277 lượt xem
Hệ thống DCS (Distributed Control System) là một phần không thể thiếu trong quy trình tự động hoá công nghiệp hiện đại. Với khả năng phân tán chức năng điều khiển, DCS đảm bảo hiệu suất và an toàn cho các quy trình sản xuất. Trong bài viết sau đây, hãy cùng Luci tìm hiểu khái niệm, chức năng, cũng như ưu, nhược điểm của một hệ thống DCS.
1. Hệ thống DCS là gì?
Hệ thống điều khiển phân tán DCS, viết tắt của Distributed Control System, là một hệ thống tự động hóa được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp để giám sát và điều khiển các thiết bị và quy trình phân tán.
Hệ thống DCS hoạt động bằng cách sử dụng một mạng lưới các thiết bị cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị đầu ra phản hồi để tự động điều chỉnh các thông số quan trọng như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và hàm lượng chất trong môi trường phân tán.
Mỗi thiết bị trong hệ thống DCS, từ cảm biến đến bộ điều khiển, được kết nối với nhau thông qua một mạng lưới truyền thông. Sau đó, thông tin từ các cảm biến được chuyển đến bộ điều khiển trung tâm, đây chính là nơi mà các thuật toán và logic điều khiển được thực thi.
Dựa trên dữ liệu thu thập được từ cảm biến và các thông số được thiết lập trước, hệ thống DCS tự động ra quyết định và tương tác với các thiết bị đầu ra như van điều khiển, máy bơm, hoặc các thiết bị khác để điều chỉnh quá trình phân tán sao cho đạt được các mục tiêu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Vai trò quan trọng nhất của hệ thống DCS là khả năng phân phối các chức năng điều khiển và giám sát trên nhiều điểm trong quy trình sản xuất. Điều này giúp nhà máy tối ưu hóa quá trình sản xuất, tăng cường độ tin cậy và linh hoạt, và giảm thiểu nguy cơ sự cố. Hơn nữa, hệ thống DCS thường có giao diện đồ họa dễ sử dụng, cho phép người dùng giám sát và điều khiển quy trình sản xuất một cách hiệu quả.
2. Phân loại hệ thống DCS
Bên cạnh khái niệm DCS là gì, chúng ta cùng cần quan tâm đến việc hệ thống DCS được phân loại như thế nào? Hiện nay, các hệ thống DCS được phân loại dựa trên nền tảng hoạt động của chúng, cụ thể chúng được chia làm 3 loại gồm: hệ thống DCS truyền thống, hệ thống DCS trên nền PLC, và hệ thống DCS trên nền PC.
2.1. Hệ thống DCS truyền thống
Các hệ thống DCS truyền thống thường được tạo ra dưới dạng các module điều khiển phát triển và nhúng vào bởi các nhà sản xuất máy móc. Chúng thường được thiết kế như các hệ thống kín, không tuân thủ các chuẩn giao tiếp công nghiệp hiện đại và các bộ điều khiển thường chỉ chịu trách nhiệm cho việc điều khiển quy trình. Do đó, trong một số trường hợp, cần phải kết hợp với hệ thống DCS trên nền PLC để xử lý các tác vụ điều khiển logic và điều khiển trình tự.
Các hệ thống mới sau này thường có tính linh hoạt và mở rộng tốt hơn, một số cũng có khả năng điều khiển lai. Chúng có khả năng đảm nhận các chức năng điều khiển quy trình, điều khiển trình tự và điều khiển logic (hybrid controller).
Ngày nay, với sự phát triển công nghệ vượt bậc của các hệ thống DCS, các hệ thống truyền thống này dần được cải tiến hoặc thay thế để đáp ứng được nhu cầu điều khiển hệ thống hiện đại của các nhà máy.
2.2. Hệ thống DCS trên nền PLC
Thiết bị điều khiển logic lập trình (PLC, programmable logic controller) có thể được xem như là một dạng máy tính điều khiển chuyên dụng. Với cấu trúc linh hoạt của các cổng in/out, nguyên tắc hoạt động đơn giản, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ mà không cần can thiệp trực tiếp vào phần cứng, điều này làm cho PLC tương thích tốt với hệ thống DCS.
