BÀI 1 TỔNG QUAN về hệ THỐNG điều KHIỂN DCS

TR NG Đ I H C CỌNG NGHI P HÀ N I Môn H c: H TH NG SCADA,DCS VÀ M NG TRUY N THỌNG CỌNG NGHI P BÀI 1: T NG QUAN V H TH NG ĐI U KHI N DCS Ng i Thực Hi n: Hoàng Qu c Xuyên HÀ N I - 2012 GI I THI U MỌN H C Tên h c phần: H th ng SCADA, DCS m ng truy n thông công nghi p S đơn v h c trình: (45 ti t) Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: Thi cu i h c kỳ: Làm tập l n Thang m: 10/10 Tài li u h c tập: Sách, giáo trình : [1] Bộ mơn Tự Động Hố- Khoa điện - Trường ĐH CN Hà Nội : Hệ thống SCADA DCS - năm 2008 Sách tham khảo : [1] Hồng Minh Sơn – Mạng truyền thơng cơng nghiệp - NXB Khoa học kỹ thuật 2007 [2] Nguyễn Văn Thưởng – Cơ sở Kỹ thuật truyền số liệu - NXB Khoa học kỹ thuật 1998 N I DUNG C A MỌN H C H TH NG SCADA,DCS VÀ M NG TRUY N THỌNG CỌNG NGHI P Chương Điều khiển phân tán DCS Chương Hệ thống điều khiển SCADA Chương So sánh hệ DCS hệ SCADA Chương Khái niệm mạng truyền thông công nghiệp Chương Cơ sở truyền liệu công nghiệp Chương Các thành phần hệ thống mạng Chương Một số hệ thống bus tiêu chuẩn Chương Xây dựng hệ thống mạng Bài Tập lớn N I DUNG C A BÀI H C BÀI 1: T NG QUAN V H TH NG ĐI U KHI N DCS T ng quan v tự đ ng hóa q trình sản xuất 1.1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa 1.2 Các hệ thống điều khiển phổ biến * Hệ điều khiển tập trung * Hệ điều khiển phân tán Cấu hình c a h u n DCS 2.1 Cấu hình tiêu biểu hệ DCS 2.2 Trạm điều khiển cục 2.3 Trạm vận hành 2.4 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển 2.5 Bus trường trạm vào từ xa 2.6 Bus hệ thống 1.T ng quan v tự đ ng hóa q trình sản xuất 1.1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa Hình –Mơ hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát 1.1 Sơ đ phân cấp c a h th ng u n tự đ ng hóa Trên sơ đồ phân cấp chức thấy hệ thống điều khiển giám sát gồm có cấp Càng cấp chức mang tính chất đòi hỏi yêu cầu cao độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức cấp thực dựa chức cấp dưới, khơng địi hỏi thời gian phản ứng nhanh cấp dưới, ngược lại lượng thông tin cần trao đổi xử lý lại lớn nhiều 1.1 Sơ đ phân cấp c a h th ng u n tự đ ng hóa * Cấp chấp hành Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Thực tế, đa số thiết b cảm bi n (sensor) hay cấu chấp hành (actuator) có phần điều khiển riêng cho việc thực đo lường/truyền động xác nhanh nhạy Các thiết bị thơng minh đảm nhận việc xử lý thơ thơng tin, trước đưa lên cấp điều khiển • Cấp u n Nhiệm vụ cấp điều khiển nhận thông tin từ cảm biến, xử lý thơng tin theo thuật tốn định truyền đạt lại kết xuống cấu chấp hành Cấp điều khiển thực việc điều khiển q trình cơng nghệ, thi t b u n có th b u n PLC, DCS máy tính PC cơng nghi p 1.1 Sơ đ phân cấp c a h th ng u n tự đ ng hóa * Cấp u n giám sát Cấp điều khiển giám sát có chức giám sát vận hành trình kỹ thuật Nhiệm vụ cấp điều khiển giám sát hỗ trợ người sử dụng việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành xử lý tình bất thường Ngoài ra, số trường hợp, cấp cịn thực tốn điều khiển cao cấp điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự điều khiển theo cơng thức (ví dụ chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với cấp dưới, việc thực chức cấp điều khiển giám sát thường khơng địi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngồi máy tính thơng thường (máy tính cá nhân, máy tr m, máy ch ) 1.2 Các h th ng u n ph bi n hi n * H th ng u n tập trung Trong hệ thống điều khiển tập trung, q trình tính tốn thực chiến lược điều khiển thực hệ xử lý trung tâm Máy tính điều khiển (MTĐK) điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy Hình 2- Cấu trúc tiêu biểu hệ điều khiển tập trung tính cá nhân