Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát Chương 2: Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông Chương 3: Hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG Chương 4: Xây dựng thiết lập hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG Chương 5: Thiết lập xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet. MÔ HÌNH PHÂN CẤP VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển Từ những thời kì sơ khai nhất trong sự phát triển của loài người, người ta đã có thể tìm thấy những khái niệm về điều khiển, cả về tự nhiên lẫn kĩ thuật. Việc điều khiển các hoạt động, các sự vật, các hiện tượng là một nhu cầu thực tế và bắt buộc trong cuộc sống.
Trước đây con người luôn có ý tưởng điều khiển các sự vật hiện tượng xung quanh mình. Nhưng điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi, một trong những nền tảng cơ bản trong điều khiển, để điều khiển được hệ thống ra đời vào khoảng 300 năm trước công nguyên. Ứng dụng đầu tiên là cơ cấu phao điều chỉnh tại Hi Lạp, sau đó là đồng hồ nước của Ktesibios, thiết bị đèn dầu của Philon khoảng 250 năm trước công nguyên để giữ mức nguyên liệu không đổi. Alexandria đã cho ra đời quyển sách về hơi khí- Pneumatica về cơ cấu điều chỉnh mức nước sử dụng máy điều chỉnh phao vào thế kỉ thứ nhất.
Tại châu âu, Cornelis Drebbel đã đưa ra bộ điều chỉnh nhiệt độ, được coi như là một trong những bộ điều chỉnh phản hồi đầu tiên. Tiếp theo là sự ra đời điều chỉnh áp suất nồi hơi vào năm 1861 của Dennis Papin. Vào năm 1769 Jame Watt đưa ra bộ điều khiển phản hồi đầu tiên trong công nghiệp đó là máy điều tốc, để điều khiển tốc độ của động cơ hơi nước. Nó hoạt động trên nguyên tắc quả cầu li tâm được nối với trục ra để điều khiển độ mở van cung cấp hơi nước cho động cơ.
Khi tốc độ tăng làm cho quả cầu quay nhanh làm đóng van hơi nước làm cho tốc độ giảm. Năm 1765, I Polzunow đưa ra máy điều chỉnh mức nước bằng cơ cấu phao. Trong những năm 1768 sự phát triển của hệ thống điều khiển vẫn nằm trong giai đoạn khởi đầu do sự không ổn định của hệ thống. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, lý thuyết điều khiển được phát triển ở Mĩ, các nước tây âu khác với nước Nga và Đông âu sử dụng tín phản hồi dựa trên các hiện tượng điện tín và dựa trên tín hiệu khuyếch đại điện tử bởi Bode, Nyquist, Black.
Trong thời kì này do đòi hỏi thiết kế và chế tạo các hệ thống trong máy bay, hệ thống chỉnh súng, hệ thống quân sự dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống phản hồi. Từ những năm 40-80 lý thuyết điều khiển tự động phát triển mạnh mẽ từ kĩ thuật miền tần số, sử dụng hàm Laplace đến các phương pháp quỹ đạo pha, các máy tính điều khiển số, tính theo phương pháp trên miền thời gian của Liapunow, Minosky. Lý thuyết điều khiển tối ưu ngày nay được phát triển bởi Pontryagin và Bellman cùng với sự ra đời của các hệ bền vững, các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thông minh. Ngày nay các hệ thống điều khiển phát triển cả về quy mô, phức tạp mức độ tự động hoá cao, từ cấu trúc tập trung đến cấu trúc phân tán có tính phức tạp cao đáp ứng được nhu cầu thực tế.
Sự phát triển của kĩ thuật vi bán dẫn, vi điều khiển, máy tính, trên nền tảng kĩ thuật số. Hệ thống điều khiển đã phát triển nhảy vọt. Các thiết bị điều khiển, đo, cơ cấu chấp hành thông minh trên nền tảng vi điều khiển có thể đáp ứng mọi thuật toán điều khiển hiện đại và phức tạp, độ tin cậy cao hơn, đa chức năng hơn, nhỏ gọn hơn. Các thiết bị với độ mở linh hoạt cao có thể dễ dàng tích hợp với nhau tạo thành các hệ thống lớn như SCADA, DCS,.
đáp ứng mọi yêu cầu về công nghệ với mức độ tự động hoá cao nhất. Với sự bùng nổ mạnh mẽ của mạng Internet, hệ thống điều khiển đã phát triển mạnh mẽ về qui mô không chỉ hoạt động trên phạm vi nhà máy mà còn hoạt động trên cả phạm vi toàn cầu. Nhờ mạng Internet mà tại bất kì vị trí nào đều có thể vận hành giám sát toàn bộ nhà máy. Đó là xu thế phát triển hiện tại và trong tương lai.
