GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Nhà máy nhiệt điện chuyển hóa năng lượng nhiệt từ việc đốt cháy nhiên liệu hữu cơ thành cơ năng để quay tuabin, từ đó tạo ra năng lượng điện Nhiệt năng được dẫn đến tuabin qua hơi nước, và lượng nhiệt năng cung cấp càng lớn thì điện năng sản xuất càng nhiều Điện áp từ máy phát được nâng lên qua trạm biến áp trước khi hòa vào lưới 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 nước thành hơi nước
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 nước tuần hoàn
♦ Hệ thống điện của nhà máy
♦ Hệ thống lọc bụi tĩnh điện
♦ Hệ thống xử lý nước
Trong nhà máy, các thành phần hoạt động thông qua hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp (ICMS), cho phép tích hợp hiệu quả giữa các trạm điều khiển riêng lẻ Hệ thống ICMS đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng giữa các thành phần, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN SÔNG HẬU 1
Dự án NMNĐ Hậu Giang 1 có công suất 2 x 600MW, sử dụng công nghệ ngưng hơi truyền thống và than nhập khẩu, với thiết kế bao gồm 2 tổ máy và các hệ thống thiết bị đồng bộ như cung cấp và xử lý nhiên liệu, xử lý nước, xử lý tro xỉ và khử lưu huỳnh Dự án đạt tiêu chuẩn hiện đại, hiệu suất cao và đảm bảo các yêu cầu phát thải theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế Lò hơi và tua bin hơi nước sử dụng công nghệ siêu tới hạn tiên tiến, vận hành bằng than nhập khẩu từ Indonesia và Australia Khi hoàn thành, NMNĐ Hậu Giang 1 sẽ cung cấp khoảng 7,8 tỷ KWh/năm cho lưới điện quốc gia.
Bộ máy quản lý của nhà máy bao gồm một giám đốc và một phó giám đốc kỹ thuật, được cấp trên bổ nhiệm Họ trực tiếp quản lý 6 phân xưởng, 3 phòng và các tổ trưởng ca.
Hình 1-1: Sơ đồ cơ cấu tổ chức quản lý của 1 nhà máy nhiệt điện.
QUY TRÌNH SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
1.3.1 Vai trò của điện năng trong hệ thống lưới điện Điện năng có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển của con người
Năng lượng được sản xuất bởi con người thông qua thiết bị máy móc và các nguồn năng lượng thiên nhiên khác Các loại nhà máy chính được phân loại dựa trên từng loại năng lượng sử dụng.
* Nhà máy điện nguyên tử
* Nhà máy điện địa nhiệt
* Nhà máy điện sử dụng năng lƣợng gió
Hiện nay, các nhà máy điện trên thế giới và tại Việt Nam đang được xây dựng và hiện đại hóa công nghệ để tối ưu hóa công suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
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
Trong nhà máy nhiệt điện tuabin hơi, than bột là nhiên liệu chính được đốt trong lò hơi để tạo nhiệt, hóa hơi nước trong các ống sinh hơi Hơi nước sinh ra được vận chuyển qua các hệ thống phân ly và quá nhiệt, đảm bảo nhiệt độ, áp suất và lưu lượng tối ưu cho việc sinh công Cuối cùng, hơi bão hòa được đưa vào các tầng cánh tuabin để thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng.
Trong các nhà máy nhiệt điện tuabin khí, hơi nước được thu hồi và tuần hoàn lại Không khí ngoài trời sau khi được làm sạch sẽ được dẫn qua hệ thống ống vào máy nén khí để nâng cao áp suất Khi áp suất đạt mức cao, không khí này sẽ được đưa vào buồng đốt và đốt cháy với nhiên liệu, thường là khí gas Sau quá trình đốt, khí có nhiệt độ và áp suất cao sẽ được dẫn vào các tầng tuabin khí, nơi sinh công và quay máy phát điện, từ đó tạo ra năng lượng điện.
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
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
Than khô được vận chuyển qua hệ thống băng tải vào nhà máy nghiền, nơi than được nghiền thành bột và đưa lên kho than bột Hệ thống máy cấp nhiên liệu và gió đưa bột than vào lò đốt, với không khí được sấy nóng để tăng nhiệt độ cho bột than, giúp nó bắt lửa nhanh chóng Nước đã được xử lý hóa học đi qua bộ hâm nước và cung cấp vào bao hơi, nơi nước được đun nóng và bốc hơi qua phản ứng cháy Hơi nước sau đó được sấy khô và chuyển sang máy tuabin, kéo máy phát điện để sản xuất điện.
Máy phát điện chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều, nâng điện áp lên 220 kV, 110 kV, 35 kV và 6.6 kV để hòa vào lưới điện quốc gia Sau khi nhiên liệu cháy, tro xỉ được làm lạnh bằng nước và được đưa xuống mương thải xỉ qua bơm tống đẩy Bơm thải hút xỉ qua ống ra hồ chứa xỉ Khói sinh ra từ lò cháy được dẫn qua bộ hâm nước và bộ sấy không khí để nâng nhiệt độ trước khi vào lò Sau đó, khói được quạt đưa vào bình ngưng, nơi hơi nước được ngưng tụ thành nước nhờ hệ thống làm lạnh từ nước tuần hoàn bơm từ sông lên, chỉ một lượng nhỏ được xả ra ngoài trời.
