Nghiên cứu hệ đo lường điều khiển phân tán IIT của ABB, ứng dụng trong nhà máy nhiệt điện

`

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện.
Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán
đƣợc tìm hiểu qua các tài liệu.

Học viên

Nguyễn Văn Chí


`

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS ........................................................... 3
1.1 Tổng quan về hệ điều khiển DCS .......................................................... 3
1.1.1 Cấu trúc chung của một hệ điều khiển phân tán ............................... 3
1.1.2 Lớp điều khiển ................................................................................... 4
1.1.3 Hệ thống mạng trong hệ thống điều khiển phân tán ......................... 4
1.2 Giới thiệu một số hệ DCS tiêu biểu ....................................................... 4
1.2.1 DCS truyền thống .............................................................................. 4
1.2.2 DCS trên nền PLC ............................................................................. 5
1.2.3 Các hệ DCS trên nền PC ................................................................... 6
1.2.4. DCS PlantScape của HONEYWELL ................................................ 7
1.3 Hệ thống Industrial IT ......................................................................... 11

1.3.1 Giới thiệu về hệ Industrial IT .......................................................... 11
1.3.2 Đặc điểm của hệ điều khiển Industrial IT ...................................... 11
1.3.3 Các thành phần trong hệ Industrial IT ............................................ 12
1.3.4 Các thiết bị phần cứng của hệ Industrial IT.................................... 12
1.4 Tìm hiểu về AC800M ........................................................................... 13
1.4.1 Tổng quan ........................................................................................ 13
1.4.2 Cấu trúc phần cứng của AC800M ................................................... 13
1.4.3 Phần mềm điều khiển ...................................................................... 16
1.4.4 Tổ chức mạng truyền thông trong hệ thống Industrial IT của ABB 17
1.5 Kết luận.................................................................................................. 19


`

CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN ................................................................................................. 20
2.1 Quá trình chủ yếu của năng liệu ......................................................... 20
2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện .......................... 21
2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện .......................... 22
2.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của nhà máy nhiệt điện .................................. 23
2.3.1 Ưu điểm ............................................................................................. 23
2.3.2 Nhược điểm ....................................................................................... 23
2.4 Đối tƣợng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện ............................... 23
2.4.1 Lò hơi - Hệ điều khiển lò hơi ............................................................ 23
2.4.2. Bao hơi - Hệ điều khiển bao hơi ...................................................... 25
2.4.3 Tua-bin .............................................................................................. 27
2.5 Kết luận.................................................................................................. 27
CHƢƠNG III. CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ TRƢỜNG VÀ
THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG ..................................................................... 28
3.1 Mô tả hệ thống ...................................................................................... 29

3.2 Giải pháp truyền thông ........................................................................ 31
3.2.1Truyền thông tín hiệu đo dạng dòng điện ......................................... 32
3.2.2 Chuẩn truyền thông RS232 .............................................................. 33
3.2.3 Chuẩn truyền thông RS485 .............................................................. 35
3.2.4 Giải pháp truyền thông bằng Bus .................................................... 39
3.3. Thiết bị trƣờng ..................................................................................... 40
3.3.1 Điểm đo nhiệt độ .............................................................................. 40
3.3.2. Điểm đo áp suất .............................................................................. 43
3.3.3 Điểm đo lưu lượng ........................................................................... 45
3.3.4 Điểm đo mức .................................................................................... 47
3.4 Kết luận.................................................................................................. 49
CHƢƠNG IV: GIẢI PHÁP VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .......................................................................... 50
4.1. Giải pháp phần cứng ........................................................................... 50
4.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống .................................................................... 50


`

4.1.2 ác thiết bị đo ................................................................................... 51
4.1.3 Valve điều hiển v biến tần ............................................................. 52
4.2 Các bài toán điều khiển trong hệ thống ............................................. 53
4.2.1 B i toán điều khiển nhiệt độ ............................................................ 53
4.2.2 B i toán điều khiển mức ................................................................... 54
4.2.3 Bài toán ổn định lưu lượng............................................................... 55
4.2.4 B i toán điều khiển áp suất .............................................................. 56
4.2.5 B i toán điều khiển khác .................................................................. 56
4.3 Lƣu đồ thuật toán của các bài toán đƣợc điều khiển ........................ 57
4.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển P01 .................................................... 57
4.3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển P02 .................................................... 57

4.3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển Biến tần 1.......................................... 58
4.3.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển Biến tần 2......................................... 58
4.3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển gia nhiệt 1 ........................................ 59
4.3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV01 ......................................... 59
4.3.7 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV02 .......................................... 60
4.3.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV03 .......................................... 60
4.4 Thiết kế phần mềm ............................................................................... 61
4.4 Thiết kế phần mềm ............................................................................... 62
4.4.1 Giới thiệu chung về phần mềm dùng cho bộ điều khiển.................. 62
4.4.2 Cấu trúc code của bộ điều khiển ..................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 74
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 75


`

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1

Sơ đồ phân cấp và cấu trúc của một hệ DCS

Hình 1-2

DCS trên nền PL

Hình 1-3

Hệ DCS trên nền PC

Hình 1-4

Module vào ra

Hình 1-5

Cấu hình hệ thống

Hình 1-6

Cấu trúc cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000.

