Giáo trình Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán; Các thành phần của hệ thống điều khiển phân tán; Bảo dưỡng hệ thống điều khiển phân tán (DCS); Vận hành DCS. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2020 (Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) được dịch và biên soạn dành cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) của Trường Cao Đẳng Dầu Khí và thuộc môn học cơ sở ngành. Các sinh viên nghề SCTBTĐH trước khi học môn học này cần hoàn thành môn học Điều khiển quá trình. Nội dung của giáo trình gồm 04 bài: Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán. Bài 2: Các thành phần của hệ thống điều khiển phân tán Bài 3: Bảo dưỡng hệ thống điều khiển phân tán (DCS) Bài 4: Vận hành DCS Tác giả chân thành gửi lời cám ơn đến các đồng nghiệp khoa Điện – Tự Động Hóa đã giúp tác giả hoàn thiện giáo trình này. Tuy đã nỗ lực nhiều, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để lần ban hành tiếp theo được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn./. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2020 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS. Phan Đúng 2. ThS. Đỗ Mạnh Tuân 3. Ths. Nguyễn Xuân Thịnh
MỤC LỤC 1. BÀI 1: CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN .............................1 1.1 Điều khiển phân tán ...........................................................................................2 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống điều khiển phân tán (DCS) ....................................4 1.3 So sánh điều khiển phân tán (DCS) với các hệ thống điều khiển khác .............5 1.3.1 DCS so với PLC ...........................................................................................6 1.3.2 DCS so với SCADA .....................................................................................6 1.3.3 Các hệ thống thiết bị an toàn ........................................................................7 2. BÀI 2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN ....10 2.1 Cấu trúc phần cứng ..........................................................................................11 2.1.1 Các thiết bị hiện trường ..............................................................................11 2.1.2 Các bộ điều khiển .......................................................................................12 2.1.3 Bộ điều khiển I/O .......................................................................................14 2.1.4 Các ứng dụng của bộ điều khiển ................................................................14 2.1.5 Dư dự phòng ...............................................................................................15 2.2 Máy chủ và máy trạm ......................................................................................17 2.2.1 Chức năng của máy chủ..............................................................................17 2.2.2 Máy chủ phần mềm ....................................................................................19 2.2.3 Máy chủ cơ sở dữ liệu ................................................................................20 2.2.4 Các máy chủ khác .......................................................................................21 2.2.5 Chức năng của máy trạm ............................................................................21 2.2.6 Trạm kỹ thuật (EW)....................................................................................22 2.2.7 Các trạm vận hành (OW) ............................................................................22 2.2.8 Các hệ điều hành máy chủ và máy trạm .....................................................22 2.3 Mạng truyền thông trong DCS .......................................................................23 2.3.1 Kết nối mạng cơ bản ...................................................................................24 2.3.2 Fieldbus ......................................................................................................25 2.3.3 Modbus .......................................................................................................26 2.3.4 Profibus .......................................................................................................27
