Hệ thống điều khiển tự động DCS trong nhà máy sản xuất khí công nghiệp

B GIO DC V O TO

TRNG I HC BCH KHOA H NI
------------------

TNG KIM THANH

NGHIÊN CứU ảNH HƯởng của một số thông số
và chế độ làm việc của dao đĩa đến chất
lợng cắt gốc mía của máy chặt mía rải
hàng liên hợp với máy kéo 4 bánh cỡ 18-25hp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và Thiết bị cơ giới hoá Nông - Lâm nghiệp
Mã số

: 60-52-14

Ngi hng dn khoa hc: TS. Nguyễn Sỹ Hiệt

H NI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do
chính tôi viết ra, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Võ Minh Chính. Để
hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được ghi trong bảng
những tài liệu tham khảo mà không sử dụng bất cứ một tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Học viên

Tống Kim Thanh


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay các hệ thống điều khiển phân tán nói chung và hệ thống điều khiển
CENTUM CS 3000 của hãng Yokogawa nói riêng đã trở nên phổ biến trong các
nhà máy hiện đại trên thế giới, nhưng ở nước ta, ứng dụng của chúng vẫn còn rất
hạn chế. Có thể nói rằng việc xây dựng các nhà máy sử dụng các hệ thống điều
khiển hiện đại sẽ là điểm nhấn trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất
nước.
Ở nước ta đã có một số nhà máy sử dụng các hệ thống điều khiển của hãng
Yokogawa như nhà máy sản xuất Super-phốt phát và hoá chất Lâm Thao, nhà máy
nhiệt điện Phả Lại, nhà máy xeo - công ty giấy Bãi Bằng…
Nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương là một nhà máy hiện đại, có
những yêu cầu cao về hệ thống đo lường điều khiển, nên việc sử dụng một hệ thống
điều khiển thích hợp có vai trò rất quan trọng.
Luận văn thực hiện việc nghiên cứu hệ thống DCS ứng dụng trong nhà máy
khí Messer Hải Dương với những nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán. Chương này sẽ trình bày
những vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển giám sát như cấu trúc, thành phần,…
cũng như các thành phần, các giải pháp, các vấn đề kỹ thuật của hệ thống điều khiển
phân tán.
Chương 2: Dây chuyền công nghệ của nhà máy khí công nghiệp Messer Hải
Dương. Chương này sẽ đề cập đến các quy trình công nghệ của nhà máy, bao gồm:
quy trình tách khí, quy trình hóa lỏng, và quy trình cung cấp sản phẩm.
Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM CS3000 của hãng Yokogawa. Chương
này nêu ra các đặc điểm nổi bật của hệ thống CS3000 cả về phần cứng và phần
mềm

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống DCS CENTUM CS3000 vào nhà
máy khí công nghiệp Messer Hải Dương, lựa chọn cấu trúc phần cứng, đồng thời
nêu trình tự lập trình phần mềm.


Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình,
tận tâm của thầy giáo hướng dẫn – PGS.TS Võ Minh Chính. Em xin được gửi lời
cảm ơn đến thầy giáo đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các nhân viên của nhà máy Messer Hải
Dương, các nhân viên kỹ thuật trong công ty Yokogawa và các đồng nghiệp của tôi,
đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên luận
văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung
của thầy cô và bạn bè để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010
Học viên

Tống Kim Thanh


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Lời nói đầu
Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán............................................1
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát..................................................1
1.1.1

Đặt vấn đề .............................................................................................1

1.1.2

Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát.3

1.1.3

Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát.........4

1.1.4

Các cấu trúc điều khiển ........................................................................6

1.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS.............................................................10
2.1.1

Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán........................................10

2.1.2

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển phân tán ..................11

a) Trạm điều khiển cục bộ ...........................................................................12

b) Trạm vận hành .........................................................................................13
c) Trạm kỹ thuật...........................................................................................14
d) Hệ thống bus truyền thông.......................................................................15
2.1.3

Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phân tán.................................17

a) Các hệ DCS truyền thống ........................................................................17
b) Các hệ DCS trên nền PLC .......................................................................18
c) Các hệ DCS trên nền PC..........................................................................20
2.1.4

Các vấn đề kỹ thuật .............................................................................21

ML.1


Chương 2 Dây chuyền công nghệ của nhà máy khí công nghiệp Messer Hải
Dương .......................................................................................................................23
2.1 Tổng quan về Tập đoàn Messer...................................................................23
2.2 Nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương ...........................................24
2.3 Mô tả quy trình tách khí ..............................................................................26
2.3.1

Lọc khí, nén khí...................................................................................26

2.3.2

Làm lạnh sơ bộ và tinh khiết hóa ........................................................26

2.3.3

Chưng cất khí ......................................................................................27

2.4 Mô tả quy trình hóa lỏng .............................................................................27
2.4.1

Nguồn khí nạp vào ..............................................................................30

2.4.2

Hóa lỏng Nitơ......................................................................................30

2.4.3

Hóa lỏng Oxy ......................................................................................31

2.5 Cung cấp các sản phẩm cho khách hàng ...................................................32
2.5.1

Cung cấp sản phẩm khí cho nhà máy thép Hòa Phát ..........................32

2.5.2

Cung cấp sản phẩm lỏng cho các khách hàng.....................................33

Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM CS3000 của hãng Yokogawa ..................34
3.1 Tổng quan về hệ thống DCS CENTUM CS3000.........................................34
3.1.1

Giới thiệu chung..................................................................................34

3.1.2

Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM...................................35

3.1.3

Các đặc trưng của hệ thống CENTUM CS 3000 ................................37

3.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống CENTUM CS3000...............................39
3.2.1 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống ............................................................39
3.2.2 Trạm vận hành (Operation Station).......................................................31
3.2.3 Trạm điều khiển hiện trường (Field Control Station) ...........................44
3.2.4 Hệ thống bus, mạng truyền thông .........................................................48
3.3 Công cụ phần mềm của hệ thống CENTUM CS3000................................54
3.3.1 Công nghệ phần mềm trong hệ thống CENTUM CS3000....................54
ML.2


a) Giao diện OPC.......................................................................................55
b) Các điều khiển ACTIVEX.....................................................................56
c) Hiển thị các cửa sổ đồ họa trong một trình duyệt WEB........................57
3.3.2 Cấu hình phần mềm hệ thống................................................................58
a) System View..........................................................................................58
b) Project....................................................................................................59
c) Chức năng kiểm tra ảo (Virtual Test)....................................................60
3.3.3 Các khối chức năng điều khiển cơ bản..................................................61
a) Khối điều khiển PID..............................................................................61
b) Bộ điều khiển PI lấy mẫu (PI – HLD)...................................................64

c) Bộ điều khiển PID Batch Switch (PID-BSW).......................................65
d) Bộ điều khiển PID với chức năng thiết lập lại bằng tay (PID-MR) ......66
e) Bộ điều khiển PID tự chỉnh PID-STC...................................................67
Chương 4: Hệ thống DCS của nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương ..72
4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển của nhà máy......................................72
4.1.1 Hệ thống máy nén khí .........................................................................72
4.1.2 Hệ thống tiền làm lạnh khí ..................................................................72
4.1.3 Hệ thống lọc khí ..................................................................................73
4.1.4 Bộ phận tuabin giãn nở .......................................................................74
4.1.5 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất....................................................75
4.1.6 Mạch điều chỉnh tự động.....................................................................75
4.2 Yêu cầu của hệ điều khiển ..........................................................................77
4.3 Các thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành...............................................78
4.3.1 Các thiết bị đo lường ...........................................................................78
4.3.2 Các cơ cấu chấp hành..........................................................................79
4.3.3 Các hệ thống phụ.................................................................................79
4.4 Xây dựng cấu trúc của hệ thống DCS .......................................................80
4.4.1 Cấp điều khiển.....................................................................................80
ML.3


4.4.2 Cấp điều khiển giám sát ......................................................................84
a) Trạm vận hành.......................................................................................84
b) Trạm kỹ thuật ........................................................................................85
4.4.3 Truyền thông .......................................................................................85
4.5 Thiết lập chương trình cho hệ thống DCS ...............................................85
4.5.1 Các gói phần mềm...............................................................................85
4.5.2 Trình tự xây dựng chương trình cho hệ thống DCS............................87
4.5.3 Chức năng “Kiểm tra ảo” ....................................................................97
Kết luận

