Giải phỏp sử dụng cỏc hệ điều khiển phõn tỏn với cấu trỳc vào/ra phõn tỏn và cỏc thiết bị trường thụng minh chớnh là xu hướng phỏt triển trong xõy dựng cỏc hệ thống điều khiển và giỏm sỏt hiện đại. Bờn cạnh độ tin cậy cao, tớnh năng mở và độ linh hoạt cao thỡ yếu tố kinh tế cũng đúng vai trũ quan trọng.
Hỡnh 2.5: Cấu trỳc điều khiển phõn tỏn với vào ra phõn tỏn
2.3. Hệ thống điều khiển phõn tỏn DCS
2.3.1 Phõn loại cỏc hệ thống điều khiển phõn tỏn DCS
a. Cỏc hệ DCS truyền thống
Cỏc hệ DCS truyền thống thường sử dụng là cỏc bộ điều khiển đặc chủng theo cấu trỳc chung của nhà sản suất.Cỏc hệ thống này cú thể kộp kớn và khụng theo cỏc chuẩn truyền thụng trong cụng nghiệp.
b. Cỏc hệ lai DCS/PLC
Hệ lai DCS/PLC cũn gọi là hệ DCS dựa trờn PLC. Hệ thống này là giải phỏp tốt khi cần nõng cấp từ một hệ thống cũ dựa trờn cơ sở một hệ SCADA lờn DCS. Hệ thống này cú cỏc mỏy tớnh trung tõm, cỏc module phõn tỏn. Cỏc PLC ghộp qua hệ thống mạng với nhau và ghộp nối với module phõn tỏn.
Cỏc PLC cú nhiệm vụ thu thập số liệu từ cỏc thiết bị hiện trường cú cổng ghộp nối RS, sau đú đưa kết quả lờn module phõn tỏn. Cỏc module phõn tỏn sẽ xử lý tớn
hiệu và đưa ra quyết định điều khiển thụng qua cỏc PLC, đồng thời module phõn tỏn cũng gửi cỏc thụng tin thụng qua mạng truyền tin tốc độ cao về hệ thống mỏy tớnh trung tõm. Khi người vận hành ra quyết định điều khiển một quỏ trỡnh nào đú, mỏy tớnh sẽ truyền lệnh đú xuống hệ điều khiển hiện trường và hệ này sẽ thực hiện cụng đoạn cần thiết của điều khiển quỏ trỡnh theo yờu cầu.
c. Cỏc hệ DCS trờn nền PC
Đõy chớnh là giải phỏp sử dụng mỏy tớnh cỏ nhõn PC làm thiết bị điều khiển. Trạm điều khiển cục bộ chớnh là một mỏy tớnh được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và giao diện Bus trường, Bus hệ thống.
Ưu điểm của hệ thống :
- Tớnh năng mở khả năng đỏp ứng tự do. - Khả năng tớnh toỏn cao và đa chức năng.
- Cỏc cải tiến lớn trong kỹ thuật mỏy tớnh, cụng nghiệp phần mềm và cụng nghệ Bus trường chớnh là yếu tố thỳc đẩy khả năng cạnh tranh của PC ứng dụng trong cụng nghiệp.
2.3.2. Cỏc vấn đề kĩ thuật của hệ thống điều khiển phõn tỏn Xử lý thời gian thực
Xử lý thời gian thực là hỡnh thức xử lý thụng tin trong một hệ thống để đảm bảo tớnh năng thời gian thực đú. Một hệ thống truyền thụng cú tớnh năng thời gian thực phải cú khả năng truyền đạt thụng tin một cỏch tin cậy và kịp thời đúi với cỏc yờu cầu của cỏc đối tỏc truyền thụng. Hệ thống luụn sẵn sàng phản ứng với cỏc sự kiện bờn ngoài và đưa ra đỏp ứng đỳng đắn kịp thời. Tớnh năng thời gian thực của một hệ DCS khụng chỉ phụ thuộc vào tớnh năng thời gian thực của cỏc thành phần trong hệ thống mà cũn phụ thuộc vào sự phối hợp đồng bộ giữa cỏc thành phần đú. Ngoài ra hệ thống cũn sử dụng mạng cục bộ thời gian thực, tốc độ truyền tớn hiệu cao,… Cỏc đặc điểm của hệ thống xử lý thời gian thực :
- Tớnh bị động: khụng biết trước tỏc động của sự kiện.
