Ứng dụng bms quản lý hệ thống điều hòa trung tâm học liệu trường đại học cần thơ

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống BMS để điều khiển, giám sát, quản lý các thiết bị cơ điện trong tòa nhà cao tầng đặc biệt là hệ thống điều hòa trung tâm, giúp cho việc vận hành bảo dưỡng qu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN DUY NINH

ỨNG DỤNG BMS QUẢN LÝ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA TRUNG TÂM HỌC LIỆU TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số: 605251

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ và tên: Nguyễn Duy Ninh

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1985 Nơi sinh: An Giang Địa chỉ liên lạc: Khoa Công Nghệ - Đại Học Tây Đô

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Học viên cao học Đại Học Bách Khoa TPHCM khóa 2011 - 2013

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Giảng dạy tại Khoa Công Nghệ - Đại Học Tây Đô từ năm 2010 đến nay

LỜI CẢM ƠN

Sau 6 tháng nghiên cứu và thực tập tại Trung tâm học liệu Trường Đại Học

Cần Thơ em đã hoàn thành việc nghiên cứu ứng dụng và mô phỏng hệ thống BMS

quản lý hệ thống điều hòa trung tâm

Để hoàn thành được quyển luận văn này em xin chân thành cảm ơn thầy

Nguyễn Hoàng Việt, anh Nguyễn Văn Cơi – Phòng Kỹ Thuật Trung Tâm Học

Liệu Đại Học Cần Thơ đã tận tình hướng dẫn thực hiện Hệ thống tự động hoá toà

nhà là một lĩnh vực rất mới ở Việt Nam, do vậy mặc dù đã rất cố gắng nhưng cũng

không tránh khỏi thiếu sót trong quá trình tìm hiểu Chúng em rất mong nhận được

sự góp ý và bổ sung của các thầy cô giáo

TPHCM, th¸ng 06 n¨m 2013

Ký tªn

NguyÔn Duy Ninh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Duy Ninh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1985 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605251

1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG BMS QUẢN LÝ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA

TRUNG TÂM HỌC LIỆU TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Trình bày các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp

- Tìm hiểu hệ thống tự động hóa quản lý năng lượng BMS Johson Control

- Áp dụng hệ thống BMS Johson Control quản lý hệ thống điều hòa tòa nhà trung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ

- Kết luận và kiến nghị hướng phát triển thêm

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hệ thống tự động hóa quản lý năng lượng tòa nhà BMS đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì một điều kiện làm việc lý tưởng cho con người và các thiết bị hoạt động bên trong tòa nhà Nội dung chính của quyển luận văn này là tìm hiểu về hệ thống tự động hóa trong nền công nghiệp hiện đại, hệ thống lạnh trung tâm của tòa nhà và triển khai ứng dụng hệ thống BMS của hãng Johnson Control để quản lý hệ thống điều hòa trung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ Với kết quả mong muốn là đã mô phỏng được việc điều khiển và vận hành hệ thống này một cách thuận tiện, an toàn và tiết kiệm năng lượng nhất

ABSTRACT

The system automates the building energy management BMS plays a key role in maintaining an ideal working conditions for the people and the equipment inside the building operations The main content of this thesis is the book to learn about automation systems in modern industry, the central air system of the building and deployment BMS system of Johnson Control to manage system central air materials Can Tho University The desired result is to be simulated to control and operate this system in a convenient, safe and save the most energy

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan

1 Luận văn tốt nghiệp này do tôi tự lập nghiên cứu, tỡm hiểu và mụ phỏng dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn

2 Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong luận

văn, không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không liệt kê ở phần tài liệu tham

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 3

HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ TRUNG TÂM HỌC LIỆU ĐẠI HỌC CẦN THƠ 3

1 Thực trạng chung của các tòa nhà cao tầng hiện đại 3

2 Đặc trưng hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà trung tâm học liệu 3

3 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm 4

4 Hệ thống điều khiển đo lường của thiết bị điều tiết không khí trong tòa nhà 5

4 1 Nhiệm vụ chức năng của hệ thống điều khiển 5

4.2 Đo lường và kiểm tra tại chỗ 6

4.3 Đo lường và kiểm tra từ xa 6

3.4 Điều khiển tự động 7

5 Sự cần thiết quản lý hệ thống điều hòa không khí tòa nhà trung tâm học liệu 7

CHƯƠNG 2 8

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP 8

1 Mô hình phân cấp hệ thống 8

2 Cấu trúc và thiết bị mạng 10

2 1 Cấu trúc bus 11

2 2 Cấu trúc mạch vòng(tích cực) 12

2 3 Cấu trúc hình sao 13

2 4 Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection) 14

2 5 Truy nhập bus 17

2 5 1 Master/Slaver 17

2 5 2 TDMA (Time Division Multiple Access) 17

2 5 3 Token Passing 18

2 5 4 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection) 18

2 5 5 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) 18

2 6 Mã hoá bit 18

2 7 Chuẩn và môi trường truyền dẫn: 19

3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống giám sát 20

3 1 Cấu trúc tập trung – Concentrated Architechure 20

3 2 Cấu trúc phân quyền 21

3 3 Cấu trúc phân tán 22

4 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 23

4 1 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán DCS 23

4 2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiển DCS: 24

4 2 1 Lớp I/O 24

4 2 2 Lớp điều khiển 25

4 2 3 Lớp điều hành 25

4 2 4 Lớp thông tin quản lý 25

4 3 Các mô hình mạng trong hệ thống điều khiển phân tán 26

4 3 1 Các mạng I/O 26

4 3 2 Mạng điều khiển: 27

4 3 3 Mạng diện rộng của nhà máy 27

4 3 4 Nhận xét 28

CHƯƠNG 3 28

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ TOÀ NHÀ CỦA JOHNSON CONTROL 28

I Giới thiệu về hệ thống tự động hoá toà nhà 28

II.Nội dung 29

1 Các hệ thống được điều khiển trong toà nhà 29

1.1 Hệ thống HVAC 29

1.2 Hệ thống điện 33

1.3 Hệ thống chiếu sáng 34

1.4 Hệ thống cấp nước 34

1.5 Hệ thống thang máy 35

1.6 Hệ thống chữa cháy 35

Hệ thống an ninh 36

2 Lợi ích của việc trang bị hệ thống BMS cho toà nhà 36

2.1 Giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng: 36

2.2 Tiết kiệm năng lượng: 37

2.3 Tạo môi trường làm việc tiện nghi, hiện đại nâng cao hiệu quả làm việc: 37

2.4 Đảm bảo an ninh và an toàn cho con người: 37

2.5 Thân thiện và góp phần gìn giữ môi trường: 38

3 Hệ thống BMS của Johnson Control 38

3.1 Kiến trúc hệ thống và cấu trúc mạng 38

3.3 Bộ Điều Khiển Giao Tiếp Mạng N30 41

3.4 Bộ Điều Khiển Trực Tiếp Kỹ Thuật Số DDC 42

 Thiết Bị Đầu Cuối 43

3.6.2 Phần mềm Metasys® Workstation phiên bản M3 46

a M- Exloprer 46

b M- Graphics 47

3.7 Các đặc tính nổi bật của Johnson controls 48

CHƯƠNG 4 50

I Giới thiệu 50

II Nội dung 50

1 Thuật toán điều khiển các thiết bị trong hệ thống 50

Máy lạnh – Chiller 52

1.2 FCU 54

1.3 AHU 55

2 Mạch điều khiển tự động trong hệ thống 59

2.1 Điều khiển máy điều hòa không khí 60

2.2 Điều khiển máy làm lạnh Chiller 61

3.1 Phần Mềm Đồ Hoạ, Hình ảnh Động 62

3.2 Hệ thống Chiller 63

3.3 Hệ thống AHU 64

3.4 Tiện ích trong quản lý 66

4 Ứng dụng tiết kiệm năng lượng 68

4.1 Điều khiển công suất tiêu thụ 68

4.2 Điều khiển môi trường tiện ích, tiết kiệm năng lượng 68

III KẾT LUẬN 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

1 Kết luận 75

2 Kiến nghị 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Mục lục hình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ TRUNG TÂM HỌC LIỆU ĐẠI HỌC CẦN THƠ 3