Tài liệu tham khảo
Phụ lục A: Các thông số kỹ thuật của nhà máy khí Messer Hải Dương
Phụ lục B: Sơ đồ P&ID của nhà máy

ML.4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

DCS
ETS
BCV
FCS
OWS
EWS
HIS

Distribution Control System
Enterprise Technology Solutions
Bus Converter
Field Control Station
Operation Workstation

Engineering Workstation
Human Interface Station

Hệ thống điều khiển phân tán
Giải pháp công nghệ kinh doanh
Bộ chuyển đổi Bus
Trạm điều khiển hiện trường
Trạm vận hành
Trạm kỹ thuật
Trạm vận hành với giao diện
người – máy


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1.1

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám sát.....................3

Hình 1.1.2

Mô hình phân cấp chức năng của một nhà máy công nghiệp ...............5

Hình 1.1.3

Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ra tập trung ...............................7

Hình 1.1.4

Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ra phân tán ................................7

Hình 1.1.5

Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra tập trung ................................8

Hình 1.1.6

Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán.................................9

Hình 1.2.1

Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điều khiển phân tán .....................12

Hình 1.2.2

Hệ thống CENTUM CS3000 của Yokogawa .....................................18

Hình 1.2.3

Hệ thống DeltaV..................................................................................18

Hình 1.2.4

Hệ thống PCS7 của Siemens...............................................................19

Hình 2.2.1

Sơ đồ công nghệ của nhà máy.............................................................24

Hình 2.2.2

Sơ đồ quy trình sản xuất của nhà máy ................................................25

Hình 3.1.1

Mô hình hệ thống CENTUM CS3000 ...............................................34

Hình 3.1.2

Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM...................................36

Hình 3.2.1

Ví dụ về cấu hình của một hệ thống CENTUM CS3000....................39

Hình 3.2.2

Các thiết bị cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000 .........................40

Hình 3.2.3

Các dạng của trạm HIS........................................................................41

Hình 3.2.4

Enclosed Display Style Console type HIS ..........................................42

Hình 3.2.5

Open Display Style Console type HIS ................................................42

Hình 3.2.6

Cửa sổ giao diện vận hành ..................................................................44

Hình 3.2.7

Cấu hình FCS ......................................................................................45

Hình 3.2.8

Kết nối giữa các node trong KFCS bằng ESB bus và ER bus .........48

Hình 3.2.9

Mạng RIO bus .....................................................................................49

Hình 3.2.10 Khả năng mở rộng Vnet ......................................................................50
Hình 3.2.11 Fieldbus trong hệ thống CENTUM CS3000.......................................51


Hình 3.2.11 Ghép nối sử dụng CGW ......................................................................53
Hình 3.2.12 Cấu hình hệ thống với các BCV..........................................................54
Hình 3.3.1

Kiến trúc của OPC...............................................................................55

Hình 3.3.2

Kiến trúc Client/Server sử dụng OPC .................................................55

Hình 3.3.3

Nhúng ActiveX vào cửa sổ đồ họa......................................................56

Hình 3.3.4

Đưa giao diện vận hành lên WEB.......................................................58

Hình 3.3.5

Cửa sổ chương trình System View......................................................59

Hình 3.3.6

Sơ đồ khối chức năng của khối PID....................................................62

Hình 3.3.7

Tác động của bộ điều khiển PI – HLD................................................65

Hình 3.3.8

Tác động của khối PID-BSW..............................................................66

Hình 3.3.9

Sơ đồ khối chức năng của khối PID-STC ...........................................68

Hình 4.4.1

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống CENTUM CS3000 nhà máy Messer .....81


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1

Các thành phần chính của khí khô...........................................................27

Bảng 2

Tính chất vật lý của các thành phần chính của không khí.......................27

Bảng 3

So sánh quy mô hệ thống CENTUM CS3000 với hệ thống CS1000......39

Bảng 4

Một số đặc điểm kỹ thuật của Ethernet ...................................................51

Bảng 5

Một số thuộc tính, phương thức và sự kiện ActiveX control ..................57

Bảng 6

Các tác động của bộ điều khiển PID - STC.............................................70

Bảng 7

Số lượng I/O của hệ thống.......................................................................79

Bảng 8

Hệ thống module vào/ra và module kết nối.............................................80

