A . Giới thiệu:
Từ năm 1997, Yokogawa đú lựa chọn cỏc giải phỏp cụng nghệ ETS – Enterprise Technology Sulution cho những khỏi niệm kinh doanh mới. ETS đảm bảo cho mục đớch cung cấp cỏc giải phỏp tối ưu trờn quan điểm quản lý doanh nghiệp để thoả mún mọi yờu cầu của khỏch hàng và sự hy vọng vào trỡnh độ phỏt triển của khoa học kỹ thuật trong phạm vi từ cấp điều khiển đến cấp quản lý thụng tin doanh nghiệp. Là sản phẩm cốt lừi của hệ thống điều khiển quỏ trỡnh trong cỏc giải phỏp ETS, Yokogawa đú giới thiệu hệ thống điều khiển phõn tỏn tớch hợp CENTUM CS3000 - hệ thống điều khiển quỏ trỡnh quy mụ lớn.
Để đỏp ứng yờu cầu hệ thống mở, hệ thống sử dụng hệ điều hành Windows NT cho giao diện người dựng Human Interface. Cỏc chức năng điều khiển của hệ thống được thiết lập để đảm bảo sự tin cậy của hệ thống.
Sự thay đổi mạnh mẽ trong cơ cấu tổ chức của cụng nghiệp sản xuất, chế tạo đú thỳc đẩy nhu cầu cải tiến sản xuất để giảm nhõn cụng, tăng hiệu quả và cỏc yếu tố thuận lợi cho sản
xuất. Mặt khỏc, để vần hành nhà mỏy an toàn, càng khụng thể bỏ qua việc tăng độ tin cậy và sự an toàn trong sản xuất.
Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quỏ trỡnh nhằm đơn giản hoỏ cỏc thao tỏc điều khiển quỏ trỡnh, nhưng khi cú sự phỏt triển mạnh mẽ trong lĩnh vực cụng nghệ thụng tin thỡ yờu cầu hiện nay đũi hỏi cần cỳ sự trao đổi thụng tin giữa hệ thống quản lý và hệ thống sản xuất.
Trong xu hướng phỏt triển chung, hệ thống cấu trỳc mở sử dụng cỏc chuẩn phổ thụng biến đú thành yờu cầu khỏ quan trọng. Vào năm 1997, Yokogawa giới thiệu hệ thống điều khiển phõn tỏn CENTUM CS1000 cho cỏc nhà mỏy nhỏ và trung bỡnh. CENTUM CS1000 là một hệ thống DCS mở, sử dụng hệ điều hành Window NT. Hiện nay, hệ thống CENTUM CS3000 được phỏt triển từ hệ CENTUM CS1000 là một hệ thống điều khiển quỏ trỡnh thớch hợp với quy mụ nhà mỏy lớn.
Kế thừa và phỏt triển cỏc đặc điểm của hệ CENTUM trước đú, hệ thống CENTUM CS3000 cung cấp cho người dựng những thuận lợi cơ bản sau:
Tăng hiệu quả vận hành sản xuất bằng hệ thống đa cửa sổ theo dừi và khả năng cập nhật cụng nghệ mới.
Kết nối thụng tin của cấp điều khiển giỏm sỏt với hệ thống thụng tin thuộc cấp điều hành.
Phỏt triển mạnh khả năng tự động hoỏ và điều khiển.
B. Cỏc đặc trưng của hệ thống CENTUM CS3000 1 . Hiệu quả nõng cao
Bờn cạnh ưư điểm và cỏc chức năng điều khiển linh hoạt cao của cỏc hệ thống CENTUM trước, hệ thống CENTUM CS3000 ngày nay gồm cỏc đặc trưng cơ bản sau:
Được trang bị cỏc chức năng nhỳng và liờn kết đối tượng OLE cho điều quỏ trỡnh bằng trạm OPC ( OLE for Process Control Server)
Hỗ trợ Foudation Fieldbus để tớch hợp với mạng sensor và cơ cấu chấp hành. Cho phộp kết nối dễ dàng với cỏc thiết bị điều khiển lập trỡnh PLC.
Cấu trỳc dữ liệu mở cho phộp sử dụng cỏc cụng cụ mở rộng để tớnh toỏn, thay đổi khả năng.