Một số hệ thống DCS tiêu biểu hoạt động dựa trên nền PLC là SattLine (ABB), Process Logix (Rockwell), PCS7 (Siemens),…
2.3. Hệ thống DCS trên nền PC
Trong thời gian gần đây, việc sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển đã trở nên rất phổ biến. So với các bộ điều khiển PLC và DCS chuyên biệt, giải pháp này mang lại cho nhà máy nhiều ưu điểm, bao gồm:
- Tính năng mở
- Khả năng lập trình linh hoạt
- Hiệu suất tính toán cao
- Đa chức năng
- Tính kinh tế
Ngoài ra, sự phát triển của công nghệ máy tính, phần mềm công nghiệp và công nghệ bus trường đã giúp củng cố vị thế cạnh tranh của PC trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp.
3. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển phân tán DCS
Cấu trúc của một hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) bao gồm một mạng lưới các thiết bị và bộ điều khiển được phân bố khắp các điểm trong quy trình sản xuất. Mỗi thiết bị này thường bao gồm các cảm biến để thu thập dữ liệu về các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và hàm lượng chất, cũng như các thiết bị đầu ra như van điều khiển hoặc máy bơm để thực hiện các hành động điều chỉnh. Cụ thể:
3.1. Trạm điều khiển cục bộ
Trạm điều khiển cục bộ đôi khi được biết đến dưới các tên gọi khác như khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc trạm quá trình (process station, PS).
Các nhiệm vụ mà trạm điều khiển cục bộ thực hiện bao gồm:
- Điều khiển quá trình: Điều khiển các thông số trong các mạch vòng kín như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v….
- Điều khiển trình tự
- Điều khiển logic
- Thiết lập tín hiệu đầu ra để bảo đảm an toàn khi hệ thống gặp sự cố
- Lưu trữ tạm thời các tín hiệu xử lý trong trường hợp mất kết nối với trạm vận hành
- Phát hiện và thông báo về các giá trị vượt ngưỡng
Bất kể loại thiết bị nào được sử dụng, trạm điều khiển cục bộ cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật quan trọng như:
- Tính năng thời gian thực
- Độ tin cậy và sẵn sàng hoạt động
- Giao diện lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng và cài đặt các thuật toán phức tạp
- Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)
Thông thường, trạm điều khiển cục bộ được đặt tại phòng điều khiển hoặc phòng điện gần khu vực điều khiển trung tâm hoặc được phân bố gần các vị trí hiện trường.
3.2. Trạm vận hành hệ thống DCS
Trạm vận hành thuộc cấp điều khiển giám sát, thường đặt tại phòng điều khiển trung tâm, có khả năng hoạt động đồng thời và độc lập với nhau. Thông thường, mỗi trạm vận hành được sắp xếp tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng để dễ dàng điều khiển.
Tuy nhiên, phần mềm chạy trên tất cả các trạm thường là giống nhau, do đó, khi cần thiết, mỗi trạm có thể thay thế chức năng của các trạm khác.
Các chức năng chính của một trạm vận hành bao gồm:
- Hiển thị các hình ảnh chuẩn như hình ảnh tổng quan, hình ảnh của từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, và các biểu đồ thời gian thực
- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do như lưu đồ công nghệ và các nút điều khiển.
- Tạo và quản lý các công thức điều khiển.
- Xử lý sự kiện và sự cố.
- Lưu trữ và quản lý dữ liệu.
- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống.
- Hỗ trợ việc tạo báo cáo tự động.
3.3. Trạm kỹ thuật – phát triển hệ thống DCS
Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển hệ thống DCS, cho phép người dùng thiết lập cấu hình, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy cho hệ thống.
Một số đặc điểm tiêu biểu của các công cụ phát triển trên trạm kỹ thuật bao gồm:
- Không yêu cầu phần cứng DCS trực tiếp tại chỗ để phát triển.
- Sử dụng các ngôn ngữ lập trình phổ biến như sơ đồ khối hàm (FBD – Function Block Diagram) hoặc CFC (Continuous Function Chart).
- Trong một số hệ thống, không có sự phân biệt rõ ràng giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuật, thay vào đó, người dùng sử dụng một bàn phím có khóa chuyển đổi giữa hai chế độ vận hành và phát triển.
3.4. Hệ thống truyền thông
Khi áp dụng cấu trúc in/out phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được mở rộng bằng cách thêm các module giao diện bus để kết nối với các trạm in/out từ xa và một số thiết bị trường thông minh.
Các bus trường thường phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tính năng hoạt động theo thời gian thực.
- Đơn giản và chi phí thấp.
- Đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt đối với môi trường dễ cháy nổ, bao gồm: chuẩn truyền dẫn, vật liệu cáp và tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp truyền, v.v…
Các loại bus trường truyền thông được ưa chuộng nhất bao gồm Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong các môi trường yêu cầu an toàn về cháy nổ, Profibus-PA và Foundation Fieldbus là hai hệ thống được sử dụng phổ biến nhất.
4. Hệ thống DCS có những chức năng nào?
Đồng thời với việc tìm hiểu về hệ thống DCS là gì, nhiều người vận hành nhà máy cũng quan tâm đến các chức năng do hệ thống DCS thực hiện. Chức năng chính và quan trọng nhất của DCS là điều khiển toàn bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy. Chức năng điều khiển này được thực hiện bởi các thiết bị điều khiển, thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển.
4.1. Thực hiện chức năng điều khiển trong nhà máy
Hệ thống phân tán DCS thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy. Các thành phần thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản trong DCS được gọi là các “khối hàm” (Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho một phần nhỏ nhất trong bài toán điều khiển. Thiết kế chức năng điều khiển thực chất là việc kết hợp các khối hàm lại với nhau một cách phù hợp.
- Chức năng thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: Tự động điều chỉnh phản hồi cho các vòng của các quá trình liên tục. Các khối PID là thành phần chính tham gia vào chức năng này, cùng với các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu in/out và các khối hàm toán học.
- Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Áp dụng cho các công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp trong nhà máy. Chức năng này không chỉ điều khiển từng công đoạn một mà còn quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống.
- Chức năng thực hiện các bài toán phức tạp: hệ thống DCS thường được áp dụng trong các nhà máy có quy mô lớn, sử dụng công nghệ hiện đại và phức tạp. Do đó, cần có những thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm nguyên liệu.
4.2. Thực hiện chức năng vận hành và giám sát
Hệ thống DCS cho phép hiển thị toàn bộ các quy trình và thiết bị trong nhà máy một cách trực quan và sinh động trên màn hình, đồng thời, cung cấp các giao diện vận hành và giám sát.
Hệ thống DCS đã phân loại, sắp xếp và diễn giải các thông tin dưới nhiều hình thức khác nhau nhằm tối ưu hóa trải nghiệm cho người vận hành. Ngoài việc quan sát trực tiếp các biến quá trình, người vận hành cũng có thể theo dõi thông qua các đồ thị, giúp họ so sánh, đánh giá chất lượng điều khiển và đưa ra quyết định điều chỉnh.
Bên cạnh các chức năng điều khiển và giám sát trạng thái, việc cung cấp cảnh báo và gợi ý xử lý cũng là một yêu cầu không thể thiếu trong hệ thống DCS. Các cảnh báo được phân thành nhiều cấp độ khác nhau, bao gồm: cảnh báo nguy cơ (Warning), báo động (Alarm), và báo lỗi (Failure).
Hơn nữa, để hỗ trợ công việc giám sát và quản lý, hệ thống DCS cung cấp các báo cáo cho từng biến quá trình và các khu vực quan trọng theo định kỳ hoặc theo yêu cầu. Các báo cáo này thường bao gồm việc thu thập, hiển thị và in ra các thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống, báo cáo về các cảnh báo, tín hiệu vào/ra và các trạng thái, cũng như báo cáo về lịch sử làm việc, các lỗi và sự cố xuất hiện trong hệ thống.
Ngoài ra, chức năng an toàn hệ thống (Security) được cung cấp để ngăn chặn các lỗi trong vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống. DCS cung cấp khả năng phân chia quyền truy cập vào hệ thống từng thiết bị và khối hàm cụ thể. Điều này cho phép đặt nhiều mức độ bảo mật an toàn khác nhau từ cấp các khu vực đến từng thiết bị trong nhà máy, vì vậy, mỗi người vận hành chỉ có quyền hạn và trách nhiệm trong một khu vực nhất định.
5. Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống DCS
5.1. Ưu điểm của DCS
Hệ thống DCS mang lại nhiều lợi ích đáng kể trong việc điều khiển và giám sát các quy trình công nghiệp. Cụ thể:
- Khả năng điều khiển cao: Một trong những ưu điểm lớn nhất của DCS là khả năng phân tán, cho phép nó hoạt động trên nhiều trạm điều khiển cục bộ và kết nối các thiết bị từ xa một cách linh hoạt. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và giảm thiểu thời gian gián đoạn sản xuất.
- Cấu hình linh hoạt: Hệ thống DCS cũng được thiết kế để dễ dàng mở rộng và cải tiến theo nhu cầu, cho phép tích hợp các chức năng mới và thiết bị mới một cách hiệu quả. Điều này cung cấp cho người vận hành giao diện sử dụng linh hoạt và trực quan, giúp họ dễ dàng giám sát và điều khiển quy trình sản xuất.
