Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iii
MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii
Danh mục các bảng iii
Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ) iv
Mở đầu
1
Chương 1: Hệ thống điều khiển phân tán
3
1.1. Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý 3
1.2. Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 4
1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA: 4
1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA: 5
1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán. 5
1.3.1 Cấu hình cơ bản. 5
1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ. 6
1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa 8
1.3.4 Trạm vận hành 9
1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển 11
1.3.6 Bus hệ thống 12
1.4 Phân loại các hệ DCS 13
1.4.1 Các hệ DCS truyền thống 13
1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC. 14
1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC 16

1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED 17
1.5 Các vấn đề kỹ thuật 17
1.6 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán 18
1.6.1 Hệ thống thời gian thực 18
1.6.2 Xử lý thời gian thực. 19
1.6.3 Hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực 20
1.6.4 Xử lý phân tán 21
1.7 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán 22
1.7.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra 22
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv
1.7.2 Đồng bộ hóa thời gian 23
Chương 2 : Giao diện-giao thức và cấu hình mạng 24
2.1. Truyền tin nối tiếp 24
2.1.1. Truyền tin nối tiếp dị bộ 24
2.1.2. Truyền tin nối tiếp đồng bộ 25
2.2 Tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai: 26
2.1.1. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu đơn (Single-Ended) 26
2.1.2. Truyền dẫn sử dụng tín hiệu vi sai (Differential) 27
2.1.3. Khả năng chống nhiễu giữa tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27
2.3 Đơn truy cập và đa truy cập 27
2.3.1. Đa truy cập trên giao diện RS485 28
2.3.2. Đa truy cập CSMA/CD 29
2.3.3. Đa truy cập CSMA/CA 30
2.3.4 Đa truy cập CDMA 30
2.3.5. Giả ngẫu nhiên, nén phổ và thông tin trái phổ 31
2.4. Cấu hình mạng: Star, Ring, Bus, Optical Cable. 36

2.4.1 Cấu hình mạng Star. 36
2.4.2 Cấu hình mạng Ring 37
2.4.3 Cấu hình mạng Bus 38
2.4.4 Optical Cable 38
2.5 Giao diện và giao thức: 42
2.6. Giao diện. 42
2.6.1. Giao diện RS232 42
2.6.2 Giao diện RS485. 45
2.6.2.1 Đặc điểm giao diện RS485 45
2.6.2.2 Khả năng kết nối: 46
2.6.2.3 Mạng truyền nhận RS-485. 47
2.6.3 Sự khác nhau cơ bản giữa RS 232 và RS 485 48
2.6.4 Kết nối dùng chuẩn X.25 48
2.6.5 Ethernet 49
2.6.5.1. Ethernet là gì ? 49
2.6.5.2 Hệ thống Ethernet 50
2.6.5.3 Sự ra đời chuẩn Ethernet 50
2.6.5.4 Các thành phần của Ethernet 51
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

v
2.6.5.5 Hoạt động của Ethernet

51

2.7 Giao thức

2.7.1 Giao thức truyền tin 52

2.7.1.1 Thiết bị DTE và DCE 52
2.7.1.2 Kênh dữ liệu và liên kết dữ liệu: 52
2.7.1.3 Các loại giao thức truyền tin: 55
2.7.1.4 Đánh giá giao thức COP: 57
2.7.1.5 Đánh giá giao thức dạng BOP: 58
2.7.2. Giao thức MODBUS. 58
2.7.2.1 Lịch sử của Modbus protocol. 58
2.7.2.2 Cấu trúc thông điệp Modbus 59
2.7.2.3 Các chế độ truyền thông nối tiếp Modbus 60
2.7.2.4 Địa chỉ Modbus 61
2.7.2.5 Các mã chức năng của Modbus 61
2.7.2.6 Qui chiếu địa chỉ của Modbus 62
2.7.2.7 Ví dụ một số khung tin của Modbus 62
2.7.3. Giao thức Profinet. 63
2.7.4 Giao thức IEC870-5-101; 103; 104; ICCP và ELCOM90 64
2.7.5 Giao thức TCP/IP 68
2.7.6. Quan hệ giữa giao thức lớp thấp và lớp cao 71
2.7.7 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78
Chương 3 : Hệ thống mạng công nghiệp và ứng dụng xây dựng bộ cảnh
báo 32 kênh sử dụng giao diện RS232/RS485
79
3.1. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 79
3.2. Phân loại và đặc trưng các hệ thống mạng công nghiệp 80
3.2.1. Các lớp dưới cùng (cấp chấp hành) 80
3.2.2. Lớp giữa (Điều khiển) 82
3.2.3. Lớp trên cùng (quản lý) 83
3.2.4. Lớp Scada 84
3.3. An toàn trong mạng 85
3.4. Ứng dụng xây dựng bộ cảnh báo 32 kênh sử dụng giao diện
RS232/RS485