2.3.5 Foundation Fieldbus ...................................................................................28 2.3.6 Các mạng mức cao hơn ..............................................................................28 2.3.7 Các mạng Ethernet .....................................................................................29 2.3.8 Ethernet công nghiệp ..................................................................................31 2.4 Giao diện người - máy ....................................................................................32 2.4.1 Đồ họa của trạm vận hành ..........................................................................33 2.4.2 Đồ họa quá trình .........................................................................................33 2.4.3 Đồ họa điều khiển tương tự ........................................................................34 2.4.4 Các đồ họa điều khiển rời rạc .....................................................................35 2.4.5 Các màn hình thông tin và sự định hướng..................................................36 2.4.6 Hệ thống báo động......................................................................................36 2.4.7 Các hiển thị điểm chi tiết ............................................................................38 2.4.8 Các đồ thị xu hướng ...................................................................................39 2.4.9 Các đồ thị xu hướng lịch sử ........................................................................40 3. BÀI 3: BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) .............42 3.1 Tầm quan trọng của bảo dưỡng .......................................................................43 3.1.1 Lập biểu bảo dưỡng phòng ngừa ................................................................43 3.1.2 Lập hồ sơ lịch sử.........................................................................................44 3.1.3 Bảo dưỡng ..................................................................................................45 3.2 Hiệu chuẩn và sửa chữa ...................................................................................45 3.2.1 Hiệu chuẩn .................................................................................................45 3.2.2 Sửa chữa .....................................................................................................45 3.2.3 Xử lý sự cố DCS ........................................................................................46 3.2.4 Các lỗi của thiết bị hiện trường ..................................................................47 3.2.5 Các lỗi bộ phận DCS ..................................................................................48 3.2.6 Các lỗi nguồn điện .....................................................................................48 3.2.7 Các lỗi bộ điều khiển .................................................................................49 3.2.8 Các lỗi mạng ..............................................................................................49 3.3 Có được chuyên môn .......................................................................................50
3.3.1 Kiến thức thiết bị ........................................................................................50 3.3.2 Các kỹ năng sử dụng dụng cụ sửa chữa .....................................................51 3.4 An ninh DCS ....................................................................................................51 3.4.1 Kiểm soát truy cập .....................................................................................51 3.4.2 Tấn công từ bên ngoài ................................................................................52 3.4.3 Tấn công từ bên trong .................................................................................53 4. BÀI 4: VẬN HÀNH DCS .....................................................................................55 4.1 Tìm hiểu quá trình điều khiển dòng .................................................................56 4.2 Vận hành điều khiển lưu lượng bằng tay (MAN MODE) ...............................57 4.2.1 Xác định lưu lượng chảy qua đường ống tại vị trí mở van điều khiển .......57 4.2.2 Ổn định lưu lượng ở chế độ điều khiển bằng tay (MAN MODE) .............59 4.3 Vận hành điều khiển lưu lượng ở chế độ tự động (AUT) .............................60 4.4 Các lỗi thường gặp và cách khắc phục ...........................................................62 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................64