Bảng 9

Sự phân bố các slot ..................................................................................82

Bảng 10 Các phần mềm cho trạm kỹ thuật ............................................................86
Bảng 11 Các phần mềm cho trạm vận hành...........................................................86
Bảng 12 Các phần mềm cho trạm FCS ..................................................................87


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 

Chương 1:
Tæng quan vÒ hÖ thèng ®iÒu khiÓn ph©n t¸n

XW

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, khái niệm Tự động hóa quá trình công nghệ không chỉ dừng lại ở
cấp điều khiển hạ tầng, mà được hiểu với chức năng rộng hơn, kể cả việc giám sát
và điều hành toàn bộ quá trình sản xuất. Sự chuyển hướng trong các giải pháp điều
khiển tự động được đánh dấu đậm nết bởi các tiến bộ vượt bậc của công nghệ vi

điện tử và công nghệ thông tin. Nhu cầu tích hợp hệ thống điều khiển và giám sát
cấp cao trong một hệ thống thông tin tổng thể của một xí nghiệp sản xuất và của cả
công ty ngày nay trở nên quan trọng và cần thiết.
Khi thiết kế một hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ, một vấn đề luôn
được đặt ra là phải cân nhắc giải pháp hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ hay
trên cơ sở một hệ thống tích hợp trọn vẹn. Thiết kế hệ thống trên cơ sở các thiết bị
riêng lẻ yêu cầu người thiết kế phải tự xây dựng cấu hình hệ thống, lựa chọn các
thiết bị điều khiển tự động, các phần mềm lập trình điều khiển cơ sở và các thành
phần của hệ thống. Ngược lại, một hệ thống điều khiển quá trình tích hợp, một mặt
không cho phép người dùng có nhiều sự lựa chọn về thiết bị cũng như công cụ phần
mềm, mặt khác đòi hỏi đầu tư ban đầu tương đối lớn. Giải pháp này thích hợp với
các ứng dụng có quy mô vừa và lớn bởi độ tin cậy cao và hỗ trợ rộng rãi các chức
năng điều hành sản xuất. Đồng thời, khi đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, độ linh hoạt,
mềm dẻo thì giá thành cũng là một yếu tố quan trọng khi thiết kế hệ thống. Vì vậy,
hai hướng thiết kế hệ thống sẽ phù hợp với từng trường hợp cụ thể.

1


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Sự kết nối các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với sự trợ
giúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suất lao động của các nhà thiết
kế, các nhà công nghệ và các nhà tổ chức sản xuất và do đó nâng cao năng suất và
chất lượng sản phẩm. Các hệ thống sản xuất như vậy được gọi là hệ thống sản xuất
tích hợp có sự trợ giúp của máy tính (CIM – Computer Integrated Manufacturing),
bao gồm:
-

Thiết kế trợ giúp của máy tính (CAD – Computer Aided Design);

-

Lập quy trình có trợ giúp của máy tính (CAP – Computer Aided Planning);

-

Lập kế hoạch sản xuất và kiểm tra (PPC – Production Planning and Check);

-

Kiểm tra chất lượng có trợ giúp của máy tính (CAQ – Computer Aided
Quality);

-

Sản xuất có trợ giúp của máy tính (CAM – Computer Aided Manufacturing)

Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông
tin và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo ra sự chuyển biến cơ
bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp. Các xu hướng phân
tán hóa, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi
này. Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành và nâng
cao chất lượng hệ thống.
Điều khiển và giám sát bao hàm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm bảo
các yêu cầu chức năng của quá trình kỹ thuật như năng suất, chất lượng, an toàn cho
con người, máy móc và môi trường. Cụ thể quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của quá
trình kỹ thuật phải được điều khiển theo một mô hình cho trước trong khi có tác
động của môi trường xung quanh, đồng thời ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật
đối với con người và môi trường xung quanh phải được giảm thiểu. Mặc dù điều
khiển và giám sát là hai nhiệm vụ khác nhau nhưng chúng lại liên hệ mật thiết với

nhau. Thực tế, điều khiển đòi hỏi phải có giám sát và một sự giám sát rất vô nghĩa
nếu như thiếu điều khiển, vì thế người ta cũng hay dùng một khái niệm chung là
điều khiển.

