6. Phương pháp thực hiện
3.1. Cấu trúc điều khiển điển hình của hệ thống tự động hoá
Ngày nay trong hệ thống điều khiển ta tìm thấy các giải pháp thực tế khác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vị trí của máy tính quá trình và phụ kiện được lựa chọn. Căn cứ vào đó ta có thể phân biệt giữa cấu trúc điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân tán và cấu trúc phân quyền.
3.1.1. Điêu khiển tập trung
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung được minh họa như hình 3.1. Một máy tính duy nhất để điều khiển n quá trình con. Các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp điểm - điểm với các máy tính điều khiển chung qua các cổng vào/ra của nó. Mỗi cảm biến được nối với một cổng vào và mỗi thiết bị chấp hành được nối với một cổng ra bằng dây nối riêng biệt. Điểm đáng chú ý ở đây là toàn bộ “Trí tuệ” đều tập trung vào một thiết bị điều khiển
E du EOD
00
56
ưu điểm của cấu trúc này thích hợp các loại máy móc và các thiết bị vừa và nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành rẻ cho một lần đấu nối với máy
tính điều khiển .
Tuy nhiên cấu trúc này có những hạn chế: Việc nối dây phức tạp và giá thành cao, việc 1Ĩ1Ở rộng hệ thống khó khăn. Độ tin cậy của hệ thống điều khiển tự động phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất.
Vậy để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển, có thể dùng thêm một máy tính dự phòng giống như máy chính. Tuy nhiên vấn đề là giá thành cao. Có thể khắc phục các nhược điểm bằng cách dùng mạng dẫn chung gọi là bus trường thay cho việc kết nối dây dẫn trực tiếp và phân tán một phần “trí tuệ” xuống cấp chấp hành. Đây chính là xuất phát điểm cho con đường dẫn tới cấu trúc của hệ phân tán.
Do các quá trình con có liên hệ với nhau, để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự kết hợp các quá trình với nhau. Một máy tĩnh trung tâm được dùng để điều khiển cấp cao cũng như phối hợp của máy phân quyền. Máy phối hợp này có thể thuộc cấp điều khiển hoặc cấp chấp hành, tùy thuộc chức năng được thực hiện. Các máy tính điều khiển và máy tính trung tâm nối với nhau qua mạng. Cấu trúc phân quyền vẫn còn nhược điểm là số lượng dây nối lớn .
3.1.3. Điều khiển phán tán
Để khắc phục sự phụ thuộc vào máy tính trung tâm và tính năng hoạt
động của
hệ thống trong cấu trúc phân quyền. Mỗi quá trình con hay một nhóm quá trình con
được điều khiển bởi một máy tính riêng cùng được đặt tại phòng điều khiển.
Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân bố trí tuệ cũng như chức năng theo bề rộng cũng như theo bề sâu, kết họp với việc sử dụng
58
□ □ □□ □ □ □ □
Hình 3.3: Một số giải pháp tiêu biểu trong một hệ điều khiển phân tán
Trong cấu trúc này trung tâm điều khiển bao gồm các trạm kỹ thuật, trạm thao tác và trạm phục vụ. Trung tâm điều khiển dùng các máy tính điều khiển như bộ điều khiển logic khả trình, các máy công nghiệp và các máy tính phối hợp nối lên trung tâm điều hành quá trình qua bus xử lý.
Tại các cấp gần các quá trình kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như các bộ vi điều khiển hay các bộ điều khiển gọn, các cụm vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến và chấp hành được nối lên trung tâm điều khiển qua bus trường
như proíibus. Trong thực tế tùy theo ứng dụng và quá trình mà cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán nêu trên có thể đon giản hóa hoặc mở rộng hon. Nhìn chung tính ưu việt của một cấu trúc phân tán thể hiện ở những điểm sau :
- Độ linh hoạt cao, thể hiện tính năng mở trong việc mở rộng hệ thống,
mua vào thay thế thiết bị, nâng cấp và tạo mới các chương trình phần mềm
ứng dụng.
Chính vì các yêu cầu bức thiết ở phía người sử dụng phải đảm bảo tính năng kỹ thuật nhưng phải giảm giá thành, cho nên sự chuyển hướng giải quyết trong hệ thống tự động sang cấu trúc phân tán là một quyết định hợp lý.
Hiện nay hầu hết các hãng nổi tiếng như ABB, Allen bredly,...đã đưa vào hệ thống điều khiển có cấu trúc phân tán như trên và các nhà sản xuất và hệ thống quan tâm đên các vấn đề sau:
- Chuẩn hoá ngôn ngữ lập trình, giao thức và giao diện.
- Các thuật toán giải pháp tích họp hệ thống điều khiển và vận hành.
- Các phương pháp phân tích thiết kế ứng dụng.
- Úng dụng các công nghệ phần mềm mới nhất cho điều khiển, giám sát, vận hành.
60
Điều khiển giám sát bao gồm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm bảo yêu cầu chức năng của quá trình kỹ thuật như năng suất, chất lượng, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Mặc dù điều khiển và quan sát là hai nhiệm vụ khác nhau nhưng chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau. Thực tế đòi
hỏi điều khiển phải có giám sát và giám sát cũng trở nên vô nghĩa nếu không có điều khiển.
+ Giao diện người và máy (User Interíace) với các giao tiếp đồ hoạ thân thiện như sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác, thanh kéo,...
+ Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp.
+ Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các module vào ra, các hệ thống Bus trường).
+ Cơ sở dữ liệu quá trình.
+ Các chức năng trao đổi tin tức (Messaging) và xử lý sự cố (Alarm).
+ Hỗ trợ báo cáo.
3.2.2. Tổng quan về các hệ thông điều khiển phân tán DCS.
3.2.2.I. Khái quát chung:
(Distributed control System), được tích hợp với hệ thống điều hành sản xuất MES
(Manuíactoring execution System) và các hệ thống hoạch định tài nguyên công ty ERP (Enterprise resource planning) trong một công ty sản xuất công nghiệp.
Để sắp xếp, phân loại chức năng tự động hoá của một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu người ta thường dùng các mô hình phân cấp hình chóp.
Càng những cấp dưới các chức năng càng mang tính cơ bản đòi hỏi độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Ba tầng dưới cùng thuộc phạm vi của hệ thống điều khiển quan sát và thu thập dữ liệu.
Tính toán giá thành sản xuất, thống kê số liệu sản xuất
Đánh giá vân hành,kế hoach sx,bảo dưỡng máy và tối uu hoá sx Giám sát,hiển thị, vận hành,
bảo đảm
Điều khiển, điều chỉnh, ghi chép tường trì
62
các cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển cho việc đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh còn có thể đảm nhận xử lý và chuẩn bị thông tin, trước khi đưa lên cấp trên là cấp điều khiển.
b) Cấp điều khiển nhận thông tin từ tầng chấp hành, xử lý thông tin đó theo một
thuật toán nhất định và truyền đạt kết quả xuống cơ cấu chấp hành. Khi điều
khiển còn ở mức thủ công, công việc này do người đứng máy thực hiện
với sự trợ
giúp của các thiết bị đo lường và thực hiện công việc qua việc vặn van,
bấm nút...
Ngày nay, với hệ điều khiển quan sát công việc này do máy tính đảm
nhiệm. Do
đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin nên khái niệm
cấp xử lý (process level) cũng hay được sử dụng. Tuy nhiên nó không
còn đúng
trong hệ thống hiện đại, bởi việc xử lý thông tin không chỉ độc quyền của cấp này.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (field level) do việc đặt các bộ điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành ngay tại “hiện trường”, gần kề hệ thống kỹ thuật.