Hình 1.1 Hệ thống điều hòa trung tâm 4

Hình 1.2: Các dàn lạnh FCU và AHU 5

CHƯƠNG 2 8

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP 8

Hình 2 1 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển giám sát 8

Hình2 2 Mô hình tham chiếu OSI 14

Hình 2 3 Cấu trúc điều khiển tập trung 20

Hình 2 4:Cấu trúc điều khiển phân quyền 21

Hình 2 5:Cấu trúc tiêu biểu của hệ điều khiển phân tán DCS 23

Hình 2 6 Mô hình phân lớp hệ DCS 24

Hình 2 7 : Mạng I/O 26

CHƯƠNG 3 28

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ TOÀ NHÀ CỦA JOHNSON CONTROL 28

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống BMS 38

Hình 3.2: Giao diện điều khiển quản lý 45

Một phần mềm trọn gói được sử dụng cho việc giao tiếp giữa người và máy tính Tất cả các ngõ vào, ngõ ra, điểm đặt và các thông số khác…, như trình bày trong các bản vẽ thiết kế, bảng điểm hoặc được yêu cầu trong phần mềm hệ thống phải hiển thị cho người vận hành xem và sửa đổi 45

Phần mềm giao diện với người sử dụng phải có phần hướng dẫn trợ giúp cho từng thao tác và ứng dụng 45

Hình 3.3 Công cụ cấu hình hệ thống M- Exloprer 46

Hình 3.4 Công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ M- Graphics 47

Hình 4.1: Thuật toán chương trình chính 50

Hình 4.2: Quản lý dữ liệu các thiết bị trong hệ thống 51

Hình 4.3: Giao diện điều khiển Chiller 51

Hình 4.4: Giao diện điều khiển FCU 53

Hình 4.5: Giao diện điều khiển AHU 54

Hình 4.6: sơ đồ cấu trúc hệ thống 58

Hình 4.7: sơ đồ điều khiển máy điều hòa không khí 59

Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển máy làm lạnh nước 60

Hình 4.9: Giao diện đồ họa trực quan 61

Phần mềm đồ họa có khả năng hiển thị các hình ảnh động dựa trên các giá trị thực nhận được từ hệ thống 61

Hình 4.10: Mô phỏng điều khiển hệ Chiller 62

Hình 4.11: Mô phỏng điều khiển AHU 64

Hình 4.12: Quản lý dữ liệu AHU 64

Hình 4.13: Mô phỏng quản lý năng lượng 65

Hình 4.15: Đồ thị công suất tiêu thụ theo thời gian 67

Hình 4.16: Quản lý cảnh báo 67

Hình 4.17: Điều khiển công suất tiêu thụ 67

Hình 4.18: Điều khiển khởi động và dừng 68

Hình 4.19: Điều khiển dải năng lượng điểm không 69

Hình 4.20: Chương trình quản lý PMV 70

Hình 4.21: Điều khiển áp suất nước đầu vào 70

Hình 4.22: Điều khiển chu kỳ công suất 71

Hình 4.23: Điều khiển enthalpy 71

Hình 4.24: Lịch làm việc tự động của máy làm lạnh Chiller 72

Hình 4.25: Lịch làm việc tự động của máy điều hòa 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AI – Analog Input (Đầu vào tương tự)

AO – Analog Ouput (Đầu ra tương tự)

AV – Analog Value (Giá trị tương tự - giá trị trung gian có thể hiệu chỉnh hay chỉ đọc)

AHU – Air HandingUnit

Alarm - Hệ thống điều khiển sẽ được định dạng để phát ra những cảnh báo khi một đối tượng điều khiển vượt quá ngưỡng do người sử dụng xác định, như được miêu

tả trong trình tự hoạt động

BI – Binary Input (Đầu vào số)

BO – Binary Ouput (Đầu ra số)

BV – Binary Value (Giá trị nhị phân - Là giá trị trung gian mà có thể hiệu chỉnh hay chỉ đọc)

BMS – Building Managerment System

CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection

CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance

CRC – Cyclic Redundancy Check

DDC – Direct Digital Controller

DTE – Data Terminal Equipment

DCS –Distributed Control System

ES – Engineering Station

FCU – Fan coil Unit

FCS – Field Control System

Sched – Schedule (Lịch biểu - Thuật toán điều khiển lịch hoạt động của thiết) Show on Graphic - Hiển thị trên màn hình đồ hoạ của hệ thống

SS– Server Station

HMI –Human and machine interface

HVAC – Heating, ventilation, and air-conditioning control

Trend - Hệ điều khiển sẽ được định dạng lựa chọn và hiển thị bảng đồ thị thời gian của đối tượng Thời gian thực hiện vẽ đồ thị thời gian không nhỏ hơn thời gian lấy mẫu(5phút)

TCP/IP–Transmisstion Control Protocol/Internet Protocol

TDMA– Time Division Multiple Access

OP – Operation Panel

OS– Operation Station

OSI – Open System Interconnection

PLC – Programmable Logic Controller

MPC–Model Predictive Control

QCS – Quality Control System

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong thời đại ngày nay việc xây dựng các toà nhà cao tầng làm công sở, trung tâm thương mại, khách sạn,…ngày càng trở nên phổ biến Chúng ngày càng trở nên hiện đại, tiện nghi để phục vụ các yêu cầu ngày càng cao của con người Giải pháp kết hợp hệ thống các thiết bị cơ điện sử dụng trong toà nhà với công nghệ

tự động hoá nhằm đem lại khả năng tự hoạt động (hệ thống thông gió, hệ thống chiếu sáng,…) đã không còn là điều mới mẻ nữa Tuy nhiên vấn đề sống còn của giải pháp này lại nằm ở chỗ làm sao có thể quản lý chúng trong một hệ thống thống nhất Các hệ thống tự động hoá toà nhà (Building Managerment System - BMS) đã

ra đời để giải quyết bài toán này

Qua phân tích thực trạng về hệ thống quản lý tòa nhà cao tầng kể trên chúng

ta thấy tính cấp thiết phải trang bị hệ thống BMS để cho tòa nhà đang khảo sát ở đây là Trung Tâm Học Liệu Trường Đại Học Cần Thơ tọa lạc tại trung tâm Thành phố Cần Thơ là một tòa nhà lớn kiến trúc hiện đại bốn tầng cao 22m Đây là tòa nhà được xây dựng với nhiệm vụ chính là phục vụ sinh viên học tập, nghiên cứu, tổ chức các hội thảo quan trọng của trường và là không gian làm việc của hơn 30 cán

bộ quản lý Công trình góp phần làm cho cảnh quan của trường Đại Học Cần Thơ thêm hiện đại góp phần nâng cao vị thế của trường trong nước và khu vực

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống BMS để điều khiển, giám sát, quản lý các thiết bị cơ điện trong tòa nhà cao tầng đặc biệt là hệ thống điều hòa trung tâm, giúp cho việc vận hành bảo dưỡng quản lý hệ thống này một cách thuận tiện an toàn, tiết kệm và hiệu quả

Đề tài “Ứng dụng BMS quản lý hệ thống điều hòa Trung tâm học liệu Đại Học Cần Thơ” được lựa chọn xuất phát từ đòi hỏi thực tiễn

Nhận thức được vai trò to lớn của việc tiết kiệm năng lượng đối với nền kinh tế đất nước nói chung cũng như các đơn vị tiêu thụ, sử dụng năng lượng điện nói riêng Qua đó thấy được những hạn chế và bất cập cần tháo gỡ, đưa ra những giải pháp tiết kiệm năng lượng có tính khả thi đặc biệt là hệ thống quản lý năng lượng BMS

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống tự động hóa quản lý năng lượng BMS của Johnson Control

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tập trung vào việc tìm hiểu ứng dụng hệ thống quản lý năng lượng BMS trong việc điều khiển và giám sát hệ thống điều hòa cho Trung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

