DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH

Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán xuất hiện trên trong vài thập kỷ và đã được ứng dụng rất rộng rãi nhưng thực sự chỉ du nhập vào Việt Nam trongmột vài năm trở lại đây nhưng nó đ

Phần 1

TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG

CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngành công nghiệp sản xuất xi măng là một trong những ngành công nghiệplâu đời nhất ở nước ta Ngành sản xuất ximăng đã phát triển vược bật trong thờigian gần đây Và theo đó, công nghệ sản xuất cũng theo đà phát triển Từ nhữngcông nghệ sản xuất lò đứng, lò quay thủ công và giản đơn đến các công nghệ sảnxuất lò quay hiện đại vào loại hiện đại nhất thế giới

Hiện nay có 3 phương pháp sản xuất xi măng tại Việt Nam: ướt, khô và bánkhô và có hai công nghệ sản xuất xi măng là lò đứng và lò quay Mặc dù vậy, chođến nay năng lực sản xuất của các nhà máy xi măng vẫn ở trong tình trạng yếukém do công nghệ lạc hậu, thiếu sự hỗ trợ của ngành công nghiệp thiết bị, thiếuvốn đầu tư vào công nghệ hiện đại… Theo số liệu thống kê mới nhất của ngànhximăng, hiện nay ngoài 10 cơ sở sản xuất xi măng lò quay được đầu tư côngnghệ hiện đại cho công suất khoảng 13.9 triệu tấn/năm thì 55 cơ sở sản xuất ximăng lò đứng vẫn đang theo công nghệ bán khô, chủ yếu được xây dựng từ giaiđoạn 1993-1997 chỉ cho công suất 3 triệu tấn/năm Ngoài ra còn có 7 cơ sở sảnxuất theo công nghệ ướt, công suất khoảng 1,7 triệu tấn/năm Có nhiều cơ sở đãđầu tư nâng cấp thiết bị công nghệ mới nhưng chỉ làm từng phần, chưa đồng bộ.Kết quả là, cộng với chi phí sản xuất, nguyên liệu đầu vào làm cho giá thành ximăng sản xuất ra tăng cao so với các nước trong khu vực, không có khả năngcạnh tranh một khi Việt Nam gia nhập WTO Hiện nay, để đảm bảo yêu cầu vềnăng suất chất lượng xi măng, hầu hết các thiết bị điều khiển, tự động hoá trongngành xi măng đều nhằm thực hiện các chức năng: vận hành, điều khiển, giámsát dây chuyền sản xuất tập trung tại phòng điều khiển trung tâm; bảo vệ ngườivận hành, thiết bị, môi trường

Theo quy hoạch tổng thể của chính phủ về ngành công nghiệp sản xuất ximăng Theo đó, sắp tới sẽ là giai đoạn tới sẽ là giai đoạn phát triển mạnh mẽ củacác nhà máy xi măng lớn của Việt Nam để có thể nâng cao năng lực sản xuất từ18,2 triệu tấn/năm (2002) thì đến năm 2010 đạt 43 triệu tấn/năm

Thời gian gần đây, ngành sản xuất xi măng cùng hội vật liệu Việt Nam đã tổchức các hội nghị khoa học nhằm tìm ra các giải pháp đầu tư, đổi mới công nghệhiện đại cho các nhà máy xi măng cũ cũng như đầu tư xây dựng các nhà máy mới

có khả năng đáp ứng nhu cầu xây dựng trong nước cũng như xuất khẩu Các giảipháp ứng dụng tự động hoá đã được đưa ra như: Cấu trúc mạng truyền thôngcông nghiệp trong công nghiệp sản xuất xi măng, với nhiều cấu trúc đườngtruyền khác nhau như đường truyền tin kiểu vòng (RING), truyền tin kiểuBUS… cho phép mang lại nhiều lợi ích trong sản xuất xi măng ở Việt Nam và đãđược ứng dụng tại một số nhà máy ximăng Bằng việc ứng dụng công nghệtruyền tin cáp quang và công nghệ số hoá thiết bị đo lường/chấp hành, cấu trúcmạch vòng ở BUS trường và đường truyền, phân bố ở lớp BUS thiết bị là các cấutrúc tiên tiến đảm bảo việc truyền dữ liệu tin cậy có khiểm soát đồng thời giảmthiểu đáng kể số lượng cáp truyền tin Chỉ một tính năng cơ bản của đường

truyền đã có thể giúp các nhà máy sản xuất ximăng tiết kiệm được chi phí vànâng cao tiện ích.

Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán xuất hiện trên trong vài thập kỷ

và đã được ứng dụng rất rộng rãi nhưng thực sự chỉ du nhập vào Việt Nam trongmột vài năm trở lại đây nhưng nó đã mang lại những hiệu quả kinh tế rõ rệt nhất

là đối với các nhà máy lớn đặc biệt là sản xuất ximăng, hoá chất, nhiệt điện …với rất nhiều thiết bị và phân bố trên diện rộng đòi hỏi việc kiểm soát, vận hành,điều khiển và bảo dưỡng phải kịp thời Nó đã khắc phục được những nhược điểmcủa hệ thống điều khiển tập trung như: hạn hẹp về không gian, tính năng thờigian thực bị hạn chế, kém linh hoạt, để thực hiện một hệ thống thì tốn dây dẫn vàcông lắp đặt, độ tin cậy kém Các công đoạn có thể riêng biệt và ở xa nhau, việcgiám sát, điều khển được thực hiện thông qua mạng truyền tin tốc độ cao Mặtkhác trong hệ điều khiển phân tán, các quyền điều khiển được phân tán, mỗi đốitác tham gia trong mạng có thể thực hiện các chức năng phân tán khác nhau Trong bối cảnh nền kinh tế nước ta đang trên đà phát triển, vấn đề về nhucầu vật liệu xây dựng đang tăng nhanh nhưng đòi hỏi về chất lượng ngày càngkhắt khe thì tổng công ty xây dựng miền Trung COSEVCO đã mạnh giạn đầu tưxây dựng nhà máy xi măng Sông Gianh tại Quảng Bình với dây công nghệ sảnxuất xi măng của hãng POLYSIUS (Cộng hoà liên bang Đức)và thiết bị của hãngABB (Thủy Sỹ) vào loại hiện đại nhất hiện nay Khi nhà máy đi vào vận hành thì

có thể cung ứng cho thị khoảng 1,4 triệu tấn/năm chất lượng cao góp phần vào sựnghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước

II TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XIMĂNG CỦA NHÀ MÁY

Xi măng được sản xuất theo phương pháp khô, hệ thống lò quay, tháp trao đổi

nhiệt gồm hai nhánh ( mỗi nhánh có 5 tầng ) Buồng phân hủy đốt hoàn toànbằng than cám 4a Hòn Gai với công suất lò quay 4000 tấn/ngày Xi măng đạt tiêuchuẩn PCB30x40 (TCVN6260-1997) và PC50 (TCVN2682-1999) Việc chế tạothiết bị phù phù hợp với khí hậu Việt Nam.Cơ cấu của dây chuyền bao gồm:Thiết bị điện của 14 trạm điện, hệ thống chiếu sáng, thiết bị điều chỉnh hệ sốcông suất, các tổ máy phát điện dự phòng, cáp quang, hệ thống dò và cảnh báo

Hình 1.1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất xi măng khép kín

cháy, hệ thống điều khiển tối ưu, hệ thống điều khiển trung tâm CCR (CentrerControl Room), điều khiển cục bộ LCR (Local Control Room), hệ thống quản lýthông tin IMS, lấy mẩu tự động và thí nghiệm, các phụ kiện dự phòng, thay thế

và và các dịch vụ khác do ABB cung cấp

II.1 Nguyên liệu sản xuất ximăng

Ximăng được sản xuất từ các nguyên liệu cơ bản sau:

Đá vôi

Đất sét

Các phụ gia gồm hai nhóm:

 Nhón nghiền liệu: cao Silic, quặng Sắt

 Nhóm nghiền xi: Thạch cao, Bazan, Đá đen

 Than đá : làm nhiên liệu

II.2 Sơ đồ công nghệ

Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của nhà máy như hình H1.2

II.2.1 Đập đá vôi

Bao gồm một phễu chứa có thể tích 70m3 chuyển đá vôi kích cỡ (0÷1200mm) vào máy đập búa xung lực nhờ thiết bị băng tải kiểu tấm lật (có băng tảiphụ), qua băng rung đá vôi có kích cỡ từ 0÷80 mm (trong đó có 90% dưới60mm)

II.2.2 Kho chứa đá vôi

Dùng để chứa đá vôi, có thể chứa được khối lượng 17500 tấn Kho chứa đá

vôi có các hệ thống cào liệu, cần băng tải rải liệu, hệ thống lọc bụi túi

II.2.3 Đập sét

Bao gồm một phểu chứa có thể tích 40m3 chuyển đất sét (0÷500mm) vàomáy đập búa xung lực nhờ thiết bị cấp liệu tấm, đất sét ra có kích cỡ dưới 60mmchiếm 90%

II.2.4 Kho sét

Dùng để chứa đất sét, được chia làm hai luồng giống nhau và mỗi luồng

chứa được 7000 tấn Bên trong có các thiết bị rải và cào liệu

II.2.5 Kho phụ gia

Chứa các nguyên liệu phụ gia, được chia làm 5 ngăn riêng biệt :

Định lượng các nguyên liệu : đá vôi, đất sét, quặng sắt, cao silit nhờ 4 cânđịnh lượng gắn dưới 4 cyclon chứa nguyên liệu đó.

II.2.7 Nghiền liệu

Là nghiền thô các nguyên liệu trên Hệ thống này bao gồm : máy nghiềnliệu, hệ thống cyclon hiệu suất cao, tháp điều hòa…

II.2.8 Silo phối liệu

Dùng để chứa bột liệu

II.2.9 Tháp trao đổi nhiệt

Thực hiện quá trình Canxi hóa, gia nhiệt cho cho bột liệu theo nguyên tắcđối lưu Tháp trao đổi nhiịet gồm hai nhánh 5 năm tầng cấp Lò quay : cho raclinker

II.2.10 Thiết bị làm nguội

Để làm nguội clinker, nó bao gồm hệ thống quạt làm nguội, hệ thống giànlàm nguội, vòi phun nước

II.2.11 Silo Clinker

Dùng để chứa Clinker, gồm hai phần :

Silo chính phẩm

Silo thứ phẩm

II.2.12 Định lượng nghiền xi

Định lượng Clinker, thạch cao, đá đen, bazan nhờ 4 cân định lượng đặt dưới

4 cyclon nguyên liệu tương ứng

II.2.13 Nghiền xi

Nghiền xi măng nhờ máy nghiền bi chứa các bi ngăn.

II.2.14 Silo ximăng: Bao gồm 3 silo giống nhau cùng dùng để chứa ximăng,

mỗi silo chứa được 12000 tấn

II.2.15 Đóng bao

Thực hiện đóng bao nhờ các máy đóng bao tự động

II.2.16 Xuất ximăng rời

Xuất ximăng rời trực tiếp lên các xe có cân trọng lượng.

 Các loại van: van 2 ngã, van cánh khế, van phân phối

II.3 Quy trình sản xuất ximăng

Nguyên liệu sản xuất ximăng:

 Nguyên liệu chính: Đá vôi, đất sét.