Hình 1-7

Sơ đồ hệ thống điều khiển Industrial IT

Hình 1-8

Sơ đồ cấu trúc 1 hệ điều khiển AC800M có dự phòn

Hình 1-9

Cấu trúc phần cứng của AC800M

Hình 1-10

Kết nối vào ra với AC800M

Hình 1-11

Kết nối vào ra với AC800M

Hình 1-12

Sơ đồ kết nối AC800M vào mạng điều khiển

Hình 2-1

Quá trình chuyển hóa năng lƣợng

Hình 2-2

Sơ đồ cấu trúc điều khiển lò hơi

Hình 3-1

Mô hình sinh hơi và quá trình gia nhiệt cho nƣớc cấp

Hình 3-2

Sơ đồ truyền thông

Hình 3-3

Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện từ 4 đến 20mA

Hình 3-4

Mạch chuyển đổi điện áp 0-5V sang dòng điện từ 4 đến 20mA trong
thực tế

Hình 3-5

Minh họa truyền thông giữ thiết bị đo nhiệt độ và máy tính hiển thị

Hình 3-6

Hình dáng và chức năng của giắc cắm RS232 đực

Hình 3-7

Bảng quy định chức năng của các chân trong giao diện vật lý 9, 25
chân đối với RS485 và RS232

Hình 3-8

Kết nối 2 thiết bị với máy tính sử dụng chuẩn RS485

Hình 3-9

Mạch chuyển đổi RS232- RS485

Hình 3-10

Sơ đồ 2 dây và 1 dây nối đất


`

Hình 3-11

Sơ đồ 4 dây và 1 dây nối đất

Hình 3-12

Cách nối điện trở đầu cuối

Hình 3-13

Nhiệt điện trở

Hình 3-14

Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu.

Hình 3-15

Cảm biến đo áp suất

Hình 3-16

Cảm biến lƣu lƣợng kiểu tuabin

Hình 3-17

Cấu tạo cảm biến đo lƣu lƣợng kiểu từ trƣờng

Hình 3-18

Cảm biến đo mức

Hình 4-1

Hệ thống giám sát

Hình 4-2

Đối tƣợng điều khiển trong mô hình.

Hình 4-3

Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiệt đô nƣớc cấp

Hình 4-4

Sơ đồ cấu trúc điều khiển mức

Hình 4-5

Sơ đồ cấu trúc điều khiển lƣu lƣợng

Hình 4-6

Sơ đồ cấu trúc điều khiển áp suất

Hình 4-7

Cửa sổ làm việc Control Builder

Hình 4-8

Cửa sổ làm việc Compact Builder

Hình 4-9

Cửa sổ làm việc của Program Application.

Hình 4-10

Cửa sổ làm việc của Compact Control Builder

Hình 4-11

Kết nối các biến vào các parameter trong khối Temp (Single
ControlModule)

Hình 4-12

Cửa sổ làm việc ENGCLIENT

Hình 4-13

Cửa sổ làm việc New Aspect

Hình 4-14

Cửa sổ làm việc khởi tạo để vẽ đồ họa

Hình 4-15
Hình 4-16

Cửa sổ thiết kế các giao diện
Cấu trúc phần lập trình của bộ điều khiển

Hình 4-17

Giao diện vận hành của bộ điều khiển


`

MỞ ĐẦU
Cơ sở lựa chọn đề tài
Hiện nay, việc nghiên cứu các hệ thống đo lƣờng và điều khiển hiện đại có ý
nghĩa quan trọng nhằm đƣa ra các ƣu nhƣợc điểm của chúng, từ đó có thể ứng dụng
có hiệu quả các hệ thống này trong công nghiệp. Thực tiễn nhu cầu điện năng của
nƣớc ta đang tăng cao, do vậy việc phát triển các nhà máy nhiệt điện đã và đang
đƣợc tiến hành trong đó việc ứng dụng các hệ thống điều khiển có vai trò rất quan
trọng.
Hệ DCS IIT là hệ điều khiển cung cấp bởi hãng ABB. Thuật ngữ IndustrialIT
mô tả sự cam kết của hãng ABB trong việc thu hẹp khoảng cách giữa những đòi hỏi
trong công nghiệp với công nghệ thông tin (Information Technology - IT), mở ra
một tiềm năng thực sự cho phép mở rộng sản xuất.
Việc chọn đề tài “Nghiên cứu hệ đo lường điều khiển phân tán IIT của ABB,
ứng dụng trong nhà máy nhiệt điện” là rất cần thiết.
Mục đích nghiên cứu của luận văn
Phân tích sơ đồ công nghệ của nhà máy nhiệt điện, đƣa ra các giải pháp về phần
cứng và phần mềm của hệ thống, so sánh các giải pháp truyền thông và chọn giải
pháp tối ƣu, trong đó phần mềm thực hiện sẽ đƣợc thực hiện trên chính các công cụ
của ABB. Các phần mềm này sẽ mô tả một phần các quy trình công nghệ trong quá
trình phát điện.

