Giáo trình Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng: Phần 1

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

■

r

■

HI A

Lời nói đâu
Sàn xuất diện năng là quá trình phức tạp liên quan tới nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ
khác nhau. M ỗi nhà máy điện có nhiều tô máy, các nhà máy điện được găn kêt với lưới điện
thành một hệ thống điện quốc gia. Vì vậy hệ thống điều khiển nhà máy điện là hệ thống lớn, cơ
sở dữ liệu phải thống nhất, đảm bào tính ổn định bền vững, độ tin cậy cao.
Trong những năm gần đây, hệ thống tự động hóa nhà máy điện được thừa hường thành tựu
khoa học công nghệ điện tử, tin học và kỹ thuật điều khiên, đã có sự phát triên vưọt bậc. Hệ tự
động hóa nhà máy điện hiện đại được ứng dụng gần đây phần lớn sử dụng hệ điều khiên phân
tán (DCS - Distributed Control System). Hệ được xây dựng trên môi trường số, có cơ sờ dừ liệu
toàn cục (Global) cho giám sát vận hành và điều khiển. Những chức năng điều khiên được phân
bô cho các bộ điêu khiên với khả năng điều khiển lớn có đầu vào/ra phân tán đê kết nôi với các
thiết bị chấp hành và đo lường thông minh (Smart Sensor). Tất cả hệ được tích hợp và kết nối
với nhau bời các mạng truyền thông chuẩn công nghiệp.
ờ V iệt Nam những năm gần đây đã có hàng loạt nhà máy điện đang xây dựng và đưa vào
vận hành với mức độ tự động hóa cao trang bị hệ điều khiên DCS hiện đại của các hãng nôi
tiếng thế giới như: Yokogawa, A B B , Siemens, Honeywell, Emerson....Chính vì vậy lưọ*ng kỹ sư
tự động hóa làm việc trong các nhà máy điện được dự báo ngày càng tăng.
Đẻ đáp ứng nhu cầu của thực tiễn sản xuất, Bộ môn Tự động hóa - Trường Đ H B K Hà nội đã

cho giảng dạy môn học Hệ điều khiên DCS tự động hóa nhà máy nhiệt điện cho sinh viên. Bộ
môn giao cho PGS. Bùi Quốc Khánh chủ biên phối họp với các cán bộ phòng Hệ thống Tự động
hóa và phòng Công nghệ Năng lượng - Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay là Viện K ỹ thuật
Điều khiển và Tự động hóa - Trưcrng Đ H B K Hà nội) biên soạn giáo trình ';Hệ điều khiên DCS
cho nhà máy sản xuất điện năng'\ Nội dung giáo trình đà được Hội đồng xét duyệt giáo trình
của Truông Đại học Bách khoa Hà nội thông qua.
N ội dung của giáo trình được chia làm 3 phần:
■

Phần I: Tổng quan về Điều khiển phân tán (DCS).

■

Phan II: Phân tích cấu trúc các mạch vòng điều khiển điển hình của nhà máy nhiệt
điện đốt than.

■

Phan III: Hệ DCS cho nhà máy điện đốt than.

PGS. Bùi Quốc Khánh, TS. Phạm Quang Đăng, ThS. Phạm Hồng Son tham gia biên soạn
phần I. PGS. Bùi Quốc Khánh biên soạn phần II, PGS. Bùi Quốc Khánh, Ks. Nguyễn Duy Binh,
Ths. Phạm Hồng Son’, tham gia biên soạn phần III.
Giáo trình được biên soạn phục vụ cho sinh viên ngành Tự động hóa đồng thời có thể dùng
làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư các ngành có liên quan.
Tập thê tác già xin cảm on các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa, cán bộ nghiên cứu
của Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay là Viện K ỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Trường Đ H B K Hà nội), các cán bộ kỹ thuật trong ngành điện lực đã quan tâm góp ý cho nội
dung giáo trinh.
Tiếp thu ý kiến đóng góp cùa bạn đọc và các đồng nghiệp, trong lần tái bản này một số nội
dung đã được sửa chữa và chinh sửa. Tuy nhiên nội dung của cuốn sách đề cập tới vấn đề lớn,

phức tạp lại mang tính thực tiễn cao do vậy việc biên soạn không tránh khỏi thiếu sót. Tập thê
tác già mong các bạn đồng nghiệp và độc giả tiếp tục góp ý kiến đẻ cho cuôn sách ngày càng
được hoàn thiện hơn. Thư góp ý xin gửi về Viện kỹ thuật điều khiên và tự động hóa, nhà Công
nghệ cao, Trường Đại học Bách khoa Hà N ội hoặc Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 70 Trân
hưng Đạo - Hà N ội. Chứng tôi xin chân thành cảm ơn.

Các tác giả

4



PHÀN I: TÒNG QUAN HỆ ĐIÈU KHIẾN DCS
CHƯƠNG 1

ĐIỀU KHIÊN PHÂN TÁN

1.1

Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất và các hệ đỉều khiến

1.1.1

Tự động hóa quá trình sản xuất và tự động hóa quá trình công nghệ

Hệ thống điêu khiên, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành

nhiều câp. Phù hợp với thực tẽ này, hệ thôn« tự độn« hóa quá trình sản xuât cũng được phân
chia thành nhiêu câp và điên hình của một hệ thốn« tự độn« hóa quá trình sản xuất thường bao
gôm 5 cấp như trẽn Hình 1-1.

Đặc điêm của các cấp này như sau:

Câp thứ nhất: là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường. Nó thực hiện kết nổi các thiết bị
điêu khiên vói các cảm biến và co* cấu chấp hành.

5



cấp thứ hai: là cấp điều khiên thực hiện các chức năng điêu khiên các quá trình công nghệ
và thực hiện việc kết nối các thiết bị điều khiên, thiết bị điều khiên logic kha trình PLC. thiẻt bị
điều khiển trong các máv điều khiên số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp.

Cấp thứ ba: là cấp vận hành, giám sát chi huy và thực hiện chức năng vận hành giam sát.
Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người - máy. lưu trữ các sô liệu liên quan
tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đôi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ,
máy sản xuất.... Chức năng điều khiên ờ câp này là điêu khiên câp cao do người vận hành dam
nhiệm hoặc do các máy tính thực hiện chức năng điều khiên cấp cao. Thiết bị trong cấp thứ ba
này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các câp 1. 2 và 3 là các câp trực tiêp thực hiện
quá trình công nghệ.
Cấp thứ tư: là cấp điều hành sản xuất thực hiện phối hợp các quá trình công nghệ với nhau
và với các hệ thống phụ trợ sán xuất như kho tàng, hệ thống cung ứng vật tư, nguyên liệu, nhiên
liệu và nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lv san xuất, quan lý nguỗn
lực,...
Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động
quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và vãn phòng công ty tại nhiêu thành phố và

quốc gia khác nhau.
Trong SO' đỏ phân cắp cúa hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các
cấp trực tiẽp thực hiện quá trình còng nghệ và hệ thống điều khiên tự động áp dụng cho các câp
này còn được gọi là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực
hiện chức năng điều hành, quản lý và hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp này được gọi là
hệ thống tự động hóa điều hành và quản lý sán xuất. Trong khuôn khỏ cua cuốn sách nàv. hệ
thống được đề cập chù yếu là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ, có nghĩa là các cấp 1. 2
và 3 trong SO' đô phân cấp hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất.
cơ cấu chấp hành

