừa nhận sự cố của các thiết bị phần cứng như là một tất yếu có thê xảy ra,

trong khi tìm cách nâng cao độ tin cậy của thiết bị kết hợp với các biện pháp cách ly, bảo vệ tôt

thì dự phòng là một giải pháp hữu hiệu nhằm nâng cao tính sẵn sàng và độ tin cậy làm việc của

hệ thống

Dự phòng có nghĩa là chúng ta sẽ phải xây dựng hai cấu trúc phần cứng hoàn toàn giông

nhau đê khi có một thiết bị phần cúng bị lỗi, thiết bị dự phòng sẽ thay thế nó làm việc Dự

phòng là một thuộc tính quan trọng cùa hệ DCS, nó đảm bảo tính sẵn sàng của hệ thống trong

bât cứ điều kiện nào V iệc chuyên đôi chức năng điều khiển giữa các thiết bị dự phòng với nhau

phải xảy ra tức thì đê đảm bào không làm gián đoạn quá trình sản xuất

Có hai cách thức chuyển đôi chức năng làm việc của các hệ dự phòng:

+ Chuyển đối không ngắt quãng:

Hệ thống dự phòng loại này sử dụng hai cấu trúc phân cứng giống hệt nhau, cùng nhận

tín hiệu và xử lý tín hiệu như nhau nhưng chi tín hiệu của một hệ chính là được đưa ra

điều khiển quá trình Hệ thống dự phòng vừa nhận tín hiệu, xử lý tín hiệu đồng thời

đóng vai trò giám sát hệ thống làm việc chính Dừ liệu làm việc của hệ thống chính liên

tục được cập nhật vào hệ dự phòng Khi có sự cô xảy ra vói hệ thống đang làm việc, chỉ

việc chuyển sang nhận tín hiệu điều khiên từ hệ dự phòng mà không có sự ngắt quãng

trong điều khiển và giám sát

Việc chuyển đổi giữa hai trạng thái: Có 2 CPU trong mỗi card CPU M ỗi CPU thực hiện

cùng m ột quá trình tính toán và kết quả sẽ được so sánh với nhau qua bộ so sánh Nếu

kết quả tính toán giống nhau thì bảng mạch sẽ hoạt động bình thường, kết quả tính toán

được gửi tới bộ nhớ và card giao diện bus Bộ nhớ chính sử dụng mã uúng sai ECC đê

thay đôi nhanh chóng các bit bị sai trong quá trình truyên dừ liệu Nẽu kêt quả tính toán

không giống nhau, bộ so sánh sẽ xem CPU là bất thường và chuyển sang CPU dự

phòng

Bộ định thời Watch Dog được sư dụng khi phát hiện thấy bất thường trong CPU hiện

hành thì sẽ chuvển trạng thái cho 2 CPU Bộ dự phòng sẽ thực hiện cùng một quá trình

tính toán tương tự như trong bộ hiện hành, và khi được chuyên sang trạng thái làm việc

thì kết quả tính sẽ được truyền tới bộ nhớ và card giao diện bus mà không có sự gián

đoạn trong điều khiên Nếu một lỗi trong CPU bất thường được phát hiện thì bộ tự

chuân đoán sẽ tiến hành kiểm tra phần cứng CPU Nếu không có lỗi phần cứng thì lỗi

này sẽ được coi là lỗi tức thời và card CPU sẽ được chuyên từ trạng thái bất thường

sang dự phòng

+ Chuyên đôi có ngắt quâng

Hệ thống dự phòng loại này cũng sử dụng hai cấu trúc phần cứng giống hệt nhau, tuy

nhiên tại một thời điểm chi có một hệ thống xử lý tín hiệu và điều khiển quá trình Hệ

thống dự phòng chi đóng vai trò giám sát hệ làm việc chính Toàn bộ thông tin xử lý và

dữ liệu cũng liên tục được cập nhặt vào hệ thống dự phòng trong qua trình làm việc Khi

có sự cố xảy ra với hệ đang làm việc, hệ thông sẽ chuyên sang hệ dự phòng, quá trình

chuyển đổi nàv thường mất một khoảng thời gian nhưng không lớn (cỡ ms)

1.4.2 Khả năng dự phòng

Dual-n?(Uinclant FC s A rchiucuire

OỊI

Du» I-I -'d u n d » nt n*d«s

Hình 1-14 Sơ đồ cấu trúc hệ thống có dự phòng kép của Yokogawa

(chuyển đồi không ngắt quãng)

Tron« hệ DCS, cho phép thực hiện việc dự phòn« từ cấp thấp nhất (các thiết bị vào/ra) cho đến các thiết bị ờ cấp cao nhất (giám sát - vận hành) Tuy nhiên không phai tat ca các thành phần đều cần được dự phòng, việc dự phòng đến đâu là do nhu cầu của từng ứng dụng Troné nhiều trườne hợp đôi với các module vào/ra, ta chi dự phòn« cho một sô vào/ra quan trọng Tuy nhiên đối với một số ứng dụng troné lĩnh vực dầu khí, nhiệt điện, hóa chat ta cỏ thẻ phải thực hiện việc dự phòng ở mọi cấp, mọi nơi bao gôm cả các module vào/ra

Dưới đảv là một số bộ phận luôn luôn được dự phòng:

Các máy chủ lưu trữ dừ liệu lịch sử dừ liệu cảnh báo thôn« thường được dự phòne vì phai liên tục nắm bắt được mọi trạng thái cũng như sự cố trong hệ thống

Ngoài ra nguòn diện cùng nên được dụ phỏng hầu hết các hệ DCS đều chấp nhặn hai nguôn

cấp Thông thường thì một nguồn cắp xuất phát từ lưới điện, nguồn còn lại do UPS - Máy phát

dam nhặn dê dam bảo luôn có nguôn diện cho hệ DCS

1.4.3 Độ tin cậy của hệ thống

Độ tin cậy của bất kỳ một hệ thống điện tu nào cũng được đặc trưng bàng hai tham số: thời

gian trung bình giũa hai lan lỗi xẩy ra liên tiếp trong hệ thống - M T B F (Mean time between

failure) và thời gian trung bình đẻ sửa lỗi khi có sự cố xảy ra - M T T R (Mean time to repare)

