2.4.1. Hệ thống DCS SIMATIC PCS7.
2.4.1.1. Khái quát PCS7 :
+ PCS7 là hệ thống điều khiển quá trình hoàn chỉnh “ Tự động hoá tích hợp toàn diện” TIA (Total Intergrated Automation), đƣợc hãng Siemens phát triển dựa trên nền tảng các sản phẩm phần cứng và phần mềm họ Simatic.
+ PCS7 đƣợc ứng dụng cho tất cả các ứng dụng điều khiển quá trình, bắt đầu từ những công đoạn phụ trợ đầu vào, quá trình tiền xử lý, quá trình xử lý, cho tới công đoạn đầu ra và tối ƣu các hoạt động trong nhà máy từ cấp quản lý cho tới cấp điều khiển, cấp trƣờng.
+ PCS7 đã trở thành giải pháp có tính mở, hƣớng tƣơng lai và cạnh tranh cao trong nhiều lĩnh vực nhƣ công nghiệp quá trình do có cơ chế quản lý dữ liệu thống nhất, Công cụ lập trình chuẩn hóa, khả năng truyền thông theo các chuẩn quốc tế và việc cấu hình hệ thống đơn giản theo khái niệm TIA.
+ Có thể áp dụng cho các hệ thống qui mô khác nhau (từ 50 tới 18.000 điểm vào/ra).
2.4.1.2. Các khâu của hệ DCS PCS 7 :
Cấu hình chung hệ thống PCS7 nhƣ hình 2.8. Hệ thống gồm các khâu : Trạm kỹ thuật ES (Engineering Station ); Các trạm vận hành OS (Operating Station); Các trạm điều
32
khiển (Controller Station); Vào/ra phân tán (Distributed I/O); Bus trƣờng: PROFIBUS-DP và Bus hệ thống: Industrial Ethernet, Fast Industrial Ethernet, PROFIBUS DP.
Hình 2.8. Cấu hình chung hệ thống PCS7. a. Hệ thống kỹ thuật (Engineering system)
Hệ thống kỹ thuật (ES) là bộ phận quan trọng nhất của toàn bộ hệ thống điều khiển, đƣợc đƣợc đặt ở một trạm riêng và có thể chạy phần mềm của các trạm vận hành OS.
Chức năng của hệ thống kỹ thuật đƣợc nhƣ minh hoạ trên hình 2.9 gồm có: + Lập cấu hình hệ thống.
+ Đặt các tham số.
+ Lập trình hệ thống từ cấp trƣờng cho tới cấp điều khiển giám sát… Thành phần hệ thống kỹ thuật gồm:
+ Phần cứng: 01 hoặc 02 PC.
+ Phần mềm: Các công cụ phần mềm để lập trình hệ thống cấu hình hệ thống từ cấp thấp nhất cho tới cấp cao nhất, kể cả thành phần mạng kết nối giữa chúng. STEP 7 cùng với SIMATIC MANAGER là trung tâm điều hành của ES: Lập chƣơng trình điều khiển, ví dụ lập trình PLC S7-300; WinCC (WindowControlCenter) dùng để xây dựng giao diện vận hành.
Cấu hình
Cấu hình
Báo cáo
Đọc giá trị từ các cảm biến Gửi tín hiệu điều khiển CCCH
33
Hình 2.9. Cấu hình cơ bản hệ thống điều khiển PCS7 b. Hệ thống giao diện vận hành (Operator Interface System)-OIS :
Trạm vận hành và trạm kỹ thuật đƣợc đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc vận hành hệ thống, ngƣời ta thƣờng sắp xếp mỗi trạm vận hành tƣơng ứng với một phân đoạn hoặc một phân xƣởng. Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trƣờng hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức năng của các trạm khác.
Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành:
• Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ)
• Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lƣu đồ công nghệ, các phím điều khiển). • Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hƣớng dẫn chỉ đạo và hƣớng dẫn trợ giúp
• Tạo và quản lý các công thức điều khiển. • Xử lý các sự kiện, sự cố.
• Xử lý, lƣu trữ và quản lý dữ liệu.
• Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ ngƣời vận hành và bảo trì hệ thống. • Hỗ trợ lập báo cáo tự động.
Hệ thống giao diện vận hành của PCS7 (trạm vận hành OS) đƣợc xây dựng dựa trên phần mềm SIMATIC WinCC(Window Control Center).WinCC đƣợc sử dụng để
34
minh hoạ hình ảnh quá trình và phát triển giao diện đồ hoạ ngƣời sử dụng tới ngƣời vận hành.
