CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN Khái niệm Một khái niệm được sử dụng xuyên suốt luận văn đó là “dự phòng”. Để thoát nghĩa trong luận văn mạn phép sử dụng từ gốc bằng tiếng Anh đó là Redundancy. Redundancy nói lên hệ thống có 2 thiết bị điều khiển được nối mạng với nhau, cả hai có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống trong đó 1 thiết bị sẽ ở chế độ chờ hay là Standby. Khi thiết bị đang hoạt động gọi là Primary bị hỏng, thì thiết bị Standby này sẽ chuyển từ chế độ Standby sang tích cực và điều khiển hệ thống.
Và như vậy hệ thống vẫn hoạt động mà không bị gián đoạn. Một hệ thống không có dự phòng gọi là hệ thống Standalone. Tại sao lại dự phòng? Điều này bắt nguồn từ yêu cầu của hệ thống điều khiển. Nếu một hệ thống điều khiển mà bị gián đoạn trong vài tiếng, vài ngày thì ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu quả kinh tế.
Khi sự cố xảy ra làm gián đoạn hoạt động sản xuất, thời gian chờ sửa chữa lâu dẫn đến chi phí cao, có khi ảnh hưởng đến hoạt động xã hội, thiệt hại lớn về kinh tế, vật chất. Trong một vài hệ thống sự gián đoạn có thể đe dọa đến sự an toàn của hệ thống. Tình hình các hệ thống điều khiển trong nước Nếu ghé thăm các hệ thống điều khiển và SCADA của các nhà máy từ Nam chí Bắc chúng ta sẽ thấy hầu hết các hệ thống đều hoạt động với các bộ điều khiển và các trạm SCADA đơn lẽ. Các hệ thống điều khiển có dự phòng chỉ áp dụng trong các hệ thống điều khiển trong các nhà máy lọc dầu với quy mô đầu tư cao.
Nguyên nhân là: Các thiết bị điều khiển có tích hợp dự phòng giá thành rất cao. Nếu số lượng thiết bị phần tử trong giải pháp không có dự phòng – standalone là N thì thệ thống có redundancy là 2xN. LUẬN VĂN CAO HỌC 4 Không có giải pháp dự phòng cho hệ thống low critical, tức là hệ thống mức độ cấp bách thay thế dự phòng không cao. Nếu khách hàng muốn áp dụng dự phòng vào hệ thống của mình thi buộc họ phải lựa chọn giải pháp high-end.
Điều này dẫn đến giá thành cao và khách hàng sẽ loại bỏ việc thực hiện dự phòng cho hệ thống điều khiển của mình. Từ các phân tích ở trên cho thấy việc phân tích và tổng hợp giải pháp, thiết bị điều khiển và mạng cho hệ thống điều khiển và giám sát dự phòng áp dụng cho các ứng dụng low critical vừa và nhỏ hoàn toàn mang tính cấp thiết. Giải pháp trên có thể áp dụng cho các hệ thống điều khiển: Chế biến thức ăn, đồ uống; Hệ thống cấp nước sạch; Hệ thống xữ lý nước thải; Hệ thống tự động hóa nông nghiệp; Giải pháp dự phòng có thể áp dụng cho các hệ thống ở vùng cao, miền núi, hải đảo, nông thôn mới, nhằm giảm thiểu thời gian đi lại do địa bàn xa xôi, giảm việc chậm khắc phục sự cố, sửa chữa làm gián đoạn hoạt động.2 MỤC TIÊU Mục tiêu của luận văn là tổng hợp được giải pháp, thiết bị điều khiển và mạng cho hệ thống điều khiển và giám sát có redundancy áp dụng cho các ứng dụng low critical vừa và nhỏ. Dựa trên giải pháp này các kỹ sư Tự động hóa có thể phát triển ra các ứng dụng khác nhau.3 NHIỆM VỤ Nhiệm vụ của Luận văn bao gồm: Phân tích và tổng hợp giải pháp cho hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm : Giải pháp cho cấp điều khiển; Giải pháp cho cấp trường ; LUẬN VĂN CAO HỌC 5 Giải pháp cho cấp SCADA.