Hình 1-2. Thông tln trong một hệ thống điều khiển đơn giản

6




1.1.2

Sự ra đòi và phát triên của các hệ thống điều khiên

Mục tiêu của hệ thống tự động hóa quá trình san xuất la để đảm bào hoạt động an toàn và
kinh tế. Trong hâu hét các nhà máy công nghiệp hiện nav đều có một sô loại thiết bị điều khiên
nhất định, ơ cấp độ đon giản nhất, nhà máy có thể chi bao gồm một động co- điện truyền động
cho một chiếc quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ trong phòng. Ớ dạng phức tạp hơn đó có thẻ
là một lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện năng cung cấp cho nền kinh tế. Bẽn cạnh quy mô và độ
phức tạp, tất cà các hệ thống điều khiên đều được chia ra thành ba phần theo chức năng: thiết bị
đo. thiết bị điêu khiên và CO' cấu chấp hành.
Thiết bị điều khiên giám sát các thông số trạng thái của các quá trình trong nhà máy thông
qua các thiết bị đo. Thiết bị đo có chức năng chuyên đôi thông tin vật lý thành tín hiệu điện và

đưa vào đầu vào cùa thiết bị điều khiên. Dựa trẽn trạng thái từ các đau vào, thiết bị điều khiển
sử dụng các thuật toán đã được chương trình hóa đẽ tính toán cho tín hiệu ra điều khiên các cơ
cấu chấp hành.
Tùy thuộc yéu câu của công nghệ, mức đâu tư và trình độ ứng dụng mà các hệ thống điêu
khiên khi dua vào thực tế cũng có nhiêu mức độ khác nhau. Tuy nhiên bất cứ một hệ thong điêu
khiên nào cũng đêu có các mục đích chung:
•

An toàn cho con người và thiẻt bị trong hoạt động san xuất;

•

Vặn hành tin cậy, kinh tẻ:

•

Nâng cao chất lượng, năng suất;

•

Tăng sản lượng.

Những hệ thống điều khiên đầu tiên dã ra đòi trong cuộc Cách mạng công nghiệp vào cuối
thế kỷ X IX . Chức năng điều khiên được thực hiện thông qua các thiết bị cơ khí tinh xảo như các
cơ câu cam chương trình, thực hiện tụ động hóa cho một vài công đoạn quan trọng, phức tạp và
có tính lặp đi lặp lại trong các dây chuyên. Các thiết bị này thưÒTìg được thiết kế cho từng ứng
dụng cụ thẻ riêng biệt.
Đâu the kỳ 20 các đèn điện tử và khuêeh đại điện tử băt đâu xâm nhập vào công nghiệp đã
làm cho dâv chuyền sản xuât tự động đỡ công kênh hon. Thiêt bị tự động điên hình trong thời
gian này là các thiết bị điều khiên dùng dẻn diện tư. các thiét bị do và điều khiên được tô hợp là

điện thế kế tự động ghi. các rơle thời gian diện tứ....
Vào cuối những năm 1960 đâu những năm 1970 điện tử công suất, vi mạch điện tử đặc biệt
là các bộ vi xử lý 4-bit. 8-bit ra dòi đâ làm thay đòi rắt nhiều về các thiết bị điều khiên. Các thiết
bị điêu khiên tương tự. thiết bị điều khiến số. thiết bị điều khiển số lập trình 4-bit. Nhò' tiến bộ
kỹ thuật này hệ điều khiên đã có cải thiện rõ rệt, gọn nhẹ và tính năng giám sát vận hành tập
trung đã bất đâu xuât hiện. Điên hình về các công nghệ mới giai đoạn này ỏ' Việt Nam là các
dây chuyền tự động X i măng Hoàng Thạch I. giấv Bãi Bằng, nhiệt điện Phả Lại.
Vào cuối thập kỷ 80 của thế ký 20 do tính năng vi xử lý và vi điều khiển được nâng cao nên
đà xuất hiện các thiết bị điều khiên mạnh là PLC (thiết bị điều khiên logic kha trình) chađiều
khiên logic, thiêt bị điều khiên sỏ quá trình có các mạch vòng tín hiệu liên tục.
Vào giữa thập kỷ 90 của thể kv 20 hệ điều khiển DCS ra đòi, các PLC và các thiết bị điều
khiên sô được kêt nôi với nhau và với trung tâm giám sát vặn hành qua các đường truyền thông.
Các hệ thống điêu khiên sản xuảt dần dần hoàn thiện và phát triẽn hoàn chinh như ngày nay.

7



Đen nhũng năm cuối cùa thế kỷ 20 và những năm đầu của thế kỷ 21 đã chửng kiến một xu
hướng mới trong quan điểm về các hệ điều khiển. Giờ đây ranh giới giữa các hệ điều khiển ngày
càng bị lu mờ và ngày càng xuất hiện them nhiêu hệ thống điều khiển mói nhằm đáp ứng như
cầu của các công nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (H ybrid Control System), hệ điều khiển
bằng máy tính (Computer Based),... Những năm này cũng chứng kiến sự ra đòi của hàng loạt
tiêu chuân trong điều khiên như tiêu chuẩn về ngôn ngừ lặp trình, tiêu chuân truyền thông, tiêu
chuân về giao diện đã mang các hệ điều khiên lại gân nhau hon. phá bo the độc quven của các
nhà cung cắp trước đó, tạo sự thuận lợi lớn cho khách hàng.
Xu thế của các hệ thống điều khiên hiện nay là giảm thiêu chi phí phân cứng, tăng cường áp
dụng các thuật toán, cấu trúc điều khiên hiện đại, tiến tiên như điều khiên mờ, điều khiên noron,
điều khiển theo mô hình dự báo,... vào trong công nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng chất
lượng và tiết kiệm năng lượng.

1.1.3 Các hệ thống điều khiển hiện nay
Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử và tin học làm xuất hiện các thiết bị và hệ thống điều
khiển sử dụng kỹ thuật số. Ngày nay các thiết bị và hệ thống điều khiển phô biến đều sử dụng
kỹ thuật ,số với chủng loại và quy mô vô cùng phong phú và gần như không có gianh giói giữa
các lớp thiết bị, hệ thống điều khiển. Tuy nhiên cho dù nhà máy ở quy mô lón hay nhò thì ta
cũng thấy trong đó tồn tại ba ứng dụng điều khiển co bản sau:
•

Điều khiển logic
Thực hiện các liên động, logic trình tự cho quá trinh công nghệ. Nền tảng khoa học
cho ứng dụng này là các phép toán logic.

•

Điều khiển - điều chinh
ủ n g dụng này thực hiện các mạch vòng điều khiên - điều chinh nhằm duy trì một
đại lượng xác định của quá trình công nghệ theo lượng đặt cho trước để đảm bao
các điều kiện yêu cầu của quá trình công nghệ. Nền tảng khoa học cho việc xây
dựng và phát triển ứng dụng này là lý thuvết điều khiển tự động.

