Bài giảng Các hệ PLC và DCS - Chương 7: Qui trình tích hợp hệ thống - Hoàng Minh Sơn


20
04
, H
O
À
N
G
 M
IN
H
 S
Ơ
N
C
hư
ơn
g 
7
12/06/2015
Chương 7: 
Qui trình tích hợp 
hệ thống 
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
2
12/06/2015
Nội dung
7.1 Các bước phát triển hệ thống
7.2 Mục đích điều khiển
7.3 Mô tả các chức năng điều khiển
7.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp hệ thống
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
3
12/06/2015
7.1 Các bước phát triển hệ thống
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Đặc tả chức năng 
hệ thống
Xây dựng & khảo sát 
mô hình quá trình
Lựa chọn giải pháp 
hệ thống
Phát triển phần mềm 
ứng dụng
Chỉnh định & đưa 
vào vận hành
Yêu cầu và mô tả 
công nghệ
Các định luật vật lý 
và hóa học
Lý thuyết điều 
khiển tự động
Kinh nghiệm từ các 
dự án khác
Các mục đích điều 
khiển cơ bản
Dữ liệu vận hành 
thực tế 
Công nghệ phần 
mềm công nghiệp 
Thông tin, hỗ trợ từ 
nhà cung cấp
Công nghệ hệ thống 
điều khiển
Phân tích & nhận 
dạng quá trình
Thiết kế sách lược 
điều khiển
Thiết kế thuật toán 
điều khiển
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
4
12/06/2015
7.2 Mục đích điều khiển
1. Đảm bảo vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo 
năng suất (tốc độ sản xuất), kéo dài tuổi thọ máy 
móc, vận hành thuận tiện
2. Đảm bảo chất lượng sản phẩm: giữ các thông số 
chất lượng sản phẩm biến động trong một khoảng 
nhỏ
3. Đảm bảo vận hành an toàn: cho con người, máy 
móc, thiết bị và môi trường
4. Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm 
chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích 
ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường
5. Giảm ô nhiễm môi trường: Giảm nồng độ các chất 
độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử 
dụng nguyên liệu và nhiên liệu 
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
5
12/06/2015
7.3 Đặc tả chức năng
 Các chức năng điều khiển quá trình: Lưu đồ P&ID
(Pipe and Instrumentation Diagram)
 Chi tiết chức năng điều khiển rời rạc: Biểu đồ logic 
(Binary Logic Diagram)
 Chi tiết chức năng điều khiển trình tự: Biểu đồ trình 
tự (Sequential Function Charts)
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
6
12/06/2015
Nhắc lại các chức năng điều khiển cơ sở
(Theo ANSI/ISA 88.01-1995)
 Điều chỉnh (regulatory control): Duy trì các biến đầu ra của 
một quá trình tại các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện 
có tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi
– Ví dụ điều chỉnh nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất, nồng độ 
 Điều khiển rời rạc (discrete control): Duy trì các trạng thái 
của thiết bị quá trình tại một giá trị chọn từ tập các trạng 
thái ổn định biết trước.
– Ví dụ điều khiển đóng/mở máy bơm, quạt gió, máy khuấy
 Điều khiển trình tự (sequential control) : một lớp chức năng 
điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá 
trình qua một trình tự các trạng thái riêng biệt (đóng/mở, 
khởi động/dừng)
– Ví dụ: Điều khiển quá trình khởi động/dừng một nhóm thiết bị 
quá trình, điều khiển một mẻ pha chế hỗn hợp
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
7
12/06/2015
Ví dụ chức năng điều chỉnh
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
8
12/06/2015
Ví dụ điều khiển rời rạc
 Điều khiển thiết bị: điều khiển và giám sát việc khởi động, dừng 
hoặc chuyển chế độ cho các thiết bị quá trình đơn lẻ, ví dụ van 
on/off, băng tải, động cơ, máy bơm, v.v... 
