Sự phát triển trong các công nghệ nối mạng, bus trường và điều khiển cũng tuân theo định luật Moore của thế giới máy tính, theo đó với cùng một mức chi phí có thể thực hiện được nhiều hơ
Trang 1iệc chấp nhận công nghệ bus số như Foundation fieldbus, Profibus-DP hay DeviceNet là
một bước chuyển hướng đáng
kể xa rời công nghệ truyền
thống về đo lường và điều
khiển trong nhà máy điện
Kinh nghiệm áp dụng bus số
trong một số ngành công
nghiệp, trong đó có các nhà
máy điện, cho thấy công nghệ
này có tính năng tốt, có thể
giảm chi phí đầu tư ban đầu,
giúp công trình khởi động
nhanh hơn, và có thể tiết kiệm
chi phí vận hành và bảo
dưỡng một khi nhà máy bắt
đầu hoạt động Những vấn đề
lớn nhất liên quan tới việc đưa
công nghệ bus số vào nhà máy
điện mới là: quyết định lắp đặt
công nghệ số vào những hệ
thống nào và xác định phương
cách thực hiện
V
Theo truyền thống, cho đến nay các hệ thống điều khiển
phân tán (DCS) vẫn được bảo
hộ quyền sở hữu trí tuệ, và
chu kỳ đổi mới từ 15 đến 20
năm Với việc chấp nhận kiểu
công nghệ máy tính cá nhân,
chu kỳ đổi mới đã giảm xuống
còn 3 đến 5 năm Sự phát triển
trong các công nghệ nối
mạng, bus trường và điều
khiển cũng tuân theo định luật Moore của thế giới máy tính, theo đó với cùng một mức chi phí có thể thực hiện được nhiều hơn
Có thể đưa ra vô vàn ví dụ trong lĩnh vực đo mà ở đó các cảm biến chỉ cung cấp các giá trị của một quá trình duy nhất
và được nối tới hệ thống điều
khiển thông qua một bộ dây dẫn duy nhất Các thiết bị tiên tiến ngày nay có thể thực hiện việc chẩn đoán liên tục và cung cấp nhiều thông tin hơn chứ không phải là giá trị của một quá trình duy nhất Hơn nữa, nhiều thiết bị loại này có khả năng sử dụng và trao đổi
dữ liệu và đem lại khả năng
6 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008
Nhà máy nhiệt điện than mới
Ảnh (ST): Hải Yến
Trang 2thi hành điều khiển bằng cách
dùng công nghệ bus số như
Foundation fieldbus
Thiết bị thông minh đã có
từ hơn 15 năm nay, dùng giao
thức HART Giao thức này xếp
chồng một tín hiệu số bên trên
một tín hiệu chuẩn 4 - 20 mA
Nhiều công ty điện lực đã chọn
loại thiết bị này vì chúng có
sức cạnh tranh về chi phí so
với các thiết bị truyền thống
và có thể thay thế trực tiếp
cho các thiết bị hiện có (một
đổi một), không cần phải đi
dây lại
Trong một số trường hợp, các tiêu chuẩn bus số như
Foundation fieldbus, Profibus
DP và DeviceNet (ở đó tất cả
truyền thông đều là dạng số)
còn có thêm chức năng so với
các thiết bị đo thông minh
nguyên bản Các giao diện bus
trường trực tiếp trong các hệ
thống điều khiển cho phép
người dùng truy cập nhiều dữ
liệu phong phú Các gói phần
mềm quản lý tài sản sử dụng các dữ liệu này để cung cấp thông tin chẩn đoán chi tiết và các chức năng phân tích bảo trì dự phòng Độ chính xác điều khiển cũng được cải thiện vì không cần biến đổi các tín hiệu thành tín hiệu analog (4 - 20 mA) để truyền đến môđun vào/ra của DCS sau đó biến đổi trở lại thành tín hiệu số để sử dụng trong
sơ đồ điều khiển
Ngoài việc cung cấp các giá trị nhận biết ban đầu, thiết
bị đo thông minh và các bộ tác động còn là nguồn phong phú các dữ liệu khác, về bản thân thiết bị cũng như về quy trình