- Các hệ thống tự động hóa tào nhà

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống BMS của Johnson Control

- Mô phỏng vận hành hệ thống BMS cho tòa nhà

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nhiệm vụ chính của hệ thống BMS là điều khiển, giám sát, quản lý các thiết

bị cơ/điện trong một tòa nhà cao tầng, giúp cho việc vận hành, bảo dưỡng và quản

lý tòa nhà một cách thuận tiện, an toàn và tiết kiệm

Hệ thống BMS được phát triển dựa trên nền kiến trúc của một hệ điều khiển phân tán với các bộ điều khiển số trực tiếp (Direct Digital Controler – DDC) được kết nối với hệ thống mạng tầng (Floor Networks); các bộ điều khiển, định tuyến cấp cao hơn liên kết các DDC với hệ thống mạng nội bộ của tòa nhà

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nhà cung cấp hệ thống BMS như: Siemens, Johnson, Invensys, ALC, AA Matrix, Andover Control,… Hệ thống BMS của mỗi hãng đều có những đặc trưng riêng Trong số đó ALC là một trong những đại diện hàng đầu Chính vì vậy chúng em đã chọn tìm hiểu về hệ thống BMS của Johnson Control để làm đề tài tôt nghiệp

 Nhiệm vụ của luận văn bao gồm:

- Nêu lên các đặc trưng cơ bản về hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà cao tầng hiện đại

- Nghiên cứu về các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

- Nghiên cứu về hệ thống tự động hoá toà nhà nói chung, tìm hiểu sơ bộ hệ thống BMS và tìm hiểu sâu về hệ thống BMS của Johnson control

Sau 6 tháng nghiên cứu và thực tập tại Trung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ em đã hoàn thành việc tìm hiểu nghiên cứu ứng dụng của hệ thống BMS

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Việt, anh Nguyễn Văn Cơi – Phòng Kỹ Thuật Trung Tâm Học Liệu Đại Học Cần Thơ và

toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn điện Đại Học Bách Khoa TPHCM đã giúp

đỡ em hoàn thành luận văn này

Hệ thống tự động hoá toà nhà là một lĩnh vực rất mới ở Việt Nam, do vậy mặc dù đã rất cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi thiếu sót trong quá trình tìm hiểu Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và bổ sung của các thầy cô giáo

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ TRUNG TÂM

HỌC LIỆU ĐẠI HỌC CẦN THƠ

1 Thực trạng chung của các tòa nhà cao tầng hiện đại

Ngày nay, hầu hết số nhà cao tầng ở Việt Nam đều có các hệ thống cơ sở hạ tầng, hệ thống cung cấp và thải nước, hệ thống cung cấp điện, hệ thống quạt trần hoặc điều hòa và hệ thống báo cháy Đây là những tòa nhà loại thông thường Một phần trong số đó có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera nhưng chưa có hệ thống BMS Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo cháy,…được điều khiển riêng biệt, các bộ điều khiển này không trao đổi thông tin với nhau, không có quản

lý và giám sát chung và phần quản lý điện năng thì mới ở mức thấp Đây là những tòa nhà đã có hệ thống điều khiển và giám sát tập trung, nhưng chưa có hệ thống BMS

Một số ít tòa nhà có hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera được trang bị hệ thống BMS Tất cả thiết bị của hệ thống điều hòa, báo cháy,… được điều khiển riêng biệt

và tích hợp từng phần Hệ BMS cho phép trao đổi thông tin, giám sát giữa các hệ thống, cho phép quản lý tập trung Hệ BMS cho phép quản lý điện năng ở mức cao Đây là loại tòa nhà cao tầng được trang bị hệ thống tự động hóa BMS, một điển hình nói đến ở đây là tòa nhà Trung Tâm Học Liệu Đại Học Cần Thơ Khi được trang bị hệ thống này, tất cả các hệ thống điều hòa, báo cháy,…trong tòa nhà được điều khiển tập trung, tương tác bởi hệ BMS Các hệ thống được tích hợp đầy đủ hệ thống thông tin, truyền thông và tự động hóa văn phòng Đây là loại nhà cao tầng

thông minh Còn gọi là các tòa nhà tòa nhà xanh, tòa nhà công nghệ cao

2 Đặc trưng hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà trung tâm học liệu

Điều hòa không khí (ĐHKK) thường được hiểu là làm mát không khí Nhưng ở đây không phải như vậy mà ngoài việc duy trì nhiệt độ trong không gian cần điều hòa ở mức yêu cầu, hệ thống ĐHKK còn phải giữ độ ẩm không khí trong không gian đó ổn định ở mức quy định nào đó Bên cạnh đó cần phải chú ý đến vấn

đề bảo đảm độ sạch của không khí, không chế độ ồn và sự lưu thông hợp lý của dòng không khí, bởi vì trung tâm học liệu là nơi phục vụ rất đông sinh viên học tập nghiên cứu và tổ chức các hội thảo quan trọng của trường Chính vì thế, ĐHKK nơi đây được chia làm ba loại đặc trưng như sau:

- Điều tiết không khí: dùng để thiết lập các môi trường thích hợp cho việc bảo quản máy móc, thiết bị trong tòa nhà

- Điều hòa không khí: nhằm tạo môi trường tiện nghi cho các sinh hoạt của con người trong tòa nhà

- Điều hòa nhiệt độ: nhằm tạo ra môi trường có nhiệt độ thích hợp trong tòa nhà

3 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm

Hình 1.1 Hệ thống điều hòa trung tâm

Hệ thống điều hòa trung tâm sẽ được làm lạnh bằng nước gồm các thiết bị sau:

- Cụm máy lạnh Chiller là phần quan trọng nhất dùng để sản xuất nước lạnh với nhiệt độ khoảng 70C để cấp vào các FCU (water fan- coil unit system) và AHU

(air handling unit)

- Tháp giải nhiệt (đối với máy chiller giải nhiệt bằng nước) hoặc dàn nóng (đối với chiller giải nhiệt bằng gió) ở đây là giải nhiệt bằng gió

- Máy nén: Có rất nhiều dạng, nhưng phổ biến là loại trục vít, máy nén kín, máy nén pittông nửa kín

- Thiết bị ngưng tụ: Khi giải nhiệt bằng nước thì sử dụng bình ngưng, khi giải nhiệt bằng gió sử dụng dàn ngưng

- Bình bay hơi: Bình bay hơi thường sử dụng là bình bay hơi ống đồng có cánh Môi chất lạnh sôi ngoài ống, nước chuyển động trong ống Bình bay hơi được bọc cách nhiệt và duy trì nhiệt độ không được quá dưới 70C nhằm ngăn ngừa nước đóng băng gây nổ vỡ bình Công dụng bình bay hơi là làm lạnh nước

- Tủ điện điều khiển

+ Các máy nén kiểu nửa kín được bố trí nằm ở trên cụm bình ngưng - bình bay hơi Phía mặt trước là tủ điện điều khiển Tồn bộ được lắp đặt thành 01 cụm hồn chỉnh trên hệ thống khung đỡ chắc chắn

- Bơm nước giải nhiệt

- Bơm nước lạnh tuần hồn

- Bình giãn nở và cấp nước bổ sung

4 Hệ thống điều khiển đo lường của thiết bị điều tiết khơng khí trong tịa nhà

4 1 Nhiệm vụ chức năng của hệ thống điều khiển

Ta đặt vấn đề là các điều kiện mơi trường trong tịa nhà phải được duy trì ở phạm vi thơng số nhất định nhờ hệ thống điều hịa khơng khí Tuy nhiên ta chưa xem xét tỉ mỉ xem làm thế nào thiết bị cĩ thể vận hành để đáp ứng các yêu cầu tiện nghi và cơng nghệ trong cơng trình một cách đồng đều

( nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ lưu thơng giĩ ) khi phụ tải và thời tiết thay đổi Hệ thống điều khiển chính là mối liên hệ thơng tin giữa nhu cầu năng lượng thay đổi và nhu cầu đối với điều kiện mơi trường trong tịa nhà Nếu khơng cĩ hệ thống điều khiển

