Hệ điều khiển dcs cho nhà máy sản xuất điện năng pdf

Academia.edu no longer supports Internet Explorer.

To browse Academia.edu and the wider internet faster and more securely, please take a few seconds to upgrade your browser.

Tình trạng: Còn ít hàng hoặc hết

Tác giả: Nhiều Tác Giả
Nhà xuất bản: NXB Khoa học và kỹ thuật
Nhà phát hành: NXB KHKT
Mã Sản phẩm: 8935048961360
Khối lượng: 450.00 gam
Định dạng: Bìa mềm
Kích thước: 19x27 cm
Ngày phát hành: 06/2006
Số trang: 266

Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1) Phần I : TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS. Chương 1: Điều Khiển Phân Tán. Phần II: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN. Chương 2: Khái Quát Chung Về Hệ Thống Điều Khiển Lò Hơi Trong Nhà Máy Nhiệt Điện. Chương 3: Hệ Thống Điều Khiển Hơi. Chương 4: Hệ Thống Điều Khiển Mức Nước Bao Hơi. Chương 5: Quá Trình Cháy Trong Buông Lửa Lò Hơi. Chương 6: Hệ Thống Điều Khiển Khói Cho Lò Hơi. Chương 7: Hệ Thống Điều Khiển Nhiên Liệu Cấp Cho Lò Hơi. Chương 8: Các Chế Độ Điều Khiển Lò Hơi. Phần III: HỆ DCS TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐỐT THAN 186. Chương 9: Yêu Cầu Kỹ Thuật Của Hệ DCS Cho Nhà Máy Nhiệt Điện Đốt Than. Chương 10: Hệ Thống Điều Khiển Nhà Máy Điện. Chương 11: Đánh Giá Và Chỉnh Định Các Vòng Điều Chỉnh PID.

Mời bạn đón đọc.

Các sản phẩm được giới thiệu bởi Xem Sách Hay đều hỗ trợ mua hàng online, thanh toán khi nhận hàng (COD) Và có đầy đủ hình thức thanh toán cho bạn lựa chọn.

Nhà Cung Cấp	LINK MUA	Giá
Tiki	MUA NGAY	37.000₫
Shopee	MUA NGAY

Tải sách Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1), dowload sách Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1), Đọc sách Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1) online, Download Ebook Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1) free, Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1) pdf doc prc, Xem sách Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1) online, review sách Hệ Điều Khiển DCS Cho Nhà Máy Sản Xuất Điện Năng (Tập 1)

NỘI DUNG: Phần I : TỔNG QUÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS. Chương 1: Điều Khiển Phân Tán. Phần II: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN. Chương 2: Khái Quát Chung Về Hệ Thống Điều Khiển Lò Hơi Trong Nhà Máy Nhiệt Điện. Chương 3: Hệ Thống Điều Khiển Hơi. Chương 4: Hệ Thống Điều Khiển Mức Nước Bao Hơi. Chương 5: Quá Trình Cháy Trong Buông Lửa Lò Hơi. Chương 6: Hệ Thống Điều Khiển Khói Cho Lò Hơi. Chương 7: Hệ Thống Điều Khiển Nhiên Liệu Cấp Cho Lò Hơi. Chương 8: Các Chế Độ Điều Khiển Lò Hơi.

Phần III: HỆ DCS TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐỐT THAN 186.

Chương 9: Yêu Cầu Kỹ Thuật Của Hệ DCS Cho Nhà Máy Nhiệt Điện Đốt Than. Chương 10: Hệ Thống Điều Khiển Nhà Máy Điện. Chương 11: Đánh Giá Và Chỉnh Định Các Vòng Điều Chỉnh PID. Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc.

LINK ĐẶT MUA SÁCH ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK DOWNLOAD (SÁCH TƯƠNG TỰ)

LINK DOWNLOAD (UPDATING...)

Phần III: HỆ DCS TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐỐT THAN 186.

LINK ĐẶT MUA SÁCH ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK DOWNLOAD (SÁCH TƯƠNG TỰ)

LINK DOWNLOAD (UPDATING...)

Trang web này phụ thuộc vào doanh thu từ số lần hiển thị quảng cáo để tồn tại. Vui lòng tắt trình chặn quảng cáo của bạn hoặc tạm dừng tính năng chặn quảng cáo cho trang web này.