90
PHẦN KẾT LUẬN 95
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vi

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO 98
PHỤ LỤC 99
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ đầy đủ, nghĩa
LCS Local control station ; Trạm điều khiển cục bộ
LCU local control unit ; Khối điều khiển cục bộ
OS operator station, trạm vận hành
ES engineering station, Trạm kỹ thuật
PS process station, trạm quá trình(xử lý)
CPU Center Processing Unit; Bộ xử lý trung tâm
DCS Distributed Control Systems; Hệ thống điều khiển phân tán
COP Character Oriented Protocol; Giao thức truyền tin dạng ký tự

BOP Bit (Binary) Oriented Protocol ; Giao thức truyền tin dạng Bít
OSI
Reference Model for Open Systems Interconnection
Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở
SCADA
Supervisory Control and Data Acquisition
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
RTU Remote Terminal Unit ; Là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý
PLC
Programmable Logic Controller
là một thiết bị được điều khiển bằng chương trình (phần mềm)
I/O (In put/Out put)
ECC Error checking and correcting ; Kiểm tra lỗi và sửa lỗi
DTE Data Terminal Equipement ; Thiết bị đầu cuối dữ liệu
DCE Data Communication Equipement; Thiết bị đầu cuối viễn thông
TCP/IP
Transmission Control Protocol/ Internet Protocol
Giao thức điều khiển/ Giao thức Internet
CRC Cyclic Redundancy Check ; Phương pháp mã đa thức hay mã vòng
SSC Spread Spectrum Communication - Thông tin trải phổ
PR Pseudo Random - Giả ngẫu nhiên
GPS Global Positioning Systeem - Hệ thống định vị toàn cầu (USA)
GLONASS
Глoбальная Нaвигационная Спутниковая Система –
Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu (Liên xô/Nga)
CDMA Code Division Multiple Access ; đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã
CSMA/CD
Carrier sense Multiple Access with Collision Detect
đa truy cập nhận biết sóng mang, phát hiện xung đột
CSMA/CA

Carrier sense Multiple Access with Collision Avoidance
đa truy cập nhận biết sóng mang , tránh xung đột
LAN Local Area Network – Mạng cụ bộ
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


v

Wireless LAN
LAN không dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình Nội dung Trang
Hình 1.1 Tổng quan hệ thống SCADA 4
Hình 1.2 Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán 6
Hình 1.3 Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS 9
Hình 1.4 Các phương pháp bố trí trạm vận hành 10
Hình 1.5 Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại 12
Hình 1.6 Các thành phần chức năng chính của một PLC 15
Hình 2.1 Khả năng chống nhiễu giữa truyền tín hiệu đơn và tín hiệu vi sai 27
Hình 2.2 Phổ rời rạc của dãy bít số liệu. 31
Hình 2.3 Phổ liên tục của dãy giả ngẫu nhiên PN và PND 33
Hình 2.4 Ngẫu nhiên hóa số liệu 34
Hình 2.5 Các trường hợp trải phổ và nén phổ 34
Hình 2.6 Tạo kênh liên lạc bằng dãy giả ngẫu nhiên 35
Hình 2.7 Mô hình mạng Star 36
Hình 2.8 Mô hình mạng Ring 37

