Hệ thống DCS là gì? Điều khiển phân tán là gì?

Hệ thống DCS là gì? Hệ thống điều khiển phân tán là gì? Chúng có những chức năng gì? Tại sao chúng lại được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp?

Bài viết này, chúng ta sẽ đi tìm lời giải đáp cho những câu hỏi trên nhé!

Hệ thống DCS là gì?

DCS là viết tắt của Distributed Control System- Hệ thống điều khiển phân tán – Đây là một hệ thống mà quyền điều khiển không tập trung tại một nơi, mà nó phân tán, chia quyền điều khiển đến từng hiện trường, từng nhánh trong hệ thống.

So với hệ thống điều khiển PLC, hệ thống DCS là một giải pháp tòan vẹn hơn. Chúng bao gồm cả phần cứng, phần mềm và truyền thông cho toàn hệ thống.

Hệ thống DCS làm được gì?

Ưu điểm của hệ thống DCS là nó có khả năng xử lý các tín hiệu analog và thực hiện chuỗi xử lý tính toán phức tạp. Không những thế, chúng còn dễ dàng được tích hợp hay mở rộng.

Ngày nay, các hệ thống sản xuất dù lớn hay bé đều có sự xuất hiện của các thiết bị điều khiển, mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống hỗ trợ tích hợp khả năng điều khiển phân tán. Các hệ thống này có thể quản lý được từ vài trăm đến vài nghìn điểm in/out.

Một hệ thống DCS có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, chạy các thuật toán điều khiển hiện đại như: điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS)… Nhờ có cấu trúc đồng nhất phần cứng và phần mềm.

Cùng với sự phát triển của hệ thống DCS, các hệ thống điều khiển cho đến hiện tại hỗ trợ rất nhiều phương thức truyền thông (Profibus, Ethernet, Foundation FieldBus) từ cục bộ cho đến cấp quản lý.

Luôn được đề cao nghiên cứu, cải tiến. Các hệ thống DCS hiện tại có độ tin cậy rất cao và có khả năng dự phòng kép ở tất cả các nhánh trong hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông), khả năng thay đổi chương trình, thay đổi cấu trúc hệ, thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online).

Tất cả những đặc điểm trên cho thấy các hệ thống DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể.

Hệ thống DCS được phân loại như thế nào?

Hiện nay, các hệ thống DCS được phân loại dựa trên nền tảng hoạt động của chúng, cụ thể chúng được chia làm 3 loại mà chúng ta có thể hiểu như sau:

Hệ thống DCS chạy trên nền máy tính PC

Trong những năm gần đây, việc mạnh dạn thử nghiệm và sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển đã trở nên phổ biến hơn rất nhiều. Nếu so sánh với các bộ điều khiển PLC và các bộ điều khiển DCS chuyên biệt thì giải pháp này có các ưu thế như:

• Tính năng mở
• Khả năng lập trình tự do
• Hiệu năng tính toán cao
• Đa chức năng
• Tính kinh tế cao

Công nghệ máy tính phát triển, công nghiệp phần mềm và công nghệ bus trường chính là các yếu tố mạnh mẽ khẳng định năng lực cạnh tranh của PC trong điều khiển công nghiệp.

Hệ thống DCS trên nền PC là một hướng giải pháp tương đối mới, đơn cử như: PCS7 (Siemens, giải pháp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa)…

Hệ thống DCS hoạt động trên nền PLC

Thiết bị điều khiển logic lập trình được (PLC, programmable logic controller) chúng có thể được xem là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng.

Với cấu trúc ghép nối in/out linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng,… đó là lý do cho thấy PLC tương thích cao với hệ thống DCS.

Một số hệ thống DCS hoạt động trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Process Logix (Rockwell), PCS7 (Siemens),…

Hệ thống DCS kiểu cũ

Các hệ thống này thực chất là những module điều khiển được nhà sản xuất máy móc phát triển và nhúng vào. Chúng thường là một hệ kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp ngày nay, các bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp PLC cho các bài toán điều khiển logic và điều khiển trình tự.

Các hệ mới sau này cũng có tính năng mở tốt hơn, một số bộ có cả khả năng điều khiển lai. Đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự và điều khiển logic (hybrid controller).

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các hệ thống DCS, thì cá hệ thống cũ này cũng dần được thay thế, cải tạo lại để phù hợp với nhu cầu điều khiển hệ thống của chủ doanh nghiệp.

Các thành phần trong một hệ thống điều khiển phân tán DCS

Trong một hệ thống DCS có rất nhiều thành phần khác nhau tham gia vào. Nhưng xét tổng thể, chúng ta có thể tạ, chia chúng làm 4 phần chính như bên dưới để dễ dàng tìm hiểu cũng như vận hành.

Các thành phần bao gồm:

Trạm điều khiển cục bộ

Là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển cho một công đoạn. Các trạm điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác gần khu vực hiện trường sản xuất.

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ thực hiện như:

• Điều khiển quá trình: Điều khiển các mạch vòng kín (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,…)
• Điều khiển trình tự
• Điều khiển logic
• 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 xử lý trong trường hợp mất liên lạc với trạm vận hành
• Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báo động

Bất kể loại thiết bị nào được sử dụng, một trạm điều khiển cục bộ cần phải thoả các yêu cầu quan trọng về mặt kỹ thuật như:

• Tính năng thời gian thực
• 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)

Trạm vận hành hệ thống DCS

Trạm vận hành thuộc cấp điều khiển giám sát, các trạm này được đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Các trạm vận hành có thể hoạt động song song và độc lập với nhau. Người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng để tiện điều khiển.

Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức năng của các trạm khác.

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

• Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực…)
• Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)
• Tạo và quản lý các công thức điều khiển
• Xử lý các sự kiện, sự cố
• 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

Trạm kỹ thuật- phát triển hệ thống DCS

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển hệ thống DCS, cho phép đặt cấu hình, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy,…cho hệ thống

Một số đặc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trên trạm kỹ thuật là:

• Công việc phát triển không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ
• Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là sơ đồ khối hàm (FBD-Function Block Diagram, hoặc CFC-Continuous Function Chart)

Trong một số hệ thống, người ta không phân biệt giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuật, mà sử dụng một bàn phím có khóa chuyển qua lại giữa hai chế độ vận hành và phát triển.

Hệ thống truyền thông

Khi sử dụng cấu trúc in/out phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sung các module giao diện bus để nối với các trạm in/out từ xa và một số thiết bị trường thông minh.

Các bus trường thường phải thoả mãn yêu cầu như:

• Tính năng thời gian thực
• Mức độ đơn giản và giá thành thấp

Đối với môi trường dễ cháy nổ; còn các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác về chuẩn truyền dẫn, vật liệu cáp và tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp truyền,…

Các loại bus trường truyền thông được hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ thì Profibus-PA và Foundation Fieldbus là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất.

Tìm hiểu các chức năng của hệ thống DCS

Chức năng chính và là chức năng quan trọng nhất của DCS; là điều khiển toàn bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy. Chức năng điều khiển do các thiết bị điều khiển đảm nhận, được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển.

Chức năng điều khiển

DCS thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy. Các thành phần thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản trong DCS gọi là các “ khối hàm” (Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển. Việc thực hiện thiết kế chức năng điều khiển thực chất là cách kết hợp; các khối hàm lại với nhau cho phù hợp.

– Chức năng thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: Tự động thực hiện điều chỉnh phản hồi cho các vòng của các quá trình liên tục. Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID; các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu in/out và các khối hàm toán học

– Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Được thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp trong nhà máy. Chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độc lập; đồng thời quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống.

– Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp: Hệ thống DCS là hệ điều khiển ứng dụng cho các nhà máy có quy mô lớn; công nghệ hiện đại và phức tạp. Vì thế, cần có những thuật toán tiên tiến để giải quvết các bài toán tối ưu và tiết kiệm nguyên liệu.

Chức năng vận hành và giám sát hệ thống

• Hệ thống DCS cho phép chúng ta biểu diễn toàn bộ các quá trình; thiết bị trong nhà máy lên màn hình một cách trực quan và sinh động, cung cấp các giao diện vận hành và giám sát.
• Hệ thống DCS đã phân chia, sắp xếp và biểu diễn các tham số; trạng thái dưới nhiều hình thức khác nhau nhằm tạo thuận lợi tối đa cho người vận hành. Các biến quá trình ngoài việc ta có thể xem trực tiếp. Ta còn có thể giám sát thông qua các đồ thị. Cho phép chúng ta so sánh, đánh giá chất lượng điều khiển và ra quyết định điều khiển.
• Bên cạnh các chức năng điều khiển, giám sát trạng thái; việc đưa ra các cảnh báo cho người vận hành và các gợi ý xử lý; cũng là một yêu cầu không thể thiếu đối với bất cứ một hệ DCS nào. Các cảnh báo trong hệ thống được chia thành nhiều cấp độ khác nhau:
  • Cảnh báo nguy cơ (Warrning)
  • Báo động (Alarm
  • Báo lỗi (Failure)
• Để hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lý; DCS cung cấp các báo cáo cho từng biến quá trình; các khu vực quan trọng theo định kỳ hoặc theo yêu cầu. Ngoài ra luôn có các báo cáo thực hiện thường xuyên nhằm:
  • Thu thập, hiển thị và in ra các thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống
  • Báo cáo về các cảnh báo, tín hiệu vào/ra và các trạng thái
  • Báo cáo về lịch sử làm việc, các lỗi, sự kiện xảy ra trong hệ thống
• Chức năng an toàn hệ thống (Security) Để ngăn chặn các lỗi trong vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống. DCS cung cấp khả năng phân chia quyền truy cập vào hệ thống chi tiết đến từng thiết bị và khối hàm. Có thể đặt nhiều mức độ bảo mật an toàn khác nhau từ cấp các khu vực; đến từng thiết bị trong nhà máy. Mỗi người vận hành chỉ có quyền hạn và trách nhiệm trong một khu vực nhất định.

Nội dung bài viết đã cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quan nhất về hệ thống DCS. Để hiểu rõ được thực tế hệ thống này hoạt động như thế nào; chúng ta cần có những mô hình hoặc trực tiếp tham gia vào khai thác hệ thống DCS; tại các nhà máy thì mới nắm vững được chúng.

Bài viết mình có tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu; nên chắc chắn sẽ có sai sót trong quá trình thực hiện nội dung. Rất mong nhận được những góp ý của bạn đọc để bài viết ngày một hoàn chỉnh hơn!