Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền centum vp

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯƠNG QUANG TƯƠI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC BÌNH CẤP TRÊN NỀN CENTUM VP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014


i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trương Quang Tươi
Sinh ngày 12 tháng 10 năm 1979
Học viên lớp cao học khóa K14 - Tự động hóa, trường Đại học Kỹ thuật Cơng
Nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc.
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng
dẫn của người hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trên bất cứ các cơng trình nào khác.
Thái Ngun, ngày

tháng 10 năm 2014

Tác giả luận văn

Trương Quang Tươi


ii

LỜI CẢM ƠN

Trong q trình làm luận văn, tơi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các
thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS. Nguyễn Hiền Trung đã dành tâm huyết
hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo ở bộ mơn Tự động hóa – Khoa
điện – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và gia đình đã có những ý kiến đóng góp
q báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng đào tạo, Phịng Thí nghiệm Điện – Điện tử
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi về thủ tục và
thiết bị thực nghiệm để tơi hồn thành luận văn này.
Học viên

Trương Quang Tươi


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii

MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .........................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .............................................1
2. Các kết quả đạt được ..........................................................................................................2
3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................2
4. Cấu trúc của luận văn .........................................................................................................2

Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................4
1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình ..................................................................................4
1.1.1. Quá trình và các biến q trình.................................................................................4
1.1.2 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình ......................................................5
1.2. Tổng quan về điều khiển phân tán...................................................................................6
1.2.1. Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống DCS.............................................7
1.2.2. Mơ hình phân cấp .....................................................................................................8
1.2.3. Cấu trúc điều khiển.................................................................................................10
1.3. Hệ thống điều khiển quá trình YOKOGAWA tại phịng thí nghiệm Điện – Điện tử
trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp ........................................................................................15
1.3.1. Cấu hình phần cứng................................................................................................15
1.3.2. Chức năng nhiệm vụ của hệ thống thiết bị thí nghiệm ...........................................21
1.3.3. Những vấn đề nghiên cứu còn bỏ ngỏ ....................................................................21
1.4. Kết luận chương 1 .........................................................................................................22

Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC
NƯỚC BÌNH CẤP ........................................................................................................23
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................23
2.2. Xây dựng phương trình mơ hình ...................................................................................24
2.2.1. Cơ sở lý thuyết........................................................................................................24

2.2.2. Áp dụng cho bài tốn điều khiển mức....................................................................25
2.2.3. Biến chênh lệch và mơ hình hàm truyền đạt ..........................................................26
2.3. Sách lược điều khiển .....................................................................................................28
2.4. Thiết kế bộ điều khiển ...................................................................................................30
2.4.1. Xác định hàm truyền của biến tần và động cơ .......................................................30
2.4.2. Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu đối xứng [2]...............................32
2.4.3. Thiết kế vòng điều khiển lưu lượng .......................................................................34
2.5. Kết luận chương 2 .........................................................................................................36


iv

Chương 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH CẤP TRÊN NỀN
CENTUM VP VÀ THỰC NGHIỆM ............................................................................37
3.1. Quá trình phát triển và các tính năng của CENTUM VP ..............................................37
3.1.1. Quá trình phát triển của CENTUM VP ..................................................................37
3.1.2. Các tính năng chủ yếu của CENTUM VP..............................................................37
3.2. Phương pháp cài đặt HIS và CENTUM VP ..................................................................42
3.2.1. Các bước cài đặt HIS..............................................................................................42
3.2.2. Các bước cài đặt CENTUM VP .............................................................................46
3.3. Thiết kế hệ điều khiển mức nước bình cấp....................................................................53
3.3.1. Khởi tạo một dự án mới..........................................................................................53
3.3.2. Thiết kế giao diện điều khiển .................................................................................55
3.3.3. Lập trình điều khiển bằng Function Block .............................................................58
3.4. Thực nghiệm..................................................................................................................61
3.4.1. Các bước cơ bản vận hành hệ thống thí nghiệm của YOKOGAWA .....................61
3.4.2. Giới thiệu và chạy thử các vòng điều khiển PID....................................................64
3.4.3. Phân tích khối điều khiển PID theo quan điểm của YOKOGAWA [8] .................69
3.4.4. Kết quả thực nghiệm...............................................................................................73
3.5. Kết luận chương 3 .........................................................................................................74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................75
1. Kết luận.............................................................................................................................75
2. Kiến nghị ..........................................................................................................................75