Nước được bơm ngưng tụ qua bình gia nhiệt hạ áp, sau đó được khử khí oxy và bơm trở lại lò hơi Một phần hơi nước từ tuabin cũng được trích ra để gia nhiệt cao Bộ khử khí và gia nhiệt hạ áp giúp tận dụng nhiệt độ của hơi sau khi phát công suất.
Sản phẩm điện năng phải được tiêu thụ ngay lập tức do đặc thù công nghệ, không có hàng tồn kho hay sản phẩm dở dang Nhà máy nhiệt điện có khả năng cung cấp hơi nóng cho khu vực lân cận, lấy từ tầng tái nhiệt của tuabin Hơi nóng này được chuyển trực tiếp đến các hộ tiêu thụ, nhà tắm công cộng hoặc các buồng hâm nước nóng để phục vụ cho hệ thống nước nóng.
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
2.1.1 Sự ra đời và phát triển của các hệ thống điều khiển
Hệ thống tự động hóa nhằm đảm bảo hoạt động an toàn và kinh tế trong các nhà máy công nghiệp Hầu hết các nhà máy hiện nay đều sử dụng thiết bị điều khiển, từ những hệ thống đơn giản như động cơ điện cho quạt làm mát đến những hệ thống phức tạp như lò phản ứng hạt nhân Tất cả các hệ thống này được chia thành ba thành phần chính 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 trong nhà máy thông qua các thiết bị đo, chuyển đổi thông tin vật lý thành tín hiệu điện để đưa vào đầu vào của thiết bị điều khiển Dựa trên các trạng thái đầu vào, thiết bị điều khiển áp dụng các thuật toán đã được lập trình để tính toán tín hiệu ra nhằm điều khiển các cơ cấu chấp hành Các hệ thống điều khiển có thể khác nhau về yêu cầu công nghệ, mức đầu tư và trình độ ứng dụng, nhưng đều hướng đến các mục đích chung.
An toàn cho con người và thiết bị trong hoạt động sản xuất
● Vận hành tin cậy, kinh tế
● Nâng cao chất lƣợng, năng suất
Hệ thống điều khiển đầu tiên xuất hiện trong cuộc Cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ XIX, với chức năng điều khiển được thực hiện thông qua các thiết bị cơ khí tinh xảo như cơ cấu cam chương trình, góp phần vào quá trình tự động hóa.
Trong các dây chuyền sản xuất, có 10 công đoạn quan trọng và phức tạp, thường mang tính lặp đi lặp lại Các thiết bị được sử dụng trong những công đoạn này thường được thiết kế riêng biệt cho từng ứng dụng cụ thể.
Vào giữa thập kỷ 90 của thế kỷ XX, hệ điều khiển DCS ra đời, kết nối các PLC và thiết bị điều khiển số với trung tâm giám sát qua các đường truyền thông, đánh dấu sự hoàn thiện và phát triển của các hệ thống điều khiển sản xuất Cuối thế kỷ XX và đầu thế kỷ 21 chứng kiến sự xuất hiện của xu hướng mới trong quan điểm về hệ điều khiển, khi ranh giới giữa các hệ thống ngày càng bị lu mờ và nhiều hệ thống điều khiển mới như hệ điều khiển lai và hệ điều khiển bằng máy tính ra đời để đáp ứng nhu cầu công nghệ sản xuất Thời gian này cũng ghi nhận sự ra đời của hàng loạt tiêu chuẩn trong điều khiển, bao gồm tiêu chuẩn về ngôn ngữ lập trình, truyền thông và giao diện, giúp các hệ điều khiển gần gũi hơn với nhau.
2.1.2 Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)
DCS, hay Hệ thống điều khiển phân tán, là một giải pháp điều khiển toàn diện bao gồm phần cứng, phần mềm và truyền thông, được phát triển từ ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất Khác với hệ thống điều khiển dựa trên PLC, DCS hỗ trợ thiết kế mở và khả năng tích hợp cao với các PLC khác nhau, giúp điều khiển máy và các công đoạn độc lập Hệ thống này cho phép trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị điều khiển, nhằm tối ưu hóa quy trình thiết kế và tích hợp cho kỹ sư.
Thế mạnh của hệ thống điều khiển sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý
Hệ thống điều khiển sản xuất thương phẩm hiện đại tích hợp các thiết bị điều khiển, hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành, cho phép quản lý từ vài nghìn đến hàng chục nghìn điểm vào/ra Với cấu trúc phần cứng và phần mềm thống nhất, các hệ thống này có khả năng thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh và áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại như nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, và điều khiển theo mô hình dự báo (MPC) Để hỗ trợ trao đổi thông tin trong chức năng DCS, các hệ thống này cung cấp nhiều phương thức truyền thông đã được chuẩn hóa như Profibus, Ethernet và Foundation FieldBus.
Hệ điều khiển thương phẩm với cấu trúc DCS hiện nay có độ tin cậy cao nhờ vào tính năng dự phòng kép cho tất cả các thành phần như controller, modul I/O và bus truyền thông Hệ thống cho phép thay đổi chương trình, sửa chữa và tải xuống dễ dàng, đồng thời có khả năng thay đổi cấu trúc và thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn quá trình hoạt động, hỗ trợ thay đổi online mà không cần khởi động lại.
Cơ sở dữ liệu quá trình trong các hệ điều khiển DCS cam kết thời gian hỗ trợ sản phẩm từ 15-20 năm, nhằm đảm bảo thời gian hoạt động và khai thác hiệu quả cho hệ thống lớn.
