Nghiên Cứu và Phát Triển Hệ Điều Khiển DCS Tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu và phát triển hệ điều khiển DCS giúp tối ưu hóa quy trình công nghiệp, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong sản xuất.

• Tác giả: Trương Xuân Hữu
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Minh Chính
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và TĐ Hoá
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Hệ Điều Khiển DCS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
• 1.1. Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất và các hệ điều khiển
• 1.2. Tự động hóa quá trình sản xuất
• 1.3. Sự ra đời và phát triển của các hệ thống điều khiển
• 1.4. Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán
• 1.5. Cấu hình của hệ DCS
• 1.5.1. Cấp chấp hành - cảm biến
• 1.5.2. Cấp điều khiển
• 1.5.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy
• 1.5.4. Một số cấu trúc của hệ DCS phổ biến hiện nay
• 1.5.4.1. Cấu trúc hệ DCS của YOKOGAWA
• 1.5.4.2. Cấu trúc hệ DCS của ABB
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG DCS XÂY DỰNG TẠI DÂY CHUYỀN 2 CÔNG TY CỔ PHẦN NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI CHÍ LINH HẢI DƯƠNG
• 2.1. Tổng quan về nhà máy
• 2.1.1. Giới thiệu chung về DCS Công ty CP Nhiệt Điện Phả Lại
• 2.1.2. Công nghệ sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện
• 2.1.3. Chu trình nhiệt chính trong nhà máy nhiệt điện
• 2.2. Tổng quan về hệ thống DCS
• 2.2.1. Phân cấp trong hệ thống
• 2.2.1.1. Cấp quản lý giám sát chung
• 2.2.1.2. Cấp giao diện vận hành (HIS)
• 2.2.1.3. Cấp điều khiển
• 2.2.1.4. Cấp chấp hành
• 2.2.2. Mạng truyền thông trong hệ thống
• 2.2.3. Các phần tử khác trong hệ thống
• 2.2.4. Các thiết bị đo lường
• 2.2.5. Cơ cấu chấp hành
• 2.3. Cấu trúc chi tiết phần cứng hệ thống DCS
• 2.3.1. Trạm giao diện người máy (HIS)
• 2.3.2. Trạm điều khiển khu vực (FCS – Field Control Station)
• 2.3.2.1. Cấu hình của PFCS
• 2.3.2.2. Cấu hình của LFCS kiểu rack treo
• 2.3.2.3. Mạng vào/ra từ xa (RIO Bus Network)
• 2.3.3. Các kiểu mô đun vào/ra
• 2.3.3.1. Nest AMN11 cho các mô đun vào/ra tương tự
• 2.3.3.2. Nest AMN32 cho các mô đun vào/ra số
• 2.3.3.3. Nest AMN33 cho các mô đun thông tin
• 2.3.3.4. Nest AMN51 cho Card thông tin
• 2.4. Phần mềm CENTUM CS3000
• 2.4.1. Tổng quan về System View
• 2.4.2. Định nghĩa Project
• 2.4.2.1. Project hiện thời
• 2.4.2.2. Project định nghĩa bởi người sử dụng
• 2.4.3. Tập lệnh của CS3000
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG DỰ ÁN
• 3.1. Trình tự tiến hành
• 3.1.1. Nghiên cứu tổng quan hệ thống khói gió
• 3.1.2. Mục tiêu và các phương thức, thiết bị điều khiển của hệ thống khói gió
• 3.1.2.1. Điều chỉnh lưu lượng gió
• 3.1.2.2. Điều chỉnh áp lực buồng đốt
• 3.1.2.3. Bảo vệ, liên động
• 3.1.2.4. Thống kê các đầu vào ra
• 3.1.3. Lựa chọn phần cứng hệ thống
• 3.1.3.1. Lựa chọn FCS
• 3.2. Lựa chọn các modul vào ra
• 3.6. Xây dựng phần mềm điều khiển
• 3.6.2. Xây dựng đồ hoạ
• 3.6.3. Xây dựng các trang điều khiển
• 3.6.7. Chỉnh định các thông số của bộ điều chỉnh PID
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, VẬN HÀNH, GIÁM SÁT
• 4.1. Mô phỏng – Test Function
• 4.1.1. Thủ tục khởi động quá trình mô phỏng
• 4.1.2. Các chức năng trên cửa sổ chính của quá trình mô phỏng
• 4.1.3. Thủ tục thoát khỏi quá trình mô phỏng
• 4.1.4. Kiểm tra tình tự làm việc quạt khói số 1: 1MBC-FN003
• 4.1.5. Kiểm tra tình tự làm việc quạt gió chính số 1: 1MBA-FN1
• 4.2. Vận hành và giám sát
• 4.2.1. Vào số liệu
• 4.2.1.1. Thao tác từ hộp thoại Data Entry
• 4.2.2. Chuyển đổi hạng mục số liệu
• 4.2.3. Thao tác từ hộp thoại vận hành INC/DEC
• 4.2.4. Thay đổi chế độ khối
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC A
• PHỤ LỤC B