c) Cấp điều hành là cấp điều khiển và vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa
Các giải pháp về một hệ DCS rất đa dạng về cấu trúc, nhưng tựu chung có thể tổng quan một cấu trúc như Hình3.5. Các biến thể của các cấu trúc này thường xuất hiện trong thực tế do yêu cầu về sự phân bố chức năng điều khiển cũng như sự phân bố vị trí các máy tính quá trình và phụ kiện được lựa chọn. Có thể tạm chia thành ba loại gồm: Cấu trúc tập trung, cấu trúc phân quyền và cấu trúc phân tán. Cấu trúc tập trung có các cảm biến và cơ cấu chấp hành nối trực tiếp tới máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào ra của nó. Cấu trúc phân quyền các tín hiệu gửi về và đi từ trung tâm điều khiển qua đường bus, trung tâm
điều khiển có thể có nhiều máy tính cùng phối hợp xử lý. Nó còn có thể được gọi
với tên hệ thống điều khiển phân tán. Cấu trúc phân tán phân bố việc tính toán cũng
Hình 3.5 : Cấu trúc chung của hệ thống DCS
3.3.Hệ thống điều khiển phân tán của hãng ABB
3.3.1. Tổ chức của hệ thông DCS của hãng ABB
Khoa học kỹ thuật ngày nay càng phát triển mạnh mẽ đặc biệt là các ngành
kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin, do đó hiện nay hầu hết các nhà máy đều
Hinh 3.6 : Cấu trúc phân cấp của hệ điều khiển tự động hoá
Với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau từ dưới lên trên như hình 3.6. Càng cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năns ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như cấp dưới, nhưng ngược lại thông tin
cần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều.
65
Dựa trên cấu hình trên, các quan điểm của ABB thì hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất có phần khác so với truyền thông điều đó thể hiện hình 3.7.
Tất cả các cấp này tướng ứng với phần xử lý khác nhau trong xí nghiệp. Trong xí nghiệp hệ thống tự động hoá truyền thông được trang bị của các hãng khác nhau. Trong hệ thống thông tin tích hợp tất cả các dữ liệu chung đều phải được truyền qua cổng giao tiếp. Các cấp tự động hoá trong hệ thống gồm :
Hệ truyền thông thớn9 tích họp ABB
Hình 3.7 : Hệ truyền thông so với hệ thống tích hợp
Cấp 2 : Các phòng điều khiển quá trình trên máy tính có chức năng giám sát thường xuyên tới tất cả các quá trình điều khiển .
Cấp 3 : Sự quản lý sản phẩm ở mức độ cao nhất (mức nhà máy). Hệ thống
quản lý toàn bộ xí nghiệp được tích hợp trong ABB Master.
Ở hệ truyền thống có sự phân cấp rõ ràng hơn, sự hoạt động của mỗi cấp khác nhau liên quan mật thiết với nhau, một cấp không hoạt động sẽ dẫn đến các cấp khác nhau ngừng hoạt động hoặc hoạt động không có hiệu quả.
3.3.2. Cảu hình phần cúng
a ) Trạm thao tác AS500OS ( Advant statỉon 500 Operation)
Là một máy tính cho các thao tác vận hành với chức năng thông tin giữa các trạm thao tác và các trạm quá trình. Gồm có một SU(System unit) cùng với các thiết bị ngoại vi như màn hình, chuột và các thiết bị in kết nối với SƯ.
Chức năng truyền thông tin thao tác giữa các trạm và quá trình .
Phần mềm được sử dụng cài đặt trong đó là Advacommand for windows.
67
Phần mềm được sử dụng là Advabuild for windows.
c) Trạm quản lý thông tin AS500IMS (Advant Statỉon 500 Informatỉon management Statỉon)
Chức năng : - Chứa toàn bộ thông tin của hệ thống.
- Nối, cất giữ, biểu diễn và báo cáo dữ liệu.
- Thông tin với các hệ khác .
Phần mềm quan trọng nhất là Advant form for windows.
d) Master Gate 230/1
Master Gete 230/1 dùng để nối máy tính bên ngoài với Master net và nối chung với các mạng điều khiển riêng trong mạng nhà máy, nó truyền tín hiệu với hiệu suất cao và phù hợp cho nối với hệ thống máy tính lớn cho quản lý thông tin, kế hoạch sản xuất.
Chức năng: truyền thông tin giữa mạng điều khiển trong một nhà máy và giữa Advant ocs và các máy tính bên ngoài.