2


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Các giải pháp hệ thống (phần cứng và phần mềm) cho điều khiển và giám sát một
quá trình công nghệ hay một dây chuyền lắp ráp không chỉ bao hàm ý “tự động
hóa”, “tin học hóa” các chức năng của hệ thống điều khiển, mà còn hàm ý “tiện lợi
hóa” cho người sử dụng điều hành. Hơn nữa nói tới điều khiển và giám sát ta không
hạn chế phạm vi người sử dụng ở cấp thao tác viên hay người điều hành xưởng
máy, mà còn có thể mở rộng lên cấp quản lý sản xuất hay lãnh đạo công ty. Điều
này mang nhiều ý nghĩa trong việc nghiên cứu tích hợp các hệ thống điều khiển
phân tán DCS (Distributed Control System), các hệ thống điều khiển giám sát và
thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) với hệ thống
điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System), và các hệ thống hoạch
định tài nguyên công ty ERP (Enterprise Resource Planning).
1.1.2 Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển và giám sát
Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình được
minh họa trên Hình 1.1.1. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao
diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Trong khi đó, hệ thống điều
khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy. Các thiết bị có
thể được ghép nối trực tiếp điểm – điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông.

Hình 1.1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám sát
3

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín
hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau
(1..10V, 0..5V, 4..20mA, 0..20mA, v.v…). Trước khi có thể xử lý trong máy tính
số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, tương ứng với chuẩn giao diện vào/ra của
máy tính. Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh
hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị. Đó chính là các chức năng của module vào/ra
(I/O).
Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng
chính sau đây:
• Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,
chuyển đổi tín hiệu.
• Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển
chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller),
thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (Compact Digital Controller) và máy tính cá nhân
cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng.
• Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy,
các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
• Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm – điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus
trường, bus hệ thống.
• Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.
1.1.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát
Trong trường hợp tổng quát, một hệ thống điều khiển và giám sát trong nhà máy
sản xuất có thể chia thành 5 cấp theo chức năng như mô hình sau.
Các cấp dưới thực hiện các chức năng đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy,
tính thời gian thực. Các chức năng thực hiện bởi các cấp trên không đòi hỏi thời
gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng lượng thông tin cần trao đổi và xử lý
lại lớn hơn nhiều.

4

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 

Hình 1.1.2: Mô hình phân cấp chức năng của một nhà máy công nghiệp
Cấp chấp hành có chức năng chính là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín
hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị ở cấp chấp hành là các cảm biến, cơ
cấu chấp hành. Đa số các thiết bị này cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực
hiện đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị này có thể
thực hiện xử lý thô thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển.
Cấp điều khiển có chức năng nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông
tin đó theo một thuật toán nhất định, chuyển lên cấp trên nó, hoặc truyền đạt lại kết
quả xuống cơ cấu chấp hành. Cấp này bao gồm các thiết bị thực hiện chức năng
điều khiển như PC, PLC hay thiết bị điều khiển chuyên dụng.
Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ
thuật. Cấp này hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt, nâng cấp, mở rộng ứng
dụng; thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường.

5


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Cấp điều hành sản xuất có chức năng đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản xuất,
bảo dưỡng máy móc, tính toán tối ưu hoá quá trình sản xuất.
Cấp quản lý công ty có nhiệm vụ tính toán giá thành, lãi suất, thống kê số liệu
sản xuất kinh doanh, xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên.
Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều
khiển và giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều
hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng
thể cho các nhà máy sản xuất.

Đối với hệ thống điều khiển phân tán, sơ đồ phân cấp gồm 4 cấp: chấp hành, điều
khiển, điều khiển giám sát, quản lý.

1.1.4 Các cấu trúc điều khiển
Có các loại cấu trúc điều khiển như sau:
-

Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra tập trung

-

Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán

-

Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra tập trung

-

Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán
a) Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra tập trung

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung được minh họa trên hình 2.
Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật. Máy
tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy
tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình. Trong điều khiển
công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thường được đặt tại phòng điều khiển
trung tâm, cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối
trực tiếp (điểm – điểm) với máy tính điểu khiển trung tâm qua các cổng vào/ ra của
nó. Cách bố trí vào/ ra tại máy tính điều khiển trung tâm như vậy cũng được gọi là

vào/ ra tập trung.
6


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 

Hình 1.1.3: Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra tập trung
Cấu trúc này thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa quy mô vừa và nhỏ. Ưu
điểm của cấu trúc này là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng công việc nối dây phức tạp,
giá thành cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn, độ tin cậy kém.
b) Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán
Cấu trúc này khắc phục được nhược điểm về việc nối dây và nhiễu trong
truyền dẫn tín hiệu của cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ ra tập trung. Hình
1.1.4 mô tả một cấu hình mạng đơn giản.

