Hệ thống DCS

GIỚI THIỆU

DCS LÀ GÌ?

DCS – (Distributed Control System), hệ thống điều khiển phân tán là một hệ thống điều khiển cho một dây chuyền sản xuất, một quá trình hoặc bất cứ một hệ thống động học nào, trong đó các bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà được phân tán trên toàn hệ thống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển.

Đã 40 năm kể từ khi sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do Honeywell sản xuất được cho ra mắt vào năm 1975, từ đó đến nay, các sản phẩm DCS liên tục được phát triển và cải tiến, và DCS đã được ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa quá trình, xí nghiệp và tòa nhà. Bài viết sau xin được giới thiệu một số thông tin cơ bản về hệ thống điều khiển phân tán DCS, hy vọng sẽ giúp bạn đọc có một cái nhìn tổng quan về một trong những hệ thống tiêu biểu và phổ biến nhất trong lĩnh vực tự động hóa.

PHÂN LOẠI

Các hệ DCS thường được phân loại thành ba hệ sau:

1. Các hệ DCS truyền thống

Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình theo kiến trúc riêng của từng nhà sản xuất. Các hệ cũ thường đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp, các bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp các thiết bị điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller). Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự lẫn điều khiển logic (hybrid controller).

2. Các hệ DCS trên nền PLC

Thiết bị điều khiển khả trình (PLC) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, do nhà phát minh người Mỹ Dick Morley sáng chế vào năm 1968. Hầu hết các PLC hiện đại không chỉ có thể thực hiện các phép tính logic đơn giản, mà còn có khả năng làm việc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, các thuật toán điều khiển phản hồi. PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phân tán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại.

3. Các hệ DCS trên nền PC

Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) làm thiết bị điều khiển đã trở nên phổ biến. Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình (PLC) và các bộ điều khiển DCS đặc chủng thì thế mạnh của PC chính là tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, cũng như giá thành cạnh tranh.

THÀNH PHẦN CHÍNH

Một hệ điều khiển phân tán DCS bao gồm các thành phần chính sau:

(1) Trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn được gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá trình (process station, PS). Các trạm điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển cho một công đoạn. Các trạm này thường được đặt trong phòng điều khiển hoặc phòng điện ở cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện trường.

(2) Trạm vận hành (operator station, OS) được đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng.

(3) Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người – máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường.

(4) Hệ thống truyền thông gồm bus trường (field bus) và bus hệ thống (system bus). Bus trường có chức năng ghép nối trạm điều khiển với các trạm vào/ ra phân tán và các thiết bị trường thông minh, còn bus hệ thống sẽ nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với các trạm vận hành, trạm kỹ thuật.

Ngoài các thành phần chính trên, một hệ DCS cụ thể có thể bao gồm các thành phần khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng, v.v..

ƯU THẾ

Hệ thống DCS ngày nay được phát triển với 4 ưu thế lớn là:

1. Mức điều khiển cao

Hầu hết các hệ thống DCS đều bao gồm các bộ điều khiển, hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp. Do đó, DCS có khả năng quản lý được rất nhiều điểm vào/ra.

2. Cấu hình linh hoạt

Nhờ khả năng dự phòng kép ở tất cả các thành phần, DCS có khả năng thay đổi các chương trình, thay đổi cấu trúc của hệ hay thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn hay khởi động lại quá trình.

3. Tỷ lệ lỗi thấp

Theo thiết kế, các hệ DCS thường có hệ thống mở, khả năng tích hợp cao với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập. Vì vậy, DCS có tỷ lệ lỗi thấp, nhờ đó, việc điều khiển trong các nhà máy hay xí nghiệp sẽ vừa tiết kiệm chi phí, vừa dễ bảo trì và vận hành.

