Bài giảng hệ thống điều khiển DCS và SCADA

Ngày nay trên thế giới, sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hoá và những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin đã cho phép các chuyên gia tích hợp hệ thống có các giải pháp kỹ thuật linh hoạt, tối ưu, an toàn và hoàn toàn tự động hoá. Người sử dụng có khả năng điều hành, quan sát và quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất trong nhà máy bằng các thiết bị gọn nhẹ, làm việc thông minh và có độ tin cậy cao. Một trong các giải pháp kỹ thuật tích hợp hệ thống điều khiển hiện đại, mang lại hiệu quả cao cho hệ thống vận hành các dây truyền sản xuất trong công nghiệp đó là hệ điều khiển SCADA và DCS. Trong những năm gần đây hệ DCS và SCADA chiếm thị phần khá lớn trong các ngành công nghiệp của nước ta, một số nhà máy đang sử dụng hệ DCS của hãng này như:( Công ty giấy bãi bằng, Công ty giấy An Hòa, Nhà máy nhiệt điện phả lại, Nhà máy cồn và nhiện liệu sinh học Phú Thọ, Công ty supe phốt phát và hóa chất Lâm Thao...). Vì vậy việc làm chủ hệ thống SCADA và DCS là rất cần thiết đối với các em sinh viên. Tài liệu học tập môn học ‘DCSSCADA’ được tập thể cán bộ giáo viên Bộ môn điều khiển tự động hóa Trường đại học công nghiệp Việt Trì, xây dựng dựa trên các tài liệu tham khảo và những kinh nghiệm từ thực tế nhằm phục vụ bạn đọc.

Lời nói đầu

Ngày nay trên thế giới, sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạothiết bị tự động hoá và những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin

đã cho phép các chuyên gia tích hợp hệ thống có các giải pháp kỹ thuật linh hoạt,tối ưu, an toàn và hoàn toàn tự động hoá Người sử dụng có khả năng điều hành,quan sát và quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất trong nhà máy bằng các thiết bịgọn nhẹ, làm việc thông minh và có độ tin cậy cao Một trong các giải pháp kỹthuật tích hợp hệ thống điều khiển hiện đại, mang lại hiệu quả cao cho hệ thống vậnhành các dây truyền sản xuất trong công nghiệp đó là hệ điều khiển SCADA vàDCS

Trong những năm gần đây hệ DCS và SCADA chiếm thị phần khá lớn trongcác ngành công nghiệp của nước ta, một số nhà máy đang sử dụng hệ DCS củahãng này như:( Công ty giấy bãi bằng, Công ty giấy An Hòa, Nhà máy nhiệt điệnphả lại, Nhà máy cồn và nhiện liệu sinh học Phú Thọ, Công ty supe phốt phát vàhóa chất Lâm Thao ) Vì vậy việc làm chủ hệ thống SCADA và DCS là rất cầnthiết đối với các em sinh viên

Tài liệu học tập môn học ‘DCS-SCADA’ được tập thể cán bộ giáo viên Bộ môn điều khiển tự động hóa- Trường đại học công nghiệp Việt Trì, xây dựng

dựa trên các tài liệu tham khảo và những kinh nghiệm từ thực tế nhằm phục vụ bạnđọc

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu xót,rất mong nhận được sự góp ý của các bạn đọc, để tài liệu học tập cho các em sinhviên được hoàn thiện hơn nữa

Phú Thọ tháng 05 năm 2014

PHẦN 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SCADA Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ( LT 6)

Sự lớn mạnh của lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật truyền thông, công nghệthông tin, điện tử làm cho các hệ thống tự động hoá cũng có những bước tiến vượtbậc Ở đó, tự động hoá không chỉ được áp dụng cho từng máy, từng tổ hợp máy màcho cả dây chuyền công nghệ, cả nhà máy mà tương lai là cả một ngành sản xuất

Từ những hệ thống tự động hoá quy mô nhỏ dùng những thiết bị đơn giản như relayvới cấu trúc tập trung đến những hệ thống cao cấp, những thiết bị điều khiểnchuyên dụng như PLC (Programmable Logic Controller – bộ điều khiển logic khảtrình) Sự tham gia của các máy tính điều khiển và giám sát tạo ra những cấu trúclinh hoạt có độ phức tạp cao Bên cạnh đó là chuyển biến cơ bản trong hướng đicho các giải pháp tự động hoá trong công nghiệp với những đặc trưng xu hướngphân tán, mềm hoá, chuẩn hoá Các hệ điều khiển truyền thống dần chuyển sangcác hệ thống điều khiển hiện đại hơn với cấu trúc phân tán và xu hướng giám sát.Trong công nghiệp, hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đóng vai trò hết sứcquan trọng và trở nên ngày càng cần thiết và phổ biến

Trong quá trình phát triển tự động hóa lượng thông tin trao đổi giữa người với máykhông ngừng tăng lên theo thời gian và công nghệ Ngày nay để sản xuất được mộtsản phẩm có chất lượng tốt người ta phải khống chế, điều chỉnh hàng chục hàngtrăm thông số, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác nhau Để điều khiển một phân xưởng,một xí nghiệp hoạt động nhịp nhàng thì người điều khiển, người quản lý hàng ngàyhàng giờ phải thu nhận và xử lý một lượng thông tin khá lớn về kỹ thuật, kinh tế,nhu cầu thị trường … Chính vì vậy ở mức độ lớn hơn, để điều khiển một ngành sảnxuất phải có hệ điều khiển và giám sát đủ mạnh có thể theo dõi được sự chính xáchoạt động vận hành của đối tượng Đây là nơi cung cấp các thông tin kịp thời nhấttới người vận hành về những trạng thái của bộ điều khiển cũng như với quá trình kỹthuật bên dưới, giúp người vận hành có được những quyết định đúng đắn và kịpthời trước những tình huống xảy ra Thông thường người ta phải xử lý qua nhiềucấp với nhiều thông tin khác nhau, nếu không kịp thời sẽ dẫn đến quyết định sailầm gây hậu quả nghiêm trọng đến quá trình sản xuất

1.1 Khái niệm chung về điều khiển SCADA.

Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): là hệ thống điều khiểngiám sát và thu thập dữ liệu, ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuậttin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp để thực hiện quá trình thu thập

dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diển, lưu trữ, phân tích và cókhả năng điều khiển những đối tượng này

Hệ SCADA cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau: từ các bộ cảmbiến, cơ cấu chấp hành, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điều khiển và giámsát, cho đến các trạm máy tính điều hành và quản lý các tham số công nghệ của quátrình sản xuất

