iệc chấp nhận công nghệ bus số như Foundation fieldbus, Profibus-DP hay DeviceNet là một bước chuyển hướng đáng kể xa rời công nghệ truyền thống về đo lường và điều khiển trong nhà máy điện. Kinh nghiệm áp dụng bus số trong một số ngành công nghiệp, trong đó có các nhà máy điện, cho thấy công nghệ này có tính năng tốt, có thể giảm chi phí đầu tư ban đầu, giúp công trình khởi động nhanh hơn, và có thể tiết kiệm chi phí vận hành và bảo dưỡng một khi nhà máy bắt đầu hoạt động. Những vấn đề lớn nhất liên quan tới việc đưa công nghệ bus số vào nhà máy điện mới là: quyết định lắp đặt công nghệ số vào những hệ thống nào và xác định phương cách thực hiện. V Theo truyền thống, cho đến nay các hệ thống điều khiển phân tán (DCS) vẫn được bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ, và chu kỳ đổi mới từ 15 đến 20 năm. Với việc chấp nhận kiểu công nghệ máy tính cá nhân, chu kỳ đổi mới đã giảm xuống còn 3 đến 5 năm. Sự phát triển trong các công nghệ nối mạng, bus trường và điều khiển cũng tuân theo định luật Moore của thế giới máy tính, theo đó với cùng một mức chi phí có thể thực hiện được nhiều hơn. Có thể đưa ra vô vàn ví dụ trong lĩnh vực đo mà ở đó các cảm biến chỉ cung cấp các giá trị của một quá trình duy nhất và được nối tới hệ thống điều khiển thông qua một bộ dây dẫn duy nhất. Các thiết bị tiên tiến ngày nay có thể thực hiện việc chẩn đoán liên tục và cung cấp nhiều thông tin hơn chứ không phải là giá trị của một quá trình duy nhất. Hơn nữa, nhiều thiết bị loại này có khả năng sử dụng và trao đổi dữ liệu và đem lại khả năng 6 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 Công nghệ Bus Nhà máy nhiệt điện than mới Ảnh (ST): Hải Yến thi hành điều khiển bằng cách dùng công nghệ bus số như Foundation fieldbus. Thiết bị thông minh đã có từ hơn 15 năm nay, dùng giao thức HART. Giao thức này xếp chồng một tín hiệu số bên trên một tín hiệu chuẩn 4 - 20 mA. Nhiều công ty điện lực đã chọn loại thiết bị này vì chúng có sức cạnh tranh về chi phí so với các thiết bị truyền thống và có thể thay thế trực tiếp cho các thiết bị hiện có (một đổi một), không cần phải đi dây lại. Trong một số trường hợp, các tiêu chuẩn bus số như Foundation fieldbus, Profibus DP và DeviceNet (ở đó tất cả truyền thông đều là dạng số) còn có thêm chức năng so với các thiết bị đo thông minh nguyên bản. Các giao diện bus trường trực tiếp trong các hệ thống điều khiển cho phép người dùng truy cập nhiều dữ liệu phong phú. Các gói phần mềm quản lý tài sản sử dụng các dữ liệu này để cung cấp thông tin chẩn đoán chi tiết và các chức năng phân tích bảo trì dự phòng. Độ chính xác điều khiển cũng được cải thiện vì không cần biến đổi các tín hiệu thành tín hiệu analog (4 - 20 mA) để truyền đến môđun vào/ra của DCS sau đó biến đổi trở lại thành tín hiệu số để sử dụng trong sơ đồ điều khiển. Ngoài việc cung cấp các giá trị nhận biết ban đầu, thiết bị đo thông minh và các bộ tác động còn là nguồn phong phú các dữ liệu khác, về bản thân thiết bị cũng như về quy trình. Hệ thống điều khiển thay đổi Trong hệ thống điều khiển, mặc dầu các công nghệ bus số như Foundation và DeviceNet thay đổi một vài tính năng, nhưng nhiều tính