- Tỷ lệ lỗi thấp: Hệ thống DCS có khả năng tích hợp các chức năng phức tạp như điều khiển tự động, thu thập dữ liệu và phân tích thông tin trong một nền tảng duy nhất. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của nhà máy.
- Độ tin cậy cao: Hệ thống DCS thường đi kèm với các tính năng bảo mật cao, bao gồm khả năng kiểm soát truy cập và bảo vệ dữ liệu quan trọng, giúp bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa mạng và các cuộc tấn công từ bên ngoài. Điều này rất quan trọng trong môi trường công nghiệp nơi an toàn và tin cậy của hệ thống là yếu tố hàng đầu.
5.2. Nhược điểm của DCS
Mặc dù hệ thống DCS đem lại nhiều lợi ích trong việc điều khiển và giám sát quy trình công nghiệp, nhưng cũng tồn tại một số hạn chế cần xem xét. Cụ thể:
- Chi phí ban đầu cao: Đây là một trong những nhược điểm cần lưu ý. Chi phí ban đầu đầu tư vào việc triển khai hệ thống DCS có thể khá cao. Việc mua sắm, cài đặt và tích hợp các thiết bị và phần mềm, cũng như đào tạo nhân viên về việc sử dụng hệ thống có thể đòi hỏi một khoản đầu tư đáng kể.
- Phức tạp trong vận hành và bảo trì: Việc cấu hình và vận hành hệ thống DCS có thể đòi hỏi sự chuyên môn cao và đào tạo đặc biệt. Nếu không được quản lý và bảo trì đúng cách, hệ thống DCS có thể trở nên khó duy trì và gây ra sự cố không mong muốn trong quá trình sản xuất.
- Phụ thuộc vào nhà cung cấp: Một vấn đề khác là tính linh hoạt hạn chế của hệ thống DCS trong việc mở rộng và tích hợp với các thiết bị và hệ thống mới. Mặc dù có thể có các giải pháp mở rộng, tích hợp với các thiết bị và hệ thống mới, tuy nhiên, việc này đòi hỏi doanh nghiệp phải đầu tư nhiều công sức, chi phí, cũng như phụ thuộc vào kỹ thuật của nhà cung cấp DCS.
- Rủi ro an ninh mạng: Do cần phải được kết nối liên tục với sự kết nối liên tục với mạng Internet và các hệ thống thông tin khác, hệ thống DCS có thể trở thành mục tiêu của các cuộc tấn công mạng, đe dọa an ninh thông tin và an toàn của các dữ liệu quan trọng trong quá trình sản xuất.
6. Phân biệt hệ thống DCS và SCADA
Hệ thống DCS (Distributed Control System) và SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đều là hai loại hệ thống được sử dụng để điều khiển và giám sát quy trình công nghiệp, tuy nhiên, giữa chúng có tồn tại những điểm khác biệt quan trọng.
.
6.1. Phân biệt dựa trên quan điểm, khái niệm
Hệ thống DCS là một giải pháp tích hợp hoàn chỉnh, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, công nghệ và giải pháp từ một nhà sản xuất cụ thể. DCS thường được sử dụng trong các môi trường công nghiệp có các quy trình phức tạp như công nghiệp lọc dầu, hóa dầu hoặc nhiệt điện, nơi mà tín hiệu analog chiếm ưu thế. DCS có sự chuẩn bị trước cho các dự án thông qua các mẫu có sẵn, tuy nhiên, việc điều chỉnh hoặc mở rộng hệ thống DCS có thể gặp khó khăn và yêu cầu sự can thiệp chuyên môn cao.
So với DCS, SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) thường linh hoạt hơn và dễ dàng mở rộng hơn, cho phép người dùng tùy chỉnh và thêm các chức năng mới một cách dễ dàng hơn. SCADA thường được sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và tập trung vào việc giám sát và thu thập dữ liệu.
Tính chất kinh doanh và bảo mật của DCS thường được giữ kín và có sự phụ thuộc vào các nhà sản xuất nước ngoài từ thiết kế, triển khai, đến vận hành và bảo trì. Trong khi đó, SCADA thường phổ biến hơn và dễ tiếp cận hơn bởi tính mở của nó. Điều này tạo ra sự khác biệt về cấu trúc, quy mô và tính linh hoạt giữa hai loại hệ thống này, và cả hai đều được sử dụng phù hợp với các ứng dụng và môi trường cụ thể của chúng.