Các hệ thống SCADA hiện đại là một giai đoạn phát triển hệ thống tự động hoátrước đây, chính là hệ thống truyền tin và báo hiệu (Telemetry and Signalling) Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng được thực hiện nhữngnguyên tắc như: làm việc với thời gian thực, sử dụng một khối lượng tương đối lớnthông tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng, nguyên tắc hệ thống vàmôdun mở, có thiết bị dự trữ để làm việc trong trạng thái “dự trữ nóng”, …

Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiện từ các cơ cấu cảmbiến được gắn trên các thiết bị công tác hoặc trên dây truyền sản xuất gửi về chomáy tính (thực hiện phần thu nhận dữ liệu) Máy tính xử lý, kiểm tra trạng thái hoạtđộng của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm đã được cài sẵn trong bộnhớ Đồng thời, máy tính sẽ hiển thị lại những thông tin kỹ thuật của hệ thốngtrên màn hình, cho phép tự động giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tínhiệu điều khiển đến máy công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức nănggiám sát và điều khiển)

Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghĩa :

+ Con người theo dõi và điều khiển

+ Máy tính giám sát và điều khiển

Đối với các hệ thống sản xuất tự động trước đây, việc kiểm tra giám sát hoàn toàn

do con người đảm trách So với máy tính, tốc độ xử lý tính toán của con người rấtchậm và dễ nhầm lẫn Việc tính toán điều khiển của máy tính sẽ tránh được nhữnghậu quả trên Những sai sót nhỏ, đơn giản thường xuyên gặp phải sẽ được máytính giám sát và xử lý theo chương trình được đặt sẵn Đối với những sự cố lớnmáy tính sẽ báo cho người theo dõi biết và tạm dừng hoạt động của hệ thống để chờquyết định của người điều hành

Vì vậy, bên cạnh khả năng hoạt động toàn hệ thống theo một chương trình địnhtrước, hệ SCADA còn cho phép người vận hành quan sát được trạng tháilàm việc của từng thiết bị tại các trạm cơ sở, đưa ra các cảnh báo, báo động khi hệthống có sự cố và thực hiện các lệnh điều khiển can thiệp vào hoạt động của hệthống khi có tình huống bất thường hay có sự cố

1.2 Các phần tử và tính chất về phần mềm điều khiển SCADA

Một hệ điều khiển giám sát gồm có hai thành phần chính Phần cứng, phần mềm.Tùy thuộc vào tính chất của hệ thống cần được điều khiển giám sát như số lượngđầu vào ra, tính chất của tính hiệu vào, khoảng cách từ hiện trường đến trạm điềukhiển, yêu cầu của chủ đầu tư về chất lượng giám sát điều khiển và giá thành của

hệ thống mà lựa chọn cấu trúc điều khiển cho phù hợp

+ cấu trúc phần cứng gồm cổ điển như sau:

Mạng xí nghiệp

Trạm vận hành HISThiết bị đầu cuối chính MTUThiết bị đầu cuối tử xa RTU

Hình 1.2a Cấu trúc phần cứng hệ thống Scada cổ điển

+ Với sự phát triển của thiết bị lập trình PLC và các chuẩn truyền thông côngnghiệp thì các thiết bị ở xa được kết nối trực tiếp với PLC thông quá mạng truyềnthông kết nối với máy tính ở trạm vận hành mà không cần thông qua MTU Lúcnày coi PLC như một RTU + MTU Khi đó có cấu trúc phần cứng cơ bản như sau:

Hình 1.2b cấu trúc phần cứng hệ thống Scada rút gọn

+ Phần mềm

Phần mềm cho hệ thống giám sát điều khiển Scada có chức năng tạo các trang mànhình công nghệ, liên kết các biến quá trình công nghệ và thuật toán điều khiển đãxây dựng trên PLC, tạo các đồ thì và cảnh báo để theo dõi hệ thống:

Một hệ SCADA bao gồm các thành phần cơ bản như hình 1.2 dưới đây

Dựa trên các nguyên lý đã phân tích hệ SCADA được xây dựng từ các thiết bị như

hình 1.2c ở trang bên.

Mạng

xí nghiệpTrạm vận hành HIS

PLC

Thiết bị cấp trường

()

Hình 1.2c các phần tử trong hệ điều khiển SCADA

Remote Terminal Unit (RTU) – thiết bị đầu cuối từ xa – thực hiện các công việc

xữ lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực.RTU rất đa dạng – từ những cảm biếnnguyên thuỷ thực hiện thu thập thông tin từ đối tượng cho đến những bộ phận máymóc đa xữ lý thực hiện xữ lý thông tin và điều khiển trong chế độ thời gian thực.Việc sử dụng RTU có bộ xữ lý cho phép làm giảm được yêu cầu đối với tốc độ củakênh truyền kết nối với trung tâm điều khiển

Master Terminal Unit (MTU) – trung tâm điều phối, thực hiện công việc xữ lý

dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm.Một trong nhữngchức năng cơ bản của MTU là cung cấp giao diện giữa con người – quan sát viênvới hệ thống MTU có thể bằng những dạng khác nhau, từ một máy tính đơn lẽ vớicác thiết bị cũ cho đến hệ thống máy tính lớn bao gồm các Server và Client

Communication System (CS) – hệ thống truyền thông (kênh liên kết) cần thiết

để truyền dữ liệu từ các địa điểm ở nơi xa đến MTU và truyền tín hiệu điều khiểnđến RTU

Phần mềm điều khiển của hệ SCADA: Quá trình điều khiển của hệ SCADA

bao gồm hai phần quan trọng đó là thuật toán điều khiển, giao diện vận hành

Central Monitoring Station

Network

Instrumentation

Remote Station

Đốitượng

điều k h iể n

RTUCS

MTUGiám sát

viên

- Thuật toán điều khiển được tích hợp trong PLC (đây là bộ điều khiển trung tâm),

do vậy phần mềm để xây dựng thuật toán điều khiển theo các yêu cầu công nghệđặt trước được thực hiện trên các phầm mềm lập trình PLC (STEP 7 MicroWIN,Syswin… )

- Giao diện vận hành HIS (Human interface system) Đây là giao diện người máy,

là nơi để con người thực hiện các quá trình điều khiển, giám sát, quản lý các tham

số công nghệ của quá trình sản xuất

Như vậy người thiết kế phải xây dựng các trang màn hình công nghệ, giao diện vậnhành, điều khiển, các đồ thị báo cáo số liệu, hệ thống cảnh báo, lưu trữ số liệu.Phần mềm cho hệ thống giám sát điều khiển Scada gồm các thành phần cơ bản nhưsau :