•

Giám sát, vận hành và thu thập số liệu (S C A D A )
Úng dụng này hỗ trợ người vận hành giám sát và vận hành toàn bộ quá trinh công
nghệ, ủ n g dụng này thực hiện chức năng điều khiên cấp cao do con người thực hiện
với sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng như điều khiển mẻ, tối ưu quá trình,...

Tùy theo tính chất của quá trình công nghệ trong một nhà máy có thể ứng dụng điều khiến logic
chiếm ưu the hon ứng dụng điều khiên - điều chỉnh hoặc ngược lại và chúng ta cỏ thể phân chia

chúng thành cac nhóm như sau:
•

Hệ thống tự động hóa nhà máy (Factory Automation): Hệ thống tự động hóa nhà
máy kết nối các thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) với các trạm vận hành
giám sát. Úng dụng chủ yếu cùa hệ thông này là cho các ứng dụng sản xuất rời rạc
trong đỏ các ứng dụng điêu khiên logic là chủ yếu như các hệ thống sàn xuất, lắp
ráp cơ khí mà điên hình là các nhà máy sàn xuất và lap ráp ỏ-tô;•

•

Hệ thống tự động hóa quá trình (Process Automation): Hệ thống tự động hóa quá
trình kết nối các thiết bị điều khiên số quá trình với nhau và với các trạm vận hành
giám sát. Điẻm nôi bật của các hệ thống này là nó cho phép các thiết bị điều khiển
có thể trực tiếp trao đồi dữ liệu với nhau đẽ cho phép thiết lập cấu trúc điều khiển
phân tán (DCS) nhằm nâng cao chất lưọng và hiệu quả điều khiển, ủ n g dụng chú
yếu của các hệ thống này là cho các quá trình sản xuất liên tục trong đó các vòng

8



điều khiên điều chinh liên tục là chu yếu như các quá trình sản xuảt điện năng trong
nhà máy nhiệt điện, quá trình san xuất trong các nhà hóa chât. lọc dâu,...;
•

Hệ thống điều khiển lai là các hệ thống điều khiển trung gian giừa hai hệ thong kê
trên trong đó các thiết bị điều khiển có thẻ tùy biến cho hoạt động theo chẻ độ cua
PLC hoặc theo chế dộ của các thiết bị điều khiển số quá trình, ú n g dụng chu yếu
của hệ thống này là trong các quá trinh cỏng nghệ cỡ vừa trong đó tưong quan giữa

ứng dụng điều khiển logic và điều khiên-điều chỉnh là tương đưong nhau.

a) Thiết bị điều khiển điển logic khả trình (PLC)
Các thiết bị điều khiên logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triên
trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le. Các thiết bị PLC có ưu diêm là
tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cõ' micro tới m ili giây) tuy nhiên khả năng xử lý các tín
hiệu analog lại kém.
Trên Hình 1-3 là cấu trúc tổng quan phần cứng của các thiết bị PLC:

0
u
T
p
u
T

Central
Processing
Unit
X

\l

s

Sỵ'
,-^s
— ÍM /—
y~<
S À

..LJ

Hình 1-3. Tồng quan phần cứng của PLC

Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng điều khiên logic độc lập như là ứng dụng điều
khiên trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn san xuảt độc lập tưong đối với các
công đoạn khác. N ói chung PLC thiên về các ừng dụng đon le.
Ưu điểm cua PLC là xử lv các phép tính logic với tôc độ rât cao. thời gian vòng quét nhò (cõ'
JUS
ms/vòỉigquét). Ban đầu PLC chi dược sử dụng cho dieu khiên logic và chi quàn lý được các
đâu vào/ra sô. Qua quá trình phát triẻn, ngày nay một số loại PLC đã được bô xung thêm nhiều
chức năng như khả năng quàn lý đầu vào/ra analog, khả năng hỗ trợ các hệ thống truyền thông
công nghiệp.... Các giao thức truyền thông công nghiệp mà các PLC hiện nay hỗ trợ là:
PROF1BUS. AS-i. DeviceNet. Việc hỗ trợ thêm các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế
hệ sau này cua PLC đã mờ ra khả năng ứng dụng PLC trong các hệ thống lớn hơn bằng cách nối
mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), hoặc cũng có
thẻ két nối vói mảy tính có phần mềm giao diện người - máy (H M I) tạo thành hệ PLC /H M I đẻ
điêu khiên, giám sát và thu thập số liệu.
-

Tuy có khả năng quản lý được dầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được CÒĨ1 khá hạn
che, không hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (multi-task) nên thuật toán xử lý trên các biến analog
kém. không phù hợp với yêu cầu điều khiển-điều chinh. PLC cộng với các máy tính cá nhân
(PC), các máy tính công nghiệp (IPC) cùng có thể thực hiện được phương án điều khiên phân
tán nhưng sè mât rât nhiêu công sức lặp trình và nó không thê thav thê các hệ DCS thương
phẩm do có những hạn chế sau:•
•

Co sò' dừ liệu nhò. chua mang tính toàn cục dẫn tới dòi hòi các kỹ sư thiết kế phái

tiêu tôn nhiều thời gian vả công sức đẻ phát triẻn hệ cơ sò' dũ' liệu quá trình nếu

9



muôn sử dune PLC cho các ứng dụng lớn, phức tạp hơn. Đặc biệt nêu muôn thiẻt lập
cấu trúc điêu khiên phân tán thì phái mất nhiều công sức cho lập trình truyền thòng
chia sẻ dữ liệu giữa các PLC.
•

Độ tin cậv trong sản xuất kém vì hiện nay kha năng dự phòng của PLC mới thực
hiện được ờ một số khâu và hạn chế nữa cua PLC là không có khá năng thay đôi
chương trình trực truyền - thay đôi chương trình trong khi PLC vẫn làm việc. Nẻu
muôn thav đôi chương trình của PLC, ta phải dừng PLC dan đẻn làm gián đoạn sản
xuất.

M ỏt số nhà cung cấp sản phâm PLC: Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens.
Yokogawa, Omron. A B B . A B ....

b) Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)
DCS là chừ viết tắt cua Distributed Control System - hệ thống điều khiên phân tán - và nó
dược dùng đẻ chi lớp các hệ thông điêu khiên sử dụng cấu trúc điều khiên phân tán. Khác với hệ
thống điêu khiên xảy dựng trên CO' sờ PLC. DCS là giải pháp tông thê kẻ cà pìiần cứng, phần
mêm và truyền thông cho toàn hệ thống được phát triên từ các ứng dụng điều khiên của ngành
công nghiệp hóa chât với các thiêt bị điêu khiên ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự. Giải pháp
thiết kẽ của các hệ thống điêu khiên sản xuất thương phâm là hướng vào hỗ trợ các ứng dụng
điêu khiên phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mờ. khả năng tích hợp cao kẻ ca
tích hợp với các PLC khác nhau điều khiên máy và công đoạn sản xuất độc lập. Đặc biệt đẻ hỗ
trợ cho cấu trúc điều khiên phân tán nên các hệ thống điều khiên này có chức nàng trao đổi dừ