Để đạt đƣợc mục đích trên, nhiệm vụ của luận văn bao gồm các nội dung sau:
- Tìm hiểu công nghệ sản xuất điện trong nhà máy nhiệt điện.
- Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật và cấu trúc phần cứng của hệ thống gom hơi.
- Ứng dụng các công cụ trong hệ điều hành của ABB để thiết kế dự án điều
khiển giám sát công nghệ.
- Chạy mô phỏng và đánh giá kết quả.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu:
- Hệ DCS IIT của hãng ABB
1


`

- Công nghệ sản xuất điện trong nhà máy nhiệt điện.
- Ứng dụng các công cụ trong hệ điều hành của ABB để thiết kế dự án.
Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực thực tế công nghệ và tổng hợp cấu hình hệ thống.
- Quá trình nghiên cứu đƣợc thực hiện theo các nội dung dƣới đây:
I. Hệ điều khiển DCS.
II. Công nghệ sản xuất điện trong nhà máy điện.
III. Các giải pháp về thiết bị trƣờng, thiết bị truyền thông.
IV. Các giải pháp về phần cứng và phần mềm hệ điều khiển.
Kết luận và Kiến nghị
Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Bùi Đăng Thảnh, các
Thầy Cô giáo trong Viện Điện và Viện Sau Đại Học Trƣờng Đại học Bách khoa
Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin cảm ơn các chuyên gia về DCS của ABB Việt Nam đã giúp đỡ em trong
quá trình thiết kế.
Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu

sót. Em rất mong đƣợc sự góp ý của các Thầy Cô giáo và các đồng nghiệp để
bản luận văn hoàn thiện hơn.
Hà Nội, tháng 09 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Văn Chí

2


`

CHƢƠNG I
HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS
1.1 Tổng quan về hệ điều khiển DCS
Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) là hệ điều khiển mà
các chức năng điều khiển đƣợc phân bổ trên toàn bộ hệ thống thay vì đƣợc xử lý tập
trung ở một trạm trung tâm. Hệ DCS điển hình bao gồm các trạm điều khiển có
chức năng hoàn toàn độc lập và các trạm điều hành theo dõi, xử lý dữ liệu trong các
trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép ngƣời điều hành có thể
thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng.
1.1.1 ấu trúc chung của một hệ điều hiển phân tán
Cấu trúc chung của hệ điều khiển phân tán là việc phân bố xử lý thông tin cũng
nhƣ các chức năng theo chiều rộng và chiều sâu kết hợp với việc sử dụng mạng
truyền thông thay cho phƣơng pháp nối dây và bằng dòng điện thông thƣờng. Bên
cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào/ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh,
ngƣời ta còn đƣa các bộ phận điều khiển/ xử lý từ xa (nhƣ các bộ điều chỉnh, vi điều
khiển) xuống các vị trí hiện trƣờng (Remotel/ O cabinet).
Cấu trúc điển hình của một hệ DCS đƣợc thể hiện trong hình dƣới đây, qua đó
có thể thấy rõ một hệ DCS gồm 4 lớp:

Data

Information
Management

Historian

System

Management
Layer

Operator

Operator

Operator

Station

Station

Station

Management

Network
Field Controller

Field Controller

Field Controller

Field Controller

Field I/O

Field I/O

Field I/O

(Ethernet)
Field I/O

Hình 1-1: Sơ đồ phân cấp và cấu trúc của một hệ DCS
3


`

+ I/O: Lớp vào ra gồm các trƣờng vào ra và các PLC.
+ Control: Lớp điều khiển bao gồm các trạm điều khiển (ví dụ nhƣ FCS - trạm điều
khiển trƣờng)
+ Operation: Lớp điều hành gồm các trạm điều hành (ví dụ nhƣ HIS - trạm giao
diện ngƣời máy)
+ Management Infomation: Lớp cơ sở dữ liệu và các trạm quản lý (ví dụ nhƣ
Exaquantum và PRM - Chƣơng trình quản lý tài nguyên nhà máy).
1.1.2 Lớp điều hiển
Các bộ phận điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O: Đọc dữ liệu vào, thực
hiện các chức năng điều khiển và gửi các tín hiệu ra. Các trạm điều khiển đƣợc hoạt

động độc lập với nhau nên nếu xảy ra sự cố ở một trạm sẽ không ảnh hƣởng đến
hoạt động của các trạm khác. Đồng thời, một trạm điều khiển có thể trao đổi dữ liệu
dễ dàng với một trạm khác khi sử dụng phƣơng pháp truyền thông điểm - điểm
trong mạng điều khiển.
1.1.3 Hệ thống mạng trong hệ thống điều hiển phân tán
Tƣơng ứng với các lớp trên nhƣ là các mạng máy tính để liên kết các lớp với
nhau, mạng trao đổi rộng rãi với các lớp nhƣ sau:
-