BÙI QUỐC KHÁNH - NGUYỀN DUY BÌNH PHẠM ■ QUANG ĐĂNG - PHẠM ■ HồNG SƠN CHO NHÀ MÁY NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT https://tieulun.hopto.org
BÙI Q l ỏ c KHẢNH - NGUYỄN DUY BÌNH PHẠM QUANG ĐĂNG - PHẠM HÒNG SƠN HỆ ĐIỀU KHIẺN DCS CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT ĐỈỆN NĂNG (Sách giáo trình dùng cho sinh viên các trường đại học kỹ thuật) (Tái ban lần thứ 2 - có sưa chữa ) NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỢC VÀ KỶ THUẬT HÀ NỘI 2013 https://tieulun.hopto.org
■ X ■ r ■ HI A Lời nói đâu Sàn xuất diện năng là quá trình phức tạp liên quan tới nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau. M ỗi nhà máy điện có nhiều tô máy, các nhà máy điện được găn kêt với lưới điện thành một hệ thống điện quốc gia. Vì vậy hệ thống điều khiển nhà máy điện là hệ thống lớn, cơ sở dữ liệu phải thống nhất, đảm bào tính ổn định bền vững, độ tin cậy cao. Trong những năm gần đây, hệ thống tự động hóa nhà máy điện được thừa hường thành tựu khoa học công nghệ điện tử, tin học và kỹ thuật điều khiên, đã có sự phát triên vưọt bậc. Hệ tự động hóa nhà máy điện hiện đại được ứng dụng gần đây phần lớn sử dụng hệ điều khiên phân tán (DCS - Distributed Control System). Hệ được xây dựng trên môi trường số, có cơ sờ dừ liệu toàn cục (Global) cho giám sát vận hành và điều khiển. Những chức năng điều khiên được phân bô cho các bộ điêu khiên với khả năng điều khiển lớn có đầu vào/ra phân tán đê kết nôi với các thiết bị chấp hành và đo lường thông minh (Smart Sensor). Tất cả hệ được tích hợp và kết nối với nhau bời các mạng truyền thông chuẩn công nghiệp. ờ V iệt Nam những năm gần đây đã có hàng loạt nhà máy điện đang xây dựng và đưa vào vận hành với mức độ tự động hóa cao trang bị hệ điều khiên DCS hiện đại của các hãng nôi tiếng thế giới như: Yokogawa, A B B , Siemens, Honeywell, Emerson....Chính vì vậy lưọ*ng kỹ sư tự động hóa làm việc trong các nhà máy điện được dự báo ngày càng tăng. Đẻ đáp ứng nhu cầu của thực tiễn sản xuất, Bộ môn Tự động hóa - Trường Đ H B K Hà nội đã cho giảng dạy môn học Hệ điều khiên DCS tự động hóa nhà máy nhiệt điện cho sinh viên. Bộ môn giao cho PGS. Bùi Quốc Khánh chủ biên phối họp với các cán bộ phòng Hệ thống Tự động hóa và phòng Công nghệ Năng lượng - Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay là Viện K ỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trưcrng Đ H B K Hà nội) biên soạn giáo trình ';Hệ điều khiên DCS cho nhà máy sản xuất điện năng'\ Nội dung giáo trình đà được Hội đồng xét duyệt giáo trình của Truông Đại học Bách khoa Hà nội thông qua. N ội dung của giáo trình được chia làm 3 phần: ■ Phần I: Tổng quan về Điều khiển phân tán (DCS). ■ Phan II: Phân tích cấu trúc các mạch vòng điều khiển điển hình của nhà máy nhiệt điện đốt than. ■ Phan III: Hệ DCS cho nhà máy điện đốt than. PGS. Bùi Quốc Khánh, TS. Phạm Quang Đăng, ThS. Phạm Hồng Son tham gia biên soạn phần I. PGS. Bùi Quốc Khánh biên soạn phần II, PGS. Bùi Quốc Khánh, Ks. Nguyễn Duy Binh, Ths. Phạm Hồng Son’, tham gia biên soạn phần III. Giáo trình được biên soạn phục vụ cho sinh viên ngành Tự động hóa đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư các ngành có liên quan. Tập thê tác già xin cảm on các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa, cán bộ nghiên cứu của Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay là Viện K ỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đ H B K Hà nội), các cán bộ kỹ thuật trong ngành điện lực đã quan tâm góp ý cho nội dung giáo trinh. Tiếp thu ý kiến đóng góp cùa bạn đọc và các đồng nghiệp, trong lần tái bản này một số nội dung đã được sửa chữa và chinh sửa. Tuy nhiên nội dung của cuốn sách đề cập tới vấn đề lớn, https://tieulun.hopto.org
phức tạp lại mang tính thực tiễn cao do vậy việc biên soạn không tránh khỏi thiếu sót. Tập thê tác già mong các bạn đồng nghiệp và độc giả tiếp tục góp ý kiến đẻ cho cuôn sách ngày càng được hoàn thiện hơn. Thư góp ý xin gửi về Viện kỹ thuật điều khiên và tự động hóa, nhà Công nghệ cao, Trường Đại học Bách khoa Hà N ội hoặc Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 70 Trân hưng Đạo - Hà N ội. Chứng tôi xin chân thành cảm ơn. Các tác giả 4 https://tieulun.hopto.org
PHÀN I: TÒNG QUAN HỆ ĐIÈU KHIẾN DCS CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIÊN PHÂN TÁN 1.1 Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất và các hệ đỉều khiến 1.1.1 Tự động hóa quá trình sản xuất và tự động hóa quá trình công nghệ Hệ thống điêu khiên, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành nhiều câp. Phù hợp với thực tẽ này, hệ thôn« tự độn« hóa quá trình sản xuât cũng được phân chia thành nhiêu câp và điên hình của một hệ thốn« tự độn« hóa quá trình sản xuất thường bao gôm 5 cấp như trẽn Hình 1-1. Đặc điêm của các cấp này như sau: Câp thứ nhất: là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường. Nó thực hiện kết nổi các thiết bị điêu khiên vói các cảm biến và co* cấu chấp hành. 5 https://tieulun.hopto.org
cấp thứ hai: là cấp điều khiên thực hiện các chức năng điêu khiên các quá trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các thiết bị điều khiên, thiết bị điều khiên logic kha trình PLC. thiẻt bị điều khiển trong các máv điều khiên số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp. Cấp thứ ba: là cấp vận hành, giám sát chi huy và thực hiện chức năng vận hành giam sát. Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người - máy. lưu trữ các sô liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đôi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất.... Chức năng điều khiên ờ câp này là điêu khiên câp cao do người vận hành dam nhiệm hoặc do các máy tính thực hiện chức năng điều khiên cấp cao. Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các câp 1. 2 và 3 là các câp trực tiêp thực hiện quá trình công nghệ. Cấp thứ tư: là cấp điều hành sản xuất thực hiện phối hợp các quá trình công nghệ với nhau và với các hệ thống phụ trợ sán xuất như kho tàng, hệ thống cung ứng vật tư, nguyên liệu, nhiên liệu và nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lv san xuất, quan lý nguỗn lực,... Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và vãn phòng công ty tại nhiêu thành phố và quốc gia khác nhau. Trong SO' đỏ phân cắp cúa hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiẽp thực hiện quá trình còng nghệ và hệ thống điều khiên tự động áp dụng cho các câp này còn được gọi là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng điều hành, quản lý và hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hóa điều hành và quản lý sán xuất. Trong khuôn khỏ cua cuốn sách nàv. hệ thống được đề cập chù yếu là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ, có nghĩa là các cấp 1. 2 và 3 trong SO' đô phân cấp hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất. cơ cấu chấp hành Hình 1-2. Thông tln trong một hệ thống điều khiển đơn giản 6 https://tieulun.hopto.org
1.1.2 Sự ra đòi và phát triên của các hệ thống điều khiên Mục tiêu của hệ thống tự động hóa quá trình san xuất la để đảm bào hoạt động an toàn và kinh tế. Trong hâu hét các nhà máy công nghiệp hiện nav đều có một sô loại thiết bị điều khiên nhất định, ơ cấp độ đon giản nhất, nhà máy có thể chi bao gồm một động co- điện truyền động cho một chiếc quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ trong phòng. Ớ dạng phức tạp hơn đó có thẻ là một lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện năng cung cấp cho nền kinh tế. Bẽn cạnh quy mô và độ phức tạp, tất cà các hệ thống điều khiên đều được chia ra thành ba phần theo chức năng: thiết bị đo. thiết bị điêu khiên và CO' cấu chấp hành. Thiết bị điều khiên giám sát các thông số trạng thái của các quá trình trong nhà máy thông qua các thiết bị đo. Thiết bị đo có chức năng chuyên đôi thông tin vật lý thành tín hiệu điện và đưa vào đầu vào cùa thiết bị điều khiên. Dựa trẽn trạng thái từ các đau vào, thiết bị điều khiển sử dụng các thuật toán đã được chương trình hóa đẽ tính toán cho tín hiệu ra điều khiên các cơ cấu chấp hành. Tùy thuộc yéu câu của công nghệ, mức đâu tư và trình độ ứng dụng mà các hệ thống điêu khiên khi dua vào thực tế cũng có nhiêu mức độ khác nhau. Tuy nhiên bất cứ một hệ thong điêu khiên nào cũng đêu có các mục đích chung: • An toàn cho con người và thiẻt bị trong hoạt động san xuất; • Vặn hành tin cậy, kinh tẻ: • Nâng cao chất lượng, năng suất; • Tăng sản lượng. Những hệ thống điều khiên đầu tiên dã ra đòi trong cuộc Cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ X IX . Chức năng điều khiên được thực hiện thông qua các thiết bị cơ khí tinh xảo như các cơ câu cam chương trình, thực hiện tụ động hóa cho một vài công đoạn quan trọng, phức tạp và có tính lặp đi lặp lại trong các dây chuyên. Các thiết bị này thưÒTìg được thiết kế cho từng ứng dụng cụ thẻ riêng biệt. Đâu the kỳ 20 các đèn điện tử và khuêeh đại điện tử băt đâu xâm nhập vào công nghiệp đã làm cho dâv chuyền sản xuât tự động đỡ công kênh hon. Thiêt bị tự động điên hình trong thời gian này là các thiết bị điều khiên dùng dẻn diện tư. các thiét bị do và điều khiên được tô hợp là điện thế kế tự động ghi. các rơle thời gian diện tứ.... Vào cuối những năm 1960 đâu những năm 1970 điện tử công suất, vi mạch điện tử đặc biệt là các bộ vi xử lý 4-bit. 8-bit ra dòi đâ làm thay đòi rắt nhiều về các thiết bị điều khiên. Các thiết bị điêu khiên tương tự. thiết bị điều khiến số. thiết bị điều khiển số lập trình 4-bit. Nhò' tiến bộ kỹ thuật này hệ điều khiên đã có cải thiện rõ rệt, gọn nhẹ và tính năng giám sát vận hành tập trung đã bất đâu xuât hiện. Điên hình về các công nghệ mới giai đoạn này ỏ' Việt Nam là các dây chuyền tự động X i măng Hoàng Thạch I. giấv Bãi Bằng, nhiệt điện Phả Lại. Vào cuối thập kỷ 80 của thế ký 20 do tính năng vi xử lý và vi điều khiển được nâng cao nên đà xuất hiện các thiết bị điều khiên mạnh là PLC (thiết bị điều khiên logic kha trình) chađiều khiên logic, thiêt bị điều khiên sỏ quá trình có các mạch vòng tín hiệu liên tục. Vào giữa thập kỷ 90 của thể kv 20 hệ điều khiển DCS ra đòi, các PLC và các thiết bị điều khiên sô được kêt nôi với nhau và với trung tâm giám sát vặn hành qua các đường truyền thông. Các hệ thống điêu khiên sản xuảt dần dần hoàn thiện và phát triẽn hoàn chinh như ngày nay. 7 https://tieulun.hopto.org
Đen nhũng năm cuối cùa thế kỷ 20 và những năm đầu của thế kỷ 21 đã chửng kiến một xu hướng mới trong quan điểm về các hệ điều khiển. Giờ đây ranh giới giữa các hệ điều khiển ngày càng bị lu mờ và ngày càng xuất hiện them nhiêu hệ thống điều khiển mói nhằm đáp ứng như cầu của các công nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (H ybrid Control System), hệ điều khiển bằng máy tính (Computer Based),... Những năm này cũng chứng kiến sự ra đòi của hàng loạt tiêu chuân trong điều khiên như tiêu chuẩn về ngôn ngừ lặp trình, tiêu chuân truyền thông, tiêu chuân về giao diện đã mang các hệ điều khiên lại gân nhau hon. phá bo the độc quven của các nhà cung cắp trước đó, tạo sự thuận lợi lớn cho khách hàng. Xu thế của các hệ thống điều khiên hiện nay là giảm thiêu chi phí phân cứng, tăng cường áp dụng các thuật toán, cấu trúc điều khiên hiện đại, tiến tiên như điều khiên mờ, điều khiên noron, điều khiển theo mô hình dự báo,... vào trong công nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng chất lượng và tiết kiệm năng lượng. 1.1.3 Các hệ thống điều khiển hiện nay Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử và tin học làm xuất hiện các thiết bị và hệ thống điều khiển sử dụng kỹ thuật số. Ngày nay các thiết bị và hệ thống điều khiển phô biến đều sử dụng kỹ thuật ,số với chủng loại và quy mô vô cùng phong phú và gần như không có gianh giói giữa các lớp thiết bị, hệ thống điều khiển. Tuy nhiên cho dù nhà máy ở quy mô lón hay nhò thì ta cũng thấy trong đó tồn tại ba ứng dụng điều khiển co bản sau: • Điều khiển logic Thực hiện các liên động, logic trình tự cho quá trinh công nghệ. Nền tảng khoa học cho ứng dụng này là các phép toán logic. • Điều khiển - điều chinh ủ n g dụng này thực hiện các mạch vòng điều khiên - điều chinh nhằm duy trì một đại lượng xác định của quá trình công nghệ theo lượng đặt cho trước để đảm bao các điều kiện yêu cầu của quá trình công nghệ. Nền tảng khoa học cho việc xây dựng và phát triển ứng dụng này là lý thuvết điều khiển tự động. • Giám sát, vận hành và thu thập số liệu (S C A D A ) Úng dụng này hỗ trợ người vận hành giám sát và vận hành toàn bộ quá trinh công nghệ, ủ n g dụng này thực hiện chức năng điều khiên cấp cao do con người thực hiện với sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng như điều khiển mẻ, tối ưu quá trình,... Tùy theo tính chất của quá trình công nghệ trong một nhà máy có thể ứng dụng điều khiến logic chiếm ưu the hon ứng dụng điều khiên - điều chỉnh hoặc ngược lại và chúng ta cỏ thể phân chia chúng thành cac nhóm như sau: • Hệ thống tự động hóa nhà máy (Factory Automation): Hệ thống tự động hóa nhà máy kết nối các thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) với các trạm vận hành giám sát. Úng dụng chủ yếu cùa hệ thông này là cho các ứng dụng sản xuất rời rạc trong đỏ các ứng dụng điêu khiên logic là chủ yếu như các hệ thống sàn xuất, lắp ráp cơ khí mà điên hình là các nhà máy sàn xuất và lap ráp ỏ-tô;• • Hệ thống tự động hóa quá trình (Process Automation): Hệ thống tự động hóa quá trình kết nối các thiết bị điều khiên số quá trình với nhau và với các trạm vận hành giám sát. Điẻm nôi bật của các hệ thống này là nó cho phép các thiết bị điều khiển có thể trực tiếp trao đồi dữ liệu với nhau đẽ cho phép thiết lập cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) nhằm nâng cao chất lưọng và hiệu quả điều khiển, ủ n g dụng chú yếu của các hệ thống này là cho các quá trình sản xuất liên tục trong đó các vòng 8 https://tieulun.hopto.org
