Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 & ứng dụng trong công đoạn trộn bột Nhà máy xeo Công ty giấy Bãi Bằng

ại nhất để tích hợp hệ thống là tích hợp các mạng công nghiệp (Industrial Network). Mạng công nghiệp của các hãng tự động hoá hàng đầu trên thế giới đều được tích hợp theo chuẩn ISO. Điều đó có nghĩa là các thiết bị trong mạng không chỉ riêng của một hãng chế tạo mà còn là thiết bị của hãng khác có thể tích hợp thành một mạng hoàn chỉnh. Do vậy sẽ đạt được một kết quả tốt nhất về kỹ thuật và kinh tế. Việc trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hoá với các thiết bị phân tán được thông qua các mạng thông tin công nghiệp chuẩn. Với ứng dụng của mạng thông tin trong nhiều lĩnh vực của các nghành công nghiệp khác nhau đã chứng minh công nghệ này đạt được độ tin cậy cao. Mạng công nghiệp trong những năm gần đây đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, dầu khí, điện năng, chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất xi măng, công nghiệp giấy, công nghiệp khai thác mỏ ... Những hãng công nghiệp chế tạo thiết bị tự động hoá, mà giải pháp kỹ thuật của họ được định hướng như trên là ABB, Honeywell, siemens và Yokogawa. ở Việt Nam mạng công nghiệp cũng được sử dụng trong nhiều nhà máy như: Phả Lại, Lâm Thao, Bãi Bằng ,…...Do đó, để có được các định hướng theo hướng phát triển mới, trong đề tài tốt nghiệp của mình em tập chung nghiên cứu ứng dụng Centum CS3000. Trong phạm vi của đề tài, chúng em đã thực hiện những nội dung sau: Phần 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000: Đề cập đến các vấn đề cơ bản của mạng truyền thông và thông tin công nghiệp, đưa ra mô hình phân cấp, các thiết bị phần cứng, chức năng liên kết mạng trong hệ thống, đồng thời còn đưa ra quá trình tạo một dự án mới. Phần 2: Phần xây dựng hệ thống điều khiển CENTUM CS3000 cho công đoạn trộn bột cho nhà máy xeo, nhà máy giấy Bãi Bằng: Đưa ra được thực trạng của nhà máy và quá trình xây dựng hệ điều khiển cho công đoạn này, bao gồm cả chọn thiết bị phần cứng và các điểm đo lường điều khiển Phần 1 nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán centum cs3000 chương 1 tổng quan chung về hệ thống thông tin công nghiệp I. Khái niệm cơ bản. Hệ thống Truyền thông thông tin công nghiệp thực chất là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai thiết bị với nhau theo kiểu truyền thông được quy định trước, được gọi là các đối tác truyền thông. Đối tác này có thể điều khiển hoặc quan sát các trạng thái của đối tác kia có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Đối tác truyền thông thực chất là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá trình truyền thông. Các đối tác truyền thông có thể cùng nằm trong một thiết bị, ví dụ như các CPU, các module,... là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá trình truyền thông. Trạm là thiết bị (như các hệ thống tự động hoá, thiết bị lập trình, panel điều hành OP, các thiết bị ngoại vi khác) được ghép nối vào một hay nhiều mạng con (Subnetwork ). Mạng con (Subnetwork ) là sự liên kết thống nhất của các phần tử vật lý tham gia vào quá trình truyền thông trong mạng, cũng như của phương pháp truyền thông chung để đảm bảo sự trao đổi dữ liệu trong mạng được thực hiện. Các thành viên trong mạng Subnetwork không nối với nhau theo kiểu truyền thông qua lại, mà có một cấu trúc vật lý chung của một mạng Subnetwork ( MPI, PROFIBUS, ModBus, DeviceNet, ControlNet, Industrial Ethernet ) cấu trúc này được gọi là môi trường truyền thông (Tranfer medium). Mạng (Network) là sự liên kết thông nhất của một hay nhiều mạng con kiểu khác nhau, nó liên kết tất cả các trạm để có thể truyền thông với nhau. Subnetwork Subnetwork Hình 1.1 Mạng truyền thông Nối là tổ chức logic giữa hai đối tác truyền thông trong mạng để thực hiện một dịch vụ truyền thông nhất định nào đó. Nối liên kết trực tiếp với dịch vụ truyền thông. Mỗi một nối có có hai điểm kết thúc, hai điểm này có chứa đựng thông tin về địa chỉ của đối tác truyền thông về cấu trúc đường truyền. Những hàm truyền thông được sử dụng cho điểm cuối cục bộ để chỉ đường nối. Những hàm truyền thông được thiết lập sẵn ở các phần mềm chuyên dụng để đáp ứng các đòi hỏi của dịch vụ truyền thông. Các hàm truyền thông thực hiện việc truyền dữ liệu giữa các đối tác truyền thông, có thể điều khiển các đối tác truyền thông ( ví dụ như ngừng truyền thông ) hoặc giám sát các trạng thái tức thời. Dịch vụ truyền thông và phần mềm chuyên dụng mô tả các hàm truyền thông với các tiêu chuẩn định trước, như trao đổi dữ liệu, điều khiển thiết bị, giám sát các thiết bị và cài đặt chương trình. Một phần mềm chuyên dụng không cần phải thoả mãn tất cả các nhiệm vụ mà dịch vụ truyền thông yêu cầu. Dịch vụ truyền thông có thể chấp nhận các phần mềm truyền thông chuyên dụng khác nhau. Trong khi thực hiện truyền thông, một việc không thể thiếu được là khai báo giao thức truyền thông ( Protocol). Protocol thực chất là sự thoả thuận xác định một quy tắc trao đổi dữ liệu nhất định giữa các đối tác truyền thông để xác định dịch vụ truyền thông được sử dụng. Trong giao thức truyền thông cấu trúc truyền dữ liệu được định nghĩa: đường truyền vật lý, kiểu lắp đặt các đường nối, bảo vệ dữ liệu và tốc độ truyền. Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện tử giữa các trạm. Các tín hiệu điện tử đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng xung nhị phân. Khi lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng cơ bản của chúng là dải thông (dải thông của đường truyền chính là phương truyền - được tính bằng số lượng bit được truyền đi trong một giây. Thông lượng còn được đo bằng một đơn vị khác là baud. Baud biểu thị số lượng thay đổi tín hiệu trong một giây. Độ suy giảm là độ đo sự suy yếu của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng phụ thuộc vào độ dài của cáp. Nhiễu điện từ (EMI- Electromagnetic Interference ) gây ra bởi nhiễu điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng Mật độ dữ liệu là độ lớn của phạm vi lưu trữ dữ liệu không thay đổi với quá trình. Phạm vi lưu trữ dữ liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu có thể làm sai dữ liệu tổng thể. Điều đó có nghĩa phạm vi lưu giữ số liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu thì có thể xẩy ra tại một thời điểm nào đó mật độ dữ liệu bao gồm cả khối dữ liệu cũ và khối dữ liệu mới. II. Nhiệm vụ của hệ thống thông tin công nghiệp 1. Khái niệm hệ thống thông tin công nghiệp Hệ thống thông tin công nghiệp là một khái niệm mới trong kỹ thuật thông tin hiện đại. Nó làm nhiệm vụ thu nhận, biến đổi thông tin trong quá trình đo lường điều khiển và đang là xu hướng của nền công nghiệp tự động hoá các quá trình. Hệ thống bao gồm các quá trình: Thu thập thông tin từ đối tượng Gia công, xử lý thông tin Truyền thông tin trên kênh liên lạc Lưu giữ thông tin Tìm kiếm thông tin để chọn ra những thông tin khác nhau…. Từ đó ta có thể đưa ra định nghĩa về một hệ thống thông tin công nghiệp như sau : Một hệ thống tự động đo, điều khiểu và gia công thông tin theo một Algorithm nào đấy, được kết nối trong hệ thống mạng thực hiện việc truyền tin giữa các đối tác truyền thông trong hệ thống đó theo một giao thức công nghiệp thì được gọi là hệ thống thông tin công nghiệp Sơ đồ khối của hệ thống: Đối tượng nghiên cứu Bộ điều khiển Người thao tác Thiết bị gia công thông tin Biến truyền và lưu giữ Hiển thị Thiết bị thu nhận thông tin Đối tượng nghiên cứu: Là các quá trình công nghệ Thiết bị thu nhận thông tin: Quá trình đo và biến đổi thành tín hiệu chuẩn như các sensor, các tranmiter... Thiết bị gia công: Chíp vi xử lý hoặc máy tính PC Biến truyền và thiết bị lưu giữ : Thông tin được truyền trên các đường dây nhờ các thủ tục giao thức mạng Thiết bị thể hiện: Thông tin được thể hiện theo nhiều cách + Các thiết bị cũ như: - Dụng cụ kim chỉ - Dụng cụ tự ghi - Dụng cụ số + Các thiết bị hiện đại: Màn hình giám sát, Các hiển thị số... - Bộ điều khiển: Bộ điều khiển dùng cho các hệ thống nhỏ là các Microcontroller, còn các hệ thống lớn là các CPU làm việc như một máy tính công nghiệp 2. Nhiệm vụ của hệ thống thông tin công nghiệp : Hệ thống thông tin công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ sau : 2.1. Đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng về số lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu . Đây là quá trình quan trọng nhất bởi từ kết quả này sẽ phục vụ cho các bước tiếp theo trong hệ thống 2.2. Kiểm tra: Là so sánh trạng thái của đại lượng kiểm tra với mẫu và đưa ra tín hiệu để đánh giá . 2.3. Nhận dạng: Xác định xem có sự tương ứng giữa đại lượng cần kiểm tra với mẫu hay không 2.4 . Điều khiển: Từ các kết quả đo nhận được chúng sẽ được tính toán theo các luật điều khiển để đưa tín hiệu ra điều khiển đối tượng 2.5 . Chuẩn đoán: Để giúp cho hệ thống làm việc hiệu quả cần thiết phải chuẩn đoán tình trạng thiết bị. Một hệ thống chuyên kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị thì được gọi là hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật . 2.6 . Tính toán: Đây là quá trình tính toán theo các Algorithm từ các đại lượng đầu vào để đưa ra quyết định. 2.7. Truyền thông: Đây là quá trình rất quan trọng trong hệ thống thông tin công nghiệp bởi ngày nay khi các đối tác tham gia truyền thông là rất lớn thì vấn đề truyền thông tin đảm bảo không lỗi và hiệu quả là vấn đề đặt lên hàng đầu . 3. Các loại hệ thống thông tin công nghiệp . 3.1. Phân loại hệ thống theo sơ đồ cấu trúc. 3.1.1. Hệ thống với cấu trúc song song. đối tượng s CĐCH CĐCH CĐCH MUX Xử lý thông tin đo Hiển thị - Đặc điểm : Các kênh làm việc độc lập với nhau. Ưu điểm : Độ tin cậy cao, tốc độ truyền thông tin cao, nếu hỏng một kênh các kênh kia vẫn hoạt động. - Nhược điểm tốn kém dây dẫn, hệ thống rất phức tạp và chỉ kinh tế trong phạm vi một nhà máy. đối tượng s Đo lường Đo lường Đo lường MUX CĐCH H Xử lý thông tin đo Hiển thị 3.1.2. Hệ thống với cấu trúc nối tiếp. - Đặc điểm: Hệ thống biến tín hiệu song song thành nối tiếp, mỗi tín hiệu chiếm một khoảng thời gian do người thiết kế quyết định và phụ thuộc vào sai số, tốc độ của hệ thống yêu cầu Ưu điểm : tiết kiệm dây dẫn dẫn đến giá thành rẻ Nhược điểm: Độ tin cậy thấp 3.1.3. Hệ thống với cấu trúc song song nối tiếp. Đối tượng ĐL ĐL ĐL ĐL ĐL ĐL MUX MUX CĐCH CĐCH MUX Xử lý thông tin đo Hiển thị Ưu điểm : Độ tin cậy tăng số kênh tăng Nhược điểm : Phức tạp , thường được sử dụng trong các hệ thống lớn 3.1.4. Hệ thống kiểm tra tự động . Đại lượng đo được so sánh với mẫu cho toàn hệ thống, sau đó được đưa về để xử lý kết quả đo phân tích và điều khiển 3. 