Các hệ điều khiển sản xuất với tính năng DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể Chuyên gia nhận định rằng hệ thống điều khiển DCS vẫn không thể thay thế trong các ứng dụng lớn, với thị trường DCS toàn cầu đang tăng trưởng 2-3% mỗi năm.
Tại Việt Nam có một số nhà cung cấp hệ DCS thong dụng nhƣ: AB, ABB, Yokogawa, Emerson, Toshiba,…
CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
2.2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản
Hệ thống điều khiển và giám sát quá trình bao gồm các thành phần cơ bản như cảm biến và cơ cấu chấp hành, đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển và quá trình kỹ thuật Đồng thời, hệ thống này cũng là cầu nối giữa người vận hành và máy móc, cho phép các thiết bị được kết nối trực tiếp hoặc qua mạng truyền thông.
Hình 2-1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát
Tùy thuộc vào loại cảm biến, tín hiệu đầu ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học phổ biến như 1 10V, 0 5V, 4 20mA, và 0 20mA Để có thể xử lý trong máy tính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi và thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính Ngoài ra, cần có các biện pháp cách ly điện học để tránh ảnh hưởng tiêu cực giữa các thiết bị, điều này được thực hiện thông qua các module 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
Bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller) và thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) là những thiết bị chuyên dụng quan trọng trong hệ thống điều khiển Máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa quy trình điều khiển.
Hệ thống điều khiển giám sát bao gồm các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, cùng với các trạm kỹ thuật và trạm vận hành Những thành phần này hỗ trợ giám sát và điều khiển ở mức độ cao, đảm bảo hiệu quả trong quá trình vận hành.
● Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống
● Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn
Ở các cấp dưới, chức năng thường mang tính cơ bản và yêu cầu độ nhanh nhạy cùng thời gian phản ứng cao Chức năng ở cấp trên dựa vào các chức năng cấp dưới, không yêu cầu phản ứng nhanh nhưng cần xử lý lượng thông tin lớn hơn Thông thường, ba cấp dưới được coi là thuộc phạm vi của hệ thống điều khiển và giám sát Việc biểu thị hai cấp trên (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp làm rõ mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể trong các công ty sản xuất công nghiệp.
Hình 2-2 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát
Cấp chấp hành thực hiện các chức năng chính như đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Hầu hết các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành đều có hệ thống điều khiển riêng để đảm bảo việc đo lường và truyền động diễn ra chính xác và nhanh nhạy Ngoài ra, các thiết bị thông minh có khả năng xử lý thông tin thô trước khi gửi lên cấp điều khiển.
Cấp điều khiển có nhiệm vụ nhận và xử lý thông tin từ cảm biến, sau đó truyền đạt kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Trước đây, trong điều khiển thủ công, người điều khiển trực tiếp thực hiện nhiệm vụ này bằng cách theo dõi các công cụ đo lường và sử dụng kiến thức, kinh nghiệm để thao tác như ấn nút van hay điều chỉnh cần gạt Hiện nay, trong hệ thống điều khiển tự động hiện đại, các nhiệm vụ này đã được máy tính thay thế, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quy trình điều khiển.
2.2.2.3 Cấp điều khiển giám sát
Cấp điều khiển giám sát có vai trò quan trọng trong việc giám sát và vận hành các quá trình kỹ thuật Trong khi các chức năng như đo lường và điều khiển được thực hiện bởi các cấp cơ sở, cấp điều khiển giám sát hỗ trợ người dùng trong việc cài đặt ứng dụng, theo dõi và xử lý các tình huống bất thường Đồng thời, cấp này cũng thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp và điều khiển theo công thức, đặc biệt trong lĩnh vực chế biến dược phẩm và hóa chất Khác với các cấp dưới, cấp điều khiển giám sát không cần thiết bị phần cứng đặc biệt, mà chỉ sử dụng các máy tính thông thường như máy tính cá nhân, máy trạm hoặc máy chủ.
Phân cấp chức năng giúp thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị hiệu quả hơn Trong thực tế, cách phân cấp này có thể thay đổi tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc của hệ thống Đối với các ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị gia dụng, việc phân chia nhiều cấp có thể không cần thiết Tuy nhiên, trong các nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng và lọc dầu, việc chia nhỏ các cấp chức năng là cần thiết để theo dõi tốt hơn.
Cấu trúc của hệ điều khiển tập trung được thể hiện qua một máy tính duy nhất điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển có thể là bộ điều khiển số trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc thiết bị điều khiển khả trình Trong môi trường công nghiệp, máy tính điều khiển thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, tách biệt với hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được kết nối trực tiếp với máy tính điều khiển qua các cổng vào/ra.
16 vào/ra tại máy tính điều khiển nhƣ vậy cũng đƣợc gọi là vào/ra tập trung (central I/O)
Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung, phổ biến từ năm 1965 đến 1975, hiện nay vẫn phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa quy mô vừa và nhỏ, nhờ vào tính đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp cho máy tính điều khiển Điểm nổi bật của cấu trúc này là việc tập trung toàn bộ chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất Tuy nhiên, cấu trúc này cũng bộc lộ một số hạn chế đáng chú ý.
● Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao
● Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn
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 có nhược điểm là số lượng lớn cáp nối, dẫn đến chi phí cao cho dây dẫn và công thiết kế, lắp đặt Phương pháp truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển thường dễ bị nhiễu, gây ra sai số lớn Tuy nhiên, vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng bus trường Hình 2-4 minh họa một cấu hình mạng đơn giản, trong đó các module vào/ra được đặt gần kề với cảm biến và cơ cấu chấp hành, được gọi là vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O).