FCU Q

KHÔNG KHÍ

PHÒNG Ở

KHÔNG KHÍ NGOÀI TRỜI

WC

BH

NƯỚC LẠNH

NƯỚC HỒI

KHÔNG KHÍ TÁI TUẦN HOÀN

Q

AHU

PHÒNG HỌP

B

được thiết kế đúng và hoạt động có hiệu quả thì thiết bị điều hòa không khí không thể hoạt động tốt ngay cả khi đã đầu tư vốn rất lớn Người thiết kế hệ thống thông gió và điều hòa không khí phải thiết kế được hệ thống điều khiển nhằm:

- Tạo ra và duy trì môi trường tiện nghi và phù hợp với công nghệ trong tòa nhà

- Duy trì chất lượng không khí trong tòa nhà ở giới hạn cho phép

- Đơn giản giá thành thấp, đáp ứng được các quy chuẩn hoạt động của thông gió, và điều hòa không khí một cách tin cậy

- Hoạt động có hiệu quả với mọi điều kiện

Về nguyên tắc biến số được điều khiển quan trọng nhất trong tòa nhà vẫn là nhiệt độ Do đó mà ta quan tâm chủ yếu là điều khiển nhiệt độ trong tòa nhà.Tất nhiên để điều khiển nhiệt độ không khí trong tòa nhà ta cũng phải kết hợp với nhiều chức năng điều khiển khác như điều khiển nồi hơi, điều khiển máy nén lạnh, bơm quạt, điều khiển lưu lượng không khí và chất lỏng,điều khiển độ ẩm và các hệ thống điều khiển phụ khác

4.2 Đo lường và kiểm tra tại chỗ

Sử dụng dụng cụ đo và chỉ thị với các thông số sau

- Nhiệt độ không khí ngoài trời

- Nhiệt độ không khí trong tòa nhà

- Nhiệt độ không khí thổi vào của hệ thống

- Nhiệt độ không khí sau khi được xử lý(buông phun, giàn lạnh .)

- Nhiệt độ môi chất trước và sau thiết bị trao đổi( bộ sấy không khí, giàn lạnh,giàn ngưng tụ)

- Độ ẩm tương đối của không khí trong tòa nhà

- Áp suất trong đường ống dẫn không khí và tốc độ không khí ra khỏi các miệng thổi

- Điện áp, dòng điện của động cơ máy nén, quạt (bơm), quạt giàn lạnh, giàn ngưng tụ

4.3 Đo lường và kiểm tra từ xa

Thường chỉ thực hiện với một vài thông số chú yếu đặc trưng cho hệ thống,ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm tương đối của không khí trong nhà Các dụng cụ đo tự nghi thường được sử dụng trong trường hợp chất lượng của sản phẩm công nghệ phụ thuộc vào các thông số của không khí trong công trình,khi đó cần theo dõi và xử lý sai lệch thông số có thể tới làm giảm chất lượng sản phẩm, thậm chí là hư hỏng dây chuyền công nghệ

4.4 Điều khiển tự động

Căn cứ vào các giá trị thông số đặt trước ( nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lưu lượng không khí,áp suất,dòng điện định mức ), các thiết bị điều khiển tự động tác

không cho sai lệch với giá trị đặt trước Ví dụ, khởi động trình tự các máy nén, khởi động đồng thời các quạt gió ngoài,gió hồi, bơm tuần hoàn, bơm nước lạnh, điều chỉnh độ mở của van gió, van nước lạnh, van nước phun, theo phụ tải

5 Sự cần thiết quản lý hệ thống điều hòa không khí tòa nhà trung tâm học liệu

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển như vũ bão và không khí hội nhập kinh tế và giáo dục của Việt Nam hiện nay, chúng ta đã tiến được những bước dài và đã đạt được những thành công và kết quả tương đối khích lệ trong nhiều lĩnh vực kinh tế và giáo dục Một trong những thành công đó là qui mô

đô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ mọc lên để tô đẹp thêm cho

nền kinh tế và giáo dục của Việt Nam nói chung và Đại Học Cần Thơ nói riêng

Vấn đề đánh giá và kiểm định chất lượng cho các tòa nhà là không đơn giản Đặc biệt là các tòa nhà trong các trường đại học lớn trọng điểm Chúng ta có thể đưa ra các tiêu chí khác nhau để đánh giá và kiểm định chúng, nhưng phải dựa trên

cơ sở nào? Tùy theo quan điểm kiến trúc, quan điểm kết cấu xây dựng, quan điểm tiện nghi, quan điểm về tính sử dụng, quan điểm về môi trường và tiết kiệm năng lượng mà chúng ta có các tiêu chí đánh giá và kiểm định khác nhau Một trong những tiêu chí mà chúng ta quan tâm là hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà cao tầng BMS (Building Management System) Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các tòa nhà mà tiêu chí đặt ra cho hệ BMS là khác nhau Trên quan điểm đó, em đưa

ra vấn đề để làm rõ hơn về hệ BMS cho tòa nhà Trung Tâm Học Liệu Đại Học Cần Thơ trong quyển luận văn này

Các hệ thống BMS này đã được chuẩn hóa và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Các hãng cung cấp các sản phẩm này đã xâm nhập vào thị trường Việt Nam như: Siemens, Honeywell, Yamatake,… Các nhà cao tầng ở Việt Nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens thông qua các công ty đại lý Việt sáng tạo, NTC

để thực hiện lắp đặt cho các tòa nhà: Saigon Center HCM được đưa vào sử dụng

1996, Red riverbuilding Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation Stadium-2003 Sau khi trang bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu quả khả năng quản lý giám sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa không khí) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụ cho hệ thống so với trươc khi lắp đặt hệ thống BMS

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP

1 Mô hình phân cấp hệ thống

Hệ thống điều khiển trong công nghiệp có thể chia thành 5 cấp như sau:

Hình 2 1 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển giám sát

Càng ở 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 chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một

hệ thống điểu khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công

ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mô hình lý tưởng về cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

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

động, và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiêt Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (Sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết

bị trường thông minh cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

 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 xuống các cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, thì các nhiệm vụ

đó được các người đứng máy thao tác trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các

thiết bị đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như: Đóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Trong một

hệ thống điều khiển tự động hiện đại những nhiệm vụ đó được thực hiện thông qua điều khiển bằng máy tính

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

kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn

hệ thống được các cấp dưới thực hiện, thì nhiềm vụ của cấp điều khiển giám sát là

hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức( ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với cấp dưới cấp điều khiển giám sát không đòi hỏi phương tiện đặc biệt, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal…) Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

 Cấp điều hành sản xuất: Nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất là nhận các

thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất có nhiệm vụ xử lý các số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thức điều khiển, và mệnh lệnh điều hành xuống cấp dưới Mặt khác cấp điều hành sản xuất còn có chức năng là trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Cấp điều hành sản xuất bao gồm các máy tính văn phòng nối mạng cục bộ với nhau

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

phân cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng thông qua thư điện tử, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử… Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành, kế hoạch sản xuất, thống kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hàng…

Để kết nối các thành phần trong hệ thống với nhau ta sử dụng các hệ thống bus

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

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

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

máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm quan sát Đối với Bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vài trăm miligiây Trong khi đó lưu lượng thông tin lớn hơn nhiều so với bus trường Các hệ thống bus trường tiêu biểu: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet

 Mạng xí nghiệp: Là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy

tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạng

xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte Hai loại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

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

hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Mạng công ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy đặc biệt cao, chẳng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM

2 Cấu trúc và thiết bị mạng

Cấu trúc mạng quyết định các thiết bị cần phải có trong mạng và cách ghép nối chúng Thiết bị mạng gồm có:

-Bộ lặp: Sao chép, khuếch đại và phục hồi tín hiệu mang thông tin trên

đường truyền giữa hai trạm xa nhau

-Cầu nối: Liên kết giữa hai mạng con với nhau chỉ khi lớp liên kết dữ liệu( lớp 2 mô hình tham chiếu OSI) làm việc với cùng giao thức

-Router: Liên kết hai mạng con với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI -Gateway: Liên kết các hệ thống bus khác nhau bằng cách chuyển đổi giao thức cấp cao, thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm

- HUB (ghép nối các trạm theo cấu trúc ARCNET và Ethernet)

