BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
ISO 9001:2008
TÌM HIỂU VỀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS ĐI SÂU
ĐIỀU KHIỂN DCS NHÀ MÁY ĐIỆN HẬU GIANG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÒNG – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
ISO 9001:2008
TÌM HIỂU VỀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS ĐI SÂU
ĐIỀU KHIỂN DCS NHÀ MÁY ĐIỆN HẬU GIANG 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Nguyễn Mạnh Hùng
Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Đinh Thế Nam
HẢI PHÒNG – 2017
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên : Nguyễn Mạnh Hùng – MSV : 1312102018
Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp
Tên đề tài : Tìm hiểu về điều khiển phân tán DCS đi sâu điều
khiển DCS nhà máy điện Hậu Giang 1
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (
về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp………………………………………………………………..:
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hƣớng dẫn :
Đinh Thế Nam
Thạc sỹ
Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Toàn bộ đề tài
Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hƣớng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày tháng năm 2017.
Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày……tháng…….năm 2017
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Sinh viên
Nguyễn Mạnh Hùng
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hƣớng dẫn Đ.T.T.N
Th.S Đinh Thế Nam
Hải Phòng, ngày……..tháng……..năm 2017
HIỆU TRƢỞNG
GS.TS.NGƢT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất
lƣợng các bản vẽ..)
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Cán bộ hƣớng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu
ban đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng thuyết
minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Ngƣời chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
1
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế nƣớc
ta, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng cao, kéo theo tình trạng thiếu hụt điện
năng. Điện năng là một dạng năng lƣợng không tái tạo, nhƣng cùng với những
nguồn nguyên liệu sẵn có, thời gian xây dựng nhanh, công nghệ kỹ thuật tiên
tiến, hàng loạt các nhà máy.
Hiện nay, trong các nhà máy điện, mức độ tự động hóa ngày càng cao, hàng loạt
nhà máy điện đang đƣợc xây dựng và đƣa vào vận hành với mức độ tự động hóa
cao, trang bị hệ điều khiển DCS hiện đại của các hãng nổi tiếng nhƣ: Yokogawa,
ABB, Siemen,… Với việc sử dụng hệ DCS cho nhà máy điện, có thể chỉ cần hơn
10 ngƣời cho một ca vận hành nhà máy. Các quá trình có thể đƣợc giám sát và
điều khiển hoàn toàn từ xa tại phòng điều khiển trung tâm. Xất phát từ thực tế
đó, em đã xin tiến hành thiết kế đồ án tốt nghiệp với đề tài:”Tìm hiểu về điều
khiển phân tán DCS đi sâu điều khiển DCS nhà máy điện Hậu Giang 1” do
Thạc sĩ. Đinh Thế Nam hƣớng dẫn .
Đồ án đƣợc thực hiện bao gồm các nội dung sau :
Chƣơng 1 : Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện và quy trình sản xuất điện
năng
Chƣơng 2 : Tổng quan về hệ điều khiển phân tán DCS
Chƣơng 3: Giới thiệu về một số hệ thống điều khiển DCS tiêu biểu cho nhà máy
nhiệt điện Hậu Giang 1
2
CHƢƠNG 1.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ QUY
TRÌNH SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Nhà máy nhiệt điện hoạt động trên nguyên lý chuyên hoá năng lƣợng nhiệt năng
từ đốt cháy các nhiên liệu hữu cơ thành cơ năng quay tuabin, chuyển cơ năng
thành năng lƣợng điện. Nhiệt năng đƣợc dẫn tới Tuabin qua môi trƣờng dẫn
nhiệt là hơi nƣớc. Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lƣợng điện phát ra
càng lớn và ngƣợc lại. Điện áp phát ra ở mỗi đầu cực máy phát đƣợc đƣa qua hệ
thống trạm biến áp nâng áp tới cấp điện áp thích hợp trƣớc khi hoà vào lƣới điện
quốc gia.
Các thành phần chính trong quá trình chuyển hoá năng lƣợng trong nhà máy
nhiệt điện bao gồm:
♦ Trạm biên áp: Trạm biến áp thực hiện nâng điện áp từ đầu cực máy phát
lên điện áp cao để đáp ứng yêu cầu truyền tải điện năng.
♦ Máy phát: Máy phát thực hiện chuyển đổi năng lƣợng từ cơ năng sang
điện năng.
♦ Tuabin: Tuabin thực hiện chuyển đổi năng lƣợng từ nhiệt năng sang cơ
năng.
♦ Lò hơi: Thực hiện chuyển đổi năng lƣợng sơ cấp (dầu. than) thành nhiệt
năng, chuyển nƣớc thành hơi nƣớc.
Ngoài các thành phần chính, nhà máy nhiệt điện chứa các hệ thống phụ trợ hỗ
trợ cho các thành phần chính nhƣ:
♦ Hệ thống cấp liệu.
♦ Hệ thống nƣớc tuần hoàn.
♦ Hệ thống quạt gió.
♦ Hệ thống phân tích.
♦ Hệ thống điện của nhà máy.
3
♦ Hệ thống thuỷ khí.
♦ Hệ thống trạm bơm.
♦ Hệ thống lọc bụi tĩnh điện.
♦ Máv phát Diesel.
♦ Hệ thống xử lý nƣớc.
♦ Hệ thống bảo vệ.
Các thành phần trong nhà máy hoạt động thông qua hệ thống tích họp hoạt động
của các thành phần với nhau, hệ thống đó là hệ thống điều khiển và giám sát tích
hợp (ICMS) trong nhà máy. Mỗi hệ thống đều có các trạm điều khiển riêng và
đƣợc tích hợp trong hệ thống (ICMS).
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN HẬU GIANG 1
Dự án có quy mô công suất 2 x 600MW, sử dụng công nghệ ngƣng hơi truyền
thống, liệu than nhập khẩu, đƣợc thiết kế theo sơ đồ khối gồm 2 tổ máy cùng các
hệ thống thiết bị đồng bộ nhƣ hệ thống cung cấp xử lý và tồn chứa nhiên liệu
than, dầu, đá vôi – thạch cao, hệ thống xử lý nƣớc, xử lý tro xỉ, khử lƣu huỳnh,
hệ thống thiết bị tự dung,v.v.. đạt các yêu cầu hiện đại, hiệu suất cao, bảo đảm
các điều kiện phát thải theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế hiện hành, than
thiện với môi trƣờng. Lò hơi và tua bin hơi nƣớc của NMNĐ Hậu Giang 1 sử
dụng thuộc loại công nghệ thông số siêu tới hạn tiên tiến của thế giới hiện nay
và đƣợc vận hành bằng than nhập khẩu dự kiến từ Indonesia và Australia. Khi
hoàn thành, NMNĐ Hậu Giang 1 sẽ cung cấp lên lƣới điện quốc gia khoảng 7,8
tỷ KWh/năm.
Đặc điểm tổ chức sản xuất
Bộ máy quản lý và lực lƣợng công nhân lao động đƣợc cơ cấu tổ chức theo mô
hình sau: nhà máy đƣợc cấp trên bổ nhiệm một giám đốc và 1 phó giám đốc kỹ
thuật vận hành trực tiếp quản lý 6 phân xƣởng, 3 phòng và tổ trƣởng ca.
4
Hình 1-1: Sơ đồ cơ cấu tổ chức quản lý của 1 nhà máy nhiệt điện.
1.3. QUY TRÌNH SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
1.3.1. Vai trò của điện năng trong hệ thống lƣới điện
Điện năng có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển của con ngƣời.
Nó là nguồn năng lƣợng đƣợc con ngƣời tạo ra thông qua các thiết bị máy móc
và nguồn năng lƣợng thiên nhiên khác. Tùy theo từng loại năng lƣợng sử dụng
mà ngƣời ta chia ra các loại nhà máy chính nhƣ sau:
5
* Nhà máy nhiệt điện.
* Nhà máy thủy điện.
* Nhà máy điện nguyên tử.
* Nhà máy điện địa nhiệt.
* Nhà máy điện sử dụng năng lƣợng gió.
Hiện nay trên thế giới và nƣớc ta các nhà máy điện vẫn tiếp tục đƣợc xây
dựng và không ngừng đƣợc hiện đại hóa về kỹ thuật công nghệ nhằm khai thác
tối đa về công suất và giảm tối thiểu sự ô nhiễm môi trƣờng.
Các nguồn nhiên liệu đƣợc khai thác từ thiên nhiên nhƣ than đá, dầu mỏ,
đƣợc sử dụng tạo nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện.
Hiện nay có 2 loại hình nhà máy nhiệt điện cơ bản:
* Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.
* Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
Với nhà máy nhiệt điện tuabin hơi, các nhiên liệu hữu cơ chủ yếu là than bột
đƣợc đốt trong lò hơi tạo nhiệt làm hóa hơi nƣớc trong các gian ống sinh hơi.
Hơi sinh ra đƣợc vận chuyển qua các hệ thống phân ly., quá nhiệt…Để đảm bảo
nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng cần thiết cho việc sinh công tốt nhất phù hợp với
yêu cầu kỹ thuật và công suất thiết kế. Sau đó hơi bão hòa đƣợc đƣa vào các
tầng cánh tuabin.
Sau tuabin hơi nƣớc thu hồi tuần hoàn lại. Với các nhà máy nhiệt điện tuabin
khí, không khí ngoài trời sau khi đƣợc làm sạch, loại bỏ hơi nƣớc đƣợc hệ thống
ống dẫn đƣa vào một máy nén khí để nâng áp suất khí lên. Khi áp suất cao đƣợc
đƣa vào hệ thống buồng đốt và đƣợc đốt với nhiên liệu ( thƣờng là khí gas ).
Chất khí sau khi đốt có nhiệt độ và áp suất cao đƣợc đƣa vào các tầng tuabin khí
sinh công, tuabin quay máy phát điện và ở đầu cực các máy phát ta cũng thu
đƣợc năng lƣợng dƣới dạng điện năng.
1.3.2. Quy trình sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện
Trong nhà máy nhiệt điện, hóa năng của các nhiên liệu (than, dầu, khí đốt)
đƣợc biến đổi thành năng lƣợng điện và nhiệt.
6
Hình 1-2: Sơ đồ biến đổi năng lượng của nhà máy nhiệt điện
Hình 1-3: Quy trình sản xuất của nhà máy nhiệt điện
7
* Nguyên lý hoạt động
Than từ trong kho than khô đƣợc vận chuyển qua hệ thống băng tải ngang, băng
xiên vào kho than nguyên đƣa vào nhà máy nghiền, tại đây than đƣợc nghiền
thành bột qua quạt tải bột đƣa lên kho than bột, nhờ hệ thống máy cấp nhiên liệu
và gió đƣa vào lò đốt. Không khí qua quạt gió và bộ sấy không khí đƣa vào lò để
đốt trƣớc đó đƣợc sấy làm tăng nhiệt độ của than bột khi vào lò bắt lửa cháy
ngay. Nƣớc đã đƣợc xử lý hóa học đi qua bộ hâm nƣớc, cung cấp vào bao hơi
xuống các dàn ống sinh hơi, nƣớc trong lò đƣợc đun nóng bốc hơi qua phản ứng
cháy, hơi đƣợc sấy khô, đƣa sang máy tuabin kéo máy phát điện sản xuất ra
điện.
Khi máy phát ra điện nhờ có máy kích thích dòng điện một chiều thành
dòng xoay chiều qua máy biến thế điện áp đƣợc tăng lên 220 kV. 110kV, 35 kV,
6.6 kV truyền tải trên hệ thống hòa với lƣới điện quốc gia. Sau khi nhiên liệu
cháy tạo thành tro xỉ đƣợc làm lạnh qua nƣớc và dập nát cho xuống mƣơng thải
xỉ dùng bơm tống đẩy. Bơm thải hút đƣa xỉ trong ống ra hồ chứa xỉ. Lò cháy
sinh ra khói đƣợc đƣa qua bộ hâm nƣớc, bộ sấy không khí để tận dụng sấy nâng
nhiệt độ không khí và nƣớc trƣớc khi vào lò, rồi đƣợc quạt khói đƣa vào bình
ngƣng, tại đây hơi nƣớc đƣợc ngƣng tụ thành nƣớc nhờ hệ thống làm lạnh của
nƣớc tuần hoàn bơm từ sông lên, còn lƣợng rất nhỏ đƣợc xả ra ngoài trời.
Sau đó, nƣớc đƣợc bơm ngƣng tụ qua bình gia nhiệt hạ áp và đƣa vào khử khí
oxy, rồi đƣa qua bơm tiếp nƣớc cung cấp lại cho lò hơi, cũng còn trích lại 1 phần
hơi nƣớc ở tuabin để đƣợc gia nhiệt cao, bộ khử khí và gia nhiệt hạ áp với mục
đích tận dụng nhiệt độ của hơi sau khi phát công suất.
Sản phẩm điện năng làm ra đến đâu phải tiêu thụ ngay đến đó (do tính chất công
nghệ) không có sản phẩm dở dang cũng không có sản phẩm dự trữ tồn kho. Nhà
máy nhiệt điện có thể cung cấp hơi nóng cho vùng lân cận. khi đó hơi nóng đƣợc
lấy từ tầng tái nhiệt của tuabin và hơi nóng này đƣợc đƣa ngay đến các hộ tiêu
thụ hay đến các nhà tắm công cộng hoặc đƣa đến các buồng hâm nƣớc nóng
cung cấp cho hệ thống nƣớc nóng.
8
9
CHƢƠNG 2:
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
2.1.1.
Sự ra đời và phát triển của các hệ thống điều khiển
Mục tiêu của hệ thống tự động hóa là để đảm bảo hoạt động an toàn và kinh tế .
Trong hầu hết các nhà máy công nghiệp hiện nay đều có một số loại thiết bị điều
khiển nhất định. Ở cấp độ đơn giản nhất, nhà máy có thể chỉ bao gồm một động
cơ điện truyền động cho một chiếc quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ trong
phòng. Ở dạng phức tạp hơn có thể là một lò phản ứng hạt nhân cung cấp điện
cho một nền kinh tế. Bên cạnh quy mô và độ phức tạp, tất cả các hệ thống đều
đƣợc chia làm ba thành thần theo chức năng: thiết bị đo, thiết bị điều khiển và
cơ cấu chấp hành .
Thiết bị điều khiển giám sát các thông số trạng thái của các quá trình trong nhà
máy thong qua các thiết bị đo. Thiết bị đo có chức năng chuyển đổi thong tin vật
lý thành tín hiệu điện và đƣa vào đầu vào của thiết bị điều khiển. Dựa trên các
trạng thái từ các đầu vào, thiết bị điều khiển sử dụng các thuật toán đã đƣợc
chƣơng trình hóa để tính toán cho tín hiệu ra điều khiển các cơ cấu chấp hành.
Tùy thuộc vào yêu càu công nghệ, mức đầu tƣ và trình độ ứng dụng mà các hệ
thống điều khiển khi đƣa vào thực tế cũng có nhiều mức độ khác nhau. Tuy
nhiên bất cứ một hệ thống điều khiển nào cũng đều có các mục đích chung :
An toàn cho con ngƣời và thiết bị trong hoạt động sản xuất
● Vận hành tin cậy, kinh tế
● Nâng cao chất lƣợng, năng suất
● Tăng sản lƣợng
Những hệ thống điều khiển đầu tiên ra đời trong cuộc Cách mạng công nghiệp
vào cuối thế kỉ XIX. Chức năng điều khiển đƣợc thực hiện thong qua các thiết bị
cơ khí tinh xảo nhƣ các cơ cấu cam chƣơng trình, thực hiện tự động hóa cho một
10
vài công đoạn quan trọng, phức tạp và có tính lặp đi lặp lại trong các dây
chuyền. Các thiết bị này thƣờng đƣợc thiết kế cho từng ứng dụng cụ thể riêng
biệt.
Vào giữa thập kỉ 90 của thế kỉ XX, hệ điều khiển DCS ra đời, các PLC và các
thiết bị điều khiẻn số đƣợc kết nối với nhau và với trung tâm giám sát vận hành
qua các đƣờng truyền thông. Các hệ thống điều khiển sản xuất dần dần hoàn
thiện và phát triển hoàn chỉnh nhƣ ngày nay.
Đến những năm cuối thế kỉ XX và những năm đầu của thế kỉ 21 đã chứng kiến
một xu hƣớng mới trong quan điểm các hệ điều khiển. Giờ đây ranh giới giữa
các hệ điều khiển ngày càng bị lu mờ và ngày càng xuất hiện thêm nhiều hệ
thống điều khiển mới nhằm đáp ứng nhu cầu của các công nghệ sản xuất nhƣ: hệ
điều khiển lai (Hybrid Control System), hệ điều khiển bằng máy tính (Computer
Based)…. Những năm này cũng chứng kiến sự ra đời của hàng loạt tiêu chuẩn
trong điều khiển nhƣ tiêu chuẩn về ngôn ngữ lập trình, tiêu chuẩn truyền thông,
tiêu chuẩn về giao diện đã mang các hệ điều khiển lại gần nhau hơn.
2.1.2
Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)
DCS là viết tắt của Distributed Control System- Hệ thống điều khiển phân tán –
và nó đƣợc dùng để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc điều khiển
phân tán. Khác với hệ thống điều khiển xây dựng trên cơ sở PLC, DCS là giải
pháp tổng thể kể cả phần cứng, phần mêm và truyền thông cho toàn hệ thống
đƣợc phát triển từ các ứng dụng điều khiển của nghành công nghiệp hóa chất
với các thiết bị điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tƣơng tự. Giải pháp thiết kế
của các hệ thống điều khiển sản xuất thƣơng phẩm là hƣớng vào hỗ trợ các ứng
dụng điều khiển phân tán nên nó thƣờng đƣợc thiết kế theo hệ thống mở, khả
năng tích hợp cao kể cả tích hợp với các PLC khác nhau điều khiển máy và các
công đoạn độc lập. Đặc biệt để hỗ trợ cho cấu trúc điều khiển phân tán nên các
hệ thống điều khiển này có chức năng trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị
điều khiển. Mục tiêu là tạo thuận lợi cao nhất cho ngƣời kỹ sƣ thiết kế và tích
hợp hệ thống điều khiển.
Thế mạnh của hệ thống điều khiển sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý
11
các tín hiệu tƣơng tự và thực hiện chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ
dàng. Các hệ thống điều khiển sản xuất thƣơng phẩm ngày nay thƣờng bao gồm
các thiết bị điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm
điều hành hệ thống hỗ trợ tích hơp khả năng điều khiển phân tán. Các hệ thống
này có thể quan lý đƣợc từ vài nghìn điểm đến hàng chục nghìn điểm vào/ra.
Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thế
thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hay theo các
thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ƣu,
bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển
chất lƣợng (QCS).
Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin của chức năng DCS, các hệ thống điều
khiển thƣơng phẩm ngày nay hỗ trợ rất nhiều phƣơng thức truyền thông từ cấp
trƣờng đến cấp quản lý. Hiện nay các giao thức này đã đƣợc chuẩn hóa
(Profibus, Ethernet, Foundation FieldBus).
Các hệ điều khiển thƣơng phẩm với cấu trúc DCS ngày nay có độ tin cậy rất cao
nhờ nhờ có khả năng dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ (controller,
modul I/O, bus truyền thông), khả năng thay đổi chƣơng trình ( sửa chữa và
download), thay đổi cấu trúc hệ, them bớt các thành phần mà không làm gián
đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online).
Cở sở dữ liệu quá trình trong các hệ điều khiển với cấu trúc DCS cũng cam kết
thời gian hỗ trợ với các sản phẩm từ 15-20 năm để đảm bảo thời gian hoạt động
và khai thác của hệ thống lớn.
Tất cả những đặc điểm trên cho thấy các hệ điều khiển sản xuất với tính năng
DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giái pháp tự động hóa tích hợp tổng thể.
Các chuyên gia cho rằng tới nay, các hệ thống điều khiển DCS vẫn là không thể
thay thế đƣợc trong các ứng dụng lớn, thị trƣờng các hệ điều khiển theo cấu trúc
DCS toàn cầu tăng trƣởng 2-3%/ năm.
Tại Việt Nam có một số nhà cung cấp hệ DCS thong dụng nhƣ: AB, ABB,
Yokogawa, Emerson, Toshiba,…
2.2. CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
12
2.2.1.
Cấu trúc và các thành phần cơ bản
Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình đƣợc
minh họa trên hình 2-1. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao
diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Trong khi đó, hệ thống
điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa ngƣời vận hành và máy. Các
thiết bị có thể đƣợc ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền
thông.
Hình 2-1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát
Tùy theo loại cảm biến, tín hiện của chúng đƣa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín
hiệu số hay tín hiệu tƣơng tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau
(1..10V,0..5V, 4..20mA, 0..20mA v.v..). Trƣớc khi có thể xử lý trong máy tính
số, các tín hiệu đo cần đƣợc chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra
của máy tính. Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tranh
sự ảnh hƣởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị. Đó chính là của các moldule vào/ra
(I/O).
Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức
năng sau:
● Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,
chuyển đổi tín hiệu
● Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển nhƣ các bộ điều khiển
13
chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic
controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và
máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tƣơng ứng.
● Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện ngƣời
máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao
cấp.
● Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành,
bus trƣờng, bus hệ thống.
● Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.
2.2.2.
Mô hình phân cấp
Càng ở những cấp dƣới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và
đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở
cấp trên đƣợc thực hiện dựa trên các chức năng cấp dƣới, tuy không đòi hỏi thời
gian phản ứng nhanh nhƣ ở cấp dƣới, nhƣng ngƣợc lại lƣợng thông tin cần trao
đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Thông thƣờng, ngƣời ta chỉ coi ba cấp dƣới thuộc
phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp
trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô
hình lý tƣởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công
nghiệp.
14
Hình 2-2 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát
2.2.2.1.
Cấp chấp hành
Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lƣờng, truyền động và chuyển đổi
tín hiệu trong trƣờng hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor)
hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực
hiện đo lƣờng/truyền động đƣợc chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông
minh cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin, trƣớc khi đƣa lên cấp điều
khiển.
2.2.2.2.
Cấp điều khiển
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các
thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ
cấu chấp hành. Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó đƣợc ngƣời đứng máy
trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lƣờng, sử dụng kiến thức
và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết nhƣ ấn nút đóng/mở van,
điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v… Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện
đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó đƣợc thay thế bằng máy tính
15
2.2.2.3.
Cấp điều khiển giám sát
Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ
thuật. Khi đa số các chức năng nhƣ đo lƣờng, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn
hệ thống đƣợc các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát
là hỗ trợ ngƣời sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát
vận hành và xử lý những tình huống bất thƣờng. Ngoài ra, trong một số trƣờng
hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp nhƣ điều khiển phối
hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dƣợc
phẩm, hoá chất). Khác với các cấp dƣới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều
khiển giám sát thƣờng không đòi hỏi phƣơng tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt
ngoài các máy tính thông thƣờng (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ,
termimal,…).
Phân cấp chức năng nhƣ trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn
thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so
với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ
thể. Trong những trƣờng hợp ứng dụng đơn giản nhƣ điều khiển trang thiết bị
dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm,…), sự phân chia nhiều cấp có thể
hoàn toàn không cần thiết. Ngƣợc lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện
đại nhƣ điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa
các cấp chức năng để tiện theo dõi.
2.2.3.
Cấu trúc điều khiển
2.2.3.1.
Điều khiển tập trung
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system)
đƣợc minh họa trên Hình 2-3. Một máy tính duy nhất đƣợc dùng để điều khiển
toàn bộ quá trình kỹ thuật. Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ
điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị
điều khiển khả trình. Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập
trung thông thƣờng đƣợc đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện
trƣờng. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành đƣợc nối trực tiếp, điểm-điểm
với máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ra của nó. Cách bố trí
16
vào/ra tại máy tính điều khiển nhƣ vậy cũng đƣợc gọi là vào/ra tập trung (central
I/O).
Hình 2-3: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung
Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975. Ngày nay,
cấu trúc tập trung trên đây thƣờng thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa qui
mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực
hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Điểm đáng chú ý ở đây là sự
tập trung toàn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều
khiển duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:
● Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao
● Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn
● Độ tin cậy kém
2.2.3.2. Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhƣợc điểm
cơ bản là số lƣợng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công
thiết kế, lắp đặt. Một hạn chế khác nữa là phƣơng pháp truyền dẫn tín hiệu thông
thƣờng giữa các thiết bị trƣờng và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hƣởng của
nhiễu, gây ra sai số lớn. Vấn đề này đƣợc khắc phục bằng phƣơng pháp dùng
bus trƣờng nhƣ đã nêu trong phần trƣớc. Hình 2-4 minh họa một cấu hình mạng
đơn giản. Ở đây các module vào/ra đƣợc đẩy xuống cấp trƣờng gần kề với các
cảm biến và cơ cấu chấp hành, vì vậy đƣợc gọi là các vào/ra phân tán
(Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O). Một cách ghép nối khác là sử
17
dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh (màu xám trên hình vẽ), có
khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra. Bên cạnh
khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số
chức năng xử lý tại chỗ nhƣ lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm
làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v… Trong nhiều trƣờng hợp, các thiết bị có thể
đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều khiển đơn giản.
Hình 2-4: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
Sử dụng bus trƣờng và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ƣu điểm sau:
• Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây
• Giảm kích thƣớc hộp điều khiển
• Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và
khả năng ghép nối đơn giản
• Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản
• Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng đƣợc phát hiện dễ dàng)
• Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống.
2.2.3.3.
Điều khiển phân tán
Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữu của
hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thƣờng đƣợc phân chia thành nhiều phân
đoạn, có thể đƣợc phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ
thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt
của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy
tính cục bộ, nhƣ Hình 2-5 minh họa.
