Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghệ - Chương 1: Các khái niệm cơ bản trong hệ đo và điều khiển Công nghiệp

Mạng máy tính & Hệ thống thông tin công nghiệ Đào Đức Thịnh BM Kỹ thuật đo & THCN Ch−ơng 1: Các khái niệm cơ bản trong hệ đo & điều khiển Công nghiệp. 1.1 Chức năng của một hệ thông đo và điều khiển trong CN 1.1.1 Chức năng điều khiển các quá trình. 1.1.2 Chức năng điều khiển logic, liên động cảnh báo. 1.1.3 Chức năng giao tiếp ng−ời và hệ thống. 1.1.4 Chức năng thu thập và quản lý thông tin 1.2 Các khái niệm về các hệ và các thiết bị hiện đại trong CN: 1.2.1 Smart Device. 1.2.2 PLC ( Programmable Logic Controller). 1.2.3 SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition) 1.2.4 DCS(Distributed Control System) Chức năng điều khiển các quá trình - Điều khiển các quá trình nhiệt độ, áp suất, l−u l−ợng..Theo một hàm thời gian. - Các bộ điều khiển t−ơng tự 4-20 mA. - Các bộ điều khiển lai, số. - DCS Chức năng điều khiển Logic, liên động, cảnh báo - Điều khiển logic, liên động các thiết bị , điều khiển tuần tự, cảnh báo. - Relay cơ điện, Timer, Counter. - IC số. - PLC. Chức năng giao tiếp giữa ng−ời và hệ thống - Ng−ời vận hành có thể theo dõi quá trình, điều khiển quá trình, thay đổi Setpoint.. - Panel điều khiển, công tắc, nút ấn, chiết áp. - Đèn báo, đồng hồ (Analog, digital) - Giao diện bằng máy tính dựa trên phần mềm HMI Chức năng thu thập và quản lý thông tin - Đo, thu thập và quản lý thông tin. - bằng tay (thủ công). - Các đồng hồ tự ghi, relay tự rơi, recorder. - Sử dụng máy tính. Smart Device - Thiết bị số trên cơ sở uP có khả năng xử lý thông tin. - Hiển thị tại chỗ hay từ xa. - Mềm dẻo, kinh tế. - Có khả năng tự động kiểm tra, chuẩn đoán. Smart Device PLC (Programmable Logic Controller) Thiết bị điều khiển khả trỡnh (PLC, programmable logic controller) là một loại mỏy tớnh điều khiển chuyờn dụng, do nhà phỏt minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiờn đưa ra ý tưởng vào năm 1968. Dựa trờn yờu cầu kỹ thuật của General Motors là xõy dựng một thiết bị cú khả năng lập trỡnh mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, hai cụng ty độc lập là Allen Bradley và Bedford Associates (sau này là Modicon) đó đưa ra trỡnh bày cỏc sản phẩm đầu tiờn. Cỏc thiết bị này chỉ xử lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và 1kByte bộ nhớ. PLC (Programmable Logic Controller) - Thiết bị số trên cơ sở uP - Phát triển để thay thế cho Relay,Timer.... - Sử dụng để điều khiển quá trình, liên động với các đầu I/O số. - Ch−ơng trình viết bằng ngôn ngữ Ladder Logic. PLC (Programmable Logic Controller) SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Điều khiển giám sát (và thu thập dữ liệu) -Hỗ trợ con ng−ời trong việc quan sát và điều khiển từ xa - Có giao diện ng−ời-máy - HMI (Human-Machine Interface) - Giao diện ng−ời-máy + Thành phần trong một hệ SCADA, hoặc + Các ph−ơng tiện quan sát/thao tác ở cấp thấp hơn - Các trạm điều khiển giám sát trung tâm + Engineering Station (ES) + Operator Station (OS) + Server Station (SS) SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - 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 đ−ờng dài (vô tuyền, hữu tuyến) + Các thiết bị chuyển đồi, dồn kênh (Modem, Multiplexer) SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - Các công cụ phát triển ứng dụng *Giao diện ng−ời-máy (HMI) +Sơ đồ hệ thống, sơ đồ công nghệ + Hiển thị các biến quá trình qua các "thiết bị ảo" + Đồ thị thời gian thực, đồ thị dữ liệu tĩnh + Các phím thao tác, nút điều khiển (controls) * Hỗ trợ trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện (Event), sự cố (Alarm) * Hỗ trợ việc thống kê và lập báo cáo (Reporting) SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) * Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các