2. Khả năng vận hành nõng cao
Sử dụng hệ điều hành Window NT/Window 2000 trong giao diện người mỏy HIS, hệ thống CENTUM CS3000 cho phộp ứng dụng cỏc ứng Windows phổ biến trong hầu hết cỏc mỏy tớnh PC hiện nay, cho phộp sử dụng cỏc phần cứng PC giỏ thành thấp, thụng thường của cỏc húng làm cỏc trạm giỏm sỏt vận hành HIS, cho phộp dữ liệu cú thể trao đổi rộng rúi với cỏc ứng dụng, kể cả cỏc ứng dụng kinh doanh.
3. Nõng cao hiệu quả sản xuất
Thừa kế để đơn giản của cụng nghệ từ CENTUM CS 1000, hệ thống CENTUM CS3000 cú cỏc chức năng cụng nghệ mở rộng phự hợp với việc thay đổi và mở rộng cỏc cụng nghệ.Hệ thống CENTUM CS3000 cho phộp tỏch việc nõng cấp cụng nghệ với việc vận hành hệ thống sẵn cú,vỡ vậy cỳ thể thực hiện hiệu quả mà khụng ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất của nhà mỏy.
4. Tối ưu hoỏ sản xuất qua mụi trường mở :
Hệ thống DCS cú thể sử dụng được để tối ưu húa sản xuất trờn quan điểm sản xuất doanh nghiệp ERP-Enterprise Resource Planning,hay hệ thống vận hành sản xuất MES- Manufacturing Excution System,cũng như dễ dàng tạo một hệ thống thụng tin quản lý cỳ tớnh chiến lược cho doanh nghiệp.Trờn quan điểm sản xuất ,hệ thống CENTUM CS3000 cú thể được đồng bộ hoỏ với hệ thống con như hệ thống tự động hoỏ xớ nghiệp FA-Factory Automation,cỏc thiết bị điều khiển PLC… nhằm nõng cao hiệu quả sản xuất,tớnh ổn định và linh hoạt của hệ thống.
Cấu trỳc cơ bản của hệ thống : Ethernet HIS/ENG HIS OPC Hệ thống mở WAN ACG PFCD APCS FCS V-net BCV Domain kế tiếp
ESB Bus ER Bus (dual)
Remote Nodes
I/O
Cỏc thiết bị dựng trong hệ thống:
1.Trạm vận hành – Operator Stations
Trong hệ thống CENTUM CS3000, cỏc trạm vận hành OS thường được liờn quan đến cỏc giao diện người mỏy HIS (Human Interface Stations). HIS được sử dụng chủ yếu cho việc vận hành và giỏm sỏt: Thay đổi cỏc thụng số quỏ trỡnh, cỏc giỏ trị điều khiển và đưa ra cỏc cảnh bỏo khi cần thiết để người vận hành cú thể nắm bắt nhnah chỳng trạng thỏi vận hành của quỏ trỡnh sản xuất. HIS cho phộp kết hợp với cỏc giao diện mở để cỏc mỏy tớnh giỏm sỏt cú thể truy cập vào hệ thống cơ sở dữ liệu, thụng tin sản xuất.
Việc sử dụng hệ điều hành Window NT/2000 đú cho phộp HIS cỳ thể hộ trợ cỏc chức năng hệ thống thụng thường và cỏc ứng dụng kinh doanh thụng dụng khỏc như MS Excel như thực hiện cỏc chức năng giỏm sat và vận hành. Đồng thời,HIS sử dụng khả năng cập nhật dữ liệu tốc độ cao trong cỏc điều khiển ỏp suất và lưu lượng.
Cú 2 kiểu HIS:
- Console Type HIS: HIS kiểu đứng gồm hai loại
- Desktop Type HIS: HIS kiểu để bàn: thực chất là cỏc mỏy tớnh cỏ nhõn chạy hệ điều hành Windows NT.
Cỏc trạm điều khiển trong hệ thống CENTUM CS 3000 được gọi là cỏc trạm điều khiển trường FCS – File Control Station. Đõy là trung tõm của cỏc hệ thống điều khiển và là thiết bị cần thiết dựng cho việc điều khiển nhà mỏy liờn tục do FCS xử lý cỏc chức năng điều khiển quỏ trỡnh liờn tục hay yheo nhỳm trong hệ thống CENTUM CS 3000.