Hệ thống điều khiển thay đổi
Trong hệ thống điều khiển, mặc dầu các công nghệ bus số như Foundation và DeviceNet thay đổi một vài tính năng, nhưng nhiều tính năng vẫn giữ nguyên Các công nghệ bus số không thay đổi thiết kế điều
khiển cơ sở, đồ hoạ, cơ sở dữ liệu và cấu trúc chính của hệ thống điều khiển Các công nghệ này cũng không thay đổi đáng kể nguyên lý tư liệu thiết
kế Giao diện với người dùng phục vụ cho công tác thiết kế
kỹ thuật, kinh doanh, bảo dưỡng, thực thi, lưu trữ quá khứ và các chức năng khác của hệ thống đều không thay đổi Điều này cũng đúng với quy trình thiết kế kỹ thuật được
sử dụng để cách ly các tín hiệu vào ra (I/O), phần điều khiển
và các quy trình
Tuy nhiên công nghệ bus
số lại làm thay đổi cấu trúc kết nối với cổng I/O Thay vì phải
có dây dẫn riêng từ mỗi thiết
bị tại hiện trường tới cổng I/O của hệ thống DCS, kiến trúc bus cho phép dùng một cáp duy nhất để đấu nối nhiều thiết bị số Giao diện I/O được thể hiện bởi các thiết bị thì được chuyển sang một mođun bus trường số (hình 1)
Sự tương đồng đơn giản nhất, đó là kênh I/O truyền thống được đặt trong thiết bị
và bus I/O được dùng để đọc các kênh giờ đây là cáp bus trường thay vì một bảng nối
đa năng Cáp này có nhiều điểm dữ liệu, làm giảm đáng
kể số đầu dây và máng cáp trong nhà máy Tư liệu và chi phí bảo dưỡng cũng giảm Không gian mođun I/O cần thiết trong bộ điều khiển cho một hoặc nhiều mođun giao diện bus số được giảm đáng
kể so với không gian cần thiết cho các mođun I/O và đầu dây
7 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008
Công nghệ Bus
Hình 1 So sánh giữa hệ thống đi dây truyền thống và hệ
thống đi dây bus trường
Hệ thống đi dây I/O truyền thống
Bộ điều khiển
và cổng vào/ra
Hộp đầu nối Trước
Hệ thống đi dây bus trường
I/O khác
Bộ điều khiển
Bus trường H1 Các phân đoạn khác Profibus DP hoặc DeviceNet
Hộp đầu nối Hộp đầu nối
Trang 3truyền thống Foundation fieldbus
sử dụng dây đôi xoắn bọc kim
(shielded twisted pair - STP)
mang dòng điện và dữ liệu
trên cùng cặp dây điện trong
khi DeviceNet sử dụng bốn
dây dẫn mang dữ liệu và dòng
điện riêng biệt Điều này có
thể yêu cầu thêm không gian
dành cho nguồn cấp điện của
thiết bị bus trường, mođun
phân phối và thiết bị chỉnh
sửa dòng điện
Thiết kế DCS theo công
nghệ bus số và sử dụng cấu
hình tích hợp và phần mềm
quản lý tài sản là điều rất quan
trọng Việc thiết kế cần hỗ trợ
HART truyền thống, I/O
analog, I/O rời rạc và I/O mục
đích đặc biệt được yêu cầu do
yêu cầu về tốc độ, độ phân
giải theo thời gian và/hoặc về
an toàn Ngoài ra, nó cần hỗ
trợ nhiều các kiểu bus trường
đa năng Cụ thể như bus
trường Foundation, được sử
dụng chủ yếu trong điều khiển
analog, và DeviceNet hay
Profibus DP, được sử dụng
nhiều hơn cho các ứng dụng
điều khiển rời rạc Trong một
vài trường hợp, tính năng của
các thiết bị yêu cầu sẽ quyết
định việc sử dụng các kiểu
bus số đa năng
Thùc hiÖn t¹i nhµ
m¸y ®iÖn x©y míi
Xây dựng nhà máy nhiệt
điện than mới là một trong
những cơ hội hiệu quả nhất về
chi phí cho việc thực hiện
công nghệ bus số và trí tuệ tự