năng vẫn giữ nguyên. Các công nghệ bus số không thay đổi thiết kế điều khiển cơ sở, đồ hoạ, cơ sở dữ liệu và cấu trúc chính của hệ thống điều khiển. Các công nghệ này cũng không thay đổi đáng kể nguyên lý tư liệu thiết kế. Giao diện với người dùng phục vụ cho công tác thiết kế kỹ thuật, kinh doanh, bảo dưỡng, thực thi, lưu trữ quá khứ và các chức năng khác của hệ thống đều không thay đổi. Điều này cũng đúng với quy trình thiết kế kỹ thuật được sử dụng để cách ly các tín hiệu vào ra (I/O), phần điều khiển và các quy trình. Tuy nhiên công nghệ bus số lại làm thay đổi cấu trúc kết nối với cổng I/O. Thay vì phải có dây dẫn riêng từ mỗi thiết bị tại hiện trường tới cổng I/O của hệ thống DCS, kiến trúc bus cho phép dùng một cáp duy nhất để đấu nối nhiều thiết bị số. Giao diện I/O được thể hiện bởi các thiết bị thì được chuyển sang một mođun bus trường số (hình 1). Sự tương đồng đơn giản nhất, đó là kênh I/O truyền thống được đặt trong thiết bị và bus I/O được dùng để đọc các kênh giờ đây là cáp bus trường thay vì một bảng nối đa năng. Cáp này có nhiều điểm dữ liệu, làm giảm đáng kể số đầu dây và máng cáp trong nhà máy. Tư liệu và chi phí bảo dưỡng cũng giảm. Không gian mođun I/O cần thiết trong bộ điều khiển cho một hoặc nhiều mođun giao diện bus số được giảm đáng kể so với không gian cần thiết cho các mođun I/O và đầu dây 7 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 Công nghệ Bus Hình 1. So sánh giữa hệ thống đi dây truyền thống và hệ thống đi dây bus trường Hệ thống đi dây I/O truyền thống Bộ điều khiển và cổng vào/ra Hộp đầu nối Trước Hệ thống đi dây bus trường I/O khác Bộ điều khiển Bus trường H1 Các phân đoạn khác Profibus DP hoặc DeviceNet Hộp đầu nối Sau Hộp đầu nối truyền thống. Foundation fieldbus sử dụng dây đôi xoắn bọc kim (shielded twisted pair - STP) mang dòng điện và dữ liệu trên cùng cặp dây điện trong khi DeviceNet sử dụng bốn dây dẫn mang dữ liệu và dòng điện riêng biệt. Điều này có thể yêu cầu thêm không gian dành cho nguồn cấp điện của thiết bị bus trường, mođun phân phối và thiết bị chỉnh sửa dòng điện. Thiết kế DCS theo công nghệ bus số và sử dụng cấu hình tích hợp và phần mềm quản lý tài sản là điều rất quan trọng. Việc thiết kế cần hỗ trợ HART truyền thống, I/O analog, I/O rời rạc và I/O mục đích đặc biệt được yêu cầu do yêu cầu về tốc độ, độ phân giải theo thời gian và/hoặc về an toàn. Ngoài ra, nó cần hỗ trợ nhiều các kiểu bus trường đa năng. Cụ thể như bus trường Foundation, được sử dụng chủ yếu trong điều khiển analog, và DeviceNet hay Profibus DP, được sử dụng nhiều hơn cho các ứng dụng điều khiển rời rạc. Trong một vài trường hợp, tính năng của các thiết bị yêu cầu sẽ quyết định việc sử dụng các kiểu bus số đa năng. Thùc hiÖn t¹i nhµ m¸y ®iÖn x©y míi Xây dựng nhà máy nhiệt điện than mới là một trong những cơ hội hiệu quả nhất về chi phí cho việc thực hiện công nghệ bus số và trí tuệ tự động hoá. Ví dụ, nhà máy nhiệt điện than dưới tới hạn xây dựng mới ở Midwest (dự kiến bắt đầu vận hành thương mại vào năm 2009) đang lắp đặt hệ thống điều khiển Ovation Expert của Emerson Process Management cho tất cả các chức năng điều khiển nhà máy quan trọng. Hệ thống