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Một hệ DCS tiêu biểu chỉ ra các bộ phận chính và các mức tạo thành cấu trúc tầng bậc ............................................................................................................................3 Hình 1-2 Các trạm vận hành trong phòng điều khiển .....................................................5 Hình 1-3 PLC sử dụng cho điều khiển máy ....................................................................7 Hình 1-4 Mô hình một trạm SCADA ..............................................................................7 Hình 2-1 Bộ điều khiển và mô đun I/O .........................................................................12 Hình 2-2 Kênh điều khiển quá trình cơ bản của DCS ...................................................13 Hình 2-3 Bản vẽ logic số ...............................................................................................16 Hình 2-4 Bản vẽ logic tương tự .....................................................................................17 Hình 2-5 Dãy RAID cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của máy chủ ..............................18 Hình 2-6 Trạm vận hành DCS .......................................................................................23 Hình 2-7 Trạm vận hành DCS và màn hình tiêu biểu ...................................................23 Hình 2-8 Mẫu OSI cho mạng ........................................................................................24 Hình 2-9 DCS sử dụng cả Fieldbus, Modbus và Profibus ............................................27 Hình 2-10 Mạng fieldbus Foudation .............................................................................28 Hình 2-11 Cáp mạng sợi quang .....................................................................................29 Hình 2-12 Hộp chuyển đổi Ethernet ..............................................................................30 Hình 2-13 Một điểm truy cập không dây ......................................................................31 Hình 2-14 Các đầu nối Ethernet công nghiệp ...............................................................31 Hình 2-15 Đồ họa quá trình trạm vận hành ...................................................................34 Hình 2-16 Đồ họa điều khiển tương tự ..........................................................................35 Hình 2-17 Màn hình báo động.......................................................................................37 Hình 2-18 Màn hình điểm chi tiết .................................................................................39 Hình 2-19 Hiển thị đồ thị xu hướng ..............................................................................40 Hình 3-1 Mạng công ty có thể cực kỳ phức tạp ............................................................50 Hình 3-2 Kiểm soát truy cập vật lý là bước đầu tiên của an ninh mạng .......................52 Hình 4-1 Sơ đồ P&ID điều khiển hệ thống lưu lượng ..................................................56 Hình 4-2 Sơ đồ vận chuyển dòng công nghệ trên hệ thống ống dẫn.............................57
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Một số mô-đun I/O ........................................................................................15 Bảng 4-1 Giá trị biến quá trình (lưu lượng) tương ứng với độ mở van khác nhau .......58 Bảng 4-2 Giá trị % độ mở van khi ổn định PV tại các điểm khảo sát khác nhau .........60 Bảng 4-3 Bảng kết quả điều khiển ở chế độ tự động ....................................................61 Bảng 4-4 Các lỗi thường gặp và cách khắc phục ..........................................................62
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) 1. Tên mô-đun: Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) 2. Mã mô-đun: TĐH19MĐ17 Thời gian thực hiện mô-đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 29 giờ; Kiểm tra: 03 giờ). Số tín chỉ: 03 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô-đun: 3.1 Vị trí: Là môn học chuyên ngành của chương trình đào tạo. Môn học này được dạy sau khi học sinh đã học xong các môn học thiết bị đo lường và cơ sở điều khiển quá trình. 