CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAFETY
3.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP SAFETY
DCS là viết tắt của Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System), thường được sử dụng trong các quá trình, hệ thống sản xuất và các hệ thống động (dynamic system), trong đó các phần tử điều khiển không được đặt ở vị trí trung tâm, nhưng mỗi một hệ thống con được điều khiển bằng một hoặc nhiều bộ điều khiển trong toàn bộ hệ thống. Toàn bộ hệ thống điều khiển được nối mạng để giao tiếp, điều khiển và giám sát. Một hệ thống DCS tiêu biểu gồm có bộ vi xử lý được thiết kế tùy biến như các bộ điều khiển, kết nối vật lý và giao thức giao tiếp riêng. Module đầu vào và đầu ra tạo nên các thành phần của DCS. Bộ vi xử lý nhận thông tin từ module đầu vào và gửi thông tin đến module đầu ra. Hệ thống điều khiển phân tán DCS là hệ thống chuyên dụng được dùng để điều khiển các quá trình sản xuất liên tục hoặc theo mẻ (Batch- oriented) như trong lọc dầu, hóa dầu, trạm phát điện trung tâm, dược phẩm, sản xuất thức ăn, nước uống, sản xuất xi măng, sản xuất thép và sản xuất giấy.
SIS là hệ thống thiết bị trường an toàn (Safety Instrumented System), thực hiện các chức năng đặc biệt để điều khiển hoặc duy trì trạng thái an toàn của quá trình khi phát hiện các điều kiện quá trình nguy hiểm hoặc không được chấp nhận.
Các hệ thống trang bị an toàn được tách biệt và độc lập với các hệ thống điều khiển thông thường nhưng bao gồm các phần tử tương tự, bao gồm: cảm biến, các bộ xử lý logic và hệ thống phụ trợ.
Hai hệ thống DCS và SIS phục vụ các mục đích khác nhau cho hoạt động của nhà máy. Hệ thống DCS được sử dụng để điều khiển nhà máy an toàn trong quá trình hoạt động bình thường. Vì vậy, nó tập trung vào tính khả dụng cao và thời
GVHD : TS. Trương Đình Châu
HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069
gian trung bình giữa 2 sự cố cao (MTBF). Trong khi đó, hệ thống SIS được sử dụng để chuyển nhà máy về trạng thái an toàn tại thời điểm khẩn cấp hoặc vận hành bất thường.
DCS & SIS về cơ bản không kết hợp với nhau trong một hệ thống vì sự tách biệt giữa DCS & SIS là bắt buộc theo tiêu chuẩn IEC 81508 và ISA S84.01. Chúng có phạm vi và khái niệm thiết kế khác nhau. DCS có:
1. Mức điều khiển cao 2. Cấu hình linh hoạt
3. Tỷ lệ lỗi thấp (Không phân biệt an toàn/nguy hiểm) 4. Ưu tiên tính vận hành và độ khả dụng
Trong khi đó, SIS có:
1. Mức độ an toàn cao (Xác suất hư thỏng theo yêu cầu thấp)
2. Yêu cầu tuân theo các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như IEC & ISA
3. Tuyệt đối an toàn khi hư hỏng (nhấn mạnh vào tính an toàn hơn độ khả dụng).
Một số giải pháp về hệ thống điều khiển an toàn của các hãng:
3.1.1 Hệ thống ProSafe RS của Yokogawa
Với ProSafe-RS, Yokogawa đang mang đến tính năng điều khiển an toàn trong một hệ thống điều khiển hợp nhất, với tất cả được đều nhắm đến hiệu quả sản xuất và chi phí bản quyền thấp.
Điểm mấu chốt trong kiến trúc tích hợp DCS - SIS là một giao thức truyền thông duy nhất, mạnh được phát triển bởi Yokogawa đặc biệt hỗ trợ cho các giao tiếp liên quan đến an toàn trong đường cao tốc dữ liệu chung DCS. Giao thức này cách ly giao tiếp DCS và SIS về mặt logic, để đảm bảo việc tích hợp của giao tiếp an toàn ProSafe-RS trong mạng chia sẻ VNet- mạng đã triển khai bộ lặp kép cho độ tin cậy liên tục của DCS. Đột phá này là một sự mở đầu cho thế giới điều khiển quá trình và đã được kiểm tra độc lập và được phê chuẩn để đảm bảo tính toàn vẹn.