Ovation được tạo giao diện với hệ thống điều khiển tuabin bằng một giao diện OPC và với một hệ thống điều khiển FGD PLC bằng giao thức Allen-Bradley Ethernet. Công nghệ bus số được kết hợp vào càng nhiều lĩnh vực càng tốt. Foundation fieldbus và Profibus được sử dụng rộng rãi khắp nơi. Ngoài các nhà máy nhiệt điện than, các nhà máy điện tuabin khí và chu trình hỗn hợp cũng có thể áp dụng tốt công nghệ bus số. Nhà máy chu trình hỗn hợp Port Westward mới xây, công suất 407 MW, của Portland General Electric, được đưa vào vận hành thương mại mới đây ở chế độ điều độ kinh tế, là một ví dụ. Nhà máy cũng sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển Ovation với công nghệ bus cho lò sinh hơi thu hồi nhiệt (HRSG), phần còn lại của nhà máy (balance of plant - BOP) và các hệ thống điện phụ. Công tác điều khiển tuabin khí và tuabin hơi được tạo giao diện dùng Modbus/TCP. Mỗi van quan trọng trong các nhà máy mới xây này đều là một thiết bị bus trường Foundation (Bảng 1). Các thiết bị này được áp dụng cho hầu hết các chức năng điều khiển quan trọng, bao gồm nước cấp, mức nước trong bao hơi, van phun, tuabin đường tắt và hầu hết thiết bị đo analog. Các cặp nhiệt ngẫu 8 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 8 Công nghệ Bus số Bảng 1. Các thiết bị bus trường Foundation được sử dụng tại nhà máy điện Port Westward Hãng sản xuất Loại thiết bị Kiểu thiết bị/Mô tả Số lượng Rosemount Thiết bị cảm biến Các máy phát 3051 và 3095MV 118 Endress & Hauser Thiết bị cảm biến Máy phát vị trí rađa FMR 240 2 Rosemount Thiết bị cảm biến Máy phát 848T 8 x T/C 28 Magnetrol Thiết bị cảm biến Máy phát vị trí rađa Eclipse 705-52 3 Fisher Cơ cấu định vị van DVC 6000F, 6010F và 6020 F 9 Masoneilan Van với cơ cấu định vị Sipart PS2 14 Copes Vulcan Van với cơ cấu định vị Sipart PS2 13 được sử dụng trong cả hai nhà máy và được đặt hoặc là trên các mođun TC I/O truyền thống hoặc các mođun bus trường Foundation. Profibus- DP được sử dụng cho tất cả các van đóng mở bằng động cơ cũng như cơ cấu đóng cắt và thiết bị ở tủ điều khiển động cơ (motor control center - MCC) (Bảng 2). Các hãng bán sản phẩm như Rockwell và Siemens hỗ trợ sẵn DeviceNet và Profibus-DP, trong khi các hãng khác thực hiện giao diện truyền thông nguyên bản riêng của họ, các hãng này cung cấp các bộ adapter để chuyển sang công nghệ bus số yêu cầu. Cách tiếp cận tốt hơn sẽ là sử dụng các giao diện có sẵn của họ nếu giao diện được hỗ trợ bởi hệ thống điều khiển, không nên đòi hỏi một dạng bus duy nhất. Thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy Trước đây không lâu, các thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy (factory acceptance - FAT) các sơ đồ điều khiển DCS được thực hiện theo cách mô phỏng các thiết bị trong nhà máy bằng cách nối cứng các nguồn cung cấp 4-20mA, các thiết bị đo, bóng đèn và chuyển mạch tới các đầu I/O của hệ DCS. Thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy được thực hiện theo cách này vì không thể có tất cả các thiết bị hiện trường (đặc biệt các thiết bị lớn, ví dụ như các tủ điều khiển động cơ) sẵn sàng cho thử nghiệm. Gần đây, phương thức được chấp nhận chung là đưa vào các tín