Hình 2.10. Các dạng Thiết bị trạm vận hành. c. Bộ điều khiển - PLC (Programmable Logic Controller) :
Các tủ bộ điều khiển thƣờng đƣợc đặt trong phòng điều khiển/phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện trƣờng.
Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ:
• Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín (nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, độ pH, độ đậm đặc...). Hầu hết các mạch vòng đơn đƣợc điều khiển trên cơ sở luật PID, Các thuật toán điều khiển nâng cao.
• Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control). • Điều khiển logic.
• Thực hiện các công thức (recipe control).
• Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trƣờng hợp có sự cố hệ thống • Lƣu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trƣờng hợp mất liên lạc với trạm vận hành
Hệ thống điều khiển SIMATIC PCS 7 thƣờng sử dụng PLC S7-400 ở các dây chuyền sản xuất lớn. PLC S7-400(hình 2.11) là loại PLC mạnh nhất trong họ
35
SIMATIC. Simatic S7-400 là dòng sản phẩm thích hợp cho những dự án lớn, hoạt động hiệu suất cao, các hệ thống tự động điều khiển thích nghi, điều khiển có dự phòng, dễ dàng chuẩn đoán lỗi, độ an toàn cao thích hợp cho tất cả các hệ thống điều khiển trong công nghiệp hiện nay. Gồm các CPU chuẩn (standard), Failsafe (F) và Fault-tolerant (H).
Hình 2.11 . Hình dạng bên ngoài và các mô dun của PLC S7-400.
Hình 2.12 . Hình dạng bên ngoài và các mô dun của PLC S7-300 và PLC S7-200. PLC S7-400 là tối ƣu cho hệ PCS 7. SIMATIC PCS 7 có cấu trúc dạng modul kết nối các phần tử của S7-400. Các loại CPU sau có thể sử dụng trong hệ PCS 7:
-CPU-414-3
-CPU-414-3H: Thiết kế cho các ứng dụng nhỏ với lƣợng dữ liệu của dự án là nhỏ
-CPU-416-2S: Đƣợc sử dụng cho các dự án có quy mô vừa -CPU-416-3
-CPU-417-4 đƣợc sử dụng cho các dự án có hiệu suất rất cao, qui mô lớn -CPU-417-4H
36
Ngoài ra, ở các dây chuyền công nghệ nhỏ và đơn giản có thể sử dụng các loại PLC khác nhƣ họ S7-300 và S7-200 .
d. Các trạm vào ra phân tán và các thiết bị trƣờng
Các trạm vào/ra từ xa đƣợc đặt rất gần với quá trình kỹ thuật có chức năng
+ Truyền tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển xuống điều khiển cơ cấu chấp hành.
+ Nhận tin hiệu từ các cảm biến.
Do đặt gần các thiết bị trƣờng, nên tiết kiệm nhiều cáp truyền và đơn giản hóa cấu trúc hệ thống. Trạm vào/ra từ xa cũng có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, tuy nhiên nhƣ vậy không lợi dụng đƣợc ƣu điểm của cấu trúc này..
Hiện nay, cấu trúc điều khiển phân tán đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình. Hệ thống PCS7 hỗ trợ một cách linh hoạt khi đặt cấu hình các đầu vào ra phân tán. Có thể định cấu hình trong tủ điện hoặc định cấu hình đầu vào ra phân tán ở xa phòng điều khiển trung tâm. Trong hệ PCS 7, có thể kết nối các bộ vào ra phân tán với PLC thông qua các loại bus sau:
- PROFIBUS-DP - PROFIBUS-PA - AS-Interface - HART
37
Hình 2.14 . Các trạm I/O phân tán và thiết bị trƣờng trong môi trƣờng nguy hiểm.
2.4.2. Hệ thống DCS CENTUM CS3000 của Yokogawa.
2.4.2.1. Khái quát về hệ thống DCS CENTUM CS3000 của Yokogawa.
CENTUM CS 3000 và DARWIN là nhãn hiệu đăng kí sản phẩm của công ty điện tử YOKOGAWA Nhật bản. Công ty này còn hỗ trợ lập dự án, tƣ vấn các giải pháp tối ƣu và lựa chọn phƣơng án tối ƣu cho ngƣời sử dụng. YOKOGAWA thực hiện hỗ trợ các giải pháp nhƣ: Các thiết bị kĩ thuật thông tin và hệ thống điều khiển, cung cấp các sản phẩm hệ thống thiết bị mô phỏng, các thiết bị thƣờng hiện đại với công nghệ mới nhất, các sản phẩm công nghệ phần mềm …Và với khả năng đa dịch vụ: từ lập dự án, thiết kế, cài đặt, vận hành chạy thử đến bảo dƣỡng.