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Điều Khiển Phân Tán DCS Bách Khoa HN

Hệ thống DCS (Distributed Control System) là một hệ thống điều khiển hiện đại, thường được áp dụng cho các nhà máy lớn, có công nghệ phức tạp và số lượng lớn các đầu vào/ra (I/O). Hệ thống này hoạt động trên môi trường số, sử dụng cơ sở dữ liệu toàn cục và tập trung vào việc giám sát, vận hành và điều khiển. Chức năng điều khiển được phân bổ cho các bộ điều khiển, mỗi bộ có khả năng xử lý một lượng lớn I/O, được phân tán và kết nối với các thiết bị đo lường thông minh và cơ cấu chấp hành. Các thành phần của hệ thống được tích hợp và kết nối với nhau thông qua mạng truyền thông chuẩn công nghiệp. Hệ thống DCS Bách Khoa Hà Nội là minh chứng cho sự tiên phong trong lĩnh vực tự động hóa tại Việt Nam. Việc nghiên cứu và phát triển DCS là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao năng lực tự chủ công nghệ.

1.1. Ưu Điểm Của Hệ Điều Khiển Phân Tán DCS Hiện Đại

Hệ thống DCS có nhiều ưu điểm so với các hệ thống điều khiển truyền thống. Tiết kiệm dây nối và công nối dây là một lợi ích quan trọng nhờ sử dụng mạng truyền thông. Hiệu suất và độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao do chức năng được phân tán. Độ linh hoạt cao, cho phép mở rộng, thay thế thiết bị, nâng cấp và tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng. Những ưu điểm này làm cho DCS trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng công nghiệp phức tạp.

1.2. So Sánh DCS Với PLC Trong Tự Động Hóa Công Nghiệp

Trong khi PLC (Programmable Logic Controller) thường được sử dụng cho điều khiển logic, DCS phù hợp hơn với các ứng dụng điều khiển quá trình liên tục. Tuy nhiên, ranh giới giữa hai hệ thống này ngày càng mờ nhạt. DCS thường có khả năng xử lý dữ liệu lớn hơn và tích hợp các chức năng giám sát, điều khiển, và báo cáo trong một nền tảng duy nhất. Theo tài liệu, việc sử dụng PLC để xây dựng hệ thống điều khiển phân tán có thể phức tạp và tốn kém hơn so với việc sử dụng DCS.

II. Thách Thức Giải Pháp Nghiên Cứu DCS Tại Bách Khoa Hà Nội

Việc nghiên cứu DCS đặt ra nhiều thách thức, từ việc làm chủ công nghệ lõi đến việc phát triển các ứng dụng thực tiễn. Một trong những thách thức lớn là chi phí đầu tư ban đầu cho phần cứng và phần mềm. Tuy nhiên, sự phát triển của các hệ thống DCS mở và các tiêu chuẩn công nghiệp như IEC 61131-3 đang giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao và thực hiện các dự án nghiên cứu DCS có tính ứng dụng cao. Các đề tài nghiên cứu DCS tại trường tập trung vào việc giải quyết các vấn đề thực tế trong các ngành công nghiệp khác nhau.