 Chất phụ gia : Cao silic, quặng sắt, thạch cao, bazan, đá đen

Đá vôi và đất sét được khai thác ở mỏ sau khi qua máy đập búa xung lực thì

đá có kích cỡ dưới 60 mm chiến 90%, đá vôi này được đưa về kho lưu trữ bằng

hệ thống băng tải Các chất phụ gia cũng được xử lý qua máy đập hàm được kích

cỡ 0÷200mm và máy đập xung lực có kích cỡ dưới 25mm chiếm 90%, sau đócác chất phụ gia cũng được đưa vào kho lưu trữ chất phụ gia

Nguyên liệu chính và chất phụ gia bao gồm cao Silic và quặng sắt sau đóđược đưa vào khâu định lượng nghiền liệu, qua 4 cân băng định lượng, các chấttrên được định lượng theo tỷ lệ thích hợp, sau đó đưa vào khâu nghiền liệu Tạiđây nguyên liệu được nghiền thô đạt kích thước ≤40mm.Tiếp đến nó sẽ đượcbăng tải đưa vào hệ thống đồng nhất và hệ thống cấp liệu bột (silo phối liệu), tạiđây nguyên liệu được chính và chất phụ gia được đồng nhất và đưa vào hệ thốngcấp bột liệu

Bột liệu đã được đồng nhất sẽ được đưa vào tháp trao đổi nhiệt và lò quay.Khi bột liệu đi qua tháp trao đổi nhiệt 5 tầng sẽ được khử độ ẩm, khử cacbon bộtliệu và gia tăng nhiệt độ sau đó bột liệu được đưa qua lò quay Tại đây tiếp tụcquá trình khử cacbonat và được gia nhiệt tới lúc clinker hóa, lúc này clinker đượctạo thành Clinker được tạo thành này chảy qua vùng làm nguội ở cuối lò quay vàbắt đầu kết khối rơi xuống sàn làm nguội, lúc này nhiệt độ khoảng1300÷1400oC Tại đây nhờ hệ thống làm nguội gồm giàn làm nguội và quạtclinker sẽ được làm nguội Clinker sau khi đã được làm nguội sẽ được vậnchuyển bằng băng tải đến silo clinker (silo chính phẩm và thứ phẩm) Nếu clinkerđạt chất lượng tốt sẽ được đưu vào silo chính phẩm Clinker được đưa đến hệthống định lượng nghiền xi, cùng với các chất phụ gia (thạch cao, đá bazan, đáđen) lấy từ kho phụ gia bằng hệ thống băng tải Tại đây sẽ được định lượng bằng

4 cân định lượng để định lượng mỗi loại trước khi đưa vào nghiền xi măng nhờmáy nghiền bi Kết thúc của khâu nghiền xi ta thu được sản phẩm chính làximăng rời Xi măng rời sẽ được đưa tới lưu trữ ở 3 silo ximăng Từ các siloximăng nhờ hệ thống băng tải mà ximăng này sẽ được đưa đến bộ phận đóng baogồm 3 máy đóng bao tự động Ximăng sau khi được đóng bao sẽ được vậnchuyển bằng băng tải tới cảng xuất ximăng và được vận chuyển bằng đường thủyđến nơi tiêu thụ Ngoài ra tại đầu vào của khâu đóng bao còn có hệ thống băngtải vận chuyển xi măng đến phểu chứa xi măng rời (60 tấn) và được xuất đi bằngđường bộ

Đập đá vôi Đập sét

Kho chứaKho chứa

Định lượng - nghiền liệu

Nghiền liệu

Silo phối liệu

Tháp trao đổi nhiệt

Lò quay

Than

mịn

Thiếtbịlàm nguội

Silo Clinker thứ phẩm

Silo Clinker chính phẩm

Định lượng nghiền xi

Nghiền xi

Xuất rời

Đóng bao

Silo ximăng 1

Silo ximăng 2

Silo ximăng 3

Kho phụ gia

Hình 1.2: Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất ximăng của nhà máy

Phần 2

KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG SCADA TRONG NHÀ MÁY

XIMĂNG COSEVCO SÔNG GIANH

Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một giải pháp tự động hoá không còn

là nên hay không nên, mà là lựa chọn hệ thống mạng truyền thông công nghiệp nào cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ thực tế như: Tiết kiệm dây nối, tăng cường tính linh hoạt mềm dẻo, nâng cao độ tin cậy, cho phép giám sát quá trình

và quản lý tập trung cả hệ thống, phối hợp giữa quản lý kỹ thuật và quản trị kinh doanh sản xuất

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kếtmạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấptrường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiểngiám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp Vìvậy dạng thông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp là dữliệu

II CẤU TRÚC MẠNG – TOPOLOGY

Để tìm hiểu cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp tađưa ra một số định nghĩa cơ bản sau:

 Liên kết: Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hoặc nhiều

đối tác truyền thông Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyềnthông được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý, ví dụ thẻ nối mạng trongmáy tính điều khiển, các bộ xử lý truyền thông của PLC Đối tác truyền thôngngoài các thiết bị phần cứng ra nó còn có thể là một chương trình hệ thống haymột chương trình ứng dụng trên một trạm nên các quan hệ giữa các đối tác nàychỉ mang tính logic Liên kết gồm các loại sau:

 Liên kết điểm - điểm (Point to Point)

 Liên kết điểm - nhiều điểm (multi – drop

 Liên kết nhiều điểm (multipoint)

 Topology: Là cấu trúc liên kết của một mạng hay chính là tổng hợp của

các liên kết

II.1.Cấu trúc bus

Với cấu trúc này các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với mộtđường dẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một

đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm Vì vậy tiết kiệm được cáp dẫn và cônglắp đặt Có ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và mạch vòng không tích cực.

II.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực)

Với cấu trúc này các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểmkhác một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Ưu điểm cơ bản của cấutrúc này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại Vì vậy, khi thiết kếmạng theo kiểu này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn Có haikiểu mạch vòng phổ biến sau:

 Kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm: Các trạm đều bìnhđẳng như nhau trong việc phát/nhận tín hiệu

 Kiểu có điều khiển trung tâm: Một trạm chủ sẽ đảm nhiệm việc kiểmsoát truy cập đường dẫn

II.3 Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà trong đó trạm trung tâm quan trọng hơn tất

cả các nút khác Trạm trung tâm sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng,các thành viên được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm

II.4 Cấu trúc cây

Cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đườngthẳng, mạch vòng hoặc hình sao Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Activecoupler), nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất cóthể dùng các bộ lặp (Repeater), trong trường hợp các mạng con hoàn toàn khácloại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như Bridge, Router, và Gateway

III KIẾN TRÚC GIAO THỨC

III.1 Dịch vụ truyền thông

Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thànhviên tham gia nối mạng Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhaunhư trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bịtrường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình

1: connect.req2: connect.ind3: connect.res4: connect.con

1: disconnect.req2:disconnect.ind

Việc thực hiện các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (ServicePrimitive), gồm có:

 Yêu cầu (Request) dịch vụ, ký hiệu là Req, ví dụ connect.Req

 Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là Ind, ví dụ connect.Ind

 Đáp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là Res, ví dụ connect.Res

 Xác nhận (Confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là Con, ví dụconnect.con

 Ngữ nghĩa: Qui định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện,như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiểndòng thông tin, xử lý lỗi

 Định thời: Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độtruyền Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tươngứng được gọi là xử lý giao thức Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá (xử lýgiao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận)

Giao thức HDLC, UART và giao thức TCP/IP là những giao thức thường được sửdụng

III.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiêncứu và phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tênArpanet do ARPA (Advanced Reseach Projects Agency) thuộc bộ quốc phòng tàitrợ Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thôngđược công nhận thành chuẩn cho Internet

Ta có thể sắp xếp các chức năng truyền thông cho TCP/IP thành năm lớp:

 Lớp ứng dụng: thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứngdụng khác nhau Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt

Lớp vận chuyển: Cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển môt cách tincậy hoàn toàn không phụ thuộc đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu Chính

vì thế, cơ chế này được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả ứng dụng khácnhau có thể sử dụng chung, được gọi là lớp vận chuyển Có thể nói, TCP là giaothức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên.TCP hỗ trợ trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối

Lớp Internet: Lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiềumạng được liên kết với nhau Giao thức IP được sử dụng ở chính lớp này Giaothức IP được thực hiện không những ở các thiết bị đầu cuối, mà còn ở các bộ

router Một router chính là một thiết bị xử lý giao thức dùng để liên kết hai mạng,

có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang một mạng khác, trong

đó có cả nhiện vụ tìm đường đi tối ưu

Lớp truy nhập mạng: Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữliệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng Các chức năng bao gồm việckiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm tra lỗi và lưu thông dữ liệu,giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI

Lớp vật lý: Lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền

dữ liệu (ví dụ máy tính PC, PLC) với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong đócác đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học các phíchcắm/giắc cắm

IV PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP BUS

IV.1 Các khái niệm cơ bản

Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên trong mạng phải phân chiathời gian để sử dụng đường truyền Để tránh sự xung đột về đường truyền gây sailệch về thông tin, mỗi thời điểm trên đường truyền chỉ có duy nhất một bức điệnđược phép truyền đi Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại mộtthời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các

hệ thống bus Mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng

kỹ thuật của hệ thống đặc biệt là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất

sử dụng đường truyền

 Độ tin cậy ở đây chính là độ tin cậy của cả hệ thống

 Hiệu suất sử dụng đường truyền chính là khả năng có thể khai thác, sửdụng đường truyền

Tính năng thời gian thực chính là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi

thông tin một cách kịp thời và tin cậy Hai yếu tố liên quan đến việc đánh giá tínhnăng thời gian thực là thời gian đáp ứng tối đa và chu kỳ bus Thời gian đáp ứngtối đa với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần để đáp ứngmột nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác Chu kỳ bus làkhoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thông chính lặp lạinhư cũ Chu kỳ bus chính là cơ sở cho việc chọn chu kỳ vòng quét cho các PLCđóng vai trò trạm chủ

Có thể phân loại cách truy nhập bus thành hai phương pháp là phương pháptiền định và phương pháp ngẫu nhiên

 Với các phương pháp tiền định có trình tự truy nhập bus được xác định

rõ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở mộttrạm chủ (đối với phương pháp Master/Slave) và theo sự qui định trước về thờigian (đối với phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA) hoặc phântán bởi các thành viên (phương pháp Token Passing)

 Các phương pháp ngẫu nhiên có trình tự truy nhập bus không được quiđịnh chặt chẽ mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viêntrong mạng có thể truy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào Có nhữngphương pháp để tránh sự xung đột như phương pháp nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA) Nguyên tắc hoạt động của các phươngpháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra thì ít nhất một trạm phải ngừng gửi vàphải chờ một khoảng thời gian trước khi thử lại Sau đây là cụ thể về các phươngpháp.

IV.2 Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave)

Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ độngphân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (Slave) Các trạm tớ đóng vai trò

là bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạmchủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (Polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn

bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống Nhờ vậy mà các trạm tớ có thể gửi các dữliệu thu thập tới trạm chủ cũng như nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ Trạmchủ có thể là một PLC hay một PC

Master

Hình 2.3 : Phương pháp truy nhập chủ/tớ

Slave

Hình 2.2 : Phân loại các phương pháp truy nhập bus

Truy nhập ngẫu nhiênTruy nhập tiền định

Phương pháp truy nhập bus

cầu của mình khi được trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ được phục vụ Trình tựđược tham gia giao tiếp, hay trình tự được hỏi của các trạm tớ có thể do người sửdụng qui định trước (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình Nếu chỉ cómột trạm chủ duy nhất thì thời gian cần thiết để trạm chủ hoàn thành việc hỏituần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus.