điều khiên điều chinh liên tục là chu yếu như các quá trình sản xuảt điện năng trong nhà máy nhiệt điện, quá trình san xuất trong các nhà hóa chât. lọc dâu,...; • Hệ thống điều khiển lai là các hệ thống điều khiển trung gian giừa hai hệ thong kê trên trong đó các thiết bị điều khiển có thẻ tùy biến cho hoạt động theo chẻ độ cua PLC hoặc theo chế dộ của các thiết bị điều khiển số quá trình, ú n g dụng chu yếu của hệ thống này là trong các quá trinh cỏng nghệ cỡ vừa trong đó tưong quan giữa ứng dụng điều khiển logic và điều khiên-điều chỉnh là tương đưong nhau. a) Thiết bị điều khiển điển logic khả trình (PLC) Các thiết bị điều khiên logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triên trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le. Các thiết bị PLC có ưu diêm là tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cõ' micro tới m ili giây) tuy nhiên khả năng xử lý các tín hiệu analog lại kém. Trên Hình 1-3 là cấu trúc tổng quan phần cứng của các thiết bị PLC: 0 Sỵ' u ,-^s Central T — ÍM /— Processing p u y~< Unit T S À X s \l ..LJ Hình 1-3. Tồng quan phần cứng của PLC Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng điều khiên logic độc lập như là ứng dụng điều khiên trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn san xuảt độc lập tưong đối với các công đoạn khác. N ói chung PLC thiên về các ừng dụng đon le. Ưu điểm cua PLC là xử lv các phép tính logic với tôc độ rât cao. thời gian vòng quét nhò (cõ' JUS- ms/vòỉigquét). Ban đầu PLC chi dược sử dụng cho dieu khiên logic và chi quàn lý được các đâu vào/ra sô. Qua quá trình phát triẻn, ngày nay một số loại PLC đã được bô xung thêm nhiều chức năng như khả năng quàn lý đầu vào/ra analog, khả năng hỗ trợ các hệ thống truyền thông công nghiệp.... Các giao thức truyền thông công nghiệp mà các PLC hiện nay hỗ trợ là: PROF1BUS. AS-i. DeviceNet. Việc hỗ trợ thêm các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế hệ sau này cua PLC đã mờ ra khả năng ứng dụng PLC trong các hệ thống lớn hơn bằng cách nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), hoặc cũng có thẻ két nối vói mảy tính có phần mềm giao diện người - máy (H M I) tạo thành hệ PLC /H M I đẻ điêu khiên, giám sát và thu thập số liệu. Tuy có khả năng quản lý được dầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được CÒĨ1 khá hạn che, không hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (multi-task) nên thuật toán xử lý trên các biến analog kém. không phù hợp với yêu cầu điều khiển-điều chinh. PLC cộng với các máy tính cá nhân (PC), các máy tính công nghiệp (IPC) cùng có thể thực hiện được phương án điều khiên phân tán nhưng sè mât rât nhiêu công sức lặp trình và nó không thê thav thê các hệ DCS thương phẩm do có những hạn chế sau:• • Co sò' dừ liệu nhò. chua mang tính toàn cục dẫn tới dòi hòi các kỹ sư thiết kế phái tiêu tôn nhiều thời gian vả công sức đẻ phát triẻn hệ cơ sò' dũ' liệu quá trình nếu 9 https://tieulun.hopto.org
muôn sử dune PLC cho các ứng dụng lớn, phức tạp hơn. Đặc biệt nêu muôn thiẻt lập cấu trúc điêu khiên phân tán thì phái mất nhiều công sức cho lập trình truyền thòng chia sẻ dữ liệu giữa các PLC. • Độ tin cậv trong sản xuất kém vì hiện nay kha năng dự phòng của PLC mới thực hiện được ờ một số khâu và hạn chế nữa cua PLC là không có khá năng thay đôi chương trình trực truyền - thay đôi chương trình trong khi PLC vẫn làm việc. Nẻu muôn thav đôi chương trình của PLC, ta phải dừng PLC dan đẻn làm gián đoạn sản xuất. M ỏt số nhà cung cấp sản phâm PLC: Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens. Yokogawa, Omron. A B B . A B .... b) Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) DCS là chừ viết tắt cua Distributed Control System - hệ thống điều khiên phân tán - và nó dược dùng đẻ chi lớp các hệ thông điêu khiên sử dụng cấu trúc điều khiên phân tán. Khác với hệ thống điêu khiên xảy dựng trên CO' sờ PLC. DCS là giải pháp tông thê kẻ cà pìiần cứng, phần mêm và truyền thông cho toàn hệ thống được phát triên từ các ứng dụng điều khiên của ngành công nghiệp hóa chât với các thiêt bị điêu khiên ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự. Giải pháp thiết kẽ của các hệ thống điêu khiên sản xuất thương phâm là hướng vào hỗ trợ các ứng dụng điêu khiên phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mờ. khả năng tích hợp cao kẻ ca tích hợp với các PLC khác nhau điều khiên máy và công đoạn sản xuất độc lập. Đặc biệt đẻ hỗ trợ cho cấu trúc điều khiên phân tán nên các hệ thống điều khiên này có chức nàng trao đổi dừ liệu trực tiếp giữa các thiết bị điều khiên. Mục tiêu là tạo thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điêu khiên. Thê mạnh của hệ thống điều khiên sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tưong tự và thực hiện các chuôi quá trình phức tạp. khả năng tích hợp dề dàng. Các hệ thống điều khiên san xuất thương phàm ngày nay thường bao gồm các thiết bị điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông và phân mềm điều hành hệ thống tích hợp hồ trợ khá năng điều khiên phân tán. Các hệ thống này có the quản lý được từ vài nghìn điểm đến hàng chực nghìn diêm vào/ra. Nhò' câu trúc phân cứng và phân mẻm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thòi nhiều vòng điều chỉnh, điều khiên nhiều tầng, hay theo các thuật thuật toán điều khiên hiện đại: nhận dạng hệ thông, điêu khiên thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC). Fuzzy, Neural, điều khiên chất lượng (ỌCS). Đê phục vụ cho việc trao đôi thông tin của chức năng DCS. các hệ thống điều khiển thương phâm ngày nay hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý. Hiện nay các giao thức nàv đă được chuân hoá (Profibus, Foundation FieldBus. Ethernet). Các hệ điêu khiên thương phâm với câu trúc DCS ngày này có độ tin cậv rất cao nhờ có kha năng dự phòng kép ờ tất cả các thành phần trong hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông), khả năng thay đôi chương trình (sửa chừa và download), thay đôi cấu trúc của hệ. thêm bót các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khôi động lại quá trình (thay đổi online). Co' sờ dừ liệu quá trình trong các hệ điêu khiên với câu trúc DCS cũng được thiết kế sẵn và là CO' sờ dừ liệu lớn có tính toàn cục và thống nhất. Các nhà sản xuất hệ điều khiên hỗ trợ tính năng DCS cũng cam kết thời gian hồ trợ với các sản phâm từ 15 tới 20 năm đẻ đảm bảo thời gian hoạt động và khai thác của các hệ thống lớn. Tắt cả những đặc diêm trên cho thấy các hệ điều khiển sản xuất với tính năng DCS hoàn toàn đáp ứng yêu câu về một giải pháp tự động hoá tích hợp tông thẻ. Các chuyên gia cho rằng tới 10 https://tieulun.hopto.org