2. Phân loại theo môi trường truyền đẫn. Hệ thống hữu tuyến: Là hệ thống sử dụng các đường truyền thông tin thông thường như cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục...Tốc độ truyền có thể lên tới hàng Mb/s - Hệ thống truyền vô tuyến: Là hệ thống sử dụng sóng vô tuyến truyền đi trong không gian, đường truyền này rất thích hợp với những khu vực địa hình phức tạp mà ở đó khả năng thực hiện một đường truyền hữu tuyến là không hiện thực. Tốc độ truyền có thể lên đến hàng Gb/s Hệ thống cáp quang: Đây là môi trường truyền dẫn đặc biệt, tín hiệu truyền trên đường truyền là tín hiệu quang sử dụng các bước sóng trong vùng hồng ngoại. Cáp quang có rất nhiều ưu điểm như: khả năng chống nhiễu điện từ cao, tính bảo mật, tốc độ truyền... 3. 3. Phân loại theo mục đích . Hệ thống đo lường: Đó là các hệ thống có nhiệm vụ đo lường các đại lượng vật lý, thông tin ra bằng số hoặc mang tính chất số lượng Hệ thống kiểm tra tự động và điều khiển: Để thực hiện việc kiểm tra (hay điều khiển ) cần thiết phải có giá trị đặt và so sánh đại lượng kiểm tra với chúng Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Trên cơ sở của kết quả đo so sánh với mẫu để đưa ra các cảnh báo về tình trạng thiết bị Hệ thống nhận dạng : Là hệ thống nhận biết thông tin đo có giống mẫu không 3. 4. Phân loại hệ thống theo khoảng cách. Hệ thống gần: Là hệ thống hoạt động trong phạm vi nhà máy bán kính 2 Km. Nó thường sử dụng các chuẩn thông tin như RS422, RS485.... Hệ thống xa: Là hệ thống hoạt động với bán kính lớn hơn 2 Km. Người ta thường sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu như điều chế tần số, điều chế pha... 3. 5. Phân loại theo quy mô hiện đại hoá 3.5.1. Hệ thống tập trung quy mô nhỏ: Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ như hình bên. Một máy tính duy nhất để điều khiển các quá trình con. Các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp điểm - điểm với các máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào ra của nó. Đặc điểm chung nhất của hệ thống này là toàn bộ quá trình xử lý tập chung ở một thiết bị điều khiển duy nhất Ưu điểm của hệ thống này là thích hợp với các loại máy móc và thiết bị và các điểm đo ít bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Tuy nhiên cấu trúc này cũng có hạn chế như: Viếc nối dây phức tạp, giá thành cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn. Độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào một máy tính điều khiển duy nhất. Nếu muốn nâng cao độ tin cậy của hệ thống phải dùng thêm một máy tính dự phòng cho máy tính điều khiển dẫn đến giá thành cao Điển hình cho các hệ thống có cấu trúc tập trung là các hệ thống: CAMAC : Computer Application for Measurement and Control. SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển tập trung : Máy tính điều khiển trung tâm Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành Cảm biến Cảm biến Quá trình con 2 Quá trình con 1 Quá trình con n Cảm biến 3.5.2. Hệ thống có cấu trúc phân tán : Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính điều khiển và tăng tính linh hoạt ổn định của hệ thống, trong cấu trúc phân tán mỗi quá trình con ( hay một nhóm quá trình con ) được điều khiển, giám sát bởi một máy tính riêng Đặc điểm của hệ thống có cấu trúc phân tán là việc phân bố chức năng theo chiều rộng và theo chiều sâu, kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp dùng dây nối và bảng điện cổ điển. Bên cạnh việc sử dụng các cụm vào ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa ra các loại máy tính chấp hành nhỏ (ví dụ như các bộ điều khiển chuyên dụng, các loại vi điều khiển...) xuống các vị trí liền kề với các quá trình kỹ thuật. Sơ đồ chung của hệ thống có cấu trúc phân tán như dưới. Trong cấu trúc này, trung tâm điều khiển bao gồm các trạm kỹ thuật (ES – Engineering Station), trạm thao tác vận hành OS (Operation Station) và trạm phục vụ SS (Server Station) là các máy tính công nghiệp kết hợp với trung tâm điều hành sản xuất. Tại cấp điều khiển và giám sát bao gồm các thiết bị điều khiển tại chỗ như các bộ vi điều khiển, các module vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm ứng và cơ cấu chấp hành được nối lên trung tâm. Nhìn chung, hệ thống cấu trúc điều khiển phân tán ra đời khắc phục được tính năng thời gian thực, tiết kiệm dây dẫn, độ ổn định cao, linh hoạt và phạm vi quản lý rộng. Hệ thống này được giới thiệu chi tiết ở phần sau. Trạm thao tác OS Máy tính điều khiển Trạm kỹ thuật ES Trạm phục vụ SS Máy tính điều khiển Máy tính điều khiển Bộ điều khiển Quá trình I/O Quá trình I/O A S A S Cấu trúc hệ thống phân tán 3.5.3.Hệ thống tích hợp. Ngoài nhiệm vụ đo lường và điều khiển ra, hệ còn có chức năng quản lý kỹ thuật và kinh tế Chương 2 khái quát về hệ thống điều khiển phân tán DCS I. Một số lý thuyết về hệ thống mạng. 1. Cấu trúc mạng và giao thức công nghiệp. 1.1 Cấu trúc mạng (topology). Topology là cấu trúc liên kết mạng, là tổng hợp của các mối liên kết, ở đây liên kết được hiểu là mối liên hệ vật lý hoặc logic giữa các đối tác truyền thông. Liên kết vật lý các đối tác là các trạm truyền thông được liên kết qua môi trường vật lý. Liên kết logic thì các đối tác là các trạm truyền thông không nhất thiết phải là phần cứng mà có thể là chương trình hệ thống, ứng dụng trên một trạm nên quan hệ có tính logic. Với một đối tác vật lý ứng dụng thường có nhiều đối mối liên kết logic được xây dụng trên cơ sở một mối liên kết vật lý. * Các kiểu liên kết logic : + liên kết điểm - điểm : chỉ có 2 đối tác tham gia, về vật lý thì 2 trạm này được nối chung 1 đường dây. + liên kết điểm - nhiều điểm : nhiều trạm nối chung với 1 trạm chủ. Các đối tác sẽ nối chung 1 đường dây. + liên kết nhiều điểm – nhiều điểm : nhiều đối tác tham gia và thông tin được trao đổi theo nhiều hướng. Chúng đều nối trên 1 đường dây. Đây là đặc trưng của mạng truyền thông trong điều khiển phân tán. Topology được hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng và cũng là sắp xếp logic của các nút mạng. *Một số kiểu topology: - Topology hình sao Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông toàn mạng. Các thành viên khác được kết nối với nhau qua trạm trung tâm. Kiểu liên kết vật lý ở đây là điểm - điểm nhưng về mặt liên kết logic thì có thể là điểm – nhiều điểm. Cấu trúc này có nhược điểm là tốn dây dẫn, nếu có sự cố ở trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các mạng truyền thông trong mạng vì vậy trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao Cấu trúc này thường được áp dụng trong các phạm vi nhỏ thường được dùng để mở rộng cấu trúc khác D B C A - Topology vòng lặp: Trong cấu trúc này các đối tác được nối thành vòng kín. Thông tin truyền theo 1 chiều, ưu điểm là tín hiệu được truyền đi xa và ngăn khả năng xảy ra xung đột. Có hai loại mạng vòng là mạch vòng có điều khiển trung tâm và loại mạch vòng không có điều khiển trung tâm. Với mạch vòng có điều khiển trung tâm một trạm chủ sẽ đảm nhận việc truy cập đường truyền. Với mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu. Như vậy, việc kiểm soát đường truyền do các trạm tự phân chia Cấu trúc trunk – line/drop line Cấu trúc daisy chain - Topology bus: Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông được nối trên cùng một dây dẫn chung. Với cấu trúc daisy chain các đối tác truyền thông được nối trực tiếp vào đường truyền. Cấu trúc trunk- line/ drop-line thì có các dây nối từ các thiết bị tới đường bus chung. Cấu trúc này có ưu điểm là đơn giản và tiết kiệm dây dẫn do dùng chung một đường dẫn duy nhất, bên cạnh đó còn có ưu điểm là tính đơn giản, dễ thực hiện. Vì vậy mà cấu trúc này rất phổ biến trong mạng công nghiệp. Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi việc phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu gọi là phương pháp truy cập đường truyền. Tuy nhiên một nhược điểm dễ thấy là tất cả các trạm có khả năng phát và luôn lắng nghe đường dẫn để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không nên phải thiết kế sao cho đủ tải và số trạm tối đa. Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn, khi cần mở rộng mạng thì phải lắp thêm bộ lặp. Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu sử dụng cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN , FOUNDATION FielBus, Ethernet.... Topology cây Bộ nối vòng Bộ lặp Bộ nối sao Bộ nối Cấu trúc cây. Là cấu trúc tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc trên. Đây là cấu trúc thường gặp. Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao. Đặc trưng của cấu trúc này là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra tới các nhánh có thể dùng các bộ nối tích cực hay các bộ lặp để mở rộng phạm vi của mạng. Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác nhau thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng như Bridge, Router và Gateway. Một số ví dụ các hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho mạng đồng nhất là Foundation Fieldbus, LonWorks, DeviceNets và AS-I. 1.2 Giao thức công nghiệp. a. Khái niệm: Để trao đổi thông tin trên mạng, các đối tác truyền thông phải tuân theo các thủ tục chung để phục vụ cho việc giao tiếp gọi là giao thức. Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông. Một giao thức sẽ bao gồm những quy định: Định thời: Quy định về các thủ tục giao tiếp, chế độ truyền dẫn, tốc độ truyền. Ngữ nghĩa: Quy định về nội dung của từng phần trong một khung truyền. Cú pháp: Quy định về cấu trúc Frame. Quá trình xử lý các giao thức có thể là mã hoá tín hiệu hoặc giải mã. Xử lý giao thức là quá trình thực hiện 1 quá trình truyền thông dựa trên cơ sở giao thức đã định. Giao thức chia làm 2 loại : Cấp cao: gồm người sử dụng và thực hiện bằng phần mềm. Ví dụ như FTP (File Tranfer Protocol) dùng trao đổi dữ liệu và truyền xa, HTTP (Hyper Text Tranfer Protocol) để trao đổi dữ liệu truyền xa, MMS (Manuafactory Message Specification) dùng cho giải pháp về đo lường, điều khiển. Cấp thấp: thực hiện nhờ phần cứng. Ví dụ TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) dùng cho mạng Internet, HDLC (High-lever Data Link Control) dùng cho giao diện vật lý của bus trường. Đây là giao thức sử dụng rộng rãi trong hệ thống bus trường. b. Các giao thức công nghiệp hiện đang sử dụng. * Yêu cầu: Dễ dàng cho các hệ thống xử lý: chọn giao thức đơn giản, ví dụ như ASCII. Tính bảo toàn dữ liệu cao: chọn phương thức kiểm tra lỗi hiệu quả, ví dụ CRC. Chuẩn hoá các giao thức: cần phải có giao thức truyền thông công nghiệp chung do yêu cầu trao đổi thông tin từ các thiết bị khác nhau, ví dụ Modbus. Tốc độ truy cập cao: yêu cầu cập nhật đồng thời các thông số từ các thiết bị trường là đồng thời. b.1. Giao thức ASCII: Đây là giao thức đơn giản nhưng nhược điểm là chậm và khó sử dụng đối với các hệ thống lớn, nhiều nút mạng. Giao thức ASCII chỉ sử dụng trong hệ thống không đòi hỏi tốc độ trao đổi thông tin nhanh với 1 trạm chủ và nhiều trạm tớ. ASCII cho Transmitter số: Các Transmitter số có thể coi là các thiết bị đo thông minh, chúng được tích hợp các cổng ghép nối truyền thông như RS232, RS485 … S > DAC àP CT DAC I/O Hình : Cấu trúc Transmitter Các chuẩn này được sử dụng trong việc truyền số liệu giữa trạm chủ-tớ. Sơ đồ ghép nối được mô tả như hình dưới: Master Slave Slave Bus hệ thống +Phần cứng truyền thông: Được ghép theo chuẩn RS232, chế độ truyền đơn công. Trạm chủ sẽ gửi thông báo cho các trạm tớ, trong thông báo có mang địa chỉ trạm nhận. Trạm nào mang địa chỉ này sẽ được nhận và hồi đáp tới trạm chủ. Master Slave1 TxD Slave2 TxD TxD TxD Slave n RxD RxD RxD • Ghép nối phần cứng theo chuẩn RS485: chế độ truyền bán song công. Master Slave1 Slave2 Trạm chủ phát thông báo để các trạm tớ cùng nghe, nếu trạm tớ they địa chỉ đó là của mình thì tiếp nhận và gửi lại cho trạm chủ. Cấu trúc giao thức ASCII : Phương thức hoạt động của giao thức ASCII là cơ chế hỏi / đáp. Chúng được áp dụng truyền thông giữa các trạm chủ (PC/PLC) với các transmitter. Trạm chủ luôn phát tín hiệu 1 cách tuần tự. Độ dài cực đại của mỗi mã trả lời là 20 kí tự. Phương pháp kiểm soát lỗi tổng để kiểm tra giá trị các số HEX trong bản tin. Các thiết bị nối mạng sẽ kiểm tra Bus liên tục để phát hiện ra đầu khung truyền (bắt đầu) thời gian nghỉ đến 1s nhưng nếu quá thì sẽ lỗi. b.2. Giao thức Modbus. Là giao thức được phát triển bởi Modicol. Thực chất là 1 chuẩn giao thức mà dịch vụ thuộc tầng ứng dụng. Vì vậy, nó được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp: TCP/IP, MAP (Manuafacturing Message Protocol). Modbus định nghĩa là một tập hợp rộng lớn các dịch vụ trao đổi dữ liệu quá trình - điều khiển. Modbus thực hiện việc trao đổi giao tiếp giữa bộ điều khiển và thiết bị truyền thông qua cơ chế hỏi đáp. Modbus sử dụng trên các đường truyền RS232 ghép nối với các thiết bị đầu cuối DTE và DCE. Cách thức giao tiếp phụ thuộc vào hệ thống cấp thấp, chia làm 2 loại: + Modbus chuẩn: sử dụng giao diện RS232, các bộ điều khiển có các cổng giao tiếp này có thể được nối mạng với nhau trực tiếp hay qua moderm. Chúng giao tiếp theo cơ chế chủ / tớ, ở đó trạm chủ chủ động gửi yêu cầu cho trạm tớ. + Modbus Plus: là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng. Ví dụ trong giao tiếp điểm-điểm, các bộ điều khiển có thể thay nhau đóng vai trò chủ / tớ. Cơ chế hỏi / đáp: - Thông báo hỏi tới các trạm tớ gồm: + Địa chỉ trạm nhận: 0-247, trong đó 0 là gửi đồng loạt. + Mã hàm: gọi chỉ thị hoạt động trạm tớ cần thực hiện yêu cầu. + Dữ liệu: chứa thông tin bổ xung mà trạm tớ cần thực hiện cho việc trạm gọi. + Thông tin kiểm tra lỗi: giúp trạm tớ kiểm tra sự toàn vẹn của nội dung thông tin. Chu trình hỏi / đáp: Yêu cầu từ trạm chủ địa chỉ địa chỉ mã hàm mã hàm dữ liệu dữ liệu kiểm tra lỗi kiểm tra lỗi trả lời từ trạm tớ Trả lời từ trạm tớ: + Địa chỉ: trạm nhận là trạm chủ. + Mã hàm: trả lời trạng thái của mình. + Chế độ truyền: có thể sử dụng ASCII hay RTU. Chế độ truyền : Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, có thể sử dụng một trong hai chế độ truyền là: RTU và ASCII - Chế độ truyền ASCII: Mỗi byte trong bản tin được gửi 2 kí tự ASCII, ưu điểm là cho phép khoảng trống tối đa giữa 2 kí tự tới 1s mà không gây lỗi. - Chế độ truyền RTU: Trong chế độ RTU (Remote Terminal Units) mỗi byte trong thông báo được gửi thành một kí tự 8 bit, ưu điểm là hiệu suất cao nhưng nhược điểm là mỗi thông báo phải truyền thành dãy liên tục. - Định dạng khung truyền: Các thông báo trong Modbus có nhiều thành phần và chiều dài khác nhau. Khi chế độ truyền được chọn, sẽ có khung ứng dụng được truyền đi. Các kí tự sẽ được truyền đi liên tục ở RTU và gián đoạn ở ASCII. Mục đích chính của việc định dạng khung truyền chính là để đánh dấu điểm khởi đầu và điểm kết thúc của thông báo đồng thời bổ xung thông tin kiểm tra lỗi. b.3. Giao thức HDLC (High-level Data Link Control) Là giao thức chuẩn cho lớp liên kết dữ liệu. Nó được ứng dụng trong việc truyền số liệu điểm- điểm và nhiều điểm, quản lý liên kết và sửa lỗi, cho phép có sự thay đổi các kiểu liên kết. Đây là giao thức hướng bit, các phần tử được xây dựng từ cấu trúc nhị phân và khi nhận dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit. Cấu trúc khung truyền HDLC: Header Traile Flag Address Control Information FCS Flag 8 bit 8 bit 8-16 bit unlimited 16-32 bit 8 bit Sử dụng truyền đồng bộ, các khung truyền cùng một dạng. Phần địa chỉ và điều khiển được hiểu là phần đầu của khung truyền, còn các bit kiểm tra lỗi FCS hay là Traile. + Flag: dùng để nhận biết đầu và cuối khung truyền với dãy bit: 01111110. Dãy này không thể xuất hiện trong các phần thông tin khác nhau nhờ phương pháp bit Stuffing thực hiện ở trạm gửi, tức là cứ sau 1 dãy bít có 5 bit liền nhau có giá trị 1 thì liền sau đó 1 bit 0 được thêm vào. Tại bên nhận, nếu được 5 bit 1 liền trước bit 0 thì bit 0 được tách ra, còn trong tín hiệu là bit 1 thì số liệu nhận sẽ không bị lỗi, kết thúc khung truyền. + Address: chứa địa chỉ bên gửi và nhận. + Control: định danh cho các khung truyền khác nhau: Loại U (unnumbered): có chức năng thiết lập liên kết dữ liệu theo các phương pháp hoạt động khác nhau và để giải phóng liên kết khi cần, đây là loại khung điều khiển. Loại I (information): chứa thông tin người dùng và chức năng kiểm soát lỗi thông tin. Loại S (supervisory): là khung điều khiển có chức năng kiểm soát thông tin dữ liệu khi truyền. + Information: không có chiều dài xác định, phụ thuộc vào thông tin truyền. + FCS (Frame Check Sequence): gồm các bit kiểm tra lỗi, ghi các mã kiểm soát lỗi cho nội dung khung, bao gồm phần nằm giữa 2 Flag. b.4.Giao thức HART (Highway Addressable Remote Transducer). Đây là giao thức cho các thiết bị đo thông minh, được thiết kế cho các vùng dữ liệu được đo truyền từ các thiết bị đo, cảm biến và các cơ cấu chấp hành với kỹ thuật truyền tin số. Các thành phần này được kết nối tới các PLC và máy tính. Có 2 phương pháp chính cho truyền tin của các thiết bị đo thông minh : HART. FieldBus. HART cho truyền số liệu lai là 2 loại tín hiệu Analog và Digital trong khi FieldBus chỉ dùng cho dạng tín hiệu Digital. HART sử dụng kỹ thuật FSK (Frequency Shif Keying) dựa trên tiêu chuẩn truyền thông Bell 202. Hai tần số là 1200 và 2200 Hz được dùng tương ứng cho logic 1 và 0. Dạng tín hiệu trung bình hình Sin với tần số 1200 và 2200 Hz ứng với các tín hiệu Alanog 4-20 mA không được chấp nhận, do đó mà dạng tín hiệu Analog này không thường được sử dụng. Giao thức HART có thể dùng để: Liên kết điểm - điểm với các tín hiệu tương tự sử dụng dòng 4-20 mA. Liên kết với thiết bị trường trong chế độ nhiều trạm chủ. Chế độ điểm- điểm với duy nhất một thiết bị trường ở trường hợp đặc biệt. Thiết bị thông minh đặt tín hiệu ra Analog tới dòng không đổi là 4 mA và truyền đi theo dạng số. HART có 2 cách định dạng truyền số liệu theo dạng số: Chế độ thăm dò/đáp ứng. Chế độ gián đoạn. Trong chế độ thăm dò/đáp ứng thì trạm chủ thăm dò các thiết bị thông minh trên đường truyền và yêu cầu trao đổi thông tin. Trong chế độ gián đoạn thì các thiết bị trường tiếp tục truyền dữ liệu quá trình mà không cần gửi các thông báo đáp ứng. Mặc dù chế độ này thực hiện nhanh nhưng nó không được sử dụng trong mạng nhiều trạm chủ. Những lợi ích khi so sánh HART với các giao thức khác: Cho phép truyền số liệu theo dạng tương tự và số đồng thời. Cho phép một số thiết bị tương tự truyền trên đường truyền cao. Cho phép nhiều trạm chủ điều khiển các thiết bị thông minh tương đương. Cho phép truyền khoảng cách xa số liệu trên đường điện thoại. Cho phép 2 kiểu truyền dữ liệu đan xen nhau. Cho phép sự mềm dẻo của các dạng thông báo của các đặc trưng mới. Cho phép tới hơn 256 quá trình trong thiết bị trường thông minh. Truy cập Bus. Hai phương pháp truy cập Bus có thể được áp dụng độc lập hay hỗn hợp là Token Passing và Master Slave. Nếu áp dụng độc lập, Token Passing thích hợp với các mạng FMS dùng ghép nối thiết bị điều khiển và máy tính giám sát đẳng quyền trong khi đó Master Slave thích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với các thiết bị hiện trường cấp dưới sử dụng Profibus DP hay Profibus PA. Khi sử dụng kết hợp, nhiều trạm tích cực có thể giữ token, một trạm tích cực nhận được token sẽ đóng vai trò là chủ để kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ mà nó quản lý hoặc có thể tự do giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng. Chính vì nhiều trạm tích cực đóng vai trò là chủ nên mạng kết hợp còn được gọi là mạng nhiều chủ. Thời gian vòng tối đa để một trạm tích cực lại nhận được token có thể chỉnh bằng tham số. Khoảng thời gian này chính là cơ sở cho việc tính toán chu kì thời gian của cả hệ thống. c. Các p._.hương pháp truy cập đường truyền. Trong hệ thống mạng công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng Bus đóng vai trò quan trọng bởi: Chi phí ít cho dây dẫn. Dễ thực hiện lắp đặt. Linh hoạt và thích hợp cho truyền dẫn. Có nhiều phương pháp truy cập Bus khác nhau và mỗi phương pháp có ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống. Ta phải quan tâm tới 3 khía cạnh: độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền. Ta sẽ xét tới một số phương pháp truy cập bus. c.1.Phương pháp truy cập Master/Slave. Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân chia thời gian và quyền truy cập bus cho các trạm tớ (Slave). Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy cập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kì để kiểm tra, kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của hệ thống. Nhờ vậy các trạm tớ có thể gửi dữ liệu thu thập được từ quá trình kỹ thuật tới các trạm chủ cũng như nhận các thông tin điều khiển. Master Slave Slave Slave Phương pháp Master/Slave Trình tự giao tiếp của các trạm có thể do người sử dụng quy ước bằng các công cụ lập trình tạo lập cấu hình. Phương pháp này có ưu điểm là việc kết nối các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém và toàn bộ mọi chức năng tính toán đều trên trạm chủ. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm đi do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền. Hạn chế nữa là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất, nếu xảy ra sự cố trên trạm chủ thì toàn bộ hệ thống ngừng làm việc. Chính vì 2 lý do trên mà phương pháp này chỉ sử dụng trong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị khi việc trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa các trạm chủ và các trạm tớ là các thiết bị trường hay modul vào ra phân tán. c.2.Phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access). Trong phương pháp này, mỗi trạm được phân chia thời gian truy cập bus nhất định, các trạm có thể thay nhau lần lượt gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi là lát thời gian (time slice) theo một tuần tự quy định sẵn. Việc phân chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động. Khác với phương pháp Master/Slave, ở đây có thể có hay không có trạm chủ, nếu có trạm chủ thì vai trò của nó chỉ hạn chế ở mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các trạm khác. Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp với các trạm khác. c.3.Phương pháp Token Passing. Token là bức điện ngắn không mang dữ liệu. Mỗi trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ token. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang giữ token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo một chu trình nhất định. Nếu trình tự này đúng với trình tự vật lý sắp xếp trong mạng thì gọi là Token Ring, còn nếu trình tự chỉ có tính chất logic thì gọi là Token Bus. Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi mà còn có thể đóng vai trò kiểm soát sự hoạt động của các trạm khác. Các trạm không có token cũng có khả năng tham gia kiểm soát . token Trạm 1 Trạm 4 Trạm 2 Trạm 3 Trạm 1 Trạm 3 Trạm 5 Trạm 2 Trạm 4 token Phương pháp Token Passing Để kiểm soát mạng, các hoạt động sau được thực hiện: Giám sát token: Nếu do một lỗi nào đó token bị mất hay thừa thì cần phải thông báo xoá token cũ và tạo ra token mới. Khởi tạo token: Sau khi khởi động một trạm có trách nhiệm tạo 1 token mới. Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố phải được phát hiện và tách ra khỏi vòng logic. Bổ xung trạm mới: Một trạm mới cần được kết nối mạng, một trạm cũ được thay thế hay đưa trở lại sau khi sửa chữa phải được bổ xung vào mạch vòng logic để có thể nhận được token. c.4.Phương pháp CSMA/CD (Carrier Sense Multiple with Collision Detection). Theo phương pháp CSMS/CD, mỗi trạm đều có quyền truy cập bus mà không cần một sự kiểm soát nào. Phương pháp này thực hiện như sau; Mỗi trạm đều phải tự lắng nghe đường dẫn, nếu đường dẫn rỗi thì mới được phát thông tin. Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó nên vẫn có khả năng xảy ra trường hợp hai hay nhiều trạm cùng phát tín hiệu trên đường truyền, do đó trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải tự lắng nghe xem tín hiệu nhận được có xung đột hay không. Trong trường hợp có xung đột, các trạm cần huỷ bỏ bức điện của mình và chờ gửi lại. Ưu điểm : đơn giản, linh hoạt và việc ghép thêm hay huỷ bỏ các trạm không ảnh hưởng gì đến hoạt động của mạng. Nhược điểm : tính bất định của thời gian phản ứng. Do tính bình đẳng của các trạm là như nhau nên có thể một trạm phải chờ một thời gian dài, do đó hiệu suất sử dụng đường truyền thấp. c.5.Phương pháp CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải lắng nghe đường dẫn và sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên một phương pháp mã hoá bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung đột, tín hiệu này sẽ lấn át tín hiệu kia. II. Tổng quan về hệ thống DCS : Hệ thống DCS ( Distributed Control System ) là hệ thống điều khiển kết hợp nhiều thành phần khác nhau. Hệ thống bao gồm các module phân tán với các chức năng điều khiển phân tán được liên kết với nhau theo một hệ thống mạng tuân theo các giao thức truyền thông công nghiệp . Hệ thống bao gồm các Module phân tán có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo lường, đưa ra các quyết định điều khiển đối tượng theo các luật đã định sẵn đồng thời nhận các yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát để thực hiện các yêu cầu như gửi số liệu quá trình để lưu trữ lên trên, điều khiển trực tiếp đối tượng khi cần , thực hiện các chức năng phân tán trên các phân đoạn phân tán ( chẳng hạn như phân tán về mặt địa lý, về mặt điều khiển . . . ), các máy tính điều khiển ( như các bộ controller , IP,. . .), . . . Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển theo quá trình ( ra nhiệm vụ cho các phần điều khiển riêng biệt, sau đó chỉ giám sát quá trình đó, hoặc trực tiếp điều khiển một thiết bị hoặc một quá trình nào đó. Cấu trúc này ra đời đã khắc phục được tính năng thời gian thực, tiết kiệm dây dẫn và tính ổn định bền vững của hệ thống tốt hơn, linh hoạt, phạm vi hoạt động của hệ thống này cũng vì thế được mở rộng . Mặt khác với cấu trúc mở khiến cho khả năng giao tiếp của hệ thống được mở rộng đáp ứng các đòi hỏi của quá trình công nghệ . Một trong những minh chứng là công nghệ bus trường sử dụng kỹ thuật truyền thông số, đã làm cho giá thành đi dây giảm, độ tin cậy cao và khả năng chống nhiễu rất tốt. 1. Phân loại các hệ thống DCS Các hệ DCS truyền thống: Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng của các nhà sản xuất cùng với các trạm điều khiển của riêng hãng. Các hệ DCS trên nền PLC: Các PLC giữ vai trò như một máy tính và được kết nối với máy tính. Về cơ bản các PLC cũng có các thành phần giống như các máy tính thông thường, đó là bộ vi xử lý, các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình, giao diện vào ra và bộ cung cấp nguồn. Tuy nhiên, một điểm khác cơ bản là các thành phần giao diện người máy như màn hình, bàn phím và chuột không được trang bị, việc lập trình phải được thực hiện thông qua máy tính gián tiếp riêng biệt ghép nối với CPU thông qua giao diện thiết bị lập trình. Các hệ DCS trên nền PC: Sử dụng máy tính cá nhân PC trực tiếp làm thiết bị điều khiển. Thế mạnh của hệ này là có tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, Và đặc biệt là rất hiệu quả về mặt kinh tế kỹ thuật. Trạm điều khiển là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và được cài đặt các card giao diện bus trường, bus hệ thống 2. Tổ chức của một hệ điều khiển phân tán. Trước hết để có một cái nhìn tổng quát về một hệ thống điều khiển phân tán , ta hãy tìm hiểu về mô hình phân cấp của nó : Hình 2.1. Mô hình phân cấp hệ điều khiển 2.1. Cấp chấp hành . Có chức năng chính là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế đa số các thiết bị cảm biến (sensor), các cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh cũng có thể nhận việc xử lý thô trước khi đưa lên cấp điều khiển 2.2. Cấp điều khiển . Có nhiệm vụ nhận thông tin từ cảm biến, xử lý thông tin theo một thuật toán nhất định và truyền xuống cơ cấu chấp hành, đồng thời cũng nhận thông tin từ cơ cấu chấp hành gửi lên để đưa lên cấp trên nó. Cấp điều khiển bao gồm các thiết bị như : trạm điều khiển hiện trường FCS ( Field Control System ), các hệ thống PLC ( Programmable Logic Controller ) . . . 2.3. Cấp điều khiển giám sát . Có chức năng giám sát, vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được thực hiện ở cấp dưới thì nhiệm vụ của cấp này là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý sự cố . . . Trong cấp này gồm có: Trạm giao diện người - máy HIS ( Human Inteface Station ) : Đó là các máy tính cá nhân có cài đặt phần mềm điều khiển, có khả năng hiển thị các thông tin của hệ thống DCS và các hệ thống phụ khác . Trạm thiết kế kỹ thuật EWS ( Engineering Work Station ) : Thực hiện các chức năng thiết kế, định nghĩa cấu hình mọi thiết bị kết nối trong hệ thống, phân vùng quản lý hệ thống, giải quyết các công việc về kỹ thuật, mở rộng hệ thống. Máy tính thực hiện chức năng của EWS cũng giống như của HIS . 2.4. Cấp quản lý . Bao gồm các mạng máy tính được nối mạng với nhau và có chức năng như : Giám sát, theo dõi, đánh giá quá trình sản xuất, vận hành. Lập kế hoạch sản xuất. 3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển phân tán . Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, sự phân tán thể hiện được sự vượt trội, khắc phục được sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống. Hơn thế nữa, hiệu năng, độ tin cậy và khả năng đáp ứng thời gian thực của hệ thống cũng được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống cấp dưới.  Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều khiển phân tán được thể hiện trên hình sau: Hình 2.2. Cấu trúc hệ điều khiển phân tán Hệ thống bao gồm các Module phân tán có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo lường, sử dụng các hệ thống Bus trường với kỹ thuật truyền tin số để truyền số liệu lên cấp điều khiển giám sát, đưa ra các quyết định về điều khiển đối tượng theo các luật đã định sẵn đồng thời nhận các yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát để thực hiện. Cấu trúc của hệ điều khiển phân tán sẽ nói kỹ hơn trong phần cấu trúc mạng của hệ CENTUM CS3000. 4. Chức năng của hệ thống điều khiển phân tán. 4.1.Chức năng đo lường điều khiển . Đây là một chức năng rất quan trọng của hệ thống, nó cho phép thực hiện việc đo lường các quá trình nhằm thu được số liệu cần lưu giữ, đưa ra các cảnh báo quá trình, đưa vào tính toán để điều khiển đối tượng. Có nhiều phương thức để điều khiển: Điều khiển dùng các bộ điều khiển như PID, các bộ hiển thị . . . Điều khiển theo trình tự: điều khiển theo một chu trình đã định sẵn hoặc điều khiển có điều kiện. 4.2.Chức năng hiển thị. Có thể hiển thị thông tin dưới dạng sau: ă Hiển thị trên các Faceplate. Hệ thống cho phép tổ hợp vài khối hoặc vài biến để tạo thành một Faceplate. Trên mỗi Faceplate có thể có nhiều nút bấm, các đèn báo, các thông tin về giá trị của biến, chỉ thị ă Hiển thị tổng thể. Cho phép người sử dụng có thể quan sát được quá trình làm việc hoặc một công đoạn nào đó của nhà máy. Người vận hành có thể gọi bất kỳ của một công đoạn nào của quá trình để thể hiển thị qua màn hình. ă Hiển thị theo nhóm Cho phép có thể hiển thị vài trang nào đó do quyết định của người vận hành . ă Hiển thị từng điểm Hiển thị từng điểm được ứng dụng cho tất cả các nhãn kèm các thông tin liên quan như thông số hoạt động, điều chỉnh hiển thị song song với kiểu hiển thị faceplate và hiển thị theo nhóm ă Hiển thị dưới dạng đồ hoạ Cho phép người vận hành có thể chọn một điểm nào đó trên màn hình để xem xét, thao tác trên đó . ă Hiển thị báo động Cho phép dùng đèn nhấp nháy hoặc thay đổi màu. Mỗi báo động có kèm theo thơi gian xảy ra, trạng thái của báo động. ă Hiển thị hướng dẫn vận hành Trợ giúp người vận hành trong việc vận hành quá trình sản xuất. ă Các hiển thị khác: cửa sổ trợ giúp, hiển thị thiết bị. . . 4.3. Chức năng kiểm tra tự động . Hệ thống có chức năng kiểm tra trực tuyến các đặc tính như: Bộ xử lý của module dự phòng sẽ hoạt động tính toán song song và đồng bộ để chuyển mạch từ bộ xử lý chính sang ngắt dự phòng không gây ra ngắt tín hiệu và không gây mất dữ liệu đang có trong máy tính Bộ vi xử lý sẽ sử dụng mã sửa lỗi trong bộ nhớ chính để giảm sai lệch do bộ nhớ trong gây ra. Báo cho người vận hành tại trạm vận hành biết khi có sự cố. 4.4. Chức năng lưu giữ số liệu Các số liệu có thể được lưu giữ dưới bảng cơ sở dữ liệu hoặc theo kiểu đồ thị ( trend ) cho phép người vận hành có thể truy cập bất kỳ điểm nào của trend đó để tham khảo các thông số quá trình tại thời điểm trước đấy. 4.5. Chức năng bảo vệ Chức năng này cho phép việc kiểm soát hệ thống được chặt chẽ, chống truy nhập trái phép các chương trình thiết kế và vận hành toàn bộ quá trình sản xuất . 5. Một số hệ điều khiển phân tán trên thị trường Hãng Sản xuất Hệ thống Yokogawa Yokogawa CS1000/CS3000 Honeywell Honeywell TDC3000 Emerson Fisher Provor ABB Fischer and Porter System 6, IndustrialIT Siemens Siemens Pcs7 Chương 3 Hệ điều khiển DCS centum cs3000 I. Tổng quan chung về hệ DCS của YOKOGAWA. 1. Tổng quan chung. 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, tư vấn các giải pháp tối ưu và lựa chọn phương án tối ưu cho người sử dụng. YOKOGAWA thực hiện hỗ trợ các giải pháp như : 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 thường 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 dưỡng. 