 Ưu điểm: Phương pháp Master/Slave là phương pháp có kết nối đơn

giản, kinh tế, trạm chủ thường là các thiết bị điều khiển do đó dễ dàng tích hợpthêm chức năng xử lý truyền thông

 Nhược điểm: Hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do

dữ liệu phải đi qua trạm trung gian là trạm chủ Mặt khác độ tin cậy của hệ thốngtruyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất Nếu xảy ra sự cốtrên trạm chủ thì toàn bộ hệ thống phải ngừng làm việc

Chính vì hai lý do trên mà phương pháp Master/Slave chỉ được dùng phổbiến trong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị hay khi việctrao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và cáctrạm tớ là các thiết bị trường hay các module vào/ra phân tán

IV.3 Phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access)

Trong phương pháp TPMA mỗi trạm được phân một thời gian truy nhậpbus nhất định Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thờigian cho phép gọi là khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice) theomột tuần tự qui định sẵn Việc phân chia thời gian này được thực hiện trước khi

hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Khác với phương pháp chủ/tớ, phươngpháp này có thể có hoặc không có trạm chủ Nếu có một trạm chủ thì trạm chủchỉ thực hiện việc giữ đúng lát thời gian của các trạm khác Mỗi trạm đều có khảnăng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác.Hình vẽ sau đây minh hoạ cách phân chia thời gian cho các trạm trong một chu

kỳ bus

Trong đó các lát thời gian được phân chia cố định cho các trạm dùng để traođổi dữ liệu định kỳ (đánh số từ 1(N) Ngoài ra còn có một khoảng dự trữ dànhcho việc trao đổi dữ liệu theo yêu cầu, ví dụ như gửi thông tin cảnh báo, mệnhlệnh đặt lại cấu hình Phương pháp TDMA có thể thực hiện theo nhiều cáchkhác nhau, có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của các trạmtrong mạng, theo thứ tự địa chỉ, theo tính chất của các hoạt động truyền thông.Tương tự phương pháp chủ/tớ, phương pháp mang tính chất tiền định của cáchphân chia thời gian do đó phương pháp thích hợp cho các ứng dụng thời gianthực

N

Chu kỳ bus (chu kỳ TDMA)

Hình 2.4: Phương pháp DTMS

Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn

có thể có vai trò kiểm soát sự hoạt động của một số trạm khác, ví dụ như kiểm tra

sự cố của các trạm Việc kiểm soát bao gồm các công việc sau:

Hình 2.5 : Hai dạng của phương pháp Token Passing

Trạm 2 Trạm 1

(1) Token Passing giữa các trạm tích cực

(2) Master/slave giữa một trạm tích cực và trạm không tích cực

Hình 2.6: Truy nhập bus kết hợp nhiều chủ

(1)

(2)Slave

MasterMaster

Slave

 Giám sát token: Nếu token bị mất do lỗi thì cần phải xoá token cũ và tạomột token mới.

 Khởi tạo token: Sau khi khởi động mỗi trạm sẽ tạo một token mới

 Phát hiện và tách một trạm ra khỏi mạch vòng logic khi trạm đó có sựcố

 Bổ sung trạm mới: Khi một trạm mới được kết nối hay một trạm cũđược đưa vào sử dụng lại thì phải được bổ sung vào mạch vòng logic để cóquyền nhận token

IV.5 Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD

 Theo phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection), mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự

kiểm soát nào

Phương pháp được tiến hành như sau:

 Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (Carrier sense), nếu đường dẫn rỗi(không có tín hiệu) thì mới được phát

 Trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tínhiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không Trườnghợp xảy xung đột thì mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện

 Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, linh hoạt Việc ghép thêm hay bỏ đi

một trạm trong mạng không ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống Vì vậyphương pháp được ứng dụng rộng rãi trong mạng Ethernet

C Phát hiện xung đột, huỷ bỏ bức điện Chờ một thời gian ngẫu nhiên và lặp lại bước 1

 Nhược điểm: Vì các trạm đều như nhau trong mạng nên quá trình chờ ở

một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được thời gian chính xác Hiệu suất

sử dụng đường truyền thấp

IV.6 Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin Tuy nhiên một phương pháp mã hoá bit thích hợp được sử dụng ở đây trong trường hợp xảy ra xung đột một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia

V THIẾT BỊ LIÊN KẾT MẠNG

Để cho dòng dữ liệu giữa hai phần mạng có thể truyền qua lại cho nhauđược người ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt Thông thường mỗi phầnmạng được thiết lập các giao thức truyền thông riêng, các giao thức này có thểgiống nhau hoặc khác nhau so với phần mạng còn lại Do vậy cần phải liên kếthai mạng lại mà người sử dụng không cần phải thiết lập lại giao thức truyềnthông Tuỳ theo những đặc điểm giống và khác nhau giữa hai phần mạng cần liênkết ta có thể chọn các loại thiết bị liên kết cho phù hợp như bộ lặp (Repeater),cầu nối (Bridge), bộ định tuyến (Router), gateway và card mạng Các thiết bịliên kết này được chọn theo nhiệm vụ của chúng theo mô hình ISO/OSI

VI CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được

sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Với phươngpháp này các bit dữ liệu được truyền từ bên gửi đến bên nhận một cách tuần tựtrên cùng một đường truyền Có một số chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biếnnhư sau:

VI.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu

Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin Có hai phương thức cơ bản:

D: Bên phát R: Bên thu

RD

RD

Hình 2.9: Truyền dẫn không đối xứng

RD

 Truyền dẫn không đối xứng

Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của một dây dẫn so với đất đểthể hiện các trạng thái logic (0 và 1) của một tín hiệu số Một trong những ưuđiểm của phương pháp này là chỉ cần một đường dây đất chung cho nhiều kênhtín hiệu trong trường hợp cần thiết Nhờ vậy tiết kiệm được số lượng dây dẫn vàcác linh kiện ghép nối Việc sử dụng đất làm điểm tựa cho việc đánh giá mức tínhiệu có nhược điểm cơ bản là: khả năng chống nhiễu kém

 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng

Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn để biểu

diễn trạng thái logic (0 và 1) của tín hiệu Phương pháp truyền này không phụthuộc vào đất và có khả năng chống nhiễu tốt

VI.2 Chuẩn truyền dẫn TIA /EIA

EIA (Electronic Industry Assiciation) và TIA (Telecomunication IndustryAssiciation) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện chotruyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp Theo nghĩatruyền thống một chuẩn truyền dẫn trước hết được hiểu là các quy định đượcthống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu DTE (DataTerminal Equipment) và các thiết bị truyền dẫn dữ liệu DCE (Data

Communication Equipment) Các chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền

thông công nghiệp đó là: TIA/EIA-232 và TIA/EIA-422, TIA/EIA-485 hay còngọi là RS-232, RS-422, RS-485

 Chuẩn RS-232

Chuẩn RS-232 tương ứng với chuẩn Châu Âu là CCITT Được dùng chủ

yếu trong việc giao tiếp điểm-điểm giữa hai DTE giữa máy tính và máy in

Chế độ làm việc của chuẩn RS 232 là hai chiều toàn phần, trong chế độ nàyhai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy việctruyền thông cần ít nhất là 3 dây dẫn, trong đó 2 dây dẫn tín hiệu nối chéo cácđầu thu phát của hai trạm và một dây đất RS-232 sử dụng phương thức truyềndẫn không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫnvới đất Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến +15V.Với:

Giao diệnRS-232

 3V(15V): Ứng với giá trị logic 0.

 15V(-3V): Ứng với giá trị logic 1

Chuẩn RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dâydẫn Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn Tốc độtruyền dữ liệu khoảng 9 Kbít/s RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới1200m mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch tương ứng với trạng thái logic

0, và âm ứng với trạng thái logic 1 Trong cấu hình ghép nối tối thiểu cho RS-422cần một đôi dây dùng để truyền dẫn tín hiệu Lúc này chỉ có thể truyền một chiềuhoặc hai chiều gián đoạn Ở chế độ này mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu duynhất được truyền đi Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần ta cần hai đôi dây

Cả hai trường hợp sử dụng với cấu hình 2 dây hay 4 dây đều phải sử dụng thêmmột dây đất để giữ mức điện áp chung (Vcm) cho các trạm tham gia ở một giớihạn quy định Nếu không dữ liệu truyền đi sẽ bị mất và các cổng kết nối sẽ bịhỏng Ngưỡng giới hạn quy định cho Vcm với RS-422 là 7V

 Chuẩn RS - 485

RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn, nhờ vậygiảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn một cách đáng kể Đặc điểmcủa RS-485 là khả năng ghép nối được nhiều điểm, vì thế được dùng phổ biếntrong các bus trường Cụ thể, 32 trạm có thể ghép nối, được định địa chỉ và giaotiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp Trong một thời điểmchỉ có một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế mỗi bộkích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện chocác bộ kích thích ở các trạm khác tham gia Chế độ này được gọi là tri-state Làchuẩn được cải tiến từ RS-422 nhưng RS-485 có thêm điều khiển ba trạng thái ởmạch phát

 Mức logic ‘’1’’ nằm trong khoảng từ -1,5V đến -6V

 Mức logic ‘’0’’ nằm trong khoảng từ +1,5V đến +6V

 RS-485 cũng sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dâydẫn

Khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn có thể lên tới10Mbit/s Có thể sử dụng bộ lặp để tăng chiều dài dây dẫn lên nhiều lần cũngnhư số trạm trong một mạng, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu

Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiềutrong các ứng dụng, hầu như tất cả các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầucuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụtrong truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu

VI.3 Bộ chuyển đổi từ RS-232 / RS-485 (RS-422)

Thực tế hầu hết các máy tính hiện nay đều trang bị cổng nối tiếp RS-232

Vì vậy khi ghép nối máy tính với các giao diện ghép nối khác như PLC ta phảichuyển đổi từ RS-232 sang RS-422 hay RS-485 Sơ đồ mạch như hình 2.16 gồm

+6V +5V +1.5V/+0.2V -1.5V/ -0.2V

V24 TTL RS

422/485 TTL

Đến1000m

TTL V24

V24 TTL

RS422/

485 TTL

RS42/

485 TTL

TTL V24

Hình 2.13: Sơ đồ khối bộ biến đổi RS-232/RS-485.

độ truyền 375 Kbit/s hoặc 62.5 Kbit/s) hoặc cáp quang (1.5 Mbit/s) Cấu trúc củamạng Bitbus bao giờ cũng bao gồm một trạm chủ, các trạm tớ, có thể có đến 249Slave và các bộ lặp khi cần mở rộng đường truyền.