module vào/ra, cho các hệ thống bus tr−ờng) * Cơ sở dữ liệu quá trình, dữ liệu cấu hình hệ thống Hệ một người dựng Hệ nhiều người dựng HệWeb Client Hệ phõn tỏn Hệ chạy dự phũng Communication DCS ( Distributed Control System) - Các thiết bị điều khiển số + Phần cứng phần mềm thu thập thông tin. - Đ−ờng truyền tốc độ cao. - Các module bố trí phân tán. - Mỗi Module thực hiện một chức năng riêng. - Có giao diện để nối các máy tính điều khiển giám sát và các bộ điều khiển. DCS ( Distributed Control System) DCS ( Distributed Control System) DCS ( Distributed Control System) DCS ( Distributed Control System) DCS ( Distributed Control System) DCS Truyền thống. - Cỏc hệ này sử dụng cỏc bộ điều khiển quỏ trỡnh đặc chủng theo kiến trỳc riờng của nhà sản xuất. - Cỏc hệ cũ thường đúng kớn, ớt tuõn theo cỏc chuẩn giao tiếp cụng nghiệp, cỏc bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quỏ trỡnh, vỡ vậy phải sử dụng kết hợp PLC cho cỏc bài toỏn điều khiển logic và điều khiển trỡnh tự. - Cỏc hệ mới cú tớnh năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai đảm nhiệm cả cỏc chức năng điều khiển quỏ trỡnh, điều khiển trỡnh tự và điều khiển logic (hybrid controller). DCS ( Distributed Control System) - Để hỗ trợ cỏc bài toỏn điều khiển quỏ trỡnh diễn ra đồng thời, khối xử lý trung tõm được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực, đa nhiệm - hoặc của riờng nhà sản xuất phỏt triển hoặc một sản phẩm thụng dụng như pSOS, TSOS, VRTX,... Chu kỳ thời gian nhỏ nhất thực hiện cỏc mạch vũng điều khiển thường nằm trong khoảng 10-100ms, trong trường hợp đặc biệt (vớ dụ cho nhà mỏy điện) cú thể tới 1ms. DCS ( Distributed Control System) - Một số sản phẩm tiờu biểu cựng với tờn trạm điều khiển cục bộ được liệt kờ dưới đõy: • AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riờng • Freelance 2000 (ABB): D-PS hợc D-FC, hệ điều hành pSOS • DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành TSOS • PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành riờng •Centum CS1000/CS3000 (Yokogawa): PFCx-E, AFS10x/AFS20x, hệ điều hành ORKID DCS ( Distributed Control System) DSC trên nền PLC Một số hệ DCS trờn nền PLC tiờu biểu là SattLine (ABB), Process Logix (Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens), Thực chất, ngày nay đa số cỏc PLC vừa cú thể sử dụng cho bài toỏn điều khiển logic và điều khiển quỏ trỡnh. Tuy nhiờn, cỏc PLC được sử dụng trong cỏc hệ điều khiển phõn tỏn thường cú cấu hỡnh mạnh, hỗ trợ điều khiển trỡnh tự cựng với cỏc phương phỏp lập trỡnh hiện đại (vớ dụ SFC). DCS ( Distributed Control System) DSC trên nền PC Giải phỏp sử dụng mỏy tớnh cỏ nhõn (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển khụng những được bàn tới rộng rói, mà đó trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đõy. Nếu so sỏnh với cỏc bộ điều khiển khả trỡnh (PLC) và cỏc bộ điều khiển DCS đặc chủng thỡ thế mạnh của PC khụng những nằm ở tớnh năng mở, khả năng lập trỡnh tự do, hiệu năng tớnh toỏn cao và đa chức năng, mà cũn ở khớa cạnh kinh tế. Cỏc bước tiến lớn trong kỹ thuật mỏy tớnh, cụng nghiệp phần mềm và cụng nghệ bus trường chớnh là cỏc yếu tố thỳc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong điều khiển cụng nghiệp. DCS ( Distributed Control System) DCS trờn nền PC là một hướng giải phỏp tương đối mới, mới cú một số sản phẩm trờn thị trường như PCS7 (Siemens, giải phỏp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management) Hướng giải phỏp này thể hiện nhiều ưu điểm về mặt giỏ thành, hiệu năng tớnh toỏn và tớnh năng mở. Một trạm điều khiển cục bộ chớnh là một mỏy tớnh cỏ nhõn cụng nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và cỏc card giao diện bus trường và card giao diện bus hệ thống.