Hình 2-9 Cấu trúc mạng hình tuyến 38
Hình 2.10 Hình dạng cáp quang 38
Hình 2.11 Cổng nối tiếp 9 chân 42
Hình 2.12 Đường truyền cân bằng 46
Hình 2.13 Đường truyền không cân bằng 46
Hình 2.14 Sơ đồ giao thức Master/Slave 47
Hình 2.15 Kết nối WAN dùng mạng X25 48
Hình 2.16 Liên kết dữ liệu giữa DTE và DCE 52
Hình 2.17 Các cấu hình liên kết dữ liệu 53
Hình 2-18 Kiến trúc TCP/IP 68
Hình 2-19 Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP 70
Hình 2-20 Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP 71
Hình 2.21

Mô hình OSI 75
Hình 2.22 So sánh TCP/IP với mô hình OSI 78
Hình 3.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 80
Hình 3.2 Phía trước bộ cảnh báo 92
Hình 3.3 Phía sau bộ cảnh báo 93
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vi
Hình 3.4 Đấu nối nguồn nuôi, tín hiệu vào DI, tín hiệu ra SCADA và cổng RS232 93
Hình 3.5 Đấu nối còi báo, nhấn nút TEST, RESET và ACK 94

DANH MỤC CÁC BẢNG


Bảng 2.1
Phương pháp đa truy cập
40,41
Bảng 2.2
Cách đấu nối chuyển đổi cổng nối tiếp 9 chân sang 25 chân
43
Bảng 2.3 Giải thích các tín hiệu điều khiển lưu lượng 43
Bảng 2.4
Bảng quy chi
ế
u tính năng của các giao diện cơ bản trong hệ th
ố
ng
mạng công nghiệp
72
Bảng 2.5
Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ bản trong hệ thống
mạng công nghiệp.
73, 74
Bảng 3.1 So sánh mạng công nghiệp và các hệ thống mạng khác 79

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong công
nghiệp, hoạt động sản xuất đã được tự động hóa ở mức độ cao, ở đó sự tham gia rất
hiệu quả của công nghệ thông tin.

Các dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc
lập nhưng được tự động liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ
không chỉ ở qui trình công nghệ cụ thể mà còn ở trình độ quản lý từ tối ưu sản xuất
đến tối ưu về công tác tiêu thụ (thị trường).
Điều đó được thực hiện trên cơ sở kết nối tất cả cả các phân hệ trong dây
chuyền sản xuất và tiêu thụ qua hệ thống mạng, được gọi là mạng công nghiệp.
Về cơ bản mạng công nghiệp có cùng chức năng như các loại mạng nói
chung khác. Tuy nhiên do đặc thù của sản xuất công nghiệp, các sự kiện xảy ra trên
toàn bộ dây chuyền sản xuất hoàn toàn trong thời gian thực, đỏi hỏi độ tin cậy, xác
thực, mở và thống nhất rất cao. Một lỗi kết nối có thể là bình thường ở một mạng
văn phòng, nhưng có thể phải trả giá rất lớn về ở một mạng công công nghiệp.
Lý do chọn đề tài:
- Hiện nay công nghệ thông tin tham gia rất sâu vào các dây chuyền sản xuất
công nghiệp.
- Tại đó có sử dụng công nghệ mạng,
- Tuy nhiên các giải pháp mạng trong sản xuất công nghiệp có đặc thù riêng,
được phân chia thành nhiều lớp, tuân thủ các chuẩn quốc tế, đảm bảo dây chuyền
sản xuất làm việc tin cậy, an toàn, đòi hỏi tính mở rất cao và thỏa mãn tính thời gian
gian thực của các quá trình tự động hóa sản xuất.
- Các dây chuyền sản xuất của hệ thống điều khiển tự động ngày nay được
xây dựng dưới dạng các hệ thống điều khiển phân tán DCS.
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
- Ở đó hệ thống được phân chia thành các phân hệ liên kết với nhau bởi
công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau.
- Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thông qua các giao diện,
giao thức truyền tin.