hiệu mô phỏng phần mềm ở cấp bus I/O thay vì ở phía tín hiệu tại hiện trường. Điều này một phần cũng là do người ta đã quen thuộc với công nghệ mô phỏng phần mềm. Thực nghiệm tại hiện trường còn yêu cầu lắp đặt hệ DCS thực tế trong nhà máy để kết nối, thử nghiệm riêng lẻ, kiểm chuẩn và đưa thiết bị vào vận hành. Cách thực hiện đơn giản này giờ đây đã được hiểu rõ và chấp nhận. Tuy nhiên, để xác nhận khả năng kết nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị theo từng kênh một, quy trình đòi hỏi nhiều thời gian và nhân lực. Do cách sử dụng các bus và việc tích hợp các bus trong các dãy và hàng thiết bị, trong thực tế không thể có sẵn tất cả các thiết bị thông minh để có thể thử nghiệm DCS trong nhà máy. Tuy nhiên, có một quy trình đã đem lại kết quả trong một số dự án, đó là thử nghiệm trên một thiết bị điển hình cho mỗi dạng thiết bị trong nhà máy. Điều này cho phép nhà thiết kế kiểm chứng ý tưởng thiết kế, cho phép nhà cung cấp hệ thống điều khiển khẳng định sự hoạt động với logic điều khiển và khiến chủ đầu tư yên tâm rằng cách liên kết này nếu dùng các bộ truyền lực tốt là có thể sử dụng trong toàn bộ dây chuyền, từ giao diện người máy (HMI) thông qua giao diện bus tới các thiết bị điển hình. Nhà chế tạo thiết bị gốc (original equipment manufacturer - OEM) có thể lựa chọn các thiết bị với các tính năng khác nhau từ nhiều hãng bán thiết 9 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 Công nghệ Bus Bảng 2. Các thiết bị bus trường được sử dụng tại nhà máy điện Port Westward Hãng sản xuất Loại thiết bị Kiểu thiết bị/Mô tả Auma MOV Aumamatic AM 01.1 MOV với Variomatic VM Limitorque MOV Accutronix MX (FCD LMA1M 1336-00) GE Multilin MCC/Thiết bị đóng cắt P485 Modbus tới giao diện Profibus Nối với thiết bị đóng cắt Multilin 469 rơle quản lý động cơ Scheneider Square D MCC/Thiết bị đóng cắt Momentum I/O (170DNT11000) VersaMax MCC/Thiết bị đóng cắt Thiết bị I/O của thiết bị giao diện giao diện mạng *Tổng cộng khoảng 100 thiết bị bị (vendor); vì vậy đối với những thiết bị này, tốt nhất phải được chứng nhận bởi các cơ sở bus số tương ứng, mà chức năng của họ là đảm bảo khả năng tương tác. Tuy nhiên, vẫn cần phải thử nghiệm hệ thống trọn gói hoàn chỉnh của hãng bán thiết bị, ví dụ như tủ điều khiển động cơ (MCC) hoặc dẫy thiết bị đóng cắt, bằng cách sử dụng máy chủ bus số và gói PC cấu hình được kết nối thông qua đường cáp chính trong thực tế và đường cáp rẽ nhánh tới thiết bị như đã được cấu hình cho nhà máy. Điều này đảm bảo hệ thống được cung cấp có khả năng giao diện, truyền thông, theo dõi và điều khiển quy trình trong khoảng thời gian đáp ứng yêu cầu. Không một thử nghiệm nào trong số các thử nghiệm trên, nếu tiến hành riêng lẻ, có thể chứng tỏ cả chuỗi truyền thông là hoàn chỉnh. Tuy nhiên, khi kết hợp với nhau, các thử nghiệm này đảm bảo các bộ phận quan trọng có thể truyền thông thành công và đem lại lợi ích là quá trình đưa bus số vào vận hành tại hiện trường được thực hiện nhanh chóng và dễ dàng. Nhiều người trong ngành hy vọng rằng một khi nhân viên ngành điện trở nên quen thuộc với bus số, các thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy (FAT) sẽ qui về