Thiết kế hệ DSC cho nhà máy lọc dầu

Thiết kế hệ DSC cho nhà máy lọc dầu Thiết kế hệ DSC cho nhà máy lọc dầu Thiết kế hệ DSC cho nhà máy lọc dầu luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : T Ự ĐỘNG HÓA

NGUY ỄN ĐỨC TRUNG

Hà N ội 2008

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 1

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở đầu

CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1

1.1 Tổng quan về các hệ điều khiển 1

1.1.1 Các hệ thống điều khiển phổ biến hiện nay 1

1.1.2 Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán 6

1.2 Yêu cầu công nghệ sản xuất 9

1.2.1 Các nhà máy có quá trình công nghệ liên tục 9

1.2.2 Các nhà máy có quá trình công nghệ gián đoạn 11

1.2.3 Các nhà máy tồn tại đồng thời quá trình liên tục và gián đoạn 11

1.3 Phần cứng các hệ DCS 12

1.3.1 Cấu trúc của bộ điều khiển 12

1.3.2 Các thiết bị giao tiếp vào/ra (Các vào/ra phân tán) 14

1.4 Độ tin cậy của hệ thống điều khiển phân tán 18

1.4.1 Lỗi phần cứng 18

1.4.2 Khả năng dự phòng 18

1.5 Chức năng của hệ DCS 23

1.5.1 Chức năng điều khiển 23

1.5.2 Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (chức năng SCADA) 27

CHƯƠNG 2 HỆ ĐIỀU KHIỂN DELTAV 32

2.1 Tổng quan về hệ điều khiển DeltaV 32

2.2 Các thuật ngữ sử dụng trong hệ DeltaV 32

2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển của hệ DeltaV 34

2.3.1 Cấp điều khiển giám sát 34

2.3.2 Cấp điều khiển 34

2.3.3 Cấp chấp hành 35

2.4 Các công cụ phần mềm của DeltaV 37

2.4.1 Các công cụ Engineering Tools 38

2.4.2 Các công cụ Operator tools 39

2.4.3 Các công cụ diều khiển nâng cao của DeltaV 40

2.4.4 Các công cụ điều khiển mẻ 41

2.5 Đặc trưng của hệ DeltaV 41

2.6 Các Card vào/ra của hệ DeltaV 42

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ 44

3.1 Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ 44

3.1.1 Dầu mỏ 44

3.1.2 Các sản phẩm từ dầu mỏ 45

3.2 Các phương pháp chế biến dầu mỏ 46

3.3.1 Lắng lọc các tạp chất cơ học 50

3.3.2 Lọc muối 51

3.3.3 Phân đoạn 52

3.4 Nhìn nhận tháp chưng luyện như một đối tượng điều khiển 53

3.4.1 Phân loại 53

3.4.2 Chưng liên tục đơn giản 53

3.4.3 Chưng liên tục – một đối tượng điều khiển phức tạp và các sơ đồ điều khiển ………55

CHƯƠNG 4 CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN, BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CỦA HỆ DELTAV 62

4.1 Sách lược điều khiển 62

4.1.1 Điều khiển truyền thẳng 62

4.1.2 Điều khiển phản hồi 65

4.1.3 Điều khiển tầng 69

4.1.4 Điều khiển tỷ lệ 70

4.1.5 Điều khiển bù 72

4.1.6 Điều khiển lựa chọn 72

4.2 Thuật toán điều khiển PID 73

4.2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển PID 73

4.2.2 Tác động tỷ lệ 76

4.2.3 Tác động tích phân 77

4.2.4 Tác động vi phân 78

4.4 Cấu trúc PID theo chuẩn ISA 81

4.5 Bộ điều khiển PID trong hệ DeltaV 83

4.5.1 Thuật toán điều khiển 83

4.5.2 Sơ đồ khối và các tham số điều khiển 84

4.5.3 Công cụ trợ giúp thiết kế bộ điều khiển PID-Tune 87

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CHO NHÀ MÁY LỌC DẦU 91

5.1 Tổng quan về truyền thông với hệ thống điều khiển phân tán cho nhà máy lọc dầu ……….91

5.1.1 Yêu cầu chung về truyền thông với hệ thống điều khiển phân tán cho các nhà máy lọc dầu 91

5.1.2 Các giải pháp cho truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán của DeltaV 92

5.2 Tổng hợp, phân tích và mô phỏng một số mạch vòng điều chỉnh điển hình cho nhà máy lọc dầu 95

5.2.1 Tổng hợp, phân tích và mô phỏng một số mạch vòng điều chỉnh với đối tượng điều chỉnh là tháp chưng 96

5.2.2 Tổng hợp, phân tích và mô phỏng một số mạch vòng điều chỉnh với đối tượng điều chỉnh là thiết bị gia nhiệt sơ cấp 107

5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phân tán cho thiết bị gia nhiệt sơ cấp (cung cấp cho tháp chưng đầu – tháp tách sơ bộ dầu thô) 114 Kết luận

Viet Nam is a country which has big capacity of crude oil But, We still have to export crude oil and import Petrochemical products So, building oil refining factories is necessary Now, Viet Nam is building big oil refining factories as Dung Quat, … Automation these factories is also very necessary By the strong development of control theory and micro – electronic technology, modern Distributed Control Systems is made to response above request That is why I choose my Master thesis ’s topic is “Designing DCS for oil refining factory” My thesis includes five chapters:

Chapter 1 Distributed Control Systems: Introducing about Distributed

Control Systems, Control Systems which have distributed structre

Chapter 2 DeltaV Control System: Exploring DeltaV system ’s

hardware and software

Chapter 3 Genaralization about Technology Processes: Researching

basic Technology Processes in oil refining factory

Chapter 4 Control statergy and PID controller of DeltaV: Researching

Control statergy and PID controller ’s algorithms which are able to be applied on DeltaV system