Xuất phát từ những lý do đó nên em chọn đề tài: ―Tìm hiểu về giao diện,
giao thức các hệ thống mạng trong Công nghiệp‖ với sự hướng dẫn của Thầy
giáo TS. Phí Mạnh Lợi Viện CNTT Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các giao diện, giao thức và các hệ thống
mạng và khả năng áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
 Các giao diện: RS232, RS485, Ethernet, ….
 Các phương pháp nâng cao độ tin cậy kết nối
 Các phương pháp truy cập
 Các giao thức : MODBUS, IEC870-5-101, IEC870-5-103, IEC870-5-
104, ICCP, ELCOM90, TCP/IP,
 Cấu hình các hệ thống SAS/DCS, SCADA,
Hướng nghiên cứu của đề tài
 Tìm hiểu về yêu cầu và cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển
giám sát.
 Tìm hiểu về các giao diện, các phương thức truyền tin
 Tìm hiểu về các giao thức truyền tin áp dụng trong các hệ thống
mạng trong công nghiệp.
 Tìm hiểu các ưu, nhược điểm và đặc điểm của các hệ thống mạng
trong công nghiệp
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


4
Chương 1
Hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý
Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống Điều khiển kiểm soát và thu thập dữ liệu
(SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của các hệ
thống công nghệ, bao gồm quá trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp trong toàn
ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp và cả công tác
điều hành thị trường.
Do được cấu thành từ rất nhiều phân hệ và được trải ra trên không gian địa lý
rộng lớn, hệ thống SCADA là điển hình của hệ thống điều khiển phân tán.
Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:
a. Cấp hiện trường
b. Cấp nhà máy
c. Cấp vùng miền
d. Cấp ngành
Cấp hiện trường quản lý dây chuyền công nghệ sản xuất trong một nhà máy xí
nghệp nhất định.
Cấp nhà máy quản lý toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy, bao gồm quản lý
cấp hiện trường và các quản lý khác thuộc nhà máy xí nghiệp.
Vị trí của cấp hiện trường và cấp nhà máy đặt tại nhà máy xí nghiệp.
Cấp vùng miền quản lý nhiều nhà máy xí nghiệp trong vùng được phân công
quản lý. Ở Việt nam cấp này có vị trí đặt ở trung tâm vùng miền.
Cấp ngành quản lý chung quá trình sản xuất và thị trường của toàn ngành. Đây
là cấp quản lý cao nhất đối với ngành.
Nhà nước thực hiện công tác quản lý ngành thông qua cấp này.
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


5
Có 2 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:
a. Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung
cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị,
đặc biệt là về các giao diện và giao thức.
b. Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ
viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.








Hình 1.1 – Tổng quan hệ thống SCADA
1.1 Chức năng và một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
1.2.1. Chức năng chính của hệ thống SCADA:
Hệ thống SCADA có một số chức năng chính sau đây:
 + Chức năng thu thập dữ liệu
 +Chức năng điều khiển, điều chỉnh (tại chỗ và từ xa).
 + Chức năng tạo các cảnh báo
 + Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị
 +Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin.
 +Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin (lên cấp quản lý cao hơn)
CC (Center)
RTU, PLC
CC (Center)
SAS/DCS
IEC 870-5-101/104

ICCP/ELCOM90
IEC 870-5-101/104
870-5-103/MODBUS
IEC 870-5-103/MODBUS
IEC 61850
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
 +….
Ngày nay các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là hệ thống quản lý thuần
túy kỹ thuật. Vai trò của hệ thống SCADA cũng chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các
phần mềm tương ứng. Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các
ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường. Đối với ngành năng lượng hệ thống như
vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS tiếng Anh có nghĩa là Energy Management
System). Đây là chức năng mới và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam.
1.2.2. Một số giao thức chuẩn áp dụng trong hệ thống SCADA:
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA hiện nay thường tuân thủ một số giao thức sau
- Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC870-5-103
hoặc giao thức của nhà sản xuất
- Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên RS485/RS232,
- Giữa GateWay của SAS/DCS với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên
RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng TCP/IP (giao diện
Ethernet).
- Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90
- Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc
ELCOM90,
1.3. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán.
1.3.1 Cấu hình cơ bản.

Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán được minh họa ở Hình 1-2,
bao gồm các thành phần sau:
- Các trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn được
gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá
trình (process station, PS).
- Các trạm vận hành (operator station, OS)
- Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus).










Hình 1.2: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán
Đây là cấu hình tối thiểu, các cấu hình cụ thể có thể chứa các thành phần
khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng,
1.3.2 Trạm điều khiển cục bộ.
Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc
module. Các thành phần chính bao gồm:
- Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng

- Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phòng
- Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng
- Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán
- Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra an
toàn cháy nổ
Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được nối với CPU thông
qua bus nội bộ đằng sau giá đỡ (backplane-bus). Chính vì vậy, các module này cũng
phải do nhà sản xuất cung cấp kèm theo CPU.
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
Trong các hệ thống điều khiển quá trình, một trạm điều khiển cục bộ cũng
thường được cài đặt giao diện HART và các module ghép nối phụ kiện khác.
Các thiết bị này được lắp đặt trong tủ điều khiển cùng với các linh kiện hỗ
trợ khác như hàng kẹp đấu dây, các bộ chuyển đổi tín hiệu (transducers), các khối
đầu cuối (terminal blocka), Các tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều
khiển/phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc gần khu vực hiện
trường.
Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm:
- Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín
(nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc, ). Hầu hết các mạch vòng đơn
được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều
khiển tỉ lệ, điều khiển tầng. Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều
khiển dựa mô hình (model-based control),điều khiển thích nghi,
- Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)
- Điều khiển logic
- Thực hiện các công thức (recipe control).
- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố.

- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình 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

Chính vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm
điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi (error checking and correcting,
ECC), cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng. Một điều quan trọng là một
trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng
nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus hệ thống có sự cố.
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp
(vendor-specific controller), PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp. Dựa trên cơ
sở này có thể phân loại các hệ thống điều khiển phân tán có mặt hiện nay trên thị
trường thành các hệ truyền thống (sau đây gọi là DCS truyền thống), các hệ trên nền
PLC (PLC-based DCS) và các hệ trên nền PC (PC-based DCS).
Bất kể chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về
mặt kỹ thuật được đặt ra cho một trạm điều khiển cục bộ là:
- 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).
1.3.3 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa
Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ
sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station)
và một số thiết bị trường thông minh. Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là
tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp.

Bên cạnh đó, đối với môi trường dễ cháy nổ còn các yêu cầu kỹ thuật đặc
biệt khác về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp
truyền, Các loại bus trường 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 H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất.
Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử
dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại
bus trường qui định. Tuy nhiên, để có thể khai thác tối đa khả năng các công cụ
phần mềm tích hợp và đảm bảo tương thích hoàn toàn giữa các thành phần trong
một hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp an toàn nhất.
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật
thông qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành
có giao diện bus trường. Qua đó có thể đơn giản hóa cấu trúc hệ thống hơn nữa, tiết
kiệm chỗ trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do
tận dụng được khả năng xử lý thông tin của các thiết bị trường.
Hình 1-3 là hình ảnh một số tủ điều khiển DCS. Hình bên trái là một trạm
PCS7 (Siemens) với bộ điều khiển lắp đặt cùng các module vào/ra phân tán. Hình
giữa minh họa một trạm vào/ra từ xa lắp độc lập. Tủ điều khiển bên phải minh họa
trạm điều khiển cục bộ DeltaV (Fisher-Rosermount) sử dụng giải pháp Foundation
Fieldbus (không cần các module các vào/ra).









