Ứng dụng Dcs centum cs3000 trong Công ty giấy bãi bằng

phải tăng ga, ngược lại nếu tốc độ xe vượt quá 50 km/h thì chúng ta phải giảm ga. Kết quả quá trình trên là xe sẽ chạy với tốc độ “gần” bằng tốc độ mong muốn. Trong quá trình điều khiển thì ta phải thu thập thông tin về đối tượng cần điều khiển(quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin về tốc độ xe), tuỳ theo thông tin thu thập được và mục đích điều khiển mà chúng ta có cánh xử lý thích hợp (tác động vào tay ga) để hoạt động của đối tượng theo đúng yêu cầu mong muốn. Định nghĩa: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Câu hỏi thứ hai cũng thường gặp với những người mới làm quen với lý thuyết điều khiển là “ Tại sao cần phải điều khiển? ”. Câu trả lời tuỳ vào từng trường hợp cụ thể, tuy nhiên có hai lý do chính là con người không thoả mãn với đáp ứng của hệ thống hay muốn hệ thống hoạt động tăng độ chính xác, tăng nămg suất, tăng hiệu quả kinh tế. Ví dụ trong lĩnh vực dân dụng chúng ta cần điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm cho một khu nhà căn hộ và các cao ốc tạo ra sự tiện nghi cho cuộc sống. Trong vận tải cần điều khiển các xe hay máy bay từ nơi này đến nơi khác một cách an toàn và chính xác. Trong công nghiệp, các quá trình sản xuất bao gồm vô số mục tiêu sản xuất thoả mãn sự đòi hỏi về an toàn, độ chính xác và hiệu quả kinh tế. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hàng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm được hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot, ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động. II. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển Bộ điều khiển Đối tượng r(t) + e(t) u(t) c(t) - Cht(t) Cảm biến Chú thích các kí hiệu viết tắt : -r(t) (reference input) :tín hiệu vào,tín hiệu chuẩn -c(t) (controlled output):tín hiệu ra -Cht(t) :tín hiệu hồi tiếp -e(t) (error) :sai số -u(t) tín hiệu điều khiển Hình1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển có chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế hết sức đa dạng, sơ đồ khối ở trên là cấu hình của hệ thống điều khiển hay gặp nhất. Trở lại ví dụ lái xe đã trình bày ở trên ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe, thiết bị đo lường là đồng hồ tốc độ và đôi mắt của người lái xe, bộ điều khiển là bộ não người lái xe, cơ cấu chấp hành là tay người lái xe. Tín hiệu vào r(t) là tốc độ xe mong muốn (50 km/h), tốc độ ra c(t) là tốc độ hiện tại của xe, tín hiệu hồi tiếp Cht(t) là vị trí kim trên đồng hồ, sai số e(t) là lượng sai lệch giữa tốc độ mong muốn và tốc độ hiện tại, tín hiệu điều khiển u(t) là góc quay của tay ga. III. Lịch sử phát triển của các giải pháp điều khiển tự động hoá 1. Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển Khi xây dựng một giải pháp điều khiển, ta phải quan tâm tới quy mô và đặc thù của lĩnh vực ứng dụng. Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu và các giải pháp điều khiển đặc thù tương ứng được tóm tắt dưới đây: Hình 2: Các ngành công nghiệp ứng dụng điều khiển Điều khiển các thiết bị và máy móc đơn lẻ ( công nghiệp và gia dụng ) các máy móc, thiết bị được sản xuất hàng loạt. Vì vậy yêu cầu đầu tư cho giải pháp điều khiển phải thật tiết kiệm ( chương trình nhỏ tốn ít bộ nhớ ). Các bài toán điều khiển có thể rất khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển phản hồi, điều khiển chuyển động, điều khiển mờ … Các giải pháp điều khiển tiêu biểu là điều khiển nhúng ( vi xử lí, vi điều khiển, CNC, PLC, … ). Tự động hoá công nghiệp, được chia ra làm hai lĩnh vực : Công nghiệp chế biến, khai thác : các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển quá trình ( process control ), điều khiển trình tự ( sequence control ), bên cạnh điều khiển logíc. Các thiết bị được dùng phổ biến là PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controlers. Công nghiệp chế tạo, lắp ráp: Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển sự kiện rời rạc . Các thiết bị được dùng chủ yếu là PLC, CNC, PC. Nay các hệ DCS cũng tìm được một số ứng dụng trong lĩnh vực này. Điều khiển các hệ thống giao thông vận tải: Đặc thù là bài toán điều khiển logic, điểu khiển sự kiện rời rạc. Các thiết bị được dùng là PLC, DCS, PC , … Điều khiển các hệ thống phân phối năng lượng ( dầu khí, gas, điện ): kết hợp giữa các bài toán điều khiển quá trình với điều khiển sự kiện rới rạc, điều khiển logic, sử dụng PLC, DCS , IPC, … Tự động hoá toà nhà: Rơle, PLC, Vi xử lí, vi điều khiển … Điều khiển và giám sát các hệ thống quốc phòng: IPC, vi xử lí, vi điều khiển, DSP và các thiết bị đặc chủng khác. Điều khiển và giám sát các hệ thống thuỷ lợi, môi trường: PLC, IPC … 2. Quá trình phát triển của các hệ thống điều khiển Hình 3: Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển phân tán 2.1. PID và RƠ-LE Từ thế kỉ thứ 18, sau khi bộ điều chỉnh cơ với cơ cấu quả cầu ly tâm do James Watt xây dựng được áp dụng trong điều chỉnh tốc độ turbin, các bộ điều chỉnh PID khí nén và điện tử cùng với các rơ le điện cơ lần lượt ra đời vào nửa đầu thế kỉ 20 góp phần tạo nên bộ mặt của kĩ thuật điều khiển tự động kinh điển. Việc tự động hoá các quá trính sản xuất, các quá trình công nghệ được thực hiện dựa trên nền tảng của cấu trúc điều khiển cục bộ. Mỗi bộ điều khiển có một chức năng riêng biệt, phụ trách một vòng điều khiển độc lập. Ngay cả nhiệm vụ vận hành giám sát nhiều khi cũng phải thực hiện cục bộ, tại chỗ. Mặc dù lạc hậu trên nhiều phương diện, cấu trúc này tỏ ra đặc biệt tin cậy. 2.2. DDC và PLC Một điểm mốc đáng nhớ là năm 1962, khi hãng Imperial Chemical Industries (ICI) của Anh Quốc lần đầu tiên đưa ra giải pháp điều khiển số trực tiếp ( Direct Digital Control, DDC). Với sự phát triển của kĩ thuật máy tính số mini trên cơ sở transistor và lý thuyết điều khiển hệ trích mẫu, giải pháp DDC được nói nhiều tới trong những năm 1965- 1975. Thực chất, đây là giải pháp điều khiển tập trung, kém hiệu quả về mặt kinh tế và kém tin cậy về mặt kĩ thuật. Trong khi đầu tư cho mỗi máy tính điều khiển vào cỡ 100.000 đô la Mỹ, hầu hết các hệ thống DDC thời đó đều phải trang bị giải pháp dự phòng tương tự, gây tốn kém và lãng phí. Trong khi DDC chỉ có vai trò trong các ngành công nghiệp chế biến, thì sự ra đời của PLC ( Programmable Logic Controller ) góp phần quan trọng trong tự động hoá các xí nghiệp chế tạo, lắp ráp. PLC thực chất là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điểu khiển Rơle cứng, do Modicon với nhà phát minh Richard Morley lần đầu tiên đưa ra vào năm 1968. Đến nay số lượng chủng loại PLC có mặt trên thị trường đa dạng đến nỗi khó có thể bao quát. Với PLC, ta có thể có một hệ thống điều khiển có cấu trúc tập trung cũng như phân tán tuỳ theo quy mô của ứng dụng. 2.3. SCADA Trước khi nói về SCADA ta đi xem xét cấu trúc điều khiển tập trung trong công nghiệp Hệ thống điều khiển tập trung Hệ thống này có một máy tính duy nhất dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật. Máy tính điều khiển ở đây có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hay các bộ điều khiển khả trình. Hình 4: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra tập trung Trong công nghiệp, MTĐK thường đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Có hai cấu trúc điều khiển tập trung là: điều khiển tập trung với vào ra tập trung (cảm biến và cơ cấu chấp hành nối điểm -điểm trực tiếp với MTĐK); điều khiển tập trung với vào ra phân tán (Các modul vào ra được đẩy xuống cấp trường-Distributed I/O). Vào ra tập trung có nhược điểm là tốn dây và công lắp đặt, hơn nữa tín hiệu truyền bị ảnh hưởng của nhiễu gây sai số, vấn đề này khắc phục bởi Bus trường ở vào ra tập trung. Hình 5: Cấu trúc hệ thống điều khiển tập trung với vào ra phân tán SCADA Ban đầu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) được hiểu là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về một khu trung tâm để xử lý. Hệ thống truyến thông được đặt lên hàng đầu và các thiết bị phần cứng được quan tâm nhiều hơn. Hệ thống SCADA hỗ trợ con người trong việc quan sát và điều khiển từ xa, có giao diện người máy. Nó bao gồm các trạm điều khiển trung tâm: Engineering Station (ES), Operator Station ( OS), Server Station (SS), các trạm thu thập dữ liệu trung gian: Remote Terminal Unit ( RTU ), Data Collection Unit ( DCU ): PLC, PC, I/O, hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông công nghiệp, mạng viễn thông / truyền dữ liệu đường dài ( vô tuyến, hữu tuyến ), các thiết bị dồn kênh, chuyển đổi ( Modem, Multiplexer ). Các công cụ phát triển ứng dụng như hỗ trợ trao đổi tin tức ( Messaging ), xử lí sự kiện ( Event ), sự cố ( Alarm ), hỗ trợ việc thống kê và lập báo cáo (Reporting ). Phần mềm kết nối với các nguốn dữ liệu ( Drivers cho các PLC , các Module vào / ra, cho các hệ thống bus trường ). Theo xu thế hiện nay SCADA được hiểu là một hệ điều khiển phân tán có sẵn. Hạ tầng cơ sở hệ thống truyền thông cấp dưới đã có sẵn, các máy tính điều khiển thông dụng như PLC, PC có thể thay thế hoàn toàn các bộ RTU. Trong mạng thông tin toàn cục trong một công ty có sẵn: hạ tầng cơ sở hệ thống truyền thông ở cấp trên ( Ethernet, FDDI – Backbode, Leased Line, Satelite …. ). Các dịch vụ truyền thông, truyền tải dữ liệu đường dài thuận tiện, vấn đề truyền thông được giảm nhẹ. 2.4. DCS Một hướng phát triển quan trọng từ giải pháp DDC là các hệ điều khiển phân tán tích hợp ( Distributed control system). DCS là một giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp và phân tán, được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế biến. Trạm điều khiển trong một hệ DCS là các máy tính chuyên dụng trong điều khiển quá trình, có cấu trúc Module, khả năng xử lí số thực lớn. Tương tự như PLC, các trạm điều khiển DCS cũng cho phép lập trình và thay đổi chương trình một cách rất linh hoạt bằng các công cụ phần mềm mạnh. Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do Honeywell trình làng vào năm 1975. Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục được phát triển và tiến hoá, với nhiều sản phẩm DCS của các tập đoàn lớn khác như ABB, YOKOGAWA, SIEMEMS, EMERSON … Nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không còn được gắn cái tên DCS. Ngày nay, khái niệm DCS được hiểu với nghĩa rộng hơn nhiều, để chỉ tất cả các hệ thống điều khiển tích hợp toàn diện có cấu trúc phân tán. Vì thế, ứng dụng các hệ điều khiển phân tán không những phổ biến trong công nghiệp chế biến, mà còn lan rộng sang các lĩnh vực khác. Các hệ DCS ngày nay chiếm khoảng 15% thị phần trong cả thị trường tự động hoá. DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, tuy nhiên không phải bất cứ giải pháp điều khiển phân tán nào cũng là DCS. Ta hoàn toàn có thể xây dựng các hệ thống tự động hoá có cấu trúc phân tán dựa trên nền DCS, PLC , IPC… Cũng phải nói rằng, đôi khi cũng khó có thể phân biệt rạch ròi giữa các thiết bị điều khiển nói trên. Ví dụ, một giải pháp DCS có thể sử dụng PLC ( PLC based DCS ) hoặc IPC ( PC–based DCS ) cho các trạm điều khiển của nó. Do có sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp máy tính, các thiết bị điều khiển ngày càng giống nhau hơn về bản chất. Một khái niệm thường được dùng rộng rãi gần đây là hệ điều khiển lai ( Hybrid Control System ), trong đó mỗi trạm điều khiển có thể mang dáng dấp của một DCS kinh điển, một PLC hoặc một IPC hiện đại. Sự phát triển của các giải pháp điều khiển đương nhiên cũng không chỉ dừng ở đó. Xu thế sử dụng bus trường và các thiết bị trường thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ sở đã tạo ra các giải pháp điều khiển hoàn toàn mới. Và khi không biết gọi tên giải pháp đó chính xác là gì, người ta sẽ dùng các khái niệm chung chung như hệ thống tự động hoá quá trình ( Process Automation Systems), hệ thống tự động hoá xí nghiệp ( Factory Automation System ) hoặc hệ thống tự động hoá kĩ thuật số ( Digital Automation System ). Hình 6 : Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển phân tán Chương II Cơ sở của hệ thống điều khiển phân tán DCS I Mạng truyền thông công nghiệp. 1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Sự phổ biến của các giải pháp tự động hóa sử dụng hệ thống truyền thông số là kết quả của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và đương nhiên là cả kỹ thuật tự động hóa . Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm để chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ cảm biến,cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp quản lí công ty. 2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp Ghép nối các thiết bị trao đổi thông tin là một trong các vấn đề cơ bản trong bất cứ một giải pháp tự động hoá nào. Một bộ điều khiển luôn cần phải ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện cả quá trình điều khiển sản xuất. ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần ghép nối với nhau và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển. Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp (như minh hoạ ở hình trang bên) mang lại một loạt những lợi ích sau: - Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối thông qua một đường truyền duy nhất. - Tiết kiệm dây nối và công thiết kế lắp đặt hệ thống -Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin - Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: một hệ thống mạng chuẩn hoá quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau - Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán ,định vị lỗi, sự cố của các thiết bị. Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống. Hình 7: Nối mạng công nghiệp 3. Đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Hình 8: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất. Với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau,như minh hoạ ở hình trên. Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi xử lý lại lớn hơn nhiều. Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hóa nói chung cũng như hệ thống truyền thông nói riêng của một công ty. Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “Bus” thường được dùng thay cho “mạng” với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu Bus. 3.1. Bus trường (fieldbus) Bus trường là các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của lớp chấp hành là đo lưồng, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Bus trường có nhiệm vụ chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là Profibus, ControlNet, Interbus-S, Can, Modbus.. và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus, DeviceNet, As-i, Eib và Bitbus. 3.2. Bus hệ thống(system bus) Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống hay quá trình(process bus). Khái niệm sau chỉ dùng trong điều khiển quá trình. Chú ý sự phân biệt giữa bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là các thiết bị được kết nối. Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được dùng cho cả ở hai cấp này. Kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng như Industrial Ethernet. Bên cạnh đó phải kế đến Profibus-Fms, Modbus Plus và Fieldbus Foundtaion’s High Speed Ethernet. 3.3. Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như các hệ thống điều khiển tự động, các số liệu, thống kê về quá trình sản xuất và sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệch điều hành. Hai loại mạng dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. 3.4. Mạng công ty Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của mạng xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ với các khách hàng như thư viện điện tử, Email,hội thảo từ xa qua điện thoại, cung cấp dịch vụ truy cập Internet, thương mại điện tử…. Mạng công ty đòi hỏi tốc độ truyền thông và độ tin cậy,an toàn đặc biệt cao. Fast Ethernet,FDDI,ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong tương lai và hiện tại. 4. Cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông công nghiệp 4.1. Các khái niệm cơ bản 4.1.1. Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Thông tin là một trong các khái niệm cở sở quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và năng lượng. Các đầu vào và đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin.Thông tin là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin. Hệ thống kỹ thuật Vật chất Vật chất Năng lượng Năng lượng Thông tin Thông tin Hình 9: Vai trò của thông tin trong các hệ thống kỹ thuật Thông tin là một đại lượng khá trừu tượng, vì vậy cần biểu diễn dưới một hình thức khác. Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy các bit [1,0]. Việc trao đổi thông tin (giữa người và người, giữa người và máy) hay dữ liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Tín hiệu là một đại lượng vật lí chứa đựng thông tin/dữ liệu có thể truyền dẫn được. 4.1.2. Giao tiếp và truyền thông Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau, được gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phương pháp được qui định trước. Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác kia. Các đối tác giao tiếp có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật-tức là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc các chương trình phần mềm (đối tác logic). Trên cở sở các dạng tín hiệu khác nhau, người ta có thể phân biệt các dạng giao tiếp như sau: Giao tiếp tiếng nói Giao tiếp hình ảnh Giao tiếp văn bản Giao tiếp dữ liệu 4.1.3. Tốc độ truyền, tốc độ bit Tốc độ truyền hay tốc độ bit được định nghĩa bằng số bit dữ liệu được truyền tải trong một giây, tính bằng bit/s (Baud, bps). V=f*n ; f: tần số; n: số bit truyền trong một nhịp; V: tốc độ bit 4.1.4. Thời gian bit,chu kỳ bit Được định nghĩa là thời gian trung bình để chuyền đi một bit : TB=1/V. 4.1.5. Tính năng thời gian thực Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hoá nói chung và các hệ thống Bus trường nói riêng. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau: Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể Tính tiền định: Dự đoán được trước về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống. 4.2. Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được truyền giữa các đối tác truyền thông, có thể nhìn nhận từ các góc độ sau đây: 4.2.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp Truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển.Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song,ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit. Truyền bit nối tiếp, từng bit được truyền đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất. Tốc độ truyền tải hạn chế nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều dùng phương pháp này. 1 0 1 1 0 10110011 0 1 1 *Truyền bit song song *Truyền bit nối tiếp Hình 10: Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 4.2.2. Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạnBộ phát Bộ thu Bộ thu phát Bộ thu phát Bộ thu phát Bộ thu phát 10110111 A 10110111 B 10110111 C 11010011 A:Simplex B:Half –duplex C:Duplex Hình 11: Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn 4.2.3. Truyền đồng bộ và không đồng bộ Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định.Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung 4.2.4. Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng. Truyền tải dải cơ sở là phương pháp được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. 4.3. Cấu trúc mạng-Topology Ta đã biết có thể phân biệt các kiểu liên kết sau đây: Liên kết điểm-điểm(point to point); liên kết điểm-nhiều điểm(multi-drop); liên kết nhiều điểm( multi point).Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp. Topology là cấu trúc liên kết của một mạng. Có thể hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng, nhưng cũng có thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, các định nghĩa về tổ chức logic và các mối liên kết giữa các nút mạng. Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là bus, mạch vòng(tích cực) và hình sao.Một số cấu trúc phức tạp hơn, ví dụ cấu trúc hình cây có thể được xây dựng trên cơ sở phối hợp ba cấu trúc cơ bản. 4.3.1. Cấu trúc Bus Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sư dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt. Cấu trúc dạng bus có ba kiểu cấu hình: daisy- chain và trunk-line/drop-line và mạch vòng không tích cực. Hai cấu hình đầu được xếp vào cấu trúc đường thẳng. Các đoạn dây dẫn Trunk-line Drop-line Drop-line a, daisy-chain b, trunk-line/drop-line C. mạch vòng không tích cực Hình 12: Các cấu trúc dạng Bus Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong những mạng truyền thông công nghiệp. Tuy nhiên việc dùng chung một đường truyền duy nhất đòi hỏi một phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay phương pháp truy nhập bus. Nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: tại một thời điểm chỉ có một thành viên trong mạnh được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận. 4.3.2. Cấu trúc mạch vòng (tích cực) Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia một cách tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu. Khác với cấu trúc đường thẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều qui định. Master a. Không có điều khiển trung tâm b. Có điều khiển trung tâm Hình 13: Hai kiểu cấu trúc mạch vòng . Ưu điểm cơ bản của mạng theo cấu trúc kiểu này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại, do vậy mạng có cấu trúc mạch vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn. Một ưu điểm tiếp theo của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm ngừng làm việc. 4.3.3. Cấu trúc hình sao Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, được gọi là chủ (Master). Một cấu trúc hình sao điển hình ta hay gặp đó là các bộ chia, thường dùng vào mục đích mử rộng các cấu trúc khác. Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch. Một nhược điểm lớn của cấu trúc hình sao là nếu trạm trung tâm bị hỏng thì sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục được. Vì vậy trạm trung tâm phải có độ tin cậy rất cao. *- Hình 14: Cấu trúc hình sao Một nhược điểm lớn của cấu trúc hình sao là nếu trạm trung tâm bị hỏng thì sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục được. Vì vậy trạm trung tâm phải có độ tin cậy rất cao. 4.3.4. Cấu trúc cây Một mạng có cấu trúc cây là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng, hoặc hình sao. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực(active coupler), hoặc muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (repeater). 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. Môt số hệ thống cho phép xây dung cấu trúc cây cho một mạng đồng nhất là LonWorks, DeviceNet và AS-i. Bộ nối Bộ lặp Bộ nối sao Bộ nối vòng Hình15: Cấu trúc cây . Kiến trúc giao thức Chương trình ứng dụng Chương trình ứng dụng 7 7 Application Lớp ứng dụng 6 6 Presentation Lớp biểu diễn dữ liệu 5 5 Session Lớp kiểm soát nối 4 4 Transport Lớp vận chuyển 3 3 Network Lớp mạng 2 2 Datalink Lớp liên kết dữ liệu 1 1 Physical Lớp vật lý Môi trường truyền thông Đường đi của dữ liệu Quan hệ Logic giữa các lớp Hình16: Mô hình qui chiếu ISO/OSI Đối với hệ thống truyền thông, kiến trúc giao thức là cơ sở cho việc tìm hiểu các dịch vụ cũng như hình thức giao tiếp trong hệ thống. Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành phần tham gia nối mạng. Các dịc vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt trương chình Trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức. Giao thức là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông. Năm 1983 hội đồng tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Organization Standardization đã đưa ra chuẩn ISO 7498 với mô hình qui chiếu OSI (Open System Interconnection), nhằm xây dựng hỗ trợ các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác. Mô hình OSI gồm 7 lớp xử lý (Layer). Mỗi lớp xử lý thực hiện một loại chức năng như một bộ phận của một nhiệm vụ tổng thể cho phép chương trình ứng dụng ở những hệ thống khác nhau liên kết được với nhau dường như chúng cùng hoạt động trên một hệ thống. Layer1(Lớp vật lý-Physical): Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Các qui định ở đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông. Layer 2(Lớp kết nối dữ liệu-Data link): Lớp liên kết dữ liệu có trách nhiệm truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý. Trong đó bao gồm việc điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu. Layer 3(Lớp mạng-Network): Lớp này điều khiển việc gửi thông báo giữa các trạm, cho phép số liệu chảy tuần tự giữa hai trạm theo con đường logic và vật lý được kinh tế nhất. Lớp này cho phép các số liệu được truyền đến mạng khác nhờ một thiết bị đó là Router. Layer 4(Lớp vận tải-Transport): Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình một cách tin cậy, bao gồm cả trách nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. Layer 5(Lớp kiểm soát nối-Session): Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác. Layer 6(Lớp biểu diễn dữ liệu-Presentation): Thực hiện việc chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, đem lại sự thuận lơi cho các đối tác truyền thông. Layer 7(Lớp ứng dụng- Applicatio._.n): Cung cấp các dịch vụ cao cấp cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng. Đối với các hệ thống bus trường thông thường chỉ thực hiện các lớp 1, 2 và 7. 4.5. Truy nhập bus Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng bus, hay các hệ thống bus đóng vai trò quan trọng nhất.Trong một mạng có cấu trúc dạng bus, các thành viên phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng của mỗi hệ thống bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin trên đường dẫn hay phương pháp truy nhập bus. Phương pháp truy nhập bus được phân thành hai nhóm, nhóm các phương pháp truy nhập tiền định và nhóm các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên. Với các phương pháp tiền định, trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng. Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ(Master/Slave hay chủ/tớ), theo quy định trước về thời gian(TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (Token Passing). Ngược lại, trong các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu các trạm. Phương pháp truy nhập bus Truy nhập tiền định Truy nhập ngẫu nhiên Kiểm soát tập trung Master/Slave TDMA Nhận biết xung đột CSMA/CD Kiểm soát phân tán Token Passing Tránh xung đột CSMA/CA Hình17 : Phân loại các phương pháp truy nhập bus. 4.5.1. Master/Slave. Trạm chủ (Master) có trách nhiệm phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ(Slave). Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Thậm chí trong một hệ thống truyền thông trực tiếp giữa các trạm tớ là không thực hiện được, mà bất cứ dữ liệu nào cần trao đổi cũng phải qua trạm chủ. Master Slave Slave Slave Slave Hình18: Phương pháp Master/Slave Ưu điểm của phương pháp là kết nối mạng giữa các trạm tớ đơn giản, ít tốn kém. Nhưng phương pháp này có hai nhược điểm là làm giảm hiệ suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ và độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc vào trạm chủ duy nhất. Do vậy phương pháp chủ tớ chỉ dùng trong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường,bus thiết bị. 4.5.2. TDMA Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian( Time Division Multiple Access ), mỗi trạm được phân chia thời gian truy cập bus nhất định. 1 2 . . . N Theo yêu cầu Chu kỳ bus(chu kỳ TDMA) Hình 19 :Phương pháp TDMA cho hệ thống N trạm. 4.5.3. Token Passing Trạm 2 Trạm 3 Trạm 1 Token Trạm 6 Trạm 4 Trạm 5 Hình 20: Token Ring Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn. Được dùng như một chìa khoá. Mỗi trạm được truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ Token. Trạm 2 Trạm 1 Token Trạm 6 Trạm 5 Trạm 4 Trạm 3 Hình 21: Token bus 4.5.4. CSMA/CD (Carrier sense Multiple Access with Collision Detection) Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần có sự kiểm soát nào. Phương pháp được tiến hành như sau: A B C A B C A B C A B C Nghe đường dẫn Truyền thông báo Xung đột Phát hiện xung đột, hủy bỏ bức điện. Chờ một thời gian ngẫu nhiên và lặp lại Hình 22: Phương pháp CSMA/CD Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi(không có tín hiệu) thì mới được phát. Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không(collision detection). Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại. 4.5.5. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước và sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên, một phương pháp mã hoá bit thích hợp được sử dụng để khi xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia. 4.6. Bảo toàn dữ liệu Trong truyền thông công nghiệp, mặc dù đã sử dụng kỹ thuật truyền tín hiệu số nhưng do tác động của nhiễu và do chất lượng môi trường truyền dẫn mà thông tin truyền tải cũng không tránh khỏi sai lệch. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để hạn chế lỗi cũng như các biện pháp khắc phục khi xảy ra lỗi. Biện pháp thứ nhất là sử dụng các thiết bị phần cứng cao cấp và các biện pháp bọc lót đường truyền để giảm thiểu tác động của nhiễu. Song biện pháp này còn rất nhiều hạn chế. Bảo toàn dữ liệu chính là phương pháp sử dụng xử lý giao thức để phát hiện và khắc phục lỗi, trong đó phát hiện lỗi đóng vai trò hàng đầu. Khi đã phát hiện lỗi sẽ có biện pháp khôi phục dữ liệu, hay đơn giản là yêu cầu gửi lại dữ liệu. Các phương pháp bảo toàn dữ liệu thông dụng là: Parity bit 1 chiều và 2 chiều CRC (Cyclic Redundancy Check) Nhồi bit (bit stuffing) 4.7. Mã hoá bit. Mã hoá bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1,0) sang một tín hiệu thích hợp để có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý. Việc chuyển đổi này chính là việc sử dụng một tham số thông tin thích hợp để mã hoá dãy bit cần truyền tải. Các tham số thông tin được chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung, v.v… Các tiêu chuẩn trong mã hoá bit là: tần số tín hiệu, thông tin đồng bộ hoá có trong tín hiệu, triệt tiêu dòng một chiều, tính bền vững với nhiễu và khả năng phối hợp nhận biết lỗi. Có các phương pháp mã hoá bit sau: NRZ,RZ; Mã Manchester; AFP, FSK.Ta giới thiệu về hai phương pháp NRZ và Manchester. 4.7.1. Mã NRZ NRZ (Non-Return to Zero) là một trong các phương pháp được sử dụng phổ biến trong các hệ thống bus trường. NRZ là phương pháp điều chế biên độ xung như mô tả ở hình vẽ, bit 0 và 1 được mã hoá ở hai mức biên độ tín hiệu khác nhau, mức tín hiệu này không thay đổi trong suốt một chu kỳ bit T( một nhịp bus). 0 1 1 0 1 0 0 1 NRZ: 1 ứng với mức tín hiệu cao, 0 với mức thấp trong suốt chu kỳ bit Hình 23: Mã hoá bit NRZ 4.7.2. Mã Manchester Mã Manchester và các dạng dẫn xuất của nó không những được sử dụng rất rộng rãi trong truyền thông công nghiệp, mà còn phổ biến trong các hệ thống truyền dữ liệu khác. Đây là một trong các phương pháp điều chế pha xung, tham số thông tin được thể hiện qua sườn xung. 1 0 0 1 0 1 1 0 Manchester I: 1 ứng với sườn lên, 0 ứng với sườn xuống của xung ở giữa chu kỳ bit Hình 24: Mã hoá bit Manchester 4.8. Kỹ thuật truyền dẫn Truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Các bit được truyền đi một cách tuần tự trên cùng một đường truyền. Do không có một đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc đồng bộ hoá thuộc trách nhiệm do bên gửi và bên nhận thoả thuận trên cơ sở một giao thức truyền thông. Theo nghĩa truyền thống, một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trước hết được hiểu là các qui định được thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị cuối xử lý dữ liệu DTE (Data Terminal Equipment) và các thiết bị truyền dữ liệu DCE (Data Communication Equipment). Một ví dụ tiêu biểu của giao diện DTE/DCE là chuẩn RS-232 giữa máy tính và Modem. Tuy vậy ngày nay, phạm vi của các chuẩn truyền dẫn nối tiếp không chỉ dừng lại ở việc kết nối DTE và DCE theo nghĩa cổ điển.Các chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền thông công nghiệp đó là EIA/TIA-232, EIA/TIA-422 và đặc biệt là EIA/TIA-485 mà trước kia đặt chữ RS ở đầu với nghĩa là “Recommended Standard”. Các chuẩn truyền dẫn của EIA/TIA chia thành 3 phạm trù: Các chuẩn giao diện trọn vẹn, các chuẩn riêng về điện học, các chuẩn về chất lượng tín hiệu. Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch ±1,5 V ±6V Điện áp đầu ra khi có tải RLoad=54Ω ±1,5 V ±5V Dòng ra ngắn mạch ±250 mA Thời gian quá độ đầu ra RLoad=54Ω CLoad=54pF 30%TB* Điện áp chế độ chung đầu ra Voc RLoad=54Ω -1V 3V Độ nhạy cảm đầu vào -7 V≤ Vcm ≤ 12 V ±200 mV Điện áp chế độ chung Vcm -7 V 12 V Trở kháng đầu vào 12 k Ω Hình 25: Các thông số quan trọng của RS-485 về đặc tính điện học 5. Các thành phần hệ thống mạng 5.1. Phương tiện truyền dẫn Trong kỹ thuật truyền thông nói chung cũng như truyền thông công nghiệp nói riêng, người ta sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau: Cáp điện: Cáp đồng trục, đôi dây xoắn, cáp trơn. Cáp quang: Cáp sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo. Vô tuyến: Sóng truyền thanh (radio AM, FM), sang truyền hình(TV), vi sóng(microwave), tia hồng ngoại(UV). Loại cáp điện phổ biến nhất trong các hệ bus trường là cáp đôi dây xoắn. 5.2. Giao diện mạng Giao diện mạng là thành phần ghép nối phần chính của một thiết bị với môi trường truyền thông, trong đó phần cứng và phần mềm đều có vai trò nhất định. Thực chất, các thành phần giao diện mạng chính là cốt lõi của hệ thống truyền thông. Một thành phần giao diện mạng có thể thực hiện độc lập hoặc tích hợp với thiết bị. Một giao diện mạng bao gồm các thành phần xử lý giao thức truyền thông (phần cứng và phần mềm) và các thành phần thích ứng cho thiết bị được nối mạng. Ta đưa ra ví dụ về ghép nối PLC thông qua giao diện mạng độc lập và giao diện mạng tích hợp trên thiết bị. Bus hệ thống (Vd: Ethernet) PLC PS CPU IM IM DI DO AI A0 Bus trường(vd:Profibus-DP) Bus trường Hình 26: Giao diện bus cho PLC với module truyền thông (Interface module) PS CPU DI DO AI A0 PLC Cổng Dp Profibus Dp Hình 27 : Sử dụng CPU tích hợp giao diện mạng Profibus DP 5.3. Thiết bị liên kết mạng Để thực hiện liên kết các mạng với nhau và để mở rộng mạng cần phải có các bộ phận liên kết để mạng. Bộ lặp (Repeater): Vai trò của bộ lặp là sao chép, khuếch đại và phục hồi tín hiệu mang thông tin trên đường truyền. Hai phần mạng muốn liên kết với nhau qua một bộ lặp thì phải giống nhau hoàn toàn về tất cả các lớp giao thức và kể cả các đường truyền vật lý. Bộ chọn đường (Router): Router có nhiệm vụ liên kết hai mạng với nhau trên cơ sở lớp 3 theo mô hình OSI. Các mạng được liên kết có thể khác nhau ở lớp 1, lớp 2 nhưng bắt buộc phải giống nhau ở lớp 3. Cổng kết nối (Gateway): Gateway được dùng để ghép nối các hệ thống mạng khác nhau(các hệ thống bus khác nhau). II. Các hệ thống bus tiêu biểu 1. Foundation Fieldbus Hiện nay Field Foundation có hơn 130 công ty thành viên trên khắp thế giới, chiếm đại đa số các nhà cung cấp thiết bị đo lường và điều khiển. Hệ thống bus được phát triển trong khuôn khổ của FF được gọi là Foundation Fieldbus. Trong dự định phát triển hệ Bus này sẽ hỗ trợ 3 loại mạng với các tốc độ truyền 31,25 kbit/s; 1Mbit/s; 2,5 Mbit/s. Tuy nhiên cho đến nay chỉ có loại mạng 31,25 kbit/s-còn gọi là H1 mới có đầy đủ các đặc tả và được chuẩn hoá trong IEC 61158. Các phiên bản tốc độ cao hơn được thay thế bằng High-Speed Ethernet cúng được chuẩn hoá trong IEC 61158. Dưới đây sẽ đề cập tới các đặc trưng của mạng H1. 1.1. Kiến trúc giao thức Chương trình ứng dụng Lớp 7 FMS FAS Lớp 3-6 Không thể hiện Lớp 2 Lớp liên kết dữ liệu Lớp 1 Lớp vật lý Hình 28: Kiến trúc giao thức Foundation Fieldbus Công nghệ Foundation Fieldbus bao gồm lớp vật lý, “ngăn” truyền thông (Communication “Stack”) và các chương trình ứng dụng.Trong đó ngăn truyền thông tương ứng với lớp 2 và 7 trong mô hình OSI. Lớp vật lý được thực hiện theo chuẩn IEC 1158-2 (nay là IEC 61158-2) và ISA S50.02-1992. Lớp liên kết dữ liệu dựa trên chủân IEC/ISA DLL. Lớp ứng dụng thực hiện các dịch vụ Fieldbus Message Specification (FMS). Lớp con FAS ( Fieldbus Access Sublayer) có chức năng liên kết FMS với lớp liên kết dữ liệu. Các chương trình ứng dụng nằm ngoài phạm vi của mô hình OSI, được mô tả bởi các khối chức năng (Function Block) và một ngôn ngữ mô tả thiết bị (Device Description Language, DDL). 1.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn Hai phương tiện truyền dẫn được sử dụng trong Foundation Fieldbus là cáp điện và cáp quang. Foundation Fieldbus hỗ trợ các cấu trúc mạng khác nhau như hình sao, trunk line-drop line,… Bus điều khiển/Bus hệ thống Fieldbus I/O hoặc PLC Hộp chia Điểm-điểm Trunk line-Drop line Daisy-chain Hình sao Hình 29: Các cấu trúc mạng Foundation Fieldbus Số trạm cho phép trong một đoạn mạng là 32 nếu không sử dụng bộ lặp. Có thể sử dụng tối đa 4 bộ lặp, khoảng cách truyền lúc này đạt đến 9500 mét và nâng tổng số trạm trong toàn mạng lên 250. Để phù hợp với các ứng dụng trong công nghiệp chế biến, đặc biệt trong môi trường dễ cháy nổ, các tín hiệu truyền được mã hoá theo phương pháp Manchester. 1.3. Cơ chế giao tiếp Phương pháp truy nhập ở Foudation Fieldbus là một sự kết hợp giữa Master/Slave, Token Passing và TDMA. Một thiết bị với vai trò trạm chủ được gọi là Link Active Scheduler ( LAS) có chức năng phân chia và kiểm soát quyền truy nhập toàn bộ mạng Lớp liên kết dữ liệu của Foundation Fieldbus qui định hai cơ chế giao tiếp là lập lịch (cheduled communication) và không lập lịch (unscheduled communication). Giao tiếp lập lịch đặc trưng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn, định kỳ giữa các thiết bị. Trong khi giao tiếp không lập lịch được sử dụng chủ yếu trong việc truyền tham số và các thông số báo động. 1.4. Cấu trúc bức điện Độ dài mỗi ô trong bức điện được tính bằng byte. Dữ liệu sử dụng tối đa là 251 byte trong một bức điện. Qua mỗi lớp trong ngăn giao thức, bức điện lại gắn thêm phần thông tin liên quan tới việc sử lý giao thức ở lớp đó. 1.5. Dịch vụ giao tiếp Fieldbus Access Sublayer (FAS) Lớp con FAS sử dụng hai cơ chế giao tiếp ở lớp 2 để cung cấp dịch vụ cho lớp FMS. Kiểu dịch vụ FAS được mô tả bởi các quan hệ giao tiếp ảo VCR (Virtual Communication Relationships) có ba kiểu VCR: Client/Server; kiểu phân phối báo cáo (Report Distribution); Kiểu Publisher/Subscriber. Fieldbus Message Specification (FMS) Các dịch vụ FMS cho phép các chương trình ứng dụng gửi thông báo cho nhau trên bus theo một chuẩn thống nhất về tập dịnh vụ cũng như cấu truc thông báo. Ngoại trừ một số dịch vụ báo cáo thông tin và sự kiện, hầu hết các dịch vụ FMS khác đều sử dụng kiểu VCR Client/Server. 1.6. Khối chức năng ứng dụng Hiệp hội Foundation Fieldbus đã xây dựng một mô hình chương trình ứng dụng dựa trên các cơ sở khối (Block). Một chương trình ứng dụng là tổ chức các khối được liên kết với nhau, trong đó mỗi khối đặc trưng cho một chức năng riêng. Có ba loại khối cơ bản: khối tài nguyên (Resource Block), khối chức năng (Function Block) và khối biến đổi (Transducer Block). Khối tài nguyên mô tả các đặc tính của thiết bị Bus trường như tên thiết bị, nhà sản xuất và mã số, 1 thiết bị chỉ có một khối tài nguyên duy nhất. Khối chức năng định nghĩa chức năng và đặc tính của một hệ thống điều khiển. Một chương trình ứng dụng có thể bao gồm nhiều khối chức năng, ví dụ về một số khối chức năng sau: AI(Analog Input): Đại diện cho một đầu vào tương tự RA(Ratio): Khối tỉ lệ PID(Proportional,Integral,Derivative): Bộ điều chỉnh PID Khối chuyển đổi có chức năng tách biệt các khối chức năng khỏi sự phụ thuộc vào cơ chế vào/ra vật lý cụ thể. 2. Profibus Hệ thống Profibus được ứng dụng để kết nối các thiết bị trường với các thiết bị điều khiển, giám sát. Đây là hệ thống bus nhiều chủ cho phép các thiết bị vào ra phân tán nỗi cùng với một đường bus. Các trạm chủ (PC/PLC) được quyền kiểm soát truyền thông tin trên bus. Các trạm tớ (module vào ra….) không được phép truy cập bus mà chỉ được phép xác nhận hoặc trả lời các yêu cầu từ trạm chủ. Có ba loại bus: Profibus FMS, Profibus DP, Profibus PA. FMS: Dùng trong công việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát. DP: Dùng kết nối các máy tính điều khiển. PA: Sử dụng trong môi trường công nghiệp. 2.1. Kiến trúc giao thức: Profibus FMS DP PA Lớp 7 Fieldbus Message Specification Lớp 3-6 Lớp 2 Fieldbus Data Link FDL IEC-Interface Lớp 1 RS485 / cáp quang IEC-1158-2 Hình 30: Kiến trúc giao thức FMS đảm nhiệm xử lý giao thức và cung cấp dịch vụ truyền thông. FDL kiểm soát truy cập bus, cung cấp dịch vụ cơ bản cho trao đổi dữ liệu. 2.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn: Theo chuẩn RS 485: Tốc độ: 9,6 KB – 12 MB. Chiều dài tối đa của mạng: 1,2 km. Số trạm tối đa: 32. Chế độ truyền: Bán song công và song công. Phương pháp mã hoá bit :NRZ Phương pháp truy cập bus: Theo phương pháp chủ tớ hay là Token Passing. Các dịch vụ truyền số liệu thuộc FDL gồm: + SDN: Send data with no acknowledge. + SDA: Send data with acknowledge. + SDR: Send and request data with reply. +CSDR: Cyclic send and request data with reply. 