- MAU (Ghép nối các trạm theo cấu trúc Token-Ring)

- TRANSIVER/RECEIVER:ghép nối hai trạm trực tiếp trên một khoảng cách lớn

- Có 3 kiểu liên kết để ghép nối chúng với nhau:

 Liên kết điểm - điểm: là loại liên kết chỉ nghép nối hai đối tác truyền

thông Để xây dựng một trạm truyền thông trên cơ sở này sẽ cần nhiều đường truyền riêng biệt, với nhiều module truyền thông

 Liên kết điểm - nhiều điểm (multi-drop): sử dụng duy nhất một đối tác

truyền thông là trạm chủ Các đối tác còn lại làm trạm tớ Thông tin truyền từ trạm chủ đến các trạm tớ trong cùng một lúc(liên kết điểm – nhiều điểm) Việc giao tiếp theo chiều ngược lại từ trạm tớ tới trạm chủ chỉ được thực hiện theo kiểu điểm - điểm Nhiều đối tác có thể nối với nhau qua một cáp chung duy nhất

 Liên kết nhiều điểm(Multipoint): là liên kết ngang hàng với nhiều đối tác

tham gia Bất kỳ đối tác nào cũng có quyền thu phát tín hiệu Cũng như liên kết điểm, nhiều điểm,có thể xử dụng một cáp duy nhất để nối giữa các đối tác Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là bus, mạch vòng tích cực và hình sao như sau:

2 1 Cấu trúc bus

Tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc xử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm Vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt

Có thể phân biệt ba loại cấu hình trong cấu trúc bus : daisy – chain và trunk – line/drop – line và mạch vòng không tích cực Hai cấu hình đầu cũng được xếp vào kiểu cấu trúc đường thẳng,bởi hai đầu đường truyền không khép kín

Với daisy – chain, mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào Ngược lại, trong cấu hình trunk- line/drop-line, mỗi trạm được nối qua một đường nhánh(drop – line) để đến đường trục (Trunk – line) Còn mạch vòng không tích cực thực chất chỉ khác với (trunk – line/drop – line) ở chỗ đường truyền được khép kín

Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Trong trường hợp một trạm không làm việc (hỏng hóc, do ngắt nguồn, ) Không ảnh hưởng đến phần mạng còn lại Một số hệ thống còn cho việc tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả

hệ thống vẫn hoạt động bình thường

Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi một phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu - gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay phương pháp truy nhập bus Nguyên tắc truyền thông

được thực hiện như sau:tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận

Ngoài việc cần phải kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc bus còn có những nhược điểm sau:

 Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm soát được,vì vậy phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ(logic) theo kiểu thủ công cho từng trạm Trong thực tế, việc gán địa chỉ này gây ra không ít khó khăn

 Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn “nghe” đường dẫn để phát hiện ra thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết

kế sao cho có đủ tải với số trạm tối đa Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng Khi cần mở rộng mạng phải dùng thêm các bộ lặp

 Chiều dài đường dẫn tương đối dài,vì vậy đối với cấu trúc đường thẳng xảy

ra hiện tượng phản xạ ở mỗi đầu dây làm giảm chất lượng của tín hiệu Để khắc phục hiện tượng này người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối Việc sử dụng các trở đầu cuối cũng làm tăng tải của hệ thống

 Trong trường hợp đường dẫn bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối bus của trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống Hoặc khi lỏng giắc cắm nối trạm này hoặc trạm khác sẽ dừng hoạt động của tất cả các trạm sau đó

 Cấu trúc đường thẳng, liên kết đa điểm cố hữu gây ra khó khăn trong áp dụng các công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang

Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu sử dụng cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN WordldFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks,AS-i và Ethernet

2 2 Cấu trúc mạch vòng(tích cực)

Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu Khác với cấu trúc đường thẳng,ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều quy định Mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm trước và chuyển sang trạm lân cận đứng sau Qúa trình này được lặp lại cho đến khi tín hiệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được huỷ bỏ

Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể

là một bộ khuếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần,và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều,nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu được thực hiện một cách đơn giản hơn

Với kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu Như vậy việc kiểm soát đường dẫn sẽ

do các trạm tự đảm nhận và phân chia Với kiểu có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ đảm nhận vai trò kiểm soát việc truy nhập đường dẫn

Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủ thực hiện một cách hoàn toàn tự động, căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của trạm mạch vòng Ưu điểm của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự

cố, đứt dây hay một trạm ngừng làm việc Tuy nhiên sự hoạt động không bình thường của mạng trong trường hợp này chỉ với một dây dự phòng như ở FDDI Một kỹ thuật khác được áp dụng xử lý sự cố tại một trạm là dùng các bộ chuyển mạch by-pass tự động Mỗi trạm thiết bị sẽ được đấu với mạch vòng nhờ bộ chuyển mạch này Trong trường hợp sự cố xảy ra, bộ chuyển mạch sẽ tự động phát hiện và ngắn mạch,bỏ qua thiết bị được nối mạng qua nó

Cấu trúc mạch vòng được xử dụng trong một số hệ thống có độ tin cây cao như Internet, Token –Ring(IBM) và đặc biệt là FDDI

2 3 Cấu trúc hình sao

Là một cấu trúc mà có trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả cac nút mạng khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm Tương tự như cấu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là kiểu điểm - điểm Tuy nhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng, còn nều không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch

Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng Vì vậy, trạm trung tâm thường phải

có độ tin cậy rất cao

Một nhược điểm tiếp theo của cấu trúc hình sao là tốn dây dẫn,nếu như khoảng trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách của chúng tới trạm trung tâm Đương nhiên trong các hệ thống viễn thông không tránh khỏi việc dùng cấu trúc này Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình sao tìm thấy trong các phạm vi nhỏ Ví dụ như các bộ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng các cấu trúc khác Lưu ý rằng, trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về về mặt vật lý lại có cấu trúc như một hệ bus, bởi các trạm vẫn có thể tự do liên lạc như không có sự tồn tại của trạm trung tâm Chính các hệ thống mạng Ethernet công nghiệp ngày nay sử dụng phổ biến cấu trúc này kết hợp với kỹ thuật chuyển mạch

và phương phát truyền dẫn tốc độ cao

2 4 Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection)

Chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ

7 Lớp ứng dụng

Là lớp trong cùng mô hình tham chiếu OSI, cung cấp các dịch vụ cao cấp tên

cơ sở các giao thức cao cấp cho người xử dụng và các chương trình ứng dụng Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng được thực hiện hầu hết bằng phần mềm Để xử dụng người ta dùng các khối hàm(function Block),tích hợp cả một số chức năng xử lý thông tin, thậm chí cả điều khiển tại chỗ Đây cũng là xu hướng mới trong chuẩn hoá các lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường Hướng tới kiến trúc điều khiển phân tán triệt để

- Lớp biểu diễn dữ liệu:

Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp một dạng chuẩn Nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau Lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ như phương pháp bảo mật mã khoá

Chức năng này có thể kết hợp thực hiện trên lớp ứng dụng để đơn giản hoá,

và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức, là đặc trưng của các hệ thống bus trường

- Lớp kiểm soát nối (sesion layer)

Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng,bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác Mối quan hệ giữa các chương trình ứng dụng mạng tích chất lôgic:thông qua một mối liên kết vật lý giữa hai trạm, hai nút mạng có thể tồn tại song song nhiều lôgic Thông thường kiểm soát nối là chức năng của hệ điều hành Để thực hiện các đường nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các tính toán song song Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính toán này đối với việc xử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối Chính vì vậy lớp này còn có tên là lớp đồng bộ hoá

- Lớp vận chuyển:

Khi một khối dữ liệu được truyền đi thành từng gói, cần phải bảo đảm tất cả các gói đều đến đích và theo đúng trình tự chúng được chuyển đi Chức năng của lớp vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm

cả trách nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm đến cơ chế vận chuyển dữ liệu cụ thể

 Các nhiệm vụ của lớp vận chuyển bao gồm :