liệu trực tiếp giữa các thiết bị điều khiên. Mục tiêu là tạo thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư
thiết kế và tích hợp hệ thống điêu khiên.
Thê mạnh của hệ thống điều khiên sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý các tín hiệu
tưong tự và thực hiện các chuôi quá trình phức tạp. khả năng tích hợp dề dàng. Các hệ thống
điều khiên san xuất thương phàm ngày nay thường bao gồm các thiết bị điều khiển (controller),
hệ thống mạng truyền thông và phân mềm điều hành hệ thống tích hợp hồ trợ khá năng điều
khiên phân tán. Các hệ thống này có the quản lý được từ vài nghìn điểm đến hàng chực nghìn
diêm vào/ra. Nhò' câu trúc phân cứng và phân mẻm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thể thực
hiện đồng thòi nhiều vòng điều chỉnh, điều khiên nhiều tầng, hay theo các thuật thuật toán điều
khiên hiện đại: nhận dạng hệ thông, điêu khiên thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô
hình dự báo (MPC). Fuzzy, Neural, điều khiên chất lượng (ỌCS).
Đê phục vụ cho việc trao đôi thông tin của chức năng DCS. các hệ thống điều khiển thương
phâm ngày nay hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý. Hiện nay các
giao thức nàv đă được chuân hoá (Profibus, Foundation FieldBus. Ethernet).
Các hệ điêu khiên thương phâm với câu trúc DCS ngày này có độ tin cậv rất cao nhờ có kha
năng dự phòng kép ờ tất cả các thành phần trong hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông),
khả năng thay đôi chương trình (sửa chừa và download), thay đôi cấu trúc của hệ. thêm bót các
thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khôi động lại quá trình (thay đổi online).
Co' sờ dừ liệu quá trình trong các hệ điêu khiên với câu trúc DCS cũng được thiết kế sẵn và
là CO' sờ dừ liệu lớn có tính toàn cục và thống nhất.
Các nhà sản xuất hệ điều khiên hỗ trợ tính năng DCS cũng cam kết thời gian hồ trợ với các
sản phâm từ 15 tới 20 năm đẻ đảm bảo thời gian hoạt động và khai thác của các hệ thống lớn.
Tắt cả những đặc diêm trên cho thấy các hệ điều khiển sản xuất với tính năng DCS hoàn toàn
đáp ứng yêu câu về một giải pháp tự động hoá tích hợp tông thẻ. Các chuyên gia cho rằng tới

10



nav. các hệ thống điều khiển theo cấu trúc DCS vẫn là không thế thay thế được trong các ứng

dụng lớn. thị trường các hệ điều khiển theo cấu trúc DCS toàn cầu tăng trường 2-3%/năm
M ột số nhà cung cấp hệ DCS thông dụng tại Việt Nam: AB. A B B . Yokogawa, Emerson.
Toshiba,...

c) Hệ lai
Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho các hệ
thống điêu khiên, gằn đâv các nhà cung cáp đã cho ra đời các hệ điều khiên mới gọi là hệ điêu
khiên lai (H ybrid Control System).
Do ra đòi sau. kế thừa nền tảng công nghệ cùa cả hệ thống điều khiên trên CO' sô' PLC và hệ
thống điều khiên với cấu trúc DCS nên hệ lai là sự pha trộn thuộc tính cua hệ điều khiên trên cơ
sơ PLC và hệ điều khiển với câu trúc DCS. Trong hệ thông điêu khiên lai thiết bị điêu khiển có
thẻ được tùy biến để có thể hoạt động như bộ PLC hoặc hoạt động như thiết bị điều khiên quá
trình nên nó có khả năng thực hiện được cả các quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng
quản lý được đến khoảng mười nghìn điểm vào/ra. Hệ thống lai cỏ các thiết bị điều khiên nhò
hơn các hệ thống điều khiên thương phâm có cấu trúc DCS nhưng tận dụng được các ưu điêm
thiết kế của các hệ điều khiển có cấu trúc DCS thương phâm. Các hệ lai cũng cung cấp việc sử
dụng công nghệ Bus trường bao gồm Foundation Fieldbus, AS-i. Profibus và DeviceNet. Các hệ
lai thường hỗ trợ các chuẩn mở như là OPC (OLE for Process Control), X M L và ODBC. Chúng
cũng rất có ưu thế trong việc tích hợp vào hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết
bị thấp nhu điện thoại không đâv, máy nhắn tin và PDA.
Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điêu khiển theo mẽ, theo khối và vận
hành giám sát. Ngoài ra, các công cụ phát triẽn ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân
thiện, ngôn ngừ lập trình bậc cao đã được chuân hoá giúp cho các kỹ sư thiêt kê, phát triên một
ứng dụng dễ dàng nhanh chóng hơn.
Với nhũng ưu điểm trên, các hệ điêu khiên lai ngày càng phát triên mạnh mẽ và được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp. Mức tăng trường toàn cầu của thị trường này khoảng 5 - 7%/
năm.
Hạn chế ứng dụng cua hệ thống điều khiên lai là do các thiêt bị điều khiên nhò dẫn tới lưu
lượng truyền thông lớn và nó sè hạn clìẻ vè so lượng diêm vào/ra. đặc biệt khi hệ thống yêu cầu
chu kỳ điều khiển nhò. Với khả năng IT1Ờ rộng cơ sờ dữ liệu hạn chế (tối đa khoang 60.000 tags)

các hệ lai cũng không đu phục vụ cho các ứng dụng lớn.
M ột số hệ điều khiên lai có thể kể ra như: DeltaV (Fisher-Rosemount) Simatic PCS7
(Siemens). Stardom (Yokogavva), Freelance (ABB).

1.1.4

Điều khiển phi tập trung, điều khiển tập trung và điều khiển phân tán

Có rất nhiều định nghĩa vẻ hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều
khiên, các nhà tích hợp hệ thông đều có những định nghĩa cho riêng mình về điều khiên phân
tán. Các định nghĩa có sự khác nhau về cách trình bày nhưng các định nghĩa đều xuất phát từ
câu trúc phần cứng, phân bố chức năng điều khiển và chức năng quản lý, CO' sô' dữ liệu, tính mờ
rộng, độ săn sàng, độ tin cậy,... của hệ thống. Đẻ người đọc có được cái nhìn tông thê về hệ điều
khiên phân tán ờ đâv chúng tôi trình bày khái niệm về điều khiển phân tán trong tương quan với
các câu trúc điêu khiên khác là điều khiển phi tập trung và điều khiên tập trung.
Khi xem xét một đôi tượng điều khiên với nhiều đầu vào. nhiều đầu ra (hệ M IM O ), người kỹ
sư thiêt kẽ điều khiên có hai lựa chọn cho chiến lược điều khiên đối tượng này đó là sử dụng




