CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN Ngày nay công nghệ tự động hóa và điều khiển đang phát triển mạnh mẽ gắn liền với sự phát triển của các ngành công nghiệp mũi nhọn như: năng lượng, dầu khí, hóa chất, sản xuất hàng tiêu dùng… Quy mô của các nhà máy sản xuất càng lớn thì đòi hỏi mức độ đầu tư trang thiết bị máy móc và hệ thống điều khiển cũng lớn dần theo. Một vấn đề cấp thiết đặt ra với quy mô ngày càng lớn của các hệ thống tự động hóa đó chính là tính an toàn. Hệ thống càng lớn thì đòi hỏi tính an toàn càng cao, bởi vì hệ thống càng lớn thì mức độ thiệt hại khi có sự cố xảy ra càng nhiều.
Chúng ta hãy xem qua một số tai nạn điển hình đã xảy ra: Tai nạn tại Flixobrough, Anh năm 1974 : Nổ nhà máy hóa chất khiến + 28 người chết , + 36 người bị thương nặng .1 Tai nạn tại giàn công nghệ trung tâm Piper Alpha , Anh năm 1988 Cháy và nổ giàn khoan dần đến : + 167 người chết + Thiệt hại 3. Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 6 Hình 1.2 Cháy bồn chứa dầu tại Buncefield UK , tháng 12 năm 2005 Vụ nổ xảy ra vào sang sớm khi bơm nhiên liệu đang bơm dầu vào bồn chứa. Tuy nhiên cảm biến cảnh báo bị hư nên bồn chứa phát nổ khi bị bơm vào nhiên liệu quá giới hạn. Vụ nổ đã khiến 43 người bị thương , có 2 người bị thương nghiêm trọng .3 Nổ nhà máy lọc dầu của BP tại Texas, tháng 3 năm 2005 Vụ nổ xảy ra làm 15 người chết và 170 người bị thương.
Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 7 Để hạn chế và ngăn ngừa rủi ro xảy ra các tai nạn không mong muốn như đã nêu trên. Vấn đề cấp thiết cần đặt ra là phải có những nghiên cứu nghiêm túc về tính an toàn của hệ thống nói chung và hệ thống điều khiển nói riêng, đặc biệt các nghiên cứu này phải mang tính ứng dụng cao, có thể trực tiếp đưa vào các nhà máy cơ sở sản xuất của Việt Nam hiện nay. Với thực tế là có rất nhiều cơ sở sản xuất và nhà máy được xây dựng từ lâu, việc ứng dụng này không chỉ là xây mới hệ thống mà còn phải cải tiến các hệ thống cũ đang có, tối thiểu hóa chi phí và mang lại tính an toàn cao nhất. Do đó chúng tôi quyết định chọn đề tài luận văn : Phương pháp tính toán, nâng cao và đánh giá tính an toàn (SIL) cho hệ thống điều khiển.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Hiện nay bộ tiêu chuẩn cho safety đã được xây dựng bởi tổ chức Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC- International Electrotechnical Commission ) và áp dụng trong ngành công nghiệp. Các hãng sản xuất lớn trên thế giới như Siemens, Schneider , Omron , Honeywell , Yokogawa ,. đều áp dụng và xây dựng các safety module và safety PLC cho giải pháp tự động của hãng đó. Tuy nhiên giá thành cho các module và PLC này đều rất cao, chỉ thích hợp cho các ngành công nghiệp lớn và quan trọng : nhà máy lọc dầu , giàn khoan , … Các module này chỉ áp dụng cho các thiết bị của chính hãng đó.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có tài liệu chính thức nghiên các tính chất an toàn của quá trình sản xuất và các phương pháp nâng cấp cho hệ thống sản xuất có sẵn. Đa số các công ty đang mua và áp dụng các module của các hãng nêu trên. Các cơ sở sản xuất nhỏ hoặc được xây dựng từ lâu, công nghệ đã cũ thì gần như không thể áp dụng được do giá thành quá cao. Tuy nhiên tính an toàn luôn luôn cần thiết khi sản xuất.
Do đó trong luận văn này chúng tôi đưa ra phương pháp và hướng phát triển khi tích hợp thiết bị của nhiều hãng khác nhau để nhằm đạt được chi phí giá thành thấp nhất , thỏa mãn tính an toàn để ra. Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 8 3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu về chỉ số SIL-chỉ số mức độ an toàn của hệ thống điều khiển theo tiêu chuẩn IEC 61511 và IEC 61508, để đưa ra được phương pháp tính toán, đánh giá SIL cho một hệ thống điều khiển bất kỳ, trên cơ sở đó đưa ra phương pháp để nâng cao chỉ số SIL cho hệ thống đó. Từ cơ sở đó, khi ứng dụng vào thực tiễn tại các cơ sở sản xuất có thể áp dụng để thiết kế một hệ thống điều khiển mới hoặc cải tiến và nâng cấp hệ thống cũ đang có nhằm tối ưu hóa chi phí và nâng cao tính an toàn.
NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Nghiên cứu định nghĩa safety trong hệ thống vận hành sản xuất theo tiêu chuẩn IEC 61511 , IEC 61508. Các phương pháp xác định và tính toán chỉ số SIL trong hệ thống sản xuất nhằm đánh giá tính an toàn của hệ thống công nghiệp. Nghiên cứu và đánh giá các phương án nhằm nâng cao tính an toàn cho hệ thống sản xuất. Từ đó chọn ra phương án tối ưu , có chi phí thấp nhất có thể nhưng vẫn đáp ứng được tính chất an toàn theo yêu cầu.
