5.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán DCS :
Hệ thống điều khiển phân tán được hiểu như là hệ thống dựa trên các phần cứng và phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyền thông tin tốc độ cao, các module được phân tán và tổ chức theo một cấu trúc nhất định với một chức năng nhiệm vụ riêng. Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao này cho phép nghép nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác như PLC, các máy tính điều khiển giám sát.
Giống như tên gọi về hệ thống điều khiển giám sát (Distributed Control System) các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống để thay cho việc xử lý tập trung trên một máy tính đơn lẻ. Nhờ đó hiệu năng tổng thể của hệ thống được nâng cao. Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiển hoạt động độc lập và điều khiển từng bộ phận chuyên dụng của hệ thống điều khiển. Hơn nữa trong hệ thống có một vài trạm điều hành để giám sát các dữ liệu trong các trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người vận hành thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng.
Đây là một mô tả mở rộng về một hệ thống DCS nhưng mô tả này cũng phù hợp với một hệ thống gồm các PLC và các PC với các phần mềm giám sát vận hành. Điều này dẫn ta tới một định nghĩa quan trọng thứ hai của hệ thống DCS. Một hệ thống DCS là một hệ thống tích hợp đầy đủ với một hệ cơ sở dữ liệu toàn cục. Không giống như các hệ thống dựa trên PLC, ta không thể xử dụng các bộ điều khiển khác nhau và các trạm điều hành từ những nhà cung cấp khác nhau rồi kết hợp chúng lại với nhau. Một hệ thống DCS là một hệ thống hoàn chỉnh, trong đó việc truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận sẽ không được thể hiện đối với người dùng. Ngoài ra, nếu một điểm (hoặc khối chức năng) được tạo ra trong bộ thì sau đó, toàn bộ hệ thống sẽ nhận biết nó. Tức là không cần phải tạo một cơ sở dữ liệu riêng trong trạm điều hành để phù hợp với dữ liệu trong các bộ điều khiển vì thông tin đã được tự động tạo ra trong toàn bộ hệ thống.
Hệ thống điều khiển phân tán trước kia thường phát triển trong môi trường xử lý hoá chất, trong khi đó các hệ thống dựa trên PLC phát triển trong lĩnh vực điện tử. Trong khi các PLC phát triển từ logic relay thì các hệ thống DCS phát triển từ các bộ điều chỉnh tương tự. Khả năng xử lý các dữ liệu tương tự và chạy các trình tự phức tạp là thế mạnh cơ bản của hệ thống DCS , trong khi xử lý logic loại relay –
tương tự như một PLC thì tốc độ xử lý chậm hơn PLC rất nhiều. Trong khi một PLC có thể xử lý logic relay trong khoảng mili giây, tốc độ quét của một trạm điều khiển của hệ DCS thường 200 -:- 500 ms. Tốc độ quét này đủ nhanh đối với hầu hết các điều khiển tương tự và trên thực tế bộ xử lý đó có thể xử dụng một lượng đáng kể dữ liệu tương tự trong khi quét.
Một đặc điểm nổi bật của hệ thống DCS là việc là việc xử dụng tagnames. Trong các hệ thống PLC-based, thường dùng các địa chỉ hệ thống đối với dữ liệu tham chiếu. Một tagname là tên do người thiết kế hệ thống định nghĩa cho một đối tượng, áp dụng cho tất cả các khối chức năng và các điểm I/O trong các bộ điều khiển. Do đó, một điểm có thể được truy cập từ bất cứ đâu trong hệ thống thông qua tagname của nó.
5.2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiển DCS:
• Cấu trúc đặc trưng của hệ thống DCS gồm có 4 lớp :
Bus hệ thống(Ethernet)
Bus điều khiển(Token passing)
Hình 2.7: Mô hình phân lớp hệ DCS.
5.2.1 Lớp I/O
Các bộ vào ra của hệ thống được xử lý ở lớp I/O bằng một trong ba cách sau:
+ I/O bằng mạch điện tử: Cơ sở dữ liệu Hlý thông tin ệ thống quản Trạm vận hành Bộđiều
khiển trường khiBểộn trđiườều ng
Field I/O Field I/O Field I/O Field I/O
Lớp quản lý Trạm vận hành Trạm vận hành Lớp vận hành Giám sát Lớp điều khiển Lớp I/O Bộđiều
Các I/O dạng tương tự ( như các bộ đo áp suất, van điều chỉnh v v..) và dạng số (Các relay và các bộ chuyển mạch) có thể được thực hiện bằng các panel mạch điện tử trực tiếp từ hiện trường. Panel giao diện I/O có một loạt các card giao diện để đưa vào xử lý các dạng tín hiệu vào /ra.
+ I/O fieldbus:
Có nhiều dạng fieldbus, Profibus và Hart. Những loại này cho phép các sensor và các cơ cấu chấp hành có thể được kết nối với giao diện I/O thông qua một mạng số đơn để trao đổi các thông số quá trình và các thông số trạng thái thiết bị.
+ Giao tiếp với PLC:
Các PLC có thể được nối với hệ thống DCS bằng vài dạng card giao diện truyền thông, thường là trong panel giao diện I/O, hoặc đơn giản bằng cách nối trực tiếp đến mạng điều khiển thông qua module truyềng thông với PLC.
