Thiết kế hệ thống điều khiển phân tán cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại công ty cổ phần DAP số 2 vinachem

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐẶNG THỊ HƯƠNG

ĐẶNG THỊ HƯƠNG

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN DAP SỐ 2 - VINACHEM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

2016 - 2018
Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐẶNG THỊ HƯƠNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN DAP SỐ 2 - VINACHEM

Chuyên ngành:

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS. ĐỖ MẠNH CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Đặng Thị Hương
Đề tài luận văn: Thiết kế hệ thống điều khiển phân tán cho dây chuyền sản xuất
axit sunfuric tại Công ty cổ phần DAP số 2 – Vinachem.
Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: CA160371
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26 tháng 4 năm
2018 với các nội dung sau:

- Đã bổ sung phần trích dẫn tài liệu tham khảo ở các trang: 3, 5, 7, 8, 10,
12, 18, 26, 32, 34, 37, 40, 41, 43, 44, 45, 46, 65.
Ngày 20 tháng 5 năm 2018
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Đỗ Mạnh Cường

Đặng Thị Hương
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Bùi Quốc Khánh
SĐH.QT9.BM11

Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do
chính tơi viết ra, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường. Để hồn
thành luận văn này, tơi 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, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Học viên

Đặng Thị Hương


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

Mơ 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
1.2.1

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

1.2.2

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển phân tán .................. 12

a) Trạm điều khiển cục bộ ........................................................................... 12
b) Trạm vận hành ......................................................................................... 14

c) Trạm kỹ thuật ........................................................................................... 15
d) Hệ thống bus truyền thông ....................................................................... 16
1.2.3

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 ....................................................................... 19
c) Các hệ DCS trên nền PC .......................................................................... 20
1.2.4

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

ML.1


Chương 2 Giới thiệu công nghệ sản xuất axit sunfuric tại Công ty CP DAP số 2
- Vinachem ............................................................................................................... 23
2.1 Tổng quan về Công ty CP DAP số 2 - Vinachem ....................................... 23
2.2 Giới thiệu về công nghệ sản xuất axit sunfuric .......................................... 25
2.2.1

Công đoạn nấu chảy lưu huỳnh ........................................................... 26

2.2.2

Công đoạn đốt và tiếp xúc ................................................................... 27

2.2.3

Công đoạn sấy và hấp thụ ................................................................... 29

2.2.4

Kho chứa axit sunfuric ........................................................................ 31

Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa .......................... 32
3.1 Tổng quan về hệ thống DCS CENTUM VP................................................. 32
3.1.1

Giới thiệu chung .................................................................................. 32

3.1.2

Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM ................................... 33

3.1.3

Các ưu điểm của hệ thống CENTUM VP ........................................... 35

3.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống CENTUM VP....................................... 37
3.2.1 Trạm vận hành (Operation Station) ....................................................... 37
3.2.2 Trạm kỹ thuật (Engineering Workstation – EWS) ................................ 38
3.2.3 Trạm điều khiển hiện trường (Field Control Station) ........................... 39
3.2.4 Mô đun I/O ............................................................................................ 40
3.2.5 Hệ thống bus, mạng truyền thông ......................................................... 40
3.3 Công cụ phần mềm của hệ thống CENTUM VP........................................ 46
3.3.1 Công nghệ phần mềm trong hệ thống CENTUM VP ........................... 46
a) Công nghệ phần mềm trong vận hành, giao diện HIS .......................... 46
b) Công nghệ phần mềm trong thiết kế ..................................................... 47