Mô hình phân cấp chức năng Quản Management level lý Cell level Điều hành Field level Điều khiển Actuator-sensor Chấp hành level Hình 1.1: Phân cấp chức năng hệ thống Một hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nói chung thường được cấu trúc theo mô hình phân cấp hình chóp. Theo mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên. Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy , thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng ở cấp dưới, có lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều.
Thông thường , người ta chỉ coi 3 cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển giám sát. Cấp chấp hành : Chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường , dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng ) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển.
Cấp điều khiển : Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến , tự động xử lý các thông tin đó theo chương trình của con người đã cài đặt sẵn và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Những thông tin và kết quả của việc điều khiển sẽ được chuyển lên cấp điều hành. ở cấp điều khiển thường đặt các bộ điều khiển PID, các controllers, PLC, transmitter/RTU số thông minh. Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng được gọi chung là cấp trường (field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều hành : Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển , điều chỉnh bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện thì nhiệm vụ của cấp điều hành là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác , theo dõi , giám sát , vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Khác với cấp dưới , việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành thường không đòi hỏi phương tiện thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân , máy trạm, máy chủ, terminal.) có giao diện mạng gọi chung là máy tính điều hành. Việc phân cấp chức năng như trên sẽ rất tiện lợi khi thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Theo đó các nhà sản xuất cũng đưa ra kiến trúc các tầng mạng thích hợp với đặc thù trao đổi thông tin của từng cấp.
Cấu trúc của hệ thống điều khiển 1. Cấu trúc tập chung I/0 input/out(vµo /ra) M¸y tÝnh §K A actuator(chÊp hµnh) I/O S sensor(c¶m biÕn) Ranh giíi phßng ®iÒu khiÓn A S A S A S Ph©n ®o¹n Ph©n ®o¹n Ph©n ®o¹n qu¸ tr×nh 1 qu¸ tr×nh 2 qu¸ tr×nh 3 Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung Tất cả các thiết bị được kết nối với một trung tâm duy nhất. Trung tâm này sẽ là bộ não duy nhất thực hiện mọi quyền quyết định, phân phối và chỉ huy. Hệ thống có cấu trúc tập chung có nhược điểm rất lớn đó là số lượng dây kết nối lớn.
Điều khiển tập chung làm cho bộ điều khiển phải có bộ nhớ lớn, tốc độ cao, xử lý tốt. Vì điều khiển tập chung mà khi bộ não gặp sự cố thì hệ thống sẽ ngưng hoạt động hoàn toàn. Hệ thống có cấu trúc tập chung chỉ phù hợp đối với các hệ thống nhỏ, số lượng đối tượng I/O ít và quá trình công nghệ không quá phức tạp. Cấu trúc phân quyền.
Cấu trúc này khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm và vì thế hệ thống trở lên linh hoạt hơn. Mỗi quá trình con được điều khiển bởi một máy tính riêng cùng được đặt tại phòng điều khiển. Do các quá trình con có liên quan hệ quả , nên để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự hợp tác giữa chúng với nhau.Trong phần lớn các trường hợp , một máy tính trung tâm được dùng để điều khiển cao cấp cũng như để phối hợp sự hoạt động của các máy phân quyền .Tuy nhiên vẫn tồn tại nhược điểm lớn nhất là dùng số lượng lớn dây nối. Các giải pháp khắc phục nhược điểm đã dẫn đến những hệ thống điều khiển có cấu trúc phân tán hay còn gọi là điều khiển phân tán.
Máy tính phối hợp bus xử lý Máy tính ĐK 1 Máy tính ĐK 2 Máy tính ĐK 3 I/O I/O I/O ranh giới phòng ĐK A S A S A S Phân đoạn Phân đoạn Phân đoạn quá trình 1 quá trình 2 quá trình 3 Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền 1. Hệ thống có cấu trúc phân tán Điểm nổi bật của cấu trúc phân tán là việc phân bố trí tuệ cũng như chức năng cả chiều rộng và chiều sâu, kết hợp với sử dụng mạng truyền thông thay thế cho bảng điện và phương pháp nối dây cổ điển. Bên trong hệ thống sử dụng các cụm vào ra tại chỗ và cơ cấu chấp hành có tích hợp công nghệ vi điện tử. Cấu trúc phân tán sẽ khắc phục nhược điểm là đi dây tốn kém.
Phân bố trí tuệ tại từng nơi sẽ giúp cho hệ thống điều khiển trở lên linh hoạt, không phụ thuộc hoàn toàn vào một bộ điều khiển nào. Việc tách phân tán chức năng điều khiển sẽ giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và đưa bài toán phức tạp trở lên đơn giản. Hệ thống phù hợp với các hệ thống lớn có rất nhiều I/O, quá trình công nghệ phức tạp.