Mạng I/O - Remote I/O Bus, Fieldbus, Truyền thông PLC

-

Mạng điều khiển - nối các bộ điều khiển và trạm điều hành

-

Mạng diện rộng của nhà máy - nơi chứa hầu hết các thông tin quản lý

1.2 Giới thiệu một số hệ DCS tiêu biểu
1.2.1 D S truyền thống
Hệ DCS truyền thống sử dụng các bộ điều khiển quá trình theo kiến trúc riêng
của nhà sản xuất, các hệ cũ thƣờng đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công
nghiệp, các bộ điều khiển đƣợc sử dụng cũng thƣờng chỉ làm nhiệm vụ điều khiển
quá trình. Vì vậy, phải sử dụng kết hợp PLC cho các bài toán điều khiển logic và
điều khiển trình tự. Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lại
đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự và điều
khiển logic.

4

`

1.2.2 D S trên nền PL
Hệ DCS trên nền thiết bị logic khả trình PLC với cấu trúc ghép nối vào/ra
linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theo chu kỳ, khả năng lập trình và lƣu
trữ chƣơng trình trong bộ nhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng. Vì
thế hệ DCS trên nền PLC nhanh chóng đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển
công nghiệp.

DCS trên nền thiết bị logic khả trình PLC là giải pháp lý tƣởng để thay thế các
mạch logic tổ hợp và tuần tự trong điều khiển các quá trình gián đoạn và các quá
trình liên tục nhƣ trong công nghiệp chế biến, khai thác...
Ngày nay trừ một số loại nhỏ dùng trong các ứng dụng đơn giản, đa số các loại
thiết bị logic khả trình PLC hiện đại đều có khả năng làm việc với các tín hiệu
tƣơng tự và thực hiện các phép toán số học, các thuật toán điều khiển phản hồi nhƣ
điều khiển nhiều điểm PID và điều khiển mờ. Để sử dụng cho các ứng dụng điều
khiển phân tán, các PLC đƣợc sử dụng thƣờng có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển
trình tự cùng với các phƣơng pháp lập trình hiện đại.
Một số hệ DCS trên nền PLC Tiêu biểu là SattLine (ABB), Modicon TSX
(Schneider Electric), PCS7 (Siemens),...

5


`

1.2.3 ác hệ D S trên nền P

Hình 1-3: Hệ D S trên nền P
Giải pháp sử dụng máy tính công nghiệp PC trực tiếp làm thiết bị điều khiển đã
trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đây. Nếu so sánh với các bộ điều
khiển khả trình (PLC) và các bộ điều khiển DCS sử dụng máy tính công nghiệp PC
thì thế mạnh của máy tính công nghiệp PC không những nằm ở tính năng mở, khả
năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng mà còn ở khía cạnh
kinh tế. Các bƣớc tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm và công
nghệ sử dụng bus trƣờng chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của máy
tính công nghiệp PC trong điều khiển công nghiệp.
Ngày nay máy tính công nghiệp PC đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực
tự động hoá. Nó cạnh tranh mạnh mẽ với PLC trong các ứng dụng điều khiển. PC
công nghiệp đã dẫn đến nhiều xu hƣớng phát triển mới của tự động hoá. Đặc biệt,
nó đƣợc sử dụng trong hệ thống điều khiển phân tán DCS điều khiển quá trình sản
xuất. Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp đƣợc
cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và card giao diện bus trƣờng và card giao
diện bus hệ thống.

6


`

Nhƣ vậy DCS trên nền PC là một hƣớng giải pháp tƣơng đối mới, mới xuất hiện
một số sản phẩm trên thị trƣờng nhƣ PCS 7 (Siemens, giải pháp Slot - PLC),
Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse - Emerson Process Management)...
1.2.4. D S PlantScape của HONEYWELL
1.2.4.1 Giới thiệu
PlantScape là một hệ thống điều khiển mở dành cho các ứng dụng điều khiển
quá trình, điều khiển theo lô. Trái tim của hệ thống PlantScape là hệ thống mạng có
kiến trúc client/server, bao gồm các bộ điều khiển hiệu năng cao, công cụ kĩ thuật

tiên tiến và một mạng điều khiển mở. Với việc ứng dụng những tiến bộ kĩ thuật mới
nhất, hệ thống PlantScape bao gồm những đặc điểm sau:
- Các trạm giao diện Server với chức năng biểu diễn dữ liệu động, cảnh báo, lập
báo báo, chứa dữ liệu về quá trình hoạt động của hệ thống.
- Sử dụng kĩ thuật HMIWebTM
- Các bộ điều khiển lai tích hợp (Hybrid)
- Các công cụ hƣớng đối tƣợng cho phép dễ dàng xây dựng các chiến lƣợc điều
khiển
- Hỗ trợ mạng Foundation Fieldbus cho việc tích hợp với các thiết bị đo lƣờng
và điều khiển.
1.2.4.2 Tổng quan về cấu trúc hệ thống PlantScape
PlantScape là một hệ thống điều khiển lai và nó phân biệt với các hệ thống điều
khiển trên nền PC và PLC. PlantScape cho phép tăng hiệu suất kĩ thuật thông qua
các công cụ đồ hoạ hƣớng dựa trên đối tƣợng và một thƣ viện với đầy đủ các chức
năng điều khiển quá trình. Các thành phần cơ bản của một hệ thống PlantScape là:
a. Các hệ thống vào/ra