Các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh có khả năng kết nối mạng trực tiếp mà không cần qua các module vào/ra Chúng không chỉ xử lý giao thức truyền thông mà còn thực hiện các chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ và chẩn đoán trạng thái Trong nhiều trường hợp, các thiết bị này còn có thể đảm nhiệm nhiệm vụ điều khiển đơn giản.
Hình 2-4: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau:
• Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây
• Giảm kích thước 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
Trong các ứng dụng quy mô vừa và lớn, tính chất phân tán là đặc điểm quan trọng của hệ thống Dây chuyền sản xuất thường được chia thành nhiều phân đoạn, có thể nằm ở các vị trí xa nhau Để giảm thiểu sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm và nâng cao tính linh hoạt của hệ thống, mỗi phân đoạn có thể được điều khiển bởi một hoặc nhiều máy tính cục bộ.
Hình 2-5: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung
Các máy tính điều khiển cục bộ thường được bố trí tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, gần gũi với quy trình kỹ thuật Để điều khiển quá trình tổng hợp hiệu quả, cần có sự phối hợp giữa các máy tính điều khiển, do các phân đoạn có mối liên hệ tương tác Hầu hết các máy tính điều khiển được kết nối qua mạng với một hoặc nhiều máy tính giám sát trung tâm, tạo thành hệ thống điều khiển phân tán (HĐKPT) Cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ mang lại độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung mà còn nâng cao hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống nhờ phân tán chức năng xuống các cấp dưới Việc này mở ra những khả năng ứng dụng mới, bao gồm lập trình cao cấp, điều khiển trình tự và tích hợp với cấp điều hành sản xuất.
2.2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán
CÁC THÀNH PHÂN CỦA 1 HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
2.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA 1 HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán đƣợc minh họa trên Hình 2-7, bao gồm các thành phần sau:
Local control stations (LCS), also referred to as local control units (LCU) or process stations (PS), play a crucial role in managing and monitoring various processes within industrial settings.
• Các trạm vận hành (operator station, OS)
• Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển
Hệ thống truyền thông (field bus, system bus)
Cấu hình cơ bản của hệ điều khiển phân tán bao gồm các thành phần tối thiểu, tuy nhiên, các cấu hình cụ thể có thể được mở rộng với nhiều thành phần khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station) và các bộ điều khiển chuyên dụng.
2.3.1.1 Trạm điều khiển cục bộ
Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc module Các thành phần chính bao gồm:
• Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng
• Khối xử lý trung tâm (CPU), có thế lựa chọn loại có dự phòng
• Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng
• Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán
• Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra an toàn cháy nổ
Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được kết nối với CPU thông qua bus nội bộ trên giá đỡ Do đó, các module này cần phải được cung cấp bởi nhà sản xuất cùng với CPU.
Trong hệ thống điều khiển quá trình, trạm điều khiển cục bộ thường được trang bị giao diện HART và các module ghép nối phụ kiện khác Các thiết bị này được lắp đặt trong tủ điều khiển cùng với linh kiện hỗ trợ như hàng kẹp đấu dây, bộ chuyển đổi tín hiệu và các khối đầu cuối Tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều khiển hoặc gần khu vực hiện trường.
Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:
Điều khiển quá trình là việc quản lý các mạch vòng kín như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH và độ đậm đặc Phần lớn các mạch vòng đơn được điều khiển theo luật PID, giúp giải quyết các vấn đề điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ và điều khiển tầng Các hệ thống hiện đại hiện nay còn hỗ trợ điều khiển mờ, điều khiển dựa trên mô hình và điều khiển thích nghi, mang lại hiệu quả cao trong quản lý quy trình.
• Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)
• Thực hiện các công thức (recipe control)
• Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệ thống
• Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với
• Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báo động
Trạm điều khiển cục bộ là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, thường được trang bị tính năng kiểm tra và sửa lỗi (ECC) cùng khả năng lựa chọn cấu hình dự phòng Điều này đảm bảo rằng trạm có thể tiếp tục thực hiện các chức năng cần thiết ngay cả khi xảy ra sự cố với trạm vận hành hoặc đường truyền bus hệ thống.
Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp, PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp Dựa trên cơ sở này, các hệ thống điều khiển phân tán hiện nay được phân loại thành DCS truyền thống, PLC-based DCS và PC-based DCS Dù sử dụng thiết bị nào, các yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất đối với một trạm điều khiển cục bộ vẫn cần được đáp ứng.
• Độ tin cậy và tính sẵn sàng
• Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp
• Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)
2.3.1.2 Bus trường và các trạm vào ra từ xa
Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ được trang bị module giao diện bus để kết nối với các trạm vào/ra từ xa và thiết bị trường thông minh Yêu cầu chung cho bus trường bao gồm tính năng thời gian thực, độ đơn giản và chi phí thấp Đặc biệt, trong môi trường dễ cháy nổ, cần có các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt về chuẩn truyền dẫn và tính năng điện học của linh kiện mạng Các loại bus trường phổ biến nhất hiện nay là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I, trong khi Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 được ưa chuộng trong các môi trường yêu cầu an toàn cháy nổ.