3.3.2 Các khối chức năng điều khiển cơ bản .................................................. 47
a) Khối điều khiển PID .............................................................................. 47
b) Bộ điều khiển PI lấy mẫu (PI – HLD) ................................................... 49
c) Bộ điều khiển PID Batch Switch (PID-BSW)....................................... 49
ML.2


d) Bộ điều khiển PID với chức năng thiết lập lại bằng tay (PID-MR) ...... 50
e) Bộ điều khiển PID tự chỉnh PID-STC ................................................... 50
3.3.3 Cấu hình phần mềm hệ thống ................................................................ 51
a) System View .......................................................................................... 51
b) Project .................................................................................................... 53
c) Chức năng kiểm tra ảo (Virtual Test) .................................................... 54
Chương 4: Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển DCS cho dây chuyền sản
xuất axit sunfuric tại Công ty CP DAP số 2 - Vinachem ..................................... 55
4.1 Yêu cầu về mức độ điều khiển.................................................................... 55
4.1.1 Công đoạn nấu chảy lưu huỳnh ........................................................... 55
4.1.2 Công đoạn đốt và tiếp xúc ................................................................... 57
4.1.3 Công đoạn sấy và hấp thụ ................................................................... 60
4.1.4 Kho axit ............................................................................................... 63
4.1.5 Mạch điều chỉnh tự động ..................................................................... 63
4.2 Yêu cầu của hệ điều khiển .......................................................................... 65
4.3 Các thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành ............................................... 66
4.3.1 Thiết bị đo lường ................................................................................. 66
4.3.2 Các cơ cấu chấp hành .......................................................................... 67
4.3.3 Các hệ thống phụ ................................................................................. 67
4.4 Xây dựng cấu trúc của hệ thống DCS ....................................................... 68
4.4.1 Cấp điều khiển ..................................................................................... 68
4.4.2 Cấp điều khiển giám sát ...................................................................... 72
a) Trạm vận hành ....................................................................................... 72

b) Trạm kỹ thuật ........................................................................................ 72
4.4.3 Truyền thơng ....................................................................................... 72
4.5 Thiết lập chương trình cho hệ thống DCS ............................................... 73
4.5.1 Các gói phần mềm ............................................................................... 73
4.5.2 Trình tự xây dựng chương trình cho hệ thống DCS ............................ 75
ML.3


4.5.3 Chức năng “Kiểm tra ảo” .................................................................... 85
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục A: Sơ đồ P&ID của dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại Công ty
Cổ phần DAP số 2 - Vinachem
Phụ lục B: Cấu hình hệ thống điều khiển

ML.4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Distribution Control System

Hệ thống điều khiển phân tán

1.

DCS

2.

ETS
doanh

3.

BCV

Bus Converter

Bộ chuyển đổi Bus

4.

FCS

Field Control Station

Trạm điều khiển hiện trường

5.

FCU

Field Control Unit

Bộ điều khiển hiện trường

6.

OWS

Operation Workstation

Trạm vận hành

7.

EWS

Engineering Workstation

Trạm kỹ thuật

8.

HIS

Human Interface Station

Trạm vận hành với giao diện

Enterprise Technology Solutions Giải pháp công nghệ kinh

người – máy
9.

OLE

Object Linking and Embedding

Nhúng và liên kết đối tượng

10.

OPC

OLE for Process Control

OLE cho điều khiển quá trình

11.

CGW Communication Gateway

12.

SIOS

Cổng truyền thơng

System Integration OPC Station Trạm OPC tích hợp hệ thống


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1

So sánh quy mô hệ thống CENTUM VP với các hệ thống CENTUM

CS3000 và hệ thống CS1000 .................................................................................... 37

Bảng 2

Một số đặc điểm kỹ thuật của Ethernet .................................................. 45

Bảng 3

Các mạch điều chỉnh tự động .................................................................. 64

Bảng 4

Số lượng I/O của hệ thống ....................................................................... 68

Bảng 5

Hệ thống module vào ra và module kết nối ............................................. 69

Bảng 6

Sự phân bố các slot .................................................................................. 71

Bảng 7

Các phần mềm cho trạm kỹ thuật ............................................................ 73

Bảng 8

Các phần mềm cho trạm vận hành........................................................... 74