Hình 1-4: Module vào ra
7


`

HoneyWell đƣa ra ba dạng module vào/ra cơ bản đó là CIOM-A, RIOM-A, RIOMH. Trong đó kiểu vào/ra thƣờng đƣợc sử dụng trong các môi trƣờng dễ cháy nổ.
b. Bộ điều khiển lai cho việc điều khiển liên tục và rời rạc:
-

Bộ xử lí điều khiển C200.

-

Có thể chọn cấu hình dự phòng hoặc không.

-

Các card vào/ra, có thể lựa chọn card vào/ra trên các panel từ xa.

-

Có thể tích hợp với các thiết bị theo giao chuẩn HART, Profibus, Foundation
fieldbus.

c. Các trạm giao diện Server
-

Có thể chọn cấu hình dự phòng hoặc không.

-

Có kiến trúc phân tán.

-

Trang bị giao diện OPC.

d. Các trạm giao diện ngƣời máy
-

Dựa trên công nghệ HMIWeb.

-

Các trạm có thể quay vòng hoặc cố định để tối ƣu linh hoạt và lợi nhuận.

-

Giao diện đồ hoạ với ngƣời vận hành có độ phân giải cao.

-

Hiển thị quá trình hoạt động điều khiển của nhà máy.

Hình 1-5 Cấu hình hệ thống

8


`

1.2.5 DCS CENTUM CS3000 của hãng Yo ogawa

1.2.5.1. Giới thiệu hệ thống điều hiển phân tán Centum CS 3000
Hệ thống CENTUM CS3000 đƣợc phát triển từ hệ CENTUM CS1000 là một hệ
thống điều khiển quá trình thích hợp với quy mô nhà máy lớn. Kế thừa và phát triển
các đặc điểm của những hệ CENTUM trƣớc đó hệ thống CENTUM CS 3000 cung
cấp cho ngƣời dùng những thuận lợi cơ bản sau:
- Tăng hiệu quả vận hành sản xuất bằng hệ thống đa cửa sổ theo dõi và khả năng
cập nhật công nghệ mới.
- Kết nối thông tin của cấp điều khiển giám sát với hệ thống thông tin thuộc cấp
điều hành.

- Phát triển mạnh khả năng tự động hoá và điều khiển.
1.2.5.2. ác đặc trưng của hệ thống ENTUM S 3000
Hệ thống CENTUM CS 3000 ngày nay gồm các đặc trƣng cơ bản sau:
- Đƣợc trang bị các chức năng nhúng và liên kết đối tƣợng OLE cho điều khiển
quá trình bằng trạm OPC(OLE for Control Server).
- Hỗ trợ Foudation Fieldbus để tích hợp với mạng sensor và cơ cấu chấp hành.
- Cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị lập trình điều khiển lập trình PLC.
- Cấu trúc dữ liệu mở cho phép sử dụng các công cụ mở để tính toán, thay đổi và
quản lý các thông số kỹ thuật.

9


`

1.2.6. Hệ PCS7 của SIMENS
1.2.6.1 ấu trúc của P S 7
Cấu trúc điển hình của PCS7

Hình 1-6: Cấu trúc cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000.
Hệ thống PCS đƣợc mô tả ở hình trên bao gồm các ES (Engineering Station),
các OS (Operator Station) và các AS (Automation Station).
ES (Engineering Station): Các dự án của PCS 7 đƣợc thiết kế ở các trạm kỹ
thuật nơi mà cài đặt các công cụ kỹ thuật của PCS 7 và truy cập thông tin tới các
trạm tự động và trạm vận hành.
AS: Automation Station: Một trạm tự động có thể bao gồm một bộ nguồn cung
cấp, một khối xử lý trung tâm (CPU), và các module vào ra.
Khối xử lý trung tâm (CPU) thƣờng là các bộ CPU của S7 400. Các CPU này có
thể giao tiếp với OS hoặc ES thông qua hệ thống Bus. AS cũng có một cổng giao
tiếp với các thiết bị hiện trƣờng thông qua Profibus DP.