3.2 Tính chất: Môn học này trang bị những kiến thức cơ bản về một hệ thống DCS bao gồm cấu trúc phần cứng, phần mềm, các chức năng vận hành và bảo dưỡng hệ thống. Môn học này phải học trước hoặc song song với với mô đun điều khiển quá trình nâng cao. 3.3 Ý nghĩa và vai trò của mô-đun: là môn học khoa học mang tính thực tế và ứng dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chuyên ngành đo lường tự động hóa (Instrumentation). Mô-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại trường Cao Đẳng Dầu Khí từ năm 2018 đến nay. Nội dung chủ yếu của mô-đun này nhằm cung cấp các kiến thức và kỹ năng thuộc lĩnh vực đo lường tự động hóa: (1) Trình bày về cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển phân tán; (2) Các thành phần cấu thành nên một hệ thống điều khiển phân tán và chức năng của từng thành phần; (3) Các công việc cần thực hiện khi tiến hành bão dưỡng một hệ thống điều khiển phân tán; (4) Thực hành với các nút lệnh, các lệnh cơ bản trong tập lệnh trên hệ thống mô hình điều khiển phân tán. 4. Mục tiêu mô-đun: - Về kiến thức: + A1. Trình bày được định nghĩa về DCS, mô tả được lịch sử phát triển của DCS và sự khác biệt giữa DCS và các hệ thống điều khiển khác; + A2. Xác định được các thành phần cơ bản của DCS; + A3. Mô tả được các công việc chung khi thực hiện việc bảo dưỡng DCS; - Về kỹ năng: + B1. Sử dụng thuần thục các phím chức năng trên bàn phím chuyên dụng của DCS Yokogawa; + B2. Gọi được các lệnh điều khiển cơ bản trong DCS (sử dụng Centum VP – Yokogawa);
+ - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + C1. Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; + C2. Tuân thủ các quy tắc an toàn khi vào một nhà máy, xưởng thực tập; + C3. Có ý thức bảo quản thiết bị, vệ sinh an toàn lao động và kỷ luật cao trong vận hành thiết bị. 5. Chương trình mô-đun: 5.1. Chương trình khung: Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Thực Mã Kiểm Tên môn học, mô đun tín hành/ Tổng tra MH/MĐ/HP Lý thực tập/ chỉ số thuyết thí nghiệm/ bài tập/ LT TH thảo luận Các môn học chung/đại I 21 435 157 255 15 8 cương MHCB19MH02 Giáo dục chính trị 4 75 41 29 5 MHCB19MH04 Pháp luật 2 30 18 10 2 MHCB19MH06 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 4 Giáo dục quốc phòng và MHCB19MH08 4 75 36 35 2 2 An ninh MHCB19MH10 Tin học 3 75 15 58 2 TA19MH02 Tiếng Anh 6 120 42 72 6 Các môn học, mô đun II 76 1755 613 1069 43 30 chuyên môn ngành, nghề II.1 Môn học, mô đun cơ sở 16 300 152 132 12 4 ATMT19MH01 An toàn vệ sinh lao động 2 30 26 2 2 TĐH19MH01 An toàn Tự động hóa 2 45 14 29 1 1 KTĐ19MĐ05 Điện kỹ thuật 1 3 60 28 29 2 1 TĐH19MĐ02 Điện tử cơ bản 3 60 28 29 2 1 KTĐ19MĐ13 Khí cụ điện 3 45 28 14 3 KTĐ19MĐ08 Đo lường điện 3 60 28 29 2 1 Môn học, mô đun chuyên II.2 60 1455 461 937 31 26 môn ngành, nghề TĐH19MĐ04 Kỹ thuật số 3 60 28 29 2 1 TĐH19MH05 Thiết bị đo lường 5 90 56 29 4 1 TĐH19MH06 Bản vẽ thiết bị đo lường 3 45 42 0 3
Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Thực Mã Kiểm Tên môn học, mô đun tín hành/ MH/MĐ/HP Tổng tra chỉ Lý thực tập/ số thuyết thí nghiệm/ bài tập/ LT TH thảo luận Hiệu chuẩn thiết bị đo TĐH19MĐ07 5 120 28 87 2 3 lường TĐH19MĐ08 Lắp đặt hệ thống TĐH 1 4 90 28 58 2 2 TĐH19MĐ09 Lắp đặt hệ thống TĐH 2 5 120 28 87 2 3 TĐH19MĐ10 Cơ sở điều khiển quá trình 3 60 28 29 2 1 TĐH19MĐ12 Đấu nối dây 2 45 14 29 1 1 Hệ thống điều khiển thủy TĐH19MĐ13 4 90 28 58 2 2 lực - khí nén TĐH19MĐ15 PLC 5 120 28 87 2 3 Hệ thống điều khiển TĐH19MĐ17 3 60 28 29 2 1 phân tán (DCS) Điều khiển quá trình nâng TĐH19MĐ18 4 90 28 58 2 2 cao Kiểm tra, chạy thử và xử lý TĐH19MĐ19 2 45 14 29 1 1 lỗi vòng điều khiển Thiết bị phân tích và theo TĐH19MH20 4 60 42 14 4 dõi TĐH19MH21 Khóa luận tốt nghiệp 3 135 27 105 3 TĐH19MH22 Thực tập sản xuất 5 225 14 209 2 Tổng số 97 2190 770 1324 58 38 5.2. Chương trình chi tiết mô-đun: Thời gian (giờ) Thực Kiểm Số hành, thí tra Nội dung tổng quát Tổng Lý TT nghiệm, số thuyết thảo luận, LT TH bài tập Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển 1 03 03 phân tán Bài 2: Các thành phần của hệ thống điều 2 12 11 1 khiển phân tán
Thời gian (giờ) Thực Kiểm Số hành, thí tra Nội dung tổng quát Tổng Lý TT nghiệm, số thuyết thảo luận, LT TH bài tập Bài 3: Bảo dưỡng hệ thống điều khiển 3 15 14 1 phân tán (DCS) Bài 4: Vận hành DCS 30 29 1 Cộng 60 28 29 2 1 6. Điều kiện thực hiện mô-đun: 6.1. Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: - Phòng học lý thuyết: đáp ứng phòng học chuẩn. - Phòng thực hành: phòng DCS. 6.2. Trang thiết bị máy móc: - Máy tính, máy chiếu, bảng, phấn, bút viết bảng/phấn trắng và màu, giẻ lau - Các thiết bị, máy móc: Mô hình thực hành DCS. 6.3. Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: - Giáo trình, giáo án - Qui trình thực hành (nếu có) - Phiếu đánh giá thực hành 6.4. Các điều kiện khác: 7. Nội dung và phương pháp đánh giá 7.1. Nội dung: - Kiến thức: bài 1, bài 2 và bài 3. - Kỹ năng: bài 4 - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; + Tuân thủ các quy tắc an toàn khi vào một nhà máy, xưởng thực tập; + Có ý thức bảo quản thiết bị, vệ sinh an toàn lao động và kỷ luật cao trong vận 7.2. Phương pháp đánh giá: 7.1 Kiểm tra thưởng xuyên: - Số lượng bài: 02.
- Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện tại thời điểm bất kỳ trong quá trình học thông qua việc kiểm tra vấn đáp trong giờ học, kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra một số nội dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập. 7.2 Kiểm tra định kỳ: - Số lượng bài: 03, trong đó 02 bài lý thuyết và 01 bài thực hành. - Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện theo theo số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình môn học có thể bằng hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập lớn, tiểu luận, làm bài thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra lý thuyết kèm đáp án và đề kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực hành theo đúng biểu mẫu qui định. 7.3 Thi kết thúc môn học: lý thuyết và thực hành. - Hình thức thi: Tích hợp trắc nghiệm và thực hành - Thời giant thi: 90÷120 phút. - Chuẩn đầu ra đáp ứng: A1, A2, A3, B1, B2, C1, C2, C3. Stt Bài kiểm tra Hình thức Nội dung Chuẩn đầu Thời gian kiểm tra ra đánh giá 1. Bài kiểm tra Lý thuyết: tự Bài 1, bài 2 A1, A2 45÷60 phút số 1 luận/trắc nghiệm/báo cáo 2. Bài kiểm tra Lý thuyết: tự Bài 2, bài 3 A2, A3 45÷60 phút số 2 luận/trắc nghiệm/báo cáo 3. Bài kiểm tra Thực hành Bài 4 B1, B2, C1, 60 phút số 3 C2, C3 4. Thi kết thúc Lý thuyết + Bài 1, bài 2 và A1, A2, 90÷120 mô đun thực hành bài 3 A3, B1, B2, phút C1, C2, C3. 8. Hướng dẫn thực hiện mô-đun 8.1. Phạm vi áp dụng chương trình - Chương trình mô đun này được áp dụng cho nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa, trình độ cao đẳng. 8.2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy, học tập môn học: - Đối với giảng viên/giáo viên:
+ Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù hợp với từng chương/bài học với thời lượng theo giờ dạy hoặc theo buổi dạy. + Tổ chức giảng dạy: tập trung đối với giờ lý thuyết và chia ca đối với giờ thực hành theo qui định. - Đối với người học: + Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu...) + Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số tiết lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau. + Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 6-8 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm. + Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ. + Tham dự thi kết thúc môn học. + Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học. 8.3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý: Các bài có nội dung quan trọng như nhau. 9. Tài liệu cần tham khảo: [1]. Tài liệu nước ngoài: NCCER, 2016, Instrumentation Level 4, third edition, published by PEARSON.
1. BÀI 1: CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN GIỚI THIỆU BÀI 1: Bài 1 là bài giới thiệu cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán: khái niệm, ứng dụng, lịch sử hình thành hệ thống điều khiển phân tán và so sánh với các hệ thống điều khiển khác hiện nay. MỤC TIÊUCỦA BÀI 1 LÀ: Về kiến thức: Trình bày được được định nghĩa về DCS; Mô tả được lịch sử phát triển của công nghệ DCS So sánh được DCS với các hệ thống điều khiển khác; Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc, đảm bảo vệ sinh công nghiệp; Tuân thủ nghiêm túc các quy định về an toàn và bảo quản thiết bị khi sử dụng. PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1 Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập bài 1 (cá nhân hoặc nhóm). Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống bài 1 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1 Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: phòng DCS Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan, các loại trang thiết bị bảo hộ cá nhân: giày cách điện, gang tay cách điện, sào cách điện, thang, nón bảo hộ Các điều kiện khác: không có KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1 Nội dung: Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán Trang 1
Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. Phương pháp: Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng hoặc kiểm tra viết dưới 30 phút.) Kiểm tra định kỳ lý thuyết/thực hành: không có. NỘI DUNG BÀI 1 1.1 Điều khiển phân tán Từ phân tán là chìa khóa để hiểu DCS. Không giống như nhiều hệ thống điều khiển quá khứ và ngày nay, DCS không tùy thuộc vào điều khiển từ vị trí tập trung, đơn lẻ. Thay vào đó, có nhiều điểm điều khiển khác, với hầu hết nằm gần với các phần tử mà chúng đang quản lý. Khái niệm ẩn sau DCS là điều khiển phân bố trong các lớp có mối quan hệ thứ bậc với nhau. Bởi vì DCS không tùy thuộc vào điều khiển tập trung, đơn lẻ, toàn bộ hệ thống không đi xuống nếu một điểm lỗi. Tổng Quan DCS Nói một cách rộng rãi, một hệ DCS bao gồm 5 bộ phận chính: • Các cảm biến và các bộ tác động. • Các bộ điều khiển • Các mạng hiện trường • Các mạng xây dựng • Các server, trạm làm việc và các trạm vận hành. Hình 1.1 trình bày một hệ thống DCS tiêu biểu. Các cảm biến và các bộ tác động làm việc ở cấp thấp nhất. Chúng giao diện trực tiếp với quá trình, cung cấp phản hồi về các hoạt động của nó và và một phương tiện để kiểm soát nó. Các bộ điều khiển tương tác với các cảm biến và các bộ tác động, thực hiện các quyết định trên cơ sở của dữ liệu cung cấp bởi các cảm biến. Nó điều khiển các bộ tác động để hiệu chỉnh quá trình. Những hệ DCS lớn bao gồm nhiều các cảm biến, các bộ tác động và các bộ điều khiển. Mỗi nhóm cung cấp một cụm điều khiển cục bộ. Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán Trang 2
Hình 1-1 Một hệ DCS tiêu biểu chỉ ra các bộ phận chính và các mức tạo thành cấu trúc tầng bậc Các mạng hiện trường liên kết các cảm biến, các bộ tác động và các bộ điều khiển với nhau sử dụng hệ thống cáp đơn giản và giao thức truyền thông thông thường. Chúng hợp lý hóa hệ thống dây điện và loại bỏ rất nhiều kết nối không cần thiết và phức tạp. Một môi trường nhà máy tiêu biểu có nhiều mạng lưới bus hiện trường khác nhau, mỗi cái liên quan tới một vùng điều khiển cụ thể. Nói chung, các bộ điều khiển được nối với mạng lưới xây dựng, mà tiêu biểu là một dạng của mạng Ethernet, mạng quang học hoặc không dây (wi-fi). Mạng lưới này là kênh tốc độ cao thống nhất tất cả các mảng mức cao tạo thành DCS. Các máy chủ và các máy trạm, cũng như các trạm vận hành, cũng kết nối với mạng lưới xây dựng. Một kết nối với mạng lưới được biết là một drop. Các máy chủ và các máy trạm thường là các máy tính kiểu cá nhân, mặc dù các điện thoại thông minh và các thiết bị bảng đang được dùng nhiều hơn như là máy trạm. Các máy chủ chứa các kiểu dữ liệu riêng và các ứng dụng chủ liên quan tới hoạt động của DCS. Các máy trạm cho phép nhân sự và các kỹ sư nhà máy tương tác với DCS theo nhiều cách khác nhau, hoặc cho điều khiển quá trình thông thường hoặc cho lập trình và cấu hình một bộ phận nào đó trong DCS. Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán Trang 3