- Tớnh nhanh nhạy: xử lý nhanh chúng để đưa ra kết quả xử lý kịp thời.
- Tớnh tiền định: Dự đoỏn trước thời gian phản ứng tiờu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất và trỡnh tự đưa ra cỏc phản ứng.
Việc xử lý phõn tỏn giỳp nõng cao năng lực xử lý thụng tin của hệ thống, gúp phần vào cải thiện tớnh năng thời gian thực, nõng cao độ tin và tớnh linh hoạt của hệ thống. Trong hệ thống, cỏc chương trỡnh trờn cỏc trạm hợp tỏc chặt chẽ với nhau thụng qua cơ chế giao tiếp ngầm để cựng thực hiện nhiệm vụ của hệ thống.
Xử lý phõn tỏn bao gồm :
- Phõn chia và phối hợp nhiệm vụ. - Giao tiếp giữa cỏc trạm
- Đồng bộ hoỏ cỏc quỏ trỡnh xử lý phõn tỏn. - Dự phũng và khắc phục lỗi.
Đồng bộ hoỏ trong điều kiển phõn tỏn
Đồng bộ quỏ cỏc tớn hiệu vào/ra : Cấu trỳc Bus trường làm nảy sinh một số vấn đề đú là sự đồng bộ của cỏc tớn hiệu vào/ra do thời gian trễ trờn cỏc kờnh khỏc nhau. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường chọn loại Bus sao cho chu kỡ của Bus nhỏ hơn nhiều lần chu kỡ được điểu khiển hoặc dựng Bus trường để hỗ trợ đồng bộ hoỏ việc vào/ra.
Đồng bộ hoỏ thời gian: Giữa cỏc trạm điều khiển cục bộ và trạm vận hành cần cú sự đồng bộ hoỏ thời gian một cỏch chặt chẽ vỡ nú liờn quan tới chớnh chớnh xỏc và độ tin cậy của cỏc thụng tin điều khiển, vận hành, cảnh bỏo. Để đồng bộ hoỏ thời gian trong một hệ thống DCS thỡ cú thể chọn một trạm vận hành làm theo hệ quy chiếu, tất cả cỏc trạm khỏc nối với Bus hệ thống được đồng bộ hoỏ theo trạm nay thụng qua cỏc thụng bỏo gửi đồng loạt.
Tớnh sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống
Tớnh sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống DCS phụ thuộc vào độ tin cậy của từng thiết bị, cấu trỳc hệ thống, hệ thống truyền thụng, khả năng dự phũng, cơ chế an toàn bảo mật,... Để đảm bảo tớnh sẵn sàng và độ tin cậy cao yờu cầu :
- Dự phũng hoàn toàn cỏc thành phần quan trọng như CPU, trạm điều khiển, hệ thống mạng và cỏc thiết bị vào/ra.
- Cú cơ chế dừng an toàn, dừng khẩn cấp khi hệ thống cú cỏc cơ cấu truyền động.
- Cú khả năng phỏt hiện ra cỏc lỗi mất nguồn và tự động phục hồi trạng thỏi cũ (Cỏc trạm cú khả năng tự phục hồi trạng thỏi làm việc trước khi ra sự cố, cỏc nỳt mạng tự khởi động độc lập).
- Bảo mật theo trạm hoặc người sử dụng. - Bảo trỡ, chỉ thị, chuẩn đoỏn tốt.
Hệ thống DCS cú tớnh sẵn sàng cao thụng qua khả năng dự phũng tớch hợp, cú thể lựa chọn dự phũng từng thành phần. Do cú tớnh sẵn sàng và phương phỏp giao tiếp số, kiến trỳc xử lý phõn tỏn, phầm mềm đúng gúi, phần cứng được chuẩn hoỏ theo cỏc tiờu chuẩn cụng nghiệp, độ tớch hợp cỏo giữa phần cứng và phàn mềm là cỏc yếu tố giỳp DCS cú độ tin cậy cao.