+ M T B F : đặc trưng cho độ dài thời gian trong đó hệ thống có khả năng duy trì hoạt động

chức năng đầv đủ của mình

+ M T T R : đặc trưng cho tôc độ xử lý các sự cô xảy ra

Việc tính toán và lựa chọn độ tin cậy cua hệ thống phải là sự kêt họp giữa hai yếu tố trên Hệ

thống có thể có M T B F rất 1ÓT1 nhưng khi đó hệ thống sẽ trờ nên rất phức tạp và khi có sự cô xảy

ra ta sẽ phải mất một thời gian rất lâu (MTTR) đẻ tìm kiếm và xử lý sự cố đó

Thông thường độ tin cậy, tính sẵn sàng cùa hệ thống được ước lượng bằng công thức sau:

Độ tin cậy của hệ thống = (M TBFxlO O )/(M TBF+M TTR)

Với công thức trên, trong một hệ thống thông thường có M TBF = 80.000 giò' và M TTR = 8

giờ là 99.99% Với việc xây dựng hệ thông dự phòng kép (04 CPU cho một hệ thống) kết hợp

với việc sử dụng công nghệ bus trường (Foundation Fieldbus) và các phần mềm quản lý thiết bị

thông minh, một số hệ thống có thẻ đạt độ tin cậy đến 99.9999999%

1.4.4 Cách ly về điện

Cách ly về điện là một trong các biện pháp nhằm nâng cao dộ tin cậy của hệ thống Mục đích

của các biện pháp cách ly về điện là không cho phép bât cứ nguồn từ bên ngoài nào ảnh hường

lên các thiết bị của hệ DCS Trong sô các thiêt bị của DCS thì hai thiết bị dễ bị tiếp xúc với các

nguồn ngoài nhất là module nguồn và các module vào/ra nên cân phái chú trọng các biện pháp

cách lv cho hai loại module nàv

Đỏi với các tiẻp diêm vào/ra cua DCS khả năng chịu dòng cua nó là khá nho nên khi kết nối

với các thiêt bị châp hành, cảm biên, ta nèn dùng các rơ le trung gian Các ro' le trung gian có

tiếp diêm có thể chịu được dòng lớn hon, lẻn đến khoảng 10A

1.4.5 Tháo lắp các thiết bị phần cứng

Đ ối với các hệ thông đang sử dụng, việc thay thế thiết bị, mờ rộng hệ thống là những nhu

cầu tât yếu Những hệ thống cỏ độ tin cậy và tính sẵn sàng cao phai đảm bảo việc thay thế thiết

bị và mờ rộng hệ thống sè không làm gián đoạn đến quá trình sàn xuất đang diễn ra

DCS có chức năng gọi là "h o t replacement” có nghĩa là có thê thav thế các thiết bị phần

cứng cua hệ thống trong khi nó vẫn làm việc và nguồn vẫn đang được cấp

V í dụ ta có thê thay the module CPU trong khi nó vẫn đang điều khiển hệ thống K.hi đó,

chức năng điêu khiên sè ngay lập tức chuvẻn sang CPU dự phòng mà không làm gián đoạn quá

trình điêu khiên Sau đó ta có thẻ lăp một module CPU mới vào, lúc đó hệ thông sẽ nhận ra

CPU mới lăp vào và tự động copy chương trinh vào CPU mới Lúc này CPU mới trờ thành CPU

dự phòng cho cái đang làm việc

Hầu hết đối với các PLC khi muốn thay đổi chương trình, ta phải dừng PLC và trong qua trình download chương trình PLC không thực hiện bất cứ chức năng điều khiên nào cả Điều này là không được phép trong điều khiển quá trình lớn và trong những trường hợp như thế này bắt buộc phải dùng DCS.

DCS cho phép thay đổi chương trình mà không làm gián đoạn việc điều khiên hệ thpng M ôi

hệ DCS có một cách làm riêng, tuy nhiên cỏ thể tổng kết ra đây hai cách nạp chưong trình (download) cho thiết bị điều khiên như sau:

• Online load: Chỉ thay đôi từng phần chương trình và không làm gián đoạn phần chương trình còn lại

• O fflin e load: Thay đổi toàn bộ chưong trình điều khiên trong các thiết bị điều khiển Đẻ làm được việc này chúng ta phải dừng tất cà thiết bị điều khiên và các tham số điều khiẻn cũng bị đưa về giá trị mặc định Vỉẹc làm này còn thay đôi cả tỏ chức cấu trúc bộ nhớ chương trình

1.5 Chức năng của hệ DCS

1.5.1 Chức năng điều khiển

Chức năng chính và là chức năng quan trọng nhất của DCS là điều khiên toàn bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy Chức năng điều khiên do các thiết bị điều khiên đảm nhận, được đặt tại phòng điều khiên trung tâm hoặc trong các trạm điều khiên

Chức năng điều khiển của DCS được thê hiện trong sơ đồ trẽn Hình 1-15.

1.4.6 Thay đôi chưoìig trình

Chức năng điều khiển của DCS

Chức năng điếu khiển cơ bản

—ị Thực hiện thuật toán điéu chỉnh tự động

Thực hiện thuật toán điéu khiển tuán tự

Chức năng điéu khiển liên động

Chức năng truyền thông với các hệ thống phụ

Hình 1-15 S ơ ‘đồ chức nảng điều khiển của hệ DCS

Hỉnh 1-16 Chức năng thực hiện các thuật toán điều khiển tự động

a) Chức năng điều khiển cơ bản

DCS thực hiện tất cả các chức năng điêu khiên CO' bàn cùa một nhà máy Các thành phần

thực hiện các chức năng điều khiên CO' bản trong DCS gọi là các “ khối hàm” (Function Block)

M ỗi khối hàm đại diện cho một bộ phân nhò nhất trong bài toán điều khiên Việc thực hiện thiết

kế chức năng điều khiên thực chất là cách kẻt hợp các khối hàm lại với nhau cho phù hợp

• Chức năng thực hiện các thuật toán diều chỉnh tự động:

Chức năng điều chinh tự động thực hiện cho các vòng điêu chinh phản hồi của các quá

trinh liên tục Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động là các khối

PID, các khối hàm chuyên đôi định dạng dừ liệu vào/ra và các khối hàm toàn học (xem

Hình 1-16).