Các trạm vận hành (OW) còn được gọi là các giao diện người – máy (HMI), cung cấp phương tiện cho nhân sự nhà máy để theo dõi và điều khiển các bộ phận khác nhau của quá trìn. Những trạm này có thể đặt trên sàn nhà máy gần quá trình hoặc đặt trong các văn phòng hoặc phòng điều khiển. Các OW thay đổi từ các bảng điều khiển đơn lẻ tới các màn hiển thị đồ họa tinh tế với màn hình cảm ứng. Điện thoại thông minh và các máy tính bảng cũng có thể dùng làm OW trong một số hệ thống. Bởi vì không có 2 hệ DCS nào là giống nhau, thông tin trong mô-đun này được khái quất hóa. Mỗi một nhà sản xuất thiết lập một DCS khác nhau. Các nhà máy điển hình có thể có một vài nhãn hiệu DCS khác nhau, liên quan chặt chẽ với các giải pháp bên thứ 3 đặc biệt được thiết kế để cho phép chúng giao tiếp. Các DCS thường có tổ chức trong đó chúng trưởng thành theo thời gian và thu được những chức năng, nhiệm vụ mới mà không thể hình dung được khi hệ thống đầu tiên được đặt cùng nhau. 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống điều khiển phân tán (DCS) Các nhà máy công nghiệp ngày nay đòi hỏi điều khiển số lượng rất lớn các thiết bị và khả năng để chuyển tiếp rất nhiều dữ liệu trở lại các kỹ sư và nhân sự vận hành. Điều này sẽ không thể thực hiện được nếu không có DCS. DCS hiện đại là một sự phát triển của các hệ thống điều khiển trước đây (chủ yếu là điện tử, khí nén), có chức năng điều khiển đa quá trình và cung cấp dữ liệu cho người vận hành. Các hệ thống điều khiển trước đây này nói chung được coi là các hệ thống điều khiển tương tự. Hệ thống tương tự đã rất hiệu quả tại các quá trình nhà máy điều khiển. Cho tới những năm 1990, DCS không trùng tốc độ của chúng trong một số ứng dụng. DCS ban đầu đã dựa vào các máy tính nhỏ của những năm cuối 1960, được biết như các máy tính cỡ trung. Trong khi nhỏ và không đắt đỏ so với các máy tính cỡ lớn của kỷ nguyên, so với các máy tính ngày nay chúng là bất kỳ thứ gì nhưng nhỏ và không đắt đỏ. Mỗi một máy tính cỡ trung điều khiển những phần riêng của quá trình và thu thập dữ liệu có thể được phân tích bởi những hệ thống máy tính lớn hơn. Truyên thông giữa các máy tính cỡ trung bị hạn chế, do đó các hệ thống ban đầu này đã chỉ được phân tán tới cấp độ cơ sở. Khi bộ vi xử lý được phát triển vào những năm 1970, các kỹ sư đã bắt đầu thực nghiệm với việc sử dụng điều khiển số trong những phần địa phương hóa của các quá trình công nghiệp. Các bộ điều khiển số ban đầu này được kết nối bởi những mạng lưới đơn giản tới các hệ thống máy tính lớn hơn xử lý dữ liệu và cung cấp các giao diện người dùng cơ bản với quá trình. Các hệ thống đã phát triển tinh tế trong những năm 1980. Kết nối mạng đã nhanh chóng trở thành quyền năng và hữu ích, máy tính cá nhân cũng vậy. Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán Trang 4
Trong một vài nơi, các PC nối mạng đã bắt đầu thay thế các máy tính lớn truyền thống, bởi vì chúng đã hầu hết thống trị trong nhiều trường hợp. Hình 1-2 Các trạm vận hành trong phòng điều khiển Vào cuối những năm 1990, hầu hết các nhà sản xuất DCS đã khai thác vào hạ tầng IT thương mại trưởng thành như nền tảng cho nhiều công nghệ. Các hệ điều hành Microsoft và nhiều sản phẩm phần mềm khác đã cung cấp phần lớn chức năng của máy chủ và máy trạm, thay thế các cơ sở dữ liệu và các hệ điều hành trước đây. Các mạng lưới mục đích chung như ethernet và giao thức truyền thông như TCP/IP xử lý giao thông mạng mức cao hơn. Với Internet đang trở lên phổ biến rộng rãi trong cộng đồng, các công ty đang sử dụng nó như một phương tiện truyền thông giữa các cơ sở vật chất xa. Ngày nay các hệ thống DCS là tinh tế và đầy quyền năng. Các tiêu chuẩn công nghiệp đang được thiết lập và phần mềm đang được phát triển. Kết nối mạng không dây, công nghệ hiển thị chất lượng cao, các giao