Bảng 9

Các phần mềm cho trạm FCS .................................................................. 75


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

Mơ hình phân cấp chức năng của một nhà máy cơng 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 ............................... 10

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.................................................................................. 19

Hình 1.2.4

Hệ thống PCS7 của Siemens ............................................................... 20

Hình 2.2.1

Sơ đồ khối cơng nghệ sản xuất axit sunfuric ...................................... 26

Hình 3.1.1

Mơ hình hệ thống CENTUM VP ........................................................ 32

Hình 3.1.2

Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM ................................... 34

Hình 3.2.1

Cửa sổ giao diện vận hành .................................................................. 38

Hình 3.2.2

FIO của hệ thống CENTUM VP ......................................................... 40

Hình 3.2.3

Ví dụ về việc kết nối các node bằng ESB bus và ER bus ................... 41

Hình 3.2.4

Mạng V-net/IP ..................................................................................... 42

Hình 3.2.5

Fieldbus trong hệ thống CENTUM VP ............................................... 44

Hình 3.2.6

Ghép nối sử dụng CGW ...................................................................... 45

Hình 3.2.7

Cấu hình hệ thống với các BCV .......................................................... 45

Hình 3.3.1

Kiến trúc Exaopc và các máy chủ OPC .............................................. 46

Hình 3.3.2

Sơ đồ khối chức năng của khối PID .................................................... 48

Hình 3.3.3

Sơ đồ khối chức năng của khối PID-STC ........................................... 51

Hình 3.3.4

Cửa sổ chương trình System View ...................................................... 52

Hình 4.5.1

Tạo dự án mới ..................................................................................... 76

Hình 4.5.2

Xây dựng cấu trúc trạm FCS ............................................................... 76

Hình 4.5.3

Tạo HIS ............................................................................................... 77


Hình 4.5.4

Tạo Node ............................................................................................. 77

Hình 4.5.5

Tạo Module Card mới ......................................................................... 78

Hình 4.5.6

Tạo Slot mới ........................................................................................ 78

Hình 4.5.7

Tạo Graphic ......................................................................................... 79

Hình 4.5.8

Link path.............................................................................................. 80

Hình 4.5.9

Ví dụ một trang Graphic trong cơng đoạn nấu chảy lưu huỳnh .......... 81


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay các hệ thống điều khiển phân tán nói chung và hệ thống điều khiển
CENTUM VP của hãng Yokogawa nói riêng đã trở nên phổ biến trong các nhà máy
hiện đại trên thế giới. Trong sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, ở
nước ta, ứng dụng của các hệ thống này ngày càng rộng rãi. Một số nhà máy sử
dụng các hệ thống điều khiển của hãng Yokogawa như: nhà máy sản xuất Superphốt phát và hoá chất Lâm Thao, nhà máy nhiệt điện Phả Lại, nhà máy sản xuất khí
cơng nghiệp Messer Hải Dương, Nhà máy LAS Hải Phòng…
Dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại Công ty cổ phần DAP số 2 – Vinachem,
được cung cấp bởi nhà bản quyền công nghệ Monsato (MECS) là một dây chuyền
sản xuất 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 trị rất quan trọng.

Luận văn thực hiện việc nghiên cứu 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 sản xuất axit sunfuric tại Công ty cổ phần DAP số 2 Vinachem. Chương này sẽ đề cập đến các quy trình cơng nghệ của nhà máy, bao
gồm: cơng đoạn nấu chảy lưu huỳnh, công đoạn đốt và tiếp xúc, công đoạn sấy và
hấp thụ, và kho chứa axit sản phẩm.
Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa. Chương này
nêu ra các đặc điểm nổi bật của hệ thống VP cả về phần cứng và phần mềm
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống DCS CENTUM VP vào dây
chuyền sản xuất axit sunfuric, 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 –TS Đỗ Mạnh Cường. 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 gia đình, các nhân viên kỹ thuật trong cơng ty
Yokogawa và các đồng nghiệp của tơi, đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong q trình thực
hiện luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng luận văn cũng không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của thầy cô và bạn bè để luận văn được
hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2018
Học viên