• Chức năng thực hiện thuật toán diều khiên tuần tự:

Thuật toán điều khiển tuần tụ được llìựe hiện cho một sổ công đoạn làm việc theo chuỗi

sự kiện nôi tiêp'trong nhà máy Chức năng này vừa điều khiên từng công đoạn độc lập

đông thời quàn lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống Có thê sừ dụng chức

năng này cho các bài toán liên động hoặc két hợp thực hiện các công đoạn liên tục toàn

trong nhà máy

• Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp:

DCS là hệ điêu khiên ứng dụng cho các nhà máy có quy mô lớn, công nghệ liên tục và

phức tạp đòi hôi phải sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quvết các bài toán tối ưu

và tiẻt kiệm nhiên-nguyên liệu Các thuật toán cấp cao thường được ứng dụng cho các

nhà máy bao gôm: thuật toán điều khiên nối tang (cascade), thuật toán điêu khiên bù

trước (feedforward), các thuật toán phân Iv hệ đa biến, thuật toán điều khiên mờ, thích

nghi, nơ ron

M ột sô sơ đồ cấu trúc điều khiên thông dụng như trên Hình 1-17 Hình 1-18 và Hình 1-19.

Hình 1-17 Sơ đồ kết nối điều khiển mức kiểu cascade

Hình 1-18 Sơ đồ cấu trúc điều khiển kiều bù trước (feedforward)

b) Chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ - Subsystem

Trong các nhà máy lớn, bẽn cạnh hệ DCS, luôn có các hệ PLC đảm nhận các công việc điều khiên logic cho từng công đoạn nhò như trạm bơm cấp nước, nước thải, và tất cả các tham số này cũng cân phải được đưa vào hệ thống DCS chung cùa toàn nhà máy đẻ tập trung cơ sớ dừ liệu phục vụ giám sát và quản lý

Hâu hết các hệ DCS đều không tích hợp sẵn các chương trình điều khiển truyền thông cùng như các module truyền thô n " với các PLC vì hệ thống PLC trẽn thị trường là rất phong phú và

đa dạng Mà thay vào đó, các nhà cung cấp DCS cung cấp các tùy chọn để liên két với các hệ PLC, tuy nhiên không phải là có thể kẻt nổi được với tất cả các PLC Ờ điểm này thì các nhà làm thiết kế hệ thống điều khiên phải nắm được để chọn thiết bị cho phù họp và tiết kiệm nhất

Các nhà cung cap DCS cung cấp các tùy chọn nàv dưới dạng các gói phần mềm và các module phần cứng V í dụ đẻ liên kết với PLC cùa AB SLC5 ta có gói phần mềm điều khiển truyẽn thông vói SLC5, hay đẻ kết nối với PLC cúa Siemens, ta có các gói phần mềm truyền thông với các thiết bị của Siemens Tuy nhiên việc cấu hình và truyền thông với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diên ra thuận lợi mà nếu lựa chọn không khéo, nó sẽ làm cho người làm Engineering tốn mất nhiều thòi gian và công sức

Khi chúng ta định kết nôi DCS cua mình vói một PLC cua hãng nào, ta phai mua chưong

trinh phân mềm và module phân cứng cua nhà cung cắp DCS đẻ kết nối Vì khi chúng ta cài đặt

chương trình phản mẽm nàv vào hệ thống, nỏ sẽ dành một phan bộ nhó' và định dạng lại phản bộ

nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cằn giao tiếp

1.5.2 Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (chức năng SCADA)

a) Hiện thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy

Bằng các thư viện hình ảnh và các công cụ xây dựng đồ họa DCS cho phép chúng ta biểu

diễn toàn bộ các quá trình, thiết bị trong nhà máy lên màn hình một cách trực quan và sinh

động, cung câp các giao diện vận hành và giám sát

Từ đó ta có thê nhận biẻt được trang thái hoạt động của nhà máy thông qua các đối tương đồ

họa và các giao diện điẻu khiên - Instrument Paceplate (xem Hình 1-20).

Hình 1-20 Đối tượng đồ họa và màn hỉnh giao diện

b) Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị

Đê vận hành và giám sát được toàn bộ nhà máy với nhiều thiết bị tham số và trạng thái DCS đã phân chia, sắp xếp và biểu diễn các tham số, trạng thái dưới nhiều hình thức khác nhau nhắm tạo thuận lợi tối đo cho người vận hành

Các biên quá trình ngoài việc ta có thẻ xem trực tiẻp thông qua các tagname của nó, ta còn

có thê giám sát thông qua các đồ thị cho phép ta so sánh, đánh giá chất lượng điều khiên và ra quyết định điều khiên

Các tham số quá trình dược hiên thị dưới dạng các đồ thị gọi là Trend (xem Hình 1-21).

Trend hiên thị dừ liệu dưới dạng các chuỗi biêu đồ theo thơi gian Cho phép hiên thị nhiêu đường, nhiều màu sắc khác nhau Ngoài ra còn cho phép ta thống kẽ dưới dạng các bảng biêu, phục vụ cho việc lưu trừ lâu dài

Thông qua các Faceplate, người vận hành sẽ giao tiếp với quá trình: giám sát trạng thái, tham

sô, thay đôi tham số thiết bị điều khiên, thực hiện việc chinh định tham số

c) Chức năng cảnh báo quá trinh

Bẻn canh các chức năng điều khiên, giám sát trạng thái, việc đưa ra các cảnh báo cho ngườ vận hành và các gợi ý xử lý cũng là một yêu cầu không thê thiếu đối với bắt cứ một hệ DCS nào

Các cảnh báo trong hệ thông được chia thành nhiều cấp độ khác nhau:

■ Cảnh báo nguy CO' (Warming): V ó i các cành báo loại nàv, chỉ ra cho người vận hành biết rằng họ cằn phải quan tâm đến tham số quá trình tưong ừng và chưa cần phai can thiệp vào hệ thống Thông thường với các cảnh báo loại này, hệ thống tự động thoát ra được