 Quản lý về tên hình thức cho các trạm xử dụng

 Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức hoặc địa chỉ

 Xử lý lỗi và kiểm soát dòng thông tin,trong đó có cả việc lập lại quan

hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết

 Dồn kênh các nguồn dữ liệu khác nhau

 Đồng bộ hoá giữa các đối tác

Trong mạng truyền thông công nghiệp, một số nhiệm vụ như dồn kênh hoặc kiểm soát lưu thông trở lên không cần thiết Các chức năng còn lại được dồn lên kếp hợp với lớp ứng dụng đển tiện cho việc việc thực hiện và tạo điều kiện cho người sử dụng chọn phương án tối ưu hoá và nâng cao hiệu suất truyền thông

- Lớp mạng:

Lớp mạng có nhiệm vụ tìm đường đi tối ưu(routing) cho việc vận chuyển dữ

liệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp bên trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau Việc xây dựng và huỷ bỏ các quan hệ liên kết giữa các nút mạng cũng thuộc trách nhiệm của lớp mạng Tuy nhiên lớp mạng không có ý nghĩa đối với một hệ thống truyền thông công nghiệp Bởi ở đây hoặc không có nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa hai trạm khác nhau ở hai mạng khác nhau, hoặc việc trao đổi được thực hiện gián tiếp thông qua chương trình ứng dụng(không thuộc lớp nào trong mô hình tham chiếu OSI) Các

bộ router thông dụng trong liên kết mạng hoàn toàn không đóng vài trò gì trong hệ thống bus trường

- Lớp liên kết dữ liệu:

Lớp liên kết dữ liệu đảm nhận việc điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu, tương ứng với hai lớp con: Lớp điều khiển truy nhập môi trường và lớp điều khiển liên kết lôgic Trong một số hệ thống,lớp liên kết dữ liệu

có thể đảm nhiệm thêm một số chức năng khác như kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao khung dữ liệu

Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trên được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý Các khung dữ liệu này chứa các thông tin bổ sung phục vụ mục đích kiểm lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng

bộ hoá Lớp liên kết dữ liệu phía bên nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này để xác định tính chính xác của dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển tiếp lớp trên nó

- Lớp vật lý:

Là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thông của một trạm hiết bị,đảm nhận toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý Các quy định ở đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông:

 Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus ,cây hình sao )

 Chuẩn truyền dẫn(RS485 IEC1158 -2 ,truyền cáp quang )

 Phương pháp mã hoá bít(NRZ,Manchester,FSK

 Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở/dải mang,đồng bộ/không đồng bộ)

 Giao diện cơ học(Phích cắm,giắc cắm )

Lớp vật lý cần được chuẩn hoá sao cho một hệ thống truyền thông có sự lựa chọn giữa một vài khả năng khác nhau Trong hệ thống bus trường, sự lựa chọn này

là không lớn quá, hầu hết dựa trên vài chuẩn cơ bản

2 5 Truy nhập bus

Trong một mạng có cấu trúc bus các thành viên phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn Để tránh xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ở mỗi một thời điểm ở trên một đường dẫn chỉ duy nhất một điện tín được phép truyền đi Chính vì vậy, mạng phải được điều khiển sao cho tại mỗi một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi Còn số lượng thành viên trong mạng muốn nhận thông tin thì không hạn chế Vì vậy đặt ra vấn đề về phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin trên đường dẫn Gọi là phương pháp truy nhập bus

Người ta thường quan tâm đến ba khía cạnh: Độ tin cậy,tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền Tính năng thời gian thực là ở đây là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy Hiệu suất sử dụng đường truyền là mức độ khai thác, sử dụng đường truyền, được tính bằng phần trăm thời gian đường truyền được sử dụng hiệu quả vào việc truyền tải dữ liệu

Hiện nay có 5 phương pháp truy nhập đường truyền được chia thành các phương pháp tiền định,với trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng, có tính năng thời gian thực và các phương pháp ngẫu nhiên, với trình tự truy nhập bus không được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm

2 5 2 TDMA (Time Division Multiple Access)

Là phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian, mỗi trạm được phân một thời gian truy nhập bus nhất định Các trạm lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép Phương pháp này có thể không hoặc có trạm chủ Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vài trò chủ động trong việc giao tiếp trực tiếp với các trạm khác

2 5 3 Token Passing

Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa

khoá Mỗi trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thơi gian nó được giữ Token Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin nó phải gửi Token đến một trạm khác theo một trình tự nhất định

2 5 4 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection)

Mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào Phương pháp được tiến hành như sau:

- Mỗi trạm đều phải “nghe” đường dẫn,nếu đường dẫn rỗi thì mới được phát

- Do việc lan truyền tín hiệu cần một khảng thời gian nào đó, nên vậy có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn Vì vậy trong khi phát mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không

- Trong trường hợp xảy ra xung đột,mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện của mình

chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại

Phương pháp được áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet với các ưu điểm của nó

2 5 5 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance)

Tương tự như CSMA/DC, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin Tuy nhiên, một phương pháp mã hoá bít thích hợp được xử dụng ở đây trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia Ví dụ tương ứng với bít 0 là mức điện áp cao sẽ lấn áp mức điện áp thấp của bít 1

2 6 Mã hoá bit

Mã háo bit là quá trình chuyển đổi dãy bit 0,1 sang một tín hiệu thích hợp để

có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý(cáp truyền dẫn tín hiệu) Việc chuyển đổi này chính là sử dụng một tham số thông tin thích hợp để mã hoá dãy bit cần truyền tải Các tham số thông tin có thể được chứa đựng trong biên độ, tần số ,pha hoặc sườn xung Các phương pháp mã hoá bit thường dùng là: Điều chế biên độ xung(NRZ và RZ) Phương pháp điều chế pha xung hay vị trí xung(Tham số thông tin được thể hiện qua các sườn xung, PP Manchester),Phương pháp xung sườn xoay chiều(AFP), phương pháp điều chế dịch tần số (FSK) Trong đó đang kể là hai phương pháp :

NRZ và RZ là một trong những biện pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống bus trường, có tần số nhịp bus thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus Tuy nhiên không thích hợp cho việc đồng bộ hoá và không có khả năng đồng tải nguồn

Mã Manchester được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống truyền thông công nghiệp nhờ các xung của nó có thể trong việc đồng bộ hoá giữa bên gửi và bên

nó có khả năng đồng tải nguồn Thêm nữa, nó có khả năng chống nhiễu cao nhờ việc sử dụng sườn xung của tín hiệu

2 7 Chuẩn và môi trường truyền dẫn:

Mạng truyền thông công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ Với phương pháp này các bit được truyền từ bên gửi đến bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền Vì không có đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp nên việc đồng bộ hoá được thoả thuận trên cơ sở một giao thức truyền thông Hiện nay các chuẩn truyền dẫn có 4 dạng:

- RS232 : được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm - điểm giữa hai DTE, giữa

DTE và DTC, như giữa hai máy tính, PLC hoặc PC với OP của biến tần, giữa máy tính và máy in,modem Không ghép nối được với thiết bị thứ ba Sử dụng phương pháp truyền tin không đối xứng, chế độ làm việc là hai chiều toàn phần (hai trạm có thể cùng tham gia thu/phát tín hiệu cùng một lúc).Sử dụng tín hiệu chênh lệch điện

áp giữa hai dây dẫn(transmit và receive data) với đất Tốc độ truyền cho phép tối đa

là 19 2kBd RS232 có nhược điểm là chiều dài cho phép từ 30 -:-50m nhưng có ưu điểm là sử dụng công suất phát tương đối thấp nhờ trở kháng đầu vào hạn chế khoảng từ 3 – 7k

-RS422: sử dụng phương pháp truyền tin đối xứng thông qua điện áp chênh lệch đối

xứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và tăng chiều dài dây dẫn lên một cách đáng kể, tới 1200m mà không cần bộ lặp Có ba phương pháp truyền tín hiệu: truyền một chiều hoặc hai chiều gián đoạn cần một đôi dây, truyền hai chiều toàn phần cần 2 đôi dây RS422 có khả năng ghép nối điểm - điểm và điểm - nhiều điểm trong một mạng đơn giản,cụ thể là có duy nhất một trạm được phát và