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
hệ xử lý không đáp ứng đưọ*c vẽu câu tính toán cua hệ thông. M ột nhược điẻm nữa là trong
phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lường phai tập trung về máy tính điêu khiên dan
tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí. khó khăn cho cống tác bảo trì và sửa chừa.
Giải pháp khắc phục các hạn chê của điều khiên tập trung là điều khiên phán tán. Dưới góc
độ của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiên thì khái niệm “ điều
khiên phân tán” được sử dụng đẽ phân biệt với điêu khiên tập trung truyền thống. Khác với
phương án điều khiển tập trung, điều khiến phân tán có quá trình tính toán điều khiển là quá
trình tính toán phản tán. Có nghĩa là quá trình tính toán điều khiển được thực hiện trẽn nhiều hệ
xử lý và hệ cơ sờ dữ liệu quá trình có thể tập trung hoặc phân tán trẽn các hệ xử lý này nhưng
vẫn đảm bảo tính thống nhất. Đẻ đảm báo tính thống nhất và khả năng chia sẻ dừ liệu trên các
thiết bị điều khiên, phương án điều khiển phân tán phải thực hiện chức năng trao dôi dừ liệu
trực tiếp giữa các thiết bị điều khiển với nhau. Với hệ thống cơ sờ dừ liệu thống nhất và được
chia sẻ giừa các thiết bị điều khiển khác nhau sẽ cho phép hệ thống điều khiên theo phương án
phân tán vẫn thực hiện được các bài toán điều khiển đa biến như trong hệ thống điêu khiến tập
trung thậm chí còn cho phép thực hiện các luật điều khiển phức tạp hơn do nó ít bị giới hạn về

năng lực xử lý và tính toán như trong điều khiển tập trung. Hạn chế của điều khiển phân tán là
phải thực hiện việc trao đỏi thông tin giữa các thiết bị điều khiển và làm tăng tính phức tạp của
hệ thống.
Tóm lại, một hệ thông điêu khiên phân tán là một hệ thống điều khiên trong đó có hệ dữ liệu
quá trình thông nhất nhưng chức năng điều khiên với chiến lược điêu khiên đa biến thay vì tập
trung vào một thiết bị điều khiên duy nhất, được phân chia trẽn nhiều thiết bị điều khiên khác
nhau. Việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị điều khiển trong hệ điều khiển phân tán ngày nav

12



thường sư dụng mạng truyền thông kv thuật số. Nhìn chung tính ưu việt của một hệ điều khiên
phân tán được thẻ hiện rõ ờ những điẻm sau:
•

Tiẻt kiệm được dây nối và còng nối dây nhờ các mạng truyền thông.

•

Hiệu suât cũng như độ tin cậy tông thẻ của hệ thống được nâng cao nhò' sựphân tán
chức năng xuông các cấp dưới.

•

Độ linh hoạt cao, thê hiện tính năng mờ trong việc mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị,
nâng câp và tạo mới các chương trình phân mềm ứng dụng.

Đê thực hiện điều khiên phản tán ta có thê cỏ các phương án sau:
•

Sử dụng P LC với mạng truyền thông công nghiệp: Có thê sử dụng PLC đẻ thực hiện
câu trúc điều khiên phân tán nhưng đòi hỏi người kv sư thiết kế phải tự thực hiện việc
xây dựng hệ cơ sờ dữ liệu quá trình, phái tự thiết kế và lập trinh giao thức truyền thông
thời gian thực đẻ trao đôi dừ liệu giữa các PLC, phải tự đánh giá và xắp xếp thứ tự thực
hiện các luật điều khiên đẻ đảm bảo yêu cầu thời gian thực,... M ột khó khăn nữa là phải
tự thực hiện lập lịch cho PLC đôi với các tác vụ của điều khiển quá trinh đẻ đảm bảo
chu kỳ điêu khiên cho môi tác vụ là hăng sô. Nói chung khôi lượng công việc sẽ rất lớn
và đối với các hệ thống lớn thi phương án sử dụng PLC để thực hiện điều khiển phân
tán sẽ không khả thi. Chi phí đâu tư ban đầu cho một hệ PLC nhò hon khi đem so sánh
với chi phí cho một hệ điêu khiên thương phâm có chức năng điều khiển phân tán. Tuy
nhiên, chi phí phát triẻn ứng dụng (cả về thời gian và tài chính) của hệ thống điều khiển
sử dụng PLC cho các quá trình phức tạp lại quá lớn và làm cho phương án sử dụng PLC
không cạnh tranh được với các phương án khác. Trong chu kỳ sống của ứng dụng, các
chi phí sửa chữa, xử lý sự cố, bào tri cả hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, cơ sờ
dừ liệu và vấn đề truyền thông sẽ làm chi phí dài hạn cho hệ PLC tăng lên rất nhiều.

•

Sừ dụng các hệ điều khiến thương phẩm với cấu trúc DCS: Các hệ thương phẩm hỗ
trợ cấu trúc DCS được thiết kế đê hưóng tới các ứng dụng phân tán nên rất phù họp khi
ta sư dụng nó đê thực hiện điêu khiên phân tán cho các hệ thống lớn. phức tạp và đòi
hòi độ tin cậy cao. Vói các hệ thông lớn và phức tạp thì việc sử dụng các hệ thương
phẩm hỗ trợ cấu trúc DCS cho phép rút ngan rất nhiều thời gian thiết kế và phát triển
các ứng dụng điêu khiên. Các hệ điều khiên với cấu trúc DCS thường có giá cao cho
phân cứng và phân mềm nền nhưng lại có chi phí phát trien ứng dụng và chi phí vận
hành thấp hơn so với các phưong án khác.

•

Sử dụng hệ thống điểu khiên lui: V ói các ứng dụng điều khiên cồ' trung bình, quá trình
điêu khiên ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống điều khiên lai để thực hiện là phù
họp hơn cả vì nó cho phép tận dụng nhừng ưu diêm của các hệ thống điều khiên DCS
và điều khiển PLC với chi phí đầu tư thấp hon.

1.2

Yêu cầu công nghệ sản xuất

Dưới góc độ điều khiên có thẻ phân chia các công nghệ sản xuất thành ba dạng sau:
•

Các nhà máy có công nghệ liên tục từ đầu đến cuối quá trình sản xuất.

•

Các nhà máy mà quá trình công nghệ có thê chia thành các công đoạn gián đoạn, độc
lập với nhau•

•

Các nhà máy trong đó tồn tại cà hai loại quá trình liên tục và gián đoạn.

13



1.2.1

Các nhà máy có quá trình công nghệ liên tục

Các nhà máy loại này hoạt động có tính liên tục với đầu vào là các nguvên liệu, và đầu ra là
sản phâm. Đặc điẻm nhà máv loại này là công nghệ có độ phức tạp cao. sỏ lượng các thiết bị và
tín hiệu phục vụ điều khiên lớn. Quá trinh khởi động hay dừng là thực hiện cho cà nhà máy.
Neu một khâu nào đó dừng sẽ dẫn đen phai dừng ca nhà máy hoặc khi một khâu nào đó mắt ồn
định cũng dan đến toàn bộ quá trình mất ôn định, sản phẩm ra không đảm bảo chất lượng. Các
ngành tiêu biêu cỏ thể kẻ ra đây là: ngành hoá dầu, hoá chất, nhiệt điện,.... Tuỳ quy mô nhà máy
mà số lượng vào/ra cỏ thê từ vài nghìn tới vài chục nghìn diêm đo và điều khiên. M ột đặc diêm
nữa là trong công nghệ cằn điều khiên rất nhiều các tham số dạng tương tự: áp suất, nhiệt độ,
lưu lượng, tốc độ, tỳ lệ các thành phần.... Các tham số này có quan hệ chặt chẽ. tác động đa
chiêu, biến đôi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chât lượng sản phâm ra. Nhà máy dạng này
thường có ứng dụng điều khiên - điều chinh chiếm ưu thế so với ứng dụng điều khiển logic.
Hệ thống điều khiên sản xuất liên tục có những đặc điểm sau:
■

Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào/ra (M1MO).