■ Báo động (Alarm): Với các canh báo loại này người vận hành phai thực hiện một vài

gợi ý hoặc can thiệp nhò nhằm dưa hệ thống ra khòi khu vực nguy hiểm Khi ờ mức báo

động hệ thông vân có thẻ tiẻp tục làm việc được trong một thời gian ngắn

■ Báo lôi (Failure): Đây là tình trạng nguy hiêm, phai thực hiện ngay các tác động đẻ

ngăn các rủi ro và tôn thất cho hệ thống Thông thường khi xảy ra lỗi, hệ thống cũng đã

thực hiện trước một so action đẽ ngăn chặn hiểm họa có thể xày ra

Tât cả các định nghĩa trên đêu do các nhà làm engineering thực hiện, những người có hiêu

biết sâu sắc về quá trình và trong quá trình vận hành sau này tùy theo điều kiện thực tế của nhà

máy các nhân viên vận hành của mỗi nhà máy cỏ thê đề nghị với các kv sư của mình thay đôi

cho phù họp Việc thay đỏi các tiêu chuân về cánh báo là rất nguy hiêm, đòi hòi người kỹ sư

phải có hiêu biết tường tận và phài thông qua một quá trình vặn hành lâu dài có sự đúc rút kinh

nghiệm và phải có sự tham gia ý kiến cùa nhiều người

Không được phép tùy tiện thay đôi các định nghĩa về cảnh báo, báo động và sự cố trong hệ

thống

Hình 1-21 Mán hình giao diện dạng đồ thị

d) Chức năng lập báo cáo

Đẻ hô trợ cho công tác giám sát và quản lý, DCS cung câp các báo cáo cho từng biên quá

trình, các khu vực quan trọng theo định kỳ hoặc theo yêu cầu

Ngoài ra luôn có các báo cáo thực hiện thường xuyên nhằm:

+ Thu thập, hiên thị và in ra các thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống

+ Báo cáo vê các cảnh báo thông điệp liên quan đến thiết bị, tín hiệu vào/ra và cả

trạng thái cúa các function block

+ Báo cáo vẽ lịch sử làm việc, các lôi, sự kiện xảy ra trong hệ thông.

e) Chức năng an toàn hệ thống (Security)

Đẻ ngăn chặn các lỗi trong vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống, DCS cung câp khả năng phân chia quyền quy nhập hệ thống cụ thê đến từng thiết bị và từng khối hàm

M ỗi người vận hành chi có quyên hạn và trách nhiệm trong một khu vực nhất định Có thè đặt nhiều mức độ bào mật an toàn khác nhau từ cấp các khu vực, đến từng thiết bị trong nhà máy M ỗi người vận hành sẽ có một tên và mật khâu riêng và chi có quyền truy cập hệ thống trong một khu vực đã được định nghTa trước và phải chịu trách nhiệm hoàn toàn với khu vực đó Điều này một mặt tránh các nguy CO’, ngăn chặn lỗi vận hành mặt khác cũng là đê thuận lọi cho các nhà quản lý trong việc tím ra người có trách nhiệm cho mỗi một sự kiện và kiềm soát tôt hơn tình trạng hoạt động của toàn nhà máy

1.6 Truyền thông trong hệ DCS

1.6.1 G ỉói thiệu chung

M ỗi một cấp trong sơ đồ phân cấp cùa hệ thống tự động hỏa quá trình sản xuất có các yêu cầu về thông tin cần xử lý và trao đỏi thông tin khác nhau Trong sơ đồ phân cấp như trên Hình

1-1 thì ở cấp càng cao lượng thông tin yêu cầu xử lý và trao đổi càng 1ÓTÌ nhưng tần suất và yêu cầu về tính thời gian thực giảm dần ơ mỗi cấp thường có nhu cầu trao đôi thông tin theo hai hướng: trao đôi thông tin với cắp trẽn và trao đôi thông tin với cấp dưới, cấp quan lý công ty thường đòi hỏi kết nối truyền tin với những gói dũ’ liệu kích thước lớn, trên khoảng cách lớn và thường sử dụng công nghệ mạng diện rộng (W A N ), cấ p quản lý nhà máy và cấp giám sát - chi huy thường sử dụng mạng Ethernet với giao thức TCP/IP (mạng cục bộ - L A N ) Cap điều khiên

và cấp cảm biến - chấp hành đòi hòi tính thời gian thực và tần suất trao đôi thông tin lớn Các yêu cầu khác nhau này không chi ở các cấp điều khiển khác nhau mà ngay trong một cấp của hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp thi mỗi ứng dụng, mỗi công đoạn sản xuất cũng có những yêu cầu khác nhau về trao đôi thông tin, đặc biệt là trong cấp cám biến - chắp hành Do vậy đòi hòi phải áp dụng các công nghệ khác nhau cho mỗi cấp điẻu khiên này c ỏ ba giải pháp đê thực hiện việc trao đỏi thông tin trong các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất nói chung, hệ thống điều khiển phân tán nói riêng là:

1 Phương thức trao đôi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các hệ thống sứ dụng phương thức trao đôi thông tin bằng tín hiệu analog, tín hiệu số trong các thiết bị điều khiên số được chuyên đôi thành tương tự thông qua các bộ chuyên đỏi số - tương

tự (D A C ) và ngược lại tại thiết bị nhận tín tín hiệu được chuyên đôi từ tương tự sang sô thông qua các bộ chuyên đôi tương tự số (A D C ) Trong hệ thống điều khiên sử dụng phương thức trao đôi thông tin băng tín hiệu tương tự khi khối lượng thông tin cần trao đổi lớn sẽ dẫn tới tăng khối lượng đâv dẫn cũng như làm giảm chắt lượng điều khiên do sai số của quá trinh chuyên đôi tín hiệu troang các bộ chuyên đổi AD C và DAC