Xây dựng các giải thuật , thư viện phần mềm cho PLC và các thiết bị khi điều khiển nhằm tối ưu hóa tính an toàn của hệ thống khi vận hành. Áp dụng các phương pháp và giải thuật vào mô hình có sẵn nhằm nâng cao tính an toàn của mô hình khi vận hành. Đánh giá kết quả của các các phương pháp cải tiến bằng tính toán chỉ số an toàn của hệ thống trước và sau khi sử dụng các giải pháp trên. Các chỉ số này được phân tích đánh giá theo tiêu chuẩn IEC 61511 và IEC 61508.
Đưa ra các hướng phát triển tiếp theo cho các phương pháp tích hợp an toàn và phát triển bộ thư viện phần mềm thêm nhiều “function “ có thể áp dụng trong ngành công nghiệp hiện nay. Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 9 Để kiểm chứng lại lý thuyết, chúng tôi xây dựng một hệ thống điều khiển tại phòng thí nghiệm 109B3, đây là mô hình điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa mô phỏng theo các nhà máy xử lý hóa chất. Mô hình kiểm chứng lý thuyết gồm những nội dung chính sau: Một hệ thống chuyên dùng để điều khiển quá trình (PCS: process control system) có tính chất dự phòng, sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Một hệ thống chuyên dùng để bảo vệ an toàn SIS – Safety Instrumented System, với PLC được tích hợp các safety function (sử dụng PLC S7-300 để minh họa).
Xây dựng bộ thư viện safety cho PLC nhằm tăng tính an toàn cho PLC (vốn chỉ có ở các dòng safety PLC đặc thù có giá thành cao). Tóm lại nhiệm vụ trọng tâm khi xây dựng hệ thống thực tế kiểm chứng lý thuyết đó là từ hệ thống cũ đơn giản, không có chức năng bảo vệ và không an toàn xây dựng nên hệ thống mới tích hợp đầy đủ tất cả các tính năng an toàn (dự phòng, SIS, safety function) và làm sao tính toán chứng minh được hệ thống đó đảm bảo tính an toàn theo giá trị SIL mong muốn. Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 10 CHƯƠNG 2 : YẾU TỐ SAFETY TRONG CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 2.1 Định nghĩa Safety - Safety : không có mối nguy hiểm , rủi ro nào tồn tại. - Các mối nguy hiểm , rủi ro trong hệ thống kỷ thuật : o Mối nguy cơ khí o Mối nguy điện o Mối nguy hóa học o Mối nguy cháy nổ … - Các hệ quả do tại nạn : Con người Chấn thương , tử cong Ảnh hưởng gia đình , bạn bè , cộng đồng , xã hội Thị trường hoạt động Mất danh tiếng , khách hàng Ảnh hưởng tinh thần làm việc của nhân viên Tài chính Giảm năng suất sản phẩm Ảnh hưởng hư hại thiết bị Bị phạt - Các nguyên nhân của mối nguy , rủi ro : o Lỗi con người o Sai đặt tính kỹ thuật của hệ thống o Lỗi ngẫu nhiên của phần cứng o Lỗi hệ thống của phần cứng và phần mềm o Ảnh hưởng từ môi trường ( nhiệt độ , áp suất , …) 2.2 Đánh giá rủi ro - Định nghĩa rủi ro : GVHD : TS.
Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 11 Rủi ro là khả năng tồn tại và hệ quả của 1 sự cố bất lợi hoặc tai nạn. Do đó để đánh giá rủi ro ta cần xác định 2 phần chính : o Tần suất xảy ra o Hậu quả của rủi ro khi xảy ra - Quản lý rủi ro : Một hệ thống không có rủi ro hoàn toàn không tồn tại. Tuy nhiên ta có thể giảm bớt các nguy cơ rủi ro đó và tần suất xảy ra sự cố. Chúng ta cần đánh giá theo các bước sau : o Đánh giá mức độ rủi ro cho phép của hệt thống o Nhận dạng các nguy hiểm o Đánh giá nguy hiểm , rủi ro o Đánh giá khả năng và mức độ nghiêm trọng cho từng rủi ro o Xác định khi nào rủi ro nằm trong ngưỡng cho phép - Để đạt được an toàn cho hệ thống ta cần giảm mức độ rủi ro của hệ thống về ngưỡng cho phép của hệ thống (hình 2.
Quá trình giảm rủi ro ta sử dụng các lớp bảo vệ cho hệ thống. Nếu rủi ro vẫn ngoài ngưỡng cho phép, cần sử dụng thêm các lớp bảo vệ ( additional safety layer ). Inherent Risk Exist safety guard Risk residual Risk Additional safety guard Tolerable Risk Hình 2.1 Có 2 loại lớp bảo vệ của hệ thống o Lớp bảo vệ để phòng tránh các rủi ro o Lớp bảo vệ để giảm bớt các hậu quả khi rủi ro đã xảy ra GVHD : TS. Trương Đình Châu HV : Phan Thanh Hải – MS 13153062 & Hoàng Anh Tú – MS 13153069 12 Hình 2.2 Các lớp bảo vệ của hệ thống là các chức năng của thiết bị và con người nhằm giảm thiểu rủi ro cho hệ thống (hình 2.