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 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, được sử dụng để điều khiển và quản lý các thiết bị trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau như: lọc và tinh chế dầu mỏ, công nghiệp hoá dầu, công nghiệp hoá học, công nghiệp dược phẩm, thực phẩm, giấy và nghiền giấy, thép và các vật liệu không có sắt, xi măng, năng lượng, gas, nước và nước 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 người –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 trường vận hành hoạt động thân thiện người 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 thường làm cơ sở cho các trạm HIS và hoặc các trạm giao diện kiểu console thông thường. - Khả năng mạnh của các chức năng điều khiển giám sát + Có thể tới 2500 cửa sổ tạo ra bởi người 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 chương trình Visual Basic và hiển thị sự vận động của quá trình. + Sử dụng các phím vận hành thực hiện các chức năng như những phím tắt gọi chương trình + Cho phép vận hành và giám sát trên phạm vi rộng như các hệ DCS thông thường. - Với hai kiểu trạm điều khiển . + Theo tiêu chuẩn “pair and spare” ( kép và dự phòng; CPU kép trên CPU card, tại một thời điểm có một CPU card active một 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 số lý tưởng 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 được 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 tương tác với các hệ thống đơn lẻ như PLC và hệ thống đo mức chứa… - Hiệu quả kĩ thuật. + Các chức năng tương tác với hệ thống, thiết kế với số đầu vào cần thiết tối thiểu + Các dữ liệu kĩ thuật có thể được đặt tên và lưu lại dưới các file dữ liệu + Một bộ phận của cấu hình hay định nghĩa cho một đơn vị nào đó trong hệ thống có thể được lưu lại và đưa ra tái sử dụng. + Các dữ liệu kĩ thuật có thể được export ra các dữ liệu chương trình ứng dụng khác chạy trên máy tính PC và ngược lại các dữ liệu đó có thể được import ngược trở lại như 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 chương trình , chỉ cần trên máy tính PC thông thường và phần mềm hỗ trợ của hệ thống CENTUM CS 3000 . - Đóng gói điều khiển phân đoạn điều khiển mẻ. + Có thể đóng gói quá trình điều khiển phân đoạn và quản lí dựa trên tiêu chuẩn ISA S88.1 - Tính tương tác giữa CENTUM CS và các sản phẩm tích hợp mXL. + Với bộ chuyển đổi bus bạn có thể thực hiện kết nối tới CENTUM CS , CENTUM CS 1000 , CENTUM- XL , CENTUM-V, và mXL . CENTUM CS có thể được nối trên cùng một bus. + Trong môi trường công nghiệp, một hệ thống điều khiển quá trình cần phải đồng bộ với các hệ thống phụ như (Fatory Automation), hệ thống PLC. Với CS3000 cho phép thiết lập được hệ thống tối ưu, 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 trường hoạt động rất thân thiết với người sử dụng. - So sánh với CS1000 : CS1000 CS3000 Số nhãn giám sát tối đa 8000tag 100000tag Số trạm tối đa 24 256 Số vùng tối đa 1 16 Số trạm tối đa cho một vùng 8HIS,16FCS 64(tất cả),16HIS 2. Cài đặt Centum CS3000 Yêu cầu cấu hình Đối với ổ cứng: thì yêu cầu phải có ít nhất 2 GB trống cho mỗi PC Máy PC có bộ nhớ ảo khoảng 400 MB trở lên Card màn hình : từ 8 MB lên Hệ điều hành : Dùng Window NT , Windows 2000 hoặc Window XP with SP1 ( với phiên bản R3) Cách cài đặt. Trước khi cài đặt phải chuẩn bị : đĩa CD ROM drive( hai đĩa CD ) , đĩa mềm 3,5 inch, phần mềm Service pack 1 Các bước cài đặt : 1. Cài đặt hệ điều hành window (nếu đã cài rồi thì bỏ qua) 2. Cài đặt Service back . Bước này không yêu cầu cho loại HIS console 3. Setup window : Để thiết lập mạng , bộ nhớ ảo và các công việc về sắp xếp bộ nhớ . 4. Cài đặt lại Service pack 5. Cài đặt phần mềm CS3000 và phần mềm hướng dẫn sử dụng cho người vận hành 6. Thiết lập window : Mạng, tên người sử dụng và các thông tin cần thiết để cài đặt CS3000. Các bước cài đặt centum CS3000: 1. Coppy các file trong thư mục..”keycode”.. vào đĩa mềm Sau đó cứ để nguyên đĩa đó . 2. Chạy đĩa CD- ROM có phần mềm CS3000 ( Chạy file setup.exe) 3. Nhấn next 3 lần để xác nhận phần mềm, đích cài và đăng ký tên, bản quyền người sử dụng 4. Một hội thoại để vào ID hiện ra , gõ vào :0cs1k0304724 5. Một thông báo “ Insert next . . . “hãy nhấn NO 6. Thông báo tiếp theo chỉ ra các phần mềm sẽ được cài đặt, nhấn Next 7. Một thông báo hiện ra hãy nhấn NO. Chương trình bắt đầu cài 8. Một thông báo sẽ xuất hiện: Insert next CD- ROM, đưa đĩa thứ hai vào để tiếp tục cài 9. Một thông báo hiện ra, hãy nhấn NO 10. Nhấn next hai lần để chấp nhận cấc yêu cầu cài đặt. 11. Hiện ra thông báo khởi động lại máy, nhấn OK. Thiết lập hệ thống sau khi cài đặt CS 3000. * Công việc 1: Cài đặt bộ Network Drives * Công việc 2: Đặt lại tên vùng kết nối * Công việc 3: Đặt địa chỉ cho mạng Mạng Ethernet: IP address 172.16.1.24 Mạng control bus: IP address 172.17.1.24 * Công việc 4: Adapters và Bindings * Công việc 5: Thay đổi tên máy * Công việc 6: Thiết lập bộ Driver II. Giới thiệu cấu trúc phần cứng: 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. Hình 3.1 – Cấu hình cơ bản hệ thống CS3000 1.HIS – Human Interface Station: Trạm giao diện người máy. HIS là thiết bị được sử dụng chủ yếu trong vận hành và giám sát hệ thống. HIS thu thập các thông tin như thông số công nghệ, giá trị đặt, giá trị đo, tham số điều khiển và các cảch báo, báo động từ FCS để đánh giá tình trạng hoạt động của nhà máy và hệ thống điều khiển. Các thông tin này được thể hiện dưới dạng dễ hiểu, dễ đọc trên màn hình như biểu đồ, đồ thị , văn bản, biểu mẫu trang đồ hoạ. Từ đó nó cung cấp một môi trường vận hành ít lỗi do nhầm lẫn nhất Có hai loại HIS: Console Type HIS và Desktop Type HIS, cả hai loại này đều là các máy tính PC công dụng chung. * Kiểu trạm máy tính thông dụng Desktop Type HIS. Trạm loại này dùng máy tính đa dụng tương thích với IBM PC/AT hoặc máy tính đa dụng tương tính với PC/AT, máy tính của YOKOGAWA. Đặc tính kỹ thuật của máy tính cho HIS như sau: CPU : Pentium 166MHz hoặc mạnh hơn. Bộ nhớ trong : 64 MB trở lên Đĩa cứng : 2GB hoặc hơn (Đĩa phải trống 500MB hoặc lớn hơn) CARD màn hình :1024*768 hoặc hơn, 256 màu Bộ nhớ card màn hình : 2MB hoặc hơn Màn hình : 17 inch hoặc hơn Cổng nối tiếp : Một cổng RS 232C hoặc nhiều hơn ( kiểu 9chân) Cổng song song : Một cổng hoặc nhiều hơn Rãnh mở rộng : PCI, ISA ( Một rãnh PCI cho CARD mạng V/VL một cho CARD mạng Ethernet ) Nguồn cấp : 220 - 240 VA Phần mềm cơ bản : Windows NT phiên bản 4.0 kèm Service Pack 3.0. với phiên bản CS3000 R3 thì có thể chạy trên Windows 2000 hoặc có thể chạy trên Windows XP Service Pack 1.0 * Kiểu trạm máy tính chuyên dụng Console Type HIS Cấu tạo của Console Type HIS bao gồm một bàn giao tiếp và một máy tính PC. Đây là loại HIS có sử dụng công nghệ PC mới nhất để thực hiện các chức năng vận hành của hệ DCS Hình dưới đây thể hiện hai loại màn hình LCD 15” và 18” của Console Type HIS: Hình 3.2 - Màn hình LCD Console Type HIS Trên màn hình kiểu này bao gồm : - Màn hình LCD -Panel cảm giác -Bàn phím chức năng -Ngăn kéo -Bàn phím kỹ thuật -Máy tính PC công dụng chung -Con chuột 2. Trạm điều khiển hiện trường: Field Control Station. Trạm điều khiển hiện trường FCS thực hiện chức năng điều khiển nhà máy. Phần cứng chung được sử dụng cho các trạm điều khiển khu vực trong các hệ thống CENTUM CS 1000 và CENTUM CS 3000 là PFCS và PFCD (gọi chung là PFCS). Phần cứng chỉ được sử dụng trong hệ thống CENTUM CS3000 cho các trạm điều khiển khu vực là các khối điều khiển AFS10S, AFS10D, AFS20S và AFS20D (gọi chung là LFCS). Trong cấu hình chuẩn của PFCS, các thành phần chính của nó gồm 2 khối Nest vào/ra (I/O module Nest) chứa các mô đun vào/ra để chuyển các tín hiệu đi và về từ thiết bị. Bằng việc thêm 1 rack mở rộng vào/ra, một PFCS có thể có tới 5 nest mô đun vào/ra. LFCS bao gồm các Node, I/O Nest và mạng tín hiệu RIO bus. PFCS Trạm điều khiển đơn. PFCD Trạm điều khiển kép. AFS10S Trạm điều khiển đơn kiểu rack treo. AFS10D Trạm điều khiển kép kiểu rack treo. AFS20S Trạm điều khiển đơn kiểu tủ. AFS20D Trạm điều khiển kép kiểu tủ. Tất cả các kiểu trạm điều khiển khu vực này gọi tổng quát là FCS. Với centum CS3000, FCS có những loại sau: • Standard FCS ( LFCS và KFCS) FCS sử dụng RIO Bus để kết nối giữa khối điều khiển FCS với các module vào ra và các module khác KFCS sử dụng ESB bus và ER bus để kết nối giữa khối điều khiển FCS với các module vào ra và các module khác LFCS phù hợp với điều khiển sử dụng số lượng lớn dữ liệu vào ra trong khi đó KFCS phù hợp với ứng dụng điều khiển cần tốc độ cao. • Compact type FCS ( SFCS hay PFCS) FCS này thường được đặt gần thiết bị hoặc quá trình mà nó điều khiển, thường sử dụng cho việc kết nối với hệ thống phụ. - Đối với KFCS: FCU (Field control unit ) và các node được nối với nhau bằng bus ESB (Extended Serial Backboard ) hoặc bus ER (Enhanced Remote) - Đối với LFCS: FCU và các node được nối với nhau qua RIO bus. - Đối với SFCS : Không có node , FCU và I/O unit được nối trên cùng một backplate. Sau đây sẽ giới thiệu cụ thể hơn về các FCS đã nêu ở trên . 2.1 Standard FCS cho FIO (KFCS) Standard FCS cho FIO (KFCS) gồm có một FCU, ESB bus, EB bus và các node unit - FCU (Field Control Unit) bao gồm card và unit, nó thực hiện việc tính toán điều khiển cho FCS. Với FCU kép , Card của bộ xử lý gồm hai chiếc, các thiết bị: nguồn, card giao tiếp với ESB bus và đều được dự phòng kép. - ESB bus và ER bus ESB bus (Extended Serial Backboard Bus) là bus truyền thông sử dụng để kết nối các local node, được cài trên cùng cabinet với FCU. Bus này được dự phòng kép. Khoảng cách lớn nhất có thể truyền là 10 m ER bus ( Enhanced )là bus truyền thông dùng để kết nối các node ở xa với FCU. Việc kết nối này thực hiện bằng các module giao tiếp với ER bus ( được cài đặt trên cùng cabinet với FCU hoặc một vị trí xa cabinet này). Khoảng cách lớn nhất có thể truyền là 185 m ( sử dụng cáp đồng trục 10 base2 ) hoặc 500 m (với cáp 10base5) và có thể đạt tới 2 km khi có sử dụng các bộ lặp quang - Node unit (NU) trên KFCS Node unit (NU) trên KFCS là đơn vị xử lý tín hiệu làm nhiệm vụ chuyển đổi và truyền tín hiệu vào ra số hoặc tương tự nhận được từ các thiết bị hiện trường. Trên NU có các ESB bus node unit cài đặt ở trạm FCS và ER bus node unit cài đặt trên cabinet. Để kết nối, node unit có một module ghép nối ESB hoặc module ghép nối ER và các module vào ra. Hình sau đây mô tả cấu tạo và cách kết nối của node với FCU Hình 3.3 Kết nối của node với FCU 2.2 Standard FCS cho RIO (LFCS) Đối với Standard FCS cho RIO (LFCS), FCU nối tới các node bởi RIO bus. Ta có thể chọn dự phòng cho FCU của CPU và RIO bus. Có thể đặt ở cabinet hoặc đặt ở trên rack ( rack mounting). CPU dự phòng : Đơn hoặc đôi ( kiểu dự phòng kép ). Kiểu lắp đặt : Trên cabinet hoặc rack RIO bus : Đơn hoặc dự phòng đôi • Field control Unit (FCU) cho RIO FCU cho RIO gồm có processor, các