Trạng thái ổn định
DO1 DI1-1 DI1-2
ON ON OFF
OFF OFF ON
Ví dụ trạng thái lỗi
ON OFF OFF
Trạng thái ổn định
Start Stop Motor
ON OFF Running
OFF OFF Running
OFF ON Stopped
OFF OFF Stopped
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
9
12/06/2015
Ví dụ điều khiển rời rạc (tiếp)
Trạng thái ổn định
V1 V2 V3
Đóng Đóng Đóng
Mở Mở Đóng
Mở Đóng Mở
Ví dụ trạng thái lỗi
Mở Đóng Đóng
Mở Mở Mở
 Khóa liên động: Đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho hệ 
thống máy móc thiết bị và cho con người bằng cách ngăn chặn 
tình huống dẫn đến trạng thái lỗi cũng như giảm thiểu tác hại của 
trường hợp xảy ra sự cố:
 Khóa liên động quá trình (process interlocks): Đảm bảo logic vận 
hành bình thường, tránh gây lỗi và sự cố cho thiết bị quá trình
 Khóa liên động an toàn (safety interlocks): Kích hoạt các thao tác 
can thiệp mạnh (tách, cách ly hoặc dừng khẩn cấp để giảm thiểu 
hậu quả của sự cố tới máy móc, con người và môi trường
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
10
12/06/2015
Ví dụ điều khiển trình tự
 Ví dụ các bước điều khiển bình trộn theo mẻ
– Kiểm tra van xả đã đóng chưa, nếu chưa thì đóng lại và mở các 
van cấp vào ở chế độ làm việc (ví dụ 50%)
– Khởi động các máy bơm cấp, khởi động các vòng điều khiển mức 
và lưu lượng để điều khiển các van cấp 
– Khi mức dung dịch đạt được một giá trị nào đó, khởi động động cơ 
quay trộn
– Chờ một thời gian và dừng động cơ quay trộn
– Dừng theo thứ tự các máy bơm, vòng điều khiển lưu lượng, mức, 
Mở van xả và bơm hút sản phẩm
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
11
12/06/2015
7.3.1 Lưu đồ P&ID
 Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram
– Lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị và chức năng tự 
động hóa
– Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống 
đo lường, điều khiển và giám sát
– Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm 
điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá 
trình)
 Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation 
Society of America) chuẩn hóa:
– ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification
– ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared 
Display Instrumentation, Logic and Computer Systems
 Các biểu tượng lưu đồ bao gồm:
– Các biểu tượng thiết bị
– Các biểu tượng tín hiệu và đường nối
– Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
12
12/06/2015
Lưu đồ điều khiển quá trình trao đổi nhiệt
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
13
12/06/2015
Biểu tượng thiết bị
Phòng điều khiển trung 
tâm
(Remote)
Vị trí mở rộng
(Auxilary Location)
Hiện 
trường
(Local)
Phần cứng
Thiết bị đơn lẻ
Phần cứng chia sẻ
- Hiển thị chia sẻ
- Điều khiển chia sẻ
Phần mềm
Chức năng máy tính
Logic chia sẻ
Điều khiển logic khả 
trình
Thiết bị cho hai biến hoặc 
một biến với hai hoặc nhiều chức năng
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
14
12/06/2015
Biểu tượng tín hiệu và đường nối
Tín hiệu không định nghĩa
Đường nối tới quá trình kỹ thuật hoặc cấp năng lượng
Tín hiệu khí nén
Tín hiệu điện
Tín hiệu thủy lực
Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định) *
Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn định)*
Đường nối nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ liệu)
Đường nối cơ học
Ống mao dẫn x x x
* Các hiện tượng điện từ gồm cả nhiệt, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng.
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
15
12/06/2015
Ký hiệu các đường cấp năng lượng
 AS (Air supply): cấp không khí
 ES (Electric supply): cấp điện
 GS (Gas supply): cấp gas
 HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực
 NS (Nitrogen supply): cấp nitơ
 SS (Steam supply): cấp hơi nước
 WS (Water supply): cấp nước
AS
ES
GS
HS
NS
SS
WS
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
16
12/06/2015
Nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng
P D I C-103
Chữ cái đầu: Biến đo hoặc khởi tạo
Chữ cái phụ: Bổ sung cho chữ đầu
Các chữ cái sau: Các chức năng 
chỉ thị, bị động hoặc đầu ra
T A H-104
Chữ cái phụ sau: Bổ sung ý nghĩa
chức năng cho chữ cái đứng trước nó
Chỉ thị (Indication) và điều khiển (Control) chênh áp
(Differential Pressure), vòng loop 103.
Báo động (Alarm) vượt ngưỡng trên (High) nhiệt độ 
(Temperature), cảnh giới quá nhiệt vòng loop 104.