Hệ điều khiển DCS của YOKOGAWA bao gồm hai hệ: CS1000 và CS3000. Hệ thống centum CS1000 là hệ điều khiển phân tán dùng cho các hệ điều khiển nhỏ còn hệ điều khiển Centum CS3000 của YOKOGAWA là hệ điều khiển phân tán phù
38
hợp với các ứng dụng điều khiển quá trình vừa và lớn, centum CS300 có tính năng linh hoạt và tin cậy cao.
CENTUM CS 3000 là hệ thống điều khiển các thiết bị tích hợp, đƣợc sử dụng để điều khiển và quản lý các thiết bị trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau nhƣ: lọc và tinh chế dầu mỏ, công nghiệp hoá dầu, công nghiệp hoá học, công nghiệp dƣợc phẩm, thực phẩm, giấy và nghiền giấy, thép và các vật liệu không có sắt, xi măng, năng lƣợng, gas, nƣớc và nƣớc thải ……
CENTUM CS 3000 là hệ thống điều khiển với các sản phẩm ứng dụng những công nghệ mới nhất, với nhiều tính năng, mềm dẻo và độ tin cậy dựa trên hệ thống bus điều khiển V-net.
* Một số đặc điểm và tính năng cơ bản của hệ thống :
- Các thành phần của hệ DCS có sự tham gia của máy tính
+ Giao diện ngƣời –máy (HIS) thiết kế dựa trên một máy tính thông dụng
+ Dựa trên cơ sở windows NT làm hệ điều hành cho HIS (đây là hệ thống mở , với sự hỗ trợ của hệ điều hành ta có thể thực hiện di chuyển dữ liệu giữa các quá trình và các ứng dụng chạy trên nền NT sử dụng giao tiếp OPC và hoặc DDE)
+ Môi trƣờng vận hành hoạt động thân thiện ngƣời dùng kết hợp các vận hành cơ bản của windows với các chức năng vận hành và giám sát đặc biệt của hệ DCS
+ Có thể sử dụng máy tính thông thƣờng làm cơ sở cho các trạm HIS và hoặc các trạm giao diện kiểu console thông thƣờng.
- Khả năng mạnh của các chức năng điều khiển giám sát
+ Có thể tới 2500 cửa sổ tạo ra bởi ngƣời dùng cho công việc vận hành và giám sát quá trình .
+ Thời gian update 1 sec
+ Trên các cửa sổ đồ hoạ, ta có thể chạy chƣơng trình Visual Basic và hiển thị sự vận động của quá trình.
+ Sử dụng các phím vận hành thực hiện các chức năng nh- những phím tắt gọi chƣơng trình
+ Cho phép vận hành và giám sát trên phạm vi rộng nh- các hệ DCS thông thƣờng.
39
+ Theo tiêu chuẩn “pair and spare” ( kép và dự phòng; CPU kép trên CPU card, tại một thời điểm có một CPU card active mét standby) với dự phòng CPU , V-net bus, và card nguồn.
+ Dạng chuẩn (có hỗ trợ vào ra từ xa) và dạng compact: Với khả năng tới 256 trạm vận hành trên mỗi hệ thống, đây cũng có thể nói là con sè lý tƣởng cho các dự án từ vừa đến lớn.
- Các modul vào ra tích hợp.
+ Trong hệ thống sử dụng cùng một loại modul vào ra. Tín hiệu từ cặp nhiệt điện và RTD có thể nối trực tiếp đến các đầu vào tín hiệu.
- Các chức năng điều khiển và truyền thông mạnh
+ Với các chức năng đã đƣợc kiểm định, bao gồm mọi thứ từ bộ điều khiển PID đến điều khiển tuần tự đến điều khiển phân đoạn.
+ Cho phép tạo các khối chức năng giám sát dựa trên các các khối cơ bản một cách dễ dàng.
+Giao tiếp kết hợp cho phép hỗ trợ và tƣơng tác với các hệ thống đơn lẻ nh- PLC và hệ thống đo mức chứa…
- Hiệu quả kĩ thuật.
+ Các chức năng tƣơng tác với hệ thống, thiết kế với số đầu vào cần thiết tối thiểu
+ Các dữ liệu kĩ thuật có thể đƣợc đặt tên và lƣu lại dƣới các file dữ liệu
+ Một bộ phận của cấu hình hay định nghĩa cho một đơn vị nào đó trong hệ thống có thể đƣợc lƣu lại và đƣa ra tái sử dụng.