2 Điều khiên phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm

3 Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số

So với phương án điêu khiên phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương án sử dụng truyền thông điêm - diêm có nhiều hạn chế về khả năng tích hợp, chi phí bảo trì sửa chùa cao Trong những thập ký gân đây, sự phát triên của công nghệ thông tin và tru vẻn thông dã thúc đây việc chuyên hướng phát triên của các hệ thống điêu khiên tự động hóa quá trình công nghệ sang

hướng điều khiên phán tán sử dụng mạng truvền thông kỳ thuật số nhàm tận dụng những ưu

diêm cua phương án này

Mạng má) tính (hay mạng truyền thòng kỹ thuật số) trong hệ thông tự động hóa quá trình

sản xuất được phản chia thành hai loại: mạng điều khiên và mạng dữ liệu Trong mỏ hình phân

cấp cua hệ thống tự động hóa quá trình san xuất hiện đại, hệ thống mạng máy tính sử dụng cho

cấp quan lý còng ty (cấp 5) cấp quan I) và điều hành nhà máy (cấp 4) và một phân của cảp

giám sát - chi huy là mạng dừ liệu Mạng máv tính sư dụng cho cấp cảm biến - chấp hành (câp

trường), cáp điêu khiên quá trình công nghệ (cấp điều khiên) và cấp điêu khiên giám sát là mạng

điều khiên

Mạng dừ liệu cỏ đặc diêm là các gói dữ liệu có kích thước lớn, tân suât truyền tin nhò Yêu

cầu đối với các hệ thống mạng sử dụng cho mạng dữ liệu là khoảng cách truyền tin lớn, tốc độ

dữ liệu phải cao đê có thể truyền các gói tin có kích thước lớn

So với mạng dữ liệu thì mạng điều khiên có sự khác biệt cơ bản là mạng điều khiển có khả

năng đáp ứng vêu cầu của các ứng dụng có đòi hỏi khắt klie về thời gian xử lv

Cùng với những bước đột phá của công nghệ thông tin, sự phát triẻn mạnh mẽ của công nghệ

kỹ thuật số, việc ra đời các chuân truyền thòng là một nhân tò quan trọng làm thay đôi bộ mặt

các hệ thống diều khiên hiện nay

Tương ứng với các lớp, các cấp độ trong hệ thông điều khiên phân tán ta có các mạng truyền

thông:

+ Mạng thiết bị: Mạng thiết bị hay còn gọi là bus trường'n bao gồm mạng truyền thông

giữa thiẻt bị điều khiển với các vào/ra phân tán truyền thông giữa thiết bị điều khiên với

PLC hoặc các thiết bị điều khiên cấp dưới điều khiển máy sản xuất hoặc công đoạn sản

xuất độc lập tương đối Hệ thống mạng nàv thường sử dụng các chuân mạng DeviceNet,

Profibus, Foundation Feildbus M ô hình truyền thông sư dụng có thể là master/slave hoặc

peer to peer

+ Mạng điều khiển: Mạng này thực hiện chức năng liên kết các thiết bị điều khiển với

nhau và với trạm vận hành Trước đây (và một số hệ thống hiện nay) mạng điều khiên

thường dùng giao thức Token Passing, chuân mạng là chuân kín, riêng của nhà cung cấp,

các thiết bị điều khiển cùa các nhà cung cấp khác thường không thê kết nối vào chuân

mạng này Ngày nay, khi tốc độ và dung lượng đường truyền cùa mạng Ethernet ngày

càng dược nâng cao, các vấn đề hạn chế của mạng này cũng dằn được giải quyết thôa

đáng, xu thế mở và tạo thuận lợi cho khách hàng dầ khuyến khích các hăng sừ dụng

chuân Ethernet cho mạng điều khiến

+ Mạng vận hành, giám sát chỉ huy: Mạng thực hiện chức năng trao đỏi thông tin giữa hệ

thống điêu khiên và hệ thống điều hành, quản lý nhà máy đê cập nhật các thông tin về

tình hình sản xuất cũng như các mệnh lệnh sản xuất Trước đây và bây giờ, chuân mạng

thường dùng vẫn là chuân Ethernet

Sở dĩ gọi lá bus trườn«! vi mans loại này thườn2 co kiến trúc hình bus Điều na> khỏna phai lúc nào cùng đúng nhưng người ta vần

gọi như vậy theo thoi quen.

1.6.2 Giao thức mạng (N etw ork Protocol)

Đẻ đáp ứng yêu cầu cua các ứng dụng khác nhau trong nhừng năm vừa qua nhiêu giao thức mạng đã được đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuân mạng truyền thông công nghiệp khác nhau Tuy nhiên, hầu hết trong số chúng đều được xảy dựng dựa trên chuân mô hình 7 lớp ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems Interconnection) và sử dụng cùng dạng lược đồ địa chỉ đầu/cuối

V í dụ: Giao thức của mạng C AN (Control Area N etwork) thêm vào 44 bits (với định dạng chuân) đẽ ấn định các thông tin liên quan đảm bảo việc truyền chính xác và hiệu quả [1], [3]

Ngoài việc điền chính xác địa chỉ cho mỗi thông điệp, giao thức truyền còn phải định rõ quy tắc truyền đê đảm bảo việc truyền chính xác và tránh xung đột

Phụ thuộc vào giao thức truyền, hệ thống mạng có thê hỗ trợ một sỏ mô hình truyền thông khác nhau như mỏ hình khách hàng/hệ phục vụ (Client/Server), mô hình chủ/tớ (Master/Slave)

và mô hình phát hành/thuê bao (Publisher/Subscriber) đê đáp ứng các yêu cầu truyền thông khác nhau Những mô hình truyền thông như vậy cho phép thông tin chứa tại một thiết bị hoặc ứng dụng bắt kỳ có thê dễ dàng chia sẻ cho các thiết bị hoặc ứng dụng khác mà không cần phải trang bị thêm thiết bị phần cứng cũng như bô sung các thuật toán truyền tin như trong các hệ điều khiển sử dụng phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền thống Có thể hình dung ưu điểm này trong ví dụ về giá trị của một đại lượng vật lý cần phải đo và truyền tới một số thiết bị trong hệ điều khiên Khi đó thay vi phải sử dụng nhiều sensor hoặc phát triên một thuật toán riêng đẻ truyền thông tin này tới tới các thiết bị cần thiết như trong các hệ thống truyền thông diêm - diêm ta chi sử dụng một sensor nối mạng và sử dụng ché độ truyền thông phát hành/thuẻ bao đê truyền thông tin tới các thiết bị cần thiết cũng được nỏi mạng M ô hình truyền thông master/slave có thê thực hiện truyền thông theo các phương pháp kết nối hồi đáp tuần tự (P o ll), hòi đáp đồng thời (Strobe), kết nối nhiều người nhận (M ulticast) hoặc là kết nối chu kỳ Phương pháp hòi đáp tuần tự và phương pháp hôi đáp đồng thời thường được sử dụng cho mạng hiện trường và mạng điều khiên Trong phương pháp hỏi đáp tuân tự trạm master sẽ gửi yêu cầu tới lần lưọt từng trạm slave cằn lấy thông tin và các trạm slave sẽ thực hiện việc lấy mau hoặc lấy

dừ liệu lưu giữ trong bộ đệm đê gửi cho trạm master theo yêu cầu Khác với phương pháp hòi đáp tuần tự, ở phương pháp hỏi đáp đồng thời trạm master gửi yêu cầu tới tất cá các trạm slave

và các trạm slave khi nhận được yẻu cầu sè ngay lập tức tra lời Trong trường hợp này các trạm slave sể gửi về trạm master các giá trị đo (hoặc dữ liệu quá trình) tại cùng thời điểm nhưng việc truyền dữ liệu lên mạng sẽ được dàn xếp bời giao thức truyền thông sử dụng

Điẽm khác biệt cơ bản cua hệ thống truyền thông sử dụng mạng so với phương pháp truyền thông diêm - diêm là sử dụng chung phương tiện truyền thông đẻ truyền tin Phân chính của giao thức truyền thông là điều khiên truy nhập mạng Nhiều phương pháp truy nhập mạng đã được phát triển như C S M A /C D (Carrier Sense M ultiple Access w ith C ollision Detect), phưoTìg pháp chuyên thẻ bài (token passing), phương pháp C S M A /A M P (Carrier Sense M ultiple Access

w ith Arbitration Message Priority), phương pháp F D M A và phương phápTD M A Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược diêm riêng Trong khuôn khô của cuốn sách này ta sẽ phân tích ba loại mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với ba phương pháp truy nhập mạng điển hình là C SM A/C D , token passing và C S M A /A M P

a) CSMA/CD

Phương pháp truy nhập mạng này được sử dụng trong hệ thống mạng nôi tiếng là Ethernet được quy định trong tiêu chuân IEEE 802.3 và khi nói tới Ethernet người ta cũng dông thời ám chi việc nói tới phương pháp điều khiên truy nhập mạng C SM A/C D Phương pháp điều khiên

truy nhập mạng C S M A /C D quy định mỗi nút mạng phải theo dồi đường truyền trước khi thực

hiện việc truvền tin Khi phát hiện đường truyền trờ nẻn sẵn sàng cho việc truyền tin thì lặp tức

thực hiện việc truyên tin M ột khả năng có thê xav ra là có hai hoặc nhiêu nút mạng cùng thực

hiện truyền tin và nó sẽ xảy ra xung đột và các nút mạng thực hiện truyền tin sè phát hiện xung

đột này Nêu phát hiện ra xung đột các nút mạng sẽ lập tức ngừng việc truyền tin và đọi trong

một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện việc truyền lại Khoảng thời gian chờ ngẫu

nhiên này được tạo ra bời thuật toán chờ hàm mu nhị phân (BEB - binary exponential backoff)

và điều này làm cho trễ truyền thông tạo bời phương pháp điều khiên truy nhập mạng

C S M A /C D mang tính bắt định [8], [12] Thuật toán BEB được thực hiện như sau: thời gian đoi

được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 tới (2'-l) lần khoảng thời gian tối thiểu đê truyền lại ơ

đây / được chọn bằng số lần xảy ra xung đột được phát hiện bởi nút mạng đó nếu nó nhô hơn 10

hoặc được chọn băng 10 nếu số lần xảy ra xun2 đột phát hiện được lớn hon 10 có nghĩa là mức

trên được giới hạn ờ 1023 Sau 16 lần xung đột thì sè báo lỗi

Khởi động quả trinh truyền (Preamable)

Bát đầu khung truyền (SFD)

Hình 1-22 Định dạng của khung truy nhập mạng của Ethernet

Định dạng của khung truy nhập mạng (M AC trame) theo [8], [12] như trên Hình 1-22.

Trên khung truy nhập này ta có thể nhặn thấy Ethernet dã thêm vào 26 bytes thông tín điều

khiên truyên thông Gói dữ liệu có kích thước tôi thiêu là 46 b\1es và tối đa là 1500 bytes Sở dĩ

phai quy định kích thước tối thiêu cho tó i dữ liệu là do khung truy nhập mạng bị quy định kích

thước tối thiêu tính từ địa chi đích tới CHECKSUM là 64 bvtes (có nghĩa là khung truy nhập

mạng có kích thước tối thiểu là 72 bvtes)

Có hai lý do đê quy định kích thước tối thiêu của khung truy nhập mạng lớn như vậy là: l) -

dẻ dàng nhặn ra khung truy nhập hợp lệ trong số dừ liệu truyền bao gồm cả các bits lạc, các,

mảnh khung truy nhập do bộ truyẽn/nhận cắt ngắn khi phát hiện xảy ra xung đột 2) nếu khung

truy nhập ngắn có thẻ xảv ra tình trạng nút truyền kết thúc truvền (truyền xong hét các bit cần

truyên) nhưng bit đâu tiên vân chưa tới được nút đích ở khoảng cách xa và như vậy sê không

phát hiện được xung đột N ói cách khác kích thước tối thiểu của khung truy nhập sẽ quy định

chiều dài tối đa cua mạng V í dụ với mạng LAN lOMbps kích thước mạng tối đa là 2500m và 4

bộ lặp lại (theo [8 ]) ta có thời gian tín hiệu truyền đi và về hết khoảng 50|ÌS trong trường hợp

xấu nhất (bao gồm ca thời gian truyền trong 4 bộ lặp lại) và do vây khung truvẻn tỏi thiêu phải

là 500 bits (ở tôc độ 10Mbps mỗi bit chiếm 100ns) Thực tẻ đẻ an toàn người ta lấy 5 12 bits hav