Tính năng chính của hệ thống trang bị an toàn sáng tạo mới của Yokogawa, ProSafe-RS là:
GVHD : TS. Trương Đình Châu
HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 1. Bộ điều khiển an toàn tích hợp thực sự đầu tiên trên thế giới
2. Một quá trình công nghệ, một kiến trúc mạng và một giao diện vận hành chung.
3. Chung kiến trúc mạng.
4. Thiết kế hệ thống dễ dàng.
5. Chuyển đổi dữ liệu giữa các bộ điều chỉnh 6. Đồng bộ thời gian bởi chức năng Vnet chuẩn
7. Thống nhất sự vận hành và giám sát bởi cùng một trạm vận hành (Human Machine Interface).
Hình 3.1 Hệ thống Prosafe RS của Yokogawa 3.1.2 Hệ thống Safety Instrumented Systems của Siemen
Hệ thống Safety Instrumented System của Siemen cung cấp các giải pháp:
Tích hợp Control và Safety: Các bộ điều khiển (controller) cho hai hệ thống điều khiển quá trình và điều khiển an toàn là độc lập với nhau, tuy nhiên chỉ cần 1 phần mềm duy nhất để thiết kế, vận hành và bảo dưỡng cho cả 2 hệ thống. Các chức năng an toàn được tích hợp trực tiếp vào SIMATIC PCS 7 – hệ thống DCS của Siemen.
GVHD : TS. Trương Đình Châu
HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 Hình 3.2 Tích hợp DCS và SIS của Siemens
Các module dự phòng linh hoạt
Hình 3.3 Các module dự phòng trong hệ thống của Siemens
GVHD : TS. Trương Đình Châu
HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069
Truyền thông fail-safe: Siemen phát triển phương thức truyền thông mới là
PROFIsafe dựa trên nền tảng PROFIBUS và PROFINET có sẵn để đáp ứng với tiêu chuẩn an toàn IEC 61508.
Phần mềm thân thiện với người dùng.
3.1.3 Hệ thống Modicon Quantum Safety system của Schneider
Hệ thống Modicon Quantum Safety của Schneider được chứng thực SIL 3 bởi TUV, đáp ứng theo tiêu chuẩn IEC61508 và IEC61511. Tích hợp hệ thống kiến trúc dự phòng nóng Quantum Hot Standby cho phép sửa lỗi trực tiếp mà không phải dừng hệ thống.
Hình 3.4 Hệ thống Modicon Quantum Safety của Schneider 3.1.4 Hệ thống DeltaV SIS của Emerson
Hệ thống DeltaV SIS cung cấp 2 sự lựa chọn: độc lập hoặc tích hợp với hệ thống điều khiển phân tán. Tăng khả năng tích hợp an toàn bằng cách liên tục giám sát cảm biến, bộ xử lý logic và thiết bị chấp hành, với chẩn đoán lỗi trước khi chúng gây ra những trạng thái trip giả.
Hệ thống độc lập
GVHD : TS. Trương Đình Châu
HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 Hình 3.5 Hệ thống DeltaV SIS độc lập
Hệ thống tích hợp
Hình 3.6 Hệ thống DeltaV SIS tích hợp
GVHD : TS. Trương Đình Châu
HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 3.1.5 Hệ thống tích hợp an toàn HC900 của Honeywell
Hệ thống điều khiển tích hợp process và safety HC900 là giải pháp toàn diện gồm phần cứng và phần mềm, bao gồm bộ điều khiển tích hợp process và safety HC900 - đây là bộ điều khiển logic nâng cao đáp ứng được đa dạng về tính năng điều khiển – và Trạm điều khiển 900 (900 control station) nhằm cung cấp một giao diện người dùng trực quan để bổ sung cho bộ điều khiển quá trình và nâng cao hiệu quả điều hành. Các module khác như module dự phòng, kết nối và cấu hình I/O đa năng,
…với khả năng cấu hình toàn bộ giải pháp điều khiển và lưu trữ thông số chương trình nhằm dễ dàng truy xuất, điều chỉnh khi cần thiết.
Hình 3.7 Hệ thống HC900 của Honeywell