CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 1. Lịch sử phát triển hệ thống tự động hóa Nửa cuối của thế kỷ 20 nhân loại chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Thừa hưởng những thành tựu to lớn của công nghệ điện tử, công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, tự động hóa đã có những bước phát triển nhảy vọt. Nếu như trước kia người ta chỉ thực hiện được tự động hóa từng máy riêng rẽ thì ngày nay người ta thực hiện tự động hóa cả quá trình công nghệ và cao hơn nữa là tự động hóa cả quá trình sản xuất.
Tự động hóa đã đem lại hiệu quả to lớn: nâng cao chất sản phẩm, năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Vì vậy, ngày nay tự động hóa ngày càng được ứng hầu hết trong mọi lĩnh vực công nghiệp. Một số khái niệm cơ bản 1. Khái niệm quá trình kỹ thuật Định nghĩa 1: Một quá trình kỹ thuật là một quá trình trong đó vật liệu, năng lượng, thông tin là thay đổi trạng thái của nó.
Trạng thái này sẽ chuyển đổi từ một trạng thái ban đầu đến một trạng cuối cùng.1: Sơ đồ quá trình kỹ thuật theo định nghĩa 1 Định nghĩa 2: DIN 66201 – Viện tiêu chuẩn Đức. Một quá trình là tổng thể tất cả các quá trình tương tác lẫn nhau trong một hệ thống mà hệ thống đó biến đổi và lưu trữ vật chất, năng lượng hay thông tin. Một quá trình kỹ thuật là một quá trình mà trong đó các tham số vật lý của nó được lưu lại và bị tác động bởi các công cụ kỹ thuật. Trang 6 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D Hình 1.2: Sơ đồ quá trình kỹ thuật theo định nghĩa 2 1.
Khái niệm tự động hóa Tự động hóa = tự động hóa một quá trình kỹ thuật. Hệ thống tự động hóa = Hệ thống kỹ thuật ứng với quá trình trình kỹ thuật + Máy tính và hệ thống truyền thông + Người vận hành quá trình. Thành phần và cấu trúc của hệ thống tự động hóa 1. Cấu trúc hệ thống tự động hóa Trang 7 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa 1.
Thành phần của hệ thống tự động hóa Giao diện quá trình: các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu. Trang 8 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D Thiết bị điều khiển tự động: các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ bộ điều khiển số PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng. Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp. Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm – điểm (point to point), bus trường, bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ: các thiết bị bảo vệ và cơ chế thực hiện chức năng an toàn hệ thống. Mô hình phần cấp hệ thống tự động hóa Hình 1.4: Mô hình phân cấp hệ thống tự động hóa Cấp chấp hành: Trang 9 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D Chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị thông minh cũng có thể đảm nhiệm việc xử lý thô 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 cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành.
Cấp điều khiển giám sát: Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, đảm bảo an toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát 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. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát 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,.
Cấp điều hành sản xuất: Cấp này có nhiệm vụ đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản xuất, bảo dưỡng máy móc, đưa ra các giải pháp tối ưu để người điều khiển lựa chọn. Cấp quản lí công ty: Là cấp cao nhất của một công ty sản xuất công nghiệp, tính toán giá thành, lãi suất, thống kê số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý đơn hàng, kế hoạch tài nguyên của công ty. Mạng truyền thông công nghiệp trong hệ thống tự động hóa 1. Vai trò và ý nghĩa Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất cứ một giải pháp tự động hóa nào. Một bộ điều khiến cần được ghép nối với các cảm Trang 10 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D biến và cơ cấu chấp hành. Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiến phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất. Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất điều khiển.
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc điểm là bus trường để thay thế cách nối điểm- điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích sau: Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất. Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kể hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phỉ đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt. Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: khi dùng phương pháp truyền thông tín hiệu tương tự cố điển, tác động của nhiểu dễ làm thay đối nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết.
Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thể nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đối qua lại tương tự số và số tương tự nâng cao độ chính xác thong tin. Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống. Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tể tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hảng khác nhau.
Việc thay thể thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác các thành phần được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn. Đơn giản hóa, tiện lợi, chuẩn hóa,chuẩn đoán,định vị lỗi, sự cố các thiết bị : với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá trinh, mà còn có thể gửi cho các dữ liệu trạng thái, dữ liệu cánh báo và dữ liệu chuẩn đoán. Các thiết bị có khả năng tích hơp khả năng chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau.
Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉ định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua trạm kỹ thuật trung tâm. Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống. Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiến mới như điều Trang 11 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D khiến phân tán, điều khiến phân tán với thiết bị trường, điều khiến giẩm sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiến và giảm sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty. Có thể nói, mạng truyền thông công nghiệp đã làm thay đổi hẳn tư duy về thiết kế và tích hợp hệ thống.
Ưu thế của giải pháp dùng mạng truyền thông công nghiệp nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ở phương diện hiệu quả kinh tế. Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh lực công nghiệp, như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, tự động tòa nhà, điều khiển giao thông. Trong điều khiển quá trình , các hệ thống bus trường đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4- 20 mA. Trong các hệ thống tự động hóa xí nghiệp hoặc tự động hóa tòa nhà, một số lượng các phần tử trung gian được bỏ qua nhờ các hệ bus ghép nối trực tiếp các thiết bị cảm biến và chấp hành.
Nói tóm lại, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu được trong việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại. Mô hình phân cấp mạng truyền thông Tương ứng với năm cấp chức năng của hệ thống tự động hóa là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ bus thường được dùng thay cho mạng.5: Mô hình phân cấp mạng truyền thông. Bus trường, bus thiết bị: Trang 12 GVHD: Th.s Huỳnh Trung Cang Đồ án học phần D Bus trường được dùng để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC hay PLC) với các thiết bị ở cấp chấp hành hay các thiết bị trường như các distributed I/O, thiết bị đo (sensor, transducer, transmitter) hay cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông.