SCADA, DCS và ứng dụng trong công nghiệp potx

SCADA, DCS và ứng
dụng trong công nghiệp

Ts. Phạm Quang Đăng
Trung tâm NCTK Công nghệ cao, ĐHBK Hà nội

Đầu tư và sử dụng một cách hiệu quả các hệ thống điều khiển
hiện đại sẽ góp phần không nhỏ vào việc nâng cao hiệu quả
sản xuất, giảm chi phí sản xuất và nâng cao khả năng cạnh
tranh của sản phẩm trên thị trường. Bài viết này làm rõ bản
chất và đề cập tới vấn đề ứng dụng của các hệ SCADA và
DCS.

Các ứng dụng điều khiển trong thực tế
Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các
ứng dụng điều khiển có thể được phân chia thành ba loại sau:
- Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control)
- Điều khiển điều chỉnh (regulatory control)
- Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA)
Tùy theo tính chất của quá trình các yêu cầu về các ứng dụng
này có thể khác nhau. Có quá trình gồm chủ yếu là ứng dụng
điều khiển logic như trong các phân xưởng lắp ráp nhưng
cũng có quá trình gồm chủ yếu là các ứng dụng điều khiển
điều chỉnh như trong các nhà máy hóa chất nơi quá trình sản
xuất là liên tục. Riêng yêu cầu về giám sát - vận hành là tồn
tại trong hầu hết nếu không muốn nói là tất cả các hệ thống, ít
nhất là cho tới thời điểm hiện nay.
Các hệ thống điều khiển được xây dựng trong thực tế phải
đáp ứng yêu cầu của quá trình sản xuất hay thiết bị sử dụng

nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu của về cả ba loại ứng
dụng điều khiển nêu trên. Có hai cách để thực hiện điều này
như sau:
- Cách thứ nhất là thực hiện mỗi ứng dụng này bằng một hệ
thống riêng biệt. Theo đó ứng dụng điều khiển logic sẽ được
thực hiện bằng các PLC, ứng dụng điều khiển điều chỉnh sẽ
được thực hiện bởi các controller và ứng dụng SCADA sẽ
được thực hiện bởi một hệ SCADA riêng biệt. Nhiều nhà
máy cỡ nhỏ và vừa đã được xây dựng theo cách thức này
- Cách thứ hai là sử dụng một hệ thống điều khiển và giám
sát tích hợp thực hiện cả ba ứng dụng này. Mỗi một ứng dụng
sẽ như một chức năng của hệ thống điều khiển. Các hệ thống
điều khiển sản xuất hiện đại đều được xây dựng theo cách
này và người ta gọi hệ thống như vậy là “Hệ thống điều khiển
và giám sát tích hợp (Integrated Control and Monitoring
System - ICMS)”.
Trong hai cách này thì cách thực hiện thứ hai cho phép sử
dụng tối thiểu các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành do một tín
hiệu đo được có thể được sử dụng cho cả ba ứng dụng nên
ngày càng được phổ biến và được sử dụng cho các nhà máy
hiện đại ở các quy mô khác nhau.
SCADA và các lưu ý khi xây dựng ứng dụng SCADA
Như đã nói ở trên, SCADA là một dạng của ứng dụng chứ
không phải là công nghệ. Ứng dụng SCADA tồn tại ở nhiều
hệ thống khác nhau từ quy mô một máy sản xuất tới quy mô
của nhà máy và hơn nữa trên các vùng địa lý rộng lớn như
các hệ giám sát và thu thập số liệu khí tượng thủy văn, hệ
giám sát và vận hành hệ thống truyền tải điện năng. Đặc điểm
của SCADA là gắn liền với người vận hành và trong chu
trình xử lý thông tin của SCADA bao giờ cũng có sự tham

gia trực tiếp của con người. Hệ SCADA không phải là hệ
điều khiển đầy đủ mà nó tập trung vào mức giám - sát vận
hành.
Cho dù được xây dựng thành một hệ thống riêng biệt hay
được tích hợp như một chức năng trong một hệ điều khiển
tích hợp thì SCADA bao giờ cũng bao gồm bốn thành phần:
1)Thiết bị đầu cuối hiện trường (RTU), 2) Mạng truyền
thông, 3) Trạm chủ trung tâm (MTU) và 4) Người vận hành,
trong đó ba thành phần đầu hợp thành hệ SCADA. Do vậy
khi phát triển ứng dụng SCADA các kỹ sư cũng cần lưu ý tới
tất cả
các
thành
phần
này.
- Thiết
bị đầu
cuối
hiện trường (RTU)
RTU thực hiện chức năng giao tiếp giữa hệ SCADA và quá
trình cần giám sát vận hành thông qua các cảm biến và cơ
cấu chấp hành. RTU có thể là một hệ vi xử lý được thiết kế
riêng cho mục đích, yêu cầu của hệ SCADA nói chung
nhưng cũng có thể sử dụng các PLC hoặc các Controller.
Trong các hệ thống điều khiển giám sát tích hợp vai trò của

RTU sẽ được các PLC hoặc Controller đảm nhiệm. Ở đây dữ
liệu quá trình thu thập được ngoài việc sử dụng cho các ứng
dụng điều khiển logic và điều khiển điều chỉnh còn được sử
dụng để giám sát-vận hành. Chúng ta cũng có thể gặp các hệ

thống điều khiển tích hợp sử dụng các cảm biến thông minh
và cơ cấu chấp hành thông minh. Trong những trường hợp
như vậy vai trò của RTU được tích hợp trên bản thân các cảm
biến và cơ cấu chấp hành, các PLC, Controller lúc này cũng
chỉ đóng vai trò trung chuyển dữ liệu cho ứng dụng SCADA.
- Trạm chủ trung tâm
Trạm chủ trung tâm thực hiện chức năng giao tiếp giữa người
vận hành và hệ SCADA. Nó thực hiện việc nhận dữ liệu từ
các RTU, hiển thị các dữ liệu này và nhận các lệnh vận hành
từ người vận hành rồi chuyển tới RTU. Ngoài chức năng cơ
bản này, trạm chủ trung tâm hiện đại còn thực hiện một số
chức năng khác liên quan tới quản lý, bảo trì và tối ưu hóa
quá trình như thiết lập truyền thông, liên kết truyền thông,
chuẩn đoán, tối ưu hóa hoạt động của hệ thống,…
Trạm chủ trung tâm còn được gọi là thiết bị đầu cuổi trung
tâm (Master Terminal Unit, viết tắt là MTU) nhưng tên gọi
“trạm chủ trung tâm” là phù hợp hơn với các hệ SCADA hiện
đại. Trong các hệ SCADA hiện đại trạm chủ trung tâm
thường bao gồm một hoặc nhiều máy trạm, máy chủ được nối
mạng với nhau và phối hợp với nhau để thực hiện các chức
năng, nhiệm vụ của trạm chủ trung tâm.
- Mạng truyền thông
Mạng truyền thông sử
dụng để kết nối và trao
đổi dữ liệu giữa các RTU
và MTU. Mạng truyền
thông cũng được sử dụng
để kết nối các phần tử trong MTU. Trong một hệ SCADA có
thể sử dụng một hoặc nhiều loại mạng truyền thông khác
nhau tùy theo tính chất và đặc điểm của mỗi ứng dụng

SCADA.

- Người vận hành
Trong một ứng dụng SCADA bao giờ cũng có người vận
hành do vậy việc thiết kế và xây dựng một hệ SCADA ngoài
các yếu tố về chuyên môn cũng cần phải lưu ý tới vấn đề này.
Trong các yếu tố liên quan tới người vận hành thì yếu tố văn
hóa bản địa là quan trọng nhất. Điều này dẫn tới kết quả là
cùng một ứng dụng SCADA nhưng thiết kế cho người vận
hành Á Đông khác với người vận hành Châu Âu. Ngoài ra
người thiết kế còn phải quan tâm tới những vấn đề về mỹ
thuật công nghiệp và tâm lý học công nghiệp.
Đặc điểm và ứng dụng của điều khiển phân tán
Việc xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát phụ thuộc
vào đặc điểm và tính chất của đối tượng điều khiển. Thực tế
các quá trình sản xuất thường đòi hỏi cùng lúc phải tiến hành
điều khiển nhiều đại lượng. Nếu các đại lượng này là độc lập
với nhau hay ma trận đặc tính của phương trình trạng thái mô
tả đối tượng chỉ bao gồm các thành phần trên đường chéo thì
ta có thể thiết lập hệ thống điều khiển với nhiều mạch vòng
điều khiển độc lập. Về bản chất hệ thống điều khiển như vậy
là hệ thống điều khiển phi tập trung (Decentred Control
System) cho dù các mạch vòng điều khiển này được thực
hiện bởi các bộ điều khiển một mạch vòng (single loop
controller) hay sử dụng một hoặc vài thiết bị điều khiển lớn
cho các mạch vòng điều khiển này. Thông thường để tiết
kiệm chi phí lắp đặt và bảo trì các hệ thống điều khiển phi tập
trung như vậy sẽ được thực hiện bởi nhiều bộ điều khiển một
mạch vòng.
Khi các đại lượng cần điều khiển của đối tượng điều khiển

không có sự độc lập với nhau mà có sự tác động xen kênh
hay nói cách khác, ma trận đặc tính của phương trình trạng
thái có các thành phần ngoài đường chéo khác không thì việc
thực hiện hệ thống điều khiển theo cách phi tập trung như
vậy sẽ mang lại chất lượng điều khiển không tốt. Để khắc
phục người ta đưa ra các giải pháp như sau:
- Sửa đổi quá trình công nghệ và thiết bị công nghệ
Việc sửa quá trình công nghệ và thiết bị công nghệ nhằm khử
tác động xen kênh giữa các biến điều khiển hay biến các
thành phần ngoài đường chéo của ma trận đặc tính bằng
không hoặc gần bằng không. Khi đó ta có thể coi các tác
động xen kênh (bây giờ còn rất nhỏ) như là nhiễu quá trình
và thực hiện chiến lược điều khiển phi tập trung cho hệ thống
điều khiển. Việc sửa đổi này thường đòi hỏi phải xây dựng
các khâu chứa trung gian trong quá trình sản xuất nên thường
gây tốn kém và không phải lúc nào cũng thực hiện được.
- Sử dụng giải pháp điều khiển tập trung (Centred
Control System)
Để loại bỏ tác động xen kênh người ta cũng có thể xây dựng
các thuật toán điều khiển đa biến hoặc thực hiện tách kênh
bằng các mạch điều khiển vượt trước (feedforward). Tuy
nhiên điều này chỉ có thể thực hiện được khi ta sử dụng một
bộ điều khiển và tập trung hóa toàn bộ dữ liệu quá trình vào
trong bộ điều khiển đó. Cách thức thực hiện hệ thống điều
khiển như vậy được gọi là điều khiển tập trung.
Cách thức thực hiện hệ điều khiển tập trung có nhược điểm là
phải tập trung các giá trị đo lường về bộ điều khiển dẫn tới sự
tốn kém trong chi phí lắp đặt, đi dây và bảo trì. Việc thực
hiện hệ thống điều khiển bởi một hệ vi xử lý duy nhất cũng
mang lại nhiều rủi ro và giám độ tin cậy hoạt động của toàn

hệ thống. Hơn nữa khi quá trình lớn, phức tạp có thể sẽ dẫn
tới khối lượng tính toán lớn và làm quá tải các hệ vi xử lý của
bộ điều khiển.
Sự phát triển của các hệ thống mạng truyền thông công
nghiệp đã cho phép triển khai luật điều khiển đa biến và tách
kênh loại bỏ sự tác động xen kênh trên nhiều bộ điều khiển
được nối mạng với nhau. Theo cách thức này, khối lượng
tính toán lớn của điều khiển đa biến và tách kênh được chia
sẻ thực hiện trên nhiều thiết bị điều khiển. Thông tin cần thiết
phải trao đổi giữa các thiết bị điều khiển này được trao đổi
thông qua các mạng truyền thông số kết nối các thiết bị điều
khiển này. Với cách thực hiện như vậy chúng ta có thể tận
dụng được các ưu điểm cả của điều khiển tập trung và điều
khiển phi tập trung và người ta gọi hệ điều khiển như vậy là
hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System – DCS).
Như vậy có thể nói điều khiển phân tán là một công nghệ hay
cách thức thực hiện hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Hệ thống điều khiển phân tán là nhằm thực hiện các ứng
dụng điều khiển điều chỉnh và điều khiển logic. Các hệ thống
điều khiển phân tán thương phẩm thường có cấu trúc giống
với hệ SCADA là do hệ thống điều khiển tích hợp đó có thực
hiện chức năng SCADA. Trong hệ thống điều khiển phân tán
thương phẩm ứng dụng điều khiển logic và điều khiển điều
chỉnh có thể thiết lập theo phương thức điều khiển phân tán
còn SCADA chỉ là một chức năng của hệ thống.
Việc sử dụng sản phẩm hệ thống điều khiển phân tán của một
nhà sản xuất nào đó mới chỉ là điều kiện thuận lợi để người
kỹ sư có thể thiết lập hệ thống điều khiển phân tán. Hệ thống
điều khiển được xây dựng trên thực tế có trở thành hệ thống
điều khiển phân tán thực sự hay không phụ thuộc vào đối

tượng điều khiển của nó có cần phải thiết lập luật điều khiển
đa biến và/hoặc tách kênh hay không và người kỹ sư thiết kế
có thiết lập hệ thống điều khiển theo cách thức phân tán hay
không.