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................77


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

PV

Biến quá trình (Process variable)

MV

Biến điều khiển (Manipulated output value)

SV

Giá trị đặt (Setpoint value)


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Q trình và phân loại biến quá trình.........................................................................4
Hình 1-2. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát..............................7

Hình 1-3. Phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát ..................................9
Hình 1-4. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung...................................................11
Hình 1-5. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán ...................................................12
Hình 1-6. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung ...................................................13
Hình 1-7. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán....................................................14
Hình 1-8. HIS0164 & HIS0163................................................................................................15
Hình 1-9. FCS...........................................................................................................................16
Hình 1-10. Transmitters lưu lượng ADMAG AXF025G .........................................................18
Hình 1-11. Transmittes chênh áp EJA118W ............................................................................18
Hình 1-12. Động cơ bơm nước FORERUN .............................................................................19
Hình 1-13. Biến tần SINAMICS G110 ....................................................................................19
Hình 1-14. Rơ le trung gian IDEC - RU48- C- D24 ................................................................20
Hình 1-15. Đối tượng bình nước cấp........................................................................................20
Hình 2-1. Bình chứa chất lỏng..................................................................................................25
Hình 2-2. Sơ đồ khối cho mơ hình bình cấp.............................................................................28
Hình 2-3. Lưu đồ P&ID điều khiển mức nước bình cấp ..........................................................29
Hình 2-4. Cấu trúc điều khiển phản hồi....................................................................................29
Hình 2-5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống............................................................................................30
Hình 2-6. Thơng số kỹ thuật của bơm P01...............................................................................31
Hình 2-7. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống trên Simulink..................................................................33
Hình 2-8. Hiệu chỉnh tham số PID ...........................................................................................33
Hình 2-9. So sánh đáp ứng bước của PID thiết kế với PID sau khi đã hiệu chỉnh...................34
Hình 2-10. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID trên Simulink...................................................34
Hình 2-11. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng ......................................................................35
Hình 2-12. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống trên Simulink................................................................35
Hình 2-13. So sánh đáp ứng bước của PID thiết kế với PID sau khi đã hiệu chỉnh.................36
Hình 3-1. Lịch sử phát triển của CENTUM .............................................................................37
Hình 3-2. Sơ đồ cấu trúc tổng thể của CENTUM VP ..............................................................38
Hình 3-3. Quá trình cài đặt HIS................................................................................................42
Hình 3-4. Vị trí đặt địa chỉ Domain, Stattion và Action Mode trên card Vnet/IP....................43

Hình 3-5. Nút gạt DIP cài đặt số domain .................................................................................43
Hình 3-6. Nút gạt DIP cài đặt địa chỉ số station .......................................................................44
Hình 3-7. Nút gạt chế độ hoạt động..........................................................................................45
Hình 3-8. Vị trí khe cắm card Vnet/IP trên main của máy tính................................................46