động hoá Ví dụ, nhà máy
nhiệt điện than dưới tới hạn xây dựng mới ở Midwest (dự kiến bắt đầu vận hành thương mại vào năm 2009) đang lắp đặt hệ thống điều khiển Ovation Expert của Emerson Process Management cho tất
cả các chức năng điều khiển nhà máy quan trọng Hệ thống Ovation được tạo giao diện với hệ thống điều khiển tuabin bằng một giao diện OPC và với một hệ thống điều khiển FGD PLC bằng giao thức Allen-Bradley Ethernet Công nghệ bus số được kết hợp vào càng nhiều lĩnh vực càng tốt
Foundation fieldbus và Profibus được sử dụng rộng rãi khắp nơi
Ngoài các nhà máy nhiệt điện than, các nhà máy điện tuabin khí và chu trình hỗn hợp cũng có thể áp dụng tốt công nghệ bus số Nhà máy chu trình hỗn hợp Port
Westward mới xây, công suất
407 MW, của Portland General Electric, được đưa vào vận hành thương mại mới đây ở chế độ điều độ kinh tế,
là một ví dụ Nhà máy cũng
sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển Ovation với công nghệ bus cho lò sinh hơi thu hồi nhiệt (HRSG), phần còn lại của nhà máy (balance of plant - BOP) và các hệ thống điện phụ Công tác điều khiển tuabin khí và tuabin hơi được tạo giao diện dùng Modbus/TCP
Mỗi van quan trọng trong các nhà máy mới xây này đều
là một thiết bị bus trường Foundation (Bảng 1) Các thiết bị này được áp dụng cho hầu hết các chức năng điều khiển quan trọng, bao gồm nước cấp, mức nước trong bao hơi, van phun, tuabin đường tắt và hầu hết thiết bị đo analog Các cặp nhiệt ngẫu
8 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008
8
Hãng sản xuất Loại thiết bị Kiểu thiết bị/Mô tả lượng Số
Rosemount Thiết bị cảm biến Các máy phát 3051 và
Endress &
Hauser
Thiết bị cảm biến Máy phát vị trí rađa
Rosemount Thiết bị cảm biến Máy phát 848T 8 x T/C 28 Magnetrol Thiết bị cảm biến Máy phát vị trí rađa
Fisher Cơ cấu định vị
van
DVC 6000F, 6010F và
Masoneilan Van với cơ cấu
định vị
Sipart PS2
14 Copes Vulcan Van với cơ cấu
định vị
Sipart PS2
13
Trang 4được sử dụng trong cả hai nhà
máy và được đặt hoặc là trên
các mođun TC I/O truyền
thống hoặc các mođun bus
trường Foundation
Profibus-DP được sử dụng cho tất cả
các van đóng mở bằng động
cơ cũng như cơ cấu đóng cắt
và thiết bị ở tủ điều khiển
động cơ (motor control center
- MCC) (Bảng 2)
Các hãng bán sản phẩm như Rockwell và Siemens hỗ
trợ sẵn DeviceNet và
Profibus-DP, trong khi các
hãng khác thực hiện giao diện
truyền thông nguyên bản riêng
của họ, các hãng này cung cấp
các bộ adapter để chuyển sang
công nghệ bus số yêu cầu
Cách tiếp cận tốt hơn sẽ là sử
dụng các giao diện có sẵn của
họ nếu giao diện được hỗ trợ
bởi hệ thống điều khiển,
không nên đòi hỏi một dạng
bus duy nhất
Thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy
Trước đây không lâu, các thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy (factory acceptance -FAT) các sơ đồ điều khiển DCS được thực hiện theo cách
mô phỏng các thiết bị trong nhà máy bằng cách nối cứng các nguồn cung cấp 4-20mA, các thiết bị đo, bóng đèn và chuyển mạch tới các đầu I/O của hệ DCS Thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy được thực hiện theo cách này vì không thể có tất cả các thiết bị hiện trường (đặc biệt các thiết
