Bài giảng Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghệ - Đào Đức Thịnh - Chương 1: Các khái niệm cơ bản trong hệ đo và điều khiển công nghiệp

Mạng máy tính
&
Hệ thống thông tin công nghiệ
Đào Đức Thịnh
BM Kỹ thuật đo & THCN
Ch−ơng 1: Các khái niệm cơ bản trong hệ
đo & điều khiển Công nghiệp.
1.1 Chức năng của một hệ thông đo và điều khiển trong CN
1.1.1 Chức năng điều khiển các quá trình.
1.1.2 Chức năng điều khiển logic, liên động cảnh báo.
1.1.3 Chức năng giao tiếp ng−ời và hệ thống.
1.1.4 Chức năng thu thập và quản lý thông tin
1.2 Các khái niệm về các hệ và các thiết bị hiện đại trong CN:
1.2.1 Smart Device.
1.2.2 PLC ( Programmable Logic Controller).
1.2.3 SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition)
1.2.4 DCS(Distributed Control System)
Chức năng điều khiển các quá trình
- Điều khiển các quá trình nhiệt độ, áp suất, l−u l−ợng..Theo 
một hàm thời gian.
- Các bộ điều khiển t−ơng tự 4-20 mA.
- Các bộ điều khiển lai, số.
- DCS
Chức năng điều khiển Logic, liên động, 
cảnh báo
- Điều khiển logic, liên động các thiết bị , điều khiển tuần tự, 
cảnh báo.
- Relay cơ điện, Timer, Counter.
- IC số.
- PLC.
Chức năng giao tiếp giữa ng−ời và hệ thống
- Ng−ời vận hành có thể theo dõi quá trình, điều khiển quá trình, 
thay đổi Setpoint..
- Panel điều khiển, công tắc, nút ấn, chiết áp.
- Đèn báo, đồng hồ (Analog, digital)
- Giao diện bằng máy tính dựa trên phần mềm HMI
Chức năng thu thập và quản lý thông tin
- Đo, thu thập và quản lý thông tin.
- bằng tay (thủ công).
- Các đồng hồ tự ghi, relay tự rơi, recorder.
- Sử dụng máy tính.
Smart Device
- Thiết bị số trên cơ sở uP có khả năng xử lý thông tin.
- Hiển thị tại chỗ hay từ xa.
- Mềm dẻo, kinh tế.
- Có khả năng tự động kiểm tra, chuẩn đoán.
Smart Device
PLC (Programmable Logic Controller)
Thiết bị điều khiển khả trỡnh (PLC, programmable logic 
controller) là một loại mỏy tớnh điều khiển chuyờn dụng, do nhà
phỏt minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiờn đưa ra ý 
tưởng vào năm 1968. Dựa trờn yờu cầu kỹ thuật của General 
Motors là xõy dựng một thiết bị cú khả năng lập trỡnh mềm dẻo
thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, hai cụng ty độc lập là
Allen Bradley và Bedford Associates (sau này là Modicon) đó 
đưa ra trỡnh bày cỏc sản phẩm đầu tiờn. Cỏc thiết bị này chỉ xử 
lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và
1kByte bộ nhớ. 
PLC (Programmable Logic Controller)
- Thiết bị số trên cơ sở uP 
- Phát triển để thay thế cho Relay,Timer....
- Sử dụng để điều khiển quá trình, liên động với các đầu I/O số.
- Ch−ơng trình viết bằng ngôn ngữ Ladder Logic.
PLC (Programmable Logic Controller)
SCADA (Supervisory Control And 
Data Acquisition)
Điều khiển giám sát (và thu thập dữ liệu)
-Hỗ trợ con ng−ời trong việc quan sát và điều khiển từ xa
- Có giao diện ng−ời-máy 
- HMI (Human-Machine Interface) - Giao diện ng−ời-máy
+ Thành phần trong một hệ SCADA, hoặc
+ Các ph−ơng tiện quan sát/thao tác ở cấp thấp hơn
- Các trạm điều khiển giám sát trung tâm
+ Engineering Station (ES)
+ Operator Station (OS)
+ Server Station (SS)
SCADA (Supervisory Control And 
Data Acquisition)
- Các trạm thu thập dữ liệu trung gian
+ Remote Terminal Unit (RTU )
+ Data Collection Unit (DCU): PLC, PC, I/O
- Hệ thống truyền thông
+ Mạng truyền thông công nghiệp
+ Mạng viễn thông/truyền dữ liệu đ−ờng dài (vô tuyền, hữu 
tuyến)
+ Các thiết bị chuyển đồi, dồn kênh (Modem, Multiplexer)
SCADA (Supervisory Control And 
Data Acquisition)
- Các công cụ phát triển ứng dụng
*Giao diện ng−ời-máy (HMI)
+Sơ đồ hệ thống, sơ đồ công nghệ
+ Hiển thị các biến quá trình qua các "thiết bị ảo"
+ Đồ thị thời gian thực, đồ thị dữ liệu tĩnh
+ Các phím thao tác, nút điều khiển (controls)
* Hỗ trợ trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện (Event), sự
cố (Alarm)
* Hỗ trợ việc thống kê và lập báo cáo (Reporting)
SCADA (Supervisory Control And 
Data Acquisition)
* Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC,
các module vào/ra, cho các hệ thống bus tr−ờng)
* Cơ sở dữ liệu quá trình, dữ liệu cấu hình hệ thống
Hệ một người dựng
Hệ nhiều người dựng
HệWeb Client
Hệ phõn tỏn
Hệ chạy dự phũng
Communication
DCS ( Distributed Control System)
- Các thiết bị điều khiển số + Phần cứng phần mềm thu thập 
thông tin.