Mã số vòng loop, điểm đo
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
17
12/06/2015
Ý nghĩa các chữ cái
Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau
Biến đo hoặc 
khởi tạo
Bố sung, thay 
đổi
Chức năng chỉ 
thị hoặc bị động
Chức năng đầu 
ra
Bổ sung, thay 
đổi
A Analysis Alarm
B Burner, 
Combustion
Tự chọn Tự chọn Tự chọn
C Tự chọn Control
D Tự chọn Differential
E Voltage Sensor 
F Flow Rate Ratio (Fraction)
G Tự chọn Glass, Viewing 
Device
H Hand High
I Current Indicate
J Power Scan
K Time, Time 
Schedule
Time Rate of 
Change
Control Station
L Level Light Low
M Tự chọn Momentary Middle
N Tự chọn Tự chọn Tự chọn Tự chọn
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
18
12/06/2015
Ý nghĩa các chữ cái (tiếp)
Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau
Biến đo hoặc 
khởi tạo
Bố sung, thay 
đổi
Chức năng chỉ 
thị hoặc bị động
Chức năng đầu 
ra
Bổ sung, thay 
đổi
O Tự chọn Orifice, 
Restriction
P Pressure, 
Vacuum
Point (Test 
Connection)
Q Quantity Integrate, Total
R Radiation Record
S Speed, 
Frequency
Safety Switch
T Temperature Transmit
U Đa biến 
(Universal)
Đa chức năng Đa chức năng Đa chức năng
V Vibration, Mech. 
Analysis
Valve, Damper, 
Louver
W Weight, Force Well
X Không xếp loại Trục X Không xếp loại Không xếp loại Không xếp loại
Y Event, State, 
Presence
Trục Y Relay, Compute, 
Convert
Z Position, 
Dimension
Trục Z Driver, Actuator,
Phần tử ĐK
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
19
12/06/2015
Các ký hiệu chức năng tính toán
Ký hiệu Chức năng
1-0 hoặc ON/OFF Điều khiển ON/OFF hoặc chuyển mạch (Switch)
 hoặc ADD Cộng hoặc tổng (cộng và trừ), với 2 hoặc nhiều đầu vào
 hoặc SUB Hiệu (với hai hoặc nhiều đầu vào)
 , +, Độ dịch (1 đầu vào)
AVG. Trung bình
%, 1:3 hoặc 2:1 Khuếch đại (đầu vào : đầu ra)
,  Nhân, chia (2 hoặc nhiều đầu vào)
hoặc SQ. RT. Căn bậc hai
xn hoặc x1/n Lũy thừa
f(x) Hàm
1:1 Tăng cường
hoặc HIGHEST Chọn giá trị lớn nhất
hoặc LOWEST Chọn giá trị nhỏ nhất
REV. Đảo ngược
E/P, P/I, A/D, D/A Biến đổi (E, H, I, O, P, R)
 Tích phân (theo thời gian)
D hoặc d/dt Đạo hàm hoặc tốc độ
I/D Nghịch đảo đạo hàm
-
x

>
>
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
20
12/06/2015
Ví dụ điều khiển vòng kín
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
21
12/06/2015
Ví dụ vận hành 
bơm cấp bình chứa
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
22
12/06/2015
7.3.2 ANSI/ISA S5.2: Binary Logic Diagram for 
Process Operations
Đầu vào
Đầu ra
A
A
C
B
OR
A
C
B
TagID
TagID
VÍ DỤ 
LSH
3
Tank A 
Level High
Open 
Valve
HV
1
BIỂU TƯỢNG 
A
Valve A Open
Valve B Closed
Valve C Closed
Start
Filling
OR
Valve A Open
Valve B Open
Valve C Open
Operate 
Pump
Ý NGHĨA 
Đầu vào
Đầu ra
AND
OR
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
23
12/06/2015
VÍ DỤ BIỂU TƯỢNG 
*
A
C
B
S
R
A
B
C
D
X
*
A D
Ý NGHĨA 
NOT
OR có điều kiện:
(>, <, =, ..)
>1
Valve A Open
Valve B Open
Valve C Open
Operate 
Pump
Time Delay
X: DI (Delay Initiatation of Output)
DT(Delay Termination of Output)
PO (Pulse Output)
*: s, m, h
Flip-Flop
S
R
Start
Stop
Start Motor
Stop Motor
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
24
12/06/2015
Khóa liên động vận hành bơm cấp bình chứa 
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
25
12/06/2015
7.3.3 Biểu đồ trình tự: Ví dụ bình trộn
Charging
Mixing
Start
Discharging
Wait
T1 = V1 AND V2 AND NOT V3
T2 = Level High
T3
T4 = Level Low
T5 = Restart Activated
Điều khiển trình tự có thể coi 
là một hình thức mở rộng của 
điều khiển logic với các yếu tố 
thời gian, hành động, tính chất 
song song và phân tán. 
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
26
12/06/2015
Bài toán điều khiển trình tự
 Điều khiển trình tự có vai trò trong:
– Khởi động hoặc dừng (từng phần) hệ thống
– Điều khiển quá trình mẻ: Ví dụ điều khiển máy giặt, ví dụ 
quá trình pha chế hỗn hợp, chế biến dược phẩm,...
 Một trình tự điều khiển bao gồm:
– Các bước (Step) kèm theo hành động (Action)
– Các chuyển tiếp (Transition), gắn với điều kiện chuyển tiếp
 Điều khiển trình tự liên quan thế nào với điều khiển 
rời rạc và bài toán điều chỉnh?