2.1. Vấn Đề An Toàn và Bảo Mật Trong Hệ Thống DCS

An toàn và bảo mật là những yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế và vận hành hệ thống DCS. Các hệ thống DCS ngày càng trở nên kết nối hơn, điều này làm tăng nguy cơ bị tấn công mạng. Cần có các biện pháp bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa an ninh mạng, đảm bảo tính toàn vẹn và khả năng hoạt động liên tục của hệ thống. Bảo mật DCS là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng tại các trường đại học kỹ thuật.

2.2. Tối Ưu Hóa Chi Phí và Nâng Cấp Hệ Thống DCS Cũ

Việc nâng cấp DCS là một bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp. Cần phải cân nhắc giữa chi phí đầu tư và lợi ích mà việc nâng cấp mang lại. Các giải pháp DCS hiện đại thường cung cấp khả năng tương thích ngược với các hệ thống cũ, giúp giảm chi phí và thời gian nâng cấp. Ngoài ra, việc sử dụng các công nghệ mô phỏng DCS có thể giúp đánh giá hiệu quả của việc nâng cấp trước khi triển khai thực tế.

III. Phương Pháp Lập Trình DCS Tiên Tiến Tại Đại Học Bách Khoa

Phương pháp lập trình DCS hiệu quả là yếu tố then chốt để khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng cần thiết để lập trình DCS một cách chuyên nghiệp. Việc nắm vững các ngôn ngữ lập trình chuẩn như trong IEC 61131-3 là điều kiện tiên quyết. Ngoài ra, sinh viên còn được học cách sử dụng các công cụ phần mềm DCS để thiết kế, cấu hình và kiểm tra hệ thống. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành giúp sinh viên có thể tự tin giải quyết các bài toán thực tế.

3.1. Sử Dụng Ngôn Ngữ Lập Trình IEC 61131 3 Trong DCS

IEC 61131-3 là một tiêu chuẩn quốc tế quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, định nghĩa các ngôn ngữ lập trình cho PLC và DCS. Việc sử dụng IEC 61131-3 giúp tăng tính di động của mã nguồn và giảm sự phụ thuộc vào nhà cung cấp. Các ngôn ngữ lập trình phổ biến trong IEC 61131-3 bao gồm Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST), Instruction List (IL) và Sequential Function Chart (SFC).

3.2. Phát Triển Phần Mềm HMI Human Machine Interface Cho DCS

HMI (Human-Machine Interface) là giao diện giữa người vận hành và hệ thống DCS. Một HMI được thiết kế tốt có thể giúp người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Việc phát triển phần mềm HMI đòi hỏi kiến thức về đồ họa, thiết kế giao diện người dùng và lập trình. Các công cụ phần mềm DCS thường cung cấp các thư viện đồ họa và các chức năng lập trình sẵn có để giúp người phát triển HMI tiết kiệm thời gian và công sức.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Của DCS Trong Công Nghiệp Tại Việt Nam

Ứng dụng DCS ngày càng trở nên phổ biến trong các ngành công nghiệp khác nhau tại Việt Nam, bao gồm điện lực, hóa chất, dầu khí, và sản xuất thực phẩm. Hệ thống DCS giúp các nhà máy nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí vận hành và đảm bảo an toàn. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao công nghệ DCS cho các doanh nghiệp Việt Nam. Các dự án ứng dụng DCS tại trường thường được thực hiện với sự hợp tác của các doanh nghiệp, giúp sinh viên có cơ hội làm việc với các hệ thống thực tế.

4.1. DCS Trong Nhà Máy Nhiệt Điện Kinh Nghiệm Từ Phả Lại

Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại là một trong những nhà máy đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng hệ thống DCS. Hệ thống DCS tại Phả Lại giúp điều khiển và giám sát các quá trình phức tạp trong nhà máy, từ quá trình đốt nhiên liệu đến quá trình sản xuất điện. Kinh nghiệm từ Phả Lại cho thấy rằng DCS có thể giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của nhà máy điện.