bị lớn, ví dụ như các tủ điều khiển động cơ) sẵn sàng cho thử nghiệm Gần đây, phương thức được chấp nhận chung là đưa vào các tín hiệu mô phỏng phần mềm ở cấp bus I/O thay
vì ở phía tín hiệu tại hiện trường Điều này một phần
cũng là do người ta đã quen thuộc với công nghệ mô phỏng phần mềm Thực nghiệm tại hiện trường còn yêu cầu lắp đặt hệ DCS thực
tế trong nhà máy để kết nối, thử nghiệm riêng lẻ, kiểm chuẩn và đưa thiết bị vào vận hành Cách thực hiện đơn giản này giờ đây đã được hiểu rõ
và chấp nhận Tuy nhiên, để xác nhận khả năng kết nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị theo từng kênh một, quy trình đòi hỏi nhiều thời gian và nhân lực
Do cách sử dụng các bus
và việc tích hợp các bus trong các dãy và hàng thiết bị, trong thực tế không thể có sẵn tất cả các thiết bị thông minh để có thể thử nghiệm DCS trong nhà máy Tuy nhiên, có một quy trình đã đem lại kết quả trong một số dự án, đó là thử nghiệm trên một thiết bị điển hình cho mỗi dạng thiết bị trong nhà máy Điều này cho phép nhà thiết kế kiểm chứng
ý tưởng thiết kế, cho phép nhà cung cấp hệ thống điều khiển khẳng định sự hoạt động với logic điều khiển và khiến chủ đầu tư yên tâm rằng cách liên kết này nếu dùng các bộ truyền lực tốt là có thể sử dụng trong toàn bộ dây chuyền, từ giao diện người máy (HMI) thông qua giao diện bus tới các thiết bị điển hình
Nhà chế tạo thiết bị gốc (original equipment manufacturer
- OEM) có thể lựa chọn các thiết bị với các tính năng khác nhau từ nhiều hãng bán thiết
9 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008
Công nghệ Bus
Bảng 2 Các thiết bị bus trường được sử dụng tại nhà máy
điện Port Westward
Hãng sản xuất Loại thiết bị Kiểu thiết bị/Mô tả
Auma MOV Aumamatic AM 01.1 MOV với Variomatic VM
Limitorque MOV Accutronix MX (FCD LMA1M 1336-00)
GE Multilin MCC/Thiết bị đóng cắt
P485 Modbus tới giao diện Profibus
Nối với thiết bị đóng cắt Multilin
469 rơle quản lý động cơ Scheneider
Square D
MCC/Thiết bị đóng cắt
Momentum I/O (170DNT11000) VersaMax MCC/Thiết bị đóng cắt Thiết bị I/O của thiết bị giaodiện giao diện mạng
*Tổng cộng khoảng 100 thiết bị
Trang 5bị (vendor); vì vậy đối với
những thiết bị này, tốt nhất
phải được chứng nhận bởi các
cơ sở bus số tương ứng, mà
chức năng của họ là đảm bảo
khả năng tương tác Tuy nhiên,
vẫn cần phải thử nghiệm hệ
thống trọn gói hoàn chỉnh của
hãng bán thiết bị, ví dụ như tủ
điều khiển động cơ (MCC)
hoặc dẫy thiết bị đóng cắt, bằng
cách sử dụng máy chủ bus số và
gói PC cấu hình được kết nối
thông qua đường cáp chính
trong thực tế và đường cáp rẽ
nhánh tới thiết bị như đã được
cấu hình cho nhà máy Điều này
đảm bảo hệ thống được cung
cấp có khả năng giao diện,
truyền thông, theo dõi và điều
khiển quy trình trong khoảng
thời gian đáp ứng yêu cầu
Không một thử nghiệm nào
trong số các thử nghiệm trên,
nếu tiến hành riêng lẻ, có thể
chứng tỏ cả chuỗi truyền
thông là hoàn chỉnh Tuy
nhiên, khi kết hợp với nhau,
các thử nghiệm này đảm bảo
các bộ phận quan trọng có thể
truyền thông thành công và
đem lại lợi ích là quá trình