4. Tính sẵn sàng và độ tin cậy

Các hệ điều khiển phân tán DCS hiện đại đều có các cơ chế dự phòng, an toàn, khởi động lại khi xảy ra sự cố cũng như các chế độ bảo trì, chẩn đoán và chỉ thị lỗi. Bên cạnh đó, các hệ DCS cũng cho phép người sử dụng cài đặt các chế độ bảo mật để hạn chế, kiểm soát quyền truy nhập dữ liệu và điều khiển.

PHÂN BIỆT SCADA VÀ DCS

Trong quá khứ, SCADA và DCS là hai hệ thống riêng biệt; tuy nhiên, với sự phát triển công nghệ ngày nay, hai hệ thống này đôi khi cũng có những điểm tương đồng và nhiều người có thể nhầm lẫn chúng. Để phân biệt SCADA và DCS, chúng ta cần chú ý tới ba điểm sau của mỗi hệ thống:

(1) Mục tiêu: một hệ DCS thường hướng tới quá trình, còn SCADA hướng tới thu thập dữ liệu. DCS tập trung vào quá trình kiểm soát và việc đưa thông tin tới người quản lý. Trái lại, SCADA tập trung chủ yếu vào trung tâm điều khiển và bản thân người quản lý. Các thiết bị điều khiển từ xa của hệ SCADA chủ yếu được dùng để thu thập thông tin, mặc dù chúng có thể thực hiện các quá trình điều khiển phức tạp và đa dạng hơn.

(2) Chức năng: trong một hệ DCS, hệ thống điều khiển có vòng điều khiển quy trình khép kín tại thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) hoặc các khối điều khiển logic khả trình (PLC). Tuy nhiên, vòng điều khiển quy trình khép kín này không có ở SCADA. Thay vào đó, SCADA sử dụng giao diện người – máy (HMI), sử dụng con người như là hệ thống điều khiển kiểm soát.

(3) Kết nối: trạm vận hành của DCS thường được kết nối với các trạm vào/ ra thông qua mạng cục bộ và bus trường. Người quản lý sẽ đưa ra yêu cầu trực tiếp với trạm vào/ ra khi cần lấy thông tin. Điều này có nghĩa là các sự kiện trường có thể trực tiếp làm gián đoạn hệ thống và thực hiện lệnh của nhà quản lý. Nhưng đối với SCADA, một khi đường truyền gặp lỗi, hệ thống phải thực hiện theo trình tự. Tóm lại, DCS được điều khiển theo xu hướng quá trình, trong khi SCADA là điếu khiển theo sự kiện.

CÁC HÃNG

ABB

ABB giữ vững vị trí dẫn đầu thị phần trên toàn thế giới năm 2012 trong lĩnh vực điều khiển

Ngày 7 tháng 10 năm 2013, trong nghiên cứu mới nhất về Hệ thống điều khiển phân tán trên toàn cầu, Tập đoàn tư vấn ARC (www.arcweb.com) đã khẳng định ABB vẫn tiếp tục giữ vị trí dẫn đầu trên thế giới trong thị trường tự động hóa chủ chốt tính theo tổng thu nhập. Theo nghiên cứu này, thị trường Hệ thống điều khiển phân tán toàn cầu năm 2012 tăng trưởng ở mức độ vừa phải, với khu vực phát triển nổi trội nằm ở Bắc Mỹ và khu vực châu Mỹ La tinh. Xét trên toàn cầu, thị trường này tăng 3%, trong khi riêng khu vực Bắc Mỹ đạt mức tăng trưởng gần 18%.

Báo cáo của ARC cho biết có nhiều yếu tố góp phần vào sự tăng trưởng của khu vực châu Mỹ trong năm 2012. Sự hồi phục toàn diện của nền kinh tế Bắc Mỹ cao hơn các khu vực khác trên thế giới đã góp phần vào thành công này, trong đó có sự tăng cường áp dụng công nghệ mới trong lĩnh vực sản xuất dầu khí và các dự án mở rộng trong lĩnh vực hóa dầu trong khu vực.