- Giao diện vào ra hay các I/O Driver, I/O Server (OPC, DDE,…)

- Giao diện người máy

- Cơ sở dữ liệu quá trình

- Hệ thống cảnh báo, báo động

- Lập báo cáo tự động

Có hai phương pháp để tạo dựng:

- Phương pháp thứ nhất là sử dụng công cụ lập trình phổ thông như VisualC++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi và người lập trình phải tự làm từ đầu, giốngnhư việc phát triển các ứng dụng thông thường Không kể đến việc phải lập trình đểkết nối dữ liệu qua các cổng truyền thông, thì công việc lập trình đồ họa mặc dù

có các công cụ hỗ trợ rất mạnh cũng gặp nhiều khó khăn Thứ nhất là phươngpháp này đòi hỏi mức kiến thức lập trình khá cao ở người lập trình Thứ hai, việclập trình các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ thường dùng trong kỹ thuật (van, đườngống, bình nước, đồng hồ, núm xoay…) đòi hỏi nhiều công sức Để giải quyết vấn

đề này, có thể sử dụng các thư viện phần mềm dưới dạng thư viện lớp (classlibrary) hay thư viện thành phần (component library) có sẵn Đặc biệt, việc sử dụngcác thư viện thành phần như ActiveX –controls hay JavaBeans nâng cao hiệu suấtlập trình một cách đáng kể Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào, việcphải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (tức là phải sử dụng một compiler) là điềukhông thể tránh khỏi Do những hạn chế trên đây, phương pháp lập trình này chỉnên sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và ít có yêu cầu phải thay đổi

- Phương pháp thứ hai là sử dụng một công cụ phần mềm chuyên dụng như: FIX,InTouch,WinCC,Lookout,…, gọi tắt là phần mềm SCADA Các công cụ này cóchứa các thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện người –máy cũng nhưphần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu thông dụng Nhiều công cụ địnhnghĩa một ngôn ngữ riêng (thường gọi là script) phục vụ các mục đích này, tuynhiên độ phức tạp của chúng cũng rất khác nhau Gần đây, xu hướng đơn giản hoáviệc tạo dựng một ứng dụng SCADA thể hiện ở sự kết hợp phương pháp lập trìnhhiển thị với sử dụng một ngôn ngữ script thông dụng như Visual Basic forApplication(VBA) và VBScript, tương tự như việc soạn thảo một văn bản Một sốcông cụ còn đi xa hơn nữa, cho phép ta sử dụng các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa

để xây dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn sự liên quan logic giữa cácthành phần của một chương trình dưới dạng biểu đồ khối chức năng (FBD) quenthuộc, không cần tới một dòng lệnh kể cả script Người ta cũng nói đến kháiniệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình ( programming)

- Thuận lợi trong việc sử dụng một chuẩn giao diện quá trình như OPC(OLE for Process Control) để kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu Quả thật,hầu hết (nếu không nói đến tất cả) các phần mềm SCADA tiên tiến nhất hiện nayđiều hỗ trợ COM, cụ thể là đều có ba đặc điểm nêu trên Nếu trước đây để tạo dựngđược một màn hình giao diện đồ hoạ, một người lập trình có kinh nghiệm cần trungbình một vài ngày, thì nay thời gian có thể giảm xuống tới một vài giờ Sử dụngmột công cụ tích hợp, ta có thể hoàn toàn tập trung vào công việc chính mà khôngcần kiến thức chuyên sâu về lập trình Công nghệ đối tượng thành phần vàcác phương pháp không lập trình đã mở ra khả năng này.

1.3 Các lĩnh vực ứng dụng của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA ứng dụng hiệu quả nhất trong vấn đề tự động hoá điều khiển

- Ứng dụng trong lĩn vực cấp nước

Hình 1.3a Ứng dụng hệ điều khiển giám sát SCADA trong lĩnh vực cấp nước

- Ứng dụng trong lĩnh vực phân phối ga

Hình 1.3b Ứng dụng SCADA trong lĩnh vực cấp khí gas.

- Công nghệ dầu khí

Hình 1.3c Ứng dụng SCADA trong lĩnh vực cấp khí gas.

- Điều khiển trong giao thông (tất cả các dạng giao thông: hàng không, đường sắt,đường bộ, đường thuỷ, tàu điện ngầm).

Hình 1.3d Ứng dụng SCADA trong chiếu sáng giao thông và năng lượng gió.

Ngoài ra còn một số ứng dụng quan trọng khác như:

Công nghệ hóa chất, công nghệ sản xuất phân bón, trong xây dựng (các trạm trộn

bê tông tự động qui mô lớn), điều khiển sản xuất, chuyển tải và phân phối nănglượng điện, cung cấp nước, làm sạch nước và phân phối nước, điều khiển nhữngđối tượng vũ trụ, viễn thông, quân sự

1.4 Các hệ thống SCADA.

1.4.1 Các hệ SCADA.

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ conngười trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự độngthông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệthống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI –Human Machine Interface)

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọngkhông chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giaodiện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điềukhiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP– Operator Panel), màn hình cảm ứng (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyêndụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thốngmạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa vàtruyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyềnthông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trongnhững năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp vàcông nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải phápmới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọncông cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống.

Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau nhưng trên cơ bản chúng được chialàm 4 nhóm với những tính năng cơ bản sau :

+ SCADA độc lập/SCADA nối mạng

+ SCADA không có chức năng đồ hoạ(Blind)/SCADA có khả năng xử lý đồhoạ thông tin thời gian thực(real time)

a Hệ thống SCADA mờ (Blind) :

Là hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu thu được bằng hình ảnh hoặc đồ thị Do không

có bộ phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành thấp

b Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (run time) :

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng tiến trình hoạtđộng của hệ thống sản xuất nhờ các tập tin cấu hình của máy đã được khai báotrước đó Tập tin cấu hình sẽ ghi lại khả năng hoạt động của hệ thống, các giới hạnkhông gian hoạt động, giới hạn về khả năng, công suất làm việc của máy Nhờ biếttrước khả năng hoạt động của hệ thống sản xuất mà khi có tín hiệu vượt quá tải hay

có vấn đề đột ngột phát sinh, hệ thống sẽ báo cho người giám sát biết trước để họcan thiệp vào hoặc tín hiệu vượt quá mức cho phép hệ thống sẽ lập tức cho máycông tác ngưng hoạt động

c Hệ thống SCADA độc lập:

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với một bộ xử lý, thôngthường loại hệ thống SCADA này chỉ điều khiển một hoặc hai máy công cụ haycòn gọi là workcell Do khả năng điều khiển ít máy công tác nên hệ thống sản xuấtchỉ đáp ứng được cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên được dây chuyền sảnxuất lớn

d Hệ thống SCADA mạng:

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với nhiều bộ xử lý có nhiều bộ phận giámsát được kết nối với nhau thông qua mạng Hệ thống này cho phép điều khiểnphối hợp được nhiều máy công tác hoặc nhiều nhóm workcell tạo nên mộtdây chuyền sản xuất tự động Đồng thời hệ thống có thể kết nối tới nơi quản lý –nơi ra quyết định sản xuất hay có thể trực tiếp sản xuất theo yêu cầu của kháchhàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế

Do được kết nối mạng nên chúng ta có thể điều khiển từ xa các thiết bịcông tác mà điều kiện nguy hiểm (như làm việc ở nơi có môi trường phóng xa, nơi

có từ trường mạnh …) không cho phép con người đến gần

Hệ thống SCADA của các hang trên thế gới

Bảng 1.4 Các hệ thống SCADA của các hang sản xuất

WonderwareAdvantechIconicsAdAstraSchneider Electric

Ci TechnologiesUnited States DATA Co

Rockwell Software Inc

National InstrumentsIntellution

SiemensInSAT

GE FanucObedinenie Uig

Axeda Crug Elipse Software

Company

USATaiwanUSARussiaFranceAustraliaUSAUSAUSAUSAGermanyRussiaUSAUcraina

USA Russia USA

CountryInTouch

1.4.2 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA.

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phântích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ củacông cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện

Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập

và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành,sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường)

Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗtrợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố(Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo(Reporting)

Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nềnWindows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá thànhtổng thể của hệ thống

Chương 2 Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA (LT 6)Cấu trúc cơ bản của hệ thống giám sát điều khiển scada gồm:

+ Mạng giám sát ở cấp xí nghiệp;

+ Trạm vận hành ;

+ Hệ thống thiết thị đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Unit)

+ Hệ thống thiết bị đầu cuối chính MTU (Master Terminal Unit)

+ Hệ thống truyền thông CS (communication System)

Hình 2: Cấu trúc cơ bản của hệ thống giám sát điều khiển Scada

Cấp quản lý kinh doanh

trạm vận hành

Cơ cấu chấp hành

mạng điềukhiển

cấp trường

2.1 Remote Terminal Unit (RTU)

Phần tử thiết bị đầu cuối ở xa RTU (Remote Terminal Unit)

RTU thu thập thơng tin ở xa từ nhiều thiết bị nhập như cc valve, bơm, báo động(alarm), đồng hồ đo (meter)…Chủ yếu dữ liệu dạng analog (số thực), digital(on/off), hoặc dữ liệu xung (như đếm số vịng xung của cc meter) Nhiều RTU giữthông tin thu thập được trong bộ nhớ và đợi yêu cầu từ MTU để truyền dữ liệu.Các RTU hiện đại hơn có các máy vi tính và các PLC có thể điều khiển trực tiếpqua địa điểm từ xa không cần định hướng của MTU

Hình 2.1 Các thành phần xuất nhập của RTU

CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giaothức có thể mở rộng như TCP/IP (Transmission Control Protocol and InternetProtocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng dữ liệu tổng quát chứa các thôngtin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI được sử dụng để đặttiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức, truyền thông và dữ liệu.RTU nhận thông tin của nó nhờ vào mã nhận dạng của nó trong dữ liệu truyền Dữliệu này được diễn dịch và CPU điều khiển tác động thích hợp tại chỗ

Phần tử thiết thị đầu cuối chính (Master Terminal Unit)

2.2 Master Terminal Unit (MTU)

RTU

Outputs to Field Devices

Inputs from Field Devices

Outputs to MTU Inputs from

MTU

Các thành phần xuất nhập của MTU được mô tả bên hình 2.2

Hình 2.2: Các thành phần xuất nhập của MTU

Trung tâm của hệ thống là MTU Nhiệm vụ của MTU là khởi động tất cả các côngviệc: truyền thông liên lạc, thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin, gửi thông tin đếncác hệ thống khác, và giao tiếp với người điều hành Sự khác biệt chính giữa MTU

và RTU là MTU khởi động ảo tất cả các truyền thông bằng lập trình giữa nó vàcon người Hầu hết tất cả các truyền thông được thực hiện bởi MTU MTU cũngliên lạc với các thiết bị ngoại vi khác như: monitor, máy in hoặc các hệ thốngthông tin khác Thành phần giao tiếp cơ bản với người điều hành là monitor màtrong đó hiển thị các valve, bơm v.v…Khi dữ liệu đến thay đổi thì màn hình đượccập nhật

Trạm vận hành HMI (Human-Machine Interface)

Trạm này hiển thị đầy đủ đồ họa của hệ thống công nghệ màn hình được tác độngbằng chuột hay bàn phím Các phương tiện này giúp cho người điều hành:

- Nhanh chóng hoán đổi giữa các màn hình hiển thị

- Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin

- Tạo và sửa đổi các màn hình hiển thị trực tiếp ở hệ thống

- Có những hiệu ứng đặc biệt để tăng khả năng phân biệt rõ dữ liệu (ví dụ các màukhác nhau cho các lô khác nhau trong một đường ống dẫn dầu)

MTU

Outputs to Other Devices

Inputs from Operator

Outputs to RTU Inputs from

RTU

Xem trên cùng một trang công nghệ nhiều mảng thông tin mà thường trải ra trênnhiều màn hình hiển thị.