2.3. Profibus FMS. Là một tập con của MMS, một chuẩn giao thức thuộc lớp 7 theo mô hình óI cho kiểu giao tiếp hướng thông báo áp dụng trong công nghiệp. Sử dụng Profibus FMS là bus hệ thống, các thiết bị điều khiển khả trình có thể được ghép nối theo cấu hình nhiều chủ để giao tiếp với nhau và với các thiết bị trường thông minh dưới hình thức gửi các thông báo. Profibus FMS cho phép thực hiện các hoạt động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Client/Server. Các phần tử có thể truy cập được từ một trạm trong mạng, đai diện cho các đối tượng hay các biến quá trình được gọi là các đối tượng giao tiếp. Việc truy nhập các đối tượng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, phương pháp sử dụng hiệu quả nhất là chỉ số đối tượng hay còn goi là định địa chỉ logic. Chỉ số có thể coi là căn cước của một đối tượng nội trong thành viên của mạng, được biểu diẽn bằng 16 bit. Nhờ đó các khung thông báo sẽ có chiều dài ngắn nhất so với các phương pháp khác. Khả năng thứ hai là truy nhập qua tên hình thức của đối tượng hay còn gọi là Tag của đối tượng. Mỗi đối tượng có tên hình thức phân biệt thống nhất, thể hiện tính trực quan, dễ theo dõi trong quá trình thực hiện. 2.4. Profibus DP Hệ thống này đáp ứng cao về tính năng thời gian thực trong quá trình trao đổi dữ liệu dưới cấp trường. Việc trao đổi dữ liệu đa số được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave. Các dịch vụ truyền thông cần thiết được định nghĩa qua các hàm DP cơ sở theo chuẩn EN 50 170. Bên cạnh đó, Dp hỗ trợ các dịch vụ truyền thông không tuần hoàn, phục vụ tham số hoá, vận hành và các chuẩn đoán các thiết bị trường thông minh. Đối chiếu với OSI, Profibus DP chỉ thực hiện ở lớp 1 và 2 vì lý do hiệu suất xử lý giao thức và tính năng thời gian. Tuy nhiên nó định nghĩa trên lớp 7 một ánh xạ lớp liên kết với lớp 2 như là một lớp giao diện sử dụng chứa các hàm DP cơ sở và mở rộng. Các hàm DP cơ sở phục vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn, thời gian thực thì các hàm DP mở rộng cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu không định kỳ như tham số thiết bị, chế độ vận hành và thông tin chuẩn đoán. 2.5. Profibus PA Là thể loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong công nghiêp hoá chất và dầu mỏ. Thực chất nó là mở rộng của DP về phương pháp truyền dẫn an toàn theo chuẩn IEC 61158-2 và một số quy định chuyên biệt. Về mặt kỹ thuật thì PA hoàn toàn có thể thay thế được các phương pháp truyền tín hiệu 40-20 mA hoặc HART mà có những ưu thế của hệ thống bus trường. Với khả năng đồng tải nguồn, PA cho phép kết nối mạng các thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp chế biến bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhất, sử dụng tốc độ truyền cố định 31,25 kb/s. PA cho phép bảo trì hay thay thế khi đang vận hành. Đặc bịêt nó được phát triển cho các khu vực nguy hại. 3. EtherNet Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thực chất Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lí và một phần lớp liên kết dữ liệu), vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là giao thức được sử dụng phổ biến nhất. High Speed Ethernet (HSE) (tốc độ truyền lên tới 100 Mbit/s) của Foundation Fieldbus chính là một trong tám hệ bus trường được chuẩn hoá quốc tế theo IEC 61158. 3.1. Kiến trúc giao thức Lúc đầu chuẩn 802.3 đã đưa ra một họ các hệ thống mạng trên cơ sở CSMA/CD. Tuy nhiên ngày nay khi ta nói tới Ethernet cũng chỉ là nói đến một loại sản phẩm thực hiện theo chuẩn IEE 802.3. 802.2 CSMA/ CD 802.3 802.1 802.4 2b LLC 2a MAC 1 Vật lý . . . . Hình 31: Ethernet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802 Lớp liên kết dữ liệu được chia làm hai lớp con là lớp LLC ( Logical Link Control) và MAC (Medium Access Control). Phạm vi của Ethernet/IEEC 802.3 chỉ bao gồm lớp vật lý và lớp MAC. 3.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn Về mặt logic, Ethernet có cấu trúc dạng bus. Cấu trúc mạng vật lý có thể là đường thẳng hoặc hình sao tuỳ theo phương tiện truyền dẫn. Bốn loại cáp thông dụng nhất được dùng trong mạng Ethernet là cáp đồng trục dầy 10BASE5, cáp đồng trục mỏng 10BASE2, cáp đôi dây xoắn 10BASE-T, cáp quang 10BASE-F. 10BASE5 Tốc độ truyền Khoảng cách truyền (100 m) với cáp đồng trục (Mbit/s) Truyền dải cơ sở T cho đôi dây xoắn, F cho cáp quang (Baseband) Toàn bộ hệ thống theo chuẩn 802.3 sử dụng chế độ truyền đồng bộ với mã Manchester. Bit 0 tương ứng với sườn lên, bit 1 tương ứng với sườn xuống của xung ở giữa một chu kỳ bit. 3.3. Cơ chế giao tiếp Sự phổ biến của Ethernet là ở chỗ có tính năng mở. Đầu tiên, nó cho phép các hệ thống khác nhau tuỳ ý thực hiện các giao thức và dịch vụ phía trên lớp vật lý và lớp MAC. Thứ hai, Ethernet sử dụng phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD không yêu cầu các trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, vì vậy có thể bổ xung hoặc tách một trạm ra khỏi mạng mà không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại.Thứ ba việc chuẩn hoá sớm trong IEEE 802.3 giúp cho các nhà cung cấp sản phẩm thực hiện dễ dàng hơn. Trong một mạng, không kể tới bộ chia hoặc bộ chuyển mạch thì tất cả các trạm đều có vai trò bình đẳng như nhau. Mỗi trạm (hay nói cách khác là mỗi module giao diện mạng, mỗi Card mạng) có một địa chỉ Ethernet riêng biệt, thống nhất toàn cầu. Việc giao tiếp giữa các mạng được thực hiện thông qua các giao thức phía trên, ví dụ NETBUI, IPX/SPX hoặc TCP/IP. 3.4. Cấu trúc bức điện Ethernet chỉ qui định lớp vật lý và lớp MAC, do vậy một bức điện còn gọi là một khung MAC. Cấu trúc một khung MAC được minh hoạ ở hình dưới đây. 7 byte 1byte 2/6 byte 2/6 byte 2byte 46-1500 byte 4 byte Mở đầu (555..5H) SFD (D5H) Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn Độ dài Kiểu gói Dữ liệu PAD FCS Hình 32: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/Ethernet Chương 3 Hệ điều khiển phân tán DCS I. Khái niệm chung về hệ điều khiển phân tán: Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System) là hệ điều khiển mà các chức năng điều khiển được phân bổ trên toàn bộ hệ thống thay vì được xử lý tập trung ở một trạm trung tâm. Một hệ DCS điển hình bao gồm các trạm điều khiển có chức năng hoàn toàn độc lập và các trạm điều hành theo dõi và xử lý dữ liệu trong các trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người điều hành có thể thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng và thuận tiện. DCS là một hệ thống tích hợp với một hệ cơ sở dữ liệu rộng lớn. Không giống như với các hệ thống dựa trên PLC, ta không thể xử dụng các bộ điều khiển khác nhau và các trạm điều hành từ các nhà cung cấp khác nhau vì DCS là một hệ thống hoàn thiện và việc truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận của hệ là một thể thống nhất. Hệ DCS được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình như các nhà máy hoá chất, nhiệt điện, khai khoáng, giấy,...DCS được phát triển từ các bộ điều chỉnh tương tự. Khả năng xử lý dữ liệu tương tự và thực hiện các trình tự phức tạp và tối ưu hoá quá trình là thế mạnh của DCS. Một đặc điểm nổi bật nữa của hệ DCS là việc sử dụng các tagname. Trong các hệ PLC sử dụng hệ thống địa chỉ để truy cập dữ liệu còn DCS lại sử dụng các tagname. Tagname là một tên bất kỳ được định nghĩa bởi người sử dụng, được áp dụng cho tất cả các khối chức năng và các điểm I/O trong trạm điều khiển. Do vậy, người vận hành và theo dõi hệ thống có thể truy cập tới bất cứ một đối tượng nào trong hệ thống thông qua các tagname. II. Cấu trúc chung của một hệ điều khiển phân tán: Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân bố việc xử lý thông tin cũng như các chức năng theo chiều rộng cũng như theo chiều sâu kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp nối dây và bằng điện thông thường. Bên cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào/ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa các bộ phận điều khiển/ xử lý từ xa ( như các bộ điều chỉnh, vi điều khiển) xuống các vị trí hiện trường ( Remotel/ O cabinet). Cấu trúc điển hình của một hệ DCS được thể hiện trong hình dưới đây, qua đó có thể thấy rõ một hệ DCS gồm 4 lớp: Information Management System Data Historian Management Layer Management Network (erthernet) Operator Station Operator Station Operator Station Operations Layer Control Network (token passing) Field Controller Field Controller Field Controller Field Controller Control I/O Field I/O Field I/O Field I/O Field I/O Layer Hình 33: Sơ đồ phân cấp và cấu trúc của một hệ DCS I/O: Lớp vào ra gồm các trường vào ra và các PLC. Control: Lớp điều khiển bao gồm các trạm điều khiển ( ví dụ như FCS - trạm điều khiển trường) Operation: Lớp điều hành gồm các trạm điều hành ( ví dụ như HIS - trạm giao diện người máy) Management Infomation: Lớp cơ sở dữ liệu và các trạm quản lý ( ví dụ như Exaquantum và PRM - Chương trình quản lý tài nguyên nhà máy). 1. Lớp I/O. Đầu vào và đầu ra đến các trường được tập trung ở lớp I/O. Các bộ vào ra của hệ thống được xử lý ở lớp I/O bằng một trong ba cách sau: 1.1. I/O bằng mạch điện tử: Các I/O dạng tương tự (như các bộ đo áp suất, van điều chỉnh, ...) và dạng số (các relay và các bộ chuyển mạch) có thể được thực hiện bằng các panel mạch điện tử trực tiếp từ hiện trường. Panel giao diện I/O có một loạt các card giao diện để đưa vào xử lý các dạng tín hiệu vào/ra. 1.2. I/O Fieldbus: Có nhiều dạng fieldbus khác nhau được sử dụng trong hệ thống như Foundation Fieldbus, Profibus và hart. Những loại này cho phép các sensor và các cơ cấu chấp hành có thể được kết nối với giao diện I/O thông qua một mạng tín hiệu số để trao đổi các thông số quá trình và các thông số trạng thái thiết bị. 1.3. Giao tiếp với PLC: Các PLC có thể được nối với hệ thống DCS bằng các dạng card giao diện truyền thống, thường là trong panel giao diện I/O, hoặc đơn giản bằng cách nối trực tiếp đến mạng điều khiển thông qua module truyền thông với PLC. 2. Lớp điều khiển. Các chức năng điều khiển nằm ở lớp này. Các bộ phận điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O: đọc dữ liệu vào, thực hiện các chức năng điều khiển và gửi các tín hiệu ra. Các trạm điều khiển được hoạt động độc lập với nhau nên nếu xảy ra sự cố ở một trạm sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của các trạm khác.Đồng thời, một trạm điều khiển có thể trao đổi dữ liệu dễ dàng với một trạm khác khi sử dụng phương pháp truyền thông điểm - điểm ( ''peer to peer'') trong mạng điều khiển. 3. Lớp điều hành. Các trạm điều hành cung cấp một giao diện đồ hoạ đối với các chức năng và các dữ liệu trong các bộ điều khiển và thực hiện việc xử lý thông qua các đồ thị , các báo cáo... 4. Lớp thông tin quản lý. Tất cả các thông tin mức độ cao, không cần với việc điều khiển thời gian thực nhưng là cần thiết đối với việc quản lý quá trình lâu dài, được xử lý trong lớp quản lý. Lớp này gồm 3 lớp nhỏ: Gateway: Để đọc dữ liệu từ các trạm điều khiển Database: Cơ sở dữ liệu: để giữ và lưu lại dữ liệu từ phân tích trước Management: Quản lý: để xử lý thông tin trong cơ sở dữ liệu 4.1. Gateway: Trước kia, mỗi nhà cung cấp có giao thức truyền thông độc quyền để cho phép máy chủ truy cập dữ liệu từ các trạm điều khiển. Hiện nay, Microsoft cùng với một số các nhà cung cấp chính đã phát triển một tiêu chuẩn liên lạc gọi là OPC, OPC là OLE cho điều khiển quá trình và cho phép máy chủ nào cũng có thể kết nối tới một DCS bất kỳ, OPC có thể đặt trong trạm điều hành hoặc trong một máy tính độc lập. Ghi chú: OPC (OLE for Process Control) được xây dựng dựa trên ý tưởng ững dụng công nghệ COM nhằm đơn giản hoá, chuẩn hoá việc khai thác dữ liệu từ các thiết bị cận trường và các thiết bị điều khiển, tương tự như việc khai thác một hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường. OPC định nghĩa thêm một số giao diện cho khai thác dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật, tạo cơ sở cho việc xây dựng các ứng dụng điều khiển phân tán mà không bị phụ thuộc vào mạng công nghiệp cụ thể. 4.2. Lớp cơ sở dữ liệu: Dữ liệu được đọc từ hệ thống DCS phải được lưu trữ và có một số bộ cơ sở dữ liệu - database package, được thiết kế cho mục đích này. Chúng gồm Exaquantum ( một sản phẩm