- Đ−ờng truyền tốc độ cao.
- Các module bố trí phân tán.
- Mỗi Module thực hiện một chức năng riêng.
- Có giao diện để nối các máy tính điều khiển giám sát và các 
bộ điều khiển.
DCS ( Distributed Control System)
DCS ( Distributed Control System)
DCS ( Distributed Control System)
DCS ( Distributed Control System)
DCS ( Distributed Control System)
DCS Truyền thống.
- Cỏc hệ này sử dụng cỏc bộ điều khiển quỏ trỡnh đặc chủng 
theo kiến trỳc riờng của nhà sản xuất.
- Cỏc hệ cũ thường đúng kớn, ớt tuõn theo cỏc chuẩn giao tiếp 
cụng nghiệp, cỏc bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ
làm nhiệm vụ điều khiển quỏ trỡnh, vỡ vậy phải sử dụng kết hợp 
PLC cho cỏc bài toỏn điều khiển logic và điều khiển trỡnh tự. 
- Cỏc hệ mới cú tớnh năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai 
đảm nhiệm cả cỏc chức năng điều khiển quỏ trỡnh, điều khiển 
trỡnh tự và điều khiển logic (hybrid controller).
DCS ( Distributed Control System)
- Để hỗ trợ cỏc bài toỏn điều khiển quỏ trỡnh diễn ra đồng thời, 
khối xử lý trung tõm được cài đặt một hệ điều hành thời gian 
thực, đa nhiệm - hoặc của riờng nhà sản xuất phỏt triển hoặc 
một sản phẩm thụng dụng như pSOS, TSOS, VRTX,... Chu kỳ
thời gian nhỏ nhất thực hiện cỏc mạch vũng điều khiển thường 
nằm trong khoảng 10-100ms, trong trường hợp đặc biệt (vớ dụ
cho nhà mỏy điện) cú thể tới 1ms.
DCS ( Distributed Control System)
- Một số sản phẩm tiờu biểu cựng với tờn trạm điều khiển cục 
bộ được liệt kờ dưới đõy:
• AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riờng
• Freelance 2000 (ABB): D-PS hợc D-FC, hệ điều hành pSOS
• DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành 
TSOS
• PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành 
riờng
•Centum CS1000/CS3000 (Yokogawa): PFCx-E, 
AFS10x/AFS20x, hệ điều hành ORKID
DCS ( Distributed Control System)
DSC trên nền PLC
Một số hệ DCS trờn nền PLC tiờu biểu là SattLine (ABB), 
Process Logix (Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), 
PCS7 (Siemens),… Thực chất, ngày nay đa số cỏc PLC vừa cú
thể sử dụng cho bài toỏn điều khiển logic và điều khiển quỏ
trỡnh. Tuy nhiờn, cỏc PLC được sử dụng trong cỏc hệ điều 
khiển phõn tỏn thường cú cấu hỡnh mạnh, hỗ trợ điều khiển 
trỡnh tự cựng với cỏc phương phỏp lập trỡnh hiện đại (vớ dụ
SFC).
DCS ( Distributed Control System)
DSC trên nền PC
Giải phỏp sử dụng mỏy tớnh cỏ nhõn (PC) trực tiếp làm thiết bị 
điều khiển khụng những được bàn tới rộng rói, mà đó trở thành 
thực tế phổ biến trong những năm gần đõy. Nếu so sỏnh với 
cỏc bộ điều khiển khả trỡnh (PLC) và cỏc bộ điều khiển DCS 
đặc chủng thỡ thế mạnh của PC khụng những nằm ở tớnh năng 
mở, khả năng lập trỡnh tự do, hiệu năng tớnh toỏn cao và đa 
chức năng, mà cũn ở khớa cạnh kinh tế. Cỏc bước tiến lớn 
trong kỹ thuật mỏy tớnh, cụng nghiệp phần mềm và cụng nghệ 
bus trường chớnh là cỏc yếu tố thỳc đẩy khả năng cạnh tranh 
của PC trong điều khiển cụng nghiệp.
DCS ( Distributed Control System)
DCS trờn nền PC là một hướng giải phỏp tương đối mới, mới 
cú một số sản phẩm trờn thị trường như PCS7 (Siemens, giải 
phỏp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa), 
Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management)… 
Hướng giải phỏp này thể hiện nhiều ưu điểm về mặt giỏ thành, 
hiệu năng tớnh toỏn và tớnh năng mở. Một trạm điều khiển cục 
bộ chớnh là một mỏy tớnh cỏ nhõn cụng nghiệp được cài đặt 
một hệ điều hành thời gian thực và cỏc card giao diện bus 
trường và card giao diện bus hệ thống.