+ Các dữ liệu kĩ thuật có thể đƣợc export ra các dữ liệu chƣơng trình ứng dụng khác chạy trên máy tính PC và ngƣợc lại các dữ liệu đó có thể đƣợc import ngƣợc trở lại nhƣ những dữ liệu thông tin kĩ thuật.
- Chức năng kiểm tra ảo không cần có phần cứng tham gia.
+ Có thể kiểm tra các chức năng trên phần mềm mô phỏng mà không cần có yếu tố phần cứng. Trên đó bạn cũng có thể thực hiện các công việc thiết kế, gỡ rối chƣơng trình, chỉ cần trên máy tính PC thông thƣờng và phần mềm hỗ trợ của hệ thống CENTUM CS 3000 .
40
+ Có thể đóng gói quá trình điều khiển phân đoạn và quản lí dựa trên tiêu chuẩn ISA S88.1
- Tính tƣơng tác giữa CENTUM CS và các sản phẩm tích hợp XL.
+ Với bộ chuyển đổi bus có thể thực hiện kết nối tới CENTUM CS, CENTUM CS 1000, CENTUM- XL, CENTUM-V, và XL. CENTUM CS có thể đƣợc nối trên cùng một bus.
+ Trong môi trƣờng công nghiệp, một hệ thống điều khiển quá trình cần phải đồng bộ với các hệ thống phụ nhƣ (Fatory Automation), hệ thống PLC. Với CS3000 cho phép thiết lập đƣợc hệ thống tối ƣu, hệ thống mở, ở đó có sự tích hợp của CS3000 với nhiều hệ thống phụ khác. Chẳng hạn với hệ thống có sự tích hợp giữa DCS với PLC cung cấp một môi trƣờng hoạt động rất thân thiết với ngƣời sử dụng.
2.4.2.2. giới thiệu cấu trúc phần cứng DCS CS3000.
Hình 2.15.Cấu hình cơ bản hệ thống CS3000
Hệ thống CS3000 bao gồm: HIS (Human Interface Station) dùng để điều khiển các chức năng vận hành và giám sát, FCS (Field Control Station) thực hiện chức năng điều khiển, và mạng điều khiển (V net) kết nối giữa các trạm trên. Các chức năng khởi tạo, định nghĩa của hệ thống làm việc trong HIS và các máy tính PC sử dụng cho mục đích chung.
41
CHƢƠNG 3
THIẾT LẬP CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ LẬP CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Cấu hình chung của hệ thống điều khiển
Nhƣ đã trình bày ở chƣơng 1, có thể đƣa ra một số đặc điểm về công nghệ và yêu cầu điều khiển của Giàn nén khí Rổng nhƣ sau :
+ Giàn nén khí Rồng có diện tích nhỏ đƣợc chia làm hai phân khu chính : phân khu thứ nhất nằm ở tầng Topsides bao gồm hệ thống phụ trợ cho các bình nén khí V101,V301,V401 và phân khu thứ hai nằm phía trên tầng Topsides (tầng SLM-Single Left Module) bao gồm hệ thống phụ trợ cho máy nén vào gồm các bình V201A,V202A,V203A.
+ Số lƣợng thiết bị công nghệ và thiết bị đầu cuối không lớn (53 DI, 88 DO, 14AI, 17 AO), Thuật toán điều khiển không phức tạp, chủ yếu là tác động ON/OFF. Chức năngthu thập dứ liệu cho giám sát là quan trọng.
Từ những đặc điểm trên, cấu hình cơ bản hệ thống điều khiển giàn Rồng đƣợc đề xuất nhƣ hình 3.1 bao gồm các thành phần sau:
- Các trạm vận hành OS (Operator Station).
- Trạm kỹ thuật ES (Engineering Station) và các công cụ phát triển. - Bộ điều khiển cục bộ PLC S7-300
- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus).
3.1.1. Trạm vận hành OS
Cấu hình trạm vận hành trung tâm của giàn nén khí mỏ Rồng đƣợc xây dựng với 3 trạm vận hành chính là OS1,OS2,OS3 là các máy tính PC chạy trên nền Windows XP Service Pack 2. Ba trạm vận hành này có chức năng nhƣ nhau cùng chạy một chƣơng trình chung, có thể vận hành độc lập hoặc song song và có thể thay thế nhau trong trƣờng hợp hỏng hóc một trạm le.
Chức năng chính của các trạm vận hành gồm có:
- Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực, và đồ thị quá khứ
42
- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lƣu đồ công nghệ, các phím điều khiển). - Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống
hƣớng dẫn chỉ đạo và hƣớng dẫn trợ giúp. - Xử lý các sự kiện, sự cố.