Trạm vào/ra từ xa có cấu trúc tương tự như trạm điều khiển cục bộ, nhưng thiếu khối xử lý trung tâm Thông thường, các trạm này được đặt gần quá trình kỹ thuật, giúp tiết kiệm cáp truyền và đơn giản hóa hệ thống Mặc dù có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, nhưng việc này không tận dụng được những lợi ích của cấu trúc này.
Cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng các trạm vào/ra từ xa của nhiều nhà cung cấp, miễn là hỗ trợ loại bus trường quy định Tuy nhiên, để tận dụng tối đa khả năng của các công cụ phần mềm tích hợp và đảm bảo sự tương thích hoàn hảo giữa các thành phần trong hệ thống DCS, việc lựa chọn toàn bộ sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp an toàn nhất.
Ngoài việc ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật thông qua các module vào/ra, việc sử dụng cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có giao diện bus trường giúp đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, tiết kiệm không gian trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống nhờ vào khả năng xử lý thông tin của các thiết bị trường.
Hình 2-8 trình bày một số mẫu tủ điều khiển DCS, bao gồm trạm PCS7 của Siemens bên trái với bộ điều khiển và các module vào/ra phân tán Hình giữa thể hiện một trạm vào/ra từ xa lắp độc lập Ở bên phải, tủ điều khiển DeltaV (Fisher-Rosermount) minh họa trạm điều khiển cục bộ sử dụng giải pháp Foundation Fieldbus, không cần các module vào/ra.
Hình 2-8: Một số hình ảnh tủ DCS
Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được bố trí tại phòng điều khiển trung tâm, cho phép các trạm vận hành hoạt động song song và độc lập Mỗi trạm thường được sắp xếp theo phân đoạn hoặc phân xưởng để thuận tiện cho việc vận hành hệ thống Tất cả các phần mềm trên các trạm đều giống nhau, do đó, trong trường hợp cần thiết, mỗi trạm có thể thay thế chức năng cho nhau.
Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:
Bài viết này trình bày các hình ảnh chuẩn bao gồm hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, cùng với các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ.
• Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)
• Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp
• Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)
• Xử lý các sự kiện, sự cố
• Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu
• Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống
• Hỗ trợ lập báo cáo tự động
Khác với các trạm điều khiển truyền thống, hệ thống DCS hiện đại sử dụng máy tính cá nhân công nghiệp chạy trên Windows NT/2000 hoặc máy tính trạm trên nền UNIX Các trạm vận hành hiện đại được trang bị màn hình màu lớn 19 inch với độ phân giải cao để giám sát quy trình sản xuất, cùng với thiết bị thao tác chuẩn như bàn phím và chuột Chúng có thể được bố trí cho một người sử dụng với một hoặc nhiều màn hình, hoặc cho nhiều người sử dụng với nhiều thiết bị đầu cuối.
TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT
Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc vào:
• Độ tin cậy của từng thiết bị
• Tính năng hệ thống truyền thông
• Cơ chế khởi động lại sau sự cố nguồn
Để đảm bảo tính năng hoạt động liên tục, cần dự phòng hoàn toàn các thành phần quan trọng, nhằm tránh việc lỗi một thành phần đơn, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, làm ảnh hưởng đến chức năng mà nó cung cấp.
• Lỗi mỗi module hoặc card đƣợc phép không gây ra tê liệt hơn một trạm vận hành hoặc một vòng điều khiển
• Dự phòng nóng: Dự phòng cạnh tranh và dự phòng dự trữ
Các biện pháp dự phòng nóng
• Dự phòng CPU: Mỗi trạm điều khiển cần có CPU dự phòng cạnh tranh, thực hiện song song và đồng bộ với CPU chính và so sánh kết quả
• Dự phòng trạm điều khiển: Dự phòng dự trữ 1:1, chuyển mạch kịp thời, trơn tru
Dự phòng dự trữ hệ thống mạng là việc đảm bảo sẵn có cáp truyền, module truyền thông và các thiết bị mạng khác để duy trì hoạt động liên tục Việc chuyển mạch cần được thực hiện kịp thời và trơn tru, với thời gian chuyển mạch dưới 1ms, nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng và giảm thiểu gián đoạn dịch vụ.
• Dự phòng trạm vận hành 1:n
• Cho phép thay thế trực tuyến các module vào/ra và các card khác
• Cho phép thay thế các trạm điều khiển trong một thời gian nhanh nhất
• Có cơ chế dừng an toàn, dừng khẩn cấp(mạch cứng hoặc qua Bus an toàn) khi hệ thống có các cơ cấu chuyển động
Tín hiệu ra tương tự đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì an toàn, đặc biệt khi xảy ra mất liên lạc với trạm điều khiển hoặc khi phát hiện lỗi tại trạm này Chức năng của nó là giữ giá trị cuối cùng hoặc đưa về giá trị mặc định, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.
2.4.4 Cơ chế khởi động lại sau sự cố
Các trạm điều khiển cần có khả năng tự phát hiện lỗi mất nguồn và thực hiện xử lý để đảm bảo an toàn Sau khi khôi phục nguồn, chúng phải có khả năng phục hồi về trạng thái hoạt động trước đó.
• Các trạm vần hành phải có khả năng tự hồi phục trạng thái làm việc trước khi xảy ra sự cố
• Tất cả các nút mạng phải có khả năng tự khởi động 1 cách độc lập với các nút khác
• Đặt chế độ bảo mật theo trạm hoặc theo người sử dụng để hạn chế, kiểm soát quyền truy nhập dữ liệu và điều khiển
• Đặt chế độ bảo mật dựa trên từng tag riêng rẽ hoặc từng cửa sổ riêng rẽ
• Người vận hành cần sử dụng mã ID và mật khẩu
• Cho phép thực hiện bảo mật theo nhóm
Hệ thống cần có chế độ bảo trì cho phép người vận hành nhập trực tiếp giá trị biến quá trình khi thiết bị gặp sự cố, cần sửa chữa hoặc đang được hiệu chỉnh.