nav. các hệ thống điều khiển theo cấu trúc DCS vẫn là không thế thay thế được trong các ứng dụng lớn. thị trường các hệ điều khiển theo cấu trúc DCS toàn cầu tăng trường 2-3%/năm M ột số nhà cung cấp hệ DCS thông dụng tại Việt Nam: AB. A B B . Yokogawa, Emerson. Toshiba,... c) Hệ lai Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho các hệ thống điêu khiên, gằn đâv các nhà cung cáp đã cho ra đời các hệ điều khiên mới gọi là hệ điêu khiên lai (H ybrid Control System). Do ra đòi sau. kế thừa nền tảng công nghệ cùa cả hệ thống điều khiên trên CO' sô' PLC và hệ thống điều khiên với cấu trúc DCS nên hệ lai là sự pha trộn thuộc tính cua hệ điều khiên trên cơ sơ PLC và hệ điều khiển với câu trúc DCS. Trong hệ thông điêu khiên lai thiết bị điêu khiển có thẻ được tùy biến để có thể hoạt động như bộ PLC hoặc hoạt động như thiết bị điều khiên quá trình nên nó có khả năng thực hiện được cả các quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được đến khoảng mười nghìn điểm vào/ra. Hệ thống lai cỏ các thiết bị điều khiên nhò hơn các hệ thống điều khiên thương phâm có cấu trúc DCS nhưng tận dụng được các ưu điêm thiết kế của các hệ điều khiển có cấu trúc DCS thương phâm. Các hệ lai cũng cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus trường bao gồm Foundation Fieldbus, AS-i. Profibus và DeviceNet. Các hệ lai thường hỗ trợ các chuẩn mở như là OPC (OLE for Process Control), X M L và ODBC. Chúng cũng rất có ưu thế trong việc tích hợp vào hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị thấp nhu điện thoại không đâv, máy nhắn tin và PDA. Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điêu khiển theo mẽ, theo khối và vận hành giám sát. Ngoài ra, các công cụ phát triẽn ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngừ lập trình bậc cao đã được chuân hoá giúp cho các kỹ sư thiêt kê, phát triên một ứng dụng dễ dàng nhanh chóng hơn. Với nhũng ưu điểm trên, các hệ điêu khiên lai ngày càng phát triên mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Mức tăng trường toàn cầu của thị trường này khoảng 5 - 7%/ năm. Hạn chế ứng dụng cua hệ thống điều khiên lai là do các thiêt bị điều khiên nhò dẫn tới lưu lượng truyền thông lớn và nó sè hạn clìẻ vè so lượng diêm vào/ra. đặc biệt khi hệ thống yêu cầu chu kỳ điều khiển nhò. Với khả năng IT1Ờ rộng cơ sờ dữ liệu hạn chế (tối đa khoang 60.000 tags) các hệ lai cũng không đu phục vụ cho các ứng dụng lớn. M ột số hệ điều khiên lai có thể kể ra như: DeltaV (Fisher-Rosemount) Simatic PCS7 (Siemens). Stardom (Yokogavva), Freelance (ABB). 1.1.4 Điều khiển phi tập trung, điều khiển tập trung và điều khiển phân tán Có rất nhiều định nghĩa vẻ hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều khiên, các nhà tích hợp hệ thông đều có những định nghĩa cho riêng mình về điều khiên phân tán. Các định nghĩa có sự khác nhau về cách trình bày nhưng các định nghĩa đều xuất phát từ câu trúc phần cứng, phân bố chức năng điều khiển và chức năng quản lý, CO' sô' dữ liệu, tính mờ rộng, độ săn sàng, độ tin cậy,... của hệ thống. Đẻ người đọc có được cái nhìn tông thê về hệ điều khiên phân tán ờ đâv chúng tôi trình bày khái niệm về điều khiển phân tán trong tương quan với các câu trúc điêu khiên khác là điều khiển phi tập trung và điều khiên tập trung. Khi xem xét một đôi tượng điều khiên với nhiều đầu vào. nhiều đầu ra (hệ M IM O ), người kỹ sư thiêt kẽ điều khiên có hai lựa chọn cho chiến lược điều khiên đối tượng này đó là sử dụng https://tieulun.hopto.org
chiến lược điểu khiên nhiều mạch ròng (multi-loops) hoặc là điêu khiên đa hiên (m ulti- variable). Theo truyền thống, để hệ thống điều khiển đơn giản và dễ thực hiện, chiên lược điêu khiển nhiều mạch vòng thường được lựa chọn trong đó mỗi vòng điều khiên là cặp đỏi cùa một biến bị điều khiên và biến tác động. Trong chiến lược điều khiên này người ta thường bỏ qua tác động chéo giữa các vòng điều khiên hoặc coi các tác động chéo này là nhiêu đẽ thiêt kẽ bộ điêu khiển. Chiến lược điều khiên này cho phép người ta có thể thực hiện riêng rẽ mồi mạch vòng điều khiển trên một thiết bị điều khiển độc lập vói các thiết bị điều khiển khác. Dữ liệu quá trình với mỗi vòng điều khiên là độc lập. riêng rê mà việc tập hợp chúng lại trên các máy tính vận hành - giám sát chi có ý nghĩa cho vận hành - giám sát. không có ý nghĩa cho điều khiên. Câu trúc của hệ điêu khiên như vậv gọi là điêu khiên phi lập trung. Việc bô qua tác động chéo giừa các vòng điều khiên mang lại chât lượng điêu khiên không cao trong chiến lược điều khiên nhiều mạch vòng nói chung và câu trúc điẻu khiên phi tập trung nói riêng. Đê nâng cao chất lượng điều khiên ta phai chuyên sang chiên lược điêu khiên đa biên. Trong chiến lược điều khiên đa biến, các tác động chéo giữa các mạch vòng điều khiên phải được tính tới và phải thực hiện các thuật toán tách kênh. Việc thực hiện chiến lược điều khiên đa biến đòi hôi phải có cơ sở dừ liệu chung và thống nhất và do vậy cấu trúc điêu khiên phi tập trung không đáp ứng được. Đê giải quyết khó khăn này có một số phương án và môi cách thực hiện có những ưu điểm và nhược diêm riêng. Giải pháp cho chiến lược điều khiên đa biên ban đầu là các hệ thống điểu khiên tập trung với một thiết bị điêu khiên duy nhất (thường là các máv tính lớn) đẻ điều khiên toàn bộ quá trình công nghệ. Trong các hệ thống điều khiên theo phương án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện chiến lược điều khiên đa biên được thực hiện trẽn một hệ xử lý trung tâm. Phương án điều khiên tặp trung này có ưu diêm là hệ cơ sờ dừ liệu quá trình thống nhất, tập trung và do vậy ta có thể thực hiện các thuật toán điều khiên đê điều khiên quá trình công nghệ một cách tập trung và thống nhất. Nhược điẻm của phương án điều khiên tập trung là khi đối tượng điều khiên lớn, phức tạp có thê dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các hệ xử lý không đáp ứng đưọ*c vẽu câu tính toán cua hệ thông. M ột nhược điẻm nữa là trong phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lường phai tập trung về máy tính điêu khiên dan tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí. khó khăn cho cống tác bảo trì và sửa chừa. Giải pháp khắc phục các hạn chê của điều khiên tập trung là điều khiên phán tán. Dưới góc độ của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiên thì khái niệm “ điều khiên phân tán” được sử dụng đẽ phân biệt với điêu khiên tập trung truyền thống. Khác với phương án điều khiển tập trung, điều khiến phân tán có quá trình tính toán điều khiển là quá trình tính toán phản tán. Có nghĩa là quá trình tính toán điều khiển được thực hiện trẽn nhiều hệ xử lý và hệ cơ sờ dữ liệu quá trình có thể tập trung hoặc phân tán trẽn các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất. Đẻ đảm báo tính thống nhất và khả năng chia sẻ dừ liệu trên các thiết bị điều khiên, phương án điều khiển phân tán phải thực hiện chức năng trao dôi dừ liệu trực tiếp giữa các thiết bị điều khiển với nhau. Với hệ thống cơ sờ dừ liệu thống nhất và được chia sẻ giừa các thiết bị điều khiển khác nhau sẽ cho phép hệ thống điều khiên theo phương án phân tán vẫn thực hiện được các bài toán điều khiển đa biến như trong hệ thống điêu khiến tập trung thậm chí còn cho phép thực hiện các luật điều khiển phức tạp hơn do nó ít bị giới hạn về năng lực xử lý và tính toán như trong điều khiển tập trung. Hạn chế của điều khiển phân tán là phải thực hiện việc trao đỏi thông tin giữa các thiết bị điều khiển và làm tăng tính phức tạp của hệ thống. Tóm lại, một hệ thông điêu khiên phân tán là một hệ thống điều khiên trong đó có hệ dữ liệu quá trình thông nhất nhưng chức năng điều khiên với chiến lược điêu khiên đa biến thay vì tập trung vào một thiết bị điều khiên duy nhất, được phân chia trẽn nhiều thiết bị điều khiên khác nhau. Việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị điều khiển trong hệ điều khiển phân tán ngày nav 12 https://tieulun.hopto.org