1.3.4 Trạm vận hành
Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm.
Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc
vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một
phân đoạn hoặc một phân xưởng. 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:
Hình 1-3 : Một số hình ảnh tủ điều khiển DCS
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
- 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 và đồ thị quá khứ)
- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)
- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu.
- Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)
- Xử lý các sự kiện, sự cố
- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống
- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu, Hỗ trợ lập báo cáo tự động.
Khác với các trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản
phẩm thương mại thông dụng như máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền
WindowsNT/2000, hoặc các máy tính trạm chạy trên nền UNIX.
Cùng với các màn hình màu lớn (thường là 19inch) với độ phân giải cao để
theo dõi quá trình sản xuất, một trạm vận hành hiện đại bao giờ cũng có các thiết bị

thao tác chuẩn như bàn phím và chuột. Một trạm vận hành có thể bố trí theo kiểu
một người sử dụng (một hoặc nhiều màn hình), hoặc nhiều người sử dụng với với
nhiều Terminals (Hình 1-4).
Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kèm đồng bộ với hệ
thống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuẩn giao tiếp công nghiệp như
TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding),
ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control).






Hình 1-4 : Các phương pháp bố trí trạm vận hành
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
Đặc điểm tiêu biểu của các trạm vận hành hiện đại là sử dụng kỹ thuật giao
diện người-máy kiểu đa cửa sổ với các phần tử giao diện chuẩn. Tuy nhiên, việc
thiết kế các màn hình giao diện công nghiệp khác với các giao diện ứng dụng văn
phòng, đòi hỏi kiến thức tổng hợp về quá trình công nghệ, mỹ thuật công nghiệp,
tâm lý học công nghiệp và công nghệ phần mềm.
1.3.5 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển
Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình
cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện
người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường. Việc tạo ứng dụng điều
khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối
các khối chức năng có sẵn trong thư viện. Cũng như các trạm vận hành, thiết bị sử

dụng thông thường là các máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền
Windows95/98/NT/2000 hoặc UNIX.
Một số đặc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trên trạm kỹ thuật là:
- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống
-
Công việc phát triển (Engineering) 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) và biểu đồ tiến trình (SFC-
Sequential Function Chart), tương tự IEC61131-3 FBD () và SFC
- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song
- Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )
Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung
cấp các thư viện khối hàm chuyên dụng. Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung
cấp phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mô
phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn.

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
1.3.6 Bus hệ thống














Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và
với các trạm vận hành và trạm kỹ thuật. Trong đa số các hệ thống ứng dụng, người
ta lựa chọn cấu hình có dự phòng cho bus hệ thống. Thêm nữa, để cải thiện tính
năng thời gian thực, nhiều khi một mạng riêng biệt (có thể có cả dự phòng) được sử
dụng để ghép nối các trạm điều khiển cục bộ (bus điều khiển, control bus). Giải
pháp mạng có thể đặc chủng của riêng công ty, hoặc dựa trên một mạng chuẩn quốc
tế. Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là Ethernet, Profibus-FMS và
ControlNet.
Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin
lớn, vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao. Tính năng thời gian thực cũng
là một yêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm
Hình 1-5 :
Cấu hình tiêu biểu một hệ đ
i
ều khiển phân tán hiện đại

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
ngặt như với bus trường. Thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi
0,1s trở lên. Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu
không có đột biến lớn. Vì vậy đối với mạng Ethernet, tính bất định của phương