vii
Hình 3-9. Card Vnet/IP lắp đặt trong máy tính ........................................................................46
Hình 3-10. Hộp thoại thơng tin người sử dụng ........................................................................48
Hình 3-11. Kiểu hiển thị PC .....................................................................................................49
Hình 3-12. Console loại Solid Style .........................................................................................50
Hình 3-13. Hộp thoại Confirm cho Touch Panel......................................................................51
Hình 3-14. Màn hình kiểu Open Style Console .......................................................................51
Hình 3-15. Xác nhận cài đặt .....................................................................................................52
Hình 3-16. Cài đặt hồn tất.......................................................................................................52
Hình 3-17. Màn hình bắt đầu khởi tạo một dự án mới .............................................................53
Hình 3-18. Tạo dự án mới trong System View ........................................................................53
Hình 3-19. Đặt tên và chọn vị trí lưu cho dự án mới................................................................54
Hình 3-20. Q trình tạo dự án mới hồn tất............................................................................54
Hình 3-21. Khai báo các module INPUT/OUTPUT cho hệ thống...........................................55
Hình 3-22. Màn hình tạo giao diện điều khiển trong System View .........................................55
Hình 3-23. Đặt tên cho giao diện đồ họa trong System View ..................................................56
Hình 3-24. Giao diện đồ họa trong phần mềm Graphic Builder ..............................................56
Hình 3-25. Thư viện thiết bị trong mục Stencil........................................................................57
Hình 3-26. Giao diện đồ họa hồn chỉnh của hệ thống điều khiển mức nước bình cấp...........57
Hình 3-27. Các khối chức năng của Function Block................................................................58
Hình 3-28. Chọn một khối chức năng DR0001 để thiết kế điều khiển ....................................58
Hình 3-29. Hộp thoại lựa chọn một khối chức năng (ví dụ PIO) .............................................59
Hình 3-30. Khai báo địa chỉ I/O cho khối chức năng...............................................................59
Hình 3-31. Hộp thoại khai báo Control PID.............................................................................60

Hình 3-32. Khai báo tên cho khối Function .............................................................................60
Hình 3-33. Kết nối giữa các khối Function ..............................................................................61
Hình 3-34. Sơ đồ nối dây hồn chỉnh các khối Function của hệ thống điều khiển mức, lưu
lượng.........................................................................................................................................61
Hình 3-35. Lựa chọn dự án Default chuẩn bị Download .........................................................62
Hình 3-36. Download chương trình vào FCS101.....................................................................62
Hình 3-37. Màn hình giao tiếp người – máy khi chạy short cut BKHBos ...............................63
Hình 3-38. Tồn cảnh màn hình điều khiển mức, lưu lượng....................................................63
Hình 3-39. Cửa sổ lựa chọn quyền điều khiển OFFUSER/ONUSER......................................64
Hình 3-40. Bảng điều khiển tham số PID của lưu lượng .........................................................65
Hình 3-41. Đáp ứng lưu lượng với PB = 75%, TI = 10s, TD=0s, với các giá trị đặt là SV = 5
l/m và 15 l/m.............................................................................................................................66
Hình 3-42. Đáp ứng lưu lượng với PB = 75%, TI = 3s, TD=0 , với các giá trị đặt là SV = 5 l/m
và 15 l/m ...................................................................................................................................66
Hình 3-43. Bảng điều khiển tham số PID của điều khiển mức ................................................67
Hình 3-44. Đáp ứng mức với PB = 30%, TI = 25s, TD=0s; với giá trị đặt lần lượt là SV = 30%
và 50% ......................................................................................................................................68


viii
Hình 3-45. Đáp ứng mức với PB = 10%, TI = 25s, TD=0; với giá trị đặt lần lượt là SV = 30%
và 50%. .....................................................................................................................................68
Hình 3-46. Sơ đồ khối chức năng của khối điều khiển PID .....................................................69
Hình 3-47. Sơ đồ khối tính tốn của điều khiển PID................................................................70
Hình 3-48. Đáp ứng lưu lượng với các giá trị đặt là 5 l/m và 15 l/m .......................................73
Hình 3-49. Đáp ứng mức với các giá trị đặt là SV = 30% và 50% ..........................................73


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Các số domain và các vị trí bít điều chỉnh DIP........................................................44
Bảng 3.2. Các số station và các vị trí bit điều chỉnh DIP .........................................................45
Bảng 3.3. Mức độ khi điều chỉnh DIP ......................................................................................45
Bảng 3.4. Nhóm người dùng được thực hiện một cài đặt mới .................................................46
Bảng 3.5. Phần mềm được cài đặt và kiểu máy trạm ...............................................................49
Bảng 3.6. Các phương pháp kết nối và điểm đến kết nối của của các đầu vào/ra của khối điều
khiển PID..................................................................................................................................69