■

Là hệ thông số rải, các thông số biến thiên lớn với phần lớn các đối tượng điều khiển là
phi tuyến.

Từ các đặc diêm trên ta thấy hệ điều khiên cho hệ thống sản xuất liên tục phải có khả năng
thực hiện các chức năng:
■

Điẻu khiên tối ưu, thích nghi, điều khiên theo mô hình dự báo. điều khiên thông minh.

■

Điều khiên bền vững.

■

Điều khiên chất lượng.

Hệ thông điều khiên trong nhà máyphải đảmbảo được các yêucầu rất cao tính an toàn và
tin cậy. M ôi sự cố xảy ra không những chigây thiệt hại lớn về kinh tế mà còn còn nguyhiểm
đên tính mạng con nguời và ảnh huờng tới môi trường. Trong các nhà máy này cũng có các
khâu điêu khiên gián đoạn đê điều khiên logic liên động và trình tự làm việc của các thiết bị.
Trong lĩnh vực này từ trước và cho đến nay, các hệ điều khiên duy nhất phù họp vẫn là hệ
điều khiển DCS.

1.2.2

Các nhà máy có quá trình cỗng nghệ gián đoạn

Có thẻ kẻ ra ở đây là các ngành như lap ráp ô tỏ, gia công các chi tiết máy, chế biên thức ăn
chăn nuôi,... M ột nhà máy kiêu này thường phân chia thành các khu vực theo chức năng và
trong mỏi khu vực lại có thê chia nhò hơn nừa. M ồi khu vực có thẻ có một hệ điều khiển riêng.
Các tín hiệu điêu khiên chủ yếu là tín hiệu logic, dùng đẻ liên động giữa các khâu, đóng cắt cho
động cơ, đóng mờ van theo một sơ đồ logic cho trước, về mặt điều khiển thì nhà máy nàv có
ứng dụng điêu khiển logic chiếm ưu thế hon so với ứng dụng điều khiến - điều chinh. Trong
nhà máy, yêu câu về tính an toàn và độ tin cậv không cằn thiết phải chặt chẽ như trong nhà máy
cỏ quá trình xử lý liên tục.
Giải pháp vẫn thường được sử dụng là các PLC (Programmable Logic C ontroller).

1.2.3

Các nhà máy tồn tại đồng thòi quá trình liên tục và gián đoạn

Bao gôm các ngành như: sản xuất xi măng, đường, dược phâm, rượu bia, linh kiện bán
dân.... Trong nhà máy chia thành các công đoạn độc lập. M ỗi công đoạn có thể là một quá trình

14



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.
G iai pháp phù họp nhất cho các ứng dụng loại này là sử dụng hệ điều khiên lai (Hybrid
System). Các thiết bị diêu khiên lai có thẻ được tùy biến đẽ hoạt động như bộ điêu khiên sô quá
trình hoặc PLC. Các hệ thống này hướng tới các ngành công nghiệp đang phát trien nhanh, lợi
nhuận cao như thực phâm. rượu bia. dược phâm và linh kiện bán dân. Các hệ lai thực hiện điều
khiên cả quá trình liên tục cũng như các khâu gián đoạn. Chúng được trang bị các chức năng đẽ
cạnh tranh trong thị trường điều khiên các quá trình theo mẻ. khối và điều khiên giám sát.

1.3

Cấu hình của hệ DCS

M ột hệ thống điều khiên sản xuất theo cấu trúc DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc

lien kết với một phần cua cấp quán lý và điều hành sàn xuất thông qua hệ thống quản lý thông
tin của cấp này đẽ tích họp vào các hệ thống quan lý sản xuất, quản lv thông tin và phối hợp
quản lý trên diện rộng như SAP. PRM.... Dặc diêm của một câu trúc điều khiên phân tán là việc
phân bô thiêt bị điều khiên xuông các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử dụng các mạng
truyền thông công nghiệp đê kết nối và trao đôi thông tin. So' đồ cấu trúc tiêu biêu cho một hệ
thống điều khiên phân tán như trên Hình 1-4.

1.3.1

Cấp cháp hành - cảm bien

Cảp châp hành cam biên bao gôm các bộ vào/ra phản tán dỏ ghép nối với các thiết bị đo
lường, các cơ câu châp hành có chức nấng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý sơ bộ trước
khi chuyên lẽn câp điều khiên.
Ngày nay, các thiẻt bị cảm biến chắp hành có sự phát triẻn mạnh mẽ và xuât hiện các thiết bị
đo thông minh (Smart sensor), các cơ cấu chấp hành thông minh (smart actuator). Các thiết bị
đo thòng minh, các cơ cấu chấp hành thông minh có thế kết nối trực tiếp vào hệ thống mạng để
liên kêt với cấp điều khiên mà không cần qua các bộ vào/ra phân tán.
Thiêt bị do thông minh có các chức năng chính là thu thập dừ liệu quá trình, có khá nâng
truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lồi. Thiết bị đo
thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dừ liệu về các đại lượng vật lý của quá trình cằn đo
như nhiệt dộ, tôc độ. độ PH.... từ hiện trường, mă hóa các dừ liệu này rồi truyền tới các thiết bị
khác thông qua mạng truyền thông. Ngoài ra thiết bị đo thông minh còn có khả năng tự hiệu
chuân, tự chuân đoán lôi. các hòng hóc có thẻ gặp phải đẻ phát ra các cánh báo can thiết. Thiết
bị đo thông minh còn có các chức năng khác đẻ có thê hoạt động như một phần tử mạng trong
hệ điều khiên phân tán.

15

. Tương tự như thiết bị đo thông m inh; các cơ câu chấp hành thông minh ngoài chức năng
chính là thực hiện các tác động theo lệnh điều khiên nó còn được trang bị thêm các chức năng tự
chuẩn đoán lỗi, mã hóa/giải mã các thông tin và truyền thông.
Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thê có các PLC, các máy tính công nghiệp điều khiên
máy sản xuất hoặc một công đoạn sàn xuất tương đối độc lập.
Cấp chấp hành cảm biển cung cấp các giao diện sau:
•

Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tưong tự (như áp suất, nhiệt đ ộ ,...) và các
vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyên mạch, liên động,...).

•

Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuân Bus trường như: Foundation
Fieldbus, Profibus, H AR T. Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp hành \vao đôi
thông tin trực tiếp với thiết bị điều khiển trên một đường truyền thông số duy nhất.

•

Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua một so card
giao diện truyền thông. Thông thường được nối với giao diện vào/ra và trong một sô
trường họp có thể kết nối trực tiếp với thiết bị điều khiên. Các PLC kết nối vói hệ DCS
được gọi là các Subsystems.

............... ................................................

