Bài giảng Các hệ PLC và DCS - Chương 4: Kiến trúc DCS

Nội dung text: Bài giảng Các hệ PLC và DCS - Chương 4: Kiến trúc DCS

1. Chương 4: Kiến trúc DCS 4.1 Giới thiệu chung Phạm vi ứng dụng 4.2 Cấu hình cơ bản của các hệ DCS Giới thiệu các thành phần chính Các ví dụ sản phẩm minh họa 4.3 Các điểm mấu chốt trong kiến trúc DCS Chương Chương 4 4.4 So sánh kiến trúc PLC/HIM với DCS  HMS 12/06/2015 1
2. 4.1 Giới thiệu chung về DCS  DCS = Distributed Control System – Tiến hóa từ giải pháp DDC, phân tán chức năng điều khiển xuống nhiều bộ điều khiển nối mạng – Hệ điều khiển tích hợp trọn vẹn của một nhà sản xuất (tích hợp về phần cứng, phần mềm và chức năng)  Hệ DCS đầu tiên: TDC2000 của Honeywell (1975)  Các sản phẩm tiêu biểu: – ABB: Advant OCS, IndustrialIT Chương Chương 4 – Emerson (Fisher-Rosemount): PROVOX, DeltaV – Honeywell: PlantScape – Invensys (Foxboro): I/A Series – Siemens: Teleperm, PCS7 – Yokogawa: Centum CS1000/CS3000  HMS 12/06/2015 2
3. Phạm vi ứng dụng của DCS  Chủ yếu trong công nghiệp chế biến: – Hóa chất, hóa dầu, thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm – Khai thác dầu khí, than – Điện năng, xi măng, giấy – Luyện kim, cán thép –  Ưu điểm: – Tính tích hợp cao (phần mềm, phần cứng, giao tiếp, chức năng điều khiển và giám sát) Chương Chương 4 – Phát triển ứng dụng trực quan, linh hoạt, đơn giản, gần gũi với công nghệ – Độ tin cậy cao nhờ khả năng độc lập cảnh giới, chẩn đoán lỗi của các trạm, cấu trúc phân tán và cấu hình dự phòng  Nhược điểm:  HMS – Giá thành hệ thống tương đối cao 12/06/2015 – Nhiều hệ thống thể hiện tính đóng kín 3
4. 4.2 Cấu hình cơ bản một hệ DCS Alarm Report Printer Printer LAN Operator Engineering O Station O ES Station S S System bus/ Control Network Chương Chương 4 Local Control Unit (LCU) Remote I/O 4-20mA Fieldbus (RIO) PROCESS  HMS 12/06/2015 4
5. Các thành phần chính  Khối điều khiển cục bộ (LCU), bộ điều khiển: Chức năng điều khiển cơ sở và giám sát (chủ yếu cho các biến tương tự), có thể cả điều khiển cao cấp  Vào/ra từ xa (RIO), vào/ra phân tán  Trạm vận hành: Chức năng giao diện vận hành & giám sát, quản lý dữ liệu  Trạm kỹ thuật: Phát triển phần mềm, cấu hình và Chương Chương 4 chẩn đoán hệ thống  Bus hệ thống (system bus, data highway), bus điều khiển  Tùy chọn: Các loại trạm chủ, các máy tính điều khiển cao cấp, các loại bus trường, bus thiết bị  HMS (Foundation Fieldbus, DP, DeviceNet ) 12/06/2015 5
6. Ví dụ: DeltaV (Fisher-Rosermount) Operator Operator Engineering Application Workstation Workstation Workstation Server Fast Ethernet DeltaV Chương Chương 4 Controllers  HMS 12/06/2015 6
7. Ví dụ: PlantScape (Honeywell) Chương Chương 4  HMS 12/06/2015 7
8. Ví dụ: Centum CS3000 (Yokogawa) Historian/ Plant Ethernet Performance HIS EWS Vnet FCS Chương Chương 4 Local I/O Nodes Remote I/O Nodes HIS: Human Interface Station  HMS EWS: Engineering Workstation 12/06/2015 8
9. Ví dụ: PCS7 (Siemens) Chương Chương 4  HMS 12/06/2015 9
10. Ví dụ: ProcessLogix (Allen-Bradley) Chương Chương 4  HMS 12/06/2015 10
11. Bộ điều khiển (Controller, LCU) Không dự phòng Có dự phòng PS CPU IM AI AO DI DO IM PS CPU PS CPU IM AI AO DI DO IM  Cấu trúc module: – Giá đỡ, thanh ray – Khối cung cấp nguồn (PS) – Khối xử lý trung tâm (CPU) – Các module vào/ra (thông thường, HART, an toàn cháy nổ) Chương Chương 4 – Giao diện với bus hệ thống, bus điều khiển – Giao diện với bus trường (tùy chọn)  Kiến trúc máy tính: – Máy tính đặc chủng, chỉ điều khiển liên tục-> DCS truyền thống – PLC -> PLC-based DCS  HMS – PC/IPC -> PC-based DCS 12/06/2015 – Các bộ điều khiển lai 11
12. DeltaV Controller PCS 7 Controller Chương Chương 4  HMS 12/06/2015 12
13. Các chức năng của bộ điều khiển  Xử lý và giám sát các giá trị vào/ra: – Chuyển đổi D/A, A/D, lọc nhiễu, chuyển thang – Giám sát ngưỡng giá trị, tạo các thông báo báo động – Lưu trữ tạm thời các giá trị vào/ra – Hạn chế tín hiệu ra, đặt các tín hiệu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố  Điều khiển: – Điều chỉnh tự động: Điều khiển PID, điều khiển tỉ lệ, điều Chương Chương 4 khiển tầng, điều khiển mờ – Điều khiển trình tự, điều khiển khóa liên động – Điều khiển cao cấp: Điều khiển MPC, điều khiển theo công thức, điều khiển thích nghi  Tự chẩn đoán  HMS  Xử lý truyền thông 12/06/2015 13
14. Các tính năng quan trọng của bộ điều khiển  Tính năng thời gian thực – Hiệu năng CPU, dung lượng bộ nhớ – Xử lý đa nhiệm, hỗ trợ của hệ điều hành TGT – Thời gian chuyển đổi tương tự-số – Chu kỳ task (tối thiểu 100ms)  Khả năng ghép nối vào/ra – Các loại tín hiệu vào/ra – Vào/ra phân tán – Ghép nối thiết bị HART, ghép nối bus trường  Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng các thuật toán cao cấp Chương Chương 4 – Ngôn ngữ theo chuẩn quốc tế IEC 61131-3 – Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic) – Thư viện khối chức năng mạnh  Độ tin cậy và tính sẵn sàng – Khả năng tự chẩn đoán, tự kiểm tra và sửa lỗi – Cơ chế dự phòng nóng  HMS – Thời gian chuyển mạch khi có sự cố 12/06/2015 14
15. Trạm vận hành (Operator Station) Chương Chương 4  Cấu hình tiêu biểu: – Máy tính trạm (Workstation) hoặc máy tính cá nhân (PC) – Hệ điều hành Windows NT/2000/XP hoặc UNIX, LINUX  HMS – Màn hình CRT 21", có thể màn hình kép 12/06/2015 15
16. Các chức năng của trạm vận hành  Hiển thị: – Các hình ảnh chuẩn: hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự – Các hình ảnh đồ họa tự do: lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển – Các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ  Hỗ trợ vận hành: – Các công cụ thao tác tiêu biểu, xử lý mệnh lệnh – Hệ thống hướng dẫn chỉ đạo – Hướng dẫn trợ giúp – Bảo trì hệ thống Chương Chương 4  Quản lý dữ liệu quá trình – Xử lý, lưu trữ – Phục vụ truy vấn  Xử lý các sự kiện, sự cố – Gửi thông báo, yêu cầu xác nhận – Bảng hiển thị tóm tắt, bảng hiển thị chi tiết  HMS  Hỗ trợ lập báo cáo tự động 12/06/2015 16
17. Cấu trúc bố trí các trạm vận hành OS OS OS SYSTEM BUS Cấu trúc phẳng Controller Controller Controller OS OS OS Chương Chương 4 TERMINAL BUS Cấu trúc phân cấp DATA SERVER SYSTEM BUS  HMS Controller Controller Controller 12/06/2015 17
18. Trạm kỹ thuật (Engineering Station)  Cấu hình: – Máy tính cá nhân (WinNT/2000/XP) hoặc máy tính trạm (UNIX,LINUX), màn hình CRT 19" – Thường có thể sử dụng là trạm vận hành – Có cơ chế khóa kiểm soát quyền sử dụng  Các chức năng tiêu biểu: – Đặt cấu hình hệ thống, lưu trữ và quản lý dữ liệu cấu hình hệ thống Chương Chương 4 – Tham số hóa, đưa các thiết bị trường vào vận hành – Lập trình điều khiển (LD, FBD/CFC, SFC, C/C++/BASIC, ) – Thử nghiệm và gỡ rối chương trình – Tạo giao diện người-máy và các chức năng điều khiển giám sát khác  HMS – Quan sát và chẩn đoán lỗi hệ thống 12/06/2015 18
19. Ví dụ bố trí phòng điều khiển trung tâm Chương Chương 4  HMS 12/06/2015 19