• Chỉ thị lỗi: mỗi module, mỗi card hoặc bộ nguồn cần đƣợc trang bị đèn LED hoặc đèn khác để chỉ thị trạng thái vận hành
CHỨC NĂNG CỦA HỆ DCS
• Chẩn đoán: Hệ thống phải hỗ trợ chẩn đoán trực tuyến với các yêu cầu tối thiểu nhƣ:
- CPU của trạm điều khiển cần có biện pháp phát hiện và sửa lỗi trong bộ nhớ
- Mạng truyền thông thời gian thực cần sử dụng biện pháp bảo toàn dữ liệu để phát hiện lỗi
Thông báo lỗi và cung cấp thông tin chẩn đoán cho người vận hành liên quan đến cấp nguồn, quạt thông gió/làm mát, các card DCS, máy in, ROM của trạm điều khiển, cũng như các lỗi trong quá trình thực hiện thuật toán điều khiển và lỗi khi nạp chương trình lên/xuống.
Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, việc sao lưu toàn bộ phần mềm là rất quan trọng Tất cả các phần mềm phát triển, chương trình ứng dụng và các gói phần mềm chuẩn, bao gồm cả các tùy chọn, cần được lưu trữ trên các phương tiện phổ thông như đĩa cứng hoặc đĩa CD.
• Các công cụ đặc biệt do nhà sản xuất cung cấp, phục vụ chẩn đoán và thay thế thiết bị
2.5 CHỨC NĂNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
Chức năng chính của DCS là điều khiển toàn bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy Việc điều khiển này được thực hiện bởi các thiết bị điều khiển, thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc các trạm điều khiển.
Chức năng điều khiển của DCS đƣợc thể hiện trong sơ đồ trên hình 2-12
Hình 2-12: Sơ đồ chức năng của hệ DCS a) Chức năng điều khiển
DCS thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy thông qua các thành phần gọi là "khối hàm" (Function Block) Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển Thiết kế chức năng điều khiển thực chất là việc kết hợp các khối hàm sao cho phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
● Chức năng thực hiện các thuật toán diều chỉnh tự động:
Chức năng điều chỉnh tự động đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các vòng điều chỉnh phản hồi cho các quá trình liên tục Các khối thành phần chính là yếu tố then chốt trong hệ thống điều chỉnh tự động này.
PID, các khối hàm chuyên đôi định dạng dữ liệu vào/ra và các khối hàm toán học
● Chức năng thực hiện thuật toán diều khiển tuần tự:
Chức năng điều khiển của DCS Chức năng điều khiển cơ bản
Chức năng truyền thông với các hệ thống phụ
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động Thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự Chức năng điều khiển liên động Thực thiện các thuật toán phức tạp
Chức năng quản lý theo khối
Thuật toán điều khiển tuần tự được áp dụng cho các công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện liên tiếp trong nhà máy, cho phép điều khiển từng công đoạn một cách độc lập và đồng thời quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện trong hệ thống Chức năng này hữu ích cho các bài toán liên động và kết hợp thực hiện các công đoạn liên tục trong toàn bộ nhà máy.
● Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp:
DCS (Hệ thống điều khiển phân tán) là giải pháp lý tưởng cho các nhà máy lớn với công nghệ phức tạp, yêu cầu sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để tối ưu hóa và tiết kiệm nguyên liệu Các thuật toán phổ biến trong DCS bao gồm thuật toán điều khiển nối tầng (cascade), điều khiển bù trước (feedforward), phân ly hệ đa biến, điều khiển mờ, thích nghi và nơ ron Ngoài ra, DCS còn có chức năng truyền thông và trao đổi thông tin hiệu quả với các hệ thống phụ trợ.
Trong các nhà máy lớn, hệ thống DCS thường đi kèm với các hệ PLC để điều khiển logic cho từng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước và xử lý nước thải Tất cả các tham số từ các hệ PLC này cần được tích hợp vào hệ thống DCS chung của toàn nhà máy, nhằm tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ cho công tác giám sát và quản lý hiệu quả.
Hầu hết các hệ thống DCS không tích hợp sẵn các chương trình và module truyền thông với PLC, do sự phong phú và đa dạng của các hệ thống PLC trên thị trường Thay vào đó, các nhà cung cấp DCS cung cấp tùy chọn để kết nối với các hệ PLC, nhưng không phải tất cả các PLC đều có thể kết nối được Do đó, các nhà thiết kế hệ thống điều khiển cần nắm rõ thông tin này để chọn thiết bị phù hợp và tiết kiệm nhất.
Các nhà cung cấp DCS cung cấp các gói phần mềm và module phần cứng để kết nối với các PLC như AB SLC5 và Siemens Tuy nhiên, việc cấu hình và truyền thông với các hệ thống phụ có thể gặp khó khăn, và nếu không lựa chọn cẩn thận, kỹ sư sẽ mất nhiều thời gian và công sức.
Khi kết nối DCS với PLC của một nhà cung cấp, cần mua phần mềm và module phần cứng từ nhà cung cấp DCS Việc cài đặt phần mềm này vào hệ thống sẽ chiếm một phần bộ nhớ và định dạng lại bộ nhớ cho phù hợp với loại PLC cần giao tiếp.