thường sư dụng mạng truyền thông kv thuật số. Nhìn chung tính ưu việt của một hệ điều khiên phân tán được thẻ hiện rõ ờ những điẻm sau: • Tiẻt kiệm được dây nối và còng nối dây nhờ các mạng truyền thông. • Hiệu suât cũng như độ tin cậy tông thẻ của hệ thống được nâng cao nhò' sựphân tán chức năng xuông các cấp dưới. • Độ linh hoạt cao, thê hiện tính năng mờ trong việc mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị, nâng câp và tạo mới các chương trình phân mềm ứng dụng. Đê thực hiện điều khiên phản tán ta có thê cỏ các phương án sau: • Sử dụng P LC với mạng truyền thông công nghiệp: Có thê sử dụng PLC đẻ thực hiện câu trúc điều khiên phân tán nhưng đòi hỏi người kv sư thiết kế phải tự thực hiện việc xây dựng hệ cơ sờ dữ liệu quá trình, phái tự thiết kế và lập trinh giao thức truyền thông thời gian thực đẻ trao đôi dừ liệu giữa các PLC, phải tự đánh giá và xắp xếp thứ tự thực hiện các luật điều khiên đẻ đảm bảo yêu cầu thời gian thực,... M ột khó khăn nữa là phải tự thực hiện lập lịch cho PLC đôi với các tác vụ của điều khiển quá trinh đẻ đảm bảo chu kỳ điêu khiên cho môi tác vụ là hăng sô. Nói chung khôi lượng công việc sẽ rất lớn và đối với các hệ thống lớn thi phương án sử dụng PLC để thực hiện điều khiển phân tán sẽ không khả thi. Chi phí đâu tư ban đầu cho một hệ PLC nhò hon khi đem so sánh với chi phí cho một hệ điêu khiên thương phâm có chức năng điều khiển phân tán. Tuy nhiên, chi phí phát triẻn ứng dụng (cả về thời gian và tài chính) của hệ thống điều khiển sử dụng PLC cho các quá trình phức tạp lại quá lớn và làm cho phương án sử dụng PLC không cạnh tranh được với các phương án khác. Trong chu kỳ sống của ứng dụng, các chi phí sửa chữa, xử lý sự cố, bào tri cả hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, cơ sờ dừ liệu và vấn đề truyền thông sẽ làm chi phí dài hạn cho hệ PLC tăng lên rất nhiều. • Sừ dụng các hệ điều khiến thương phẩm với cấu trúc DCS: Các hệ thương phẩm hỗ trợ cấu trúc DCS được thiết kế đê hưóng tới các ứng dụng phân tán nên rất phù họp khi ta sư dụng nó đê thực hiện điêu khiên phân tán cho các hệ thống lớn. phức tạp và đòi hòi độ tin cậy cao. Vói các hệ thông lớn và phức tạp thì việc sử dụng các hệ thương phẩm hỗ trợ cấu trúc DCS cho phép rút ngan rất nhiều thời gian thiết kế và phát triển các ứng dụng điêu khiên. Các hệ điều khiên với cấu trúc DCS thường có giá cao cho phân cứng và phân mềm nền nhưng lại có chi phí phát trien ứng dụng và chi phí vận hành thấp hơn so với các phưong án khác. • Sử dụng hệ thống điểu khiên lui: V ói các ứng dụng điều khiên cồ' trung bình, quá trình điêu khiên ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống điều khiên lai để thực hiện là phù họp hơn cả vì nó cho phép tận dụng nhừng ưu diêm của các hệ thống điều khiên DCS và điều khiển PLC với chi phí đầu tư thấp hon. 1.2 Yêu cầu công nghệ sản xuất Dưới góc độ điều khiên có thẻ phân chia các công nghệ sản xuất thành ba dạng sau: • Các nhà máy có công nghệ liên tục từ đầu đến cuối quá trình sản xuất. • Các nhà máy mà quá trình công nghệ có thê chia thành các công đoạn gián đoạn, độc lập với nhau• • Các nhà máy trong đó tồn tại cà hai loại quá trình liên tục và gián đoạn. 13 https://tieulun.hopto.org
1.2.1 Các nhà máy có quá trình công nghệ liên tục Các nhà máy loại này hoạt động có tính liên tục với đầu vào là các nguvên liệu, và đầu ra là sản phâm. Đặc điẻm nhà máv loại này là công nghệ có độ phức tạp cao. sỏ lượng các thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiên lớn. Quá trinh khởi động hay dừng là thực hiện cho cà nhà máy. Neu một khâu nào đó dừng sẽ dẫn đen phai dừng ca nhà máy hoặc khi một khâu nào đó mắt ồn định cũng dan đến toàn bộ quá trình mất ôn định, sản phẩm ra không đảm bảo chất lượng. Các ngành tiêu biêu cỏ thể kẻ ra đây là: ngành hoá dầu, hoá chất, nhiệt điện,.... Tuỳ quy mô nhà máy mà số lượng vào/ra cỏ thê từ vài nghìn tới vài chục nghìn diêm đo và điều khiên. M ột đặc diêm nữa là trong công nghệ cằn điều khiên rất nhiều các tham số dạng tương tự: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, tốc độ, tỳ lệ các thành phần.... Các tham số này có quan hệ chặt chẽ. tác động đa chiêu, biến đôi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chât lượng sản phâm ra. Nhà máy dạng này thường có ứng dụng điều khiên - điều chinh chiếm ưu thế so với ứng dụng điều khiển logic. Hệ thống điều khiên sản xuất liên tục có những đặc điểm sau: ■ Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào/ra (M1MO). ■ Là hệ thông số rải, các thông số biến thiên lớn với phần lớn các đối tượng điều khiển là phi tuyến. Từ các đặc diêm trên ta thấy hệ điều khiên cho hệ thống sản xuất liên tục phải có khả năng thực hiện các chức năng: ■ Điẻu khiên tối ưu, thích nghi, điều khiên theo mô hình dự báo. điều khiên thông minh. ■ Điều khiên bền vững. ■ Điều khiên chất lượng. Hệ thông điều khiên trong nhà máyphải đảmbảo được các yêucầu rất cao tính an toàn và tin cậy. M ôi sự cố xảy ra không những chigây thiệt hại lớn về kinh tế mà còn còn nguyhiểm đên tính mạng con nguời và ảnh huờng tới môi trường. Trong các nhà máy này cũng có các khâu điêu khiên gián đoạn đê điều khiên logic liên động và trình tự làm việc của các thiết bị. Trong lĩnh vực này từ trước và cho đến nay, các hệ điều khiên duy nhất phù họp vẫn là hệ điều khiển DCS. 1.2.2 Các nhà máy có quá trình cỗng nghệ gián đoạn Có thẻ kẻ ra ở đây là các ngành như lap ráp ô tỏ, gia công các chi tiết máy, chế biên thức ăn chăn nuôi,... M ột nhà máy kiêu này thường phân chia thành các khu vực theo chức năng và trong mỏi khu vực lại có thê chia nhò hơn nừa. M ồi khu vực có thẻ có một hệ điều khiển riêng. Các tín hiệu điêu khiên chủ yếu là tín hiệu logic, dùng đẻ liên động giữa các khâu, đóng cắt cho động cơ, đóng mờ van theo một sơ đồ logic cho trước, về mặt điều khiển thì nhà máy nàv có ứng dụng điêu khiển logic chiếm ưu thế hon so với ứng dụng điều khiến - điều chinh. Trong nhà máy, yêu câu về tính an toàn và độ tin cậv không cằn thiết phải chặt chẽ như trong nhà máy cỏ quá trình xử lý liên tục. Giải pháp vẫn thường được sử dụng là các PLC (Programmable Logic C ontroller). 1.2.3 Các nhà máy tồn tại đồng thòi quá trình liên tục và gián đoạn Bao gôm các ngành như: sản xuất xi măng, đường, dược phâm, rượu bia, linh kiện bán dân.... Trong nhà máy chia thành các công đoạn độc lập. M ỗi công đoạn có thể là một quá trình 14 https://tieulun.hopto.org