của Yokogawa) và PL (một sản phẩm độc lập). Những package này đọc dữ liệu thông qua cổng OPC và lưu trữ dưới dạng fomat cơ sở dữ kiệu chuẩn. Exaquantum dùng Sever SQL của Microsoft tương thích với hầu hết các package quản lý. Những package này cung cấp các chức năng khác như lưu trữ dữ liệu trên đĩa, nén dữ liệu, báo cáo cơ bản và các chức năng hiển thị. 4.3. Lớp quản lý. Có một loạt các package khác nhau sẵn có, cung cấp các thông tin khác nhau cho người dùng. Nó gồm báo cáo chi tiết, điều khiển khối và công thức, quản lý nguồn máy, quản lý cảnh báo, tối ưu hoá máy.... Chúng truy cập dữ liệu từ cơ sở dữ liệu lưu nhưng có thể ghi trực tiếp tới các trạm điều khiển thông qua OPC. III. Hệ thống mạng trong hệ thống điều khiển phân tán. Tương ứng với các lớp trên như là các mạng máy tính để liên kết các lớp với nhau. Mạng trao đổi rộng rãi với các lớp như sau: Mạng I/O - Remote I/O Bus, Fieldbus, Truyền thông PLC Mạng điều khiển - nối các bộ điều khiển và trạm điều hành Mạng diện rộng của nhà máy - nơi chứa hầu hết các thông tin quản lý. 1. Các mạng I/O Có thể có vài loại mạng I/O, điều đó phụ thuộc vào loại I/O có giao diện với: Bus I/O từ xa - Một số trạm điều khiển có các card giao diện I/O được tích hợp trong trạm điều khiển ( ví dụ Hệ thống Fischer và Porter 6). Tuy nhiên, những trạm khác như( Yokogawa CS 1000/3000) có I/O từ xa, từ là các card giao diện I/O tách biệt khỏi trạm điều khiển và liên lạc với nó qua một bus remote I/O tốc độ cao. Mạng Fieldbus - Một card fielbus thường đặt trong một khe trên panel I/O và mỗi loại mạng fielbus thường sử dụng một loại card fieldbus riêng biệt. Mạng PLC._. đưa tới bể Ch 82, dung tích 1m 3. Trong bể Ch82 dung dich keo được nung nóng nhờ hơi nước nóng ở áp suất cao 0.35 Mpa, lưu lượng 0.04 Kg / s . Và dung dịch keo này được đưa tới hệ thống máy ép gia keo cho bể mặt tờ giấy. II. Hệ thống điều khiển DCS của phân xưởng xeo Do đặc thù của công nghệ, quá trình nâng cấp mà trong phân xưởng Xeo hiện nay đang tồn tại hỗn hợp 3 thành phần điều khiển. Đầu tiên là DCS CENTUM CS3000 của hãng YOKOGAWA có tác dụng điều khiển quá trình phối liệu bột trước khi đi vào hình thành tờ giấy. Thứ hai là hệ thống điều khiển chất lượng QCS (Quality control system) của hãng ABB hệ thống QCS này điều khiển 4 tính chất của tờ giấy: độ tro (Ash) là % CaCO3 trong tờ giấy, độ dày (caliper), định lượng g/ m2 (Basic weight) và độ ẩm (Moisture) là H2O trong tờ giấy. Bên cạnh đó mốt số tổ sấy trong phân xưởng cũng được điều khiển bởi hệ thống QCS, các tổ sấy còn lại điều khiển bởi các bộ điều khiển đơn lẻ PLC của các hãng SIEMENS và hãng MITSUBISHI.Trong phạm vi đồ án này chúng ta chỉ tập trung vào tìm hiểu hệ DCS CENTUM CS3000 trong phân xưởng. Phân xưởng xeo giấy của công ty giấy Bãi Bằng sử dụng hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000 của hãng YOKOGAWA. Đây là hệ thống điều khiển hết sức tiến tiến và có những ưu điểm nổi bật: Nó có khả năng kết nối với một mảng các thiết bị trường rộng, kết nối được với các sản phẩm của nhiều hãng khác nhau. Có khả năng kết nối và điều khiển hệ thống CENTUM có sẵn, kết nối và giám sát các hệ thống PLC. Được ứng dụng các giải pháp mới nhất về truyền thông, sử dụng mạng V Net và Ethernet đầy sức mạnh. Khả năng dự phòng tốt nhất cả về dự phòng nóng và lạnh. Giao diện vận hành điều khiển thân thiện và dễ sử dụng trên nền Windows Centum CS3000 là phần mềm tích hợp, lập trình điều khiển đơn giản và thân thiện. 1. Các thiết bị trường Để phục vụ cho việc điều khiển của mình hệ thống DCS có một hệ thống các điểm đo để thu thập số liệu cần thiết cho quá trình điều khiển và giám sát. Chúng được coi là các con mắt của hệ thống DCS. Vì các lí do về kinh tế, kỹ thuật, và do đặc thù của quá trình nâng cấp cải tạo …. Nên công ty giấy Bãi Bằng chưa đưa vào ứng dụng hệ thống Bus trường ( Field Bus ) cho hệ thống DCS của phân xưởng Xeo. Mà ở dưới cấp độ hiện trường hiện nay của hệ thống DCS trong phân xưởng Xeo đang sử dụng các dây dẫn truyền bằng dòng tương tự, được chuẩn hoá từ 4 – 20 mA. Tín hiệu đo được thu nhận từ các cảm biến (sensors) đo các đại lượng như: nồng độ, mức, lưu lượng, áp suất, độ nghiền, nhiệt độ .... sẽ được truyền đến các bộ Transmitters, tại đây chúng sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu dòng và chuẩn hoá giá trị từ 4 – 20 mA, và truyền tiếp về phòng điều khiển. Việc truyền tín hiệu dưới dạng tín hiệu dòng sẽ tránh được ảnh hưởng của điện trở dây dẫn lên tín hiệu cũng như làm giảm được khả năng gây nhiễu bởi môi trường xung quanh. Do đó khoảng cách truyền được xa hơn. Trên các bộ Transmitters cũng có màn hình hiện thị giá trị tại chỗ về giá trị đo, chế độ đo, dải đo, nhiệt độ … của các sensors tương ứng để người công nhân có thể giám sát và thay đổi các thông số đó. Nguyên tắc truyền tín hiệu dòng là luôn phải khép kín, nhưng trong công nghiệp ta không tận dụng đất làm dây dẫn thứ hai. Mà thực tế tín hiệu truyền từ Transmitters tới phòng điều khiển và ngược lại là sử dụng cáp truyền 2 dây. Điều này nhằm mục đích tránh sự khác nhau về thế điện áp của đất ở nơi phát và nơi thu. Với những cảm biến dùng đo lưu lượng, áp suất của các đường ống trên cao thì đường cáp truyền từ nó về các I/O sử dụng đến 3 dây trong đó một dây là để nối đất chung cho nơi phát và nơi thu. Nguồn cấp cho các sensors là nguồn điện áp 220V. Có 2 dạng sơ đồ cung cấp nguồn cho sensor : Trong đó: A - B : Sử dụng nguồn cấp 24V; A – C : Sensor được cấp nguồn riêng Hình 78: Sơ đồ cấp nguồn cho SENSOR Do không sử dụng hệ thống Bus trường cho hệ thống DCS, lên từ màn hình giao diện của các máy tính tại trạm vận hành HIS, ta không thể can thiệp quá sâu vào hệ thống tức là ta không thể thay đổi các thông số về chế độ đo, dải đo, nhiệt độ… của các sensors. Nếu như FCS là bộ não của hệ thống điều khiển DCS, các sensors là các con mắt thì các van, các bộ tác động, thyristors, động cơ... được coi là tay chân của hệ thống điều khiển. Thực tế tại nhà máy giấy Bãi Bằng cho ta thấy, để điều khiển các đối tượng như lưu lượng, nồng độ bột, áp suất, mức trong các bể ... ta thường tác động vào khối chấp hành của bộ điều chỉnh là các van phần trăm. Cấu tạo của các van này gồm 3 bộ phận đó là: cơ cấu cảm nhận vị trí, bộ tác động và bộ chấp hành. Các van có thể nhận tín hiệu điều khiển dưới dạng tín hiệu điện 4 – 20 mA hoặc dưới dạng khí 20 – 100 Kpa . Nguồn cấp cho các van điện là 220 V , còn nguồn cấp cho các van khí là 600 Kpa. Nếu như cần điều khiển van khí thì tín hiệu điều khiển từ FCS đưa xuống dưới dạng dòng 4 – 20 mA phải được cho vào bộ chuyển đổi I/P thành tín hiệu áp suất của khí 20 – 100 Kpa , trước khí đưa vào điều khiển van và ngược lại. Một số loại sensors đo tiêu biểu đang được sử dụng tại phân xưởng xeo giấy: Sensor đo nồng độ bột theo nguyên lí cánh khuấy, loại MEK 2000 được sản xuất bởi hãng BTG Sensor đo lưu lượng theo nguyên lí cảm ứng từ, loại IFC 080 của hãng KRONHE. Sensor đo độ nghiền dựa theo độ thoát nước, loại DRT 5090 của hãng BTG. Sensor đo áp suất hơi theo nguyên lí màng của các hãng SALT CONTROL loại ETB04, của hãng HONEYWELL, của hãng ABB loại 400T, 500 T. Sensor đo mức theo nguyên lí màng của hãng ABB loại 400T, 500 T. Hoặc Sensor đo mức theo kiểu chênh áp của hãng ABB loại 51ST. Sensor đo độ PH của dung dịch của hãng LEADNORTHURT ( LND). Sensor đo nhiệt độ Pt 100 của hãng NAF. Nguyên lí đo một số đại lượng cơ bản Đo nồng độ bằng nguyên lí cánh khuấy : Cánh khuấy gồm có 4 cánh. Trong đó 2 cánh gắn vào một động cơ nhỏ lắp đặt trong sensor đo, mục đích của 2 cánh này là quấy đều dung dịch bột trước khi đo để tăng độ chính xác. Còn 2 cánh kia quay khi dòng dung dịch chảy qua. Nồng độ bột càng loãng thì lực cản 2 cánh này càng nhỏ do đó nó quay càng nhanh và ngược lại, nồng độ bột càng cao thì lực cản càng lớn nó sẽ quay chậm hơn. Đo tốc độ quay của 2 cánh này ta có thể suy ra nồng độ bột trong dung dịch. Hình 79: Đo nồng độ bằng nguyên lý cánh khuấy. Đo áp suất hơi theo nguyên lí màng. Theo nguyên lí này áp suất cần đo tác động lên màng của sensor và được biến đổi thành di chuyển, đo di chuyển để suy ra áp suất. Tuy nhiên ở đây vì đại lượng cần đo là áp suất của hơi nóng nên ta không thể đặt sensor đo trực tiếp trong đường ống vì nhiệt độ cao của hơi nóng sẽ làm hỏng màng, do đó ta đo áp suất của hơi trong đường ống gián tiếp qua cột nước lạnh. Đường ống hơi Điểm 0 2 m Nước Màng cảm biến . 0 m Hình 80: Đo áp suất hơi theo nguyên lý màng Dùng cảm biến màng để đo mức trong các bể hở: Mức dung dịch trong bể tỷ lệ với áp suất do khối dung dịch đó gây ra.Ta dùng cảm biến màng đo áp suất của khối chất lỏng để từ đó suy ra mức của bể . Hình 81: Đo mức bằng cảm biến màng Lưu lượng kế từ điện Hình 82: Lưu lượng kế từ điện Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế từ điện dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday (nhà vật lý Anh 1791 - 1867) . Hình 83: Nghuyên lý đo Giữa hai cực N và S của một nam châm người ta đặt một đoạn ống kim loại không từ tính (3) vuông góc với đường sức của từ trường. Mặt trong của ống phủ một lớp vật liệu cách điện (sơn, thủy tinh hữu cơ). Trong mặt phẳng vuông góc với đường sức người ta đặt hai điện cực (1) và (2), các điện cực nối với đồng hồ Milivôn kế (4). Khi có dòng chảy với lưu lượng thể tích là Q thì theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng trong từ trường không đổi là: E = B.W.D = .Q B: cường độ từ cảm D: đường kính trong của ống dẫn W: tốc độ trung bình của dòng chảy Khi B = const thì suất điện động cảm ứng này phụ thuộc tuyến tính vào lưu lượng thể tích của chất lỏng. Lưu lượng kế từ điện dùng cho các chất lỏng có độ dẫn điện không nhỏ hơn 10-5 - 10-6 Simen/m. Nhược điểm chủ yếu của lưu lượng kế có từ trường không đổi là xuất hiện trên các điện cực suất điện động Galvanic và suất điện động phân cực làm yếu cảm ứng hữu ích, làm tăng sai số của phép đo. Suất điện động ký sinh phân cực thực tế có thể loại trừ khi dùng nam châm điện xoay chiều. Trong trường hợp này suất điện động cảm ứng là: E = 4QBmaxsin[2pft/(pD)] 2. Cấp điều khiển Cấp điều khiển tự động điều khiển các thiết bị theo chương trình đã nạp sẵn và các thông số đặt từ cấp trên. Trong phòng điều khiển tại phân xưởng xeo giấy có đặt các tủ FCS, và các tủ vào số ( DI ) 192 tủ ra số ( DO ) 193, tủ vào/ra tương tự ( AI/AO) 191. Như vậy tín hiệu truyền từ các Transmitters sẽ được đưa tới tủ 191 để nó chuyển đổi thành tín hiệu số dưới dạng áp, trước khi đưa tới các Card mạng truyền thông của tủ FCS. Trạm FCS gồm có 4 CPU và các mạch điều khiển, Card truyền thông, các I/O ... Các CPUs ( gồm 4 CPU, trong đó có 2 CPU là để dự phòng ) trong tủ FCS sẽ dựa vào các tín hiệu đo nhận được từ các sensors để từ đó xử lí tính toán và đưa ra các tín hiệu điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, cũng như truyền dữ liệu về các máy tính của trạm HIS. 3. Cấp vận hành giám sát Chức năng của cấp này là giám sát, vận hành các thiết bị công nghệ sản xuất Cấp vận hành giám sát tại phân xưởng xeo bao gồm 2 HIS (Human Interface Station), các HIS đều được cài đặt phần mềm CENTUM CS3000, hai máy HIS này cung cấp giao diện đồ hoạ vận hành, phục vụ cho việc giám sát hoạt động của hệ thống máy móc. Tại đây ta có thể thay đổi các thông số điều khiển, điểm đặt. Hai máy tính tại trạm HIS thì chỉ có một máy giữ vai trò chức năng chính, nó có thể điều khiển các thống số quá trình sản xuất. Còn máy kia không có vai trò điều khiển, chỉ là tạo thêm một giao diện cho người vận hành theo dõi quá trình sản xuất. Sự truyền thông giữa trạm FCS với các máy tính vận hành tại OS thông qua mạng V- Net, đường cáp truyền là 10BASE5. Hai máy của HIS cũng được nối mạng với nhau bởi một cổng Hub, đường truyền là cáp 10BASE2, các máy này cũng được nối mạng với các máy in màu và máy in phun. Tuy nhiên do không sử dụng hệ thống Bus trường cho hệ thống DCS, nên từ màn hình giao diện của các máy tính tại trạm vận hành HIS, ta không thể can thiệp quá sâu vào hệ thống tức là ta không thể thay đổi các thông số về chế độ đo, dải đo, nhiệt độ… của các sensors. 