Hình 1.1.4: Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán
7


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Ở đây các module vào/ ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và
cơ cấu chấp hành. Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp
hành thông minh (màu xám trên hình vẽ) có khả năng nối mạng trực tiếp không cần
thông qua các module vào/ ra.
Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ ra phân tán có những ưu điểm sau:
-

Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây

-

Giảm kích thước hộp điều khiển

-

Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và
khả năng ghép nối đơn giản.

-

Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống đơn giản

-

Khả năng chuẩn đoán tốt

-

Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống.
c) Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra tập trung
Phòng điều khiển trung tâm
MTGS

Phòng ĐKCB 1
MTĐK 1

MTGS

Phòng ĐKCB 2

Phòng ĐKCB n
...

MTĐK 2

MTĐK n

...
S

A

S

A

S

A

...
Phân đoạn 1

Phân đoạn 2

Phân đoạn n

Hình 1.1.5 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra tập trung
8

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, một dây chuyền sản xuất
thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí
cách xa nhau. Mỗi phân đoạn được điều khiển bằng một hoặc một số máy tính điều
khiển cục bộ. Nhờ đó khắc phục được sự phụ thuộc vào môt máy tính trung tâm
trong cấu trúc tập trung, đồng thời tăng tính linh hoạt của hệ thống lên rất nhiều.
Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển
của từng phân đoạn, phân xưởng
Các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy
tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với
nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa
các máy tính điều khiển.
d) Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán
Phòng điều khiển trung tâm
MTGS

MTGS

MTĐK 1

...

MTĐK 2

IO

S

...

IO

A

Phân đoạn 1

S

MTĐK n

...

A

...

Phân đoạn 2

IO

S

A

Phân đoạn n

Hình 1.1.6: Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán

9

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
Trong cấu trúc này, ta cũng có thể sử dụng bus trường để thực hiện việc kết nối
giữa máy tính điều khiển và các thiết bị hiện trường (cảm biến, cơ cấu chấp hành).
Với việc sử dụng bus trường thì máy tính điều khiển có thể đặt tại phòng điều khiển
trung tâm hoặc tại các phòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và
khả năng kéo dài của bus trường.
Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các
thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ thống điều
khiển và giám sát hiện đại. Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt
cao thì yếu tố kinh tế cũng đóng vai trò quan trọng.

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS
1.2.1 Khái niệm hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống điều khiển phân tán được hiểu như là hệ thống dựa trên các phần cứng
và phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyền thông tin
tốc độ cao, các module được phân tán và tổ chức theo một cấu trúc nhất định với
một chức năng nhiệm vụ riêng. Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao
này cho phép ghép nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác như PLC, các máy tính
điều khiển giám sát.
Giống như tên gọi về hệ thống điều khiển phân tán – Distributed Control System,
các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống để thay cho việc xử lý tập
trung trên một máy tính đơn lẻ. Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiển
hoạt động độc lập và điều khiển từng bộ phận chuyên dụng của nhà máy. Hơn nữa,
trong hệ thống có một vài trạm điều hành để giám sát các dữ liệu trong các trạm
điều khiển, cung cấp các giao diện đồ họa và cho phép người vận hành thực hiện
các thay đổi một cách dễ dàng.
Đây là một mô tả mở rộng về một hệ thống DCS nhưng mô tả này cũng phù hợp
với một hệ thống gồm các PLC và các PC với các phần mềm giám sát vận hành.