việc mô phỏng phần mềm các tín hiệu sẵn có kết hợp với các thử nghiệm về khả năng kết nối các thiết bị tiêu chuẩn của hãng bán DCS, thông qua giao diện bus số. Phần mềm quản lý tài sản Ưu điểm lớn nhất của phần mềm quản lý tài sản là nó cho phép thực hiện tại một vị trí duy nhất công việc cấu hình, quản lý kiểm chuẩn, chẩn đoán thiết bị và lưu trữ tư liệu về thiết bị thông minh trong nhà máy. Quy trình thử nghiệm bàn giao (commissioning) cho phép thực hiện với cấu hình thông qua giao diện màn hình đồ hoạ với thiết bị. Nhân viên tại hiện trường chỉ cần kiểm tra để thấy rằng thiết bị quy trình chính xác đang được đọc hay thao tác và rằng hành trình của van và cơ cấu phản hồi được điều chỉnh đúng trên các cơ cấu tác động. Tư liệu kiểm chuẩn và mạch kiểm toán các lần hiệu chỉnh, trong đó ghi rõ các công việc đã được thực hiện và do ai, đều được lưu lại làm tài liệu để sau này tham khảo. Để thực hiện đầy đủ các năng lực của các thiết bị thông minh, một hệ thống DCS sử dụng bus trường Foundation cần được cung cấp cùng với phần mềm quản lý và chẩn đoán. Vì vậy, kèm theo hệ thống Ovation DCS của Emerson cần phải có gói hệ thống quản lý tài sản (AMS Suite). Bất kỳ công cụ phần mềm quản lý tài sản nào cũng cần bao gồm phần hỗ trợ cho số lượng tối thiểu các thẻ ghi thiết bị (device tag). Số lượng được đóng gói các thẻ ghi thiết bị cần được hiệu chỉnh để bao gồm những thiết bị quan trọng nhất và then chốt nhất. Với bất kỳ phần mềm quản lý nào, điều quan trọng là phải biết có bao nhiêu thẻ ghi đã được cung cấp và xác định xem số lượng này đã đủ cho dự án chưa. Trên thị trường cũng có bán các gói bổ sung tuỳ chọn cho phép mở rộng và tăng cường năng lực chẩn đoán và phân tích thiết bị của mỗi nhà sản xuất. Các gói này nên được xem xem lại và qui định để đưa vào gói phần mềm quản lý và chẩn đoán tài sản. Giá trị thực của phần mềm quản lý tài sản chính là khả năng vận hành giảm bớt bảo dưỡng. Các thiết bị bus trường Foundation có ba mức báo động chẩn đoán nội bộ: đã hỏng, tư vấn và thông tin. Mỗi loại báo động có thể có nhiều hạng mục đóng góp. Các báo động này cần được tích hợp vào hệ thống điều khiển, có bộ phận tách lọc dựa trên mức độ quan trọng của thiết bị, để tiên đoán các vấn đề của thiết bị và các sự cố. Ngoài ra, nhân viên bảo dưỡng có thể truy cập đầy đủ và chi tiết dữ liệu chẩn đoán dự phòng để quan sát, lập kế hoạch và sắp xếp mọi công việc sửa chữa hoặc phụ tùng thay thế cần thiết để loại bỏ báo động. Thay đổi qui trình bảo dưỡng có nghĩa là nhân viên, với các phụ tùng thay thế và công việc sửa chữa đã được nhận diện từ trước, sẽ chỉ sửa chữa những thiết bị cần dịch vụ, do đó giảm thiểu thời gian sửa chữa. 10 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 10 Công nghệ Bus số (Còn tiếp) Chu Hải Yến dịch Theo PE, số tháng 10/2007 11 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 Công nghệ Bus . 2008 10 Công nghệ Bus số (Còn tiếp) Chu Hải Yến dịch Theo PE, số tháng 10/2007 11 Khoa học công nghệ điện, số 4 tháng 8 - 2008 Công nghệ Bus . iệc chấp nhận công nghệ bus số như Foundation fieldbus, Profibus-DP hay DeviceNet là một bước chuyển hướng đáng kể xa rời công nghệ truyền thống về