 Mạng CAN (Controller Area Network)

Giao thức truyền thông của CAN là giao thức theo chuẩn hoá ISO 11898.Giao thức CAN có thể sử dụng tốt trong các hệ điều khiển phân tán Tốc độtruyền trên mạng của CAN phụ thuộc vào khoảng cách truyền

DeviceNet là giải pháp mạng của các thiết bị công nghiệp ở cấp trường(field level, như mạng ghép nối các sensor, các công tắc giới hạn, van điều khiển,các bộ khởi động motor ) và hãng Allen Bradley phát triển từ năm 1994.DeviceNet dựa trên cấu trúc giao thức truyền CAN và được xem là một chuẩnhoá bus trường mở

 Mạng ControlNet

ControlNet là mạng công nghiệp mở đảm bảo yêu cầu về truyền tốc độ theothời gian thực khi liên kết giữa các thiết bị điều khiển trong mạng Khi sử dụngcáp đồng trục tốc độ truyền lớn nhất có thể lên đến 5Mbit/s, ở khoảng cáchtruyền 1000m giữa hai trạm hoặc 250m khi số trạm sử dụng là 48 Khoảng cáchtruyền có thể lên đến 3000m khi dùng cáp quang khi số lượng trạm làm việc cóthể định địa chỉ tới 99 trạm Với tốc độ truyền nhanh, ControlNet thích hợp choviệc trao đổi số liệu theo thời gian thực giữa các trạm điều khiển

 Mạng Industrial Ethernet (IE)

Mạng Industrial Ethernet (IEEE-802.2) dựa trên Ethernet thường được thiết

kế lại sao cho sử dụng phù hợp với môi trường công nghiệp và do tổ chức IEA/(Industrial Ethernet Association) quản lý Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý vàlớp điều khiển để thực hiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thông tựđộng hoá Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyềntrong một khoảng cách lớn Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạngđiện Các cáp dùng trong mạng là cáp đồng trục có trán cách điện và có bọc haycáp quang

 Mạng AS-I (Actuator Sensor Interface)

AS-I là một giải pháp mạng công nghiệp tự động đơn giản nhất chủ yếudùng cho mạng các điểm đo và cơ cấu chấp hành ở cấp trường Mạng AS-I cóđặc điểm cấu trúc mạng hình cây sử dụng đôi dây cáp không cần bọc nhiễu chotruyền tải thông tin và năng lượng (nguồn 24V DC) Độ dài cáp có thể lên đến100m và cho phép tải trên nó một trạm chủ với lớn nhất là 31 trạm tớ, với thờigian thực chu kỳ quét trên mạng khoảng 5ms Mục đích sử dụng duy nhất củaAS-I là kết nối các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành số với cấp điều khiển

Profibus là bus trường mở theo chuẩn hoá châu Âu EN 50170 năm 1996 vàchuẩn hoá quốc tế IEC 61158 năm 2000 Được phát triển dựa trên cơ sở mạng

công nghiệp SINEC-L2 của hãng SIEMENS và hiện do tổ chức PNO (ProfibusUser Organization) kiểm soát Profibus là một hệ thống bus dùng để kết nối thiết

bị trường với các thiết bị điều khiển và giám sát Profibus là hệ thống bus nhiềuchủ, cho phép các thiết bị điều khiển tự động, các trạm kỹ thuật và hiển thị quátrình cũng như các phụ kiện phân tán cùng làm việc trên cùng một bus

VII.1 Mạng PROFIBUS

VII.1.1 Đặc điểm của PROFIBUS

 Các thiết bị chủ có khả năng kiểm soát quá trình truyền thông trên bus,

nó sẽ gởi thông tin cho các thành viên trong mạng khi nó được quyền truy cập tagọi đó là mạng tích cực

 Các thiết bị tớ là các thiết bị trường như vào/ra phân tán, cảm biến và cơcấu chấp hành Chúng không được nhận quyền truy cập bus mà chỉ được phépxác nhận hoặc trả lời thông tin nhận từ trạm chủ khi được yêu cầu Một trạm tớcòn được gọi là trạm thụ động

 Profibus cho phép ứng dụng trong các bài toán đòi hỏi thời gian truyềnvới tốc độ cao cũng như các ứng dụng trong các môi trường truyền thông phứctạp

Tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể mà có thể sử dụng các dạng chuẩn Profibustương thích với nhau sau đây:

 PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification): Được dùng chủyếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và điều khiển giám sát Ở mứcnày việc thông tin chủ yếu diễn ra giữa các thiết bị điều khiển trong trường (nhưPLC, PC ) PROFIBUS-FMS có tốc độ truyền trung bình với thời gian vòngquét số liệu trong bus nhỏ hơn 100 ms

 PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery): Chuẩn này dựa trên cơ sởchuẩn hoá DIN 19 245 với những chức năng mở rộng thêm thích hợp cho các bàitoán yêu cầu về tốc độ truyền cao Chuẩn hoá này được thiết kế cho mạng ghépnối giữa các hệ thống tự động hoá với các thiết bị phân tán bằng việc thay thế cácđường tín hiệu song song (Digital/Analog, 24V, 0 -20mA)

 PROFIBUS-PA (Process Automation): Chuẩn này được thiết kế đảmbảo việc ghép nối các hệ thống tự động hoá các quá trình có môi trường dễ cháy

nổ, đặc biệt trong công nghiệp chế biến, ghép nối các hệ thống tự động hoá vàđiều khiển quá trình với các thiết bị trường và đang dùng để thay thế kỹ thuậtdòng truyền 4-20mA PROFIBUS-PA chỉ sử dụng một đôi dây dẫn duy nhất đểtruyền tải mọi thông tin cũng như cấp nguồn cho tất cả các thiết bị trong trường.Chuẩn này dựa theo tiêu chuẩn IEC 1158-2

VII.1.2 Kiến trúc giao thức của mạng PROFIBUS

Do những yêu cầu đặc trưng truyền thông của cấp trường mà FMS chỉ thực hiện các lớp: lớp vật lý (Physical, lớp 1), lớp liên kết số liệu (Datalink, lớp 2), và lớp ứng dụng trên cùng (Application, lớp 7) theo mô hình đốichiếu OSI, trong khi kiểu PROFIBUS-DP và PA chỉ chuẩn hoá ở lớp 1 và lớp 2như được minh hoạ trong hình vẽ 2.17:

PROFIBUS- Lớp 1: Là lớp qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trườngtruyền dẫn, 485 hay cáp quang.

 Lớp 2: Có chức năng thực hiện việc điều khiển truy cập bus và kiểmtra độ an toàn của dữ liệu, cung cấp các dịch vụ cơ bản cho việc trao đổi dữ liệumột cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ở lớp vật lý

 Lớp 7: Gồm có các giao thức FMS gồm có 2 lớp con là FMS và LLI(Lower Layer Interface) Lớp FMS đảm nhiệm việc xử lý giao thức sử dụng vàcung cấp các dịch vụ truyền thông, trong khi LLI có vai trò trung gian cho FMSkết nối với lớp 2 mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt Lớp LLI còn cónhiệm vụ thực hiện các chức năng bình thường thuộc các lớp 3-6

VII.1.3 Kỹ thuật truyền dẫn

Profibus sử dụng 3 công nghệ truyền dẫn là: RS-485 (sử dụng cặp đôi dâydẫn) hoặc cáp quang cho Profibus FMS/DP hoặc cấu trúc phức hợp cả hai côngnghệ này tuỳ theo yêu cầu thực tế của bài toán Profibus PA sử dụng công nghệtruyền IEC 1158-2 Trong đó RS-485 là công nghệ thường dùng do tính chất bảođảm tốc độ truyền cao, tin cậy, lắp đặt dễ dàng và chi phí thấp ChuẩnPROFIBUS theo EN 50170 qui định các đặc tính điện học và cơ học của giaodiện RS-485 cũng như môi trường truyền thông để trên cơ sở đó các ứng dụng cóthể lựa chọn các thông số thích hợp Các đặc tính điện học bao gồm:

 Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh line) với các đường nhánh ngắn

(trunk-line/drop- Cáp dẫn được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ(STP)

Hình 2.14: Kiến trúc giao thức của PROFIBUS

Liên kết dữ liệu bus trường (FDL)

Giao tiếp IECIEC 1158-2RS485/Fiber Optic

 Trở kết thúc có dạng fail-safe biasing(390 - 220 - 390).

 Tốc độ truyền thông từ 9.6KBit/s đến 12MBit/s

 Chiều dài dây dẫn tối đa trong một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụthuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dàitối đa của một đoạn mạng được trình bày trong bảng sau

 Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32 Có thể dùng tối đa

3 bộ lặp tức 4 đoạn mạng để nâng tổng số trạm tối đa lên 127

 Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời

 Phương pháp mã hoá bit NRZ

Bảng chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (đôi dây xoắn)

Tốc độ (KBit/s) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000Chiều dài 1200m 1200m 1200m 1000m 400m 200m 100m

VII.1.4 Truy nhập Bus

Profibus FMS/DP/PA sử dụng cùng một giao thức truy cập bus Giao thứcnày được thực hiện thông qua lớp 2 (FDL) Nó bao gồm cả an toàn dữ liệu vàthực hiện giao thức truyền Profibus có hai thủ tục truy nhập bus có thể được ápdụng độc lập hoặc kết hợp là: Token Passing và Master/Slave

 Token Passing: Đây là thủ tục cho phép các trạm chủ (Master) có thểtrao đổi dữ liệu với nhau

 Master/Slave: Thủ tục này được áp dụng khi một trạm chủ nhận đượcToken cần thiết trao đổi dữ liệu với các trạm tớ (Slave)

VII.1.5 Cấu trúc bức điện

Một bức điện (Telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của Profibus được gọi

là khung Ba loại khung có khoảng cách Hamming 4 (HD = 4) và một loại khungđặc biệt đánh dấu một Token được quy định như sau:

 Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu:

Các ô DA, SA, FC và DU được xem là phần mang thông tin Trừ ô DU, mỗi

ô còn lại trong một bức điện đều có chiều dài 8 bit với các ý nghĩa cụ thể nhưsau:

Byte kiểm soát khung (FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, ví dụ bứcđiện gửi hay yêu cầu dữ liệu cũng như xác nhận hay đáp ứng Bên cạnh đó, byte

FC còn chứa thông tin về việc thực hiện hàm truyền, kiểm soát lưu thông đểtránh việc mất mát hoặc gửi đúng dữ liệu cũng như thông tin kiểu trạm, trạng tháiFDL.PROFIBUS-FMS và DP sử dụng phương thức truyền không đồng bộ, vìvậy việc đồng bộ hoá giữa bên gửi và bên nhận phải thực hiện với từng kí tự.Việc thực hiện truyền tuân thủ theo các nguyên tắc sau đây:

 Trạng thái bus rỗi tương ứng với mức tín hiệu của bit 1, tức mức tín hiệuthấp theo phương pháp mã hoá bit NRZ (0 ứng với mức tín hiệu cao)

 Trước một khung yêu cầu cần một thời gian rỗi tối thiểu là 33 bit thựchiện đồng bộ hoá giữa hai bên gửi và nhận

 Không cho phép thời gian rỗi giữa các kí tự UART của một khung

 Với mỗi kí tự UART bên nhận kiểm tra các bit khởi đầu (start), bit cuối(stop) và bit chẵn lẻ (parity) Với mỗi khung, bên nhận kiểm tra các byte SD,

DA, SA, FCS, ED, LE, LEr (nếu có) cũng như thời gian rỗi trước mỗi khung yêucầu Nếu có lỗi thì toàn bộ khung phải huỷ bỏ

Bảng ngữ nghĩa khung bức điện FDL Ký

SD1-SD4 Start Delimiter

Byte đầu, phân biệt giữa các loại khung SD1 =10H, SD2 = 68H, SD3 = A2H, SD4= DCH

LE Length Chiều dài thông tin (4 -249 byte)

LER Length repeated Chiều dài thông tin nhắc lại vì lý do an toàn

DA Destination Address Địa chỉ đích (trạm nhận), từ 0-127

SA Source Address Địa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126

FC Frame Control Byte kiểm soát lỗi

FCS Frame Check Sequence Byte kiểm soát lỗi, khoảng cách Hamming = 4

ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16H

VII.2 Mạng Industrial Ethernet (IE)

Mạng Industrial Ethernet (IEEE 802.2) dựa trên cơ sở Ethernet thườngnhưng được thiết kế lại cho sử dụng phù hợp trong môi trường công nghiệp và do

tổ chức IEA quản lý Mạng IE phục vụ cho lớp quản lý và lớp điều khiển để thựchiện việc truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá Nó phục vụcho việc trao đổi một dung lượng thông tin lớn và truyền trong một khoảng cáchlớn Về phương diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện Các cáp dùng trongmạng là cáp đồng trục có tráng cách điện và có bọc, cáp quang

Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp CSMA/CD Trước khi

dữ liệu được gửi đi thì các trạm trong mạng được kiểm tra xem trạm đó có ởtrong quá trình truyền thông không Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng

có thể gửi thông tin đi Nếu xảy ra xung đột trên mạng thì quá trình truyền thôngtrên mạng sẽ bị ngừng lại và quá trình đó sẽ được thực hiện lại sau một thời giannhất định Sau đây là một mô hình truyền thông của mạng Industrial Ethernet Mạng IE sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP Theo phương phápthâm nhập đường dẫn đã chọn thì các phần tử trong mạng IE đều bình đẳng vớinhau IE là một hệ thống mạng truyền thông mở

Chương 2

BUS TRƯỜNG TRONG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH

Hiện nay trong công nghiệp có 3 loai bus chính thường được sử dụng để kết

nối thiết bị ở cấp điều khiển và cấp trường:HART, PROFIBUS, FOUNDATIONFIELDBUS Cả 3 loại bus trường này đều có những đặc điểm tốt Phần này sẽđưa ra một số so sánh ưu và nhược điểm giữa 3 loai bus trường này Từ đó có thểlựa chọn xây dựng giải pháp tự động hoá toàn nhà máy tốt nhất với các chỉ tiêu:giải pháp toàn diện, tính sẵn sàng, độ tin cậy cao và chi phí hợp lý cho hệ thống

I PROFIBUS

 PROFIBUS PA là một phần trong họ giao thức PROFIBUS và đặc biệtthíêt kế để đáp ứng các yêu cầu trong tự động hoá quá trình (PA = ProcessAutomation) Với PROFIBUS PA các thiết bị trường có thể được cấu hình vàgiám sát từ xa thông qua đường bus Các thiết bị có thể được cấp nguồn bằngchính đường bus này và có đặc tính an toàn riêng PROFIBUS PA có thể sử dụngtrong bất kỳ ứng dụng nào Với đặc tính an toàn riêng, nó rất phù hợp để triểnkhai trong các môi trường nguy hiểm như các nhà máy hoá chất, lọc dầu

 Trong các nhà máy với quá trình liên tục, bus trường không chỉ để kếtnối các cảm biến như cảm biến áp suất, lưu lượng, nhiệt độ…Ngoài các thiết bị

đó còn rất nhiều thiết bị khác cũng cần được điều khiển và giám sát từ xa như các

bộ truyền động điện, thiết bị phân tích, thiết bị đóng cắt…Với PROFIBUS, điềunày có thể thực hiện được tương đối dễ dàng, vì ngoài PROFIBUS PA,PROFIdrive và PROFIsefe Các giao thức này cho phép kết nối nhiều loại thiết bịtrong nhiều loại ứng dụng khác nhau để tạo thành một giải pháp tự động hoá tíchhợp toàn diện Hiện nay trong công nghiệp không có loại bus trường nào khác cóthể sử dụng để xây dựng một giải pháp toàn diện như vậy

 Thông thường, lỗi chủ yếu gây ra dừng hoạt động một nhà máy là dothiết bị trường Khi dừng nhà máy sẽ không sinh ra lợi nhuận, do đó thời gianvận hành tối đa là yếu tố quan trọng mỗi nhà máy đều cố gắng đạt được để tănglợi nhuận PROFIBUS có thể trợ giúp ngăn chặn sự dừng vận hành không mongmuốn bằng chức năng chẩn đoán và trong đặc tả giao thức có các thông tin dựbáo, phục vụ bảo trì bảo dưỡng Một thiết bị trường thông minh trên mạngPROFIBUS có thể thông báo tới bộ điều khiển và người vận hành biết được giátrị đo được có lý hay không; nó cũng có thể chỉ ra khi nào cần được kiểm tra thiết

bị để ngăn chặn các sự cố có thể xảy ra Điều này sẽ dẫn tới giảm chi phí vậnhành, hệ thống vận hành trơn tru trong thời gian dài hơn Đồng thời công việcbảo trì, bảo dưỡng được tối ưu hoá, tiết kiệm và ít tác động tới hệ thống hơn

 PROFIBUS có nhiều tính năng giúp cho việc giảm chi phí qua các côngđoạn trong suốt vòng đời nhà máy Với PROFIBUS PA, do có tính năng đồng tảinguồn nên chỉ cần một đường cáp duy nhất để cấp nguồn và truyền tín hiệu Điềunày giúp giảm chi phí lắp đặt và đi dây Tính năng an toàn giúp tiết kiệm chi phícho các loại ống cáp và tủ đặc biệt Thêm vào đó, PROFIBUS còn có hai ưuđiểm chính liên quan tới thiết bị là interoperability và interchangeability

 Interoperability là khả năng cho phép thiết bị của nhiều hãng khácnhau có thể cùng hoạt động trôi chảy trên cùng một mạng Đây là một trongnhững điểm mạnh chủ chốt của PROFIBUS Người dùng sẽ không phải lo lắngliệu một thiết bị từ một nhà cung cấp nào đó có làm việc với hệ điều khiển hiện

có hay không Nếu thiết bị đó đã được kiểm định thông qua hiệp hội PROFIBUSquốc tế, bạn có thể chắc chắn rằng thiết bị đó tương thích với mạng sẵn có.Người dùng cũng không phải lo lắng về sự tương thích giữa các phiên bản trongchuẩn PROFIBUS Nếu một thiết bị được chế tạo theo DP phiên bản 0 và đượckết nối nó vào mạng với một thiết bị DP phiên bản 3 thì không có vấn đề gì xảy

ra Chuẩn PROFIBUS này duy trì được tính tương thích với các phiên bản cũ khi

nó nó được nâng cấp thêm các chức năng và đặc tính Đặc điểm này giúp tiếtkiệm nhiều tiền bạc và công sức trong giai đoạn chỉnh định đưa nhà máy vàohoạt động

 Interchangeability là khả năng chuyển từ thiết bị của nhà cung cấp nàysang thiết bị tương tự của nhà cung cấp khác Các thiết bị PROFIBUS PA đượcxây dựng bên trong nó một chuẩn gọi là Profile Profile chuẩn hoá các thiết bịdưới góc độ mạng cho phép các thiết bị tương tự khả năng hoán đổi lẫn nhau.Việc hoán đổi từ một thiết bị này sang một thiết bị khác trên PROFIBUS dễ dànghơn bất cứ trên một mạng bus trường nào khác, nhờ đó giảm được sự phụ thuộccủa người dùng vào một nhà cung cấp duy nhất Không có loai bus trường nàokhác trong lĩnh vực điều khiển quá trình cung cấp khả năng này Profile làm chocác thiết bị PROFIBUS PA trở nên tương tự với nhau dưới góc độ mạng truyềnthông Do đó chúng có thể dễ dàng làm việc cùng với nhau trên cùng một đườngmạng Điều này sẽ dẫn đến sự tiết kiệm tiền bạc và thời gian trong việc lắp đặt,lập trình, cấu hình và đào tạo Các nhà phát triển ba loại bus thông dụngPROFIBUS, HART, FOUNDATION FIELDBUS đều có những nghiên cứu, thửnghiệm Profile nhưng hiện nay mới chỉ có PROFIBUS đã ban hành chuẩn choProfile

II HART

 HART (Highway Addressable Remote Tranducer) sử dụng công nghệ

cũ hơn, đó là sự kết hợp giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự Trên cùng mộtđường truyền, HART đưa thêm vào một tín hiệu chồng lên trên trên tín hiệutương tự Biến quá trình chính được truyền dưới dạng tín hiệu tương tự truyềnthống, trong khi các thông tin khác về cấu hình, chuẩn đoán được truyền dướidạng tín hiệu số Vì HART kết hợp cả hai dạng tín hiệu tương tự và số nên nóđược nhìn nhận như một loại bus có tính chất chuyển tiếp Một nhà máy có thểđược nâng cấp từ tương tự sang HART và sau đó được nâng cấp lên PROFIBUS

Về mặt này HART cạnh tranh với PROFIBUS nhưng nó cũng bổ sung choPROFIBUS

 HART đã nổi bật từ nhiều năm và hiện nay được được sử dụng khá phổbiến Đây là một chuẩn đã được chứng nhận và có đem lại nhiều lợi ích trongviệc kết hợp giữa các thiết bị PROFIBUS cũng đã chú ý đến điều này và cũng đãcung cấp khả năng tích hợp các thiết bị HART vào mạng PROFIBUS một cách

dễ dàng nhờ mô tả HART trong đặc tính PROFIBUS Giữa hai giao thức cónhiều tính tương đồng nhưng chất lượng và mức độ thuận tiện khác nhau

 PROFIBUS PA đã chuẩn Profile từ lâu, trong HART vừa mới banhành chuẩn Profile của mình Bởi vậy khả năng thay thế giữa hai thiết bịPROFIBUS PA dễ dàng hơn khi thực hiện công việc tương tự với hai thiết bịHART.

 PROFIBUS PA tuân theo mô hình FISCO2, cho phép thực hiện cácyêu cầu an toàn riêng thuận tiện bằng các thao tác kéo và thả Với HART,ngườidùng phải thực hiện theo các phương pháp cũ, đó là tính toán, sau đó nhậpvào chương trình để kiểm tra xem có chấp nhận được không

 HART cũng có khả năng chuẩn đoán nhưng chỉ có mức cơ bản vàkhông được kiểm tra thường xuyên như PROFIBUS PA

 Tốc độ truyền tín hiệu số theo chuẩn HART chậm, chỉ có 1200 bit/giây

so với PROFIBUS PA là 3125 kbit/giây Tốc độ chậm có nghĩa là khi cần ghitham số xuống thiết bị hoặc đọc các thông tin chuẩn đoán thì thời gian chừ sẽ lâuhơn

 Nhiều người cho rằng chi phí đi dây là một trong những ưu điểm chínhcủa PROFIBUS PA so với HART Tuy nhiên trong thực tế điều này phụ thuộcvào mặt bằng lắp đặt thiết bị và cách thức đi dây

III FOUNDATION FIELDBUS

 Trong mạng FOUNDATION Fieldbus tín hiệu truyền đi thuần tuý là tínhiệu số Lĩnh vực ứng dụng công nghiệp của nó cũng tương tự như PROFIBUS.Ngoài ra, giữa hai loại bus này còn có khá nhiều điểm chung Ví dụ lớp vật lý H1của hai loại bus đều tuân theo chuẩn IEC 61158-2, sử dụng cùng loại dây, kiểuđấu nối và các đặc tả vật lý Tuy nhiên, giao thức phía bên trên lại khác nhau.Giao thức FOUNDATION Fieldbus phức tạp hơn nhiều và đòi hỏi dung lượng

bộ nhớ trong thiết bị trường lớn hơn so với PROFIBUS PA

 Về khả năng tương tác và thay thế thiết bị lẫn nhau giữa các nhà sảnxuất thì FOUNDATION Fieldbus được đánh giá thấp hơn PROFIBUS vìFOUNDATION Fieldbus không sử dụng Profile Và trong đặc tả kỹ thuật của nó,một số định nghĩa không chặt chẽ Điều này có thể gây ra những rối loạn chongười sử dụng Ví dụ khối chức năng PID trong FOUNDATION Fieldbus đượcđịnh nghĩa đầu vào, đầu ra nhưng lại không định nghĩa thuật toán Do đó khichuyển từ thiết bị của nhà sản xuất này sang thiết bị của nhà sản xuất khác, nếuhai thuật toán PID trong hai khối hàm là khác nhau thì bộ tham số điều chỉnh cũđương nhiên là không thể sử dụng được ngay