Xây dựng giải thuật cho cấp điều khiển. Xây dựng các ứng dụng để kiểm chứng hệ thống. Lâp trình cho cấp điều khiển. Lập trình HMI áp dụng tính năng có dự phòng để giám sát hệ thống.
SCADA và áp dụng tính năng dự phòng của hệ thống. LUẬN VĂN CAO HỌC 6 CHƯƠNG 2 KHÁI NIỆM VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHIỆP 2. KHÁI NIỆM Trong chương này sẽ làm rõ một số khái niệm quan trọng và xuyên suốt trong luận văn. Đó là: Redundancy Cold, warm, hot redundancy Primay Standby Switchover Redundancy Redundancy là tính năng của hệ thống điều khiển gồm có 2 thiết bị điều khiển được nối mạng với nhau, cả hai có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống trong đó 1 thiết bị sẽ ở chế độ chờ hay là Standby.
Khi thiết bị đang hoạt động gọi là Primary bị hỏng, thì thiết bị Standby này sẽ chuyển từ chế độ Standby sang tích cực và điều khiển hệ thống. Và như vậy hệ thống vẫn hoạt động mà không bị gián đoạn. Cold redundancy Định nghĩa: Hệ thống dự phòng mà thời gian đáp ứng được quan tâm tối thiểu và có thể cần sự can thiệp của người vận hành. Nguyên lý thực hiện: Thiết kế hoặc mua sẵn sẵn một thiết bị (phụ tùng thay thế) hay một hệ thống tương tự với hệ thống đang vận hành.
Nếu có sự cố hoặc cần sửa chữa, bảo trì thì người vận hành kỹ thuật lập tức thay thế cái mới, do đó không tốn nhiều thời gian phải chờ đợi. Phân tích ưu/khuyết điểm: Phương 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 LUẬN VĂN CAO HỌC 7 hiểm, tính an toàn, sản phẩm không bị hư hỏng khi phải chờ một thời gian để bảo trì và thay thế. Phướng án này phải mất nhiều thời gian để lắp đặt hệ thống. Luận văn không xem xét giải pháp này.
Warm redundancy Định nghĩa: Được sử dụng khi thời gian chờ là quan trọng nhưng phải mất một thời gian tạm thời thì vẫn còn chấp nhận được (khoảng 1s). Nguyên lý thực hiện: Hệ thống dự phòng ấm thường có hai bộ điều khiển kết nối trong một cấu hình chính và dự phòng. Bộ điều khiển chính (Primary Controller) của hệ thống điều khiển các tín hiệu ngõ vào và ngõ ra, trong khi bộ điều khiển phụ (Standby Controller) được cấp nguồn, chờ và không điều khiển quá trình. Khi xảy ra sự cố, bộ điều khiển Standby Controller đảm nhận điều khiển các tín hiệu ngõ vào/ ngõ ra và trở thành Primary Controller, cho phép Primary Controller trở thành Standby và có thể được bảo trì mà không mất quyền kiểm soát quá trình.
Sự chuyển đổi từ Controller gọi là Switchover. Hot redundancy Định nghĩa: Giống như hệ thống Warm Redundancy nhưng quá trình vận hành không được dừng dưới bất kỳ trường hợp nào, có tính liên tục cao. Nguyên lý thực hiện: Việc bố trí hệ thống Hot Redundancy thì hầu như giống với hệ Warm Redundancy. Tuy nhiên, hệ thống Hot Redundancy đảm bảo tính toàn vẹn của tính hiệu và dữ liệu trong suốt quá trình chuyển đổi từ Primary sang Standby.