10 trạm có thể nhận tín hiệu Tuy vậy thực tế RS422 thường chỉ được dùng ghép nối điểm - điểm với mục đích thay thế RS232 cho khoảng cách truyền thông lớn với tốc

độ cao hơn

-RS485:giống RS422 về mặt điện học Tuy nhiên ngưỡng giới hạn qui định của

điện áp làm việc được nới rộng ra khoảng -7V đến 12 V cũng như trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp 3 lần so với RS422 Đặc tính khác nhau cơ bản của RS485 và RS422là khả năng nghép nối nhiều điểm được sử dụng trong hệ thống bus trường

Cụ thể 32 trạm có thể tham gia nghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS485 mà không cần bộ lặp khoảng cách tối đa cho trạm đầu và cuối là 1200m Không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa là 10Mbit/s

3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống giám sát

Một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình có các cấu trúc cơ bản sau:

- Cấu trúc tập trung

- Cấu trúc phân quyền

- Cấu trúc phân tán

3 1 Cấu trúc tập trung – Concentrated Architechure

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ trên hình Hình 2 3 Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển các quá trình con Các bộ cảm biến và chấp hành được nối trực tiếp, điểm đến điểm( point to point) với máy tình điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ ra của nó

Hình 2 3 Cấu trúc điều khiển tập trung

Mỗi bộ cảm biến được nối với một cổng vào và một thiết bị chấp hành được nối với cổng ra bằng một dây nối riêng biệt Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ quá trình xử lý thông tin, dữ liệu vào một thiết bị điều khiển duy nhất Một cấu trúc tập trung như vậy thường thích hợp cho tự động hoá các loại máy móc, các thiết bị vừa và nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển Tuy nhiên cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:

 Công việc nối dây phức tạp giá thành cao;

 Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn khi thiết bị đầu cuối tăng lên

 Độ tin cậy hệ thống kém do phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất

Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống, có thể dùng thêm một máy tính dự phòng giống hệ máy tính chính Nhưng vấn đề của giải pháp này là vấn đề giá thành cao Còn nhược điềm thứ nhất có thể được khắc phục bằng một mạng dẫn chung gọi

là bus trường (fieldbus) thay cho dây nối trược tiếp và phân tán một phần trí tuệ xuống cấp chấp hành Đây chính là xuất phát điểm cho con đường dẫn đến cấu trúc phân tán

3 2 Cấu trúc phân quyền

Để khắc phục sự phụ thuộc vào máy tính trung tâm và tăng tính linh hoạt của hệ thống, trong cấu trúc phân quyền, mỗi quá trình con(hoặc mỗi nhóm quá trình con) được điều khiển bằng một máy tính riêng biệt cùng được đặt tại phòng điều khiển Bởi các quá trình con có liên quan hệ quả tổng hợp tới nhau, để điều khiển quá trình tổng hợp cần thiết có sự hợp tác giữa chúng với nhau Trong phần lớn các trường hợp,một máy tính trung tâm được để điều khiển cấp cao cũng như để phối hợp sự hoạt động của các máy phân quyền như được mô tả trên

Hình 2 4 Máy tính phối hợp này có thể thuộc cùng cấp điều khiển hoặc thuộc cấp điều hành, tuỳ theo các chức năng được thực hiện

Hình 2 4:Cấu trúc điều khiển phân quyền

Các máy tính điều khiển được kết nối với nhau và với máy tính phối hợp qua mạng được gọi là bus xử lý Chú ý sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus xử lý không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được xử dụng mà ở mục đich sử dụng – hay nói cách khác là ở các thiết bị được kết nối Khi nói tới bus xử

lý, ta nghĩ trước hết đến mạng kết nối các thiết bị thông tin ở cấp điều khiển(ở đây chính là các máy tính điều khiển) với nhau hoặc với các thiết bị trên cấp điều hành Trong khi đó khái niệm bus trường thường được dùng chỉ mạng kết nối các thiết bị gần với quá trình kỹ thuật – tức các thiết bị ở cấp chấp hành và có thể ở cả cấp điều khiển Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được sử dụng được dùng cho

cả hai mục đích này

3 3 Cấu trúc phân tán

Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân tán chức năng

xử lý thông tin, chức năng điều khiển theo chiều rộng cũng như theo chiều sâu kết hợp với xử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp nối dây và bằng điện thông thường Bên cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào /ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa các máy tính điều khiển nhỏ(như các bộ điều chỉnh, vi điều khiển) xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật

Hình 2 5 một ví dụ tiêu biểu của một hệ thống điều khiển phân tán dùng giải pháp hỗn hợp được chia làm khu vực:

 Trung tâm điều hành quá trình bao gồm các trạm công nghệ ES(Engineering Station), trạm thao tác OS (operation station) và trạm phục vụ SS (Server Station)

 Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển như PLC, máy tính công nghiệp IPC và các máy tính phối hợp được nối với nhau và nối lên trung tâm điều hành quá trình qua bus xử lý (thường dùng Ethernet)

 Khu vực gần với quá trình kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như các bộ vi điều khiển MC(micro controller) hay các bộ điều khiển thu gọn(compact controller),các cụm vào /ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến và chấp hành được nối lên trung tâm điều khiển qua bus trường(ví dụ Profibus,Foundation fieldbus…)

Trong thực tế, tuỳ theo tính chất ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấu trúc phân tán có thể đơn giản hoá hoặc mở rộng hơn Rõ ràng cấu trúc phân tán được thể hiện ở những điểm sau:

Tiết kiệm dây nối và cổng nối dây nhờ mạng truyền thông

 Hiệu suất cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống cấp dưới

 Độ linh hoạt cao, tinh năng mở trong việc mở rộng hệ thống, mua sắm và thay thế thiết bị, nâng cấp và cải tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng

Chính từ các yêu cầu bức thiết từ phía người xử dụng là phải giảm giá thành trong khi các tính năng kỹ thuật phải đảm bảo, cộng với các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin đó đóng vai trò quyết định trong sự chuyển hướng các giải pháp điều khiển tự động sang dạng có cấu trúc phân tán

Hình 2 5:Cấu trúc tiêu biểu của hệ điều khiển phân tán DCS

4 Hệ thống điều khiển phân tán DCS

4 1 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán DCS

Hệ thống điều khiển phân tán được hiểu như là hệ thống dựa trên các phần cứng và phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyền thông tin tốc độ cao, các module được phân tán và tổ chức theo một cấu trúc nhất định với một chức năng nhiệm vụ riêng Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao này cho phép nghép nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác như PLC, các máy tính điều khiển giám sát

Giống như tên gọi về hệ thống điều khiển giám sát (Distributed Control System) các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống để thay cho việc xử

lý tập trung trên một máy tính đơn lẻ Nhờ đó hiệu năng tổng thể của hệ thống được nâng cao Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiển hoạt động độc lập và điều khiển từng bộ phận chuyên dụng của hệ thống điều khiển Hơn nữa trong hệ thống có một vài trạm điều hành để giám sát các dữ liệu trong các trạm điều khiển,cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người vận hành thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng

Đây là một mô tả mở rộng về một hệ thống DCS nhưng mô tả này cũng phù hợp với một hệ thống gồm các PLC và các PC với các phần mềm giám sát vận hành Điều này dẫn ta tới một định nghĩa quan trọng thứ hai của hệ thống DCS Một

hệ thống DCS là một hệ thống tích hợp đầy đủ với một hệ cơ sở dữ liệu toàn cục Không giống như các hệ thống dựa trên PLC, ta không thể sử dụng các bộ điều khiển khác nhau và các trạm điều hành từ những nhà cung cấp khác nhau rồi kết hợp chúng lại với nhau Một hệ thống DCS là một hệ thống hoàn chỉnh, trong đó việc truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận sẽ không được thể hiện đối với

người dùng Ngoài ra, nếu một điểm (hoặc khối chức năng) được tạo ra trong bộ thì sau đó, toàn bộ hệ thống sẽ nhận biết nó Tức là không cần phải tạo một cơ sở dữ liệu riêng trong trạm điều hành để phù hợp với dữ liệu trong các bộ điều khiển vì thông tin đã được tự động tạo ra trong toàn bộ hệ thống