1.2.6.2 Những điểm nổi bật của hệ thống điều hiển
- Dựa trên những bộ phận phần mềm và phần cứng từ chính hãng SIEMENS.
- Tích hợp tự động hóa theo chiều dọc và chiều ngang với giải pháp toàn diện TIA
(TIA-Totally Integrated Automation). Khả năng linh hoạt dựa vào sự thi hành theo
cấp bậc và thiết kế dạng môđun độc lập, kỹ thuật phù hợp thống nhất xuyên suốt hệ
thống cho tất cả các bộ phận cùng với một cơ sở dữ liệu chia sẻ; thực thi khối lƣợng
lớn công việc kỹ thuật.
10


`

- Hệ thống điều khiển có tính sẵn sàng cao do dựa trên sự dự phòng trên tất cả các
cấp bậc của hệ thống.
1.3 Hệ thống Industrial IT
1.3.1 Giới thiệu về hệ Industrial IT
Hệ thống Industrial IT có cấu hình phân tán với số đầu vào ra vừa phải. Cấu
hình này cho số phần tử điều khiển vừa phải, tối ƣu về mặt kinh tế đáp ứng hiệu quả
truyền thông bằng cách sử dụng mạng Ethernet.
1.3.2 Đặc điểm của hệ điều hiển Industrial IT
-

Hiệu quả và thuận lợi trong việc xây dựng chƣơng trình điều khiển, các đối tƣợng
tạo ra dễ dàng đƣợc tái sử dụng và trở thành tài nguyên có sẵn trong các ứng dụng
về sau

-

Tính linh hoạt cao: Cho phép tìm ra các giải pháp cho các ứng dụng từ nhỏ đến lớn
nhất

-

Truyền thông mở: Dựa trên các chuẩn truyền thông, các thành phần quen thuộc và
công nghệ bus trƣờng

Hình 1-7 Sơ đồ hệ thống điều khiển Industrial IT

11


`

1.3.3 ác th nh phần trong hệ Industrial IT
- Control IT: bao gồm các thiết bị phần cứng, các gói phần mềm và các hệ phục vụ
cho việc điều khiển thời gian thực, giám sát và quản lý các biến quá trình.
- Operate IT: gồm các bộ phần mềm và phần cứng phục vụ cho việc giao tiếp với
ngƣời vận hành, cung cấp thông tin phục vụ cho việc giám sát và vận hành ở mọi
nơi, mọi lúc và mọi cấp độ.
- Engineer IT: là bộ công cụ phần mềm rất mạnh của AB cho phép định cấu hình
các hệ tự động và thiết bị quá trình một cách nhanh chóng bao gồm xử lý đồ hoạ,
cấu trúc vật lý và xây dựng tài liệu kỹ thuật.
- Communicate IT: gồm các công cụ phục vụ cho việc truyền thông và giao tiếp
nhằm nâng cao năng lực, độ tin cậy và tính bảo mật cao.
- Design IT: gồm phần mềm và các dịch vụ để tối ƣu thiết kế mẫu mã sản phẩm,
đào tạo và lập dự án.
- Drive IT: gồm các bộ điều khiển động cơ, các giải pháp phần mềm nhằm cung
cấp và cải thiện hiệu quả chuyển động, momen, tốc độ và vị trí.
- Advise IT: là công cụ phần mềm của ABB hỗ trợ việc tính toán các thông số quá
trình, chất lƣợng sản phẩm, giám sát các thông số của htiết bị, chuẩn đoán lỗi và

đƣa ra các chỉ dẫn cho ngƣời vận hành.
1.3.4 ác thiết bị phần cứng của hệ Industrial IT
- CPU: Tần số xung đồng hồ: 18,432 Mhz, tốc độ đáp ứng 2,2ms/1000 dòng lệnh.
Bộ nhớ 2MB RAM và 2MB Flash ROM
- Truyền thông: truyền thông nối tiếp với module CI271. Truyền thông qua mạng
Ethernet với module CI272. Truyền thông qua mạng Profibus-DP với module
CI274.
- CPU: AC800M là loại CPU có năng lực quản lý lớn nhất, phù hợp cho các ứng
dụng rộng lớn
- CPU: AC800C là loại CPU sử dụng cho các ứng dụng nhỏ, có kèm theo 10 đầu
vào số và 6 đầu ra số.
- Các module vào ra I/O: gồm có các I/O S200, S800 và S900

12


`

1.4 Tìm hiểu về AC800M
1.4.1 Tổng quan
AC800M là CPU ứng dụng rộng, từ những ứng dụng điều khiển logic cơ bản
đến những điều chỉnh phức tạp hoặc bất cứ loại hình kết hợp nào có khả năng quản
lý từ vài vào ra cho tới vài nghìn điểm vào ra đƣợc lắp đặt tại chỗ hoặc từ xa, có hai
cổng truyền thông Ethernet, có khả năng dự phòng và dự phòng kép.
Bộ điều khiển AC800M có thể đứng độc lập hoặc là 1 phần trong mạng điều
khiển gồm nhiều bộ điều khiển đƣợc nối với nhau. Hệ thống vào ra khác nhau có
thể đƣợc nối với AC800M, trực tiếp qua S800 I/O hoặc qua Profibus DP