2.4. Tổng quan kiến trỳc hệ thống điều kiển PCS7
Hỡnh 2.6: Sơđồ tổng quan kiến trỳc hệ thống PCS7
PCS7 là hệ thống điều khiển quỏ trỡnh cho toàn nhà mỏy, thuộc họ SIMATIC. PCS7 sử dụng cỏc thành phần chuẩn của Siemens, đồng thời mở rộng chức năng để thực hiện cỏc tớnh năng cần thiết trong điều khiển phõn tỏn từ vấn đề kỹ thuật cho đến giao diện Người-Mỏy. PCS7 cú tớnh linh hoạt cao do cỏc thành phần trờn cựng một chuẩn SIMATIC, cựng chung cơ sở dữ liệu, đơn giản trong kiểm tra và sử dụng, cú tớnh mở với giao diện mở đa dạng, cho phộp kết nối đơn giản, thậm chớ với cả những thiết bị của cỏc hóng khỏc mà khụng cần cỏc thiết bị kết nối chuyờn dụng đắt tiền.
Hệ thống bao gồm cỏc thành phần cơ bản sau:
• Trạm kỹ thuật: IPC và OS Engineering.
• Cỏc trạm vận hành: IPC và OS Software.
• Vào/ra phõn tỏn: ET200M và S7-300 I/O Module.
• Bus trường: PROFIBUS.
• Bus hệ thống: Industrial Ethernet, Fast Ethernet.
• Cỏc trạm BATCH/IT: IPC và phần mềm bổ sung. Cỏc đặc tớnh cơ bản của hệ thống PCS7:
• Tớch hợp cỏc thiết bị tự động húa thuộc họ Simatic và từ cỏc nhà cung cấp khỏc.
• Kiến trỳc nhiều người sử dụng.
• Truyền thụng thụng suốt từ cấp thấp tới cấp cao.
• Tớch hợp khả năng cấu hỡnh hệ thống và lập trỡnh.
• Tớch hợp khả năng quản lý dữ liệu: (SAP R/3, Gensym).
• Cụng cụ lập trỡnh chuẩn húa.
• Khả năng dự phũng, độ tin cậy cao.
• Thớch hợp cho cỏc ứng dụng đũi hỏi độ tin cậy cao.
• Cú thể ỏp dụng cho cỏc hệ thống qui mụ khỏc nhau (từ 50 tới 18.000 điểm vào/ra).
Do những tớnh năng trờn PCS7 phự hợp với mọi yờu cầu từ những ứng dụng nhỏ đến những nhà mỏy lớn, đỏp ứng mọi quy mụ của cỏc nhà mỏy, phự hợp với quỏ trỡnh tiờu chuẩn hoỏ tại nơi sản xuất.
2.5. Cỏc thành phần của hệ PCS7
2.5.1 Trạm kỹ thuật (ES)
Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt cỏc cụng cụ phỏt triển, cho phộp đặt cấu hỡnh cho hệ thống, tạo và theo dừi cỏc chương trỡnh ứng dụng điều khiển và giao diện người mỏy, đặt cấu hỡnh và tham số hoỏ cỏc cỏc thiết bị trường. Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết được thực hiện theo phương phỏp khai bỏo, đặt tham số và ghộp nối cỏc khối chức năng cú sẵn trong thư viện. Cũng như cỏc trạm vận hành, thiết bị sử dụng thụng thường là cỏc mỏy tớnh cỏc nhõn (cụng nghiệp) chạy trờn nền Windows XP, 2003 server hoặc 2008 Server.
Một số đăc tớnh tiờu biểu của cỏc cụng cụ phỏt triển trạm kỹ thuật là: - Cỏc cụng cụ phỏt triển được tớch hợp sẵn trong hệ thống.
- Cụng việc phỏt triển khụng yờu cầu cú phần cứng DCS tại chỗ. - Cỏc ngụn ngữ lập trỡnh thụng dụng là: FBD, CFC, SFC.