 Interoperability là điểm yếu nhất của FOUNDATION Fieldbus Tuynhiên hiệp hội FOUNDATION Fieldbus đã thành lập một bộ phận chuyên kiểmtra và sửa lỗi này Dù đã được kiểm tra và sữa lỗi nhưng đôi khi điều này vẫn tiếptục gây ra rắc rối cho người sử dụng Mỗi hệ điều khiển hỗ trợ FOUNDATIONFieldbus thường đi kèm với một danh sách thiết bị trường của một số nhà sảnxuất mà nó hỗ trợ Vì vậy khi xây dựng một ứng dụng người thực hiện phải đảmbảo rằng hệ điều khiển định sử dụng có hỗ trợ loại thiết bị trường với đúng phiênbản mà họ định mua Nếu không có thể chúng không làm việc đươc với nhau Sựhạn chế này không xảy ra đối với PROFIBUS Hiện nay trên thị trường chủng

loại thiết bị FOUNDATION Fieldbus ít hơi so với hai loại bus đã đề cập.FOUNDATION Fieldbus cũng cho phép kết nối thiết bị HART nhưng so vớiPROFIBUS thì phương thức kết nối kém rõ ràng và mức thích hợp với các công

cụ kỹ thuật cũng thấp hơn

Để tích hợp toàn bộ nhà máy, cần phải có một giao thức cho phép truyền dữliệu với tốc độ cao PROFIBUS PA là khả năng kết nối dễ dàng vào mạng tốc độcao PROFIBUS DP Tương tự, FOUNDATION Fieldbus cũng định nghĩa một

mở rộng gọi là “Ethernet tốc độ cao” (High Speech Ethernet - HSE), hay còn gọi

là lớp H2 Tuy nhiên cho tới nay, số lượng thiết bị hỗ trợ H2 còn ít Đó chính làhạn chế của FOUNDATION Fieldbus FOUNDATION Fieldbus đưa ra kháiniệm “điều khiển tại hiện trường” và thúc đẩy các ứng dụng đó “Điều khiển tạihiện trường” có nghĩa là vòng điều khiển được thực hiện ngay tại thiết bị trường,độc lập với bộ điều khiển trung tâm Đây là một tính năng tốt Tuy nhiên trongthực tế thì hầu hết những ứng dụng FOUNDATION Fieldbus hiện tại không sửdụng “điều khiển tại hiện trường” Lý do mà người người sử dụng đưa ra là giảipháp này phức tạp và chi phí lớn Ngược lại PROFIBUS PA và hình thức sửdụng các khối chức năng, thiết bị trường trở thành một phần của hệ điều khiển.Dưới góc độ người sử dụng, vấn đề vòng điều khiển được xử lý ở cấp độ nàokhông có ý nghĩa bằng việc có được một mạng truyền thông tin cậy với các khảnăng điều khiển và giám sát hiệu quả

IV Kết luận

Qua các so sánh trên, có thể nhận thấy rằng trong 3 giải pháp bus trường chođiều khiển quá trình và tích hợp toàn bộ nhà máy thì PROFIBUS là giải pháp cónhiều ưu điểm vượt trội Các ưu điểm đó được tóm tắt như sau:

- Đây là giải pháp cho phép tích hợp toàn bộ nhà máy với nhiều chủng loạithiết bị khác nhau, chia thành nhiều lớp chức năng khác nhau

- Tính năng cấp nguồn thông qua đường bus và “an toàn riêng” giúp tiếtkiệm chi phí lắp đặt và đi dây

- Khả năng chuẩn đoán tiên tiến với tốc độ nhanh hơn giúp giảm sự cố vàtăng thời gian hoạt động liên tục

- Khả năng kết nối nhiều loại thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trêncùng một mạng giúp giảm chi phí chỉnh định đưa nhà máy vào hoạt động

- Khả năng thay thế lẫn nhau giữa thiết bị tương tự thông qua việc sử dụngProfile

- Dễ dàng kết nối với các thiết bị HART

Chương 3

GIỚI THIỆU VỀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA CÁC HỆ TỰ

ĐỘNG HOÁ VÀ HỆ ĐIỀU KIỂN PHÂN TÁN

mạng dẫn chung gọi là một bus trường (Field bus) thay cho việc kết nối dây trực

tiếp và phân tán “ trí tuệ” xuống cấp chấp hành Đây chính là xuất phát điểm chomột con đường dẫn tới cấu trúc phân tán

Máy tính điều khiển

Máy tính điều khiển

Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành

Cảm biến

Cảm biến

Công đoạn 1

Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành

Cảm biến

Cảm biến

Công đoạn n

Hình 3.1: Cấu trúc tập trung không phân quyền

Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm và tăng tính linh hoạtcủa hệ thống thì trong cấu trúc phân quyền mỗi quá trình con (hay một nhóm quátrình con) được điều khiển bởi một máy tính riêng cũng được đắt tại phòng điềukhiển Bởi các quá trình con có liên quan hệ quả với nhau, nên để điều khiển qúatrình tổng hợp cần có sự kết hợp giữa chúng Trong hầu hết các trường hợp, mộtmáy trung tâm được dung để điều khiển cấp trên cũng như để phối hợp sự hoạtđộng của các máy phân quyền như mô tả ở hình 3.2 Máy phối hợp này có thểthuộc cùng cấp điều khiển hoặc thuộc cấp điều hành tuỳ theo các chức năng đựơcthực hiện Các máy tính điều khiển đựơc kết nối với nhau và máy tính phối hợpqua mạng, thường gọi là bus xử lý Chú ý rằng, cấu trúc điều khiển này vẫnkhông khắc phục được hoàn toàn nhược điểm lớn của cấu trúc tập trung là sốlượng dây lớn

II GIỚI THIỆU VỀ HỆ SCADA

II.1 Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Là hệ thống điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu Đây là phần không thể thiếu trong một hệthống tự động hoá hiện đại

Cấu thành của một hệ thống SCADA bao gồm 3 phần chính:

 Phần cứng: Bao gồm các máy tính (PC), các thiết bị đầu cuối (RTU),các thiết bị giao diện người sử dụng và các thiết bị giao diện thông tin

 Phần mềm: Bao gồm các phần mềm hệ thống, phần mềm trợ giúp, phầnmềm ứng dụng

 Phần hỗ trợ: Phần hỗ trợ sử dụng để kiến tạo sơ đồ hệ thống, trợ giúptình trạng sự cố trong hệ thống SCADA là công cụ trợ giúp cho việc điều hành

Giám sát điều khiển

trung tâm

Thiết bị trường

Máy tính giám sát

kỹ thuật ở các cấp trực ban, điều hành của sản xuất công nghiệp từ các cấp phânxưởng, xí nghiệp cho tới cấp cao nhất của một công ty

Hệ SCADA là phương tiện tiêu biểu để phân phối các dữ liệu cơ sở đượcchứa trong các nút mạng Một nút mạng biểu diễn một giá trị vào ra đơn lẻ đượcgiám sát và điều khiển bởi hệ thống Các điểm nút này có thể là phần cứng hoặcphần mềm Một điểm phần cứng thể hiện một kết nối vào ra thực trên hệ thống,trong khi đó một điểm mềm thể hiện kết quả logic và các thuật toán được ứngdụng đến các điểm cứng và mềm Hệ SCADA được ngầm hiểu như các máy tínhchủ cho phép “giám sát các hạng mục” được điều khiển Đa phần các điểm điềukhiển trên thực tế được thực hiện một cách tự động nhờ các đơn vị điều khiểnđầu cuối RTU Chức năng điều khiển chính hầu như bị giới hạn trên các vị trí cơ

sở hay khả năng giám sát các hạng mục của chúng Dữ liệu ban đầu được tiếpnhận tại RTU bao gồm cả dữ liệu đọc được từ các dụng cụ đo các trạng thái làmviệc của thiết bị giao tiếp khi hệ SCADA có yêu cầu Dữ liệu sau đó được biêndịch và định dạng để đến phòng điều khiển vận hành, sử dụng hệ SCADA có thểlàm cho các quyết định giám sát trở nên hợp lý, tức là các kết quả có thể thu đượctrên các RTU điều khiển thông thường

II.2 Cấu trúc

II.2.1 Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA

Ngày nay, kỹ thuật tự động hoá đã đạt được nhiều tiến bộ cùng với sự pháttriển nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn IC, LSI, VLSI của

kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lý cũng như của các kỹ thuật tính toán và công nghiệpmáy tính, công nghệ mạng và kỹ thuật quản lý, xử lý thông tin Mô hình SCADA(hiểu theo nghĩa rộng) được phân thành các cấp như sau:

II.2.1.1 Cấp quản lý hiện trường

Trong cấp này, các bộ điều khiển nối tiếp với các loại thiết bị tại hiệntrường như các thiết bị đo lường, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị cảnh báo Đểthực hiện các chức năng đo lường và điều khiển Đồng thời cấp này cũng đượcnối cấp quản lý quá trình để nhận thông tin quản lý và đồng thời chuyển lên chocấp quản lý quá trình các số liệu về đặc tính của các thiết bị cũng như số liệu vềcác tham số tại hiện trường trong thời gian thực Hiện nay nhờ xuất hiện các thiết

bị hiện trường mà thông tin về trạng thái, thông số, cấu hình của thiết bị cóđược dễ dàng Toàn bộ các thiết bị hiện trường cũng như các bộ điều khiển kếtnối với nhau thành một mạng các thiết bị trường Tất cả các thông tin từ mạngnày được cung cấp cho người sử dụng cũng như các chương trình ứng dụng mộtcách nhất quán

II.2.1.2 Cấp quản lý quá trình

Cấp này bao gồm các trạm quản lý như trạm thao tác, trạm giám sát Cấpnày có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng hợp thông tin về hiện trường từ các trạm

ở cấp quản lý hiện trường, hiển thị tập trung và thay đổi các tham số điều khiển

II.2.1.3 Cấp quản lý kinh doanh

Cấp này có trong các hệ SCADA mở rộng và thực hiện các nhiệm vụ như:Tích hợp các thông tin thu thập được từ cấp dưới vào hệ thống quản lý kinhdoanh của doanh nghiệp, phân tích và thống kê đặt hàng lập kế hoạch sản xuất.Doanh nghiệp có thể tích hợp hệ SCADA với các cơ sở dữ liệu và bảng tính sẵn

có tạo ra một hệ thống đáp ứng được các yêu cầu cụ thể

II.2.2 Cấu trúc phần cứng

Một dấu hiệu đặc trưng của hai tầng cơ sở trong hệ SCADA là tầng Clientlàm giao diện giữa người và máy và tầng Data Server bao gồm hầu hết các kênhđiều khiển của quá trình hoạt động điều khiển dữ liệu Điều khiển các quá trìnhnhư của PLC, được kết nối đến các Data Server một cách trực tiếp qua cácNetwork hay Fieldbus do các hãng chế tạo độc quyền (ví dụ như Siemens) haykhông độc quyền (như Profibus) Các Data Server được kết nối đến các trạmClient qua mạng cục bộ Ethernet LAN

II.2.3 Cấu trúc phần mềm

Bao gồm các sản phẩm thực hiện nhiều thao tác trên cơ sở dữ liệu thời gianthực RTDB (Real Time DataBase) được định vị trong một hay nhiều Server CácServer chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu và điều khiển các phần như kiểm soátviệc điều khiển, kiểm tra báo động, các quá trình tính toán, xuất và lưu trữ dữliệu trên một tập hợp các thông số điển hình mà chúng liên kết Tuy nhiên có thểthực hiện thiết kế các Server thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt như ghi nhật ký, tải

dữ liệu lên, điều khiển báo động

II.3 Chức năng

II.3.1 Giám sát

Chức năng này cho phép người điều hành giám sát liên tục các hoạt độngtrong hệ thống để điều khiển quá trình Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sảnxuất, chỉ thị giá trị đo lường dưới dạng các trang màn hình, trang đồ thị, trang

sự kiện, trang báo cáo sản xuất Từ đó có thể điều khiển từ xa các đối tượng từcác trạm vận hành trong hệ thống.