Chapter 5 Designing Distributed Control System for oil refining factory: Modeling distillation collumns and heat exchangers, simulating some

control loops on Simulink software, bulding some Human Machine Interface by IFix of DeltaV system

Key words: Distributed control system, oil refining, IFix, DeltaV, PID

Việt Nam là một đất nước có trữ lượng dầu thô lớn Nhưng, chúng ta vẫn phải bán dầu thô và nhập các sản phẩm từ dầu thô Vì vậy, việc xây dựng các nhà máy lọc dầu là rất cấp bách Hiện nay, Việt Nam đang xây dựng các nhà máy lọc dầu lớn như Dung Quất, … Việc tự động hóa các nhà máy lọc dầu cũng là rất cần thiết Cúng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển và công nghệ

vi điện tử, các hệ thống điều khiển phân tán hiện đại đã ra đời và đáp ứng được yêu cầu nói trên Vì vậy, em đã chọn đề tài cho luận văn cao học của mình là:

“Thiết kế hệ DCS cho nhà máy lọc dầu” Nội dung của luận văn của em bao gồm

5 chương như sau:

CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN: Giới thiệu chung về các hệ

điều khiển phân tán, các hệ điều khiển có cấu trúc phân tán

CHƯƠNG 2 HỆ ĐIỀU KHIỂN DELTAV: Tìm hiểu về phần cứng cũng

như phần mềm của hệ điều khiển DeltaV

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ: Nghiên cứu về các quá trình công nghệ cơ bản trong nhà máy lọc dầu

CHƯƠNG 4 CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN, BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CỦA HỆ DELTAV: Nghiên cứu các sách lược điều khiển, và thuật toán

của bộ điều khiển PID chạy trên hệ DeltaV

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CHO NH À MÁY LỌC DẦU: Mô hình hóa tháp chưng, thiết bị trao đổi nhiệt,

mô phỏng một số mạch vòng điều khiển trên phần mềm Simulink, xây dựng một

số giao diện điều khiển bằng phần mềm Ifix của hệ DeltaV

CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

1.1 Tổng quan về các hệ điều khiển

1.1.1 Các hệ thống điều khiển phổ biến 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 phổ biến đều sử dụng kỹ thuật số với chủng loại và quy mô

vô cùng phong phú và gần như không có gianh giới giữa các lớp thiết bị, hệ thống điều khiển Tuy nhiên chúng ta có thể phân chia chúng thành các nhóm thiết bị và hệ thống sau:

• Thiết bị điều khiển khả trình (PLC);

• Hệ thống điều khiển phân tán (DCS);

• Hệ thống điều khiển lai

Thiết bị điều khiển điển khả trình(PLC):

Các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triển trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ

le Các thiết bị PLC có ưu điểm là tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cỡ mili giây) tuy nhiên khả năng xử lý các tín hiệu analog lại kém

Hình 1.1 Tổng quan phần cứng của PLC

Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng độc lập như là ứng dụng điều khiển trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn sản xuất độc lập tương đối với các công đoạn khác Nói chung PLC thiên về các ứng dụng lẻ

Ưu điểm của PLC là xử lý các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng quét nhỏ (cỡ µs – ms/vòngquét) Ban đầu PLC chỉ quản lý được các đầu vào/ra số Qua quá trình phát triển, ngày nay PLC đã được bổ sung thêm nhiều chức năng như khả năng quản 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: PROFIBUS, AS-i, DeviceNet Việc hỗ trợ thêm các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế hệ sau này của PLC đã

mở 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 thể kết nối với máy tính có phần mềm giao diện người – máy (HMI) tạo thành hệ PLC/HMI để điều khiển, giám sát và thu thập số liệu Tuy có khả năng quản lý được đầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được khá hạn chế, thuật toán xử lý trên các biến analog kém, làm thời gian vòng quét tăng lên rất nhiều và tuy PLC cộng với các máy tính cá nhân (PC), các máy tính công nghiệp (IPC) cũng có thể thực hiện được phương án điều khiển phân tán nhưng nó không thể thay thế các hệ DCS thương phẩm do có những hạn chế sau:

• Cơ sở dữ liệu nhỏ, chưa mang tính toàn cục dẫn tới đòi hỏi các kỹ sư thiết kế phải tiêu tốn nhiều thời gian và công sức để phát triển hệ cơ

sở dữ liệu quá trình nếu muốn sử dụng PLC cho các ứng dụng lớn, phưc tạp

• Độ tin cậy trong sản xuất kém vì hiện nay khả năng dự phòng của PLC mới thực hiện được ở một số khâu và hạn chế lớn nhất của PLC

là không có khả năng thay đổi chương trình trực truyến – thay đổi chương trình trong khi PLC vẫn làm việc Nếu muốn thay đổi chương trình, ta phải dừng PLC dẫn đến làm gián đoạn sản xuất Môt số nhà cung cấp sản phẩm PLC: Rockwell Automation, Schneider, Siemens, Yokogawa, Omron, ABB, AB,… (theo TLTK [7])

Hệ thống điều khiển phân tán(DCS):

DCS là chữ viết tắt của Distributed Control System – hệ thống điều khiển phân tán – và nó được dùng để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển phân tán Khác với PLC, DCS là giải pháp tổng thể

kể cả phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống được phát triển từ các ứng dụng điều khiển của ngành công nghiệp hóa chất với các bộ điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kế của các hệ DCS thương phẩm là hướng vào các ứng dụng điều khiển phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao kể cả tích hợp với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập Mục tiêu tạo thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển

Thế mạnh của DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện các chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng Các hệ thống DCS thương phẩm ngày nay thường bao gồm các bộ điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp Các hệ DCS có thể quản lý được từ vài nghìn điểm đến hàng chục nghìn điểm vào/ra Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hay theo các thuật toán

điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS)

Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin, các hệ DCS thương phẩm ngày nay 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, Ethernet) Các hệ DCS thương phẩm ngày này có độ tin cậy rất cao: nhờ có khả năng dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ (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 thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online)

Cơ sở dữ liệu quá trình trong các hệ DCS thương phẩm cũng được thiết kế sẵn và là cơ sở dữ liệu lớn có tính toàn cục và thống nhất

Các nhà sản xuất DCS cũng cam kết thời gian hỗ trợ với các sản phẩm DCS lớn, từ 15 tới 20 năm để đảm bảo thời gian hoạt động và khai thác của các hệ thống lớn (theo TLTK [2])

Tất cả những đặc điểm trên cho thấy các hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu

về một giải pháp tự động hoá tích hợp tổng thể Các chuyên gia cho rằng tới nay, DCS vẫn là không thể thay thế được trong các ứng dụng lớn, thị trường các hệ DCS toàn cầu tăng trưởng 2-3%/năm

Một số nhà cung cấp hệ DCS thông dụng tại Việt Nam: ABB, Emerson, …

Hệ lai:

Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời các hệ điều khiển mới gọi là hệ điều khiển lai (Hybrid Control System)

Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên hệ lai là

sự pha trộn thuộc tính của hệ PLC và hệ DCS Hệ lai có khả năng thực hiện được cả các quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được đến khoảng 10000 điểm vào/ra Hệ thống lai có các thiết bị điều khiển nhỏ hơn các hệ DCS thương phẩm nhưng tận dụng được các ưu điểm thiết kế của các

hệ DCS thương phẩm 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), XML

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 như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA

Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ, theo khối và điềm khiển giám sát Ngoài ra, các công cụ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hoá giúp cho các kỹ sư xây dựng, phát triển một ứng dụng dễ dàng nhanh chóng hơn

Với những ưu điểm trên, các hệ điều khiển lai ngày càng phát triển mạnh mẽ

và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Mức tăng trưởng toàn cầu của thị trường này khoảng 5 – 7%/ năm

Hạn chế ứng dụng của hệ thống điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ dẫn lưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế về số lượng điểm vào/ra, đặc biệt khi hệ thống yêu cầu chu kỳ điều khiển nhỏ Với khả năng mở rộng

cơ sở dữ liệu hạn chế (tối đa khoảng 60.000 Tag) các hệ lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn

Một số hệ điều khiển lai có thể kể ra như: DeltaV (Fisher-Rosemount), Plantscape (Honeywell), …

1.1.2 Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán

Có rất nhiều định nghĩa về hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều khiển, các nhà tích hợp hệ thống đều có những định nghĩa cho riêng mình về điều khiển phân tán Các định nghĩa có sự khác nhau

về cách trình bày nhưng các định nghĩa đều xuất phát từ cấu trúc phần cứng, phân bố chức năng điều khiển, quản lý, cơ sở dữ liệu, tính mở rộng, độ sẵn sàng, độ tin cậy, của hệ thống

Dưới góc độ của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển thì khái niệm “điều khiển phân tán” được sử dụng để phân biệt với điều khiển tập trung truyền thống Về mặt nguyên tắc, việc điều khiển một đối tượng, một nhóm đối tượng có liên quan đến nhau hay một quá trình cần phải được xem xét dưới góc độ của hệ thống nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (hệ MIMO) Nói cách khác chiến lược điều khiển phải tập trung và cơ sở dữ liệu quá trình cần phải thống nhất để đảm bảo khả năng đáp ứng tốt nhất đối với yêu cầu công nghệ Tuy nhiên cách thức thực hiện chiến lược điều khiển được tập trung hóa này có nhiều phương án khác nhau và mỗi cách thực hiện có những ưu điểm và nhược điểm riêng

Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện chiến lược điều khiển được thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm Phương án điều khiển tập trung này có ưu điểm là hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất, tập trung và do vậy ta có thể thực hiện các thuật toán điều khiển để điều khiển quá trình công nghệ một cách tập trung và thống nhất Nhược điểm của phương án điều khiển tập trung là khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các hệ xử lý không đáp ứng được yêu cầu tính toán của hệ thống Một nhược điểm nữa là trong phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lường phải tập trung về

máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho công tác bảo trì và sửa chữa

Khác với phương án điều khiển tập trung, điều khiển phân tán có quá trình tính toán điều khiển là quá trình tính toán phân tán Có nghĩa là quá trình tính toán điều khiển được thực hiện trên nhiều hệ xử lý và hệ cơ sở dữ liệu quá trình có thể tập trung hoặc phân tán trên các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất Với hệ thống cơ sở dữ liệu thống nhất và được chia sẻ giữa các thiết bị điều khiển khác nhau sẽ cho phép hệ thống điều khiển theo phương án phân tán vẫn thực hiện được các bài toán điều khiển tối ưu quá trình như trong hệ thống điều khiển 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

Tóm lại, một hệ thống điều khiển phân tán là một hệ thống điều khiển trong đó có hệ dữ liệu quá trình thống nhất nhưng chức năng điều khiển thay

vì tập trung vào một bộ điều khiển duy nhất, được phân chia thành nhiều cấp, trải đều trong một không gian rộng Việc trao đổi thông tin giữa các bộ điều khiển ngày nay thường sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số Nhìn chung tính ưu việt của một hệ điều khiển phân tán được thể hiện rõ ở các điểm sau:

• Tiết kiệm được dây nối và công nối dây nhờ các 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 các cấp dưới

• Độ linh hoạt cao, thể hiện tính năng mở trong việc mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị, nâng cấp và tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng

Để thực hiện điều khiển phân tán ta có thể có các phương án sau:

• Sử dụng PLC với mạng truyền thông công nghiệp: Có thể sử dụng

PLC để thực hiện điều khiển phân tán nhưng đòi hỏi người kỹ sư thiết

kế phải tự thực hiện việc xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quá trình, phải tự thiết kế và lập trình giao thức truyền thông thời gian thực để trao đổi dữ liệu giữa các PLC, phải tự đánh giá và xắp xếp thứ tự thực hiện các luật điều khiển để đảm bảo yêu cầu thời gian thực, Nói chung khối lượng công việc sẽ rất lớn và đối với các hệ thống lớn thì phương án sử dụng PLC để thực hiện điều khiển phân tán sẽ không khả thi Chi phí đầu tư ban đầu cho một hệ PLC nhỏ hơn khi đem so sánh với chi phí cho một

hệ DCS thương phẩm Tuy nhiên, chi phí phát triển 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 suy giảm khả năng cạnh tranh của phương án sử dụng PLC Hơn nữa, trong chu kỳ của ứng dụng, các chi phí sửa chữa, xử lý sự cố, bảo trì cả hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, cơ sở dữ liệu và vấn đề truyền thông sẽ làm chi phí dài hạn cho

hệ PLC tăng lên rất nhiều

• Sử dụng các hệ DCS thương phẩm: Các hệ DCS thương phẩm được

thiết kế để hướng tới các ứng dụng phân tán nên rất phù hợp khi ta sử dụng nó để thực hiện điều khiển phân tán cho các hệ thống lớn, phức tạp và đòi hỏi độ tin cậy cao Với các hệ thống lớn và phức tạp thì việc

sử dụng các hệ DCS thương phẩm cho phép rút ngắn rất nhiều thời gian thiết kế và phát triển các ứng dụng điều khiển Trở ngại duy nhất là về mặt chi phí đầu tư, các hệ DCS thương phẩm thường có giá cao dẫn tới chi phí đầu tư lớn

• Sử dụng hệ thống điều khiển lai: Với các ứng dụng điều khiển cỡ

trung bình, quá trình điều khiển ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống điều khiển lai để thực hiện là phù hợp hơn cả vì nó cho phép tận dụng những ưu điểm của các hệ thống điều khiển DCS với chi phí đầu

tư thấp hơn

1.2 Yêu cầu công nghệ sản xuất

Dưới góc độ điều khiển có thể 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 thể chia thành các công đoạn gián đoạn, độc lập với nhau

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

1.2.1 Các nhà máy có quá trình công nghệ liên tục

Đầu vào là các nguyên liệu, đầu ra là sản phẩm Đặc điểm nhà máy loại này là công nghệ có độ phức tạp cao, số lượng các thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiển lớn Quá trình khởi động hay dừng là thực hiện cho cả nhà máy Nếu một khâu nào đó dừng sẽ dẫn đến phải dừng cả nhà máy hoặc khi một khâu nào đó mất ổn định cũng dẫn đến toàn bộ quá trình mất ổn định, sản phẩm ra không đảm bảo chất lượng Các ngành tiêu biểu có thể kể ra đây là: ngành hoá dầu, hoá chất, nhiệt điện, Tuỳ quy mô nhà máy mà số lượng vào/ra có thể từ vài nghìn tới vài chục nghìn điểm đo và điều khiển Một đặc điểm nữa là trong công nghệ cần điều khiển rất nhiều các tham số dạng tương tự: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ, tỷ lệ các thành phần, Các tham số

này có quan hệ chặt chẽ, tác động đa chiều, biến đổi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm ra

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

 Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào/ra (MIMO), nhiều mạch vòng điều chỉnh

 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 điểm trên ta thấy hệ điều khiển cho hệ thống sản xuất liên tục phải

có khả năng thực hiện các chức năng:

 Điều khiển tối ưu, thích nghi, điều khiển theo mô hình dự báo, điều khiển thông minh

 Điều khiển bền vững

 Điều khiển chất lượng

Hệ thống điều khiển trong nhà máy phải đảm bảo được các yêu cầu rất cao tính an toàn và tin cậy Mỗi sự cố xảy ra không những chỉ gây thiệt hại lớn về kinh tế mà còn còn nguy hiểm đến tính mạng con nguời và ảnh huởng tới môi trường Trong các nhà máy này cũng có các khâu điều khiển gián đoạn để điều khiển 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 khiển duy nhất phù hợp vẫn là hệ điều khiển DCS thương phẩm

1.2.2 Các nhà máy có quá trình công nghệ gián đoạn

Có thể kể ra ở đây là các ngành như lắp ráp ô tô, gia công các chi tiết máy, chế biến thực phẩm chăn nuôi, Một nhà máy kiểu này thường phân chia thành các khu vực theo chức năng và trong mỗi khu vực lại có thể chia

nhỏ hơn nữa Mỗi khu vực có thể có một hệ điều khiển riêng Các tín hiệu điều khiển chủ yếu là tín hiệu digital, dùng để liên động giữa các khâu, đóng cắt cho động cơ, đóng mở van theo một sơ đồ logic cho trước Trong nhà máy, yêu cầu về tính an toàn và độ tin cậy không cần thiết phải chặt chẽ như trong nhà máy có quá trình xử lý liên tục

Giải pháp vẫn được sử dụng là các PLC (Programmable Logic Controller)

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

Bao gồm các ngành như: sản xuất xi măng, đường, dược phẩm, rượu bia, linh kiện bán dẫn,… Trong nhà máy chia thành các công đoạn độc lập Mỗi công đoạn có thể là một quá trình liên tục hoàn toàn và cũng có thể là gián đoạn Ta có thể khởi động hay dừng từng công đoạn mà không làm ảnh hưởng tới các công đoạn khác Các nhà máy loại này và sản phẩm của nó chiếm một tỷ trọng lớn trong toàn bộ ngành công nghiệp