- Một dự ỏn cú thể do nhiều người cựng phối hợp phỏt triển song song. - Giao diện với cỏc hệ thống cấp trờn (CAD/CAM, MES, PPS, ERP,...) PCS7 cung cấp một hệ thống kỹ thuật trọn vẹn để cấu hỡnh cỏc hệ điều khiển quỏ trỡnh. Hệ thống kỹ thuật được thiết kế linh hoạt để cú thể sử dụng phự hợp cho mọi loại dự ỏn với quy mụ khỏc nhau, cho phộp thiết lập cấu hỡnh hệ điều khiển quỏ trỡnh và xử lớ cỏc project của nhà mỏy trờn diện rộng. Cú thể dựng cựng những cụng cụ trong cơ sở dữ liệu của project cho tất cả cỏc giai đoạn từ thiết lập cấu hỡnh nhà mỏy cho đến hoạt động giỏm sỏt, trong đú cú thể sử dụng lại cỏc khối hàm sẵn cú, cỏc project, cỏc cụng thức chuẩn.
Hỡnh 2.7: Cỏc cụng cụ kỹ thuật của hệ PCS7
PCS7 sử dụng rất nhiều cỏc cụng cụ mềm để thực hiện cấu hỡnh nhà mỏy từ cấp thấp tới cấp cao, kể cả mạng truyền thụng giữa cỏc phần tử.
• HW Config: Sử dụng để cấu hỡnh mạng, truyền thụng, phần cứng thiết bị.
• NETPRO: Cho phộp thiết lập đồ họa truyền thụng giữa cỏc phần tử.
phộp tạo cỏc khối hàm.
• SFC (Sequential Function Chart): Cụng cụ lập trỡnh đồ họa, sử dụng để cấu hỡnh cỏc hàm chức năng của PLC.
• CFC (Continuous Function Chart): Cụng cụ lập trỡnh đồ hoạ, cho phộp thiết lập cấu hỡnh vận hành dõy chuyền.
• WinCC (Window Control Center): Cụng cụ xõy dựng giao diện vận hành.
• DOCPRO: Cụng cụ lưu trữ và quản lý dữ liệu Project.
• IEA (Import/Export Assistant): Cụng cụ sử dụng trong trao đổi dữ liệu hai chiều.
• PDM (Process Device Manager): Cụng cụ cấu hỡnh cỏc thiết bị trường.
• F-Tool: Cụng cụ kỹ thuật cho cỏc hệ thống Failsafe.
• Libraries: Chứa cỏc khối hàm, cỏc project, cỏc cụng thức chuẩn, cú thể được sử dụng lại trong tất cả cỏc dự ỏn.
2.5.2. Trạm vận hành (OS)
Trạm vận hành thực hiện chức năng giao diện người/mỏy, hiển thị cỏc thụng tin của hệ thống. Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phũng điều khiển trung tõm. Cỏc trạm vận hành cú thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phận đoạn hoặc một phõn xưởng. Tuy nhiờn, cỏc phần mềm chạy trờn tất cả cỏc trạm hoàn toàn giống nhau, vỡ thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều cú thể chạy thay thết chức năng của cỏc trạm khỏc
Cỏc chức năng tiờu biểu của một trạm vận hành gồm cú:
- Hiển thị hỡnh ảnh quỏ trỡnh : hỡnh ảnh tổng quan, hỡnh ảnh nhúm, hỡnh ảnh từng mạch vũng, hỡnh ảnh điều khiển trỡnh tự, cỏc đồ thị thời gian thực và quỏ khứ.
- Hiển thị hỡnh ảnh đồ hoạ tự do: lưu đồ cụng nghệ, cỏc phớm điều khiển - Hỗ trợ vận hành hệ thống qua cỏc cụng cụ thao tỏc tiờu biểu, cỏc hệ
thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giỳp.