4.2. Tự Động Hóa Quá Trình Với DCS Trong Ngành Hóa Chất

Ngành hóa chất là một trong những ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và an toàn cao. Hệ thống DCS giúp tự động hóa các quá trình phức tạp trong nhà máy hóa chất, đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu rủi ro. Việc tự động hóa công nghiệp bằng DCS trong ngành này giúp giảm thiểu sai sót do con người, tăng năng suất và đảm bảo an toàn cho người lao động và môi trường.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Và Triển Vọng Phát Triển DCS Tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu và phát triển hệ thống DCS tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao năng lực tự chủ công nghệ của Việt Nam. Các luận văn DCS và tài liệu DCS được công bố đã cung cấp những kiến thức quý giá cho cộng đồng kỹ thuật. Triển vọng phát triển DCS tại Việt Nam là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Việc tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu DCS và đào tạo DCS là điều cần thiết để Việt Nam có thể cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

5.1. Đào Tạo Chuyên Gia DCS Vai Trò Của Đại Học Bách Khoa

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng vai trò then chốt trong việc đào tạo DCS và cung cấp nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành công nghiệp tự động hóa. Chương trình đào tạo được thiết kế để trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng cần thiết để trở thành chuyên gia DCS có khả năng thiết kế, triển khai và vận hành các hệ thống DCS phức tạp.

5.2. Hướng Đến Hệ Thống DCS Mở Và Nền Tảng IoT

Xu hướng phát triển của DCS trong tương lai là hướng đến các hệ thống DCS mở và tích hợp với nền tảng IoT (Internet of Things). Việc kết nối DCS với IoT cho phép thu thập và phân tích dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và cải thiện hiệu quả hoạt động. Các hệ thống DCS mở cung cấp tính linh hoạt cao hơn và dễ dàng tích hợp với các hệ thống khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) là một trong những công nghệ tự động hóa hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp lớn với quy mô phức tạp như nhà máy nhiệt điện, hóa chất, sản xuất điện năng. Theo ước tính, các nhà máy sử dụng DCS có thể nâng cao hiệu suất vận hành lên đến 20-30% so với các hệ thống điều khiển truyền thống. Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển hệ điều khiển DCS tại dây chuyền 2 của Công ty Cổ phần Nhiệt điện Phả Lại, một nhà máy nhiệt điện kiểu ngưng hơi với công suất 600MW, sản lượng điện phát đạt 3,414 tỷ KWh/năm. Mục tiêu nghiên cứu nhằm phân tích cấu trúc, chức năng và vận hành của hệ thống DCS CS3000 do hãng Yokogawa cung cấp, đồng thời xây dựng và mô phỏng dự án điều khiển hệ thống khói gió nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy của nhà máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dây chuyền 2 tại nhà máy Phả Lại, giai đoạn từ năm 1998 đến 2008, với ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện quốc gia và thúc đẩy ứng dụng công nghệ tự động hóa tiên tiến trong ngành năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hệ thống điều khiển tự động hóa, đặc biệt là hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Lý thuyết điều khiển phân tán (Distributed Control Theory): Nhấn mạnh việc phân bố chức năng điều khiển xuống nhiều bộ điều khiển khu vực (FCS), giúp tăng tính linh hoạt, độ tin cậy và giảm chi phí dây dẫn so với điều khiển tập trung. Hệ thống DCS được cấu trúc theo ba cấp chính: cấp chấp hành (sensor, actuator), cấp điều khiển (FCS), và cấp vận hành giám sát (HIS).

• Mô hình tự động hóa quá trình sản xuất đa cấp: Phân chia hệ thống tự động hóa thành 5 cấp từ cấp trường (cảm biến, chấp hành) đến cấp quản lý công ty, giúp tổ chức và quản lý hiệu quả các chức năng điều khiển và giám sát.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: sensor thông minh, bộ điều khiển Field Control Station (FCS), mạng truyền thông công nghiệp (Vnet, Ethernet), phần mềm điều khiển CENTUM CS3000, và các modul vào/ra (Nest AMN11, AMN32, AMN33, AMN51).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thực tế vận hành hệ thống DCS tại dây chuyền 2 nhà máy nhiệt điện Phả Lại, kết hợp với tài liệu kỹ thuật, báo cáo vận hành và các tài liệu tham khảo chuyên ngành. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ các trạm điều khiển FCS (12 LFCS và 2 PFCS cho mỗi khối), 5 trạm giao diện HIS cho mỗi khối, cùng các thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành liên quan.

Phương pháp phân tích sử dụng bao gồm:

• Phân tích cấu trúc hệ thống: Đánh giá chi tiết phần cứng, phần mềm và mạng truyền thông của hệ thống DCS CS3000.