Để đáp ứng yêu cầu công nghệ có thể thực hiện một trong hai giải pháp : sử dụng hệ mini-DCS hoặc kết hợp PLC, PC và các controller đặc biệt Giải pháp đầu xuất phát từ nền tảng DCS, được phát triển cho các ứng dụng có cả điều khiển quá trình liên tục và rời rạc Giải pháp này có chi phí lớn Giải pháp còn lại dựa chủ yếu vào PLC, kết hợp thêm các bộ điều khiển đặc biệt

có khả năng thực hiện một hay nhiều vòng phản hồi cho các chức năng điều khiển quá trình Giải pháp này có chi phí nhỏ nhưng lại phức tạp và có độ tin cậy kém hơn

Giải pháp phù hợp nhất cho các ứng dụng loại này là sử dụng hệ điều khiển lai (Hybrid System) Các bộ điều khiển lai là sự pha trộn giữa hai giải pháp DCS và PLC Không phải ngẫu nhiên, chúng hướng tới các ngành công nghiệp lai đang phát triển nhanh, lợi nhuận cao như thực phẩm, rượu bia,

dược phẩm và linh kiện bán dẫn Các hệ lai thực hiện điều khiển cả quá trình liên tục cũng như các khâu gián đoạn Chúng được trang bị các chức năng để cạnh tranh trong thị trường điều khiển các quá trình theo mẻ, khối và điều khiển giám sát

1.3 Phần cứng các hệ DCS

1.3.1 Cấu trúc của bộ điều khiển

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

• Giá đỡ (Back-plane và Rack): là giá đỡ các module bộ điều khiển

• CPU: là trung tâm xử lý của bộ điều khiển Thông thường mỗi bộ điều khiển có một bộ xử lý trung tâm Tuy nhiên trong một số hệ thống có

độ tin cậy cao, người ta sử dụng hai bộ xử lý trung tâm trong một bộ điều khiển Khi đó hai CPU này làm việc song song với nhau: cùng nhận tín hiệu, cùng tính toán và kết quả cuối cùng sẽ được so sánh với nhau, nếu hai CPU không cho kết quả tính toán giống nhau, bộ điều khiển đó sẽ được coi như làm việc không bình thường Với hệ thống sử dụng hai CPU trong một bộ điều khiển, độ tin cậy có thể đạt bảy số 9 sau dấu phẩy Đối với những hệ thống chỉ sử dụng một CPU trong một

bộ điều khiển, độ tin cậy đạt bốn số 9 sau dấu phẩy

• Bộ nhớ: Bao gồm các bộ nhớ ROM, RAM

• Nguồn: Cung cấp nguồn nuôi

• Pin: Lưu giữ chương trình khi mất điện, thông thường có thể lưu giữ chương trình trong khoảng 36 đên 72 giờ tùy 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 phần mềm điều khiển việc truyền thông với các thiết bị khác như vào/ra phân tán, PLC, các thiết bị trường thông minh,

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

Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của bộ điều khiển CS3000(Yokogawa)

Tuy nhiên trong một số hệ DCS khác, các nhà cung cấp đã tách các thành phần như nguồn 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

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

Các tín hiệu vào/ra được truyền thông với bộ điều khiển thông qua các thiết bị giao tiếp vào/ra

Các thiết bị giao tiếp vào/ra bao gồm các module vào/ra, nguồn và card truyền thông với bộ điều khiển

Các module vào/ra thông thường gồm có module số và module tương

tự và ngoài ra còn có những module khác để đáp ứng các yêu cầu của thiết bị cảm biến chấp hành như PWM, xung,

Module số:

Các module vào/ra số thông thường có các loại 4, 8, 16 hoặc 32 đầu vào hoặc ra số Ngoài ra để thuận lợi cho người sử dụng, một số hãng còn cung cấp loại môđun kết hợp cả đầu vào và đầu ra số Dạng tín hiệu vào/ra cũng rất phong phú: có thể dùng loại 24VDC, 48VDC hoặc 120/220 VAC và tương ứng ta có các loại module có dòng 0,5A, 1,5A, 2A hoặc 5A

Power supply CPU

Analog Output

Digital Input

Digital Output

Analog Input

Hình 1.3 Vào/ra phân tán Các module số thường có các loại sau:

• Module đầu ra kiểu rơ le có cách ly quang (hình 1.4)

• Module đầu vào có cách ly quang: xem (hình 1.5)

Module tương tự:

Các module vào/ra tương tự thông thường có các loại 2, 4, 8 hoặc16 đầu vào hoặc ra tương tự Ngoài ra để thuận lợi cho người sử dụng, một số hãng còn cung cấp loại môđun kết hợp cả đầu vào và đầu ra tương tự Có các loại module tương tự 8bits, 12bits, 13bits hoặc 16bits

• Module đầu vào tương tự loại 16 bits có cách ly: Loại module này có thể dùng cho các tín hiệu đo kiểi điện áp từ 0-10V hoặc từ 0-5V hoặc

loại tính hiệu đo kiểu dòng điện từ 0-20mA hoặc từ 4-20mA(hình 1.6)

• Mdule đầu ra tương tự loại 16 bits: Loại module này có thể dùng cho các cơ cấu chấp hành dùng tín hiệu điện áp từ 0-10V hoặc từ 0-5V hoặc loại tính hiệu dòng điện từ 0-20mA hoặc từ 4-20mA(hình 1.7)

Hình 1.4 Module đầu ra kiểu rơle có cách ly quang

Hình 1.5 Module đầu vào có cách ly quang

Hình 1.6 Module đầu vào tương tự loại 16 bits có cách ly

Hình 1.7 Module đầu ra tương tự loại 16 bits

a) Cách đấu nối với module đầu 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 1.8 Cách đấu nối các module đầu vào tương tự (a và b)