pháp truy nhập bus CSMA/CD thường không phải là vấn đề gây lo nghĩ.
1.4 Phân loại các hệ DCS
1.4.1 Các hệ DCS truyền thống
Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng
của nhà sản xuất. Các hệ cũ thường đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công
nghiệp, 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 có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai
đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tuần tự và điều
khiển logic (hybrid controller).
Để hỗ trợ các bài toán điều khiển quá trình diễn ra đồng thời, khối xử lý trung
tâm được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực, đa nhiệm - hoặc của riêng nhà sản
xuất phát triển hoặc một sản phẩm thông dụng như pSOS, TSOS, VRTX, Chu kỳ
thời gian nhỏ nhất thực hiện các mạch vòng điều khiển thường nằm trong khoảng
10-100ms, trong trường hợp đặc biệt (ví dụ cho nhà máy điện) có thể tới 1ms.
Một số sản phẩm tiêu biểu cùng với tên trạm điều khiển cục bộ được liệt kê
dưới đây:
- AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riêng
- Freelance 2000 (ABB): D-PS hợc D-FC, hệ điều hành pSOS
- Symphonie (ABB): Melody, hệ điều hành pSOS
- DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành TSOS
- PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành riêng

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
1.4.2 Các hệ DCS trên nền PLC.
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại

máy tính điều khiển chuyên dụng, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần
đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968. Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General
Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch
điều khiển logic cứng, hai công ty độc lập là Allen Bradley và Bedford Associates
(sau này là Modicon) đã đưa ra trình bày các sản phẩm đầu tiên. Các thiết bị này chỉ
xử lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và 1kByte bộ nhớ.
Lúc đầu, cái tên programmable controller, viết tắt là PC, được sử dụng rộng rãi.
Trong khi đó, programmable logic controller hay PLC là thương hiệu đăng ký của
công ty Allen Bradley. Sau này, khi máy tính cá nhân trở nên phổ biến thì từ viết tắt
PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn.
Một số hệ DCS trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Process Logix
(Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens),… Thực chất,
ngày nay đa số các PLC vừa có thể sử dụng cho bài toán điều khiển logic và điều
khiển quá trình. Tuy nhiên, các PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phân tán
thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập
trình hiện đại (ví dụ SFC).
Cấu trúc phần cứng
Hình 1-6 minh họa các thành phần chức năng chính của một hệ thống thiết bị
điều khiển quá trình và quan hệ tương tác giữa chúng. Về cơ bản, một PLC cũng có
các thành phần giống như một máy vi tính thông thường, đó là vi xử lý, các bộ nhớ
làm việc và bộ nhớ chương trình, giao diện vào/ra và cung cấp nguồn. Tuy nhiên,
một điểm khác cơ bản là các thành phần giao diện người-máy như màn hình, bàn
phím và chuột không được trang bị ở đây. Việc lập trình vì vậy phải được thực hiện
gián tiếp bằng một máy tính riêng biệt, ghép nối với CPU thông qua giao diện thiết
bị lập trình (thường là một cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 hoặc RS-485).

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


16







Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU) bao gồm một hoặc nhiều
vi xử lý, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ làm việc, đồng hồ nhịp và giao diện với thiết
bị lập trình, được liên kết với nhau thông qua một hệ bus nội bộ. Nhiệm vụ chính
của CPU là quản lý các cổng vào/ra, xử lý thông tin, thực hiện các thuật toán điều
khiển. Bộ nhớ chương trình thường có dạng EPROM (Erasableand Programmable
Read Only Memory) hoặc EEPROM (Electrically Erasableand Programmable Read
Only Memory), chứa hệ điều hành và mã chương trình ứng dụng. Dữ liệu vào/ra
cũng như các dữ liệu tính toán khác được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random
Access Memory). Đồng hồ nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình
theo chu kỳ, thông thường trong khoảng từ 0,01giây tới 1000 phút.
Các thành phần vào/ra (input/ouput, I/O) đóng vai trò là giao diện giữa CPU
và quá trình kỹ thuật. Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách
ly galvanic giữa các thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU. Các
thành phần vào/ra được liên kết với CPU thông qua một hệ bus nội bộ hoặc qua một
hệ bus trường
Bộ cung cấp nguồn (power supply, PS) có vai trò biến đổi và ổn định nguồn
nuôi (thông thường 5V) cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn
xoay chiều (110V, 220V, ) hoặc một chiều (12V, 24V, ).
Hình 1-6 :
Các thành phần chức năng chính của một PLC