• Xây dựng dự án điều khiển: Thiết kế và lập trình các chức năng điều khiển hệ thống khói gió, bao gồm lựa chọn phần cứng, xây dựng đồ họa giao diện và chỉnh định bộ điều chỉnh PID.

• Mô phỏng và vận hành thử nghiệm: Sử dụng chức năng Test Function của phần mềm CS3000 để kiểm tra trình tự hoạt động của các thiết bị như quạt khói và quạt gió chính, đồng thời thực hiện các thao tác vận hành, giám sát và thay đổi chế độ làm việc.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 1 năm, từ khảo sát thực tế, thiết kế, xây dựng đến mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc hệ thống DCS phân cấp rõ ràng: Hệ thống DCS CS3000 được phân thành 4 cấp gồm cấp chấp hành, cấp điều khiển, cấp giao diện vận hành và cấp quản lý giám sát. Mạng truyền thông Vnet và Ethernet đảm bảo tốc độ truyền tin lần lượt 10Mb/s và sử dụng giao thức TCP/IP, giúp kết nối ổn định giữa các trạm điều khiển và giao diện người máy.

2. Hiệu quả vận hành cao tại nhà máy Phả Lại: Với công suất 600MW và sản lượng điện phát 3,414 tỷ KWh/năm, hệ thống DCS đã góp phần nâng cao hiệu suất tổ máy lên 38,1%, giảm điện tự dùng xuống 7,2%, đồng thời đảm bảo vận hành an toàn và tin cậy.

3. Ứng dụng thành công phần mềm CS3000: Việc xây dựng dự án điều khiển hệ thống khói gió với các modul vào/ra Nest AMN11, AMN32 và bộ điều chỉnh PID đã giúp kiểm soát lưu lượng gió và áp lực buồng đốt hiệu quả, giảm dao động và tăng tính ổn định của quá trình.

4. Khả năng mô phỏng và giám sát trực quan: Chức năng Test Function cho phép kiểm tra trình tự làm việc của quạt khói và quạt gió chính, đồng thời thao tác vận hành qua các hộp thoại Data Entry, INC/DEC và thay đổi chế độ khối giúp người vận hành dễ dàng điều chỉnh và giám sát hệ thống trong thời gian thực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả vận hành cao là do hệ thống DCS phân tán cho phép phân bổ chức năng điều khiển gần với quá trình kỹ thuật, giảm thiểu khối lượng dây dẫn và tăng độ tin cậy. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng DCS trong các nhà máy nhiệt điện hiện đại nhằm tối ưu hóa quá trình sản xuất.

Việc sử dụng mạng truyền thông Vnet và Ethernet với giao thức chuẩn công nghiệp giúp đảm bảo tính mở và khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai. So sánh với các hệ thống điều khiển tập trung truyền thống, DCS CS3000 cho thấy ưu thế vượt trội về độ linh hoạt và khả năng xử lý các thuật toán điều khiển phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tổ máy theo thời gian, bảng thống kê số lượng trạm điều khiển và thiết bị đo lường, cũng như sơ đồ cấu trúc mạng truyền thông để minh họa rõ ràng hơn về hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp phần mềm điều khiển: Cập nhật phiên bản phần mềm CS3000 hoặc tích hợp các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển mờ, điều khiển dự báo nhằm tăng độ chính xác và hiệu quả vận hành trong vòng 1-2 năm tới, do bộ phận kỹ thuật nhà máy thực hiện.

2. Mở rộng mạng truyền thông: Triển khai thêm các mạng truyền thông dự phòng và nâng cấp băng thông Ethernet để đảm bảo tính sẵn sàng và giảm thiểu rủi ro mất kết nối, hoàn thành trong 12 tháng, phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

3. Đào tạo nâng cao cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo trì hệ thống DCS, đặc biệt là kỹ năng sử dụng các chức năng mô phỏng và giám sát, nhằm giảm thiểu lỗi vận hành, thực hiện định kỳ hàng năm.