3.3.3. Các bộ điều khiển quá trình
3.3.3.I. AC 450 (Advant controller 450)
hoặc xoay chiếu bên ngoài S10° 1/0
Hình 3.9 : Cấu hình của bộ điều khiển quá trình AC450 Ngoài ra, ở mặt trước của modul CPU còn có các đèn hiển thị, màn hình các hiển thị chuẩn đoán lỗi ở mức cao và có trang bị một công tắc 4 vị trí để khởi
động và chọn chế độ làm việc và có một nút ấn để khởi động lại (Reset). Hơn thế
nữa trên modul này còn trang bị một card chương trình giao diện để kết nối với SI 00 1/0.
• Bộ nhớ
- Dùng DRAM 8 hay 16Mb (kí hiệu PM511)
69
- Nguồn nuôi bộ nhớ: tối thiểu 4 giờ (với sự cố mất lưới điện hay hệ thống sự cố...).
Để có thời gian nuôi bộ nhớ dài hơn cần phải dùng các thiết bị sau:
+ Bộ nguồn cấp dự phòng SB 510 và bộắcquy (8 giờ).
+ Bộ nguồn cấp dự phòng SB 510 đượcnối với 1 hệ thống nguồn riêng 24v
hay 48v.
• Nội dung chương trình
Một chương trình hệ thống cơ sở bao gồm đầy đủ các chức năng xử lý tín hiệu số, toán học, hàng đợi và chuyển đổi. Các chức năng chính của chương trình
cơ sở bao gồm :
- Các hàm trễ và hàm logic.
- Thuật điều khiển tương tự.
- Liên kết dữ liệu với nhau.
- QC07-LIB41 có thêm các chức năng sau: Điều khiển có phản hồi, kết nối các bộ điều khiển công suất lớn dùng Thyristor.
- QC07-LIB42 có thêm chức năng sau: Điều khiển kín, điều khiển thích nghi tự điều chỉnh, MOVATUNE và khối chức năng điều khiển mạch vòng PID như PIDCOM, PĨDCONA.
- QC07-FVZ41 có thêm chức năng điều khiển 1Ĩ1Ờ . • Đồng hồ hệ thống, việc đồng bộ xung đồng hồ mở rộng
Bộ nhớ PM 511 có trang bị một đồng hồ mà nguồn nuôi được lấy cùng nguồn nuôi của bộ nhớ. Chúng có thể đặt ngày, tháng, năm và giờ từ một bộ lập trình sẵn hay các trạm thao tác cục bộ như MasterView 320. Hơn thế nữa nó cho phép điều chỉnh lượng sai số ± 100 ms bằng phần mềm.
AC450 nối đến Mastemet cũng như hệ DCS thì việc đồng bộ thời gian diễn ra tự động với các trạm khác qua mạng với mức chính xác cao (<3ms).
Yêu cầu đồng bộ giữa các bộ điều khiển và các bộ phát tín hiệu đồng bộ của các thiết bị mở rộng là 2ms.
Trên Module TC 520 có một đầu vào đặc biệt dùng để đo thời gian của xung đồng hồ này.
• Nguyên lý làm việc
Thông thường các khối lệnh trong chương trình PC có chu kỳ thực hiện khoảng lOms - 2s nếu tái lập cấu hình thì có thể đạt (5ms - 32s ). Hệ điều hành
71
sự cố. Đặc biệt là tất cả các thông tin cần thiết đều được hệ thống lưu trữ để khởi động nếu có sự cố mất nguồn cung cấp.
Ngoài ra để khởi động hệ thống còn có thể thực hiện các lệnh sau: CLEAR, STOP, AƯTO hoặc OFFLINE. Các cách này dùng để khởi động lúc cắt nguồn cấp.
• Khôi xử lý phụ trợ PU535
PU535 là một modul lập trình dự phòng, nó có thể làm việc như một bộ xử
lý phụ được trang bị trong AC450. Chức năng chủ yếu của PU535 dùng để thực hiện các chương trình ứng dụng viết bằng ngôn ngữ bậc cao c.
Để viết chương trình cho PU535 có thể dùng HP 9001 - 8000 đế viết và