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 1.9 Cách đấu nối các module đầu vào và đầu ra tương tự (a và b)

1.4 Độ tin cậy của hệ thống điều khiển phân tán

DCS là hệ thống điều khiển thường được ứng dụng cho các công trình có quy mô lớn, độ phức tạp cao và đòi hỏi cao về tính liên tục nên độ tin cậy của từng thiết bị cũng như của cả hệ thống là một trong những tiêu chí quan trọng hàng đầu khi xem xét, thiết kế, xây dựng hệ thống

Chúng ta có thể thay đổi độ tin cậy của hệ thống điều khiển DCS bằng cách tác động vào các yếu tố sau:

• Lỗi phần cứng của DCS

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

• Khả năng thay đổi chương trình điều khiển

• Thay đổi, nâng cấp các gói phần mềm

1.4.1 Lỗi phần cứng

Phần cứng có thể bị sự cố là một tất yếu khó tránh khỏi Có thể giám thiểu các

sự cố do lỗi phần cứng gây nên bằng cách:

• Dự phòng cho tất 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

1.4.2 Khả năng dự phòng

Bên cạnh việc thừa nhận sự cố của các thiết bị phần cứng như là một tất yếu

có thể xảy ra, trong khi tìm cách nâng cao độ tin cậy của thiết bị kết hợp với các biện pháp cách điện, cách ly, bảo vệ tốt 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 giống nhau để khi có một thiết bị phần cứng bị lỗi, thiết bị dự phòng sẽ thay thế nó làm việc

Dự phòng là một thuộc tính quan trọng của hệ DCS, nó đảm bảo tính sẵn sàng của hệ thống trong bất cứ điều kiện nào Việc chuyển đổi chức năng điều khiển giữa các thiết bị dự phòng với nhau phải xảy ra tức thì để đảm bảo không làm gián đoạn quá trình sản xuất

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

Chuyển đổi không ngắt quãng:

Hệ thống dự phòng loại này sử dụng hai cấu trúc phần cứng giống hệt nhau, cùng nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu như nhau nhưng chỉ 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

Dữ liệu làm việc của hệ thống chính liên tục được cập nhật vào hệ dự phòng Khi có sự cố xảy ra với hệ thống đang làm việc, chỉ việc chuyển sang nhận tín hiệu điều khiển 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 Mỗi CPU thực hiện cùng một 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 bản 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 đúng sai ECC để thay đổi nhanh chóng các bit

bị sai trong quá trình truyền dữ liệu Nếu kết 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 sử dụng khi phát hiện thấy bất thường trong CPU hiện hành thì sẽ chuyển 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 chuyển 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 khiển Nếu một lỗi trong CPU bất thường được phát hiện thì bộ tự chuẩn 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 chuyển từ trạng thái bất thường sang dự phòng

Chuyển đổi có ngắt quãng:

Hệ thống dự phòng loại này cũng sử dụng hai cấu trúc phần cứng giống hệt nhau, tuy nhiên tại một thời điểm chỉ có một hệ thống xử lý tín hiệu và điều khiển quá trình Hệ thống dự phòng chỉ đóng vai trò giám sát hệ làm việc chính Toàn bộ thông tin xử lý và dữ liệu cũng liên tục được cập nhật vào hệ thống dự phòng trong quá trình làm việc Khi có sự cố xảy ra với hệ đang làm việc, hệ thống sẽ chuyển sang hệ dự phòng, quá trình chuyển đổi này thường mất một khoảng thời gian (không lớn, cỡ ms)

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống có dự phòng kép của Yokogawa

(chuyển đổi không ngắt quãng)

Trong hệ DCS, cho phép thực hiện việc dự phòng từ cấp thấp nhất (các thiết bị vào/ra) cho đến các thiết bị ở cấp cao nhất (điều khiển giám sát) Tuy nhiên không phải tất cả các thành phần đều cần được dự phòng, việc dự phòng đến đâu là do nhu cầu của từng ứng dụng Trong nhiều trường hợp đối với các module vào/ra, ta chỉ dự phòng cho một số vào/ra quan trọng Tuy nhiên đối với một số ừng dụng trong lĩnh vực dầu khí, nhiệt điện, hóa chất ta

có thể phải thực hiện việc dự phòng ở mọi cấp, mọi nơi bao gồm cả các module vào/ra

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

Các máy chủ lưu trữ dữ liệu lịch sử, dữ liệu cảnh báo thông thường được dự phòng vì phải liên tục nắm bắt được mọi trạng thái cũng như sự cố trong hệ thống

Ngoài ra nguồn điện cũng nên được dự phòng, hầu hết các hệ DCS đều chấp nhận hai nguồn cấp Thông thường thì một nguồn cấp xuất phát từ lưới

điện, nguồn còn lại do UPS – Máy phát đảm nhận để đảm bảo luôn có nguồn điện cho hệ DCS

Đối với các tiếp điểm vào/ra của DCS, khả năng chịu dòng của nó là khá nhỏ nên khi kết nối với các thiết bị chấp hành, cảm biến, ta nên dùng các

rơ le trung gian Các rơ le trung gian có tiếp điểm có thể chịu được dòng lớn hơn, lên đến khoảng 10A

1.4.4 Tháo lắp các thiết bị phần cứng

Đối với các hệ thống đang sử dụng, việc thay thế thiết bị, mở rộng hệ thống là những nhu cầu tất yếu Những hệ thống có độ tin cậy và tính sẵn sàng cao phải đảm bảo việc thay thế thiết bị và mở rộng hệ thống sẽ không làm gián đoạn đến quá trình sản xuất đang diễn ra

DCS có chức năng gọi là “hot replacement” có nghĩa là có thể thay thế các thiết bị phần cứng của hệ thống trong khi nó vẫn làm việc và nguồn vẫn đang được cấp