4. Tăng cường bảo trì dự phòng: Thiết lập quy trình bảo trì dự phòng cho các khối nguồn, pin dự phòng và các thiết bị đo lường nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo hoạt động liên tục, thực hiện hàng quý bởi đội ngũ bảo trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về cấu trúc và vận hành hệ thống DCS, áp dụng vào thiết kế và phát triển các dự án tự động hóa trong công nghiệp.

2. Quản lý vận hành nhà máy nhiệt điện: Hiểu rõ về hệ thống điều khiển phân tán, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý, giám sát và bảo trì thiết bị.

3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành điện – điện tử: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển phân tán và công nghệ tự động hóa trong ngành năng lượng.

4. Nhà cung cấp và tích hợp hệ thống DCS: Tham khảo cấu hình phần cứng, phần mềm và mạng truyền thông để phát triển giải pháp phù hợp với yêu cầu khách hàng, đồng thời nâng cao chất lượng dịch vụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống DCS là gì và có ưu điểm gì so với điều khiển tập trung?
   Hệ thống DCS là hệ thống điều khiển phân tán, phân bổ chức năng điều khiển xuống nhiều bộ điều khiển khu vực, giúp tăng tính linh hoạt, giảm chi phí dây dẫn và nâng cao độ tin cậy so với điều khiển tập trung. Ví dụ, tại nhà máy Phả Lại, DCS giúp giảm khối lượng dây dẫn và tăng hiệu suất vận hành.

2. Phần mềm CENTUM CS3000 có vai trò gì trong hệ thống DCS?
   CS3000 là phần mềm điều khiển và giám sát, cung cấp giao diện người-máy, lập trình điều khiển và chức năng mô phỏng. Nó giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều chỉnh quá trình công nghệ, đồng thời kiểm tra trình tự hoạt động thiết bị qua chức năng Test Function.

3. Mạng truyền thông Vnet và Ethernet được sử dụng như thế nào trong hệ thống?
   Mạng Vnet kết nối các trạm điều khiển FCS với nhau và với giao diện HIS, sử dụng giao thức Token passing với tốc độ 10Mb/s. Mạng Ethernet kết nối cấp giám sát và giao diện vận hành, sử dụng giao thức TCP/IP, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh và ổn định.

4. Các thiết bị đo lường trong hệ thống DCS có đặc điểm gì?
   Thiết bị đo lường bao gồm cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, nồng độ khí,... được số hóa với tín hiệu chuẩn 4-20mA, có khả năng tự hiệu chuẩn và chuẩn đoán lỗi, đảm bảo độ chính xác và tin cậy cao trong quá trình vận hành.

5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống DCS?
   Có thể nâng cao hiệu quả bằng cách cập nhật phần mềm điều khiển, mở rộng mạng truyền thông, đào tạo nhân viên vận hành và tăng cường bảo trì dự phòng. Ví dụ, việc chỉnh định bộ điều chỉnh PID chính xác giúp ổn định quá trình điều khiển khói gió tại nhà máy Phả Lại.

Kết luận

• Hệ thống điều khiển phân tán DCS CS3000 tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại đã chứng minh hiệu quả cao trong vận hành và giám sát quá trình công nghệ.
• Cấu trúc phân cấp rõ ràng và mạng truyền thông công nghiệp giúp tăng tính linh hoạt, độ tin cậy và giảm chi phí bảo trì.
• Việc xây dựng và mô phỏng dự án điều khiển hệ thống khói gió đã nâng cao khả năng kiểm soát và ổn định quá trình.
• Đề xuất nâng cấp phần mềm, mở rộng mạng truyền thông và đào tạo nhân viên là cần thiết để duy trì và phát triển hệ thống.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất trong vòng 1-2 năm và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến.

Hành động ngay: Các kỹ sư và quản lý nhà máy nên áp dụng các khuyến nghị để tối ưu hóa vận hành, đồng thời cập nhật kiến thức về công nghệ DCS để nâng cao năng lực cạnh tranh trong ngành công nghiệp năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN.1 Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất và các hệ điều khiển.1 Tự động hóa quá trình sản xuất. Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất được phân chia thành nhiều cấp. Do vậy, hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất tiêu biểu thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1. Cấp Workstation, quản lý PC, Servers công ty 4.