2.5.2 Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (chức năng SCADA) a) Hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy
DCS sử dụng thư viện hình ảnh và công cụ đồ họa để trực quan hóa toàn bộ quá trình và thiết bị trong nhà máy, mang đến giao diện vận hành và giám sát sinh động Hệ thống này hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị, giúp người vận hành dễ dàng giám sát và quản lý nhiều thiết bị, tham số và trạng thái khác nhau DCS phân chia và sắp xếp các tham số một cách linh hoạt, tối ưu hóa trải nghiệm cho người sử dụng.
Các biến quá trình không chỉ có thể được theo dõi trực tiếp qua các tagname mà còn có thể giám sát thông qua các đồ thị Điều này cho phép người dùng so sánh và đánh giá chất lượng điều khiển, từ đó đưa ra quyết định điều khiển hiệu quả hơn.
Các tham số quá trình được hiển thị dưới dạng các đồ thị gọi là Trend (Hình 2-
Xu hướng hiển thị dữ liệu hiện nay là sử dụng các chuỗi biểu đồ theo thời gian, cho phép người dùng thể hiện nhiều đường và màu sắc khác nhau Bên cạnh đó, nó cũng hỗ trợ việc thống kê dữ liệu qua các bảng biểu, giúp lưu trữ thông tin một cách hiệu quả và lâu dài.
Thông qua các Faceplate, người vận hành sẽ giao tiếp với quá trình: giám sát
42 trạng thái, tham số, thay đôi tham số thiết bị điều khiên, thực hiện việc chỉnh định tham số c) Chức năng cảnh báo quá trình
Ngoài các chức năng điều khiển và giám sát trạng thái, việc cung cấp cảnh báo cho người vận hành và gợi ý xử lý là yêu cầu thiết yếu đối với mọi hệ thống DCS.
Các cảnh báo trong hệ thống đƣợc chia thành nhiều cấp độ khác nhau:
TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ DCS
Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất, mỗi cấp có yêu cầu thông tin và trao đổi khác nhau Cấp cao yêu cầu xử lý thông tin lớn nhưng tần suất và yêu cầu thời gian thực giảm Thông tin thường được trao đổi theo hai hướng: với cấp trên và cấp dưới Cấp quản lý công ty cần kết nối truyền thông với dữ liệu lớn qua mạng diện rộng (WAN), trong khi cấp quản lý nhà máy và giám sát sử dụng mạng Ethernet với giao thức TCP/IP (LAN) Cấp điều khiển và cảm biến - chấp hành yêu cầu tính thời gian thực và tần suất trao đổi cao Mỗi ứng dụng và công đoạn sản xuất trong cùng một cấp cũng có yêu cầu khác nhau về trao đổi thông tin, đặc biệt ở cấp cảm biến - chấp hành Do đó, cần áp dụng công nghệ khác nhau cho từng cấp điều khiển Ba giải pháp chính cho việc trao đổi thông tin trong hệ thống tự động hóa là:
Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog) cho phép các hệ thống chuyển đổi tín hiệu số từ thiết bị điều khiển thành tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC) Tại thiết bị nhận, tín hiệu tương tự được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu số, đảm bảo sự truyền tải thông tin hiệu quả và chính xác.
Trong hệ thống điều khiển, việc sử dụng các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) để trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự có thể dẫn đến việc gia tăng khối lượng dây dẫn khi khối lượng thông tin lớn Điều này không chỉ làm tăng chi phí mà còn có thể làm giảm chất lượng điều khiển do sai số trong quá trình chuyển đổi tín hiệu của các bộ chuyển đổi ADC và DAC.
● Điều khiên phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm
● Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số
So với phương án điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương án truyền thông điểm – điểm gặp nhiều hạn chế về khả năng tích hợp và chi phí bảo trì, sửa chữa cao Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã thúc đẩy xu hướng chuyển đổi sang hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình công nghệ, hướng tới việc áp dụng mạng truyền thông kỹ thuật số để tận dụng những ưu điểm của phương án điều khiển phân tán.
Mạng máy tính trong hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất được chia thành hai loại chính: mạng điều khiển và mạng dữ liệu Trong mô hình phân cấp của hệ thống, mạng máy tính phục vụ cho cấp quản lý công ty (cấp 5), cấp quản lý và điều hành nhà máy (cấp 4), cũng như một phần của cấp giám sát - chỉ huy, là mạng dữ liệu Ngược lại, mạng máy tính cho cấp cảm biến - chấp hành (cấp trường), cáp điều khiển quá trình công nghệ (cấp điều khiển) và cấp điều khiển giám sát thuộc về mạng điều khiển.
Mạng dữ liệu đặc trưng bởi các gói dữ liệu lớn và tần suất truyền tin thấp Để đáp ứng yêu cầu của hệ thống mạng cho mạng dữ liệu, cần có khoảng cách truyền tin lớn và tốc độ dữ liệu cao nhằm đảm bảo khả năng truyền tải các gói tin có kích thước lớn.
Mạng điều khiển khác biệt so với mạng dữ liệu ở chỗ nó đáp ứng được yêu cầu khắt khe về thời gian xử lý cho các ứng dụng.
Cùng với những bước đột phá của công nghệ thông tin, sự phát triẻn mạnh mẽ
Sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số đã dẫn đến sự ra đời của các chuẩn truyền thông, đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi hệ thống điều khiển hiện nay.