Cỏc trạm FCS sử dụng cỏc trạm giao diện truyền thụng để kết nối hệ thống với cỏc thiết bị logic khả trỡnh PLC hoặc cỏc thiết bị thu nhập dữ liệu DAU – Data Acqistion Unit (như khối thu nhập dữ liệu Darwin của húng Yokogawa).
Cú hai dạng FCS trong hệ thống CENTUM CS 3000 nhằm dỏp ứng yờu cầu sản xuất: Dạng FCS chuẩn – Standard FCS (như LFCS và KFCS) và dạng FCS thu gọn SFCS – Compact FCS (như SFCS).
Dạng Standard FCS: Hai dạng Standard FCS: LFCS – Standard FCS for RIO và KFCS – Standard FCS for FI/O. LFCS sử dụng cụng nghệ bus RIO (Remote I/O bus) cho việc liờn hệ giữa FCS với cỏc nỳt vào/ra, cũn KFCS sử dụng cụng nghệ bus ESB (Extended Serial Board) và ER(Enhanced Remote) cho sự kết nối trờn. LFCS thich hợp cho cỏc hệ thống điều khiển tốc độ cao.
Dạng Compact FCS: Bộ điều khiển SFCS thường được đặt gần cỏc thiết bị hoặc hệ điều khiển quỏ trỡnh, và là giải phỏp lý tưởng cho việc liờn kết với cỏc hệ thống phụ.
2.1.Cấu trỳc trạm điều khiển LFCS – Standard FCS for Remote I/O
a.Cỏc thiết bị chớnh
Khối xử lý FCU – Field Control Unit, thực hiện cỏc tớnh toỏn bằng cụng nghệ RISC – Reduced Instruction Set Computer, và chế độ dự phũng kộp – Dual Redundant,sẽ đảm bảo việc sử lý tốc độ cao, nõng cao độ chớnh xỏc.
RIO Bus – Remote I/O bus, là bus truyền thụng dựng để liờn kết FCU với cỏc nỳt vào/ra – I/O note, và RIO bus cú thể hoạt động ở chế độ dự phũng kộp. Cúpoắn đụi cú bảo vệ STP được sử dụng với khoảng cỏch tối đa 750m, khi sử dụng cỏc bộ chuyển tiếp bus – bus repeaters, hay chuyển tiếp quang học – optical repeaters, sẽ mở rộng khoảng cỏch truyền thụng lờn đến 20km. Cỏc I/O note cú thể được thờm vào RIO bus hoặc thay đổi online mà khụng gõy ảnh hưởng đến cỏc hoạt dộng của FCS hay cỏc I/O note khỏc.
Note (Remote I/O Unit): Gồm cỏc bộ vào/ra – I/O Units giao tiếp với cỏc tớn hiệu trường – field signal, và cỏc bộ giao tiếp nỳt NIU – Note Interface Units liờn kết với FCU thụng qua RIO Bus. Cỏc bộ NIU gồm cỏc card giao tiếp RIO bus, card cụng suất và chỳng cú thể hoạt động ở chế độ dual redundant. Cỏc Remote I/O Note làm nhiệm vụ chuyển đổi và truyền cỏc tớn hiệu trường tới FCU.
I/O Units(IOU): Gồm cỏc modul vào/ra – I/O Module được đặt trong một đế - I/O Module Nest. Cỏc I/O Module xử lý cỏc tớn hiệu trường khỏc nhau trong khi thực hiện truyền thụng với FCU. Cỏc Module ra chuyển đổi cỏc định dạng này thành tớn hiệu tương tự hoặc tớn hiệu relay. CENTUM CS 3000 hỗ trợ cỏc dạng I/O Module: Module vào ra tương tự, vào ra dạng relay, vào ra kiểu đa kờnh, vào ra số và cỏc module truyền thụng như RS 232C, RS422/RS485,Fieldbus…
b.Lắp đặt cỏc FCS và cỏc I/O Note:
Cỏc FCU và cỏc I/O Note cú đặt trong cỏc cabin chuyờn dụng hoặc giỏ đỡ 19’’ thụng thường. Chỳng cú thể đặt cạnh nhau hoặc riờng lẻ: ta cú thể đặt vài I/O Note trong cựng một cabin hoặc cựng giỏ đỡ với FCU và đặt cỏc I/O Note ở cỏc giỏ đỡ khỏc tại hiện trường. Mỗi FCU chỉ cú thể kết nối tối đa với 8 I/O Note và mỗi NIU cú thể nối với tối da 5 I/O Unit.