4 2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiển DCS:

 Cấu trúc đặc trưng của hệ thống DCS gồm có 4 lớp :

 Lớp I/O;

 Điều khiển – Các bộ điều khiển(Ví dụ như FCS –Trạm điều khiển trường);

 Điều hành – Các trạm điều hành(ví dụ như HIS –trạm giao diện người máy);

 Thông tin quản lý- cơ sở dữ liệu và các trạm quản lý (ví dụ như Exaquantum

và PRM – Chương trình quản lý tài nguyên nhà máy)

Hình 2 6 Mô hình phân lớp hệ DCS

4 2 1 Lớp I/O

Các bộ vào ra của hệ thống được xử lý ở lớp I/O bằng một trong ba cách sau:

I/O bằng mạch điện tử:

Các I/O dạng tương tự( như các bộ đo áp suất, van điều chỉnh v v )và dạng số(Các

relay và các bộ chuyển mạch) có thể được thực hiện bằng các panel mạch điện tử trực tiếp từ hiện trường Panel giao diện I/O có một loạt các card giao diện để đưa vào xử lý các dạng tín hiệu vào /ra

I/O fieldbus:

Có nhiều dạng fieldbus, Profibus và Hart Những loại này cho phép các sensor và các cơ cấu chấp hành có thể được kết nối với giao diện I/O thông qua một mạng số đơn để trao đổi các thông số quá trình và các thông số trạng thái thiết bị

Giao tiếp với PLC

Các PLC có thể được nối với hệ thống DCS bằng vài dạng card giao diện truyền thông, thường là trong panel giao diện I/O, hoặc đơn giản bằng cách nối trực tiếp đến mạng điều khiển thông qua module truyềng thông với PLC

4 2 2 Lớp điều khiển

Đây là nơi tập trung tất cả các chức năng điều khiển Các bộ điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O đọc dữ liệu vào, xử lý các chức năng điều khiển và gửi các tín hiệu ra Các trạm điều khiển được hoạt động độc lập với nhau nên nếu xảy ra

sự cố một trạm sẽ không ảnh hưởng đến trạm khác Đồng thời một trạm điều khiển

có thể trao đổi dữ liệu dễ dàng với một trạm khác khi xử dụng phương pháp truyền thông ngang hàng “ peer to peer” trong mạng điều khiển

4 2 3 Lớp điều hành

Các trạm điều hành cung cấp một giao diện đồ hoạ với các chức năng và các

dữ liệu trong bộ điều khiển và trong quá trình xử lý thông qua các đồ thị, các báo cáo…

4 2 4 Lớp thông tin quản lý

Tất cả các thông tin ở mức độ cao, không cần với việc điều khiển thời gian thực nhưng là cần thiết đối với việc quản lý quá trình lâu dài được xử lý trong lớp quản lý Lớp này gồm 3 lớp nhỏ:

 Gateway - để đọc dữ liệu từ các trạm điều khiển;

 Cơ sở dữ liệu- để giữ và lưu lại dữ liệu từ phân tích trước;

 Quản lý - để xử lý thông tin trong cơ sở dữ liệu

Gateway:

Trước kia mỗi nhà cung cấp có giao thức truyền thông độc quyền để cho phép máy chủ truy cập dữ liệu từ các trạm điều khiển Hiện nay Microsoft cùng vơi một số nhà cung cấp chính đã phát triển một mục tiêu chuẩn liên lạc gọi là OPC OPC là OLE cho điều khiển quá trình và cho phép máy chủ nào cũng có thể kết nối tới DCS bất kỳ OPC có thể đặt trong trạm điều hành hoặc trong một máy tính độc lập

Lớp cơ sở dữ liệu:

Dữ liệu của hệ thống DCS phải được lưu trữ và có một số bộ cơ sở dữ liệu(Database package) được thiết kế cho mục đích này Chúng gồm Exaquantum(một sản phẩm của Yokogawa) và PI (một sản phẩm độc lập) Nhưng package này đọc dữ liệu thông qua cổng OPC và lưu dữ liệu dưới dạng format cơ

sở dữ liệu chuẩn Exaquantum dùng Server SQL của Microsoft tương thích với hầu

hết các package quản lý Ngoài ra chúng còn cung cấp các chức năng khác như lưu trữ dữ liệu trên đĩa, nén dữ liệu, báo cáo cơ bản các chức năng hiển thị

Lớp quản lý:

Có một loạt các package khác nhau sẵn có,cung cấp các thông tin khác nhau cho người dùng Nó gồm báo cáo chi tiết, điều khiển khối, và công thức, quản lý nguồn máy, quản lý cảnh báo, tối ưu hoá máy v v… Chúng truy cập dữ liệu từ cơ

sở dữ liệu lưu nhưng có thể ghi trực tiếp tới các trạm điều khiển thông qua OPC

4 3 Các mô hình mạng trong hệ thống điều khiển phân tán

Kết hợp với các lớp như trên là các mạng máy tính để liên kết các lớp với nhau Mạng trao đổi rộng rãi với các lớp như sau:

 Mạng I/O – Bus I/O từ xa, Fieldbus, truyền thông PLC

 Mạng điều khiển – nối các bộ điều khiển và các trạm điều hành

 Mạng diện rộng của nhà máy- nơi chứa hầu hết các thông tin quản lý

 Mạng fieldbus – Một card fieldbus thường đặt trong một khe trên panel I/O

và mỗi loại mạng fieldbus thường xử dụng một loại card fieldbus riêng biệt

 Mạng PLC – Như với fieldbus, card truyền thông thường đặt ở một khe I/O trên panel I/O, xử dụng cổng giao diện nối tiếp, và một số có khả năng hỗ trợ

một PLC đặc biệt Chẳng hạn như giao thức truyền thông của Modbus,ABB hay Siemens có thể được nạp vào card để liên lạc với bất kỳ loại PLC nào trong số đó hoặc các PLC tương thích Giao thức Modbus là một chuẩn công nghiệp, nhiều loại PLC và các thiết bị khác( thiết bị phân tích, cân điện tử…)

có thể liên lạc trên giao thức này

4 3 2 Mạng điều khiển:

Các trạm điều khiển và các trạm điều hành được liên lạc với nhau thông qua một đường truyền dữ liệu tốc độ cao gọi là mạng điều khiển Đây luôn là mạng độc quyền của mỗi hãng và thường sử dụng phương pháp truy nhập thẻ bài Token pasing Một mạng mạng điều khiển được ưu tiên để những thông tin nhất định luôn được trao đổi theo mức độ sau Các message cảnh báo, thông tin quá trình và các lệnh điều hành, truyền file hay nhập một chương trình vào một trạm điều khiển

4 3 3 Mạng diện rộng của nhà máy

Tất cả các thông tin quản lý đều có sẵn trên mạng thông tin quản lý hoặc

mạng diện rộng được trao đổi trên mạng Ethernet

 Khả năng truyền thông : Hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện nay các giao thức này đã được chuẩn hoá (Profibus,foundation Fieldbus)

 Độ tin cậy cao nhờ khả năng dự phòng:dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ thống(Controller, modul I/O, bus truyền thông) khả năng thay đổi chương trình (Sửa chữa và download), thay đổi cấu trúc của hệ ,thêm bớt các

Fisher and Porter System 6

thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online);

 Cơ sở dữ liệu trong hệ là cơ sở dữ liệu lớn có tính chất toàn cục và thống nhất

 Khả năng mở rộng tích hợp cao Tuổi thọ của ứng dụng lớn (15 -20 năm) Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu cách khái quát về hệ điều khiển phân tán DCS Chúng ta có thể thấy rằng: DCS là một giải pháp kỹ thuật rẫt phù hợp cho những hệ thống lớn, đòi hỏi độ tin cấy cao,độ linh hoạt cao trong việc thay đổi cấu trúc, chương trình của hệ thống Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một hệ thống cụ thể và khả năng ứng dụng của hệ điều khiển phân tán DCS vào hệ thống này