Tương ứng với các lớp, các cấp độ trong hệ thông điều khiển phân tán, ta có các mạng truyền thông:
Mạng thiết bị, hay còn gọi là bus trường, là hệ thống truyền thông kết nối giữa thiết bị điều khiển và các đầu vào/ra phân tán Nó cho phép giao tiếp hiệu quả giữa thiết bị điều khiển và PLC, cũng như các thiết bị điều khiển cấp dưới, nhằm điều phối máy sản xuất hoặc các công đoạn sản xuất độc lập.
Hệ thống mạng này thường sử dụng các chuẩn mạng DeviceNet, Profibus, Foundation Feildbus Mô hình truyền thông sử dụng có thể là master/slave hoặc peer to peer
Mạng điều khiển có chức năng kết nối các thiết bị điều khiển với nhau và với trạm vận hành Trước đây, nhiều hệ thống sử dụng giao thức Token Passing với chuẩn mạng kín của nhà cung cấp, khiến các thiết bị từ nhà cung cấp khác không thể kết nối Tuy nhiên, với sự nâng cao về tốc độ và dung lượng của mạng Ethernet, những hạn chế này đang dần được khắc phục Xu hướng hiện nay là khuyến khích các hãng sử dụng chuẩn Ethernet cho mạng điều khiển, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho khách hàng.
Mạng vận hành và giám sát chỉ huy đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa hệ thống điều khiển và hệ thống quản lý nhà máy, giúp cập nhật tình hình sản xuất và các mệnh lệnh sản xuất Chuẩn mạng Ethernet vẫn là lựa chọn phổ biến từ trước đến nay cho các ứng dụng này.
2.6.2 Giao thức mạng (Network Protocol) Để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng khác nhau trong những năm vừa qua nhiêu giao thức mạng đã đƣợc đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuẩn mạng truyền thông công nghiệp khác nhau Tuy nhiên, hầu hết trong số chúng đều đƣợc xây dựng dựa trên chuân mô hình 7 lớp ISO/OSI (International
Standards Organization/Open Systems Interconnection) và sử dụng cùng dạng lƣợc đồ địa chỉ đầu/cuối
Để đảm bảo việc truyền thông tin chính xác và tránh xung đột, giao thức truyền cần xác định rõ quy tắc truyền và địa chỉ cho từng thông điệp Tùy thuộc vào giao thức, hệ thống mạng có thể hỗ trợ nhiều mô hình truyền thông khác nhau như Client/Server, Master/Slave, và Publisher/Subscriber Những mô hình này cho phép chia sẻ thông tin giữa các thiết bị mà không cần thêm phần cứng hay thuật toán truyền tin phức tạp Ví dụ, thay vì sử dụng nhiều cảm biến để truyền một đại lượng vật lý, chỉ cần một cảm biến nối mạng với chế độ phát hành/thuê bao để gửi thông tin đến các thiết bị cần thiết Mô hình Master/Slave có thể thực hiện truyền thông qua các phương pháp như hồi đáp tuần tự, hồi đáp đồng thời, kết nối nhiều người nhận, hoặc kết nối chu kỳ Hồi đáp tuần tự thường được sử dụng cho mạng hiện trường, trong khi hồi đáp đồng thời cho phép các trạm Slave trả lời ngay lập tức khi nhận yêu cầu từ trạm Master, giúp đồng bộ hóa dữ liệu trong thời gian thực.
Hệ thống truyền thông sử dụng mạng khác biệt với phương pháp truyền thông điểm – điểm ở chỗ chia sẻ phương tiện truyền thông để truyền tin Giao thức truyền thông chủ yếu tập trung vào việc điều khiển truy cập mạng Đã có nhiều phương pháp truy cập mạng được phát triển, bao gồm CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), chuyển thẻ bài (token passing), CSMA/AMP (Carrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority), FDMA và TDMA, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng Trong cuốn sách này, chúng tôi sẽ phân tích ba loại mạng phổ biến trong công nghiệp với ba phương pháp truy cập điển hình: CSMA/CD, token passing và CSMA/AMP.
Phương pháp truy nhập mạng CSMA/CD, được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.3, là nền tảng của hệ thống mạng Ethernet Theo phương pháp này, mỗi nút mạng phải theo dõi đường truyền trước khi thực hiện việc truyền tin Khi phát hiện đường truyền sẵn sàng, nút mạng sẽ bắt đầu truyền dữ liệu Tuy nhiên, có thể xảy ra xung đột khi nhiều nút cùng truyền tin, và các nút này sẽ ngay lập tức nhận biết xung đột Khi xung đột xảy ra, các nút sẽ ngừng truyền và chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi cố gắng truyền lại Khoảng thời gian chờ này được xác định bởi thuật toán chờ hàm mũ nhị phân (BEB), tạo ra độ trễ không xác định trong quá trình truyền Thời gian chờ được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 đến (2^i - 1) lần thời gian tối thiểu để truyền lại, với i là số lần xung đột đã xảy ra, tối đa là 10.
49 bằng 10 nếu số lần xảy ra xung đột phát hiện đƣợc lớn hơn 10, có nghĩa là mức trên đƣợc giới hạn ở 1023 Sau 16 lần xung đột thì sẽ báo lỗi
Hình 2-14: Định dang của khung truy nhập mạng của Ethernet Định dạng của khung truy nhập mạng (MAC trame) theo [8], [12] nhƣ trên Hình