- Trên cùng màn hình, truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo vùng hoặc các

dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau

- Giám sát và điều khiển dễ dàng

- HMI là một thành phần trong hệ SCADA, tuy nhiên không phải chỉ ởcấp điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cầngiao diện người –máy phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ Vì lý dogiá thành, đặc tính kỹ thuật cũng như phạm vi chức năng, ở các cấp gần vớiquá trình kỹ thuật này các OP (Operator Panel) chuyên dụng chiếm vai tròquan trọng hơn

- Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, đặc biệt là sựchiếm lĩnh thị trường của hệ điều hành Windows NT cùng với các công nghệ củaMicrosoft đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ tạo dựng phần mềmSCADA theo một hướng mới, sử dụng PC và Windows NT làm nền phát triển vàcài đặt Từ phạm vi chức năng thuần tuý là thu thập dữ liệu cho việc quan sát, theodõi quá trình, một hệ SCADA ngày nay có thể đảm nhiệm vai trò điều khiểncao cấp, điều khiển phối hợp Phương pháp điều khiển theo mẻ, điều khiểntheo công thức (batch control, recipe control) là những ví dụ tiêu biểu Hơn thếnữa, khả năng tích hợp hệ thống điều khiển giám sát với các ứng dụng khác nhautrong một hệ thống thông tin, các phần mềm quản lý, tối ưu hoá hệ thống, củatoàn công ty cũng trở nên dễ dàng hơn

2.3 Communication System (CS)

Thực hiện việc trao đổi thông tin trong hệ thống SCADA, để thực hiện việcgiám sát , điều khiển, vận hành các tham số công nghệ của quá trình sản xuất SIMATIC NET là mạng truyền thông cho phép kết nối với các bộ điều khiển củaSIEMENS, các máy tính chủ, các trạm làm việc SIMATIC NET bao gồm cácmạng truyền thông, các thiết bị truyền dữ liệu, các phương pháp truyền thông dữliệu, các giao thức và dịch vụ truyền dữ liệu giữa các thiết bị, các module chophép kết nối mạng LAN (CP – Communication Processor hoặc IM – InterfaceModule)

Với hệ thống SIMATIC NET, SIEMENS cung cấp hệ thống truyền thông mởcho nhiều cấp khác nhau của các quá trình tự động hoá trong môi trường côngnghiệp Hệ truyền thông SIMATIC NET dựa trên nhiều tiêu chuẩn quốc tếISO/OSI (International Standardization Organisation / Open SystemInterconnection) Cơ sở của các hệ thống truyền thông này là các mạng cục bộ(LANs), có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau: điện học, quang học, khôngdây hoặc kết hợp cả ba cách trên.

Theo các yêu cầu về chức năng các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý sảnxuất thì mạng công nghiệp được chia thành nhiều cấp bao gồm: cấp điều hànhquản lý, cấp phân xưởng, cấp trường và cấp cơ cấu chấp hành – cảm biến - đốitượng Theo phương pháp tổ chức hệ thống như trên SIMATIC cung cấp các loạisub-net như:

PPI có những tính chất đặc trưng sau đây:

Ghép nối giữa hai thiết bị truyền thông một cách trực tiếp hay thông qua driverđặc biệt

Có thể sử dụng các thủ tục riêng được định nghĩa truyền kiểu ASCII.

Thông số kỹ thuật của PPI

20mA (TTY)

RS 422/485Tốc độ truyền 300 bit/s  76,8 Kbit/s cho cổng RS 232C

300 bit/s  19,2 Kbit/s cho cổng RS 422/485Khoảng cách truyền 10 m cho cổng RS 232

1000 m cho cổng RS 422/485 Dịch vụ truyền thông ASC II-Driver

3964 (R), RK 512, PrintdriverCác loại Driver đặc biệt khác

Bảng 2.3.1: Thông số kỹ thuật của mạng PPI

2.3.2 Mạng MPI.

Hình 2.3.2 Mạng MPIMPI (Multi Point Interface) là một subnet của SIMATIC Mạng MPI được sửdụng cho cấp trường hay cấp phân xưởng với yêu cầu về khoảng cách giữa cáctrạm không lớn Mạng chỉ cho phép liên kết với một số thiết bị của SIMATIC nhưS7/M7 và C7 Thiết lập mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số lượnghạn chế các trạm (không quá 32 trạm) và dung lượng truyền thông nhỏ với tốc độ

truyền tối đa là 187,5 Kbps Phương pháp thâm nhập đường dẫn được chọn chomạng MPI là Token Passing.

Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau:

Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lậpmạng đơn giản

Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng traođổi một dung lượng thông tin nhỏ

Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data) Bằngphương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạngtrước khi thực hiện truyền thông

Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau

Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:

Bảng 2.3.2: Thông số kỹ thuật của mạng MPI

Phương pháp thâm nhập đường dẫn Token Passing

Tốc độ truyền thông Max 187,5 Kbit/s

Môi trường truyền dẫn Đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp

quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo)Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100 m,

với cáp quang qua OLM>100 kmCấu trúc mạng (Topology) Đường thẳng, cây, hình sao và vòng trònDịch vụ truyền thông Các hàm chức năng của S7

Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD)

2.3.3 Mạng AS-i:

AS-i (Actuator Sensor Interface) giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành, mạng chỉ

có một chủ duy nhất Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp Master– Slave, một phương pháp hoàn toàn tối ưu cho những mạng chỉ có duy nhất mộtthiết bị là chủ AS-i sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu như các cơ cấu chấp hành

và các cảm biến đều là các thiết bị kiểu số (Digital Input/Digital Output – DI/DO),khi thiết bị kiểu analog phải sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn củaSIEMENS Trong mạng chỉ có trạm chủ có quyền điều khiển quá trình trao đổi

thông tin Trạm chủ (Master) gọi tuần tự từng trạm tớ (Slave) tới một và đòi hỏicác trạm này gửi dữ liệu lên trên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từ trạm chủ.

Những tính chất đặc trưng của AS-i:

AS-i là mạng tối ưu cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số Quá trình trao đổi

dữ liệu được thực hiện thông qua đường dẫn từ cơ cấu chấp hành/cảm biến vớitrạm chủ, đường dẫn này đồng thời là đường cung cấp nguồn cho các cảm biến.AS-i có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích thước 1 bit đến 8 bit theotiêu chuẩn IP 65 và liên kết trực tiếp với quá trình

Hoạt động của AS-i không cần thiết lập cấu hình trước

Bảng 2.3.3: Thông số kỹ thuật của mạng AS-i

Số lượng trạm cho phép 1 Master và max 31 Slave

Phương pháp thâm nhập đường dẫn Master – Slave

Môi trường truyền thông Dây dẫn thẳng không bọc

Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng 300 m với Repeater

Hình 2.3.3 Ví dụ về cấu hình mạng AS-I của SIMATIC

2.3.4 Mạng PROFIBUS.

Hình 2.3.4 Mạng PROFIBUSPROFIBUS - Process Field Bus Đây là một chuẩn truyền thông đượcSIEMENS phát triển từ năm 1987 trong DIN 19245 PROFIBUS được thiết lậptheo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo (OpenCommunication Network) phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường MạngPROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC,các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, cácthiết bị hãng khác

2.3.4.1 Các loại PROFIBUS:

Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau:

PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thông tin nhỏnhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu choviệc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển PROFIBUS – DP pháttriển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữacấp điều khiển cũng như các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại

vi phân tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van Việc trao đổi chủyếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave Với số trạm tối đa trongmột mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ

(Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master) Một đặc trưng nữa củaPROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s.