Ví dụ ta có thể thay thế module CPU trong khi nó vẫn đang điều khiển

hệ thống Khi đó, chức năng điều khiển sẽ ngay lập tức chuyển sang CPU dự phòng mà không làm gián đoạn quá trình điều khiển Sau đó ta có thể lắp một module CPU mới vào, lúc đó hệ thống sẽ nhận ra CPU mới lắp vào và tự

động copy chương trình vào CPU mới Lúc này CPU mới trở thành CPU dự phòng cho cái đang làm việc

1.4.5 Thay đổi chương trình

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 khiển 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 khiển hệ thống

Mỗi hệ DCS có một cách làm riêng, tuy nhiên có thể tổng kết ra đây hai cách nạp chương trình (download) cho bộ điều khiển như sau:

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

• Offline load: Thay đổi toàn bộ chương trình điều khiển trong các bộ điều khiển Để làm được việc này chúng ta phải dừng tất cả bộ điều khiển và các tham số điều khiển cũng bị đưa về giá trị mặc định Việc làm này còn thay đổi cả tổ 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 khiển toàn

bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy

Chức năng điều khiển do cỏc bộ điều khiển đảm nhận, được đặt tại phũng điều khiển trung tõm hoặc trong cỏc trạm điều khiển

Chức năng điều khiển của DCS được thể hiện trong sơ đồ trờn hỡnh 1.11

• Chức năng điều khiển cơ bản

DCS thực hiện tất cả cỏc chức năng điều khiển cơ bản của một nhà mỏy Cỏc thành phần thực hiện cỏc chức năng điều khiển cơ bản trong DCS gọi là cỏc

“khối hàm” (Function Block) Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất trong bài toỏn điều khiển Việc thực hiện thiết kế chức năng điều khiển thực chất là cỏch kết hợp cỏc khối hàm lại với nhau cho phự hợp

Chức năng điều khiển của DCS Chức năng điều khiển cơ bản Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự Chức năng điều khiển liên động Thực hiện các thuật toán phức tạp Chức năng quản lý theo khối

Chức năng truyền thông với các hệ thống phụ

Hỡnh 1.11 Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS

Hỡnh 1.12 Chức năng thực hiện cỏc thuật toỏn điều khiển tự động

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

Chức năng điều chỉnh tự động thực hiện cho các vòng điều chỉnh phản hồi của các quá trình liên tục Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu vào/ra và các khối hàm toàn học (xem hình 1.12)

• Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự:

Thuật toán điều khiển tuần tự được thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp trong nhà máy Chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độc lập đồng thời quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong

hệ thống Có thể sử dụng chức năng này cho các bài toán liên động hoặc kết hợp thực hiện các công đoạn liên tục toàn trong nhà máy

• Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp:

DCS là hệ điều khiển ứng dụng cho các nhà máy có quy mô lớn, công nghệ liên tục và phức tạp, đòi hỏi phải sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm nhiên-nguyên liệu Các thuật toán cấp cao thường được ứng dụng cho các nhà máy bao gồm: thuật toán điều khiển nối tầng (cascade), thuật toán điều khiển tiền định (feedforward), các thuật toán phân ly hệ đa biến, thuật toán điều khiển mờ, thích nghi, nơ ron,

Hình 1.13 Sơ đồ kết nối điều khiển mức kiểu cascade

Hình 1.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển kiểu tiền định (feedforward)

Chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ:

Trong các nhà máy lớn, bên cạnh hệ DCS, luôn có các hệ PLC đảm nhận các công việc điều khiển cho từng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước, nước thải,… và tất cả các tham số này cũng cần phải được đưa vào hệ thống DCS chung của toàn nhà máy, tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý Hầu hết các hệ DCS đều không tích hợp sẵn các chương trình điều khiển truyền thông cũng như các module truyền thông với các PLC vì hệ thống PLC trên 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 kết với các hệ PLC, tuy nhiên không phải

là có thể kêt nối được với tất cả các PLC Ở điểm này thì các nhà làm thiết kế

hệ thống điều khiển phải nắm được để chọn thiết bị cho phù hợp và đỡ tốn kém nhất

Các nhà cung cấp DCS cung cấp các tùy chọn này dưới dạng các gói phần mềm và các module phần cứng Ví dụ để liên kết với PLC của AB SLC5, ta

có gói phần mềm điều khiển truyền thông với SLC5, hay để kết nối với PLC của Siemens, ta có các gói phần mềm truyền thông với các thiết bị của Siemens Tuy nhiên việc câu hình và truyền thông với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diễn ra thuận lợi, mà nếu lựa chọn không khéo, nó

sẽ làm cho người kỹ sư làm phần mềm điều khiển tốn mất nhiều thời gian và công sức

Khi chúng ta định kết nối DCS của mình với một PLC của hãng nào, ta phải mua chương trình phần mềm và module phần cứng của nhà cung cấp DCS để kết nối Vì khi chúng ta cài đặt chương trình phần mềm này vào hệ thống, nó

sẽ dành một phần bộ nhớ và định dạng lại phần bộ nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cần giao tiếp

Hình 1.15 Sơ đồ kết nối điều khiển tỷ lệ

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

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, giám sát

Từ đó ta có thể nhận biết được trang thái hoạt động của nhà máy thông qua các đối tương đồ họa và các giao diện điều khiển – Instrument Faceplate

Hình 1.16 Đối tượng đồ họa và màn hình giao diện

Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị:

Để 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 cho người vận hành

Các biển quá trình ngoài việc ta có thể xem trực tiếp thông qua các tagname của nó, ta còn có thể giám sát thông qua các đồ thị, cho phép ta so sánh, đánh giá chất lượng điều khiển và ra quyết định điều khiển