c. Chế độ dự phũng kộp – Dual Redundant
Với cỏc LFCS, tất cả cỏc thiết bị đều cú thể hoạt động ở chế độ dự phũng kộp. Việc chuyển đổi giữa hai trạng thỏi: Hoạt động và dừng ở hai card CPU khụng cần bất cứ sự giỏn đoạn nào trong điều khiển. Cú 2 CPU trong mỗi card CPU. Mỗi CPU thực hiện cựng một quỏ trỡnh tớnh toỏn và kết quả sẽ được so sỏnh với nhau qua bộ so sỏnh. Nếu kết quả tớnh toỏn giống nhau thỡ bản mạch sẽ hoạt động bỡnh thường, kết quả tớnh toỏn được gửi tới bộ nhớ và card giao diện bus. Bộ nhớ chớnh sử dụng mú đỳng sai ECC để thay đổi nhanh chúng cỏc bớt bị sai trong quỏ trỡnh truyền dữ liệu. Nếu kết quả tớnh toỏn khụng giống nhau, bộ so sỏnh sẽ đặt card CPU này bị bất thường và chuyển sang card CPU dự phũng.
Bộ định thời Watch Dog được sử dụng khi phỏt hiện thấy bất thường trong card CPU hiện hành thỡ sẽ chuyển trạng thỏi cho 2 card CPU. Bộ dự phũng sẽ thực hiện cựng một quỏ trỡnh tớnh toỏn tương tự như trong bộ hiện hành, và khi được chuyển sang trạng thỏi làm việc thỡ kết quả tớnh sẽ được chuyển tới bộ nhớ và card giao diện bus mà khụng cú sự giỏn đoạn trong điều khiển. Nếu một lỗi trong CPU bất thường được phỏt hiện thỡ bộ nhớ tự chuẩn đoỏn sẽ được tiến hành kiểm tra phần cứng CPU. Nếu khụng cú lỗi phần cứng thỡ lỗi này sẽ được coi là lỗi tức thời và card CPU sẽ được chuyển từ trạng thỏi bất thường sang dự phũng.
Vnet và giao diện Vnet phải hoạt động ở chế độ dự phũng kộp. Cỏc card giao diện bus RIO dự phũng ( RB301) cỳ thể đặt trong FCU và được sử dụng liờn tục. Nếu một sự bất thường được phỏt hiện trờn một đường bus thỡ đường thư hai sẽ được sử dụng. Bus bất thường sẽ được kiểm tra định kỳ để xem xột khả năng đưa nú về trạng thỏi bỡnh thường. Trong cỏc nỳt, card giao tiếp nỳt NIC – Node Interface Card, và nguồn cung cấp của nỳt NPS – Node Power Supply, bus module I/O từ NIU tới từng module I/O cũng cú thể làm việc ở chế độ dự phũng.
2.2. Trạm điều khiển KFCS – Standard FCS for Fast IO
Về cơ bản, FCU KFCS khụng khỏc nhiều so với FCU LFCS. Điểm khỏc biệt lớn nhất giữa hai kiểu Standard FCS này là KFCS sử dụng hệ thống vào ra hai lớp – Tow-layer I/O System, bằng cỏc bus ESB và ER, cũn cỳ LFCS chỉ sử dụng RIO bus cho cỏc vào/ra phõn tỏn. Mỗi FCU cú thể kết nối tối đa với 10 FIO Node và tối đa 8 I/O module cú thể lắp đặt tại mỗi IO Node.
ESB bus ( Extended Serial Bacdboard bus) là dạng bus truyền thụng được sử dụng để kết nối FCU với cỏc nỳt vào ra cục bộ - local node đặt trong cựng dabin với FCU. ESB bus cú thể hoạt động ở chế độ dual redundant và khoảng cỏch truyền tối đa là 10m với tốc độ 128 Mbps .