/

=

H
Lưi trữ

PC

PC

Quản lý [hông tin

Cấp quản lý s x

PC

'mạng giám sát - chi huy

T

§ 3
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

Smart sensor

1

Cấp điều khiển

Controller

Controller

c ầ p vận hành,

giám sát -chỉ huy

Ồ

Smart actuator

é
Smart actuator

Cấp trường
(càm biến - chấp hành)

Trạm I/O

PLC
Smart sensor

Hình 1-4. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS

16



1.3.2

Cấp điều khiển

Cấp điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển
cua toàn nhà máy.
Bẽn cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năn« truyền thông với cấp cảm biến

chấp hành đê lấy dữ liệu từ đầu vào sau đỏ xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điêu khiên và
gửi tín ỉhiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị chấp hành ờ cấp cảm biến chấp hành.
Các thiết bị điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ờ cấp
điều khiển.

1.3.3

Cấp vận hành, giám sát chỉ huy

Cắp vận hành, giám sát chi huy bao gồm các trạm vặn hành, cung cấp giao diện cho người
vận hành với quá trình.Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn
bộ quá trình một cách sinh động và trực quan, cấp này thể hiện ứng dụng giám sát - vận hành
và thu tỄiập số liệu.
Chức năng điều khiển trong cấp vận hành, giám sát chi huy là các điều khiển cắp cao được
thực hiện bôi người vận hành hoặc máy tính điều khiên với phần mềm điều khiển cấp cao
chuyên dụng như điều khiến mé, tối ưu hóa quá trình,...

1.3.4

Hệ thống quản lý thông tin

Hệ tihống quản lý thông tin là một phần trong cắp điều hành và quản lý sản xuất. Hệ thống
này bao gồm 3 lóp con:
-+

Gateway: phục vụ việc trao đôi dữ liệu với các thiết bị điều khiên của phân xưởng,
công đoạn khác.

-+

Database: phục vụ việc định dạng và lưu trữ dừ liệu.

-+•

Management: xử lý thông tin'lưu trữ trong lóp Database.

a) Lớp Gateway:
Tron g quá khứ mỗi nhà cung cấp giai pháp điểu khiển có một chuân giao thức truyền thông
riêng phục vụ việc trao đồi dữ liệu với thiết bị điều khiển. Điều này đã nảy sinh việc độc quyền
cua các hãng cung cấp hệ thống điều khiển, khách hàng có ít sự lựa chọn và nếu đã lựa chọn sản
phâm của nhà cung cấp nào thì khi cần nâng cấp, mờ rộng, khách hàng vẫn phải sử dụng sản
phâm của hăng đó.
N gày nay, M icrosoft cùng với một số hãng khác đã phát triển một chuân truyền thông gọi là
OPC (O L E fo r Process Control) cho phép tất cả các máy tính đều có thề kết nối với các hệ DCS
có hỗ trợ OPC. Chuân truyền thông OPC ngay từ khi ra đời đã nhận được sự đồng thuận và hỗ
trợ của hâu hêt các hãng cung cấp giải pháp DCS. Đen nay hầu hết các hệ DCS đều có hỗ trợ
OPC.
OPC có thê được cài đặt trẽn trạm điều khiển hoặc cũng có thể được cài đặt trên một máy
tính riêng biệt. OPC cung cấp một chuẩn giao diện công nghiệp mờ, đơn giản và phù họp, cho
phép các nhà cung câp phân mềm tập trung vào việc phát triển thêm các đặc tính mới cho gói
phân mẽm của mình thay vì phát triên một loạt các phần mềm điều khiên (driver) độc quyền cho
các thiẽt bị phân cứng. Chuân OPC đă định nghĩa và cung cấp một môi trường chung cho nhà
sàn xuâtt thiết bị đê từ đó phát triển thành các OPC server cùa riêng mình vói đặc điểm cùng một
server c ó thẻ sử dụng nhiều bộ phần mềm khác nhau của các nhà cung cấp giải pháp H M I, PLC,

17



hoặc DCS. Các nhà sản xuât phân cứng có thê mang nhừng hiẻu biêt \ôn có cua họ irons mạng

truyên thông công nghiệp đẻ phát trien OPC server nhảm phát huy tôi đa các đặc tính cùa hệ
thống.
OPC bao gồm các công cụ sau:

+

OPC Data Access: Là công cụ trao đôi dừ liệu thời gian thực từ PLC, DCS và các
thiết bị điều khiên khác với các trạm H M I.

+ ® OPC Alarms & Events: Thiết lập và cung cấp các thông điệp cảnh báo, báo động
và các sự kiện xảy ra trong hệ thống theo yêu cầu.

+

OPC Batch: Công cụ này ứng dụng triết lý OPC và các quá trình ứng dụng cụ thẻ
có tính chất theo mè.

-ỉ-

OPC Data exchange: Công cụ này cho phép trao đôi thông tin giừa các servers với
nhau, mò ra khả năng trao đôi thông tin giừa các máy chủ của nhiều nhà cung cấp
khác nhau thông qua mạng truyén thông Ethernet. Công cụ này cũng cho phép ta
thêm các chức năng định cấu hình, chân đoán và giám sáưquản lý hệ thống từ xa.

+

OPC Hystorical Data Access: Khác với OPC Data Access cho phép chúng ta truy
cập dừ liệu thời gian thực, OPC Hystorical Data Access cho phép chúng ta truy cập
dừ liệu đã được lưu trữ.

+

OPC Security: Tất cả các máy chù OPC đều cung cấp dữ liệu có giá trị của nhà
máy mà nếu không được quản lý chặt chẽ đều có thể mang lại hậu quả đáng tiếc.
OPC Security sẽ định nghĩa cách thức truy nhập của các client vào máy chủ theo một
phương thức nhằm bảo vệ các dữ liệu đó và ngăn cản m ội hành động không được
phép.

Ngoài ra còn có OPC X M L Data, OPC Complex Data, OPC Commands nhằm phục vụ các
ứng dụng có sử dụng dịch vụ Web, các loại định dạng dữ liệu phức tạp và giám sát các lệnh
thực hiện trẽn thiết bị.
OPC do tồ chức OPC Foundation sáng lập và quán lý điều hành. Hội đồng quản trị của OPC
Foundation tính đến năm 2005 bao gồm các thành viên cùa Siemens AG, Emerson Process
Management, Yokogawa, Honeywell, Rockwell Software. ICONICS....

b) Lớp Database:
Đọc dừ liệu từ các thiết bị điều khiển thông qua Gateway OPC và lưu trữ dưới một định
dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle,...đồng thời cung cấp các chức năng khác như ghi dừ
liệu vào ô đĩa, nén dữ liệu, lập báo cáo và thực hiện các chức năng hiển thị đơn giản. Trên Hình
1-5 là cấu trúc dữ liệu của hệ điều khiển phân tán.

c) Lớp quản lý:
Lóp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới dạng các templates bao gồm: lập
báo cáo, quàn lý theo mẻ, tính toán theo công thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá
trình,.:. Lớp quản lý sẽ đọc dữ liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các thiết bị điều
khiên thông qua gateway OPC.