PC, thiết bị điều khiển khả trình PLC u m: u m c a h th ng u n tập trung h sở li u trình th ng nhất, tập trung, có th thực hi n thuật tốn u n q trình cơng ngh m t cách tập trung th ng 1.2 Các h th ng u n ph bi n hi n * H th ng u n tập trung Nh ợc m: Nhược điểm hệ thống điều khiển tập trung đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp dẫn tới khối lượng tính tốn lớn hệ xử lý khơng đáp ứng u cầu tính tốn hệ thống Hình 2- Cấu trúc tiêu biểu hệ điều khiển tập trung Một nhược điểm phương án điều khiển tập trung giá trị đo lường phải tập trung máy tính điều khiển dẫn đến khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho cơng tác bảo trì sửa chữa 10 2.2 Các tr m u n c c b - (local control station, LCS) Trạm điều khiển cục thuộc cấp điều khiển, nơi thực chức điều khiển cho công đoạn Các trạm điều khiển cục thường đặt phòng điều khiển phòng điện bên cạnh phòng điều khiển trung tâm rải rác gần khu vực trường Các chức trạm điều khiển cục đảm nhiệm bao gồm: +) Điều khiển trình (process control): Điều khiển mạch vịng kín (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc, ) Hầu hết mạch vòng đơn điều khiển sở luật PID, giải toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiển tầng Các hệ thống đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mơ hình (modelbased control), điều khiển thích nghi, Hình 5- Hình ảnh trạm cục hãng Yokogawa 16 2.2 Các tr m u n c c b - (local control station, LCS) +) Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control) +) Điều khiển logic +) Thực công thức (recipe control) +) Đặt tín hiệu đầu trạng thái an tồn trường hợp có cố hệ thống +) Lưu trữ tạm thời tín hiệu q trình trường hợp liên lạc với trạm vận hành +) Nhận biết trường hợp vượt ngưỡng giá trị tạo thơng báo báo Hình 5- Hình ảnh trạm cục hãng Yokogawa động 17 2.2 Các tr m u n c c b - (local control station, LCS) Bất kể chủng loại thiết bị sử dụng, yêu cầu quan trọng mặt kỹ thuật đặt cho trạm điều khiển cục là: +) Tính thời thực +) Độ tin cậy tính sẵn sàng +) Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt thuật toán cao cấp +) Khả điều khiển lai (liên tục, trình tự logic) Hình 5- Hình ảnh trạm cục hãng Yokogawa 18 2.3 Tr m vận hành (operator station, OS) Trạm vận Trạm vận hành trạm kỹ thuật thuộc cấp điều khiển giám sát, trạm đặt phòng điều khiển trung tâm Các trạm vận hành hoạt động song song, độc lập với Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường xếp trạm vận hành tương ứng với phân đoạn phân xưởng Hình 6- Bố trí trạm vận hành Tuy nhiên, phần mềm chạy tất trạm hồn tồn giống nhau, trường hợp cần thiết trạm thay chức trạm khác 19 2.3 Tr m vận hành (operator station, OS) Các ch c tiêu bi u c a m t tr m vận hành g m có: +) Hiển thị hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh mạch vịng, hình ảnh điều khiển trình tự, đồ thị thời gian thực đồ thị khứ) +) Hiển thị hình ảnh đồ họa tự (lưu đồ cơng nghệ, phím điều khiển) Hình 6- Bố trí trạm vận hành +) Hỗ trợ vận hành hệ thống qua công cụ thao tác tiêu biểu, hệ thống hướng dẫn đạo hướng dẫn trợ giúp +) Tạo quản lý công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ) +) Xử lý kiện, cố +) Xử lý, lưu trữ quản lý liệu 20 2.3 Tr m vận hành (operator station, OS) Các ch c tiêu bi u c a m t tr m vận hành g m có: Hình 6- Bố trí trạm vận hành +) Chẩn đốn hệ thống, hỗ trợ người vận hành bảo trì hệ thống +) Hỗ trợ lập báo cáo tự động Một trạm vận hành bố trí theo kiểu người sử dụng (một nhiều hình), nhiều người sử dụng với nhiều Terminals (Hình 5) 21 2.4 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển (engineering station, ES) Trạm kỹ thuật nơi cài đặt cơng cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho h th ng, t o theo dõi ch ơng trình ng d ng u n giao di n ng i máy, đặt cấu hình tham số hóa thiết bị trường Hình 7- Bố trí trạm kỹ thuật Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết thực theo phương pháp khai báo, đặt tham số ghép nối khối chức có sẵn thư viện Cũng trạm vận hành, thiết bị sử dụng thông th ng máy tính cá nhân (cơng nghi p) chạy Windows95/98/NT/2000 UNIX 22 2.4 Trạm kỹ thuật cơng cụ phát triển (engineering station, ES) Hình 7- Bố trí trạm kỹ thuật M t s đặc tính tiêu bi u c a công c phát tri n tr m kỹ thuật là: +) Công việc phát triển (Engineering) khơng u cầu có phần cứng DCS chỗ +) Các ngơn ngữ lập trình thơng dụng sơ đồ khối hàm (FBD-Function Block Diagram, CFC-Continuous Function Chart) biểu đồ tiến trình (SFCSequential Function Chart), tương tự IEC61131-3 FBD () SFC 23 2.4 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển (engineering station, ES) Hình 7- Bố trí trạm kỹ thuật Trong số hệ thống, người ta không phân biệt trạm vận hành trạm kỹ thuật, mà sử dụng bàn phím có khóa chuyển qua lại hai chế độ vận hành phát triển 24 2.5 Bus tr ng tr m vào từ xa Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, trạm điều khiển cục bổ sung module giao diện bus để nối với trạm vào/ra từ xa (remote I/Ostation) số thiết bị trường thông minh Các yêu cầu chung đặt với bus trường tính thời gian thực, mức độ đơn giản giá thành thấp Bên cạnh đó, mơi trường dễ cháy nổ yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác chuẩn truyền dẫn, tính điện học linh kiện mạng, cáp truyền, Hình 8- Bus trường trạm vào từ xa 25 2.5 Bus tr ng tr m vào từ xa Các loại bus trường hỗ trợ mạnh Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet AS-I Trong môi trường địi hỏi an tồn cháy nổ Profibus-PA Foundation Fieldbus hai hệ sử dụng phổ biến Hình 8- Bus trường trạm vào từ xa 26 2.5 Bus tr ng tr m vào từ xa Một trạm vào/ra từ xa thực chất có cấu trúc khơng khác so với trạm điều khiển cục bộ, thiếu khối xử lý trung tâm cho chức điều khiển Thông thường, trạm vào/ra từ xa đặt gần với trình kỹ thuật, tiết kiệm nhiều cáp truyền đơn giản hóa cấu trúc hệ thống Hình 8- Bus trường trạm vào từ xa 27 2.6 Bus h th ng Bus hệ thống có chức nối mạng trạm điều khiển cục với với trạm vận hành trạm kỹ thuật Trong đa số hệ thống ứng dụng, người ta lựa chọn cấu hình có dự phịng cho bus hệ thống Hình 8- Bus hệ thống 28 2.6 Bus h th ng Giải pháp mạng đặc chủng riêng công ty, dựa mạng chuẩn quốc tế Các hệ thống mạng sử dụng nhiều Ethernet, ProfibusFMS ControlNet Hình 8- Bus hệ thống Đặc điểm việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống lưu lượng thông tin lớn, tốc độ đường truyền phải tương đối cao Tính thời gian thực yêu cầu đặt (nhất bus điều khiển), nhiên không nghiêm ngặt với bus trường 29 2.6 Bus h th ng Hình 8- Bus hệ thống Thời gian phản ứng thường yêu cầu nằm ph m vi 0,1s trở lên Số lượng trạm tham gia thường không lớn nhu cầu trao đổi liệu khơng có đột biến lớn Vì m ng Ethernet, tính bất định phương pháp truy nhập bus CSMA/CD thường vấn đề gây lo nghĩ 30 ... xuất 1. 1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa 1. 2 Các hệ thống điều khiển phổ biến * Hệ điều khiển tập trung * Hệ điều khiển phân tán Cấu hình c a h u n DCS 2 .1 Cấu hình tiêu biểu hệ DCS. .. đơn điều khiển sở luật PID, giải toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiển tầng Các hệ thống đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mơ hình (modelbased control), điều khiển. .. tiêu biểu hệ điều khiển phân tán DCS 15 2.2 Các tr m u n c c b - (local control station, LCS) Trạm điều khiển cục thuộc cấp điều khiển, nơi thực chức điều khiển cho công đoạn Các trạm điều khiển