Điều này dẫn ta tới một định nghĩa quan trọng thứ hai về DCS. Một hệ thống DCS
10


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
là một hệ thống tích hợp đầy đủ với một hệ cơ sở dữ liệu toàn cục. Không giống
như các hệ thống dựa trên PLC, ta không thể sử dụng các bộ điều khiển khác nhau
và các trạm điều hành từ các nhà cung cấp khác nhau rồi kết hợp chúng lại với
nhau. Một hệ thống DCS là một hệ thống hoàn chỉnh, trong đó việc truyền thông,
trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận của hệ thống sẽ không được thể hiện đối với người
dùng. Ngoài ra, nếu một điểm (một khối chức năng) được tạo ra trong một bộ điều
khiển thì sau đó, toàn bộ hệ thống sẽ nhận biết nó. Tức là không cần phải tạo một cơ
sở dữ liệu riêng trong trạm điều hành để phù hợp với dữ liệu trong các bộ điều
khiển vì thông tin đã được tự động tạo ra trong toàn bộ hệ thống.
Hệ thống điều khiển phân tán trước kia thường phát triển trong môi trường xử lý
hóa chất, trong khi đó các hệ thống dựa trên PLC phát triển trong lĩnh vực điện –
điện tử. Trong khi các PLC phát triển từ logic relay thì hệ thống DCS phát triển từ
các bộ điều chỉnh tương tự. Khả năng xử lý dữ liệu tương tự và chạy các trình tự
phức tạp là thế mạnh của hệ thống DCS, trong khi xử lý dữ liệu logic loại relay –
tương tự như một PLC thì tốc độ chậm hơn PLC nhiều.
Một đặc điểm nổi bật của hệ thống DCS là việc sử dụng tagname. Một tagname
là tên do người thiết kế hệ thống định nghĩa cho một đối tượng, áp dụng cho mọi
khối chức năng và các điểm I/O trong các bộ điều khiển. do đó một điểm có thể
được truy cập từ bất kỳ đâu trong hệ thống thông qua tagname của nó.
1.2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống điều khiển phân tán bao gồm các thành phần cơ bản sau:
- Trạm điều khiển cục bộ (LCS, Local Control Station)
- Trạm vận hành (OS, Operator Station)
- Trạm kỹ thuật (ES, Engineering Station)
- Hệ thống bus truyền thông: bus trường, bus hệ thống

11


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 

PC

PC

Factory LAN

OS

OS

ES

System bus

Control
Station 1

Control
Station 2

Control
Station n

…

Field bus
IO

IO

S

A

S

S
A

A
…
M

IO

RIO

S
S

A
A

Phân đoạn 1

Phân đoạn 2

Phân
đoạn n

Hình 1.2.1: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điều khiển phân tán
a) Trạm điều khiển cục bộ
Trong hệ thống điều khiển phân tán, trạm điều khiển cục bộ là thành phần quan
trọng nhất, thực hiện các chức năng sau:
- Điều khiển quá trình: Đó là việc điều khiển các mạch vòng kín điều khiển

các tham số quá trình (nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức,…)
- Điều khiển trình tự
- Điều khiển logíc
- Thực hiện các công thức

12


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán 
- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệ

thống.
- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với

trạm vận hành.
- Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo cảnh

báo, báo động.

Để đảm bảo hệ thống hoạt động tốt, trạm điều khiển cục bộ phải đảm bảo thực
hiện tốt các chức năng nói trên, đồng thời phải đảm bảo tiếp tục thực hiện tốt các
chức năng này trong trường hợp có sự cố xảy ra tại trạm vận hành hoặc bus hệ
thống. Điều này là rất quan trọng.
Về mặt cấu trúc, trạm điều khiển cục bộ thường được tổ chức theo dạng module,
bao gồm các module sau:
-

Nguồn (power suply)

-

CPU

-

Giao diện với bus hệ thống

-

Giao diện với bus trường (nếu sử dụng cấu trúc vào ra phân tán)

-

Các module vào/ra tương tự, số.

Thông thường để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống, các module chính trong trạm
điều khiển cục bộ thường được dự phòng.
Trạm điều khiển cục bộ được lắp đặt trong các tủ điều khiển. Vị trí đặt là trong
phòng điều khiển gần phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện

trường.
Máy tính điều khiển trong trạm điều khiển cục bộ có thể là máy tính đặc chủng
do nhà sản xuất cung cấp, PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp.
Các yêu cầu kỹ thuật quan trọng được đặt ra đối với trạm điều khiển cục bộ: tính
thời gian thực, độ tin cậy và tính sẵn sàng, lập trình thuận tiện.

13