CHƯƠNG 1 GIỚI THIEU DE TÀI I1 KHAINIEM CHUNG VE DỰ PHONG Dự phòng (Redundancy) là thuật ngữ trong một hệ thống ma ở đó tổn tại nhiều hơn hai thiết bị dự phòng để đảm bảo rằng trong trường hợp thiết bị này không hoạt động nữa thì thiết bị kia sẵn sàng làm nhiệm vụ thay thế và nhờ đó hệ thống van làm việc liên tục. Bài toán dự phòng có thé là dự phòng nguồn điện cung cấp cho các co quan quan trọng cần đảm bảo tính liên tục (hinh 1.1), hay là dự phòng trong lĩnh vực công nghệ thông tin (hinh 1. Đặc biệt sự phát triển ngày càng mạnh trong lĩnh vực tự động hóa, điều khiển thì van đề dự phòng được các nhà sản xuât quan tâm. Nguồn điện 1 Nguồn điện 2 Nguồn điện 3 Primary Standby Standby / / / Thiét bi str dung nang luong Hình 1.
Dự phòng cho nguồn điện GVHD: TS. Trương Dinh Châu | HVTH: Trương Văn Quốc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện 1.2 HỆ THONG DIEU KHIEN DA CAP 1.1 Cac kỹ thuật dự phòng Ngày nay, hệ thông SCADA được sử dung rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau từ các nhà máy sản xuất thực phẩm, đồ uống, nhà máy điện. cho đến tận các giàn khoan dau khí ngoài khơi xa. Hỗ trợ người vận hành (Operator) trong việc kiểm soát, điều khiến, giám sát các thông số thiết bị, máy móc trong suốt quá trình sản xuất.
Nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điều khiển Tùy theo chất lượng và thời gian đáp ứng (Critical time) của hệ thống dự phòng (Redundant) mà dự phòng thường được chia thành 3 cấp độ với chất lượng khác nhau như sau: GVHD: TS. Trương Dinh Châu 2 HVTH: Truong Van Quéc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện a. Dự phòng lạnh Định nghĩa: Là sự dự phòng ma thời gian đáp ứng được quan tâm tối thiểu, và có thê cân sự can thiệp của người vận hành. Cơ chế: Thiết kế hoặc chế tạo sẵn một mô đun, một chỉ tiết (tạm gọi là phụ tùng thay thé) hay một hệ thống tương tự với hệ thông dang vận hành.
Nếu có sự cô hoặc cần sửa chữa, bảo trì thì người vận hành kỹ thuật lập tức thay thế cái mới, do đó không tốn nhiễu thời gian phải chờ đợi. Ưu/khuyết điểm: Phuong án dự phòng này chỉ áp dụng đối với những hệ thống mà khi có sự cố xảy ra không ảnh hưởng nhiều đến tính nguy hiểm, tính an toàn, sản phâm không bị hư hỏng khi phải chờ một thời gian dé bảo trì và thay thé. Tuy nhiên, khi thời gian là quan trọng thì dự phòng âm hoặc nóng là phương án lựa chọn tốt hơn. Dự phòng Ấm Định nghĩa: Dự phòng ấm được sử dụng khi thời gian chờ là quan trọng nhưng phải mat một thời gian tam thời thì van còn chấp nhận được.
Cơ chế: Hệ thống dự phòng âm thường có hai bộ vi xử lý kết nối trong một cầu hình chính và dự phòng. Bộ xử lý chính của hệ thống điều khiến các tín hiệu ngỏ vào và ngỏ ra, trong khi bộ xử lý phụ được cấp nguôn và chờ cho bộ xử lý chính không điều khiến quá trình. Khi xảy ra sự cố, bộ xử lý phụ đảm nhận điều khiển các tín hiệu ngỏ vảo/ngỏ ra va trở thành bộ xử lý chính, cho phép bộ xử ly chính thành bộ xử lý thứ cấp và có thé được bảo tri mà không mat quyền kiểm soát quá trình. Ưu/khuyết điểm: Từ một khía cạnh phần cứng, hệ thống dự phòng 4m và nóng hau như giống hệt nhau, và có thé dé dang nham lẫn khi nhìn vào dữ liệu cung câp của các nhà nhà sản xuât GVHD: TS.
Trương Dinh Châu 3 HVTH: Truong Van Quéc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện Cc. Dự phòng nóng Dinh nghĩa: Dự phòng nóng được dùng khi qua trình vận hành không được dừng dưới bat kỳ trường hop nào. Có những ứng dụng có thé không yêu cau dự phòng nóng nhưng để có tính liên tục cao thì du phòng nóng là rat can thiết. Cơ chế: Như đã nêu ở trên, việc bố trí hệ thống dự phòng nóng thì hau như giống với hệ thống dự phòng ấm.
Tuy nhiên, hệ thống dự phòng nóng cung cấp chuyên đổi liên tục của các tín hiệu I/O trong suốt quá trình chuyển đổi từ bộ xử lý chính sang phụ. Ưu/khuyết điểm: Dự phòng nóng được áp dụng đối với những hệ thống can phản ứng nhanh đối với các sự cô. Tuy nhiên, mức độ đầu tư ban dau sẽ tốn chi phí nhiều hơn. Sử dụng phương án dự phòng này cho những hệ thông can thiết sự 6n định, xác suất xảy ra hư hỏng có thé giảm đến mức thấp nhất.