Cấp quản lý Workstation, nhà máy PC, Servers Workstation, 3. Cấp giám sát - chỉ huy PC Controllers, 2. Cấp điều khiển PLC, CNC, PC Controllers, 1. Cấp trường (cảm biến - chấp hành) sensors, actuators Hình 1-1.

Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất 2 Đặc điểm của các cấp này như sau: Cấp thứ nhất: là cấp cảm biến – chấp hành hay cấp trường. Nó thực hiện kết nối các bộ điều khiển, cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Cấp thứ hai: là cấp điều khiển (phân xưởng) thực hiện việc điều khiển các quá trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển logic khả trình PLC, thiết bị điều khiển quá trình công nghệ trong máy điều khiển số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp. Cấp thứ ba: là cấp vận hành, giám sát chỉ huy và thực hiện chức năng vận hành giám sát và điều khiển chi huy cho quá trình công nghệ.

Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người – máy, lưu trữ các số liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất,. Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ. Cấp thứ tư: là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,.

Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng quản lý và hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hóa điều hành và quản lý sản xuất.2 Sự ra đời và phát triển của các hệ thống điều khiển Mục tiêu của hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất là để đảm bảo họat động an toàn và kinh tế. Trong hầu hết các nhà máy công nghiệp hiện nay đều có một số loại bộ điều khiển nhất định. Ở cấp độ đơn giản nhất, có thể chỉ bao gồm một động cơ điện truyền động cho một chiếc quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ trong phòng.

Ở dạng phức tạp hơn đó có thể là một lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện năng cung cấp cho nền kinh tế. Bên cạnh quy mô và độ phức tạp, tất cả các hệ thống điều khiển đều được chia ra thành ba phần theo chức năng: thiết bị đo, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành. Bộ điều khiển giám sát các thông số trạng thái của các quá trình trong nhà máy thông qua các thiết bị đo. Thiết bị đo có chức năng chuyển đổi thông tin vật lý thành tín hiệu điện và đưa vào đầu vào của bộ điều khiển.

Dựa trên trạng thái từ các đầu vào, bộ điều khiển sử dụng các thuật toán đã được chương trình hóa để tính toán cho tín hiệu ra điều khiển các cơ cấu chấp hành. Tùy thuộc yêu cầu của công nghệ, mức đầu tư và trình độ ứng dụng mà các hệ thống điều khiển khi đưa vào thực tế cũng có nhiều mức độ khác nhau. Tuy nhiên bất cứ một hệ thống điều khiển nào đều có các mục đích chung như sau: • An toàn cho con người và thiết bị trong hoạt động sản xuất • Vận hành tin cậy, kinh tế • Nâng cao chất lượng, năng suất • Tăng sản lượng Những hệ thống điều khiển đầu tiên đã ra đời trong cuộc Cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ XIX. Chức năng điều khiển được thực hiện thông qua các thiết bị cơ khí tinh xảo như các cơ cấu van chương trình, thực hiện tự động hóa cho một vài công đoạn quan trọng, phức tạp và có tính lặp đi lặp lại trong các dây chuyền.

Các thiết bị này thường được thiết kế cho từng ứng dụng cụ thể riêng biệt. Đầu thế kỷ 20 các đèn điện tử và khuếch đại điện tử bắt đầu xâm nhập vào công nghiệp đã làm cho dây chuyền sản xuất tự động đỡ cồng kềnh hơn. Thiết bị tự động 4 điển hình trong thời gian này là các bộ điều khiển dùng đèn điện tử, các thiết bị đo và điều khiển được tổ hợp là điện thế kế tự động ghi, các rơle thời gian điện tử… Vào cuối những năm 1960 đầu những năm 1970 điện tử công suất, vi mạch điện tử đặc biệt là bộ vi xử lý 4 bit, 8 bit ra đời đã thay đổi rất nhiều về các thiết bị điều khiển. Các bộ điều khiển tương tự, bộ điều khiển số, thiết bị điều khiển số lập trình 4 bit.