Hình 1-8. Sơ đồ cấu trúc 1 hệ điều khiển AC800M có dự phòng
1.4.2 Cấu trúc phần cứng của AC800M

Module giao tiÕp

CPU

S800L

I/O

truyÒn th«ng

Dự phòng
Ethernet

2 cổng RS-232

Hình 1-9. Cấu trúc phần cứng của AC800M

13


`

- Bộ xử lý trung tâm: PM856/860/861/864
- Các kiểu giao diện truyền thông: CI851/852/853/854/855/856/857
- Nguồn cấp, đầu ra mức: SD821/822/823
- Pin dự phòng: SB821.
CPU: Gồm vi xử lý, RAM, bộ điều khiển cho các giao tiếp đƣợc thiết lập, đồng
hồ thời gian thực, chỉ dẫn LED, nút ấn INIT. Board nguồn cấp có chức năng chính
là phát cách ly nguồn chuẩn 5V và 3,3V cho CPU và khối vào ra.

Hình 1-10. Sơ đồ cấu trúc CPU PM856/PM860
Ở chế độ dự phòng, ta sử dụng 2 CPU PM861 hoặc PM864. Các CPU đƣợc nối
với nhau qua cáp nối RCU và qua CEX-bus. Khi đó, một khối sẽ đóng vai trò chính
còn một khối đóng vai trò dự phòng. Khối chính điều khiển quá trình, khối dự
phòng chỉ tiếp nhận vai trò khối chính khi khối chính bị lỗi. Sự thay đổi diễn ra
trong khoảng 10ms, suốt thời gian đó đầu ra bị khoá.
Các kiểu giao tiếp:
- CI851: giao tiếp Profibus DP
- CI852: giao tiếp Foundation Fieldbus H1
- CI853: giao tiếp RS232-C
- CI854: giao tiếp Profibus DP-V1

14


`

- CI855: giao tiếp Ethernet đối với MasterBus300
- CI856: giao tiếp vào ra với S100
- CI857: giao tiếp INSUM

Hình 1-11. Kết nối vào ra với AC800M
Kết nối vào mạng điều khiển là một mạng IP riêng với cả dữ liệu thời gian thực
và liên lạc giữa hệ thống chung với máy tính công nghiệp. Nó có thể chỉ là một
mạng nhỏ với một vài nút cho đến những mạng lớn chứa nhiều mạng con với hàng
trăm nút.

15

`

Bộ điều khiển AC800M luôn nối với mạng điều khiển qua một cáp STP (cáp đôi
dây xoắn). Trong điều kiện môi trƣờng công nghiệp, kết nối giữa AC800M và mạng
điều khiển phải đổi qua cáp sợi quang FO (Fiber Optic) bằng bộ Switch/Hub.

Hình 1-12. Sơ đồ kết nối AC800M vào mạng điều khiển
1.4.3 Phần mềm điều hiển
Phần mềm điều khiển cho AC800M không phải riêng biệt mà gần nhƣ là những
chức năng chung đƣợc sử dụng trong bộ điều khiển. Những chức năng này đƣợc tạo
nên bởi:
- Những chức năng phần cứng (giám sát, các bus thông tin, bus I/O)
- Chức năng cơ sở đƣợc tải vào bộ điều khiển (điều hành hệ thống theo thời gian
thực, đồng hồ thời gian thực, liên lạc dự phòng)

16


`

- Các chƣơng trình ứng dụng đƣợc tải vào bộ điều khiển (chức năng thƣ viện, giao
thức liên lạc)
Để tạo ra một chƣơng trình ứng dụng, cần sử dụng công cụ Control Builder M.
Công cụ này rất linh hoạt, có nhiều chức năng có thể thêm vào hệ thống điều khiển.
Control Builder hỗ trợ các kiểu dữ liệu nhƣ số bool, số nguyên, số thực, chuỗi ký tự,
thời gian, ngày,... và kiểu dữ liệu có cấu trúc theo chuẩn IEC 61131- 3. Thƣ viện
các hàm rất lớn từ những cổng AND và OR đơn giản cho đến những bộ điều khiển
PID tự động điều chỉnh.
Ngôn ngữ lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 cung cấp 5 ngôn ngữ lập trình:
-

Function Block Diagram (FBD)

-

Structured Text (ST)

-

Ladder Diagram (LD)

-

Sequential Function Chart (SFC)

-

Instruction List (IL)

1.4.4 Tổ chức mạng truyền thông trong hệ thống Industrial IT của ABB
1.4.4.1 Hệ thống bus trường
Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ đƣợc bổ
sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station)
và một số thiết bị trƣờng thông minh. Các yêu cầu chung đặt ra với bus trƣờng là
tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp. Bên cạnh đó, đối với
môi trƣờng dễ cháy nổ còn các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác về chuẩn truyền dẫn,
tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp truyền,... Các loại bus trƣờng đƣợc
hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong
môi trƣờng đòi hỏi an toàn cháy nổ thì Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là
hai hệ đƣợc sử dụng phổ biến nhất.