Hình 2.3.4.1a Cấu trúc chung của mạng PROFIBUS-DBPROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) trao đổi lượng thôngtin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng PROFIBUS –FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát.Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI Do đặcđiểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếuđược trao đổi với tính chất không định kỳ

Hình 2.3.4.1a Cấu trúc chung của mạng PROFIBUS-FMS

PROFIBUS – PA (Process Automation) được thiết kế riêng cho những khuvực nguy hiểm PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phươngpháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2.PROFIBUS – PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phântán trong các ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu Thiết bị chuyển đổi(DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS

DP Điều này đảm bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệthống mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA

2.3.4.2 Các phương pháp truy cập bus.

Phương pháp thâm nhập vào mạng được quy định ở EN 50170, Volume 2 baogồm các phương pháp:

Token Passing cho các trạm chủ

Master/Slave cho các trạm tớ

Truyền thông cho các trạm chủ (hay còn gọi là các trạm tích cực) được điều khiểnmột vòng logic (Logical Ring - LR) Vòng được thiết lập trước khi đưa mạng vàohoạt động Vòng này quyết định tại thời điểm nào trạm chủ nào tích cực và tích

Token bus

Master-Slave

PROFIBUS

Hình 2.3.4.2 Các phương pháp truy cập

cực trong bao lâu Trạm chủ tích cực còn gọi là trạm chiếm giữ token, trạm đó cóquyền thâm nhập vào đường dẫn để gửi các tín hiệu Vòng logic hoàn toàn không

bị phụ thuộc vào cấu trúc của trạm chủ trong mạng Khoảng thời gian cho phépmột trạm chủ thâm nhập vào đường dẫn, hay nói một cách khác khoảng thời giantrạm chủ chiếm giữ token được gọi là thời gian token

Nếu trong thời gian token mà trạm vẫn chưa gửi xong dữ liệu thì chỉ có dữ liệunào của trạm có mức ưu tiên cao nhất mới được tiếp tục truyền đi, nếu không thìtrạm chủ đó phải ngừng quá trình truyền thông và đợi cho đến lượt tiếp theo trongmạng Nếu một trạm tớ được nối với một trạm chủ chiếm giữ token thì trong thờigian token trạm tớ sẽ bị hỏi và nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp Một trạm

tớ không bao giờ được chiếm giữ token

PROFIBUS – DP cung cấp dịch vụ truyền thông giữa các trạm SIMATIC S7 vàcác thiết bị trường (DP - Slave) được thực hiện theo chu trình lặp lại và với mộtdung lượng thông tin không lớn

2.3.4.3 Những tính chất đặc trưng của mạng PROFIBUS:

Thông qua PROFIBUS có thể được thực hiện đồng thời những hàm chức năngcủa các dịch vụ truyền thông sau:

FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Message Specification) và cáchàm chức năng của C7

FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Data Link) và các hàm chứcnăng của S7

PROFIBUS – DP tạo ra khả năng trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớcủa các nhà sản xuất khác nhau theo DP mà không cần có giao diện đặc biệt nào.Đối với SIMATIC S7/M7 tồn tại giao diện tích hợp PROFIBUS – DP (haigiao diện đối với S7 hoặc một module giao diện cho các CPU M7)

Thời gian đáp ứng nhanh (1  5 ms) khi đòi hỏi một trạm tớ DP (DP-Slave)phục vụ trạm chủ (DP-Master)

2.3.4.4 Các môi trường truyền dẫn:

RS 485: Tuân theo chuẩn EIA RS-485/4 máy tính truyền dẫn, cáp xoắn đôi(STP), mỗi đoạn cáp được chặn đầu bởi một trở kháng gọi là một đoạn segment.Các trạm được nối với bus qua đầu nối tối đa 127 trạm trên một network dùng bộ

lặp Độ dài tối đa một segment phụ thuộc vào: tốc độ truyền, loại cáp sử dụng, tốc

độ < 12 Mbit/s

Hình 2.3.4.4a Mạng PROFIBUS sử dụng RS485

Kỹ thuật hồng ngoại không dây: Mạng PROFIBUS không dây sử dụng ánh sánghồng ngoại để truyền tín hiệu, khoảng cách tối đa giữa hai trạm là 15 m, mạngkhông dây sử dụng module ILM (Infrared Module) Mạng không dây có độ linhhoạt cao, đòi hỏi không vật chắn trên đường truyền giữa hai trạm cấu trúc Point -Point, Point – MultiPoint, số trạm tối đa trên một mạng là 127

Hình 2.3.4.4b Mạng PROFIBUS không dây kết nối điểm - điểm

2.3.5 Mạng Ethernet công nghiệp.

Hình 2.3.5a Mạng Industrial Ethernet

IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản

lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tựđộng hoá Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trênmột phạm vi rộng Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xemđường dẫn có bị chiếm dụng không Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng

có thể gửi điện tín đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừngngay lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời gian nhất định,thời gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên

Hình 2.3.5b Mạng Ethernet công nghiệp thông thường

Hình 2.3.5c Mạng Ethernet công nghiệp quang

Hình 2.3.5d Mạng Ethernet công nghiệp quangMạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau:

Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn (CSMA/CD – Carrier SenseMultiple Access with Collision Detecion) thì các thành viên trong mạng Ethernetcông nghiệp đều bình đẳng với nhau

Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì các trạm không phải củaSIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernet côngnghiệp là mạng truyền thông mở

Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp:

Bảng 2.3.5: Thông số kỹ thuật của mạng Ethernet công nghiệp

Phương pháp thâm nhập đường dẫn CSMA /CD (Carrier Sense Multiple

Access with Collision Detection)

Môi trường truyền thông Dây dẫn

Cáp quang

- Cáp đồng trục

- Cáp đôi dây xoắn

- Cáp thuỷ tinh hoặcchất dẻo

Kiểu nối Đường thẳng, cây, hình sao và vòng

trònDịch vụ truyền thông S7-Function

ISO-TransportISO-on-TCP

2.4 Phân chia nhiệm vụ trên hệ thống SCADA

Cùng với sự phát triển của tự động hoá quá trình, lượng thông tin cần trao đổikhông ngừng tăng lên Để điều khiển một phân xưởng hay một nhà máy hoạt độngnhịp nhàng thì cần phải thu thập và xử lý thông tin về các vấn đề kỹ thuật, nguyênvật liệu và nhu cầu của các đơn đặt hàng Việc nối mạng và thực hiện các giảipháp tự động hoá sử dụng truyền thông số giúp cho việc xử lý thông tin trở nênchính xác, nhanh chóng và kịp thời, tối ưu hoá được quá trình sản xuất

Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một giải pháp tự động hoá không còn lànên hay không nên mà là lựa chọn hệ thống mạng truyền thông và các thiết bị

trường cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của ứng dụng thực tế Với lý do đó,bài toán được đặt ra là nghiên cứu hệ SCADA có khả năng điều khiển giám sát vàthu thập dữ liệu từ các bộ điều khiển vào vận hành nhanh chóng trong các ứngdụng công nghiệp.