II.3.2 Điều khiển

Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển các thiết bị và giámsát mệnh lệnh điều khiển

II.3.3 Thu thập dữ liệu

Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổchức lưu trữ số liệu như số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác,

sự cố dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định Tuỳtheo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian mà SCADA được hiểu theo những ýnghĩa khác nhau Theo yêu cầu cụ thể của quá trình tự động hoá, một hệ SCADAthường phải có đầy đủ các thành phần sau:

 Trạm điều khiển trung tâm: Có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, xử lý sốliệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở

 Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính vàmạng truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữatrạm trung tâm và các trạm cơ sở

 Giao diện người - máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác )

 Cơ sở dữ liệu quá trình: Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp haycác thiết bị phục vụ cho việc truyền thông

 Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (những bộ phận điều khiểncho các PLC, các module vào/ra cho các hệ thống bus trường)

 Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức và xử lý sự cố, hỗ trợ cho việclập báo cáo

II.3.4 Điều khiển truy cập

Được dùng để cấp cho các nhóm đọc/ghi có quyền truy cập đến các tham sốcủa quá trình trong hệ thống và đến các thiết bị với những chức năng riêng biệt

II.3.5 Giao tiếp người - máy (HMI)

Các sản phẩm hỗ trợ cho nhiều màn hình bao gồm sự kết hợp giữa các biểu

đồ khái quát với văn bản Đồng thời cũng hỗ trợ cho khái niệm của các đối tượng

đồ họa, kết nối đến các biến quá trình Các đối tượng này có thể là một ô nhỏ vớichức năng có trong thư viện bao gồm cả biểu đồ tổng quát

Hầu hết các nhà sản xuất hệ SCADA đều đã đánh giá phân tích các quátrình trong các tham số nhỏ như dòng cung cấp năng lượng với giá trị lớn nhất,các trạng thái on/off.v.v đến một Tag-name đã được kết nối Các Tag-nameđược dùng để liên kết các đối tượng đồ họa đến các thiết bị có thể được sắp xếptheo yêu cầu Các sản phẩm bao gồm cả một thư viện với các biểu tượng đồ họachuẩn Tuy nhiên không được ứng dụng nhiều trong việc thí nghiệm vật lý

II.3.6 Trending

Các sản phẩm được cung ứng một cách dễ dàng và có thể tóm tắt một cáchthông thường như sau:

 Các tham số được gửi vào trong một biểu đồ tóm tắt có thể được địnhtrước hoặc định nghĩa trực tiếp

 Một biểu đồ có thể chứa nhiều hơn 8 tham số hay một số lượng lớn cácbiểu đồ có thể được hiển thị

 Thời gian thực và historical trending có thể tồn tại, mặc dù không giốngnhư các biểu đồ

 Historical trending có thể tồn tại lưu trữ cho nhiều thông số

 Các chức năng zooming và scrolling được cung cấp

 Giá trị các thông số tại mỗi vị trí con chạy có thể được hiển thị

Tính năng bộ định hướng được cung cấp như một module riêng biệt haynhư một đối tượng đồ họa (ActiveX) mà sau đó có thể tóm tắt hiển thị một cáchtổng quát

II.3.6 Điều khiển báo động

Điều khiển báo động trên các giới hạn cơ sở, kiểm tra các trạng thái và đượcthực thi trên các Data Server Nhiều phức tạp, rắc rối có thể được diễn đạt (dùng

số học và lôgic) bằng các thông số khởi đầu trên các trạng thái hay thực thi kiểmtra giới hạn Các báo động được mô tả một cách lôgic, thông tin chỉ tồn tại trênmột vị trí và người sử dụng có thể thấy rõ các trạng thái, các vùng báo động ưutiên đều được hỗ trợ

II.4 Các thành phần trong hệ thống

Có 3 thành phần chính trong hệ SCADA:

 Các đơn vị điều khiển đầu cuối RTU

 Phòng điều khiển trung tâm CCR với các máy tính chủ

 Các thiết bị giao tiếp

II.4.1 Các đơn vị điều khiển đầu cuối RTU

RTU kết nối các thiết bị vật lý và đọc các trạng thái dữ liệu như đóng mởcác khóa và van, đọc các kết quả đo áp suất, lưu lượng, điện áp hay dòng điện.Bằng cách gửi tín hiệu đến các thiết bị RTU có thể điều khiển chúng, như mởđóng một khóa, một van, đặt tốc độ bơm RTU có thể đọc dữ liệu số hay đo các

dữ liệu tương tự và gửi ra các tín hiệu số và tương tự

Một thành phần quan trọng trong hầu hết hệ thống SCADA là sự hoạt độngcủa hệ thống báo động Một báo động là một điểm trạng thái được số hóa các giátrị NORMAL hoặc ALARM Các báo động có thể tạo thành một quãng dài khichúng có các yêu cầu cần đáp ứng khi bị kích hoạt Ví dụ như một báo động vềlượng nhiên liệu trong bình chứa cho chiếu sáng của xe Điểm chú ý trong vận

hành hệ SCADA là các thành phần trong hệ thống cần được quan tâm bởi hệthống báo động Thư điện tử và các tin nhắn cần được thường xuyên gửi đếncùng với việc quản lý sự kích hoạt các báo động trong vận hành hệ SCADA.

II.4.2 Phòng điều khiển trung tâm CCR

Giao diện HMI/SCADA thường sử dụng các thông tin hiện có trong các lớpmột cách khéo léo Điều này có nghĩa là việc vận hành có thể được miêu tả bằngcách điều khiển nhà máy Ví dụ, một cái bơm được kết nối với các đường ống mà

ta có thể thấy bơm chạy như thế nào và lượng chất lỏng chảy trong nó ra sao Khilàm việc một thời gian thì các khóa van tự động đóng cắt Giao diệnHMI/SCADA sẽ hiển thị lưu lượng dòng chảy của chất lưu trong ống giảm dầntheo thời gian thực Giao diện HMI thực hiện đóng gói cho một hệ SCADA điểnhình bao gồm chương trình thiết kế đồ họa vận hành, người sử dụng hệ thống cóthể thay đổi được đường đi đến các điểm vận hành bằng cách thực thi trên giaodiện.Việc miêu tả này có thể được trình bày một cách đơn giản nhờ các đèn màutrên màn hình là các trạng thái làm việc của các thiết bị trên thực tế, ngoài ra cònmiêu tả các bộ phận phức tạp khác nữa như hệ thống gầu nâng, thang máy trênnhững tòa nhà cao chọc trời hay là hệ thống đường ray băng chuyền tải trong nhàmáy.Giao diện thường được sử dụng là 2D, giao thức X11, mặc dầu một vài thiết

bị tự động sử dụng giao diện 3D và chạy trên nền Win32 GDI/DrectDraw Cácmáy tính chủ trong hệ SCADA chạy trên một hệ thống vận hành khác như cácbiến thể của UNIX hay HP Open VMS, mặc dầu có nhiều hãng sử dụng chọn lựacác sản phẩm của Microsoft Windows Ban đầu có nhiều cơ sở mở rộng nhưLinux đã không được sử dụng rộng rãi trong môi trường động lực học bởi vì một

hệ SCADA bất kỳ đều có thể tạo ra các thiết bị và phần cứng thường được điềukhiển trên UNIX hay Open VMS Tuy nhiên trong những năm gần đây tất cả cáchãng SCADA đều sử dụng hình thái ngôn ngữ Windows và một vài hãng sửdụng Linux

II.4.3 Xử lý, vận hành hệ thống

Thay vì phải dựa vào sự can thiệp tự động của các trạm chủ vào vận hành,

các RTU có thể lập tức tự vận hành trên chúng và thực hiện các công việc mộtcách an toàn và tin cậy Phần mềm trạm chủ được yêu cầu để phân tích các dữliệu trước khi đưa vào vận hành bao gồm việc phân tích các thủ tục có liên quan.Phần mềm ứng dụng trong hệ thống phải đảm bảo an toàn, tin cậy theo một sốtiêu chuẩn nghiêm ngặt trên thị trường Chi phí cho sự lắp đặt hệ thống là rất cao.Phần cứng cho các hệ thống SCADA nói chung có khả năng chịu được nhiệt độ

và điện áp cao nhưng để nâng cao độ tin cậy cần phải tăng độ tin cậy của cácphần cứng dự phòng và các kênh giao tiếp Một phần lỗi có thể được nhận ra mộtcách nhanh chóng còn các chức năng tự động của nó thì bị nắm giữ bởi các phầncứng Phần lỗi này thường bị thay thế khi không có ngắt quá trình Độ tin cậy cho

hệ thống và các trạng thái thời gian không phù hợp có nghĩa là thời gian giữa cáclần lỗi có thể được thống kê trước nếu giả dụ thời gian hệ thống hoạt động đángtin cậy nhất là trong khoảng 100 năm Các giải pháp cho hệ SCADA thườngcũng có trong các thành phần của hệ DCS Việc sử dụng sự linh hoạt của cácRTU hay PLC có khả năng tự xử lý một cách đơn giản các quá trình logic cùngvới máy tính chủ ngày càng gia tăng

Ngôn ngữ lập trình theo các khối chức năng,chuẩn giao tiếp IEC 61131-3thường xuyên được sử dụng để tạo nên các chương trình chạy trên các RTU vàPLC Không giống như một ngôn ngữ mang tính thủ tục như lập trình C, IEC61131-3 có yêu cầu ít về thủ tục Điều này cho phép hệ thống SCADA thực hiệncác thiết kế bổ sung cho các chương trình chạy trên RTU hay PLC.

II.5 Giao tiếp (Interface)

II.5.1 Giao diện người – máy HMI

Giao diện công nghiệp HMI/SCADA về bản chất là tạo môi trường giaotiếp dễ dàng cho người sử dụng với các PLC Khi một PLC vận hành tự độngtheo một quá trình đã lập trình sẵn, chúng có thể phân phối thông tin trong nhàmáy, sẽ khó khăn hơn nếu dữ liệu được thu lượm một cách thủ công Thêm vào

đó thông tin cung cấp bởi các PLC thường là ở dạng thô chưa được gọt giũa vàđịnh dạng Giao diện HMI/SCADA thực hiện gọt giũa thông tin từ các PLC quamột vài khối giao tiếp bằng các phương pháp khác nhau sau đó định dạng và tiếpnhận các thông tin này Từ năm 1990, hệ SCADA đóng vai trò lớn trong việcthiết kế giải quyết các vấn đề, các yêu cầu ngày càng nhiều trong lĩnh vực tựđộng hóa Một giao diện HMI tinh vi có thể được kết nối đến một cơ sở dữ liệucung cấp dữ liệu một cách nhanh chóng, chẩn đoán dữ liệu, ghi lại quá trình, hỗtrợ thông tin, các biểu đồ, đồ thị chi tiết cho các cảm biến và thiết bị vận hành,cùng với chỉ dẫn xử lý sự cố của các nhà chuyên môn trực thuộc hệ thống.Khoảng vào năm 1998, hầu như tất cả các chuyên đề của các hãng PLC đều giớithiệu về giao diện HMI/SCADA, nhiều hãng còn đưa ra những giao thức độcquyền, giới thiệu trên các diễn đàn cùng với những chuyên đề về PLC, cho phépthiết kế điện-cơ sắp xếp các giao diện HMI theo hãng của họ cùng với nhữngphần mềm đã được viết ra