1.4.4.1.1 Profibus
- Profibus là một chuẩn bus trƣờng mở, không phụ thuộc vào nhà cung cấp, nó
đƣợc sử dụng trong một phạm vi rộng các ứng dụng trong tự động hoá sản xuất và
tự động hoá quá trình.

17


`

- Sự không phụ thuộc vào các nhà cung cấp và tính chất mở đƣợc đảm bảo bởi tiêu
chuẩn quốc tế EN 50170 và EN 50254. Profibus cho phép giao tiếp giữa các thiết bị
của các hãng sản xuất khác nhau mà không cần sự điều chỉnh đặc biệt nào về giao
diện.
- Profibus có thể dùng cho cả ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian với tốc độ cao
và các nhiệm vụ truyền thông phức tạp.
- Qua sự tiếp tục phát triển về kỹ thuật, Profibus sẽ vẫn là hệ thống giao thức công
nghiệp đƣợc dùng trong tƣơng lai.
- Profibus định nghĩa ba loại giao thức là Profibus -FMS, Profibus -DP .
1.4.4.1.2 Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus không chỉ là một giao thức thông tin mà nó còn có các đặc
điểm sau:
- Thay thế hoàn toàn cho hệ thống cũ 4-20mA.
- Các chức năng điều khiển, cảnh báo, theo dõi quá trình.. đƣợc phân tán tới các
thiết bị trong hệ thống.
- Cho phép các thiết bị của các nhà sản xuất kết nối với nhau.
- Hệ thống mở, các thiết bị của Foundation Fieldbus là các thiết bị thông minh.
Foundation Fieldbus là hệ đầy đủ với các chức năng điều khiển phân tán ở các thiết
bị nhƣng nó vẫn cho phép hoạt động và điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm.
1.4.4.2 Hệ thống bus hệ thống

Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và
với các trạm vận hành và trạm kỹ thuật. Trong đa số các hệ thống ứng dụng, ngƣời
ta lựa chọn cấu hình có dự phòng cho bus hệ thống. Thêm nữa, để cải thiện tính
năng thời gian thực, nhiều khi một mạng riêng biệt (có thể có cả dự phòng) đƣợc sử
dụng để ghép nối các trạm điều khiển cục bộ (bus điều khiển, control bus). Giải
pháp mạng có thể đặc chủng của riêng công ty, hoặc dựa trên một mạng chuẩn quốc
tế. Các hệ thống mạng đƣợc sử dụng nhiều nhất là Ethernet, Profibus-FMS và
ControlNet.

18


`

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lƣu lƣợng thông tin
lớn, vì vậy tốc độ đƣờng truyền phải tƣơng đối cao. Tính năng thời gian thực cũng
là một yêu cầu đƣợc đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm
ngặt nhƣ với bus trƣờng. Thời gian phản ứng thƣờng chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi
0,1s trở lên. Số lƣợng trạm tham gia thƣờng không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu
không có đột biến lớn.
1.5 Kết luận
Chƣơng này tác giả trình bày về các hệ thống điều khiển tiêu biểu hiện nay trên
thế giới nhƣ hệ Centum CS3000 của Yokogawa, PCS của Siemens, IIT của ABB.
Với hệ thống CS3000 của Yokogawa đã cung cấp các giải pháp tối ƣu trên quan
điểm quản lý doanh nghiệp để thỏa mãn yêu cầu của khách hàng và sự kỳ vọng vào
trình độ phát triển của khoa học kỹ thuật. Hơn nữa, hệ thống điều khiển tích hợp cao
với quy mô lớn đáp ứng yêu cầu hệ mở, chức năng điều khiển của hệ thống đƣợc
thiết lập để đảm bảo sự tin cậy của hệ thống.
Hệ thống PCS 7 khả năng linh hoạt dựa vào sự thi hành theo cấp bậc và thiết kế
dạng môđun độc lập, hệ thống điều khiển có tính sẵn sàng cao do dựa trên sự dự

phòng trên tất cả các cấp bậc của hệ thống.
Bên cạnh đó, hệ thống Industrial IT là một hệ thống phân tán với số đầu vào ra
vừa phải. Cấu hình này cho số phần tử điều khiển vừa phải, tối ƣu về mặt kinh tế,
đáp ứng hiệu quả truyền thông với lƣợng thông tin lớn hoàn toàn đƣợc giải quyết
bởi các mạng truyền thông. Sự đáp ứng về thời gian thực điều khiển hệ thống đƣợc
thực hiện dễ dàng bằng các đầu vào/ra tƣơng tự.
Từ những phân tích trên cùng với việc chỉ ra những ƣu điểm hơn hẳn của hệ IIT
của ABB so với các hệ thống DCS khác nên tác giả đã quyết định chọn hệ DCS này
cho thiết kế luận văn của mình.

19