Đặng Thị Hương

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

Chng 1
Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán

1.1

TNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT

1.1.1

Đặt vấn đề

Ngày nay, khái niệm Tự động hóa q trình cơng 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 tồn bộ q 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 q 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 khơng 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 mơ 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.
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
1


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán
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 cơng 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 cơng 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 khơng nằm ngồi 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 tồn cho
con người, máy móc và mơi trường. Cụ thể quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của quá
trình kỹ thuật phải được điều khiển theo một mơ hình cho trước trong khi có tác động

của môi trường xung quanh, đồng thời ảnh hưởng xấu của q trình kỹ thuật đối với
con người và mơi 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 địi hỏi phải có giám sát và một sự giám sát rất vơ nghĩa nếu như thiếu
điều khiển, vì thế người ta cũng hay dùng một khái niệm chung là điều khiển.
Các giải pháp hệ thống (phần cứng và phần mềm) cho điều khiển và giám sát một
q trình cơng 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”
2


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán
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
cịn 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 trị 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 trị giao diện giữa người vận hành và máy. Các thiết bị có thể được
ghép nối trực tiếp điểm – điểm, hoặc thơng qua mạng truyền thơng.

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

(Nguồn: Mạng truyền thơng cơng nghiệp – PGS.TS Hồng Minh Sơn)
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 q 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 thơng: 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 tồn.
1.1.3

Mơ 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 (Hình 1.1.2).
Các cấp dưới thực hiện các chức năng đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy,
tính thời gian thực. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên chức năng cấp
dưới, tuy 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
Thông thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều
khiển giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành
sản xuất) giúp ta hiểu thêm một mơ hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể
cho các cơng ty sản xuất cơng nghiệp.
Hình 1.1.2: Mơ hình phân cấp chức năng của một nhà máy cơng nghiệp

(Nguồn: Mạng truyền thơng cơng nghiệp – PGS.TS Hồng Minh Sơn)
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 thơ thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển.
Cấp điều khiển có chức năng nhận thơng tin từ các cảm biến, xử lý các thơng tin
đó theo một thuật tốn 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.
5

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán
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.
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 tồn bộ q 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 cơng
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

(Nguồn: Mạng truyền thông công nghiệp – PGS.TS Hồng Minh Sơn)
Cấu trúc này thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa quy mơ 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 mơ tả
một cấu hình mạng đơn giản.
Hình 1.1.4: Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán

(Nguồn: Mạng truyền thơng cơng nghiệp – PGS.TS Hồng Minh Sơn)
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, vì vậy được gọi là các vào/ra phân tán (Distribution I/O) hoặc
các vào/ra từ xa (Remote I/O). Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và
cơ cấu chấp hành thơng minh (màu xám trên hình vẽ) có khả năng nối mạng trực tiếp
khơng cần thơng 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 đốn tốt
- Tăng độ tin cậy của tồn hệ thống.

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

(Nguồn: Mạng truyền thông công nghiệp – PGS.TS Hoàng Minh Sơn)
8


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán
Trong đa số các ứng dụng có qui mơ 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 mơt 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, ở vị trí khơng xa với q trình kỹ thuật. 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.
Trong phần lớn các trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau
và với một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống. Giải
pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán hay còn được gọi là
các hệ điều khiển phân tán (HĐKPT).
d) Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra 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 phịng 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 thơng 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 trị quan trọng.

9


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán
Hình 1.1.6: Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán

(Nguồn: Mạng truyền thông công nghiệp – PGS.TS Hoàng Minh Sơn)

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
10


Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển phân tán
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 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 hồn 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, tồn
bộ hệ thống sẽ nhận biết nó. Tức là khơng 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 thơng 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 thơng qua tagname của nó.

11