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

 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
1
12/06/2015
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
4.4 So sánh kiến trúc PLC/HIM với DCS
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
2
12/06/2015
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
– Emerson (Fisher-Rosemount): PROVOX, DeltaV
– Honeywell: PlantScape
– Invensys (Foxboro): I/A Series
– Siemens: Teleperm, PCS7
– Yokogawa: Centum CS1000/CS3000
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
3
12/06/2015
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)
– 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:
– Giá thành hệ thống tương đối cao
– Nhiều hệ thống thể hiện tính đóng kín
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
4
12/06/2015
4.2 Cấu hình cơ bản một hệ DCS
PROCESS
LAN
System bus/ 
Control Network
Local Control 
Unit (LCU)
O
S
O
S
ES
Operator 
Station
Engineering 
Station
Remote I/O 
(RIO)4-20mA Fieldbus
Alarm 
Printer
Report 
Printer
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
5
12/06/2015
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 
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 
(Foundation Fieldbus, DP, DeviceNet...)
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
6
12/06/2015
Ví dụ: DeltaV (Fisher-Rosermount)
Engineering
Workstation
Operator
Workstation
Application
Server
Operator
Workstation
DeltaV 
Controllers
Fast Ethernet
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
7
12/06/2015
Ví dụ: PlantScape (Honeywell)
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
8
12/06/2015
Ví dụ: Centum CS3000 (Yokogawa)
Remote 
I/O Nodes
Local
I/O Nodes
HIS EWS
Historian/ 
PerformancePlant Ethernet
FCS
Vnet
EWS: Engineering Workstation
HIS: Human Interface Station
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
9
12/06/2015
Ví dụ: PCS7 (Siemens)
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
10
12/06/2015
Ví dụ: ProcessLogix (Allen-Bradley)
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
11
12/06/2015
Bộ điều khiển (Controller, LCU) 
 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)
– 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
– PC/IPC -> PC-based DCS
– Các bộ điều khiển lai
CPUPSCPUPS IM AI AO DI DO IMPS CPU IM AI AO DI DO IM
Không dự phòng Có dự phòng
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
12
12/06/2015
DeltaV
Controller
PCS 7
Controller
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
13
12/06/2015
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 
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
 Xử lý truyền thông
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
14
12/06/2015
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
– 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
– Thời gian chuyển mạch khi có sự cố
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
15
12/06/2015
Trạm vận hành (Operator Station)
 Cấu hình tiêu biểu:
– Máy tính trạm (Workstation) hoặc máy tính cá nhân (PC)
– Hệ điều hành Windows NT/2000/XP hoặc UNIX, LINUX
– Màn hình CRT 21", có thể màn hình kép
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
16
12/06/2015
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
 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
 Hỗ trợ lập báo cáo tự động
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
17
12/06/2015
Cấu trúc bố trí các trạm vận hành
Controller
OSOS OS
SYSTEM BUS
Controller Controller
Cấu trúc phẳng
Cấu trúc phân cấp
OSOS OS
TERMINAL BUS
SYSTEM BUS
DATA
SERVER
Controller Controller Controller
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
18
12/06/2015
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
– 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
– Quan sát và chẩn đoán lỗi hệ thống
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
19
12/06/2015
Ví dụ bố trí phòng điều khiển trung tâm
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
20
12/06/2015
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
– 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
– Data Highway
– Mạng đặc chủng của riêng hãng sản xuất
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
21
12/06/2015
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
 Các loại bus thường được sử dụng:
– Profibus-DP, Profibus-PA
– Foundation Fieldbus H1
– Controlnet
– DeviceNet
– Mạng đặc chủng của riêng hãng sản xuất, sử dụng RS-485
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
22
12/06/2015
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
 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
– Vận hành & giám sát,...
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
23
12/06/2015
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
 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
C
hư
ơ
ng
 4
24
12/06/2015
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
– 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
 Chức năng điều khiển: có thể đưa xuống cấp trường 
 HMS
C
hư
ơ
ng
 4
25
12/06/2015
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
– 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
C
hư
ơ
ng
 4
26
12/06/2015
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
 Quá trình rời rạc: DCS PLC/HMI
 Quá trình hỗn hợp: DCS + PLC
hoặc hệ lai