II.5.2 Các bộ phận giao tiếp và các phương pháp truyền thông

Hệ SCADA truyền thống đã kết hợp việc truyền sóng vô tuyến và các bộ

điều giải nối tiếp trong các thủ tục giao tiếp, mặc dù Ethernet và IP qua SONETcũng được sử dụng thường xuyên làm đường truyền giữa các điểm nút lớn vớicác trạm chức năng Điều này cho phép những đơn vị sử dụng hệ SCADA trongviệc truyền thông dữ liệu trên các mạng công ty được thiết lập trước hay ứngdụng vào các mạng khác nhau Mặc dù đã kế thừa từ rất sớm các giao thức điềubiến dãi tần thấp, các giao thức của hệ SCADA được thiết kế theo sự thỏa thuậntrong việc gửi thông tin đến trạm chủ từ các RTU Hệ SCADA kế thừa nhữnggiao thức đặc trưng như Mosbus, RP – 570 và Conitel Các giao thức giao tiếpnày đều có trong các hệ SCADA Các chuẩn giao thức là IEC 60870–5–101 hay

104 và DNP3 Các giao thức này đã được chuẩn hóa và được công nhận bởi cáchãng chế tạo SCADA Hiện nay nhiều giao thức được mở rộng để vận hànhthông qua TCP/IP, nó đảm bảo tốt chất lượng kỹ thuật tránh kết nối các hệ thốngSCADA đến mạng Internet vì thế giảm bớt giá thành các bề mặt giao tiếp

II.5.3 Xu hướng phát triển của hệ SCADA

Giữa năm 1990, hãng DAQ I/O đã giới thiệu các giao thức của họ như RS –

485 Theo xu hướng mở rộng giao tiếp, các hãng sản xuất đã đưa ra các cấu trúc

mở rộng như Modicon MODBUS qua RS – 485, và đến năm 2000 hầu như cácgiao diện giao tiếp mở như Modicon MODBUS sử dụng giao thức TCP/IP Trởngại chính trong truyền thông tự động trên mạng Ethernet sử dụng giao thứcTCP/IP (sự đồng bộ hóa, lựa chọn giao thức, sự phù hợp với môi trường truyềnthông) vẫn là một mối quan tâm không nhỏ trong việc thiết kế các ứng dụngtrong khi thị trường giao diện HMI/SCADA đa phần khập khiểng

Tuy nhiên mới đây các hệ thống SCADA cơ sở đã mắc phải vấn đề về mởrộng, họ đã nhận ra được các xung đột trong điều khiển tự động cho hệ thống Đểđem đến một sức sống cho một số lượng lớn hệ thống SCADA, trong nhữnghoàn cảnh bất lợi như sự thất thoát nhiều về tài chính qua sự đánh mất dữ liệu vàcác tài liệu khoa học do sử dụng sai mục đích hoặc bị mất cắp một cách trực tiếphay gián tiếp Cản trở của một số cơ sở tập đoàn SCADA có ảnh hưởng lớn hay

sự can thiệp của chính quyền làm cho giá thành của hệ thống không thể giảmxuống đồng thời cũng chịu nhiều rủi ro Do đó cần phải hiểu rõ các nguyên nhân

và tìm các biện pháp khắc phục

II.5.5 Giao tiếp nội bộ

quát trên cơ sở điều khiển các sự kiện sử dụng giao thức TCP/IP, như một ứngdụng của Client đến một tham số riêng bởi một Server ứng dụng riêng chỉ thayđổi các tham số được truyền đến Client ứng dụng

Truy nhập đến các thiết bị

Các Data Server thăm dò các controller định tốc độ kiểm soát vòng Tốc độkiểm soát vòng có thể có các thông số khác nhau Các controller gửi các tham sốđược yêu cầu đến các Data Server Thời gian bảo đảm để xử lý các tham số điểnhình được thực hiện trong các controller và lượng thời gian này được tổng hợp từcác Data Server nếu controller và các giao thức truyền thông hỗ trợ cho nhau.Các sản phẩm cung cấp các điều khiển giao tiếp cho hầu hết các PLC thôngthường và được mở rộng với các Field–Bus như Modbus Một vài thiết bị điềukhiển làm cơ sở gián tiếp như các Cards Applicom vì thế làm tăng giá thành khi

mở rộng kết nối với chúng Một Data Server có thể hỗ trợ nhiều giao thức giaotiếp, nó có thể hỗ trợ tất cả các giao thức bằng các bộ điều hợp cho các card giaodiện

Giao diện

Ứng dụng mở rộng giao diện: Sự cung cấp các chức năng của OPC client

cho hệ SCADA đến các thiết bị truy cập theo các chuẩn mở rộng đang trên đàphát triển, điều đó dường như trở nên không thể thiếu trong các thiết bị/cáccontroller với mỗi phần mềm do OPC server cung cấp Nhưng việc tận dụng mộtcách mau chóng này hầu như làm cho các nhà sản xuất các controller lại trở nênphức tạp hơn trong sự mở rộng các chuẩn này Các nhà sản xuất cũng cung cấpmột giao diện Open Data Base Connectivity (ODBC) đến dữ liệu trong kho lưutrữ, nhưng không sắp xếp cơ sở dữ liệu, một thư viện của APIs cung cấp cácphần mềm như C, C++, và Visual Basic(VB) đến truy cập dữ liệu trong RTDB

để xuất và lưu trữ AIP thường không truy cập đến các tính năng bên trong thiết

bị như điều khiển báo động, nhật kí, lộ trình… Các sản phẩm máy tính PC cungcấp hỗ trợ cho các chuẩn của Microsoft như Dynamic Data Exchange (DDE) chophép trao đổi các dữ liệu năng động như một bảng tính trong EXCEL, thư việnkết nối Dynamic Link Library (DLL) và kết nối các đối tượng bằng ObjectLinking and Embeding(OLE).

Cơ sở dữ liệu

Dữ liệu sắp xếp được chứa trong kho dữ liệu và được kiểm soát một cáchhợp lý nhưng được phân phối một cách tự nhiên và hầu như được định dạng bởicác hãng độc quyền, như RTDB có một vị trí xác định trong bộ nhớ của cácServer và cũng được định dạng Quy cách lưu trữ và xuất cũng thường được địnhdạng, nhưng một vài hãng sản xuất cũng hỗ trợ cho việc xuất đến một hệ thốngquản lý cơ sở dữ liệu có liên quan Relational Data Base Management System(RDBMS) trực tiếp một cách chậm chạp hoặc là qua giao diện ODBC

Khả năng mở rộng

Khả năng mở rộng được hiểu như là một khả năng phát triển của hệ thốngSCADA bằng cách thêm vào một lượng biến xử lý quá trình, các Server thiết kế(thay đổi cho việc điều khiển báo động) và nhiều Client khác nữa Các hãng sảnxuất hoàn tất việc mở rộng bằng nhiều Data Server được kết nối tới nhiềuController Mỗi Data Server có một sự sắp xếp cơ sở dữ liệu riêng với RTDB vàđáp ứng cho các điều khiển của một bộ thiết lập trong việc xữ lý quá trình (thuthập, điều khiển báo động, lưu trữ)

 Các thiết bị điều khiển được mô tả trong điều khiển quá trình

 EPICS là một ví dụ về một môi trường phần mềm mở được dùng đểkhuyếch trương và thực hiện vận hành các thiết bị trong hệ SCADA như bộ giatốc, dụng cụ theo dõi trong các phòng thí nghiệm …

III GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

III.1 Khái niệm chung về DCS

Một vấn đề luôn được đặt ra trong khi thiết kế một hệ thống tự động hóa

quá trình công nghệ là sự chuyển hướng giải pháp trên cơ sở các hệ thống đơn lẻhay trên cơ sở hệ thống tích hợp trọn vẹn Thiết kế hệ thống trên cơ sở các thiết

bị đơn lẻ yêu cầu người kỹ sư phải tự xây dựng cấu hình hệ thống, lựa chọn cácthiết bị điều khiển tự động, các phần mềm lập trình điều khiển cơ sở và điềukhiển giám sát cũng như phương thức ghép nối các thành phần của hệ thống Bêncạnh độ linh hoạt, mềm dẻo thì giá thành cũng là một yếu tố quan trọng hướnggiải pháp này

Ngược lại, một hệ thống điều khiển quá trình tích hợp, một mặt không chophép người dùng có nhiều lựa chọn về thiết bị cũng như công cụ phần mềm, mặtkhác đòi hỏi đầu tư ban đầu tương đối lớn tuy nhiên, giải pháp thứ hai này thíchhợp với các ứng dụng quy mô vừa và lớn bởi độ tin cậy cao và sự hỗ trợ rộng rảicác chức năng tự động hóa từ cấp điều khiển cơ sở đến cấp điều khiển giám sát

và điều hành sản xuất

Yêu cầu chất lượng đối với các hệ thống điều khiển ngày càng cao, phải làmthế nào để mang lại hiệu quả cho các kế hoạch sản xuất? Hệ điều khiển phân tán(DCS) với những tính năng ưu việt đang là giải pháp cho các hệ điều khiển cácdây chuyền công nghệ

Do yêu cầu đòi hỏi thời gian thực trong điều khiển đã khiến cho phạm viđiều khiển của các hệ điều khiển tập trung hẹp về không gian, tính năng thời gianthực bị hạn chế, kém linh hoạt, để thực hiện một hệ thống thì tốn dây dẫn và cônglắp đặt, độ tin cậy kém Hệ điều khiển tập trung thường thực hiện một nhiệm vụ

đo lường và điều khiển theo một quá trình nào đó

Trong đó, các giải pháp hệ thống (phần cứng và phần mềm) cho điều khiển

và cho giám sát một quá trình công nghệ hay một dây chuyền lắp ráp khôngnhững bao hàm “tự động hóa” các chức năng của hệ thống điều khiển mà còn cóhàm ý “tiện lợi hóa” cho người sử dụng, điều hành Hơn nữa, nói tới điều khiển

và giám sát ta không hạn chế phạm vi người sử dụng chỉ ở cấp thao tác viên hayđiều hành phân xưởng, mà còn có thể mở rộng lên cấp quản lý sản xuất hay lãnhđạo công ty Điều này mang ý nghĩa nhiều trong việc nghiên cứu tích hợp các hệthống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System), các hệ thống điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And DataAcquisition) với hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufactoring ExcutingSystem) và các hệ thống hoạch định tài nguyên công ty ERP (EnterpriseResources Planning) trong một công ty sản xuất công nghiệp Hơn thế nữa, hệđiều khiển phân tán (DCS) lại được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy lớn vớimức độ tự động hóa cao, hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu,hóa chất… Bởi yêu cầu về khả năng tính toán và xử lý tín hiệu tương tự cũngnhư độ tin cậy của hệ thống được đặt ra cao hơn

Một hệ DCS có thể đơn giản là một PLC điều khiển từ xa được kết nối với mộtmáy tính đặt trong trung tâm Các hệ thống lớn có thể có nhiều PLC cơ sở, nhưnghầu hết sẽ được chứa trong những tủ chứa được thiết kế đặc biệt, tất cả những thiết

bị này đều cần thiết cung cấp cho vào/ra và giao tiếp Một điểm cần chú ý trong suốtquá trình thiết kế và ghi nhận của một hệ thống điều khiển là mức độ tự động quản

lý tại mỗi điểm nút sẽ có những khả năng xảy ra trong một mạng hay hệ thống hoạtđộng không như mong muốn Một hệ phân tán thực sẽ cho phép điều khiển hầu hếtcác điểm vận hành độc lập bởi trung tâm điều khiển một cách dễ dàng nhờ cácphương thức truyền thông của nó Mỗi điểm nút điều khiển đó cần phải có nhữngkhả năng lưu trữ các quá trình xữ lý dữ liệu nhỏ theo yêu cầu vận hành ngay cảtrong các sự kiện không như mong muốn Trong phương thức này chi phí giá thành

và tính năng hoạt động đem lại những lợi điểm nhất định