Với các hệ thống truyền thống sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung(Centralized Control System), một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển cácquá trình con Các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp điểm - điểmvới máy tính trung tâm qua các cổng vào/ra của nó Toàn bộ chức năng xử lýthông tin tập trung trong một thiết bị điều khiển duy nhất

Cụ thể là khái niệm điều khiển tập trung ở đây được hiểu là việc sử dụng mộtthiết bị điều khiển duy nhất để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Một hệ thống

có cấu trúc tập trung là một hệ thống mà các quá trình đo lường, điều khiển, cảnhbáo, lưu trữ số liệu, chẩn đoán được thực hiện tại trung tâm điều khiển Trung tâmđiều khiển ở đây có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cánhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình, ta sẽ dùng thống nhất bằng thuật ngữthiết bị điều khiển

Hệ thống điều khiển tập trung bao gồm các thiết bị điều khiển, các bộ thu thập

có chức năng thu nhận tín hiệu từ hiện trường đưa lên máy tính trung tâm Các quátrình thu nhận tín hiệu, xử lý thông tin, giám sát quá trình đều do trung tâm đưa raquyết định Thông thường thiết bị điều khiển tập trung được đặt ở phòng điềukhiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hànhđược nối trực tiếp, điểm - điểm vào thiết bị điều khiển trung tâm thông qua cáccổng vào/ra của nó Thiết bị điều khiển trung tâm ngoài việc thu nhận tín hiệu đo

và đưa ra các quyết định điều khiển còn đảm nhận rất nhiều các chức năng khácnhư chức năng nhận dạng, chẩn đoán qúa trình, lưu giữ số liệu …

Cấu trúc điều khiển tập trung trên đây thường thích hợp cho các ứng dụng tự độnghoá quy mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị không mang tínhchất quá phức tạp Ở một điểm nào đó cấu trúc này đơn giản, dễ thực hiện, điểmđáng chú ý là sự tập trung toàn bộ “trí tụê” tức là chức năng xử lý thông tin trongmột thiết bị điều khiển duy nhất, phát huy được điểm mạnh của bộ điều khiển.Nhưng đây lại chính là nhược điểm cơ bản của hệ thống đó chính là sự phụ thuộc

vào một thiết bị điều khiển duy nhất Do vậy yêu cầu đòi hỏi độ tin cậy của thiết bịđiều khiển trung tâm là rất cao, khó đáp ứng được các yêu cầu về thời gian thựcvới các yêu cầu tính toán phức tạp.

Hình 2.4a Điều khiển tập chung với vào/ra tập chungNgày nay cấu trúc điều khiển tập trung thường chỉ được áp dụng cho những hệthống nhỏ với các máy móc vận hành đơn giản bởi giá thành thấp Tuy nhiên cấutrúc này còn có những hạn chế như:

Công việc nối dây phức tạp, số lượng cáp lớn, giá thành cao

Việc mở rộng hệ thống gặp nhiều khó khăn, độ linh hoạt không cao

Độ tin cậy kém do sự phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất, có thể dùnggiải pháp lắp thêm thiết bị điều khiển dự phòng nhưng sẽ dẫn đến chi phí cao.Phương pháp truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễchịu ảnh hưởng của nhiễu gây ra sai số lớn

Phạm vi ứng dụng hạn hẹp

Trong các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, dây chuyền sản xuất được phân chiathành nhiều phân đoạn, có thể bố trí tại nhiều vị trí cách xa nhau Để khắc phục sựphụ thuộc vào một máy tính của điều khiển trung tâm trong điều kiện tập trung và

tăng tính linh hoạt của hệ thống, mỗi phân đoạn có thể được điều khiển bằng mộtmáy tính cục bộ Các máy tính cục bộ nằm rải rác tại phòng điều khiển của từngphân đoạn, các phân đoạn này lại có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy quá trìnhđiều khiển tổng hợp cần có sự phối hợp giữa các máy tính điều khiển Việc phân

bố trí tuệ và chức năng theo cả chiều rộng và chiều sâu, kết hợp với việc sử dụngmạng truyền thông, đồng thời bên trong hệ thống sử dụng các thiết bị vào/ra tạichỗ làm tăng độ tin cậy, tính năng mở và độ linh hoạt của hệ thống

Như vậy sự phát triển về quy mô của các nhà máy, nhiều công đoạn xử lý khácnhau, độ phức tạp của hệ thống ngày càng tăng dần dẫn đến hệ điều khiển tậptrung không thể đáp ứng được những bài toán quy mô dẫn đến sự ra đời của mộtcấu trúc điều khiển khác đó là cấu trúc điều khiển phân tán

Cấu trúc tập trung có những hạn chế không đáp ứng được yêu cầu các ứng dụng

có quy mô vừa và lớn Trước hết ta xem xét thực tế một dây chuyền sản xuấtthường được chia thành nhiều phân đoạn khác nhau được bố trí tại nhiều phânđoạn khác nhau Ở đây ta sử dụng nhiều thiết bị điều khiển, mỗi phân đoạn đượcđiều khiển bằng một hoặc nhiều thiết bị cục bộ Các thiết bị cục bộ này được đặtrải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xavới quá trình kỹ thuật, bên cạnh đó quá trình điều khiển tổng hợp cần sự phối hợpđiều khiển giữa các máy tính điều khiển Các máy tính điều khiển được nối mạngvới nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống.Một hệ thống có cấu trúc như trên gọi là hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tánhay gọi là hệ điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System)

Hệ điều khiển phân tán có thể hiểu một cách đơn giản là hệ thống điều khiển kếthợp sử dụng nhiều thành phần khác nhau Hệ thống bao gồm các module phân tán

có chức năng điều khiển phân tán được liên kết với nhau theo một hệ thống mạngtuân theo các giao thức truyền thông công nghiệp Các module này có nhiệm vụthu thập các tín hiệu đo lường, sử dụng hệ thống bus trường với kỹ thuật truyền tin

số để truyền số liệu lên cấp điều khiển giám sát và ngược lại

Các module này đồng thời nhận các yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát như gửi sốliệu quá trình để lưu trữ ở trên, điều khiển trực tiếp đối tượng khi cần và thực hiệncác chức năng phân tán trên các công đoạn phân tán, các máy tính điều khiển

Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển, ra nhiệm vụ cho các phần điềukhiển riêng biệt, sau đó chỉ giám sát quá trình đó hoặc trực tiếp điều khiển mộtthiết bị hoặc một quá trình nào đó.