R bus (Enhanced Remote bus) là dạng bus truyền thụng để kết nối cỏc RIO Node với FCU thụng qua module giao tiếp ER bus tại local node. Bằng việc sử dụng ER bus, cỏc I/O Node cú thể đặt tại cựng cabin với FCU hoặc tại cỏc vị trớ từ xa so với cabin của FCS. Khoảng cỏch truyền tối đa là 185m nếu sử dụng cỏp đồng trục Ethernet10-Base-2 hoặc tối đa 500m nếu sử dụng cỏp đồng trục Ethernet 10- Base-5. Nếu sử dụng cỏc bộ chuyển tiếp kết hợp bus quang thụng thường thỡ cỳ thể đưa khoảng cỏch này lờn đến 2km.
2.3 . Trạm điều khiển SFCS – Compact Field Control Station
SFCS được phỏt triển từ hệ thống CENTUM CS1000, phối hợp cỏc chức năng điều khiển, cỏc I/O Module và cỏc card xử lý, giao tiếp trong một giỏ đỡ 19” thụng thường. Mỗi SFCS được nối với tối đa 5 I/O Unit.
Tương tự LFCS thỡ cỏc bộ phận của SFCS cũng cỳ thể hoạt động ở chế độ dự phũng kộp và cỏc card CPU cũng cú thề chuyển nhanh chúng từ trạng thỏi hoạt động sang dừng mà khụng gặp sự giỏn đoạn trong điều khiển. Trong SFCS, mỗi card CPU chỉ cú một CPU và khụng cú bộ so sỏnh. Cỏc card CPU thực hiện tớnh toỏn đồng bộ và mú đỳng sai của bộ nhớ chớnh được dựng để sửa cỏc bit sai. Khi truy cập vào bộ nhớ CPU khụng cú hiệu lực thỡ cỏc dữ liệu này sẽ khụng được sử dụng và CPU tương ứng sẽ dừng hoạt động. Nếu cỏc lỗi xảy ra trong CPU hiện hành thỡ sẽ chuyển nhanh sang trạng thỏi dừng bằng bộ định thời Watch Dog. Mỗi CPU thực hiện vào/ra qua card giao diện vào/ra quà trỡnh( Process I/O bus). Cả hai bộ CPU đều kiểm tra khả năng bỡnh thường của bus PIO. Nếu bất thường được phỏt hiện thỡ bộ dự phũng sẽ được đưa vào sử dụng.
3.Cỏc mỏy tớnh kỹ thuật :
Đõy là loại mỏy với chức năng kỹ thuật để vận hành Centum CS3000. Nú cú thể cú cựng cấu trỳc như cỏc mỏy PC chuyờn dụng. Bằng cỏch cú cỏc chức năng điều hành và kiểm tra, xử lý của HIS, trờn một mỏy ENG ta cỳ thể sư dụng chức năng kiểm tra để tạo ra một mụi trường kỹ thuật hiệu quả và dễ sử dụng.
4.Bus điều khiển :
a. Vnet
Hệ thống bus điều khiển cũng quan trọng như cỏc trạm điều khiển FCS. Hệ thống CENTUM CS3000 sử dụng bus điều khiển thời gian thực Vnet cho việc liờn kết cỏc trạm FCS, HIS, BCV, CGW… với nhau bằng hai loại cỏp chớnh:
Cỏp YCB 141 : nối giữa cỏc trạm HIS với khoảng cỏch tối đa 185m
Cỏp YCB 111 : nối cỏc trạm cũn lại (FCS,CGW) với khoảng cỏch tối đa 500m
Hai loại cỏp trờn cú thể nối với nhau thụng qua bộ chuyển đổi cỏp hoặc bộ chuyển đổi bus Khi mở rộng Vnet, cỏc trạm FCS được phõn bố khắp nhà mỏy cú thể được giỏm sỏt từ cỏc trạm HIS trong phũng điều khiển trung tõm. Cỏc bộ chuyển tiếp bus – bus repeater và cỏc
bộ chuyển tiếp cỏp quang cú thể được sử dụng kết hợp với nhau để mở rộng Vnet tới chiều dài tối đa 20km.
b. Cỏc thiết bị truyền thụng trờn bus điều khiển