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại [4], [9]. Từ những năm đầu của thế kỷ trước cho tới nay,
điều khiển tự động [1], [2] đóng vai trị ngày càng quan trọng trong các ngành công
nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, thực phẩm, nhà máy điện,…
Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số
đặc thù chung, được xếp vào các hệ thống điều khiển quá trình [4]. Một hệ thống điều
khiển q trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận
hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của q trình và thiết bị cơng nghệ như
chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho người, máy móc và
mơi trường. Các đặc điểm chính là [5], [9]:
• Điều khiển q trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward...
• Điều khiển phân tán qua mạng FieldBus-ProfiBus, ProfiNet, ...
• Dự phịng nóng (Redundancy) và khả năng Hot plug.
• Nạp chương trình khi hệ thống đang "chạy".
• Và nhiều đặc điểm khác.

Phần mềm CENTUM VP do YOKOGAWA phát triển dùng trong nhiều hoạt
động của nhà máy điện, nhà máy xi măng, nhà máy năng lượng tái tạo và hạt nhân...
CENTUM VP sử dụng đã được chứng minh là có khả năng mở rộng, ổn định, hiệu
suất và độ tin cậy cao [7].
Phần mềm CENTUM VP của YOKOGAWA hứa hẹn mang đến nhiều khả năng
khai thác về phương diện thiết kế giao diện người – máy (HIS), chương trình điều
khiển và lập báo cáo.... Với mục đích tìm tịi nghiên cứu nhằm tạo ra một tài liệu thuận
tiện cho người sử dụng, làm chủ công nghệ thiết kế cho các quá trình cơng nghiệp
khác, tơi đã lựa chọn phần mềm CENTUM VP để nghiên cứu và áp dụng phần mềm
này để thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp, tiến hành cài đặt, đấu nối thiết
bị trên thiết bị thực tại phịng thí nghiệm Điện – Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp.


2

Ý nghĩa khoa học:
-

Biết cách vận dụng lý thuyết để thiết kế một hệ thống điều khiển q trình trong
cơng nghiệp.

-

Là tài liệu chuyên khảo cho cán bộ kỹ thuật, giáo viên và sinh viên chuyên ngành
Điều khiển, Tự động hóa.
Ý nghĩa thực tiễn:

-

Làm chủ được cơng việc thiết kế trên nền CENTUM VP cho các đối tượng trong
công nghiệp.

-

Tập trung khai thác các thiết bị thí nghiệm hiện có, tăng cường năng lực thực
hành thí nghiệm cho giáo viên và sinh viên.

2. Các kết quả đạt được
- Mơ hình tốn học của hệ thống điều khiển mức nước bình cấp thông qua điều
khiển biến tần điều khiển tốc độ động cơ máy bơm.
- Thiết kế hoàn toàn mới hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền
CENTUM VP bao gồm các công việc: lắp đặt phần cứng, cài đặt phần mềm, thiết kế
giao diện điều khiển, thiết kế chương trình điều khiển.
- Làm thực nghiệm theo mơ hình toán đã thiết kế được. Các kết quả thực nghiệm
cho thấy các vòng điều khiển mức và lưu lượng hoạt động ổn định và cho chất lượng
tốt.
- Tài liệu chuyên khảo về phần mềm CENTUM VP bằng tiếng Việt, làm tiền đề
quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo.

3. Phương pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các cơng trình nghiên
cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành.
– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu hệ thống điều khiển q trình hiện có tại
trung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, các nhà máy Nhiệt
điện…Hỏi ý kiến các chuyên gia Công ty TNHH YOKOGAWA Việt Nam.

4. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:

3

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển q trình, điều khiển
phân tán trong cơng nghiệp, giới thiệt hệ thống thiết bị thí nghiệm của YOKOGAWA
tại phịng thí nghiệm Điện – Điện tử trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp.
Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học của hệ điều khiển mức nước bình cấp sử
dụng biến tần. Mơ phỏng trong Matlab-Simulink vịng điều khiển mức nước và lưu
lượng nước với bộ tham số PID thiết kế được.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền CENTUM
VP, bao gồm các bước cài đặt phần cứng cho HIS, cài đặt phần mềm, thiết kế đồ họa
giao diện điều khiển, chương trình điều khiển. Cuối cùng là phần thực nghiệm.