64 bytes Các khu nu truyền với dừ liệu nho phai được thêm vào đẻ đạt giá trị tỏi thiêu 64 bytes

từ địa chỉ đích tới CHEC KSU M Với mạng có tôc độ cao lGbps đê hoạt động được ỏ khoảng cách 2500m cằn phai có khung truyền với kích thước tối thiều là 6400 bytes và thưc tế người ta chấp nhận khoảng cách 250ni với kích thước khung truyền 640 bvtes Đây cung chính là K do các mạng diều khiên thường sử dụng mạng tốc độ 10Mbps

Ưu diêm nổi bật cùa C SM A/C D là thuật toán hoạt động của mạng đon gian và trễ truyền thông nhỏ khi lưu lượng truyên trên mạng thâp So sánh với phương pháp chuyên thẻ bài thì

C SM A/C D sử dụng ít băng thông cho việc truy nhập mạng Các mạng điêu khiên thường SU'

dụng Ethernet với tốc độ 10 Mbps (như Modbus/TCP) ơ các tốc độ cao hon (100Mbps, lGbps

và lOGbps) Ethernet thường được sử dụng trong mạng dừ liệu nhưng cũng van được sử dụng cho điều khiên Đẻ khắc phục ảnh hường của khoảng cách người ta phân chia hệ thống mạng bằng các switch đê tránh khả năng xảy ra xung đột

Nhược diêm của C SM A/C D tính bất định của trễ truyền thông và không hồ trợ việc phân quyền ưu tiên cho các thông điệp Khi lưu lượng truyền thông lớn hiện tượng xung đột xảy ra thường xuyên hơn và nó dan tới làm tăng trễ truyền thông, giảm khả năng thông qua của mạng Bói vì C SM A/C D cho phép một nút thực hiện việc truyền các gỏi tin một cách riêng biệt trong khoảng thời gian dài bât chấp các nút mạng khác đang đại truy nhập mạng nên nó thường gây ra

sự giảm hiệu năng của toàn hệ thống Việc sư dụng thuật toán BEB chuẩn không có sự đảm bảo truyền thông do thông điệp có thê bị bò qua sau một số lân xung đột Nhược điẻm nữa của Ethernet là yẻu cầu đảm bao kích thước dừ liệu tối thiêu nên khi dữ liệu cần truyền có kích thước nhỏ ta vẫn phải sử dụng các thông điệp có kích thước lớn làm giam hiệu quả truvền thông

M ột vài giải pháp đã được đề xuất nhằm cai thiện khả năng ứng dụng của Ethernet cho các ứng dụng điều khiên Hướng thứ nhất là sử dụng các switch thông minh đê phản chia kiến trúc của hệ thống mạng nhằm nâng cao hiệu quả truyền thông, giam xung đột [12] Hướng thứ hai là giảm tính bât định cùa trẻ truyên thông băng cách không chê trê truyên lại của các gói tin bị xung đột Tuy nhiên đê thực hiện việc này lại dân tói hệ số sử dụng đường truvền thấp và trễ truyền thông tiling bình IÓT1 hon mức bình thường M ột số ứng dụng điều khiên dòi hoi biêt được thời diêm lây mâu cua các dừ liệu hoặc là đánh giá trẻ truyên thông cua môi thông điệp

Đe làm được điêu này ta tìm cách găn vào mỏi thông điệp truyên trên mạng một tem thời gian (time-stamp) trước khi gửi và đương nhiên phương án này đòi hòi phải đồng bộ hóa đồng hồ thời gian thực của các nút mạng Đê cải thiện thời gian dáp ứng đôi với các thông điệp quan trọng một số mạng có bô sung thêm mức ưu tiên vào giao thức C S M A /C D (v í dụ như LonW ork)

b) Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing)

Phương pháp truy nhập bàng thè bài được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.4 cho phép các câu trúc mạng hình bus, hình cây, đa diêm hoặc phân đoạn Mạng hình vòng sử dụng phương pháp truyền thẻ bài (token ring) được quy định trong tiêu chuân IEEE 802.5 Mạng sù' dụng phương pháp truy nhập dùng thẻ bài có tính tiên định cao hon Ethernet Thòi gian đại đẻ truyền thông điệp tối đa là bằng thời gian quay vòng của thè bài M ột sỏ mạng điên hình sù' dụng phương pháp truy nhập bằng thẻ bài là M AP PROFIBUS ControlNet, Trong giao thức

sử dụng phương pháp truy nhập dùng thè bài các nút mạng được quy định một cách logic thành vòng tròn Chi nút mạng đang giữ thẻ bài mới được quyền thực hiện việc truyền tin và nó được phép truyền tin cho tới khi hết dừ liệu cân truyẻn hoặc hết thời gian nắm giữ thê bài K hi hết

thời hạn truyền tin (hết dữ liệu hoặc hết thời gian giữ thè bài) nút mạng sẽ tạo ra một thè bài và

chuvẻn cho nút mạng tiếp theo Hiện tượng xung đột cua các khung dữ liệu không xảy ra vì tại

một thời điểm chi có một nút mạng thực hiện việc truven tin Trong phương pháp truy nhập

mạng nàv cùng dã tính tới trường hợp lồi khi nút mạng giữ thè bài vì lý do nào đó dừng truyẽn

tin và không chuyên thè bài cho nút tiếp theo

Định dạng khung truv nhập mạng của ControINet như trên Hình 1-23 Tông cộng các thông

tin thêm vào là 7 bytes, bao gồm khơi động quá trình truyền, bắt đầu khung truyền, M A C ID

nguồn, CRC (cyclic redundancy check) và két thúc khung truyền

Phần dừ liệu của khung truy nhập mạng có thể bao gồm một vài gói dừ liệu M ỗi gói dừ liệu

bao gồm các trường như kích thước, điều khiên, thè địa chi (tag) và dữ liệu Kích thước tỏng

cộng của các gói dừ liệu là từ 0 tới 510 bvtes

Thẻ địa chỉ dùng để ghi địa chi đích truyền Trường kích thước ghi số lượng từ (word, 2

bytes) chứa trong mỗi gói dữ liệu bao gồm cả bản thân trường kích thước, trường điêu khiên,

trường the địa chi và trường dừ liệu Như vậy giá trị trong trường kích thước sẽ là từ 3 tói 255