– Điều khiển trình tự kích hoạt các hành động điều khiển rời 
rạc và các vòng điều chỉnh
– Điều chỉnh và điều khiển rời rạc cũng tạo ra các điều kiện 
chuyển tiếp cho các bước trình tự
– ĐK rời rạc gắn với một thiết bị, ĐC gắn với một vòng điều 
chỉnh, ĐK trình tự gắn với một nhóm thiết bị
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
27
12/06/2015
Biểu đồ trình tự (SFC, Sequential Function 
Charts)
 Ngôn ngữ đồ họa theo chuẩn quốc tế IEC 61131-3, 
được hỗ trợ trong hầu hết các hệ thống điều khiển 
quá trình
 Xuất phát từ Grafcet (phát triển tại Pháp) và là một 
dạng đặc biệt của mạng Petri
 Phù hợp nhất cho cả mô tả bài toán, lập trình và 
giám sát điều khiển trình tự (rất khó nếu sử dụng 
các biểu đồ logic)
 Có thể xây dựng với cấu trúc phân cấp => khả năng 
mô tả ở nhiều mức sơ lược hoặ chi tiết khác nhau
 Rất gần gũi với kỹ sư công nghệ
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
28
12/06/2015
Các phần tử SFC
 Step: Một bước thực hiện trong điều 
khiển trình tự
– Có thể bao gồm nhiều hành động đi kèm
– Có ít nhất một bước tích cực
– Trạng thái hệ thống được xác định qua các 
bước tích cực
 Transition: Chuyển tiếp, được thực hiện 
khi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn
 Action: Hành động đi với một bước
– Nằm trong một "Action Block"
– Được kiểm soát thực thi qua các "Qualifier"
Active
Final
Initial
T1
T2
T3
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
29
12/06/2015
7.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp hệ
thống
 Phạm vi chức năng
 Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần
 Tính năng mở, tính linh hoạt
 Phát triển hệ thống
 Khả năng bảo trì
 Giá thành, đầu tư
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
30
12/06/2015
Phạm vi chức năng
 Chức năng điều khiển cơ sở
– Thư viện chức năng điều chỉnh (PID, MPC, Fuzzy) với các 
yêu cầu công nghiệp: chuyển Manual/Automatic trơn tru, 
Anti-Reset-Windup.
– Điều khiển thiết bị, khóa liên động
 Chức năng điều khiển cao cấp
– Điều khiển mẻ, điều khiển công thức
– Điều khiển thích nghi, bền vững, tối ưu
– Điều khiển chuyên gia
 Chức năng điều khiển giám sát
– Chất lượng giao diện đồ họa
– Khả năng lập báo cáo tự động
– Cơ chế quản lý và xử lý sự kiện, sự cố
– Hỗ trợ ActiveX-Control và OPC
– Hỗ trợ giao diện cơ sở dữ liệu ODBC
– Chức năng Web
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
31
12/06/2015
Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành 
phần
 Cấu trúc vào/ra:
– vào/ra tập trung
– vào/ra phân tán
– vào/ra trực tiếp với các thiết bị bus trường
 Cấu trúc cấp điều khiển
 Cấu trúc cấp điều khiển giám sát
 Các chủng loại thiết bị hỗ trợ
 Các hệ thống mạng truyền thông được hỗ trợ (đặc 
biệt bus trường liên quan tới các chủng loại thiết bị 
trường có thể hỗ trợ).
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
32
12/06/2015
Tính năng mở, tính linh hoạt
 Khả năng tự mở rộng hệ thống:
– Tích hợp thiết bị hãng thứ ba
– Tích hợp phần mềm hãng thứ ba
– Tích hợp phần mềm tự viết
 Hỗ trợ các chuẩn công nghiệp:
– COM (Component Object Model)
– OPC (OLE for Process Control)
– ActiveX-Control
– ODBC (Open Database Connection)
– IEC 61131-3
C
hư
ơn
g 
7
 HMS
33
12/06/2015
Khía cạnh phát triển hệ thống
 Cấu hình hệ thống
– Đơn giản, hướng đối tượng
– Khả năng phát triển hệ thống một cách xuyên suốt
– Cấu hình và tham số hóa các thiết bị và mạng truyền thông 
dễ dàng qua phần mềm từ trạm kỹ thuật
 Lập trình điều khiển
– Đơn giản, hướng đối tượng
– Các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng (FBD, SFC, ST,...)
– Các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C/C++, BASIC)
– Lập trình giao tiếp ngầm hay hiện
– Khả năng tự mở rộng thư viện chức năng (thông qua một 
ngôn ngữ lập trình bậc cao)