4

1

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong
điều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng
sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và mơi trường.
1.1.1. Q trình và các biến quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh
học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thơng tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu
trữ.
Q trình cơng nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển hoặc
lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà

máy sản xuất năng lượng.
Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và
được can thiệp .
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một qua trình thể hiện qua các biến quá
trình. Khái niện quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa ở
hình 1-1.
Biến vào
Nhiễu

Biến điều khiển

Vật chất
năng lượng
thơng tin

Vật chất
năng lượng
thơng tin

Q TRÌNH
KỸ THUẬT

Biến trạng thái

Biến khơng cần
điều khiển

Biến ra

Biến cần điều

khiển

Biến khơng cần
điều khiển

Hình 1-1. Q trình và phân loại biến quá trình

Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên
ngồi vào q trình, ví dụ như lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp


5

nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện
thể hiện tác động của q trình ra bên ngồi, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm
ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao…Nhìn từ quan điểm lý thuyết hệ
thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi đó các biến ra thể hiện kết quả.
Bên cạnh các biến vào ra thì ta cũng cần phải quan tâm tới biến trạng thái. Các biến
trạng thái mang thơng tin về trạng thái bên trong q trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất
hơi hoặc mức chất lỏng hoặc cũng có thể dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác.
Trong nhiều trường hợp biến trạng thái có thể được xem như biến ra. Ví dụ, mức nước
trong một bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến
ra.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các
biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho
trước, đồng thời giảm thiều ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và
môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số,
trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát
chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một q trình cơng nghệ thì khơng phải biến nào cũng có
thể can thiệp được và khơng phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.

Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được
điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám
theo một biến chủ đạo/ tín hiệu mẫu.
Biến điều khiển là một biến vào của q trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên
ngồi, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu
lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình
một cách khơng mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu
ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu
quá trình và nhiễu đo. Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ
thuật một cách cố hữu nhưng khơng can thiệp được. Còn nhiễu đo hay còn gọi là nhiễu
tạp là nhiễu tác đông lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.
1.1.2 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an tồn, hiệu
quả và kinh tế cho q trình cơng nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ


6

thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức
năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi
đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến
hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển
là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều
khiển q trình.
Tồn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển q trình có thể phân loại và
sắp xếp nhằm phục vụ những mục đích cơ bản sau:
- Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn
định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các

điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành
thuận tiện.
- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo
kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan tới chất lượng sản phẩm trong
phạm vi yêu cầu.
- Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng
như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy
ra sự cố.
- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải
độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm
lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên
liệu và nguyên liệu.
- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong
khi giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu
cầu thay đổi của thị trường.

1.2. Tổng quan về điều khiển phân tán
Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS) là một khái niệm
xuất xứ từ các ngành công nghiệp chế biến, để chỉ các hệ thống điều khiển q trình
tích hợp trọn vẹn của một nhà máy sản xuất. Ngày nay, khái niệm DCS được hiểu với
nghĩa rộng hơn để chỉ tất cả các hệ thống điều khiển tích hợp tồn diện có cấu trúc
điều khiển phân tán. Vì thế, ứng dụng các hệ điều khiển phân tán không những phổ


7

biến trong cơng nghiệp chế biến, mà cịn lan rộng sang các lĩnh vực khác. Các hệ DCS
ngày nay chiếm khoảng 12% thị phần trong cả thị trường tự động hóa.
1.2.1. Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống DCS
Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình được

minh họa trên hình 1-2. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trị là giao diện
giữa các thiết bị điều khiển với q 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 thông qua mạng truyền thông.
Hệ thống điều khiển giám sát
NI

Nối trực tiếp
NI

Thiết bị điều khiển tự động
NI

I/O

Nối qua mạng

NI

NI network interface (giao
diện mạng)

NI

I/O

I/O input/output

Các biến và chấp hành

NI

Quá trình kỹ thuật
Hình 1-2. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát

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 tín hiệu điện thơng dụng khác nhau
(0..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, thích 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 các module vào/ra (I/O).