lièn tục hoàn toàn và cũng có thẻ là gián đoạn. Ta có thẻ khởi động hay dừng từng công đoạn mà không làm ảnh hường tới các công đoạn khác. Các nhà máy loại nàv và sản phâm cua nó chiếm một tv trọng lớn trong toàn bộ ngành công nghiệp, về mặt điều khiên thì nhà máy dạng này có ứng dụng điêu khiên logic và điều khiên - điều chinh là tương đương nhau. Đẻ đáp ứng yêu cầu công nghệ có thề thực hiện một trong hai giải pháp: sử dụng hệ m ini- DCS hoặc kết họp PLC. PC và các bộ điều khiến quá trình đặc biệt. Giai pháp ban đau xuất phát tư nền tảng DCS. được phát triẻn cho các ứng dụng có cả điều khiên quá trình liên tục và rời rạc. G iải pháp này thường có chi phí lớn. Một giai pháp khác lại dựa chu yếu vào PLC. kẽt hợp thêm các thiẻt bị điều khiên đặc biệt có kha năng thực hiện một hay nhiều mạch vòng điều khiên cho các chức năng điêu khiên quá trình. Giải pháp này có chi phí nhò nhưng lại phức tạp và có độ tin cậy kém hon. G iai pháp phù họp nhất cho các ứng dụng loại này là sử dụng hệ điều khiên lai (Hybrid System). Các thiết bị diêu khiên lai có thẻ được tùy biến đẽ hoạt động như bộ điêu khiên sô quá trình hoặc PLC. Các hệ thống này hướng tới các ngành công nghiệp đang phát trien nhanh, lợi nhuận cao như thực phâm. rượu bia. dược phâm và linh kiện bán dân. Các hệ lai thực hiện điều khiên cả quá trình liên tục cũng như các khâu gián đoạn. Chúng được trang bị các chức năng đẽ cạnh tranh trong thị trường điều khiên các quá trình theo mẻ. khối và điều khiên giám sát. 1.3 Cấu hình của hệ DCS M ột hệ thống điều khiên sản xuất theo cấu trúc DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc lien kết với một phần cua cấp quán lý và điều hành sàn xuất thông qua hệ thống quản lý thông tin của cấp này đẽ tích họp vào các hệ thống quan lý sản xuất, quản lv thông tin và phối hợp quản lý trên diện rộng như SAP. PRM.... Dặc diêm của một câu trúc điều khiên phân tán là việc phân bô thiêt bị điều khiên xuông các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử dụng các mạng truyền thông công nghiệp đê kết nối và trao đôi thông tin. So' đồ cấu trúc tiêu biêu cho một hệ thống điều khiên phân tán như trên Hình 1-4. 1.3.1 Cấp cháp hành - cảm bien Cảp châp hành cam biên bao gôm các bộ vào/ra phản tán dỏ ghép nối với các thiết bị đo lường, các cơ câu châp hành có chức nấng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý sơ bộ trước khi chuyên lẽn câp điều khiên. Ngày nay, các thiẻt bị cảm biến chắp hành có sự phát triẻn mạnh mẽ và xuât hiện các thiết bị đo thông minh (Smart sensor), các cơ cấu chấp hành thông minh (smart actuator). Các thiết bị đo thòng minh, các cơ cấu chấp hành thông minh có thế kết nối trực tiếp vào hệ thống mạng để liên kêt với cấp điều khiên mà không cần qua các bộ vào/ra phân tán. Thiêt bị do thông minh có các chức năng chính là thu thập dừ liệu quá trình, có khá nâng truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lồi. Thiết bị đo thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dừ liệu về các đại lượng vật lý của quá trình cằn đo như nhiệt dộ, tôc độ. độ PH.... từ hiện trường, mă hóa các dừ liệu này rồi truyền tới các thiết bị khác thông qua mạng truyền thông. Ngoài ra thiết bị đo thông minh còn có khả năng tự hiệu chuân, tự chuân đoán lôi. các hòng hóc có thẻ gặp phải đẻ phát ra các cánh báo can thiết. Thiết bị đo thông minh còn có các chức năng khác đẻ có thê hoạt động như một phần tử mạng trong hệ điều khiên phân tán. 15 https://tieulun.hopto.org
. Tương tự như thiết bị đo thông m inh; các cơ câu chấp hành thông minh ngoài chức năng chính là thực hiện các tác động theo lệnh điều khiên nó còn được trang bị thêm các chức năng tự chuẩn đoán lỗi, mã hóa/giải mã các thông tin và truyền thông. Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thê có các PLC, các máy tính công nghiệp điều khiên máy sản xuất hoặc một công đoạn sàn xuất tương đối độc lập. Cấp chấp hành cảm biển cung cấp các giao diện sau: • Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tưong tự (như áp suất, nhiệt đ ộ ,...) và các vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyên mạch, liên động,...). • Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuân Bus trường như: Foundation Fieldbus, Profibus, H AR T. Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp hành \vao đôi thông tin trực tiếp với thiết bị điều khiển trên một đường truyền thông số duy nhất. • Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua một so card giao diện truyền thông. Thông thường được nối với giao diện vào/ra và trong một sô trường họp có thể kết nối trực tiếp với thiết bị điều khiên. Các PLC kết nối vói hệ DCS được gọi là các Subsystems. ............... ................................................ / = H Cấp quản lý s x PC PC PC Lưi trữ Quản lý [hông tin 'mạng giám sát - chi huy T c ầ p vận hành, § 3 giám sát -chỉ huy Trạm van hành Trạm vận hành Trạm van hành mạng ơiéu khíén pxT 3 ( mạng điếu khiẽn px2 1 ^ 3 Cấp điều khiển Controller Controller IRC Controller mang thiét bi (bus trifong) mang thiêt bi (bus trường) s c A s c A Cấp trường công máy sx Trạm I/O (càm biến - chấp hành) đoạn SX Ồ é PLC Smart sensor Smart actuator Smart actuator Smart sensor Hình 1-4. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS 16 https://tieulun.hopto.org
1.3.2 Cấp điều khiển Cấp điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển cua toàn nhà máy. Bẽn cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năn« truyền thông với cấp cảm biến chấp hành đê lấy dữ liệu từ đầu vào sau đỏ xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điêu khiên và gửi tín ỉhiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị chấp hành ờ cấp cảm biến chấp hành. Các thiết bị điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ờ cấp điều khiển. 1.3.3 Cấp vận hành, giám sát chỉ huy Cắp vận hành, giám sát chi huy bao gồm các trạm vặn hành, cung cấp giao diện cho người vận hành với quá trình.Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình một cách sinh động và trực quan, cấp này thể hiện ứng dụng giám sát - vận hành và thu tỄiập số liệu. Chức năng điều khiển trong cấp vận hành, giám sát chi huy là các điều khiển cắp cao được thực hiện bôi người vận hành hoặc máy tính điều khiên với phần mềm điều khiển cấp cao chuyên dụng như điều khiến mé, tối ưu hóa quá trình,... 