card và các unit. Với FCU kép, card xử lý (processor card ), nguồn cấp ( power unit ) và card ghép nối RIO (RIO unit interface card ) đều được dự phòng kép . • RIO bus RIO bus ( Remote I/O bus ) nối FCU tới các I/O node và có thể được dự phòng kép. I/O node không nhất thiết phải ở trên FCU cabinet, chúng có thể được đặt ở xa. Nếu ta dùng cáp xoắn đôi bọc kim thì có thể đặt cách xa 750 m, và nếu sử dụng bộ lặp cùng với sợi quang thì khoảng cách có thể lên đến 20 km. • Node Node bao gồm các unit làm nhiệm vụ kết nối giữa các tín hiệu số và tín hiệu tương tự , các khối giao diện node được truyền thông bằng RIO bus với các FCU. -Khối giao diện Node : Node interface unit (NIU) Khối giao diện Node bao gồm card truyền thông RIO bus và card nguồn, cả hai đều được dự phòng. - Khối I/O bao gồm các I/O module Nest mà nó chứa các module vào ra và được kết nối với bộ xử lý. Hình 3.4. Kết nối node với cấp trường 2.3 Compact FCS (SFCS) Với loại SFCS này thì có nguồn cấp và CPU được dự phòng kép. Trên FCS này gồm có: Bộ xử lý ( processor unit), bộ nối bus điều khiển ( control bus coupler units ), nguồn pin (battery units) , đầu ra công tắc(contact output unit), board nguồn cấp, các module vào ra, rack mở rộng Hình dưới đây là của một compack FCS với các rack mở rộng Hình 3.5. Cấu hình của một Compack FCS 2.4 Cấu hình vào ra :(I/O Module Nests and I/O Modules,Các kiểu Nest module vào/ra) Cấu hình các thiết bị vào/ra: Hình 3.6 Cấu hình các thiết bị vào ra 2.4.1 Nest. Các kiểu Nest: Có 9 kiểu Nest mô đun vào/ra như trong bảng sau: (*2) *2: AMN51 PFCS Bảng 3.7 – Các loại Nest mô đun vào/ra - Nest AMN11 cho các mô đun vào/ra tương tự Nest vào/ra tương tự là nơi để lắp đặt các mô đun vào/ra tương tự. Một Nest mô đun vào/ra tương tự có thể chứa được 16 mô đun vào/ra. - Nest AMN12 cho các module vào ra tương tự với tốc độ cao Các mô đun vào/ra có thể lắp vào Nest vào/ra tương tự như trong bảng sau: Bảng 3.8 – Các module lắp trong Nest AMN11 - Nest AMN31 cho các module khối đầu cuối ( terminal) chứa các module I/O đa nhiệm và module I/O số, có thể có 2 module được đặt trong nest này. Các module vào ra có thể lắp vào nest này: Bảng 3.9 Các module vào ra lắp trên nest AMN31 - Nest AMN32 cho các module vào/ra số (kiểu đầu nối - Connector) Module đa nhiệm đầu vào áp (kiểu đầu nối) và các mô đun vào/ra số (kiểu đầu nối) có thể được lắp đặt trong Nest AMN32, có thể nắp tới 4 module vào ra trên nest này Bảng 3.10. Các module trên AMN32 - Nest AMN33 cho các mô đun thông tin Các mô đun thông tin được lắp đặt trong Nest thông tin AMN33. Có thể lắp tới 2 mô đun trong 1 Nest. Bảng 3.11. Các module trên AMN33 - Nest AMN34 cho các module I/O vào ra Analog điều khiển nhiều điểm, có hai module lớn._. Náy nghiền chính (Nghiền côn) Nghiền chính Nghiền thuỷ lực Nghiền thuỷ lực Bể chứa số 2 Bể chứa Bể chứa Bể chứa Bể chứa số 2 Cô đặc Bể trộn Bể máy Nghiền tinh chỉnh 3% Tăng trắng Tinh bột Lọc cát Sàng áp lực Hàm phun Lưới hình thành Hút chân không ép I ép II ép nhẵn Sấy khô ép keo Sấy khô II Làm lạnh ép quang Cuộn Cắt cuộn Nhập kho Keo AKD Phẩm màu Ben to nit CaCo3 Quá trình xeo giấy hiểu theo nghĩa đơn giản thì nó chính là quá trình sản xuất giấy với nguyên liệu đầu vào là bột giấy, sản phẩm đầu ra là thành phẩm giấy. Bột giấy sử dụng trong nhà máy bao gồm: Bột giấy sản xuất tại nhà máy, bột giấy nhập ngoại dạng kiện và phế phẩm giấy đã bị loại trong quá trình sản xuất. Nhà máy xeo bao gồm 2 dây truyền: PM1 và PM2. Hai dây truyền này hoàn toàn giống nhau về công nghệ và cách hoạt động nên ta chỉ đi chi tiết vào dây truyền 1. Hệ thống điều khiển DCS của nhà máy là hệ CENTUM CS 3000 thực hiện công đoạn chuẩn bị bột cho lưới phun giấy để từ đây giấy được ép, sấy sau đó là cuộn và cắt cho ra giấy thành phẩm theo hệ điều khiển QCS của nhà máy. Ta bắt đầu với từng loại bột được sử dụng trong nhà máy. 1. Bột được sản xuất tại nhà máy Bột sau khi nấu ở phân xưởng bột được chứa trong 2 tháp nồng độ cao Ch70 và C71 ( nồng độ khoảng 10 %). Nguyên liệu tre, gỗ, lứa... sau khi qua nhà máy bột và được xử lý, ta được bột thành phẩm để đưa sang nhà máy xeo: giấy thành phẩm nhà máy bột nhà máy xeo tre, gỗ nứa Bột giấy được chứa trong hai bể này và được quản lý bởi phân xưởng bột nên đối với phân xưởng xeo ta không cần quan tâm tới mức bột có trong hai bể này. Bột từ hai bể này từ đây được đổ trực tiếp vào các bể chứa bột của 2 dây truyền, các bơm 54Pu517 và 54Pu518 được vận hành bằng cách cho MV=0 hoặc MV=2. Bột được đưa vào khuấy Ch63 từ một trong hai bể chứa Ch70 nếu điều khiển van 63L01AMLD hoặc Ch71 nếu điều khiển van 63L01BMLD qua công tắc chuyển mạch bằng cách chọn SEL: Ch70/Ch71 trên trang sơ đồ công nghệ. Thiết bị đo mức 63L01 được đặt trong bể chứa để giám sát và điều khiển lưu lượng bột đưa vào bể. Động cơ khuấy 63Ag123 khuấy bột lên để bột không bị lắng và nồng độ bột được đồng đều. Sau đó bột được hút ra bể chứa Ch63 nhờ bơm hút Pu503, bộ đo nồng độ bột 63Q01 xác định xem nồng độ bột có đạt được giá trị đặt không, nếu nồng độ bột vượt quá giá trị đặt thì bộ điều khiển PID sẽ tự động mở van cấp nước làm loãng nồng độ bột để đạt được set value mong muốn. Thường thì nồng độ bột đạt khoảng 4 % là đạt yêu cầu chú ý cách vận hành điều khiển nồng độ bột ( cách đặt giá trị SV). Tiếp đó bột được đưa vào bể khuấy Ch66, trong bể khuấy này có đặt bộ đo mức 63L04 để điều khiển lưu lượng qua bộ điều khiển PID tác động vào độ mở của van. Bể này cũng có thể nhận bột trực tiếp từ 2 bể chứa Ch70 và Ch71 nếu đạt được yêu cầu về chất lượng và nồng độ bột để tiết kiệm năng lượng khi phải đưa bột qua bể Ch63 do dùng bơm hút và động cơ khuấy có dòng khá lớn. 2. Bột ngoại Do nhu cầu mở rộng công nghệ, mở rộng sản xuất của nhà máy nên lượng bột nội của Bãi Bằng không đủ đáp ứng nên nhà máy đã nhập thêm bột ngoại dạng kiện có nồng độ tượng đối cao ( 90%), lượng bột ngoại này làm tăng thêm độ mịn , độ trắng và dai cho giấy. Tỉ lệ sử dụng bột ngoại vào khoảng 15% - 20% lượng bột sử dụng của toàn nhà máy. Bột ngoại dạng kiện được nhập về có nồng độ cao được đưa vào băng tải chuyển vào 3 bể nghiền thuỷ lực. Bộ máy nghiền thuỷ lực có nhiệm vụ nghiền bột nhập về dưới dạng tấm, kiện kết hợp với nước cấp vào để thu được dạng bột sền sệt. Từ các máy nghiền thuỷ lực này bột được đưa về bể ngâm Ch64-1 nhờ các bơm Pu500, Pu501, Pu502. Trong bể ngâm này nồng độ bột được điều chỉnh đạt khoảng 6%, bơm khuấy 63Ag124-1 khuấy bột liên tục để cho nồng độ bột được đồng đều tránh lắng đọng. Bột được bơm hút sang bể chứa Ch64-2, nó được điều chỉnh nồng độ bột ở khoảng 4,55 nhờ bộ điều khiển PID để điều khiển mở van cấp nước pha loãng nồng độ bột nếu nồng độ bột vượt quá điểm đặt. Bể chứa Ch64-2 có bộ đo mức 63L02 để tác động độ mở của van cấp bột, ở bể này cũng có bơm khuấy 63Ag124 để khuấy bột tránh lắng đọng và làm đồng đều nồng độ bột. Sau đó bột được bơm sang bộ phận nghiền côn và được trộn lẫn với bột Bãi Bằng và bột phế phẩm giấy. Máy nghiền quạt 63DDR-1 dùng để nghiền, cắt nhỏ các sợi bột làm tăng khả năng phản ứng và tạo độ mịn cho giấy. Máy nghiền quạt này được dùng để nghiền bột Bãi Bằng, bột ngoại nhập nhờ đường cấp bột từ chứa Ch63 và Ch64-2 bằng cách chọn: PP use --> sử dụng máy nghiền quạt cho bột nhập ngoại; BP use --> sử dụng máy nghiền quạt cho bột Bãi Bằng hoặc Bypass --> không dùng máy nghiền đĩa. Bột giấy sau khi qua máy nghiền quạt được đưa vào các bể chứa Ch66 ( chứa bột Bãi Bằng) hoặc bể Ch65 ( chứa bột nhập ngoại), từ đây bột lại được đưa sang bộ phận nghiền côn và được trộn vào bể Ch68. 3. Giấy phế phẩm Trong quá trình xeo giấy một lượng lớn bột và giấy loại không đạt yêu cầu được xử lý, tận dụng lại thành bột và được tiếp tục đưa vào sản xuất. Giấy loại, giấy rách ...từ quá trình sản xuất ( 94%) được nghiền thuỷ lực trobng quá trình nghiền bột được vào bể chứa, nồng độ bột lúc này khoảng 3% và đưa tới bể chứa Ch76. Bột giấy rách ở lưới xeo đựoc đưa vào bể trục bung, tại đây giấy được nghiền tạo thành bột giấy vụn và được đưa sang bể giấy vụn số 2. Trong trường hợp bể số 2 có sự cố thì van đóng mở giấy vụn sẽ được đưa sang bể máy. Giấy đứt sinh ra ở khâu sấy được đưa vào bể nghiền cuối sấy, giấy được nghiền nhỏ sau đó nhờ bơm Pu533 bơm sang bể trục bung một phần nhỏ được đưa trở lại bể nghiền cuối sấy. Giấy rách được sinh ra trong công đoạn hoàn thành được đưa vào bể giấy vụn hoàn thành, giấy đã nghiền được đưa sang bể giấy vụn số 2. Nước cấp cho bể trục bung, bể nghiền cuối sấy, bể nghiền giấy vụn hoàn thành được lấy từ bể nước trắng bằng bơm Pu511. Ngoài các nguồn giấy được cung cấp ở trên, bể nghiền giấy vụn số 2 còn tiếp nhận giấy từ bể giấy vụn số 1. Ra khỏi bể giấy vụn số 2 bột giấy được đưa sang máy cô đặc, một phần nhỏ được đưa sang bể nghiền giấy vụn 1. Máy cô đặc sẽ cô đặc toàn bộ bột đã nghiền từ bể giấy vụn số 2, bột sau cô đặc được đưa sang bể giấy vụn 1. Ngoài nguồn bột trên còn có bột từ thiết bị khác đưa vào, bột đã được cô đặc đến nồng độ thích hợp được đưa sang bể trộn 4. Khâu nghiền bột và ép sấy giấy Bột từ các bể Ch65 và ch66 được khuấy lên và hút ra để qua 6 bộ nghiền côn: RF160, RF161... RF165. Bột sau khi đi qua bộ nghiền côn được đổ về bể trộn hỗn hợp Ch67: Bột Bãi Bằng, bột nhập ngoại và bột giấy phế phẩm. Tại bể trộn, bột sẽ được đảo trộn giữa 3 loại bột trên để đạt được nồng độ bột khoảng 4% và nó được pha trộn theo một tỉ lệ nào đó do người vận hành đưa ra. Bộ đo mức 63L05 đo mức bột chứa trong bể Ch67, giá trị đặt được set value cho các bộ điều khiển lưu lượng 63F01, 63F02, 63F03 tương ứng với lưu lượng của các loại bột nói trên. Đây chính là phần điều khiển tầng CASCADE dùng cho bộ điều khiển mức và lưu lượng. Bể bột Ch67 chứa cả 3 loại bột, nó được khuấy đều lên nhờ động cơ khuấy 63Ag127 và được hút ra cho vào 2 bộ nghiền tinh RF166 và RF167 với nồng độ bột vào khoảng 4% Bột từ 2 máy nghiền tinh này được đổ vào bể Ch68, từ đây kết thúc quá trình chuẩn bị bột cho phân xưởng xeo. Công đoạn tiếp theo trong dây truyền sản xuất giấy là bột được lọc cát 4 giai đoạn nhờ bơm quạt bột được đưa sang sàng áp lực. Bột sau sàng được đưa lên máy xeo vào hòm phun để phun tạo hình trên lưới. Bột phun đều theo chiều ngang của lưới trong quá trình hình thành tờ giấy trên lưới đa số sơ sợi nằm theo hướng bột chảy, trong quá trình phun tiến hành rung lưới để giữ cho bột có độ đồng đều. Sau các hòm hút chân không độ ẩm của tờ giấy tuy có giảm nhưng chưa đủ độ bền để chuyển sang bộ phận ép, giấy được đi qua bộ phận trục bung. Dưới tác dụng của độ chân không giấy được tách nước và độ ẩm của giấy lúc này là: 88% - 92%. Dưới tác dụng của lực ép nước từ giấy thoát ra chảy qua các ống mao quản của chăn rồi thoát ra ngoài nhờ độ lệch tâm của cặp ép sau khi ép, giấy ẩm được đưa sang bộ phận sấy. Hơi ẩm được tách ra khỏi giấy bằng cách bốc hơi. Trước khi ép quang giấy được đưa sang công đoạn làm lạnh, ép quang làm hoàn thiện hơn độ nhẵn bóng mịn của tờ giấy. Quy trình sản xuất giấy được hoàn