.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
Bên cạnh các thành phần chính nêu trên, một hệ thống PLC có thể có các
thành phần chức năng khác như ghép nối mở rộng, điều khiển chuyên dụng và xử lý
truyền thông.
1.4.3 Các hệ DCS trên nền PC
Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển
không những được bàn tới rộng rãi, mà đã trở thành thực tế phổ biến trong những
năm gần đây. Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình (PLC) và các bộ điều
khiển DCS đặc chủng thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, khả
năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, mà còn ở khía cạnh
kinh tế. Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công
nghệ bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong điều
khiển công nghiệp.
DCS trên nền PC là một hướng giải pháp tương đối mới, mới có một số sản
phẩm trên thị trường như PCS7 (Siemens, giải pháp Slot-PLC), 4Control (Softing),
Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management)…
Hướng giải pháp này thể hiện nhiều ưu điểm về mặt giá thành, hiệu năng tính toán
và tính năng mở. Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công
nghiệp được cài đặt một hệ điều hành đa nhiệm và các ứng dụng thời gian thực và
các card giao diện bus trường và card giao diện bus hệ thống.
Trong giải pháp điều khiển dùng máy tính cá nhân thì một vấn đề thường rất
được quan tâm là độ tin cậy của máy tính.
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về tính sẵn sàng, độ tin cậy
của hệ thống, ta cần có một giải pháp dự phòng thích hợp. Giải pháp đơn giản và
tiết kiệm nhất là ―dự phòng lạnh‖, có nghĩa là trong trường hợp có sự cố tại máy
tính điều khiển xảy ra ta chỉ cần thay thế một máy mới với cấu hình và các phần
mềm đã được cài đặt giống hệt máy chính. Song giải pháp tốt hơn là sử dụng một

cấu hình dự phòng nóng.
.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18

1.4.4 DCS trên cơ sở RTU, PLC và IED
RTU (Remote Terminal Unit) được sử dụng tại các dây chuyền cũ, công nghệ
truyền thống. RTU được trang bị các thiết bị vào ra ghép nối với dây chuyền công
nghệ để thực hiện thu thập dữ liệu công nghệ và thực hiện các lệnh điều khiển hoặc
điều chỉnh. RTU được kết nối với hệ thống máy chủ phục vụ quản lý dây chuyền
sản xuất và công tác quản lý khác (lưu trữ, in ấn, ) thông qua các giao diện HMI.
Việt nam có rất nhiều RTU, chúng được trang bị cho các dây chuyền sản xuất
cũ đang còn làm việc.
Xuất hiện sau RTU là PLC. Đây là loại thiết bị đầu cuối có công nghệ cao hơn.
Ngoài việc cung cấp dữ liệu và nhận lệnh điều khiển từ hệ thống điều hành và kết
nối với hệ thống điều hành cấp trên, nó còn cho phép trực tiếp điều khiển một số
quá trình công nghệ sản xuất.
IED (Inteligient Electronic Device) là các thiết bị điện tử thông minh được sản
xuất cho các thiết bị thuộc dây chuyền công nghệ hiện đại. IED có thể là bộ phận
cấu thành của các thiết bị công nghiệp công nghệ cao.
IED đồng thời trang bị sẵn các giao diện và giao thức công nghiệp để kết nối
và truy cập thông tin thời gian thực đối với thiết bị sản xuất mà không cần kết nối
trực tiếp. Ngày nay qua các IED ta có thể tích hợp hệ thống thành DCS/SCADA
một cách dễ dàng và tin cậy.
1.5 Các vấn đề kỹ thuật
Các vấn đề kỹ thuật sau đây đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các hệ điều
khiển phân tán.
- Kiến trúc xử lý phân tán (distributed processing): Cấu trúc phân tán về mặt

vật lý (địa lý) dẫn đến phân tán về mặt xử lý thông tin. Xử lý phân tán là một khái
niệm vay mượn từ lĩnh vực tin học. Xử lý phân tán khác với xử lý cục bộ và khác
.