4. Một số mạch điều khiển của DCS tại phân xưởng xeo Trong mục này ta nêu ra một số mạch điều khiển tiêu biểu đặc trưng trong hệ thống DCS của phân xưởng xeo. 4.1. Các mạch điều khiển mức dung dịch trong các bể Mạch điều khiển mức L01 (LRCA), mạch này có nhiệm vụ điều khiển mức của bể 64 – Ch 63 (BamBoo pulp chest1). Để đo mức, trong bể có đặt một sensor đo mức theo nguyên lí cảm biến màng vì đây là bể hở. Mạch điều khiển mức L05 (LRCA), mạch này có nhiệm vụ điều khiển mức của bể 64 – Ch 67 (Blending chest). Để đo mức, trong bể có đặt một sensor đo mức theo nguyên lí cảm biến màng vì đây là bể hở. Đây là mạch điều khiển có ý nghĩa hết sức quan trọng trong hệ thống. Mạch điều khiển mức L06 (LRCA), mạch này có nhiệm vụ điều khiển mức của bể 64 – Ch 68 (Machine chest). Để đo mức, trong bể có đặt một sensor đo mức theo nguyên lí cảm biến màng vì đây là bể hở. 4.2. Các mạch điều khiển nồng độ bột trong dung dịch các bể Mạch điều khiển Q04 (QRC), mạch này có nhiệm vụ điều khiển nồng độ bột của dung dịch trong đường ống dẫn bột từ bể 64 – Ch 66 tới bể 64 – Ch 67, ổn định ở giá trị 3 %. Dung dịch bột trong bể 64 – Ch 66 được dẫn ra và pha trộn với nước để nồng độ bột giảm từ 4% xuống còn 3 %. Ta bố trí một sensor đo nồng độ bột theo nguyên lí cánh khuấy trên đường ống để kiểm tra nồng độ bột sau khi pha trộn. Mạch Q04 thu nhận tín hiệu đo từ sensor để từ đó tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển van phần trăm ở đường ống dẫn nước, sao cho lượng nước pha trộn là thích hợp. Trước khi tín hiệu điều khiển từ Q04 đến van phần trăm , nó được đưa qua một Switch van ( sv). Switch van này có liên thông với động cơ 64 – pu 506, nó chỉ mở để cho tín hiệu điều khiển từ mạch Q04 tới van phần trăm khi động cơ 64 – pu 506 hoạt động nhằm tránh để cho nước tràn vào bể 64 – Ch 66 Mạch điều khiển Q22 (QRC), mạch này có nhiệm vụ điều khiển nồng độ bột của dung dịch trong bể Ch 76 là bể chứa bột giấy đứt. Nước trắng được dẫn từ bể Ch 71 được đưa vào bể Ch 76 để pha trộn. Một sensor đo nồng độ bột theo nguyên lí cánh khuấy được lắp đặt trên đường ống dẫn dung dịch bột từ bể Ch76 tới bể 64 – Ch 67. Mạch điều khiển Q22 thu nhận tín hiệu đo từ sensor để từ đó tính toán tín hiệu điều khiển mở van phân trăm trên đường ống dẫn nước trắng. 4.3. Các mạch điều khiển lưu lượng dung dịch bột trong các đường ống Mạch điều khiển F01 (FFRC), mạch này có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng dung dịch trong đường ống dẫn dung dịch bột từ bể 64 – Ch 65 đưa vào bể 64 – Ch 67. Đây là một mạch điều khiển lưu lượng phân cấp theo kiểu tỉ lệ. Nó nhận tín hiệu đặt từ mạch điều khiển mức L05 , sau đó điều khiển độ mở van phần trăm theo tín hiệu đặt này. Để triệt tiêu sai lệch giữa giá trị đặt của mạch L05 và độ mở thực của van, ta bố trí một sensor đo lưu lượng theo nguyên lí cảm ứng từ trên đường ống. Mạch F01 sẽ thu nhận tín hiệu đo từ sensor và so sánh giá trị mở thực của van và giá trị đặt để từ đó tính toán tín hiệu điều khiển van sao cho sai lệch này là bằng không. Mạch điều khiển F21 (FRC), mạch này có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng dung dịch trong đường ống dẫn từ bể 64 – Ch 68 tới bể Ch 70 . Mạch này thu nhận tín hiệu từ sensor đo lưu lượng theo nguyên lí từ tính được lắp trên đường ống để từ đó điều khiển lưu lượng trong đường ống phục vụ cho việc pha trộn dung dịch bột với nước tại bể Ch 70, sao cho nồng độ bột giảm từ 2% xuống chỉ còn 0,8 – 1 %. Mạch điều khiển F (FCRI), mạch này có nhiệm vụ điều khiển lưu lượng trong đường ống dẫn dung dịch chất phụ gia BENTONITE vào pha trộn với dung dịch bột trước khi đi vào hòm phun bột tổng, phun lên đầu lưới định hình tờ giấy. 4.4. Các mạch điều khiển áp suất trong các đường ống Mạch điều khiển P52 (PICA), mạch này có nhiệm vụ điều khiển áp suất trong đường ống dẫn nước trắng ra từ bể Ch 71, phục vụ cho việc pha trộn bột trong các bể, các công đoạn sàng làm sạch. Mạch P52 sẽ thu nhận tín hiệu đo từ sensor đo áp suất theo nguyên lí màng được gắn trên đường ống sau đó tính toán điều khiển độ mở van phần trăm. Mạch điều khiển P49 (PICA), mạch này có nhiệm vụ điều khiển áp suất trong đường ống thải nước bởi các bơm chân không. Một sensor đo áp suất trong đường ống theo nguyên lí cảm biến màng, mạch P49 nhận tín hiệu đo từ sensor và đưa ra tín hiệu điều khiển van phần trăm. Mạch điêu khiển P72 (PIC), mạch này điều khiển áp suất hơi lạnh để vào làm mát trong các lô sấy . 4.5. Các mạch điều khiển độ nghiền Phân xưởng Xeo của công ty giấy Bãi Bằng mới được trang bị 2 mạch điều khiển độ nghiền, để tăng chất lượng của sản phẩm. Nhiệm vụ của 2 mạch điều khiển này là thu nhận tín hiệu đo từ 2 đầu đo độ nghiền của 2 máy nghiền để từ đó điều khiển trục nghiền của máy nghiền quay và ở vị trí thích hợp. 4.6.. Nhận xét Trong tất cả các mạch điều khiển trong phân xưởng Xeo, thì 2 mạch điều khiển L05 của hệ thống DCS CENTUM CS3000 và mạch F21 của hệ thống điều khiển QCS của hãng ABB giữ vai trò đặc biệt quan trọng. Nó liên quan chặt chẽ tới chất lượng đầu ra của sản phẩm. Do đó ta phải luôn giữ nó làm việc ở độ chính xác cao. Mạch điều khiển L05 là một mạch điếu khiển mức của bể 64 – Ch 67 ( bể Blending chest ). Bể này là nơi pha trộn 3 loại bột là: bột gỗ cứng, bột tre nứa, bột giấy đứt với 3 loại phụ gia là Clay, Alum, và nhựa thông. Mạch L05 sẽ thu nhận tín hiệu đo mức từ sensor đặt tại bể, từ đó xử lí tính toán và đưa ra tín hiệu làm điểm đặt cho 6 mạch điều khiển F01, F02, F03 và 3 bộ điều khiển ở các đường ống dẫn phụ gia. Sáu tín hiệu phần trăm làm điểm đặt từ mạch L05 cho các mạch điều khiển phải có tổng bằng 1. Mạch điều khiển F21 có nhiệm vụ điều khiển áp suất trong hòm phun bột tổng, phun bột lên lưới định hình tờ giấy. Chất lượng điều khiển của nó liên quan chặt chẽ đến định lượng của tờ giấy. Chương VII Thiết kế hệ thống điều khiển cho bể Blending Chest. Hình 84: Tổng quan sơ đồ dây chuyền kĩ thuật phân xưởng Xeo. Toàn bộ dây chuyền sản xuất phân xưởng Xeo, gồm 11 trang giao diện đồ hoạ. Bắt đầu từ khâu nhận bột và nghiền thô cho đến khâu kết thúc là công đoạn xử lí nước. Vì những hạn chế trong khuân khổ của một đồ án, chúng em không thể thiết kế toàn bộ dây chuyền trong phân xưởng, ở đây chúng em chọn việc thiết kế toàn bộ cho mạch vòng điều khiển ở bể Blending chest và 4 trang giao diện đồ hoạ. Sở dĩ như vậy vì điểm điều khiển tại bể Blending chest rất quan trọng và cũng phức tạp nhất trong toàn bộ phân xưởng, nó liên quan trực tiếp đến chất lượng của tờ giấy. Bể Blending chest có dung lượng là 50 m3, nó là nơi pha trộn các dung dịch bột dẫn đến từ các bể Bamboo Pulp chest 2, Hardwood pulp chest 2, Broke chest 1 và các dung dịch hoá chất Alum, Clay, Rosin. Dung dịch bột trong bể được giữ ở nồng độ 3%. Dung dịch từ bể này sau đó được đưa đến ổ Machine Chest. Để điều khiển mức trong bể và nồng độ bột của nó, ta bố trí các mạch điều khiển Q02 và L05. Mạch điểu khiển Q02 có nhiệm vụ giữ nồng độ trong bể luôn ổn định ở giá trị 3%. Còn mạch L05 là mạch điều khiển mức trong bể, nó nhận tín hiệu của sensor đo mức đặt tại bể để từ đó tính toán các điểm đặt cho các bộ điều khiển F01, F02, F03 là các bộ điều khiển lưu lượng trong các đường ống dẫn từ các bể Broke chest 1, Hardwood pulp chest 2 và Bamboo pulp chest 2. Các bộ điều khiển F01, F02 và F03 sẽ dựa vào giá trị đặt từ bộ điều khiển L05 và giá trị lưu lượng đo được từ các đầu đo để tính toán tín hiệu điều khiển Valve sao cho giá trị lưu lượng thực tế trong các đường ống đúng bằng giá trị đặt từ bộ điều khiển L05. I. Các bước tiến hành thiết kế Hình 85: Cửa sổ khai báo các module Đầu tiên ta phải khai báo các module vào ra phục vụ việc truyền thông của FCS, để thực hiện nhiệm vụ này ta sử dụng IOM trong FCS. Hình 86: Cửa sổ Control Drawing Builder Để thiết kế mạch vào điều khiển ta dùng công cụ Control Drawing Builder. Hình 87: Cửa sổ Graphic Builder Để thiết kế các giao diện đồ hoạ ta dùng công cụ Graphic Builder. II. Kết quả thiết kế Hình 88: Sơ đồ mạch điều khiển mức của bể Blending Chest. Trong đó: Khối %%LT6405 là khối module vào/ra nhận tín hiệu từ đầu đo mức đặt tại bể Blending Chest sau đó đưa về khối điều khiển PID 64L05, khối này sẽ dựa vào điểm đặt và tín hiệu đo để tính giá trị đặt cho khôi phân phối tín hiệu 64L05FO. Tín hiệu ra từ khối này se được đưa tới các khối tỉ lệ để thực hiện việc điều khiển thành phần của mỗi loại bột trong bể, đó là các khối 64F01RA, 64F02RA, 64F03RA. Khối 64L05CAL có nhiệm vụ tính toán các giá trị tỉ lệ, còn khối DSW-16 để nhập số liệu từ màn hình vận hành hoặc từ cac khối khác. Các khối %%FT6401, %%FT6402, %%FT6403 cúng là các khối modulve vào/ra có nhiệm vụ nhận tín hiệu đo lưu lượng từ các đầu đo ở hiện trường ở dạng 4-20mA. Các tín hiêu này sau đó tiếp tục được truyền về các khối 64F01A, 64F02A, 64F03A, 64F01, 64F02, 64F03. Trong đó các khối 64F01A, 64F02A, 64F03A chỉ có nhiệm vụ hiển thị cho ta biết giá trị lưu lượng chảy trong đường ống còn các khối kia là các bộ điều khiển PID sẽ dựa vào giá trị đặt và giá trị lưu lượng này để tính toán tín hiệu điều khiển đưa xuống các Valve thông qua các module vào/ra %%FV6401, %%FV6402, %%FV6403. Hình 89: Giao diện mô phỏng các máy nghiền bột trước khi bột được đưa vào bể Blending Chest. Hình 90: Giao diện đồ hoạ của máy nghiền và bể Blending Chest Hình 91: Giao diện đồ hoạ của khối: máy nghiền; bể Machine Chest.; bể Blending chest. III. Kết quả chạy mô phỏng. Để mô phỏng quá trình chạy của hệ thống điều khiển đã được thiết kế như trên, chúng em đã giả định một số giả thiết như sau: Mạch vòng điều khiển hoạt động ở chế độ điều khiển tỉ lệ tầng. Trong đó mức của bể Blending chest cần giữ ổn định ở 40% bể, tỉ lệ của dung dịch bột chảy từ các bể tre BP Chest II là 65 % , từ bể PP Chest II là 35% và của bể Broke Chest I là 0%. Đồ thị mô phỏng quá trình chạy như sau: Hình 92: Đồ thị quá trình các dòng lưu lượng vào bể Blending Chest Hình 93: Đồ thị lưu lưọng đường ống dung dịch bột tre nứa Hình 94 Đồ thị lưu lượng dung dịch bột gỗ cứng Hình 95: Đồ thị lưu lượng dung dịch bột giấy đứt. Hình 96: Đồ thị minh hoạ mức trong bể Blending chest. Kết luận: Như vậy từ đồ thị quá trình mô phỏng thu được ở trên ta thấy mạch điều khiển đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu điều khiển đặt ra. Kết luận và phương hướng phát triển Qua một thời gian nghiên cứu về hệ thống điều khiển phân tán. Em đã có được sự hiểu biết sâu sắc hơn về các hệ thống điều khiển trong công nghiệp nói chung và các hệ thống điều khiển phân tán nói riêng. Đó là nghiên cứu về các cảm biến, cơ cấu chấp hành ở cấp trường. Các bộ điều khiển cục bộ như các bộ điều khiển quá trình, khả trình. Nắm bắt được kiến thức về mạng truyền thông công nghiệp, các hệ thống Bus trường tiêu biểu trong công nghiệp, các phương thức truyền tin, các giao thức công nghiệp… Bằng việc đi vào nghiên cứu một số hệ thống điều khiển phân tán tiên tiến hiện nay như hệ PlantScape của HONEYWELL; hệ DCS của ABB và đặc biệt là CENTUM CS3000 của YOKOGAWA, em đã nắm bắt được kiến trúc của các hệ thống cũng như phần mềm của chúng. Bên cạnh đó thời gian thực tập tại phân xưởng xeo giấy thuộc công ty giấy Bãi Bằng đã tạo điều kiện cho em thấy được trước hết là công nghệ sản xuất giấy,cách bố trí các điểm đo và điều khiển, sau đó là sự hiểu biết thực tế về hệ thống điều khiển CENTUM CS3000 ứng dụng trong một dây chuyền sản xuất công nghiệp, cách thiết kế và xây dựng hệ thống, cũng như cách vận hành…Tuy nhiên do yếu tố thời gian cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức cũng như thực tiễn, trong khuôn khổ đồ án này em mới chỉ xây dựng được một khâu cơ bản của hệ thống là khâu điều khiển mức trong bể Blending Chest. Mặt khác, như đã biết do vấn đề công nghệ cũng như do yếu tố kinh tế và đặc thù của quá trình nâng cấp, nên một số tổ sấy của phân xưởng xeo giấy vẫn do các bộ PLC đơn lẻ trực tiếp điều khiển. Trong thời điều kiện cho phép, em có mong muốn cải tiến thiết kế đưa các khối điều khiển này vào hệ thống DCS, điều này sẽ đem lại một khả năng vận hành và giám sát hệ thống an toàn và hiệu quả hơn. Việc thực hiện nghiên cứu về lĩnh vực hệ thống điều khiển phân tán, một lĩnh vực hết sức tiên tiến, còn rất mới và có tiềm năng phát triển rất lớn ở Việt Nam sẽ tạo điều kiện cho em nói riêng và các bạn sinh viên, các kỹ sư nói chung có thể nắm bắt tiếp cận được với khoa học kỹ thuật tiến bộ, có khả năng tiến hành áp dụng các hệ thống điều khiển tiến bộ này vào các nhà máy ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp . Phần I 1 Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán DCS 1 Chương I 1 Tổng quan về điều khiển 1 I. Điều khiển là gì? 1 II. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 2 III. Lịch sử phát triển của các giải pháp điều khiển tự động hoá 2 1. Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển 2 2. Quá trình phát triển của các hệ thống điều khiển 4 2.1. PID và RƠ-LE 4 2.2. DDC và PLC 5 2.3. SCADA 5 2.4. DCS 7 Chương II 9 Cơ sở của hệ thống điều khiển phân tán DCS 9 I Mạng truyền thông công nghiệp. 9 1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 9 2. Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp 9 3. Đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp 11 3.1. Bus trường (fieldbus) 12 3.2. Bus hệ thống(system bus) 12 3.3. Mạng xí nghiệp 12 3.4. Mạng công ty 13 4. Cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông công nghiệp 13 4.1. Các khái niệm cơ bản 13 4.1.1. Thông tin, dữ liệu và tín hiệu 13 4.1.2. Giao tiếp và truyền thông 14 4.1.3. Tốc độ truyền, tốc độ bit 14 4.1.4. Thời gian bit,chu kỳ bit 14 4.1.5. Tính năng thời gian thực 15 4.2. Chế độ truyền tải 15 4.2.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 15 4.2.2. Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn 16 4.2.3. Truyền đồng bộ và không đồng bộ 17 4.2.4. Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng. 17 4.3. Cấu trúc mạng-Topology 17 4.3.1. Cấu trúc Bus 17 4.3.2. Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 18 4.3.3. Cấu trúc hình sao 19 4.3.4. Cấu trúc cây 20 4.4 . Kiến trúc giao thức 21 4.5. Truy nhập bus 23 4.5.1. Master/Slave. 24 4.5.2. TDMA 25 4.5.3. Token Passing 25 4.5.4. CSMA/CD (Carrier sense Multiple Access with Collision Detection) 26 4.5.5. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 27 4.6. Bảo toàn dữ liệu 27 4.7. Mã hoá bit. 28 4.7.1. Mã NRZ 28 4.7.2. Mã Manchester 29 4.8. Kỹ thuật truyền dẫn 29 5. Các thành phần hệ thống mạng 30 5.1. Phương tiện truyền dẫn 30 5.2. Giao diện mạng 30 5.3. Thiết bị liên kết mạng 32 II. Các hệ thống bus tiêu biểu 33 1. Foundation Fieldbus 33 1.1. Kiến trúc giao thức 33 1.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 34 1.3. Cơ chế giao tiếp 35 1.4. Cấu trúc bức điện 35 1.5. Dịch vụ giao tiếp 35 1.6. Khối chức năng ứng dụng 36 2. Profibus 36 2.1. Kiến trúc giao thức: 37 2.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn: 37 2.3. Profibus FMS. 37 2.4. Profibus DP 38 2.5. Profibus PA 38 3. EtherNet 38 3.1. Kiến trúc giao thức 38 3.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 39 3.3. Cơ chế giao tiếp 39 3.4. Cấu trúc bức điện 40 Chương 3 41 Hệ điều khiển phân tán DCS 41 I. Khái niệm chung về hệ điều khiển phân tán: 41 II. Cấu trúc chung của một hệ điều khiển phân tán: 41 1. Lớp I/O. 43 1.1. I/O bằng mạch điện tử: 43 1.2. I/O Fieldbus: 43 1.3. Giao tiếp với PLC: 43 2. Lớp điều khiển. 43 3. Lớp điều hành. 44 4. Lớp thông tin quản lý. 44 4.1. Gateway: 44 4.2. Lớp cơ sở dữ liệu: 44 4.3. Lớp quản lý. 45 III. Hệ thống mạng trong hệ thống điều khiển phân tán. 45 1. Các mạng I/O 45 2. Mạng điều khiển. 46 3. Mạng diện rộng của nhà máy. 46 IV. Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phân tán. 47 1. DCS truyền thống. 47 2. DCS trên nền PLC 48 3. Các hệ DCS trên nền PC. . 49 Chương IV 51 Một số hệ DCS tiêu biểu 51 I. Hệ DCS của hãng ABB 51 1. Hệ thống điều khiển phân tán AC800 51 1.1. Hệ thống điều khiển phân tán vừa và nhỏ 51 1.2. Hệ thống điều khiển phân tán lớn 51 2. Kiến trúc mạng tổng thể 51 2.1. Cấp chấp hành. 53 2.2. Cấp điều khiển. 53 2.3. Cấp điều hành quan sát. 53 2.3.1. Trạm vận hành. 53 2.3.2. Trạm thiết kế kĩ thuật. 54 2.4 Cấp quản lý. 54 3. Bộ điều khiển AC800M 54 3.1. Đặc điểm 55 3.2. Cấu trúc phần cứng 55 4. Phần mềm 56 4.1 Phần mềm điều khiển 56 4.2 Phần mềm vận hành, giám sát (Process Portal) 56 II. DCS PlantScape của HONEYWELL. 57 1. Giới thiệu 57 2. Tổng quan về cấu trúc hệ thống PlantScape: 57 2.1. Các hệ thống vào/ra 57 2.2. Bộ điều khiển lai cho việc điều khiển liên tục và rời rạc: 58 2.3. Các trạm giao diện Server 58 2.4. Các trạm giao diện người máy 58 2.5. Mạng điều khiển quá trình 58 3. Phần mềm 59 III. DCS CEN TUM CS3000 của hãng Yokogawa 61 1. Giới thiệu hệ thống điều khiển phân tán centum CS 3000 61 2. Các đặc trưng của hệ thống CENTUM CS 3000 62 3. Cấu hình hệ thống Centum CS3000 64 3.1 Trạm vận hành - Operator Stations. 64 3.1.1. Console Type HIS. 65 3.1.2.Desktop Type HIS. 66 3.1.3. Bàn phím vận hành ( Operation Keyboard ). 66 3.1.4. Các đặc điểm kỹ thuật, chức năng của HIS 66 3.2. Trạm điều khiển hiện trường- Field Control Station: 68 3.2.1. Trạm điều khiển LFCS - Standard FCS for Remote I/O. 69 3.2.1.1. Bảng mạch chủ phân phối nguồn (Main Power Distribution Broad ) 69 3.2.1.2. FCU (Field Control Unit) của LFCS. 70 3.2.1.3. Lắp đặt các FCS và các I/O Node: 76 3.2.1.4. Chế độ dự phòng kép - Dual Redundant. 76 3.2.2. Trạm điều khiển KFCS - Standard FCS for Fast IO. 77 3.2.3. Trạm điều khiển SFCS - Compact Field Control Station. 78 3.3. Engineering PC - ENG: Các máy tính kỹ thuật 79 3.4. Bus điều khiển - Control Bus. 80 3.4.1. Vnet. 80 3.4.2. Các thiết bị truyền thông trên bus điều khiển. 80 3.5. Mạng thông tin - Information Network. 81 3.6. Mạng Fieldbus: 81 3.7. Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống: 82 4. Công nghệ phần mềm trong CENTUM CS 3000 83 4.1. Giao diện OPC. 83 4.2. Các điều khiển ACTIVEX. 84 4.3. Hiển thị các cửa sổ đồ hoạ trong một trình duyệt WEB. 85 5. CENTUM CS 3000 Software 86 5.1. System View 86 5.2. Chức năng kiểm tra ảo (Virtual Test) 87 6. Các khối thực hiện chức năng điều khiển cơ bản. 89 6.1. Khối chỉ thị tín hiệu vào - Input Indicator Block: PVI 89 6.2. Khối điều khiển - Controler Block: PID 89 6.3. Khối đặt bằng tay - Manual Loader Block: MLD 90 6.4. Manual Loader Block with Input Indicator: MLD – PVI 90 6.5. Dual - Redundant Signal Selector Block: SS – Dual 91 6.6. Khối tính toán chung(CALCU) 91 6.7. Khối phân phối tín hiệu điều khiển nối tầng(FOUT) 92 6.8 Khối đặt tỉ lệ 93 Phần II 94 ứng dụng Dcs centum cs3000 trong công ty giấy bãi bằng 94 Chương V 95 Công nghệ săn xuất giấy 95 I. Công ty giấy Bãi Bằng 95 1. Giới thiệu chung về công ty Bãi Bằng 95 2. Tổng quan về hệ thống sản xuất của công ty giấy Bãi Bằng 95 II. Giới thiệu chung về công nghệ sản xuất giấy 97 1. Khâu xử lí nguyên liệu 97 2. Khâu xử lí bột 97 2.1. Công đoạn nấu bột 97 2.2. Công đoạn rửa sàng 97 2.3. Công đoạn tẩy trắng bột 98 3. Công đoạn Xeo 98 3.1. Hòm phun bột và sự hình thành tờ giấy 98 3.2. Bộ phận ép 98 3.3. Bộ phận sấy 99 3.4. Bộ phận ép quang 100 3.5. Bộ phận cuộn 100 Chương VI 101 ứng dụng Hệ DCS CENTUM CS 3000 vào phân xưởng xeo 101 I. Dây chuyền sản xuất trong phân xưởng xeo 101 II. Hệ thống điều khiển DCS của phân xưởng xeo 103 1. Các thiết bị trường 103 2. Cấp điều khiển 108 3. Cấp vận hành giám sát 108 4. Một số mạch điều khiển của DCS tại phân xưởng xeo 109 4.1. Các mạch điều khiển mức dung dịch trong các bể 109 4.2. Các mạch điều khiển nồng độ bột trong dung dịch các bể 109 4.3. Các mạch điều khiển lưu lượng dung dịch bột trong các đường ống 109 4.4. Các mạch điều khiển áp suất trong các đường ống 110 4.6.. Nhận xét 111 Chương VII 112 Thiết kế hệ thống điều khiển cho bể Blending Chest. 112 I. Các bước tiến hành thiết kế 113 II. Kết quả thiết kế 115 III. Kết quả chạy mô phỏng. 120 Kết luận và phương hướng phát triển 125 ._.