5.2.2 Lớp điều khiển:
Đây là nơi tập trung tất cả các chức năng điều khiển.Các bộ điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O.đọc dữ liệu vào, xử lý các chức năng điều khiển và gửi các tín hiệu ra.Các trạm điều khiển được hoạt động độc lập với nhau nên nếu xảy ra sự cố một trạm sẽ không ảnh hưởng đến trạm khác.Đồng thời một trạm điều khiển có thể trao đổi dữ liệu dễ dàng với một trạm khác khi xử dụng phương pháp truyền thông ngang hàng “ peer to peer” trong mạng điều khiển.
5.2.3 Lớp điều hành:
Các trạm điều hành cung cấp một giao diện đồ hoạ với các chức năng và các dữ liệu trong bộ điều khiển và trong quá trình xử lý thông qua các đồ thị, lưu trữ thông tin theo các file dữ kiện và các biểu đồ (History Trend), các báo cáo....
5.2.4 Lớp thông tin quản lý:
Tất cả các thông tin ở mức độ cao, không cần với việc điều khiển thời gian thực nhưng là cần thiết đối với việc quản lý quá trình lâu dài được xử lý trong lớp quản lý. Lớp này gồm 3 lớp nhỏ:
• Gateway - để đọc dữ liệu từ các trạm điều khiển;
• Cơ sở dữ liệu- để giữ và lưu lại dữ liệu từ phân tích trước; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Quản lý - để xử lý thông tin trong cơ sở dữ liệu.
Trước kia mỗi nhà cung cấp có giao thức truyền thông độc quyền để cho phép máy chủ truy cập dữ liệu từ các trạm điều khiển. Hiện nay Microsoft cùng vơi một số nhà cung cấp chính đã phát triển một mục tiêu chuẩn liên lạc gọi là OPC. OPC là OLE cho điều khiển quá trình và cho phép máy chủ nào cũng có thể kết nối tới DCS bất kỳ. Chuẩn OPC có thể đặt trong trạm điều hành hoặc trong một máy tính độc lập.
Lớp cơ sở dữ liệu:
Dữ liệu của hệ thống DCS phải được lưu trữ và có một số bộ cơ sở dữ liệu (Database package) được thiết kế cho mục đích này. Chúng gồm Exaquantum (một sản phẩm của Yokogawa) và PI (một sản phẩm độc lập). Nhưng package này đọc dữ liệu thông qua cổng OPC và lưu dữ liệu dưới dạng format cơ sở dữ liệu chuẩn. Exaquantum dùng Server SQL của Microsoft tương thích với hầu hết các package quản lý. Ngoài ra chúng còn cung cấp các chức năng khác như lưu trữ dữ liệu trên đĩa, nén dữ liệu, báo cáo cơ bản các chức năng hiển thị.
Lớp quản lý:
Có một loạt các package khác nhau sắn có,cung cấp các thông tin khác nhau cho người dùng. Nó gồm báo cáo chi tiết, điều khiển khối, và công thức, quản lý nguồn máy,quản lý cảnh báo, tối ưu hoá máy v.v.. chúng truy cập dữ liệu từ cơ sở dữ liệu lưu nhưng có thể ghi trực tiếp tới các trạm điều khiển thông qua OPC.
5.3 Các mô hình mạng trong hệ thống điều khiển phân tán
Kết hợp với các lớp như trên là các mạng máy tính để liên kết các lớp với nhau.Mạng trao đổi rộng rãi với các lớp như sau:
• Mạng I/O – Bus I/O từ xa, Fieldbus, truyền thông PLC;
• Mạng điều khiển – nối các bộ điều khiển và các trạm điều hành;
• Mạng diện rộng của nhà máy- nơi chứa hầu hết các thông tin quản lý;
5.3.1 Mạng diện rộng của nhà máy
Tất cả các thông tin quản lý đều có sẵn trên mạng thông tin quản lý hoặc mạng diện rộng được trao đổi trên mạng Ethernet.
Nhà cung cấp Hệ thống
Yokogawa Yokogawa CS1000/3000
AB Advant OCS ABB
Fisher and Porter System 6
Emerson Fisher Provox, Delta V
Bảng 2.1 Một số hệ thống DCS tiêu biểu
5.3.2 Nhận xét về hệ thống điều khiển phân tán DCS
Khả năng quản lý các đầu vào /ra analog rất tốt. Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hoặc các thuật toàn điều khiển hiện đại: Nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS).
Khả năng truyền thông : Hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý.Hiện nay các giao thức này đã được chuẩn hoá (Profibus, foundation Fieldbus);
Độ tin cậy cao nhờ khả năng dự phòng:dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ thống (Controller, modul I/O, bus truyền thông) khả năng thay đổi chương trình (Sửa chữa và download), thay đổi cấu trúc của hệ, thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online);
Cơ sở dữ liệu trong hệ là cơ sở dữ liệu lớn có tính chất toàn cục và thống nhất; Khả năng mở rộng tích hợp cao;
Tuổi thọ của ứng dụng lớn (15 -20 năm);
Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu cách khái quát về hệ điều khiển phân tán DCS. Chúng ta có thể thấy rằng: DCS là một giải pháp kỹ thuật rất phù hợp cho những hệ thống lớn, đòi hỏi độ tin cậy cao, độ linh hoạt cao trong việc thay đổi cấu trúc, chương trình của hệ thống.