BÙI QUỐC KHÁNH - NGUYỀN DUY BÌNH
PHẠM
QUANG ĐĂNG - PHẠM
HồNG SƠN
■
■

CHO NHÀ MÁY

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT


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


■

X


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,


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

điêu khiên vói các cảm biến và co* cấu chấp hành.

5


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.

•

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.

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:

8

•

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;•

T
p
u
T

Central
Processing
Unit
X

\l

s

Sỵ'
,-^s
— ÍM /—
y~

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


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

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


chiến lược điểu khiên nhiều mạch ròng (multi-loops) hoặc là điêu khiên đa hiên (m ultivariable). 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

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.

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


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).


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


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 iniDCS 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.

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


. 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.

•

Trạm van hành

Trạm van hành

Trạm vận hành

mạng ơiéu khíén pxT

3

(

mạng điếu khiẽn px2

^ 3
IRC

mang thiét bi (bus trifong)
s c A
máy sx

Controller
mang thiêt bi (bus trường)

s c

A
công
đoạn SX


giám sát -chỉ huy


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

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


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

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


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

19


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
supply

CPU

Digital
Input


môđun kết hợp cả đầu vào và đầu ra tương tự. Có các loại module tương tự 8bits. 12bits. 13bits
hoặc lóbits.
•

Module đâu vào tương tự loại 16 bits có cách ly: Loại module nàv có thê dùng cho các
tín hiệu đo kiéi điện áp từ 0-1 ov hoặc từ 0-5V hoặc loại tính hiệu đo kiêu dòng điện từ
0-20mA hoặc từ 4-20mA. Chi tiết xem trên Hình 1-10.

•

Mdule đầu ra tương tự loại 16 bits: Loại module này có thê dùng cho các co- câu chấp
hành dùng tín hiệu điện áp từ 0-1 ov hoặc từ 0-5V hoặc loại tính hiệu dòng điện từ 02'0mA hoặc từ 4-20mA. Chi tiết xem trên Hình 1-11.

Cách đàu nối các module đầu vào và đầu ra tương tự xem trên Hình 1-12 và Hình 1-13.

21


Hỉnh 1-9. Module đầu vào có cách ly quang

Hình 1-10. Module đầu vào tương tự loại 16 bits có cách ly


Hình 1-11. Module đầu ra tương tự loại 16 bits

/
a) Cách đấu nối với module đẩu vào tương tự dùng cho tín hiệu dòng điện

b) Cách đấu nối với module đầu vào tương tự dùng cho tín hiệu điện áp


•

Thay đổi. nâng cấp các gói phần mềm.

1.4.1

Lỗi phần cứng

Phần cứng cỏ thê bị sự cố là một tất yếu khó tránh khỏi. Có thể giám thiểu các sự cố do lỗi
phần cứng gảy nên bằng cách:

.24

•

Dự phòng cho tắt cả các thiết bị phần cứng quan trọng.

•

Sử dụng thiết bị có độ tin cậy cao.

•

Có giải pháp cách điện, cách ly tốt.


1.4.2

Khả năng dự phòng


tính toán tương tự như trong bộ hiện hành, và khi được chuyên sang trạng thái làm việc
thì kết quả tính sẽ được truyền tới bộ nhớ và card giao diện bus mà không có sự gián
đoạn trong điều khiên. Nếu một lỗi trong CPU bất thường được phát hiện thì bộ tự
chuân đoán sẽ tiến hành kiểm tra phần cứng CPU. Nếu không có lỗi phần cứng thì lỗi
này sẽ được coi là lỗi tức thời và card CPU sẽ được chuyên từ trạng thái bất thường
sang dự phòng.

+

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

25