tất, giấy sẽ được mang đi cắt cuộn tạo ra các sản phẩm giấy mang nhập kho và chuyển sang công đoạn tiêu thụ sản phẩm.. Chương II Xây dựng hệ điều khiển CENTUM CS3000 cho công đoạn trộn bột Dây truyền 1 Quá trình công nghệ cho công đoạn trộn bột Để hiểu một cách cụ thể hơn về công đoạn trộn bột này, ta sẽ đi tìm hiểu từ công nghệ của nhà máy xeo. Theo như phần trên đã nói ta thấy công đoạn trộn bột là công đoạn quan trọng nhất trong nhà máy, nó ảnh hưởng tới chất lượng của tờ giấy. Hình dưới là sơ đồ cho công đoạn trộn bột tương ứng với sơ đồ công nghệ trong nhà máy: Bột nội Bột ngoại Bột giấy loại Nghiền thô Nghiền thô Nghiền thô Công đoạn trộn bột Nghiền tinh Khâu sàng, lọc cát và tạp chất Lưới phun bột hình thành giấy Khâu ép, sấy Cắt, cuộn và nhập kho Hình 2.1. Công đoạn trộn bột trong nhà máy xeo Trong đó quá trình công nghệ của khâu trộn bột được mô tả cụ thể như hình dưới: Bể Ch65 Bội nội Bể Ch66 Bội ngoại Bể Ch76 Bội giấy loại Bơm hút 63Pu505 Bơm hút 63Pu506 Bơm hút 63Pu527 Nghiền côn Nghiền côn Nghiền côn Bể chứa ch67 Chứa các loại bột đã được đặt theo tỉ lệ cho trước Đi nghiền tinh Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ cho khâu trộn bột Bài toán đặt ra là ta phải điều chỉnh được tỉ lệ bột đưa vào bể chứa Ch67 sau khi lượng bột đã được nghiền qua các bộ nghiền côn RF160, RF161…RF166. Ba loại bột được chứa trong các bể Ch66, Ch65, Ch78 tương ứng với ba loại bột do Bãi Bằng sản xuất, bột nhập ngoại và bột giấy loại. 1. Các bộ đo lường để giám sát và điều khiển: •Bộ đo mức bột trong bể Ch67: Sử dụng sensor nồng độ MEK 2000 của hàng BTG Các đặc tính cơ bản: Dải đo từ 0.8-10%, độ nhạy 0.005% Dòng đưa ra dạng chuẩn 4-20 mA, trở kháng cực đại là 950Ω ở dòng 20mA. Lưu tốc tối thiểu 0.5 m/s Điện áp cung cấp 110V/220V +/- 10%, tần số50-60Hz Nguyên lý hoạt động: Hoạt động thông qua nguyên lý lực cắt với việc quay thành cảm biến ( chính là cách đo) gây ra moment quay, góc lệch giữa các bánh răng chuyển đổi thành sự sai khác về pha. • Các bộ đo lưu lượng của ba loại bột ( các giá trị 63F01.PV, 63F02.PV, 63F03.PV): Sử dụng sensor lưu lượng của hãng KROHNE, Hà Lan bằng phương pháp từ tính Các đặc tính cơ bản: Dải đo liên tục Tín hiệu ra 0- 20mA hoặc 4-20mA Điều chỉnh lưu lượng từ 1-11m/s chuyển thành 0.5- 5.5 m/s. Điện áp cung cấp 110V/120V/220V/240V, tần số 50-60Hz, công suất tiêu thụ 12VA Nguyên lý hoạt động: Sử dụng nguyên lý về cảm ứng điện từ cuả Faraday, khi một chất lỏng dẫn điện di chuyển qua một từ trường điện áp sẽ sinh ra tỉ lệ với tốc độ dòng chảy ( tại góc 900) và từ trường U=K.B.V.D Trong đó U: Điện áp sinh ra. B: Độ lớn từ trường V: Vân tốc dòng chảy. D: Đường kính ống Còn một loại transimtter đo lưu lượng, mức, áp suất bằng phương pháp chênh áp của hãng NAF, thuỵ điển. Transmitter này được lắp đặt trực tiếp tại điểm đo và chuyển đổi độ chênh áp ở đầu vào thành dòng tỉ lệ trong phạm vi 0-20mA hoặc 4-20mA. Nguyên tắc hoạt động của loại này là dựa trên nguyên lý cân bằng lực: Sự sai lệch áp suất đặt lên màng tạo nên lực cân bằng với việc xuất hiện khi dòng ra chạy trong cuộn dây đặt trong từ trường. Khi sảy ra mất cân bằng lõi cuả máy biến áp vi sai bên trong thay đổi vị, do đó quyết định dòng ra với trạng thái cân bằng mới thông qua bộ khuyếch đại dao động • Các đầu vào feedback của các động cơ: Đây là đầu vào số có dạng như công tắc ON/OFF cho biết trạng thái phản hồi của động cơ. 2. Các thiết bị được điều khiển: Các động cơ khuấy: 63Ag125, Ag126, Ag127. Các bơm hút: 63Pu505, 63Pu506, 63Pu527. Lưu lượng của ba loại bột được đưa vào: 63F01, 63F02, 63F03. 3. Số vòng cần điều khiển: Hướng giải quyết của bài toán điều khiển tỉ lệ bột là dùng bộ điều khiển tầng, khi ta đặt mức bột trong bể chứa Ch67 thì giá trị này chính là điểm đặt cho 3 bộ điều khiển lưu lượng 63F01, 63F02, 63F03. Độ mở của van điều khiển được tính toán tương ứng với tỉ lệ bột được sử dụng. Do đó số vòng điều khiển của bài toán là: + 4 bộ điều khiển PID cho lưu lượng 3 loại bột và mức bể + 14 bộ điều khiển động cơ cho các bơm hút và khuấy II. Xây dựng hệ điều khiển giám sát cho công đoạn trộn bột Các yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật và thiết bị. Để xây dựng hệ điều khiển cho công đoạn này, trước hết ta phải đánh giá hệ thống đo lường điều khiển cũ của nhà máy Toàn bộ hệ thống đo lường điều khiển cũ mang tính chất đo lường điều khiển cục bộ; việc theo dõi, giám sát điều khiển mang tính chất đơn lẻ không đồng bộ, không tập trung nên khó xử lý sự cố; việc lưu trữ số liệu vẫn ở dạng thủ công qua sổ giao ca hoặc sổ thiết bị, đồng thời lại phụ thuộc quá nhiều vào tay nghề công nhân vận hành nên không chính xác. Các thiết bị đo lường điều khiển hiện có bao gồm nhiều chủng loại của các hãng khác nhau nhưng đều ở dạng chuẩn vào ra 4- 20mA, tuy nhiên có một số thiết bị chưa được đưa về giám sát điều khiển ở phòng điều khiển trung tâm Sau khi đáng giá xong toàn bộ thực trạng của hệ thống cũ ta mới có phương án xây dựng hệ điều khiển mới cho công đoạn này, để xây dựng thì các yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật và thiết bị phải được chú ý đến ( tương tự như nhiệm vụ thư ) Yêu cầu về kinh tế: Tận dụng tối đa các thiết bị đo lường, điều khiển và các truyền cũ của nhà máy. Yêu cầu kỹ thuật: Quản lý được quá trình công nghệ trộn bột, có khả năng liên kết với các khối khác và cho phép mở rộng dự án. Đồng thời việc giám sát và điều khiển các điểm đo lường điều khiển phải liên tục, chính xác và hệ thống phải làm việc ổn định. Yêu cầu thiết bị: Các thiết bị phải được cung cấp đồng bộ và phù hợp với các chuẩn đang hiện hành. Đồng thời các thiết bị làm việc chính phải có chế độ dự phòng và cho phép điều khiển bằng tay khi gặp sự cố ở phòng điều khiển, các thiết bị này phải có khả năng thay thế. 2. Tích hợp hệ thống cho công đoạn trộn bột cho nhà máy xeo Tích hợp hệ thống là một công việc hết sức quan trọng cho quá trình xây dựng hệ thống, để có cái nhìn khái quát về công việc này ta có thể diễn giải vắn tắt các công việc cần thực hiện như hình dưới: Lựa chọn hệ điều khiển Lựa chọn cấu hình phần cứng Lựa chọn cấu hình phần mềm Lựa chọn thiết bị Kết nối phần cứng Thuật toán Chương trình Hình 2.3.Tổng quan về tích hợp hệ thống 2.1. Giải pháp tự động hoá Đối với toàn nhà máy thì số điểm vào ra có khoảng hơn 700 điểm nên việc lựa chọn hệ điều khiển cho nhà máy phải dựa trên quy mô vừa và lớn của nhà máy. Để thực hiện phương án giám sát, điều khiển cho nhà máy người ta có ba phương pháp: Hệ điều khiển dựa trên PLC hay hệ SCADA, Hệ điều khiển DCS và hệ lai DCS/PLC. Ta sẽ tìm hiểu ưu, nhược điểm của 3 loại này rồi từ đó đưa ra kết luận là dụng loại nào Hệ điều khiển dựa trên PLC hay SCADA: Hệ này có một máy tính trung tâm, các PLC ghép nối với nhau. Máy tính trung tâm có nhiệm vụ hiển thị kết quả đo và vận hành hệ thống, còn PLC điều khiển các quá trình theo yêu cầu. Do đó hệ thống này có tính chất tập trung cao. Ưu điểm của hệ thống này là có thể vận hành hệ thống từ máy tính trung tâm, có giá thành rẻ và rất thích hợp với các hệ thống vừa và nhỏ. Nhược điểm: Không quản lý được các hệ thống lớn, khả năng dự phòng kém, tính năng mở hạn chế và tính ổn định của hệ thống không cao do đó cũng hạn chế trong vấn đề điều khiển thời gian thực. Hệ điều khiển DCS: Hệ DCS là hệ điều khiển phân tán, nó cho phép điều khiển chính xác từng điểm trên dây truyền công nghệ từ trạm vận hành trung tâm. Hệ thống này bao gồm các trạm điều khiển trung tâm ( giao diện người máy), các trạm điều khiển hiện trường ( gồm các bộ CPU, các module vào ra và các module thông tin) và các thiết bị hiện trường Ưu điểm của loại này là có giao diện tiện lợi cho phép quan sát, điều khiển và hiển thị thông tin một cách dễ dàng; Chức năng dự phòng linh hoạt (dự phòng CPU, nguồn cấp và bus điều khiển); Khả năng đáp ứng nhanh; có tính ổn định cao và rất thích hợp với các hệ thống vừa và lớn Nhược điểm của hệ thống: Đối với những hệ thống nhỏ, hệ DCS tỏ ra không thích hợp do giá thành cao Hệ lai DCS/PLC: Cho phép điều khiển cả hệ thống nhà máy. Hệ thống này bao gồm các máy tính trung tâm, các module phân tán, các PLC ghép nối với nhau và ghép nối với module phân tán trên. Các thiết bị hiện trường gồm có các sensor, các thiết bị đo thông minh, các bộ biến truyền…thiết bị nào có ghép nối RS485/RS422 thì sẽ được ghép nối với PLC. Hệ thống mạng truyền tin của hệ có tốc độ tưong đối cao và được hỗ trợ một số chuẩn Ưu điểm: Hệ thích hợp với hệ thống có nhiều thiết bị truyền thông, khả năng quản lý rộng lớn Nhược điểm: Hệ thống phức tạp, giá thành cao, khả năng đáp ứng thời gian thực chậm do phải qua nhiều công đoạn trung gian và độ tin cậy chưa cao do PLC chưa có tính dự phòng ( chỉ có dự phòng CPU và các module) Kết luận: Do đặc thù của nhà máy và những tính năng ưu việt của hệ DCS so với hai hệ kia như: Tính ổn định cao, khả năng đáp ứng nhanh, tính năng thời gian thực được đảm bảo…nên hệ DCS là thích hợp nhất cho nhà máy Qua những đặc điểm nổi trội của CENTUM CS3000 đã nên ở trên cùng với các lý do sau đây mà nó được sử dụng trong nhà máy: + Chức năng vận hành đơn giản, giao diện thân thiện đối với công nhân vận hành, công cụ lập trình đơn giản dễ sử dụng. + Hệ thống với cấu trúc mở nên ta có thể dễ dàng mở rộng khả năng quản lý và kết nối với các hệ thống khác đồng thời tận dụng được các đầu vào ra cũ cho hệ thống điều khiển mới (Hiện nay, nhà máy mới chỉ sử dụng có 4 node cho các I/O so với khả năng quản lý 10 node cho một FCU nên vẫn gây lãng phí) + Có chế độ bảo hành, bảo dưỡng và chăm sóc khách hàng tốt + Đã có một số hệ DCS của hãng YOKOGAWA đã được thực hiện tốt ở nước ta như: Nhà máy nhiệt điện phả lại dùng CENTUM CS3000, Công ty hoá chất Lâm Thao sử dụng hệ CENTUM CS1000…. + Thiết bị của hãng phù hợp với các tiêu chuẩn và điều kiện môi trường ở nước ta. 2.2 Xây dựng cấu hình phần cứng cho hệ thống 2.2.1 Lựa chọn thiết bị phần cứng Cấu trúc phần cứng của hệ thống tương ứng với mô hình phân cấp của hệ thống DCS bao gồm: Trạm vận hành trung tâm HIS, trạm điều khiển FCS và các bus hệ thống. Ta sẽ lựa chọn các thiết bị phần cứng lần lượt cho các trạm trên: a. Trạm điều khiển giám sát HIS Trạm vận hành trung tâm: Được đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Nhiệm vụ của trạm này : + Trạm sẽ quản lý toàn bộ các điểm đo và điều khiển trong hệ thống. Người vận hành có thể truy cập đến điểm đo, điểm điều khiển bất kỳ trong hệ thống. + Mỗi trạm vận hành bao gồm một bàn phím kèm chuột hoặc bàn phím vận hành + Trạm có khả năng kết nối với những hệ DCS khác, hoặc kết nối ở mức độ cao hơn ( mở rộng hệ thống) Do đó chọn cấu hình của trạm HIS này như sau: máy in Lazer, máy in màu, bàn phím chuyên dụng, máy tính PC(Pentium 4, Tốc độ 2.0GHz, 256 MB RAM, dung lượng 40 Gbyte, CDROM 52x, bộ nguồn dự phòng, phần mềm cơ bản hệ điều hành Windows XP Service Pack) trạm này đã được cài đặt phần mềm CENTUM CS3000. b. Trạm điều khiển hiện trường FCS Nhiệm vụ của trạm này là : + Nhận