- Tạo và quản lý cỏc cụng thức điều khiển (cho điều khiển mẻ) - Xử lý cỏc sự kiện sự cố
- Chẩn đoỏn hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trỡ hệ thống - Hỗ trợ lập bỏo cỏo tự động
Hệ thống giao diện vận hành trong PCS7 dựa trờn WinCC. Cỏc chức năng điều khiển quỏ trỡnh được thờm vào để sử dụng trong điều khiển tại cấp nhà mỏy. Hệ thống giao diện vận hành trong SIMATIC-PCS7 được gọi là cỏc trạm vận hành OS. Một số trung tõm vận hành sau cú thể sử dụng để điều khiển cục bộ hoặc điều khiển trung tõm như hệ thống độc lập hoặc hệ thống nhiều người sử dụng. Trạm vận hành cho phộp phỏt triển và mở rộng trờn một cấu hỡnh sẵn cú với một vài hệ thống độc lập đến giải phỏp nhiều người sử dụng. Cả dữ liệu cấu hỡnh và phõn cấp được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu liờn hệ và cú thể đọc bằng cỏch sử dụng ODBC hoặc SQL, điều này cú nghĩa là nhiều chương trỡnh ứng dụng chạy song song với cú thể đọc dữ liệu từ OS. Trạm vận hành PCS7 chạy trờn nền Win NT 4.0, nú cho phộp thiết lập cấu hỡnh trực tuyến mà khụng cần ngắt quỏ trỡnh hoạt động.
• Hệ thống độc lập
Là một hệ thống được nối vào hệ thống bus nhờ giao diện CP, nhiều hệ thống độc lập cũng cú thể hoạt động đồng thời trờn một kờnh vận hành, mỗi trạm vận hành làm việc độc lập, việc thờm cỏc hệ thống độc lập khỏc nhau khụng ảnh hưởng gỡ.
• Hệ thống nhiều người sử dụng
Hệ thống cú nhiều trạm vận hành ( OS Client) được cấp dữ liệu từ một trạm OS Server, quỏ trỡnh vận hành và mụ phỏng được thực hiện trờn cỏc OS Client cũn OS Server chịu trỏch nhiệm truyền thụng giữa cỏc PLC và quản lớ dữ liệu. Hệ thống nhiều người sử dụng đem lại cấu trỳc linh hoạt giảm chi phớ, dựa trờn nguyờn lớ Client- Server, cú thể thiết lập cỏc cấu trỳc như Client hoặc nhiều Client
Trạm OS cho phộp thiết lập cấu hỡnh cho màn hỡnh làm việc tại khu vực, thể hiện quỏ trỡnh dưới dạng đồ hoạ, giỏm sỏt nhà mỏy dưới dạng hỡnh ảnh, cỏc dạng thụng bỏo, truy cập theo phõn cấp hỡnh ảnh. Ngoài ra cho phộp thiết lập quyền truy cập, theo dừi cỏc khu vực, cỏc đặc điểm đú...
2.5.3. Truyền thụng giữa cỏc phần tử trong hệ thống
là điều khiển phõn tỏn. Hệ thống bus chia làm hai loại chớnh là:
- Bus hệ thống cú chức năng nối mạng cỏc trạm điều khiển cục bộ với nhau và với trạm vận hành và trạm kỹ thuật.
- Bus trường cú chức năng kết nối cỏc thiết bị hiện trường lờn hệ thống.
Hệ điều khiển quỏ trỡnh SIMATIC PCS 7 sử dụng mạng truyền thụng cụng nghiệp SIMATIC NET. Tất cả cỏc sản phẩm của SIMATIC NET đều được phỏt triển cho cụng nghiệp và cũng cú thể sử dụng trong cỏc mạng thụng thường. Cỏc phần tử của SIMATIC NET được thiết kế để hoạt động trong cỏc mụi trường cụng nghiệp mà trong đú cú sự ảnh hưởng của: trường nhiễu điện từ, chất độc hại, chịu được ỏp suất, nơi cú độ ụ nhiễm cao theo chuẩn OPC.
Chuẩn giao diện OPC (Object linking and embedding for Process Control)
OPC là chuẩn giao diện được dựa trờn mụ hỡnh đối tượng thành phần (D)COM. OPC định nghĩa một số giao diện cho khai thỏc dữ liệu từ cỏc quỏ trỡnh kĩ thuật tạo