Xét trên toàn cầu, giá dầu khí và một số sản phẩm khác vẫn được duy trì ở mức có thể cân nhắc cho việc đầu tư mới vào sản xuất. Các dự án phát điện tái khởi động, đặc biệt là những dự án khí đốt chu trình hỗn hợp, cũng đã làm cho nhu cầu về Hệ thống điều khiển phân tán tăng lên.

Ông Harry Forbes, Chuyên viên phân tích tại ARC và là tác giả của báo cáo, cho biết: “Sự chú trọng của ABB vào nhu cầu về năng lượng và những ngành tiêu thụ nhiều năng lượng như dầu khí, dân dụng và khai thác mỏ đã thúc đẩy ABB phát triển công nghệ để tích hợp cơ sở hạ tầng hệ thống điện và các hệ thống tự động hóa. Chính điều này đã giúp ABB củng cố vị trí của họ trên thị phần của họ trên toàn cầu”. Ông còn cho biết thêm: “Đối với khách hàng công nghiệp, lợi ích thu được là một tầm nhìn lớn hơn trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả ,tốt hơn trong tích hợp hệ thống và ứng dụng tự động hóa trong vận hành.

Cũng theo báo cáo, đánh giá trên doanh thu, ABB nằm trong nhóm dẫn dầu về thị phần trong khu vực Mỹ La tinh, và Châu Âu/Trung Đông/Châu Phi (EMEA), duy trì vị trí dẫn đầu thị trường toàn cầu cho cả hai lĩnh vực dịch vụ và kỹ thuật phần mềm và là công ty đứng đầu thế giới trong các ngành dọc quan trọng bao gồm dầu khí, khai thác mỏ và kim loại, giấy và bột giấy.

Bản báo cáo cũng lưu ý rằng DCS đã, đang và sẽ tiếp tục là lĩnh vực kinh doanh dịch vụ kỹ thuật chủ yếu, với các dự án phối hợp kỹ thuật và vận hành sẽ đóng góp quá nửa tổng doanh thu của dự án. Tình trạng thiếu kỹ sư có trình độ sẽ góp phần vào nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này. Việc sử dụng công nghệ thông tin mới, chẳng hạn như ảo hóa và các cổng thông tin hợp tác, giúp cho các nhà hầu EPC và các công ty sử dụng sản phẩm có khả năng tiếp cận các nhóm kỹ sư tài năng trên toàn thế giới cho các dự án mang tính toàn cầu.

“Với kiến thức chuyên sâu về tự động hóa công nghiệp, đội ngũ kỹ sư rộng khắp toàn cầu, chúng tôi đã giúp khách hàng vận hành và quản lý thành công các dự án DCS, cho dù dự án đó ở khu vực nào và mức độ phức tạp tới đâu. Nhóm các chuyên gia của chúng tôi giúp khách hàng mở rộng phạm vi vận hành hoặc nâng cấp hệ thống hiện tại của họ để đạt kết quả tối đa với gián đoạn tối thiểu” ông Sandy Taylor, Giám đốc marketing và bán hàng của ban Tự động hóa công nghiệp của ABB cho biết. “Chúng tôi cung cấp các giải pháp tự động DCS đa dạng để nâng cao hiệu quả và an toàn cho bất kỳ nhà máy với quy mô nào, với khả năng tích hợp quy trình, điện hóa, an toàn và hệ thống của của bên thứ ba trên cùng một nền tảng.”

Tổ hợp các giải pháp DCS của ABB bao gồm hệ thống 800xA Extended tiêu biểu, hệ thống điều khiển Symphony Plus, hệ thống điều khiển Freelance cho các ứng dụng từ cỡ nhỏ tới cỡ trung, cũng như các hệ thống điều khiển trước đây. Tất cả các hệ thống điều khiển ABB đều cho phép nâng cấp tới hệ thống cao hơn với công nghệ tiên tiến hơn và đảm bảo tính hiệu quả trong đầu tư hệ thống. ABB cũng cung cấp danh sách ứng dụng và dịch vụ công nghiệp phong phú để bổ sung cho những hệ thống điều khiển cốt lõi này.