8

Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng
chính sau đây:
- Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển
đổi tín hiệu.
- Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên
dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều
chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân cùng với các
phần mềm điều khiển tương ứng.
- Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy,
các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
- Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus
trường, bus hệ thống.
- Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an tồn.
1.2.2. Mơ hình phân cấp
Để có một cái nhìn tổng quát về một hệ thống điều khiển và giám sát cơng

nghiệp, các mơ hình phân cấp hình chóp thường được dùng. Thực ra, có nhiều cách
phân cấp và gọi tên khác nhau, tùy thuộc lĩnh vực ứng dụng và qui mơ hệ thống. Mơ
hình tổng qt được minh họa trên hình 1-3 định nghĩa các cấp theo chức năng, không
phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể.
Tuy nhiên, ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng. Trong các
ngành công nghiệp chế biến (Process Industry), phần dưới của cấp điều khiển (bao
gồm điều khiển máy móc, thiết bị đơn lẻ) và cấp chấp hành thường được gọi chung là
cấp trường, phần còn lại của cấp điều khiển và cấp điều khiển giám sát được gọi chung
là cấp điều khiển quá trình.
Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi
hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên
được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy khơng địi hỏi thời gian phản ứng
nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn
hơn nhiều. Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ
thống điều khiển và giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và
điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mơ hình lý tưởng cho cấu trúc chức
năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp.


9

Tính tốn giá thành, lãi suất thống kê
số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý
đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên
Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản
xuất, bảo dưỡng máy móc, tính tốn
tối ưu hóa sản xuất
Giám sát, vận hành, điều
khiển cao cấp, lập báo cáo

QL
công ty
Điều hành
sản xuất

Điều khiển giám sát

Điều khiển, điều chỉnh,
bảo vệ, an toàn ghi chép
tường trình

Điều khiển

Đo lường, truyền động,
chuyển đổi tín hiệu

Chấp hành

Cấp điều khiển
quá trình

Cấp trường

Hình 1-3. Phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát

1.2.2.1. Cấp chấp hành
Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi
tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay cơ
cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo
lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thơng minh cũng có thể

đảm nhận việc xử lý thơng tin, trước khi đưa lên cấp điều khiển.
1.2.2.2. Cấp điều khiển
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thơng tin từ các cảm biến, xử lý các
thơng tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu
chấp hành. Khi còn điều khiển thủ cơng, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp
đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm
để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt,
núm xoay v.v... Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủ
công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính.


10

1.2.2.3. Cấp điều khiển giám sát
Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ
thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ
thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ
người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử
lý những tình huống bất thường. Ngồi ra, trong một số trường hợp, cấp này cịn thực
hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và
điều khiển theo cơng thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hố chất). Khác với các
cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường khơng địi
hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thơng thường (máy
tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal,...).
Như vậy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và
lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút
tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong những trường
hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh,
điều hịa độ ẩm,...), sự phân chia nhiều cấp có thể hồn tồn khơng cần thiết. Ngược
lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, nhà máy nhiệt

điện, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện
theo dõi.
1.2.3. Cấu trúc điều khiển
Biến thể của cấu trúc cơ bản trên hình 1-4 tìm thấy trong các giải pháp thực tế
khác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vị trí các máy
tính q trình và phụ kiện được lựa chọn. Căn cứ vào đó, ta có thể phân biệt giữa cấu
trúc điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân tán, cấu trúc vào/ra tập trung và
cấu trúc vào/ra phân tán.
1.2.3.1. Điều khiển tập trung
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system)
được minh họa trên hình 1-4. 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 thơng thường được đặt
tại phịng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu


11

chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển trung tâm qua các
cổng vào/ra của nó. Cách bố trí vào/ra tại máy tính điều khiển như vậy cũng được gọi
là vào/ra tập trung (central I/O)
MTĐK

Phòng điều khiển
trung tâm

I/O

Hiện trường

A

A

S

Phân đoạn 1

Phân đoạn 1

A

S
…

S

Phân đoạn 1

I/O: Input A: Actor S: Sensor
Hình 1-4. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung

Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975. Ngày nay, cấu
trúc tập trung thường thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa qui mô vừa và nhỏ,
phạm vi địa lý hẹp, một máy tính điều khiển, số lượng vào/ra khơng lớn. Điểm đáng
chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thơng tin trong một
thiết bị điều khiển duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:
- Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao
- Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

- Độ tin cậy kém.
1.2.3.2. Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược điểm
cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế,
lắp đặt. Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thơng thường giữa
các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số
lớn. Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường như đã nêu trong
phần trước. Hình 1-5 minh họa một cấu hình mạng đơn giản. 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


12

gọi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O). Một cách
ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, có khả năng
nối mạng trực tiếp khơng cần thơng qua các module vào/ra. Bên cạnh khả năng xử lý
giao thức truyền thơng, các thiết bị này cịn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ
như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng
thái,v.v... Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều
khiển đơn giản.
Phịng điều khiển
trung tâm

MTĐK

Hiện trường

Bus trường
I/O

A

I/O

S

A

I/O

S

A

A

S

A

S

S

Hình 1-5. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các 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 cấu trúc đơn giản
- Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng)
- Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống.
1.2.3.3. Điều khiển phân tán
Trong đa số các ứng dụng có qui mơ vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữu của
hệ thống. 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. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một
máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có
thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như hình 1-6.


13

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều
khiển/phòng điện 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 được gọi là các hệ điều khiển phân tán
(HĐKPT).

MTGS

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
TRUNG TÂM

MTGS

BUS
HỆ THỐNG

MTĐK 1

A

S

Phân đoạn 1

MTĐK 2

A

S

Phân đoạn 2

PHÒNG
ĐIỀU KHIỂN
CỤC BỘ

HIỆN TRƯỜNG

MTĐK n

A

S

Phân đoạn n

Hình 1-6. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao
hơn so với cấu trúc tập trung. Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống
được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới. Việc phân tán chức
năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung
tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình
cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành
sản xuất.


14

1.2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán
Lưu ý rằng hình 1-7 chỉ minh họa cách ghép nối điểm - điểm giữa một máy tính
điều khiển với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung. Tuy nhiên,
ta cũng có thể sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vào/ra phân tán như trên hình
1-7. Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc tại các
phòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và khả năng kéo dài của bus
trường.
Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các
thiết bị trường 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. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin, chức
năng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề cho kiến trúc “trí tuệ
phân tán” (distributed intelligence) trong tương lai.
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN

TRUNG TÂM

MTGS

MTGS

BUS
HỆ THỐNG

MTĐK 1

MTĐK 2

MTĐK n
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
CỤC BỘ

I/O

A

I/O

S

Phân đoạn 1

A

I/O

S

Phân đoạn 2

A
HIỆN TRƯỜNG
…..

S

Phân đoạn n

Hình 1-7. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán


15

1.3. Hệ thống điều khiển q trình YOKOGAWA tại phịng thí nghiệm
Điện – Điện tử trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp
1.3.1. Cấu hình phần cứng
1.3.2.1. Máy tính điều khiển và giám sát (HIS0164, HIS0163)

Hình 1-8. HIS0164 & HIS0163

Trạm vận hành và trạm kỹ thuật (Máy tính điều khiển và giám sát) là 2 máy tính
được chạy trên hệ điều hành Microsoft Windows 7 Professional SP1, RAM 4 GB, 64
bit. Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc
vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một
phân đoạn hoặc một phân xưởng. Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên hai trạm hoàn

toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức
năng của các trạm kia.
Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:
• Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng
mạch vịng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá
khứ)