Dem lại sự an toan va đảm bảo liên tục cho người sử dụng 1.2 HE THONG DIEU KHIỂN DA CAP Tuy mỗi hệ thống trong công nghiệp có câu trúc khác nhau, sự khác nhau này đến từ mức độ, quy mô của hệ thống, có thể phân chia thành 5 cấp trong hệ thống điều khiến đa cấp (hình 1. Trương Dinh Châu 4 HVTH: Truong Van Quéc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện 7 Cap trường (Field): bao gồm các thiết bị cảm biến (sensor) như cảm biến quang, cặp nhiệt, cảm biến áp suất, encoder,. và các phân tử chấp hành như động cơ, các valve, quạt, bóng đèn, contactor,. 7 Cap diéu khién (Control): có nhiệm vụ đọc, xử lý các tín hiệu từ các cảm biến ở cấp trường gửi về rời xuất các tín hiệu điều khiển đến các phan tử chap hành.
7 Cấp giám sát (Supervision): O cap nay các tram SCADA thu thập các tín hiệu điều khiển từ các RTU ma cu thể ở đây là các PLC, thường là các GVHD: TS. Trương Dinh Châu 5 HVTH: Truong Van Quéc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện Group PLC sau đó xử lý, hiển thị và lưu trữ dữ liệu. Ngoài ra cấp này còn dùng dé đặt tín hiệu điều khiển cho các trạm PLC, ghi các lệnh điều khiển hệ thống 7 MES (Manufacture Execution System): Cap này chủ yếu đưa ra các quyết định như lịch bảo trì, khảo sát tiến trình công việc va chat lượng giám sát điều khiến. 7 Enterprise: Cap nay quan lý toàn công ty như đưa ra chiến lược sản xuất, chuân bị nguôn lực, phối hợp sản xuất Tuy mỗi cấp đóng vai trò khác nhau trong hệ thống đa cấp, sự phức tạp phụ thuộc vào quy mô sản xuất của từng nhà máy.
Trong giới hạn dé tài ta chỉ quan tâm điều khiển từ cấp Supervision trong đó tập trung vào xây dựng hệ thống dự phòng (redundancy) cho cập SCADA và cấp điều khiến (Group control). I3 GIẢI PHÁP DỰ PHÒNG TRONG HE THONG DIEU KHIỂN DA CAP Sự ồn định (stability), độ tin cậy (Reliability), tính liên tục (continuousness), sự linh hoạt (flexibility) là thước đo chất lượng của hệ thống. Khi kỹ thuật điều khiển chưa phát triển chat lượng của hệ thống điều khiến phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của thiết bị điều khiển. Rõ ràng các thiết bị ngày càng thông minh với chất lượng tốt hơn tuy nhiên với môi trường phức tạp khác nhau thì khi đó chất lượng của thiết bị sẽ không nâng cao được đặc tính của hệ thông.
Chính vì lý do đó ma các phương pháp điều khiến, và câu trúc mới được ra đời nhăm giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nâng cao chất lượng của hệ thống. Trong các giải pháp đó thì giải pháp dự phòng (Redundancy) là một trong những giải pháp tất yếu trong hệ thong tự động trong các nhà máy sản xuât. Trong hệ thống điều khiển đa cấp, dự phòng được chia ra làm ba mức, tùy theo yêu cau về sự cần thiết về chất lượng và độ tin cậy của hệ thống điều khiển mà xây dựng phương án dự phòng cho phù hợp với hiệu quả kinh tế. Không phải tất cả tự động hóa trong công nghiệp đều can đến giải pháp dự phòng, tuy nhiên đa số các hệ thống tự động trong nhà máy lớn nơi ma tốn thất trong việc tạm ngừng do hư GVHD: TS.
Trương Dinh Châu 6 HVTH: Truong Van Quéc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện hỏng thiết bị điều khiển hoặc trục trac của truyền thông lớn hơn đầu tư một hệ thống dự phòng thì giải pháp dự phòng luôn được các nhà may, xí nghiệp quan tam. Vi dụ như trong các nhà máy điện, dây chuyền nhà máy xi măng, công nghiệp khai khoáng. là những hệ thống lớn trong sản xuất, do đó thường trang bị giải pháp dự phòng ở mức cao nhất bao gồm: = Dự phòng thiết bị điều khiển (Device reduduancy) = Dự phòng ở cấp SCADA (SCADA redundancy) = Dự phòng mạng truyền thông (Network redundancy) Như vậy một hệ thống dự phòng tiêu biểu có day đủ ba mức trên dé đảm bảo cho hệ thống hoạt động liên tục, xuyên suốt dù có bất kỳ sự cố nào xảy ra đối với thiết bị điều khiển, Server SCADA, hay hệ thống mạng.1 Dự phòng thiết bịđiềukhổn — - ¬ Đây là giải pháp dự phòng cho cap điêu khiên. Gia sử hệ thông điêu khiên chỉ có duy nhất một bộ điều khiển dùng để quản lý và điều khiến cho các thiết bị trong hệ thống (hinh 1.
Rõ ràng đây là hệ thống mà độ tin cậy không cao, nếu trường hợp bộ điều khiến nay có sự cố như mắt nguồn nuôi, CPU bi treo hoặc hỏng, module truyền thông bị lỗi thì hệ thống không thể vận hành và do đó sự gián đoạn trong sản xuất là không thể tránh khỏi. Đối với những dây truyền sản xuất mà giá trị nguyên liệu đầu vào lớn thì rõ ràng thiệt hại cho van dé này không nhỏ. Do là chưa kế dây truyền tạm ngừng can thời gian dé sửa chữa, thay thế thiết bị. Do đó van dé đặt ra là cần có một thiết bị dự phòng trong trường hợp thiết bị điều khiển này gặp sự cô và không điêu khiên được hệ thông.
Trương Dinh Châu 7 HVTH: Truong Van Quéc Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và diéu khiển dự phòng hệ thong điện Controller(PLC) Group control im | | 7 _“ Si Unit control jet thin J=11IfIIII | =. « Peet tr:14 | + }4/:1940) Pua Mini controller | 10 Module ) Module lO Module — | a | [| eee Hình 1.