Nhờ tiến bộ kỹ thuật này hệ điều khiển đã có cải thiện rõ rệt, gọn nhẹ và tính năng giám sát vận hành tập trung đã bắt đầu xuất hiện. Điển hình về các công nghệ mới giai đoạn này ở Việt Nam là các dây chuyền tự động Xi măng Hoàng Thạch, giấy Bãi Bằng, nhiệt điện Phả Lại (dây chuyền 1). Vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20 do tính năng vi xử lý và vi điều khiển được nâng cao nên đã xuất hiện các thiết bị điều khiển mạch là PLC (thiết bị điều khiển logic lập trình) cho điều khiển logic. Các hệ DCS cho các thiết bị điều khiển có các mạch vòng tín hiệu liên tục.

Vào giữa thập kỷ 90 thể kỷ 20 hệ điều khiển DCS và thiết bị điều khiển PLC được kết nối với quá trình sản xuất và Trung tâm giám sát vận hành qua các đường truyền thông. Ta có hệ điều khiển tự động hoá hoàn chỉnh như ngày nay. Đến những năm cuối của thế kỷ 20 và những năm đầu của thế kỷ 21 đã chứng kiến một xu hướng mới trong quan điểm về các hệ điều khiển. Giờ đây ranh giới giữa các hệ điều khiển ngày càng bị lu mờ và ngày càng xuất hiện thêm nhiều hệ thống điều khiển mới nhằm đáp ứng như cầu của các công nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (Hybrid Control System), hệ điều khiển bằng máy tính (Computer Based),.

Những năm này cũng chứng kiến sự ra đời của hàng loạt tiêu chuẩn trong điều khiển như tiêu chuẩn về ngôn ngữ lập trình, tiêu chuẩn truyền thông, tiêu chuẩn về giao diện đã mang các hệ điều khiển lại gần nhau hơn, phá bỏ thế độc quyền của các nhà cung cấp giao diện trước đó, tạo sự thuận lợi lớn cho khách hàng. Xu thế của các hệ thống điều khiển hiện nay là giảm thiểu chi phí phần cứng, tăng cường áp dụng các thuật toán, cấu trúc điều khiển hiện đại, tiến tiến như điều 5 khiển mờ, điều khiển nơron, điều khiển theo mô hình dự báo. vào trong công nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng chất lượng và tiết kiệm năng lượng.3 Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán Có rất nhiều định nghĩa về hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều khiển, các nhà tích hợp hệ thống đều có những định nghĩa cho riêng mình về điều khiển phân tán. Các định nghĩa có sự khác nhau về cách trình bày nhưng các định nghĩa đều xuất phát từ cấu trúc phần cứng, phân bố chức năng điều khiển, quản lý, cơ sở dữ liệu, tính mở rộng, độ sẵn sàng, độ tin cậy,.

của hệ thống. Dưới góc độ của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển thì khái niệm “điều khiển phân tán” được sử dụng để phân biệt với điều khiển tập trung truyền thống. Về mặt nguyên tắc, việc điều khiển một đối tượng, một nhóm đối tượng có liên quan đến nhau hay một quá trình cần phải được xem xét dưới góc độ của hệ thống nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (hệ MIMO). Nói cách khác chiến lược điều khiển phải tập trung và cơ sở dữ liệu quá trình cần phải thống nhất để đảm bảo khả năng đáp ứng tốt nhất đối với yêu cầu công nghệ.

Tuy nhiên cách thức thực hiện chiến lược điều khiển được tập trung hóa này có nhiều phương án khác nhau và mỗi cách thực hiện có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện chiến lược điều khiển được thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm. Phương án điều khiển tập trung này có ưu điểm là hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất, tập trung và do vậy ta có thể thực hiện các thuật toán điều khiển để điều khiển quá trình công nghệ một cách tập trung và thống nhất. Nhược điểm của phương án điều khiển tập trung là khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các hệ xử lý không đáp ứng được yêu cầu tính toán của hệ thống.

Một nhược điểm nữa là trong phương án điều khiển tập trung các giá trị đo lường phải tập trung về 6 máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho công tác bảo trì và sửa chữa. Khác với phương án điều khiển tập trung, điều khiển phân tán có quá trình tính toán điều khiển là quá trình tính toán phân tán. Có nghĩa là quá trình tính toán điều khiển được thực hiện trên nhiều hệ xử lý và hệ cơ sở dữ liệu quá trình có thể tập trung hoặc phân tán trên các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất, do đó có thể phân tán được rủi ro và phân tán được tài nguyên.