1.3.4 Hệ thống quản lý thông tin Hệ tihống quản lý thông tin là một phần trong cắp điều hành và quản lý sản xuất. Hệ thống này bao gồm 3 lóp con: -+ Gateway: phục vụ việc trao đôi dữ liệu với các thiết bị điều khiên của phân xưởng, công đoạn khác. -+ Database: phục vụ việc định dạng và lưu trữ dừ liệu. -+• Management: xử lý thông tin'lưu trữ trong lóp Database. a) Lớp Gateway: Tron g quá khứ mỗi nhà cung cấp giai pháp điểu khiển có một chuân giao thức truyền thông riêng phục vụ việc trao đồi dữ liệu với thiết bị điều khiển. Điều này đã nảy sinh việc độc quyền cua các hãng cung cấp hệ thống điều khiển, khách hàng có ít sự lựa chọn và nếu đã lựa chọn sản phâm của nhà cung cấp nào thì khi cần nâng cấp, mờ rộng, khách hàng vẫn phải sử dụng sản phâm của hăng đó. N gày nay, M icrosoft cùng với một số hãng khác đã phát triển một chuân truyền thông gọi là OPC (O L E fo r Process Control) cho phép tất cả các máy tính đều có thề kết nối với các hệ DCS có hỗ trợ OPC. Chuân truyền thông OPC ngay từ khi ra đời đã nhận được sự đồng thuận và hỗ trợ của hâu hêt các hãng cung cấp giải pháp DCS. Đen nay hầu hết các hệ DCS đều có hỗ trợ OPC. OPC có thê được cài đặt trẽn trạm điều khiển hoặc cũng có thể được cài đặt trên một máy tính riêng biệt. OPC cung cấp một chuẩn giao diện công nghiệp mờ, đơn giản và phù họp, cho phép các nhà cung câp phân mềm tập trung vào việc phát triển thêm các đặc tính mới cho gói phân mẽm của mình thay vì phát triên một loạt các phần mềm điều khiên (driver) độc quyền cho các thiẽt bị phân cứng. Chuân OPC đă định nghĩa và cung cấp một môi trường chung cho nhà sàn xuâtt thiết bị đê từ đó phát triển thành các OPC server cùa riêng mình vói đặc điểm cùng một server c ó thẻ sử dụng nhiều bộ phần mềm khác nhau của các nhà cung cấp giải pháp H M I, PLC, 17 https://tieulun.hopto.org
hoặc DCS. Các nhà sản xuât phân cứng có thê mang nhừng hiẻu biêt \ôn có cua họ irons mạng truyên thông công nghiệp đẻ phát trien OPC server nhảm phát huy tôi đa các đặc tính cùa hệ thống. OPC bao gồm các công cụ sau: + OPC Data Access: Là công cụ trao đôi dừ liệu thời gian thực từ PLC, DCS và các thiết bị điều khiên khác với các trạm H M I. + ® OPC Alarms & Events: Thiết lập và cung cấp các thông điệp cảnh báo, báo động và các sự kiện xảy ra trong hệ thống theo yêu cầu. + OPC Batch: Công cụ này ứng dụng triết lý OPC và các quá trình ứng dụng cụ thẻ có tính chất theo mè. -ỉ- OPC Data exchange: Công cụ này cho phép trao đôi thông tin giừa các servers với nhau, mò ra khả năng trao đôi thông tin giừa các máy chủ của nhiều nhà cung cấp khác nhau thông qua mạng truyén thông Ethernet. Công cụ này cũng cho phép ta thêm các chức năng định cấu hình, chân đoán và giám sáưquản lý hệ thống từ xa. + OPC Hystorical Data Access: Khác với OPC Data Access cho phép chúng ta truy cập dừ liệu thời gian thực, OPC Hystorical Data Access cho phép chúng ta truy cập dừ liệu đã được lưu trữ. + OPC Security: Tất cả các máy chù OPC đều cung cấp dữ liệu có giá trị của nhà máy mà nếu không được quản lý chặt chẽ đều có thể mang lại hậu quả đáng tiếc. OPC Security sẽ định nghĩa cách thức truy nhập của các client vào máy chủ theo một phương thức nhằm bảo vệ các dữ liệu đó và ngăn cản m ội hành động không được phép. Ngoài ra còn có OPC X M L Data, OPC Complex Data, OPC Commands nhằm phục vụ các ứng dụng có sử dụng dịch vụ Web, các loại định dạng dữ liệu phức tạp và giám sát các lệnh thực hiện trẽn thiết bị. OPC do tồ chức OPC Foundation sáng lập và quán lý điều hành. Hội đồng quản trị của OPC Foundation tính đến năm 2005 bao gồm các thành viên cùa Siemens AG, Emerson Process Management, Yokogawa, Honeywell, Rockwell Software. ICONICS.... b) Lớp Database: Đọc dừ liệu từ các thiết bị điều khiển thông qua Gateway OPC và lưu trữ dưới một định dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle,...đồng thời cung cấp các chức năng khác như ghi dừ liệu vào ô đĩa, nén dữ liệu, lập báo cáo và thực hiện các chức năng hiển thị đơn giản. Trên Hình 1-5 là cấu trúc dữ liệu của hệ điều khiển phân tán. c) Lớp quản lý: Lóp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới dạng các templates bao gồm: lập báo cáo, quàn lý theo mẻ, tính toán theo công thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá trình,.:. Lớp quản lý sẽ đọc dữ liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các thiết bị điều khiên thông qua gateway OPC. 18 https://tieulun.hopto.org
Hình 1-5. Cấu trúc hệ cơ sở dữ liệu của hệ thống điều khiển phân tán 1.3.5 Cấu trúc của thiết bị điều khiển Phần cứng của thiết bị điều khiển thường bao gồm các bộ phận chính sau: • Giá đõ’ (Back-plane và Rack): là giá đỡ các module thiết bị điều khiển. • CPU: là trung tâm xử lý của thiết bị điêu khiên. Thông thường mỗi thiết bị điều khiển có một bộ xử lý trung tâm. Tuy nhiện trong một sô hệ thông có độ tin cậy cao, người ta sử dụng hai bộ xử lý trung tâm trong một thiêt bị dieu khiên. Khi đó hai CPU này làm việc song song với nhau: cùng nhận tín hiệu, cùng tính toán và kẻt quà cuôi cùng sẽ được so sánh với nhau, nếu hai CPU không cho kết quả tính toán giông nhau, thiết bị điều khiên đó sẽ được coi nhu làm việc không bình thường. V ói hệ thống su dụng hai CPU trong một thiết bị điều khiển, độ tin cậy có thể đạt bảy số 9 sau dấu phây. Đối với những hệ thống chi sử dụng một CPU trong một thiết bị điều khiển, độ tin cậy đạt bốn số 9 sau dâu phây. • Bộ nhó*: Bao gồm các bộ nhớ ROM. RAM. • Nguôn: Cung cấp nguồn nuôi. • Pin: Lưu giữ chương trình khi mất diện, thông thường có thê lưu giữ chương trình trong khoảng 36 đến 72 giờ hoặc lớn hon tùv thuộc vào thời gian và mức độ sử dụng pin. • Các card truyền thông: Tích hợp các vi xử lý truyền thông và các chương trình phán mềm điều khiên việc truyền thông với các thiết bị khác như vào/ra phân tán. PLC. các thiết bị trường thông minh.... Trẽn Hình 1-6 là cấu trúc thiết bị diều khiên ' K o r s ( entum CS3000 của hàng Yokogawa. 19 https://tieulun.hopto.org
Trong cấu trúc này các thành phần như CPU. nguồn, card truyền thông, pin và bộ nhớ đêu đà được tính hợp trên cùng một module lớn. Hình 1-6. Cấu trúc phần cứng của thiet bị điều khiển CS3000 của hãng Yokogawa Tuy nhiên trong một số hệ DCS khác, các nhà cung cấp đã tách các thành phân như nguôn và card truyền thông thành các module riêng biệt để tiện cho việc thay thế cũng như lựa chọn phù hợp với khả năng ứng dụng. 1.3.6 Các thiết bị giao tiếp vào/ra (Các vào/ra phân tán) Các tín hiệu vào/ra được truyền truyền tói bộ vi xử lý cua thiết bị điều khiên thông qua các thiết bị giao tiếp vào/ra. Các thiết bị giao tiếp vào/ra bao £ồm các module vào/ra, nguồn và card truyền thông với vi xử lý điều khiên. Các module vào/ra thône thường gồm có module số và module tương tự và ngoài ra còn có những module khác đẻ đáp ứng các yêu câu của thiẻt bị cảm biến chấp hành như PWM. xung.... Power Digital Digital Analog Analog CPU supply Input Output Input Output I Hình 1-7. Bố trí vào/ra kiểu module https://tieulun.hopto.org