18

Hình 1-5. Cấu trúc hệ cơ sở dữ liệu của hệ thống điều khiển phân tán

1.3.5

Cấu trúc của thiết bị điều khiển

Phần cứng của thiết bị điều khiển thường bao gồm các bộ phận chính sau:
•

Giá đõ’ (Back-plane và Rack): là giá đỡ các module thiết bị điều khiển.

•

CPU: là trung tâm xử lý của thiết bị điêu khiên. Thông thường mỗi thiết bị điều khiển
có một bộ xử lý trung tâm. Tuy nhiện trong một sô hệ thông có độ tin cậy cao, người ta
sử dụng hai bộ xử lý trung tâm trong một thiêt bị dieu khiên. Khi đó hai CPU này làm
việc song song với nhau: cùng nhận tín hiệu, cùng tính toán và kẻt quà cuôi cùng sẽ
được so sánh với nhau, nếu hai CPU không cho kết quả tính toán giông nhau, thiết bị
điều khiên đó sẽ được coi nhu làm việc không bình thường. V ói hệ thống su dụng hai
CPU trong một thiết bị điều khiển, độ tin cậy có thể đạt bảy số 9 sau dấu phây. Đối với
những hệ thống chi sử dụng một CPU trong một thiết bị điều khiển, độ tin cậy đạt bốn
số 9 sau dâu phây.

•

Bộ nhó*: Bao gồm các bộ nhớ ROM. RAM.

•

Nguôn: Cung cấp nguồn nuôi.

•

Pin: Lưu giữ chương trình khi mất diện, thông thường có thê lưu giữ chương trình trong
khoảng 36 đến 72 giờ hoặc lớn hon tùv thuộc vào thời gian và mức độ sử dụng pin.

•

Các card truyền thông: Tích hợp các vi xử lý truyền thông và các chương trình phán
mềm điều khiên việc truyền thông với các thiết bị khác như vào/ra phân tán. PLC. các
thiết bị trường thông minh....

Trẽn Hình 1-6 là cấu trúc thiết bị diều khiên
Yokogawa.

'

K

o r s ( entum CS3000 của hàng

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

Digital
Output

Analog
Input

Analog

Output

I

Hình 1-7. Bố trí vào/ra kiểu module




M odule số: Các module vào/ra số thônsỊ thường cỏ các loại 4. 8. 16 hoặc 32 đầu vào hoặc ra
sô. Ngoài ra đẻ thuận lợi cho người su dụng, một sô hâng còn CUÍUỊ câp loại môđun kẻt hợp cà
đâu vào và đầu ra so. Dane tín hiệu Vcào/ra Cling rat phone phú: có thẻ dùng loại 24VDC.
48VDC hoặc 120/220 V A C và tương ứng ta có các loại module có done 0.5A. 1.5A. 2A hoặc
5A.
Các module số thường có các loại sau:
•

Module đâu ra kiêu rơ le có cách ly quang: xem trẽn Hình 1-8.

•

Module đầu vào có cách ly quang: xem Hình 1-9.

Module tuong tự: Các module vào/ra tương tự thông thường có các loại 2, 4. 8 hoặc 16 đầu
vào hoặc ra tương tự. Ngoài ra đê thuận lợi cho người sư dụng, một sỏ hãng còn cung câp loại
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

Hình 1-12. Cách đấu nối các module đầu vào tương tự

a) Cách đấu nối với module đầu ra tương tự dùng cho tín hiệu điện áp

b) Cách đấu nối với module đầu ra tương tự dùng cho tín hiệu dòng điện

Hình 1-13. Cách đấu nối các module đầu vào và đầu ra tương tự

1.4

Độ tỉn cậy của hệ thống điều khiển phân tán

DCS là hệ thống điều khiên thường được ứng dụng cho các quá trình công nghệ có quv mỏ
lớn, độ phức tạp cao và đòi hòi cao về tính liên tục nên độ tiĩvcậy của từng thiết bị cũng như cùa
cả hệ thống ià một trong những tiêu chí quan trọng hàng đầu khi xem xét, thiết kế, xây dựng.
Chúng ta có thể nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiên DCS bang cách tác động vào
các yếu tố sau:
•

Lỗi phần cứng của DCS.

•

Khả năng thay thế hoặc tháo bò các thiết bị phần cứng.

•

Khả năng thay đôi chương trình điều khiên.

•

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:
•

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.

.24



1.4.2

Khả năng dự phòng

Bẽn cạnh việc thừa nhận sự cố của các thiết bị phần cứng như là một tất yếu có thê xảy ra,
trong khi tìm cách nâng cao độ tin cậy của thiết bị kết hợp với các biện pháp cách ly, bảo vệ tôt
thì dự phòng là một giải pháp hữu hiệu nhằm nâng cao tính sẵn sàng và độ tin cậy làm việc của
hệ thống.
Dự phòng có nghĩa là chúng ta sẽ phải xây dựng hai cấu trúc phần cứng hoàn toàn giông
nhau đê khi có một thiết bị phần cúng bị lỗi, thiết bị dự phòng sẽ thay thế nó làm việc. Dự
phòng là một thuộc tính quan trọng cùa hệ DCS, nó đảm bảo tính sẵn sàng của hệ thống trong
bât cứ điều kiện nào. Việc chuyên đôi chức năng điều khiển giữa các thiết bị dự phòng với nhau
phải xảy ra tức thì đê đảm bào không làm gián đoạn quá trình sản xuất.
Có hai cách thức chuyển đôi chức năng làm việc của các hệ dự phòng:

+

Chuyển đối không ngắt quãng:
Hệ thống dự phòng loại này sử dụng hai cấu trúc phân cứng giống hệt nhau, cùng nhận
tín hiệu và xử lý tín hiệu như nhau nhưng chi tín hiệu của một hệ chính là được đưa ra
điều khiển quá trình. Hệ thống dự phòng vừa nhận tín hiệu, xử lý tín hiệu đồng thời
đóng vai trò giám sát hệ thống làm việc chính. Dừ liệu làm việc của hệ thống chính liên
tục được cập nhật vào hệ dự phòng. Khi có sự cô xảy ra vói hệ thống đang làm việc, chỉ
việc chuyển sang nhận tín hiệu điều khiên từ hệ dự phòng mà không có sự ngắt quãng
trong điều khiển và giám sát.
Việc chuyển đổi giữa hai trạng thái: Có 2 CPU trong mỗi card CPU. M ỗi CPU thực hiện
cùng một quá trình tính toán và kết quả sẽ được so sánh với nhau qua bộ so sánh. Nếu
kết quả tính toán giống nhau thì bảng mạch sẽ hoạt động bình thường, kết quả tính toán
được gửi tới bộ nhớ và card giao diện bus. Bộ nhớ chính sử dụng mã uúng sai ECC đê
thay đôi nhanh chóng các bit bị sai trong quá trình truyên dừ liệu. Nẽu kêt quả tính toán
không giống nhau, bộ so sánh sẽ xem CPU là bất thường và chuyển sang CPU dự
phòng.
Bộ định thời Watch Dog được sư dụng khi phát hiện thấy bất thường trong CPU hiện
hành thì sẽ chuvển trạng thái cho 2 CPU. Bộ dự phòng sẽ thực hiện cùng một quá trình

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