đưa bus số vào vận hành tại
hiện trường được thực hiện
nhanh chóng và dễ dàng
Nhiều người trong ngành hy
vọng rằng một khi nhân viên
ngành điện trở nên quen thuộc
với bus số, các thử nghiệm
nghiệm thu tại nhà máy (FAT)
sẽ qui về việc mô phỏng phần
mềm các tín hiệu sẵn có kết
hợp với các thử nghiệm về
khả năng kết nối các thiết bị
tiêu chuẩn của hãng bán DCS,
thông qua giao diện bus số
Phần mềm quản lý tài sản
Ưu điểm lớn nhất của phần mềm quản lý tài sản là nó cho phép thực hiện tại một vị trí duy nhất công việc cấu hình, quản lý kiểm chuẩn, chẩn đoán thiết bị và lưu trữ tư liệu
về thiết bị thông minh trong nhà máy Quy trình thử nghiệm bàn giao (commissioning) cho phép thực hiện với cấu hình thông qua giao diện màn hình đồ hoạ với thiết bị Nhân viên tại hiện trường chỉ cần kiểm tra
để thấy rằng thiết bị quy trình chính xác đang được đọc hay thao tác và rằng hành trình của van và cơ cấu phản hồi được điều chỉnh đúng trên các cơ cấu tác động Tư liệu kiểm chuẩn
và mạch kiểm toán các lần hiệu chỉnh, trong đó ghi rõ các công việc đã được thực hiện và do ai, đều được lưu lại làm tài liệu để sau này tham khảo
Để thực hiện đầy đủ các năng lực của các thiết bị thông minh, một hệ thống DCS sử dụng bus trường Foundation cần được cung cấp cùng với phần mềm quản lý và chẩn đoán Vì vậy, kèm theo hệ thống Ovation DCS của Emerson cần phải có gói hệ thống quản lý tài sản (AMS Suite) Bất kỳ công cụ phần mềm quản lý tài sản nào cũng cần bao gồm phần hỗ trợ cho
số lượng tối thiểu các thẻ ghi thiết bị (device tag) Số lượng được đóng gói các thẻ ghi thiết bị cần được hiệu chỉnh
để bao gồm những thiết bị quan trọng nhất và then chốt
nhất Với bất kỳ phần mềm quản lý nào, điều quan trọng
là phải biết có bao nhiêu thẻ ghi đã được cung cấp và xác định xem số lượng này đã đủ cho dự án chưa
Trên thị trường cũng có bán các gói bổ sung tuỳ chọn cho phép mở rộng và tăng cường năng lực chẩn đoán và phân tích thiết bị của mỗi nhà sản xuất Các gói này nên được xem xem lại và qui định
để đưa vào gói phần mềm quản lý và chẩn đoán tài sản
Giá trị thực của phần mềm quản lý tài sản chính là khả năng vận hành giảm bớt bảo dưỡng Các thiết bị bus trường Foundation có ba mức báo động chẩn đoán nội bộ: đã hỏng, tư vấn và thông tin Mỗi loại báo động có thể có nhiều hạng mục đóng góp Các báo động này cần được tích hợp vào hệ thống điều khiển, có bộ phận tách lọc dựa trên mức độ quan trọng của thiết bị, để tiên đoán các vấn đề của thiết bị và các sự cố Ngoài ra, nhân viên bảo dưỡng có thể truy cập đầy
đủ và chi tiết dữ liệu chẩn đoán dự phòng để quan sát, lập kế hoạch và sắp xếp mọi công việc sửa chữa hoặc phụ tùng thay thế cần thiết để loại
bỏ báo động Thay đổi qui trình bảo dưỡng có nghĩa là nhân viên, với các phụ tùng thay thế và công việc sửa chữa
đã được nhận diện từ trước, sẽ chỉ sửa chữa những thiết bị cần dịch vụ, do đó giảm thiểu thời gian sửa chữa
10 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 -
2008
10
Trang 6(Còn tiếp) Chu Hải Yến dịch
Theo PE, số tháng 10/2007
11 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 -
Công nghệ Bus