Hình 2.4b Cấu trúc hệ điều khiển phân tánMột hệ điều khiển phân tán thường bao gồm:

Trung tâm điều hành quá trình

Trung tâm điều khiển là các máy tính điều khiển, máy tính công nghiệp, máy tínhphối hợp được nối với nhau và nối với trung tâm điều hành qua các bus

Các bộ điều khiển tại chỗ như thiết bị vào/ra, cơ cấu chấp hành, cảm biến được nốivới trung tâm điều khiển qua bus trường (Field bus)

Ưu điểm của điều khiển phân tán:

Thay đổi cách nối điểm - điểm bằng mạng truyền thông, thời gian lắp đặt nhanhchóng

Độ tin cậy, tính linh hoạt và năng suất được nâng cao nhờ xử lý phân tán

Cấu trúc đơn giản dễ dàng chẩn đoán, bảo trì, bảo dưỡng hệ thống.

Việc sử dụng các giao diện chuẩn quốc tế nâng cao khả năng tương tác giữa cácthành phần

Có thể tích hợp các hệ thống mới và cũ, dễ dàng mở rộng hệ thống và kết nối với

hệ thống thông tin ở cấp trên

Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn

so với điều khiển tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thốngđược nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới Hệ có cấu trúc mởthể hiện khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau của các sản phẩm thuộc các hãngkhác nhau Việc mở rộng hệ thống do người sử dụng xây dựng theo các giải pháptiêu chuẩn quốc tế

Để nhìn nhận rõ hơn về khả năng ứng dụng rộng rãi của cấu trúc điều khiển phântán trong tự động hoá quá trình sản xuất công nghiệp ta có bảng phân tích tóm tắt

ưu nhược điểm của hai cấu trúc điều khiển phân tán và điều khiển tập trung nhưsau:

Điều khiển phân tán Điều khiển tập trung

Về mặt kinh tế

Sử dụng bus trường, giảm chi phí cho

việc lắp đặt nhiều dây, giảm chi phí

bảo dưỡng, nâng cấp

Công việc nối dây phức tạp, giá thànhcao

Về mặt kỹ thuật

Hiệu năng và độ tin cậy tổng thể của hệ

thống được nâng cao nhờ sự phân tán

chức năng xuống các cấp dưới Sử

dụng các giao diện chuẩn hoá, đảm bảo

sự đồng bộ truyền thông giữa nhiều

loại thiết bị khác nhau

Độ linh hoạt cao hơn, dễ dàng mở rộng

và phát triển hệ thống

Nâng cao tính năng thời gian thực, tiết

kiệm dây dẫn, tính ổn định bền vững

của hệ thống tốt hơn

Dễ dàng lắp đặt, tốc độ truyền cao hơn

Độ tin cậy thấp do sự phụ thuộc vàomột thiết bị điều khiển duy nhất.Đường truyền không đảm bảo dễ gâysai sót

Độ linh hoạt không cao, việc mở rộng

hệ thống gặp nhiều khó khăn

Tính năng thời gian thực bị hạn chế,phạm vi ứng dụng hạn hẹp

Điều khiển phân tán Điều khiển tập trung

Dùng thiết bị vào/ra phân tán, tiết kiệm

không gian cho tủ điều khiển

Bảng 2.4 So sánh ưu nhược điểm của

Chương 3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển hiện đại ( LT 6)

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển hiện đại được mô tả trên hình 3

Hình 3a cấu trúc của hệ thống điều khiển hiện đại

Luồng thông tin trong hệ thống điều khiển tích hợp được chia làm 3 mức cụ thể

như sơ đồ cấu trúc Hình 3b dưới đây.

Hình 3b Cấu trúc hệ thống tích hợp điều khiển.

3.1 Chức năng và nhiệm vụ của Level I.

Trong một số tài liệu còn gọi theo một tên gọi khác là trạm điều khiển hiện trường

Ở trạm điều khiển hiện trường (hay còn gọi là Level I) chứa các phần tử đầu cuối như:

- Các cảm biến: Để lấy tín hiệu các tham số công nghệ của quá trình sản xuất (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng, cảm biến mức, cảm biến nồng độ….)

- Các phần tử chấp hành: Để thay đổi các tham số của quá trình công nghệ trong thực tế thường gặp là các động cơ, các van điều khiển điện, các van điều khiển khí nén, các van điều khiển Điện - Khí nén, khi các phần tử này làm việc sẽ làm thay đổi giá trị các tham số công nghệ như (Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, nồng độ….) theo chiều mà người điều khiển mong muốn, nhờ các thuật toán đã được xâydựng trong quá trình đã thiết kế

- Các bộ điều khiển

Các bộ điều khiển số ở Leve 1 (có thể được lắp đặt độc lập hoặc tích hợp cùn cảm biến, trong thực tế những bộ điều khiển tích hợp cùng cảm biến được gọi là bộ biếntruyền như: Biến truyền nhiệt độ, biến truyền lưu lượng, biến truyền áp suất, biến truyền mức, biến truyền nồng độ)

Các bộ điều khiển số có hai nhiệm vụ: Chỉ thị và điều khiển giá trị tham số công nghệ, chuẩn hóa tín hiệu từ các bộ cảm biến thành dạng tín hiệu đồng bộ với bộ điều khiển tại trung tâm

Ngoài các chức năng quan trong trọng đã phân tích ở trên, mức Leve I còn có thêm các nhiệm vụ sau:

Thu thập dữ liệu quá trình công nghệ thời gian thực;

Tính toán theo algorithm và đưa ra tín hiệu điều khiển theo qui luật cho trước;Báo hiệu về việc vượt quá ngưởng cho phép của các thông số;

Block những hành động lổi của Operator và thiết bị điều khiển;

Ngăn ngừa xãy ra Alarm

3.2 Chức năng và nhiệm vụ của Level II.