Phân tích ưu/khuyết điểm: Hot Redundancy được áp dụng đối với những hệ thống cần phản ứng nhanh đối với các sự cố. Tuy nhiên, mức độ đầu tư ban đầu sẽ tốn chi phí nhiều hơn. Sử dụng phương án dự phòng này cho những hệ thống cần thiết sự ổn định, xác suất sự cố xảy ra được giảm đến mức thấp nhất, đem lại sự an toàn và đảm bảo liên tục cho người sử dụng. Giải pháp trong luận văn chính là Hot Redundancy nhưng thời gian chuyển đổi không cao bằng các giải pháp công nghiệp.
LUẬN VĂN CAO HỌC 8 Tùy theo yêu cầu 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 cần đến giải pháp dự phòng, tuy nhiên đa số các hệ thống tự động trong nhà máy lớn nơi mà tổn thất trong việc tạm ngừng do hư hỏng thiết bị điều khiển hoặc trục trặc của truyền thông lớn hơn đầu tư một hệ thống dự phòng thì giải pháp dự phòng luôn được các nhà máy, xí nghiệp quan tâm hàng đầu. Ví dụ như trong các nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, dây chuyền nhà máy xi măng, công nghiệp khai khoáng là những hệ thống lớn trong sản xuất, do đó thường có dự phòng để 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.2 CÁC GIẢI PHÁP DỰ PHÒNG TRONG CÔNG NGHIỆP Các hãng sản xuất thiết bị tự động như: Schneider Electric; Siemens; Rockwell Automation; Mitsubishi đều có giải pháp và kỹ thuật dự phòng khác nhau: 2.1 Giải pháp dự phòng hệ thống điều khiển của Schneider Electric Dựa trên nguyên lý dự phòng Primary/Standby với bộ xử lý trung tâm có đầy đủ tính năng dự phòng và các chức năng truyền thông được dùng chia sẻ I/O trên mạng Ethernet Modbus TCP/IP [Hình 2. LUẬN VĂN CAO HỌC 9 GIÁM SÁT Vòng Ethernet Modbus TCP Primary CPU Sysc link Standby Vòng Ethernet Modbus TCP (dịch vụ quét IO) Hình 2.
1: Kỹ thuật dự phòng của hãng Schneider Electric LUẬN VĂN CAO HỌC 10 2.2 Giải pháp dự phòng hệ thống điều khiển của hãng Siemens Tối thiểu phải có từ 02 PLCs trở lên, 1 làm I/O server chính và 1 làm I/O server dự phòng. Các I/O server này được kết nối với nhau và với các module tín hiệu vào ra bằng mạng truyền thông công nghiệp (Profibus, MPI, Ethernet,. Operrator panel Optional / display unit extension MPI/PROFIBUS or Ethernet S7-300/S7-400 S7-300/S7-400 Station A Station B PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP ET200M distributed I/O ET200M distributed I/O device with IM 153-2 device with IM 153-2 Hình 2. 2: Kỹ thuật dự phòng của hãng Siemens LUẬN VĂN CAO HỌC 11 2.3 Giải pháp dự phòng hệ thống điều khiển của hãng Rockwell Automation Hình 2.
3: Kỹ thuật dự phòng hãng Rockwell Automation Có đặc điểm tối ưu hóa tính sẵn sàng điều khiển, không cần đến chương trình người dùng thực thi. Thời gian ngắt chuyển mạch được bảo đảm xấp xỉ 100ms [Hình 2.3] LUẬN VĂN CAO HỌC 12 2.4 Giải pháp dự phòng hệ thống điều khiển của hãng Mitsubishi Được tích hợp đầy đủ các giao tiếp cũng như chức năng dự phòng. Hệ thống với 3 cấp dự phòng đảm bảo việc xử lý và thay thế nhanh khi có sự cố lỗi nguồn hay lỗi khác. Kiến trúc dự phòng với gấp đôi bộ xử lý và các kết nối mạng [Hình 2.
4: Kỹ thuật dự phòng hãng Mitsubishi LUẬN VĂN CAO HỌC 13 CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ PHÒNG Hai phương pháp dự phòng cho hệ thống điều khiển đó là bằng phần cứng và bằng phần mềm. Cơ sở để phân chia ra 02 phương pháp đó là yêu cầu đáp ứng về sự khắt khe thời gian.