diện dựa trên web và các thiết bị điện tử xách tay đã mở rộng rất nhiều về phía trạm vận hành của DCS. Và với tất cả các trang thiết bị trực quan đang có trên mạng và nhân sự IT để quản lý chúng, việc có được kết nối không còn là một thách thức như trước kia nữa. 1.3 So sánh điều khiển phân tán (DCS) với các hệ thống điều khiển khác Tại điểm này, bạn có thể đang tự hỏi DCS khác với các hệ thống tự động và điều khiển thông minh như thế nào. Bạn có thể thấy rằng công nghệ DCS nghe giống như công nghệ PLC. Cũng vậy, dựa vào kiến thức cơ bản của bạn, bạn có thể nghĩ rằng DCS giống như hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (SCADA). Do đó, sự khác biệt giữa 3 kiểu hệ thống điều khiển này là gì? Hoặc có gì khác biệt không? Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán Trang 5
Cùng một lúc, sự khác biệt giữa 3 công nghệ đã rất lớn so với bây giờ. Về bản chất, mỗi một công nghệ đã phát triển độc lập để đáp ứng nhu cầu cụ thể trong công nghiệp. Trong khi chúng đã sử dụng các công cụ tương tự (các hệ thống máy tính, các bộ vi xử lý và các mạng lưới), mỗi một hệ thống đã trưởng thành để phù hợp với những thách thức đặc biệt của chúng theo các cách khác nhau. 1.3.1 DCS so với PLC Công nghệ PLC đã phát triển để thay thế lô-gic dựa trên rơ-le đã dùng trong điều khiển máy. Các PLC ban đầu không thêm bất kỳ tính năng mới nào – chúng chỉ loại bỏ rơ-le. Một thứ mà các PLC trước đây không xử lý được là các tình huống điều khiển tương tự. Các PLC đầu tiên chỉ có điều khiển rời rạc thôi, đó là cái mà lô-gic rơ-le nguyên gốc đã làm. Sau đó, khi các bộ vi xử lý trở nên quyền năng hơn, các nhà sản xuất bắt đầu chế tạo các PLC có thể làm nhiều thứ hơn, chẳng hạn như giao tiếp với thông tin tương tự. Các PLC đầu tiên là những thiết bị đơn độc, liên kết với các máy riêng lẻ thay vì toàn bộ quá trình. Các mạng lưới máy tính mục đích chung đã bắt đầu xuất hiện, các nhà sản xuất PLC đã thêm khả năng kết nối mạng và các HMI tinh tế hơn. Ở một số cơ sở, các mạng lưới của các PLC là chuẩn mực chứ không phải là ngoại lệ. Ngày nay, gần như không có nhiều khác biệt giữa công nghệ DCS và PLC như trước kia đã từng. Cả hai sử dụng nhiều công nghệ giống nhau, đặc biệt là về mạng hiện trường và các mạng lưới. Sự khác biệt thực sự là nhiều hơn trong các lĩnh vực nhấn mạnh của chúng. Các PLC cũng có thể là công nghệ độc lập, liên kết với chỉ một máy và không kết nối với bất kỳ thứ nào nữa. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các hệ thống điều khiển sẽ có cả các phần tử PLC và DCS làm việc cùng nhau. Thật công bằng khi nói rằng DCS và PLS đã hội tụ, với sự chồng chéo đáng kể. 1.3.2 DCS so với SCADA SCADA là một hệ thống điều khiển dựa trên máy tính nữa đã bắt đầu nổi lên trong những năm 1960. Giống như DCS ban đầu, SCADA đã sử dụng các máy tính cỡ trung để tương tác với các cảm biến khác nhau. Các hệ thống SCADA không tập trung vào điều khiển tự động, dựa trên phản hồi. Thay vào đó, các hệ thống SCADA thu thập dữ liệu từ các cảm biến sử dụng các máy tính được tập trung hóa có tổ chức, được ghi nhật ký và hiển thị dữ liệu. Đây là khía cạnh thu thập dữ liệu của hệ thống. Dữ liệu được thu thập thường được đẩy lên các hệ thống IT công ty lớn mà dùng nó để chuẩn bị báo cáo được thiết kế để giúp tạo điều kiện các quyết định mức thi hành. Các hệ thống SCADA thường được sử dụng để liên kết các phương tiện xa, chẳng hạn như điều khiển đường ống và các nhà máy điện. SCADA không nhấn mạnh vào điều Bài 1: Cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán Trang 6