20. Bus hệ thống  Chức năng: – Nối mạng các bộ điều khiển với các trạm vận hành/trạm kỹ thuật – Nối mạng các bộ điều khiển với nhau (bus điều khiển)  Đặc điểm kỹ thuật: – Mạng tốc độ cao (10-100MBit/s) – Yêu cầu tính năng thời gian thực, đặc biệt với bus điều khiển Chương Chương 4 – Độ tin cậy cao, thường có dự phòng 1-1  Các loại mạng công nghiệp thường được sử dụng: – Ethernet và Industrial Ethernet (sử dụng Switches/Hub) – Profibus-FMS – ControlNet  HMS – Data Highway 12/06/2015 – Mạng đặc chủng của riêng hãng sản xuất 20
21. Bus trường  Chức năng: – Ghép nối trạm điều khiển với các trạm vào/ra phân tán – Ghép nối trạm điều khiển trực tiếp với các thiết bị trường thông minh  Đặc điểm kỹ thuật: – Mạng tốc độ thấp hoặc vừa phải (< 10Mbit/s) – Yêu cầu tính năng thời gian thực cao – Độ tin cậy cao, đặc biệt trong môi trường dễ cháy nổ Chương Chương 4  Các loại bus thường được sử dụng: – Profibus-DP, Profibus-PA – Foundation Fieldbus H1 – Controlnet – DeviceNet  HMS – Mạng đặc chủng của riêng hãng sản xuất, sử dụng RS-485 12/06/2015 21
22. 4.3 Các điểm mấu chốt của kiến trúc DCS  Tích hợp toàn diện về phần cứng: Bộ điều khiển, I/O, ES, OS  Tích hợp toàn diện về phần mềm – Các phần mềm chạy – Môi trường phát triển tích hợp (IDE), xuyên suốt – Cơ sở dữ liệu cấu hình chung – Cơ sở dữ liệu quá trình chung Chương Chương 4  Tích hợp toàn diện về truyền thông – Cơ sở hạ tầng truyền thông – Giao tiếp ngầm (không cần cấu hình, lập trình riêng)  Tích hợp toàn diện về chức năng – Điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp  HMS – Vận hành & giám sát, 12/06/2015 22
23. Kiến trúc DCS "truyền thống"  Kiến trúc "đóng kín" – Hỗ trợ ít các chuẩn công nghiệp – Phương pháp lập trình riêng – Khó tích hợp sản phẩm hãng thứ 3 (phần cứng, phần mềm)  Bộ điều khiển: – Chuyên dụng, đặc chủng – Chỉ điều khiển các quá trình liên tục hoặc theo mẻ Chương Chương 4  Giao diện quá trình: – 4-20mA, HART – Vào/ra tập trung hoặc từ xa, không dùng bus chuẩn hóa  Phân tán chưa triệt để (chức năng điều khiển vẫn chỉ nằm ở các bộ điều khiển)  HMS 12/06/2015 23
24. Kiến trúc DCS hiện đại  Kiến trúc mở: – Hỗ trợ nhiều các chuẩn giao tiếp công nghiệp (COM, OPC, Ethernet, ODBC, ActiveX, MMS, XML) – Phương pháp lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 – Có thể tích hợp sản phẩm hãng thứ 3 (PLC, I/O, biến tần, MES, ERP, )  Bộ điều khiển: – Đa dạng Chương Chương 4 – Khả năng điều khiển lai  Giao diện quá trình: – 4-20mA, HART – Vào/ra tập trung hoặc từ xa qua bus chuẩn hóa – Ghép nối trực tiếp với các thiết bị bus trường  HMS  Chức năng điều khiển: có thể đưa xuống cấp trường 12/06/2015 24
25. So sánh DCS và PLC/HMI  Ngày càng giống nhau về: – Cấu trúc phần cứng – Phạm vi chức năng – Ngôn ngữ lập trình  Khác nhau cơ bản: mức độ tích hợp – DCS: Phần cứng trọn gói, môi trường phát triển tích hợp (điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp, HMI, ), cơ sở dữ liệu toàn cục Chương Chương 4 – PLC/HMI: Cấu hình phần cứng tương đối tự do, công cụ lập trình PLC và công cụ SCADA/HMI độc lập với nhau, cơ sở dữ liệu độc lập => phức tạp hơn  DCS PLC+HMI  HMS 12/06/2015 25
26. DCS hay PLC/HMI?  Đầu tư ban đầu: DCS PLC/HMI  Mức độ tích hợp: DCS PLC/HMI  Công cụ phát triển: DCS PLC/HMI  Độ tin cậy, sẵn sàng: DCS PLC/HMI  Qui mô ứng dụng lớn: DCS PLC/HMI  Quá trình liên tục: DCS PLC/HMI Chương Chương 4  Quá trình rời rạc: DCS PLC/HMI  Quá trình hỗn hợp: DCS + PLC hoặc hệ lai  HMS 12/06/2015 26