các tín hiệu từ các thiết bị đo trực tiếp hoặc thông qua hệ thống Bus trường, tính toán theo các luật và đưa ra quyết định điều khiển. + Gửi giá trị và trạng thái của các điểm đo, các điểm điều khiển… về cấp điều khiển giám sát. + Nhận các quyết định điều khiển từ cấp điều khiển giám sát để điều khiển đối tượng. Chọn bộ FCU: AFS40D Duplexed Field Controller Unit. Trạm này có ý nghĩa: Đây là trạm dự phòng kép (duplex) cho loại FIO trên cabinet, có nguồn cấp là 220V-240V và hỗ trợ 5 Node I/O trên tủ. Bảng các thiết bị bên trong FCU Tên thiết bị Số lượng Chủng loại Nguồn cấp 220- 240V 2 PW302 Card CPU 2 CP345 Card giao tiếp bus RIO 2 RB301 Card giao tiếp Vnet 2 AIP502 Cách đặt miền cho trạm FCS như sau: Ta gạt các công tắt kiểu dip switches trên FCU theo quy luật cho trong bảng dưới đây (bao gồm 8 bit) Đối với công đoạn này thì chỉ có một FCS nên các núm gạt là: 00000001 c. Các module vào ra đối với công đoạn điều khiển tỉ lệ bột + Các đầu đo, điểm điều khiển hỗn hợp bột : 6 đầu vào 4 – 20 mA dạng tín hiệu tương tự chọn 1 modul AAM 11(Module vào dạng dòng áp loại có thể mở rộng dải đo) 5 đầu ra tương tự 4 – 20 mA, ta chọn 1 modul AAM 51 ( Module ra dạng dòng/áp) Các địa chỉ cụ thể cho các đầu đo: %Z021101 cho đầu vào đo mức 63L05.PV %Z021102 cho đầu vào đo lưu lượng 63F01.MV %Z021103 cho đầu ra điều khiển lưu lượng 63F01.PV %Z021104 cho đầu vào đo lưu lượng 63F02.MV %Z021105 cho đầu ra điều khiển lưu lượng 63F02.PV %Z021106 cho đầu vào đo lưu lượng 63F03.MV %Z021107 cho đầu ra điều khiển lưu lượng 63F03.PV +Đầu vào feedback của các Động cơ ( Khuấy và nghiền ): Đây là các đầu dạng số Có tổng số 14 đầu vào số kiểu công tắc nên chọn 1 modul ADM 11T (16 kênh kiểu đầu cuối dạng hộp ) Tương ứng có 14 đầu ra số kiểu công tắc nên ta chọn 1 module ADM51T (16 kênh kiểu đầu cuối dạng hộp) + Chọn Module thông tin: Vì các node được liên kết với nhau trên cùng một tủ KFCS nên ta không cần sử dụng bus ER cho các node ở xa, ta chỉ cần chọn module SB401 cho bus ESB với chế độ dự phòng kép. Do không kết nối với hệ thống phụ nên ta không cần quan tâm tới các module truyền thông. Bảng liệt kê tổng số các Module, FCU và module thông tin được sử dụng: Số TT Tên Số lượng Chức năng 1 AFS40D 2 Khối xử lý trung tâm FCU , có dự phòng 2 SB401 2 Module thông tin, có dự phòng 3 AAM 11 1 Module vào dòng/áp tương tự 4 AAM51 1 Module ra dòng/áp tương tự 5 ADM 11T 1 Module vào số dạng công tắc 6 ADM51T 1 Module ra số cho các động cơ * Hệ thống BUS : - Cáp YCB141 (loại 10BASE2 ): Dùng để nối các trạm HIS với nhau, nối Ethernet . loại 10BASE5 : Dùng để nối các trạm HIS với trạm FCS - Đầu cuối Bus điều khiển loại YCB149 - Cáp nối giữa FCS và hệ thống thiết bị trường thông minh thông qua RS485, RS 422 . + Cách đánh địa chỉ cho mạng Ethernet: Dùng phương pháp đánh địa chỉ IP gồm 32 bit, được chia làm 4 phần có dạng như sau: (0-255).(0-255).(0-255).(0-255) 8 bit đầu là địa chỉ của mạng diện rộng WAN 8 bit tiếp theo là địa chỉ của hệ thống (Vnet hay Ethernet) 8 bit sau đó là địa chỉ của vùng ( Domain) 8 bit cuối là địa chỉ của trạm Station Dạng chung của địa chỉ Ethernet của hệ thống là : 128.17.dd.ss Do đó địa chỉ cho công đoạn này là IP: 128.17.00.00 (do chỉ có một trạm và một miền duy nhất) + Cách đánh địa chỉ cho Vnet có dạng: 172.16.dd.ss Tương tự như trên 172 : Địa chỉ của WAN 16 : Địa chỉ Vnet dd : Địa chỉ khối ss : Địa chỉ trạm Đối với bài toán này thì địa chỉ là : 172.16.00.00 * Tủ đấu nối dây (AUX) Gồm các cầu đấu dây để nối các thiết bị hiện trường đưa về với các Modul vào ra của trạm FCS. Gồm các tủ đấu nối : AUX191, AUX192, AUX193 . 2.2 Sơ đồ kết nối các thiết bị: Sau khi đã chọn được các thiết bị phần cứng và cáp đấu nối cho bus hệ thống ta tiến hành đấu nối các thiết bị với nhau theo một kiến trúc tổng quát như hình dưới: HIS0163 HIS0164 Nguồn1 Card CPU CPU Card Nguồn2 PW401 RIO CP345 CP345 RIO PW401 AIP502 AIP502 ESB1 ESB1 SB301 SB301 FCU Vnet Ethernet AAM11 AAM AAM … EB SB Nguồn1 Nguồn2 11T 51T 401 401 ESB Bus Node1 s M Đấu dây trực tiếp 1 2 3 4 5 6 7 8 Dip Hình 2.4. Sơ đồ kết nối mạng cho công đoạn 3. Xây dựng cấu trúc phần mềm. 3.1 Sơ đồ thuật toán Thuật toán cho khâu đặt tỉ lệ bột được mô tả như hình dưới, trong đó người vận hành ban đầu phải tác động đặt tỉ lệ bột theo yêu cầu công nghệ, sau khi hệ thống làm việc thì có thể cho hệ thống làm việc tự động: no Tính toán tỉ lệ bột và khối lượng các loại bột yes Điều khiển lưu lượng bột ổn định? yes Thực hiện điều khiểu tự động Đặt tỉ lệ bột từ người vận hành Start Cho phép Cho phép thay đổi tỉ lệ Đủ 100% yes no hình 2.5. Thuật toán điều khiển cho công đoạn trộn bột Qúa trình công nghệ của ta ở đây là cần đo để điều khiển độ mở của van theo yêu cầu đặt về tỷ lệ bột. Từ đó ta thiết lập được sơ đồ thuật toán quá trình tính toán và khối lượng các loại bột như sau : Start Tính tổng lưu lượng đầu vào CPV = PV1 + PV2 + PV3 Xét CPV = 0 Tính độ mở các van % = CPV/PV *100 - ánh xạ vào bộ điều khiển PID - Đặt tín hiệu vào bộ chia tín hiệu - Hiển thị Tự động điều khiển Kết thúc Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán tính toán tỷ lệ bột 3.2 tóm tắt nội dung thực hiện và kết quả sau khi thực hiện Test Function Trên FCS0101 xây dựng, liên kết các khối chức năng. + Hình 1 là sơ đồ kết nối cho khối điều khiển tỉ lệ bột + Hình 2 là sơ đồ kết nối cho các khối điều khiển động cơ + Hình 3 là sơ đồ kết nối cho khối tính toán khối lượng bột Trên HIS0164 xây dựng các trang giao diện, các khối faceplate và các trang đồ thị quan sát để mô hình hoá cho hệ thống và các thiết bị + Hình 4 là trang giao diện vận hành cho công đoạn trộn bột Hình 1. Khối điều khiển tỉ lệ bột trên FCS0101 Hình 2. Khối điều khiển động cơ trên FCS0101 Hình 3. Khối điều khiển tổng lượng bột trong FCS0101 Hình 4. Sơ đồ công nghệ vận hành trên HIS 4. Chức năng của hệ điều khiển giám sát cho công đoạn trộn bột * Mục đích yêu cầu: Khi thiết kế phần mềm CENTUM CS3000 cung cấp cho ta trang giao diện vận hành và giám sát, do vậy việc thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho công đoạn trộn bột phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Quá trình vận hành phải được thực hiện một cách hoàn toàn tự động - Quá trình điều khiển tỉ lệ bột phải đúng qui trình công nghệ thực tế - Người vận hành có thể dễ dàng giám sát mọi quá trình diễn ra trên công đoạn này - Phát hiện sự cố để có phương án giải quyết kịp thời - Đáp ứng đầy đủ các yêu cầu vận hành như: thu thập , lưu trữ, hiển thị các số liệu, trao đổi tin tức, lập báo cáo… - Các trang giao diện phải thân thiện, linh hoạt và dễ dàng sử dụng Như vậy ta cần phải thiết kế hệ thống đảm bảo được các yêu cầu trên. Dưới đây là trang giao diện vận hành chính cho công đoạn này: Thiết kế trang giao diện vận hành Đối với hệ điều khiển giám sát, giao diện vận hành quan trọng nhất là sơ đồ công nghệ. Đây cũng là màm hình chính của quá trình điều khiển, trên giao diện này quá trình công nghệ được thể hiện bằng các hình ảnh trực quan. Đối với bài toán trộn bột theo tỉ lệ thì trang màn hình công nghệ thể hiện được các yếu tố sau: Hiển thị được tỉ lệ phần trăm nồng độ bột, bởi vì nồng độ bột phải được giám sát một cách chặt chẽ Hiển thị được lưu lượng bột đổ vào bể đối với mỗi loại bột Hiển thị được mức bột trong bể Các nút bấm để chuyển trang màn hình, các khối Faceplate để đặt các thông số điều khiển ngoài ra người vận hành còn biết được trạng thái hoạt động và tình trạng của thiết bị Giám sát được trạng thái hoạt động của các động cơ Đưa ra được các đồ thị quá trình cho các thông số Chức năng lưu trữ các số liệu Các số liệu quan trọng phải được lưu trữ chẳng hạn như lưu trữ khối lượng bột của các loại bột đã được trộn và tổng số lượng bột đã được trộn, do đó khi người vận hành giao ca có thể biết được lượng bột đã được trộn là bao nhiêu ở đây có hai loại lưu trữ là lưu trữ dạng bảng hoặc lưu trữ dạng đồ thị * Chức năng cảnh báo: Đưa ra các cảnh báo về lỗi truyền thông hoặc lỗi vận hành quá trình, chẳng hạn như các cảnh báo về dải điều khiển của nồng độ (0.8- 6%) hoặc các cảnh báo về điều khiển động cơ như cảnh báo mức dương ( khi MV=2 mà PV=0) mức âm ( khi MV=0 mà PV=2). Chức năng cảnh báo sẽ xuất hiện khi có lỗi về phần mềm hoặc thuật toán sai. * Chức năng xuất bản tin: Một hệ thống điều khiển và giám ngoài chức năng thu thu thập tự động thì còn phải có chức năng lập báo cáo tự động. Chức năng này hỗ trợ người vận hành thực hiện các công việc: lập tài liệu hệ thống, đưa ra các báo cáo về trạng thái hệ thống và hoạt động của người vận, cho phép soạn thảo và đưa ra các báo cáo về dữ liệu thu thập được. Kết luận Trong quá trình thực hiện đồ án này, với sự giúp đỡ tận tình của các thầy các cô và đặc biệt là các thầy: Nguyễn Trinh Đường, Nguyễn Anh Tuấn, Hoàng Sỹ Hồng trong bộ môn Đo lường và tin học công nghiệp; Chúng em đã hoàn thành nhiệm vụ đề ra “ Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 và ứng dụng trong công đoạn trộn bột nhà máy xeo Công ty giấy Bãi Bằng”. Kết quả đã thực hiện được các công việc sau: Hiểu rõ được hệ thống truyền tin công nghiệp Nghiên cứu hệ điều khiển phân tán CENTUM CS3000 của hãng YOKOGAWA Thiết kế được dự án trên phần mềm CENTUM CS3000 cho công đoạn trộn bột của nhà máy xeo Quá trình mô phỏng điều khiển cho khâu đặt tỉ lệ và trộn bột đúng với yêu cầu công nghệ đặt ra, hệ thống làm việc ổn định với mức độ tự động hoá cao và độ chính xác trong điều khiển cao. Hướng phát triển của đề tài: nếu được phát triển thêm chúng em nghĩ hoàn toàn có thể hoàn thiện hết các công đoạn trong nhà máy xeo công ty giấy Bãi Bằng hoặc bất cứ nhà máy nào khác sử dụng phần mềm điều khiển CENTUM CS3000. Tuy nhiên do điều kiện hạn chế về thiết bị phần cứng cùng với thời gian và năng lực có hạn, cộng với chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế nên đồ án này khó tránh khỏi những sai sót nhất định. Chúng em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng các bạn sinh viên để sau này có thể hoàn thiện tốt hơn nữa. Chúng em xin trân thành cảm ơn. Một lần nữa chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy: Thầy Nguyễn Trinh Đường, Thầy Nguyễn Anh Tuấn và thầy Hoàng Sỹ Hồng đã luôn tận tình hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt bản đồ án này. Tài liệu tham khảo Yokogawa Electric Corpotion, Centum CS3000 Manuals. Hoàng Minh Sơn, “ Mạng truyền thông công nghiệp”, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật năm 2001 Hoàng Minh Sơn, “ Giáo trình hệ điều khiển phân tán”, Bộ môn điều khiển tự động, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội năm 2001. Bùi Đăng Thảnh, “ Bài giảng môn học hệ thống thông tin đo lường”, Bộ môn Đo lường tin học công nghiệp năm 2001 Bùi Đăng Thảnh, “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán”, Luận văn tốt nghiệp cao học Việt Pháp 1997 Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Thị Vấn “ Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý, NXB Giáo dục Một số trang Web : ._.