Trong giao thức mạng sử dụng phương pháp chuyên thẻ bài mỗi nút mạng được ấn định một

địa chi truy nhập duy nhất gọi là M A C ID Như đã nói ò trên, nút mạng nào đang giữ thẻ bài sẽ

được phép truyền dữ liệu và khi kẻt thúc thẻ bài sẽ được chuyên cho nút mạng khác Tuy nhiên

- không cỏ thẻ bài thực nào được truyền trẽn mạng mà thay vào đó cơ chẽ chuyên thẻ bài được

thực hiện bang cách giám sát M A C ID nguồn cua mồi thông điệp nhận được đẽ chuyên "thè bài

ân“ (im p lic it token) giữa các nút mạng Tại thời diêm kẻt thúc của thông điệp, mỗi nút mạng sẽ

thực hiện việc đặt thanh ghi thẻ bài băng với M A C ID nguôn cộng với 1 Nêu giá trị cua thanh

ghi bằng với M A C 1D của nút mạng thì nỏ bắt đầu thực hiện việc truyền dữ liệu Neu không có

du liệu cần truy ền nó sẽ thực hiện \ iệc truyẻn thòng điệp với dữ liệu trong hay còn gọi là khung

dừ liệu "không" Tất cả các nút mạng trong một hệ thống mạng sẽ có giá trị thanh ghi thẻ bài

như nhau và như vậy sẽ ngăn chặn dược xung đột

Chu kỷ quay vòng the bài là thòi gian quav vòng the bài và được ký hiệu là T R Ĩ (Token

Rotation Time) Chu kỳ quay vòng the bài được phàn chia thành ba phân chính: được lập lịch,

không lập lịch và guardband Trong phân dược lập lịch moi nút mạng có thê truyền các dừ liệu

được lập lịch truvên san hoặc các dữ liệu khản câp Phân không lập lịch dùng đê truvên các dừ

liệu không khản cấp và các nút mạng CO MAC ID tù 0 tói 1 chia sè cơ hội truyền tin này theo

cách luân chuyên cho tới khi thời gian dành cho phần không lập lịch kẻt thúc Tại khoảng thời

gian cho guardband tât cả các nút mạng sẽ dừng truy ền tin va chi nút mạng điêu tiêt (nút mạng

có M A C ID thấp nhất) có thể truvền các thòng điệp điều tiết để đồng bộ hóa tất cả các bộ định

thời trong mỗi nút mạng và truyền các tham số quan trọng nhu TRS, s, u

Trên Hình 1-24 mò tả chi tiêt SO' đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT

Uu diêm cùa phương pháp điều khiên truy nhập mạng bang thè bài là mạng hoạt động tôt và

hiệu quả ngay cả khi tai mạng lớn Vói token bus ta cỏ thẻ thêm hoặc bót nút mạng ngay ca khi

mạng đang hoạt động và đây là ưu diêm nôi trội cua token bus so với mạng token ring Băng

việc phân chia chu kỳ truyền thành các phân đoạn lập lịch và không lập lịch, ControlNet (một

giao thức mạng sử dụng phương pháp chuyên thẻ bài) thích hợp cho việc truvẻn cả các thông

điệp khan cap và không khân cắp

Nhược diêm của phương pháp điều khiên truy nhập mạng dùng thẻ bài là khi sỏ lượng nút

mạng lớn tải mạng nhô thi phần lớn thời gian chi dùng đẻ chuyên thẻ bài giữa các nút mạng

1 byte

2 b yte h o â c hơ n 0 50 6 byte s

Hình 1-23 Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet

c) CSMA/AMP (CAN)

Phương pháp truy nhập mạng C S M A /A M P hay CSM A/C A (Carrier Sense M ultiple Access with Collision A rbitration) được sử dụng cho mạng CAN Trong phương pháp truy nhập mans CSMrA/AMP mỗi thông điệp sè được ấn đinh một mức độ ưu tiên dùng để phân X II truy nhập mạng khi nhiều nút mạng cùng tiên hành việc truy nhập và truyền dừ liệu một lúc Chuỗi bít truyền được đồng bộ hóa bans bít khởi động và mã căn cước (dùng đẻ phân xử tranh chấp) Việc phản xử tranh chấp được thực hiện theo nguyên tăc logic " 0 " lấn át logic ” 1" Một nút mạng muốn truyền tin sè đọi cho tới khi mạng rỗi và bãt đâu truyền mã nhận dạng của mình từng bít một Nếu hai hoặc nhiều nút mạng cùng truvền thông điệp tại cùng một thòi điếm thì chúng sẽ tiếp tục gửi thông điệp lẽn mạng đồng thời nghe mạng tới khi một nút mans nghe được bít trên mạng khác với bít mà nó đà gửi ra Khi đó nó sẽ mất quyền truyền thông và lập tức ngừng việc truvền tin lại còn nút mạng kia vần tiếp tục truyền dừ liệu Như vậy theo nguyên tấc phân xử tranh chấp nêu trên, thông điệp có mã nhận dạng càng thấp sẽ có mức ưu tiên càng cao.Trong mạng C A N dữ liệu được truyền và nhận sử dụng khung truyền mans dừ liệu từ nút truyền tới một hoặc nhiều nút nhận Dừ liệu truyền không cần thiết bao gồm địa chi của đích hoặc nguồn mà thay vào đó mỗi thôns điệp sẽ được dán nhân bôi bộ nhận dạng mà nó là duv nhất trong toàn mạng Tất cả các nút mạng khác trons mạng nhặn thông điệp và có thể lấy dữ liệu hoặc bò qua phụ thuộc vào cấu hình của các bộ lọc sử dụng trong khâu nhận dạng

Định dạng khung truy nhập mạng của mạng CAN bao gồm các trường: khởi động khung truy nhập, trường phân xử, trường điều khiên, trường dừ liệu, trường kiêm tra CRC trường xác nhận (A C K ), trường kết thúc khung truy nhập (EOF) và khoảng ngừng (IN T ) [1 ][3 ][7 ] CAN hỗ trợ hai định dạng cho trường phản xử là trường phân xử với mà'căn cước (Identifies) 1 ] -bit và trường phân xử với mã căn cước 29-bit tương ứng với hai định dạng chuân (Standard format) và