Các tham số quá trình được hiển thị dưới dạng các đường cong gọi là Trend Trend hiển thị dữ liệu dưới dạng các chuỗi biểu đồ theo thơi gian

Cho phép hiển thị nhiều đường cong, nhiều màu sắc khác nhau

Ngoài ra còn cho phép ta thống kê dưới dạng các bảng biểu, phục vụ cho việc lưu trữ lâu dài

Thông qua các Faceplate, người vận hành sẽ giao tiếp với quá trình: giám sát trạng thái, tham số, thay đổi tham số bộ điều khiển, thực hiện việc chỉnh định tham số,

Chức năng cảnh báo quá trình:

Bên canh các chức năng điều khiển, giám sát trạng thái, việc đưa ra các cảnh báo cho người vận hành và các gợi ý xử lý cũng là một yêu cầu không thể thiếu đối với bất cứ một hệ DCS nào

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

 Cảnh báo nguy cơ (Warrning): Với các cảnh báo loại này, chỉ ra cho

người vận hành biết rằng họ cần phải quan tâm đến tham số quá trình tương ừng và chưa cần phải 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 cảnh báo loại này, người vận hành phải

thực hiện một vài gợi ý hoặc can thiệp nhỏ nhằm đưa hệ thống ra khỏi khu vực nguy hiểm Khi ở mức báo động hệ thống vẫn có thể tiếp tục làm việc được trong một thời gian ngắn

 Báo lỗi (Failure): Đây là tình trạng nguy hiểm, phải thực hiện ngay

các tác động để ngăn các rủi ro và tổn thất cho hệ thống Thông thường khi xảy ra lỗi, hệ thống cũng đã thực hiện trước một số action để ngăn chặn hiểm họa có thể xảy ra

Tất cả các định nghĩa trên đêu do các nhà làm engineering thực hiện, những người có hiểu 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 có thể đề nghị với các kỹ sư của mình thay đổi cho phù hợp Việc thay đổi các tiêu chuẩn về cảnh báo là rất nguy hiểm, đòi hỏi người kỹ sư phải có hiểu biết tường tận và phải thông qua một quá trình vận hành lâu dài có sự đúc rút kinh nghiệm và phải có sự tham gia ý kiến của nhiều người

Không được phép tùy tiện thay đổi các định nghĩa về cảnh báo, báo động và

sự cố trong hệ thống

Hình 1.17 Màn hình giao diện dạng đồ thị

Chức năng lập báo cáo:

Để hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lý, DCS cung cấp các báo cáo cho từng biến 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, hiển thị và in ra các thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống Báo cáo về các cảnh báo, thông điệp liên quan đến thiết bị, tín hiệu vào/ra và

cả trạng thái của các function block

Báo cáo về lịch sử làm việc, các lỗi, sự kiện xảy ra trong hệ thống

Chức năng an toàn hệ thống (Security);

Để ngăn chặn các lỗi trong vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống, DCS cung cấp khả năng phân chia quyền quy nhập hệ thống cụ thể đến từng thiết

bị và từng functionblock Mỗi người vận hành chỉ có quyền hạn và trách

nhiệm trong một khu vực nhất định

Có thể đặt nhiều mức độ bảo mật an toàn khác nhau từ cấp các khu vực, đến từng thiết bị trong nhà máy

Mỗi người vận hành sẽ có một tên và mật khẩu riêng và chỉ có quyền truy cập

hệ thống trong một khu vực đã được định nghĩa trước và phải chịu trách

nhiệm hoàn toàn với khu vực đó

Điều này một mặt tránh các nguy cơ, ngăn chặn lỗi vận hành mặt khác cũng

là để thuận lợi cho các nhà quản lý trong việc tím ra người có trách nhiệm cho mỗi một sự kiện và kiểm soát tốt hơn tình trạng hoạt động của toàn nhà máy

CHƯƠNG 2 HỆ ĐIỀU KHIỂN DELTAV

2.1 Tổng quan về hệ điều khiển DeltaV

DeltaV là một sản phẩm của Fisher-Rosemunt thuộc tập đoàn Emerson Process Management Đây la một hệ điều khiển số, áp dụng được cho cả hai mảng là điều khiển logic, rời rạc và điều khiển quá trình liên tục Hệ thống DeltaV dựa trên cấu trúc Plantweb Đây là cấu trúc cho phép xây dựng các giải pháp quản lý quá trình mở, bằng cách nối mạng các thiết bị trường thông minh kết hợp với các phần mềm, tận dụng ưu thế của công nghệ thông tin, việc quản lý quá trình gần với điều khiển quá trình, cho phép xác định cấu hình, chuẩn đoán, giám sát mọi nơi trong hệ thống khi hệ đang vận hành Việc tích hợp các thiết bị trường thông minh và liền mạch này cung cấp một cơ sở

hạ tầng cho những ứng dụng cấp cao như ứng dụng quản lí tài nguyên hệ thống (Asset Management Solution -ASM), cho việc chuẩn đoán, lập cấu hình sắp xếp thiết bị một cách dễ dàng và nhanh chóng, nâng cao hiệu suất quá trình và giảm sự biến đổi quá trình Hệ thống DeltaV rất linh động về cả kích

cỡ và chức năng, nó cung cấp đầy đủ các chức năng với số lượng có thể lên tới hàng trăm I/O Bởi vậy có thể đáp ứng những ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp DeltaV cũng được thiết kế và kiểm nghiệm cho những ứng dụng khó nhất, cùng với sự phát triển của công nghệ mới nó có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

2.2 Các thuật ngữ sử dụng trong hệ DeltaV

Module: Là một khối điều khiển nhỏ nhất của hệ điều khiển chứa các thông tin định nghĩa nên một thiết bị quá trình (process equipment) như là: thuật toán, các điều kiện, các thông tin cảnh báo, các thông tin lưu trữ và các đặc tính khác