6.2. Phân biệt dựa trên lập trình và triển khai hệ thống
6.2.1. Các bước lập trình cho một hệ thống SCADA
Các bước lập trình cho một hệ thống SCADA bao gồm:
- Xây dựng bảng ánh xạ từ sơ đồ công nghệ (P&ID) giữa các biến trong PLC và phần mềm SCADA bởi các kỹ sư lập trình.
- Lập trình điều khiển cho PLC dựa trên bảng nguyên lý điều khiển đã thiết kế, sử dụng chủng loại PLC được lựa chọn dựa trên các tiêu chí của dự án.
- Cấu hình và lập trình cho các Remote I/O được thực hiện bởi các kỹ sư.
- Cấu hình cho các thiết bị trường được thực hiện bởi nhóm kỹ sư khác.
- Lập trình ứng dụng SCADA sử dụng công cụ được chọn dựa trên các tiêu chí khác nhau của dự án, thực hiện bởi nhóm kỹ sư SCADA.
- Kiểm tra lại kết nối giữa các quan hệ SCADA – PLC – Remote I/O – Thiết bị trường được thực hiện bởi tất cả các nhóm kỹ sư.
6.2.2. Các bước lập trình cho một hệ thống DCS
Các bước lập trình cho một hệ thống DCS bao gồm:
- Hệ thống DCS được tổ chức bởi một máy chủ DCS và nhiều máy kỹ thuật khác.
- Toàn bộ hệ thống DCS, bao gồm phần cứng, phần mềm, công nghệ và truyền thông, đều được cung cấp bởi một nhà sản xuất duy nhất.
- Các kỹ sư sẽ tạo ra một dự án tổng thể, trong đó bao gồm cả chương trình PLC và SCADA được liên kết một cách chặt chẽ.
- Sau khi hoàn tất lập trình dự án, các chương trình điều khiển sẽ được tải vào PLC, chương trình SCADA sẽ được triển khai trên máy tính SCADA, và cấu hình cũng như chương trình của Remote I/O và thiết bị trường sẽ được tải xuống các thiết bị tương ứng.
- Trong quá trình vận hành hệ thống, nếu cần chỉnh sửa kỹ thuật, các kỹ sư (được ủy quyền) sẽ truy cập trực tiếp vào các đối tượng trong chương trình điều khiển trên PLC. Ví dụ, khi cần điều chỉnh một bơm trên giao diện, kỹ sư có thể nhấp chuột vào bơm đó và đoạn chương trình điều khiển tương ứng từ PLC sẽ được tải lên và hiển thị trên màn hình máy tính.
Như vậy, chúng ta có thể tóm tắt một số điểm khác biệt giữa hệ thống DCS và hệ thống SCADA như sau:
- Về mục tiêu: Hệ thống DCS tập trung vào quá trình kiểm soát và cung cấp thông tin cho người quản lý, trong khi SCADA tập trung vào việc thu thập dữ liệu và cung cấp giao diện quản lý cho người dùng. Các thiết bị điều khiển từ xa trong SCADA thường được sử dụng để thu thập thông tin.
- Về chức năng: DCS thường có các vòng điều khiển quy trình khép kín tại thiết bị đầu cuối từ xa hoặc PLC, trong khi SCADA sử dụng giao diện người – máy (HMI) và con người làm hệ thống điều khiển chính.
- Về kết nối: Trong DCS, trạm vận hành thường kết nối với các trạm vào/ra thông qua mạng cục bộ và bus trường, cho phép người quản lý tương tác trực tiếp với các trạm vào/ra. Trong khi đó, khi gặp lỗi đường truyền, SCADA phải thực hiện theo trình tự và không thể tương tác trực tiếp khi có sự cố. Tóm lại, DCS thường được điều khiển theo xu hướng quá trình, trong khi SCADA thường được điều khiển theo sự kiện.
Bài viết trên đã cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quan về hệ thống DCS là gì, bao gồm định nghĩa, tính năng, ưu nhược điểm, cũng như sự khác biệt giữa DCS và SCADA. Tuy nhiên, để hiểu rõ cách hoạt động của hệ thống này trong thực tế, chúng ta cần tìm hiểu thông qua mô hình hoặc tham gia trực tiếp vào việc khai thác hệ thống DCS tại các nhà máy. Điều này sẽ giúp chúng ta nắm vững hơn về cách hoạt động và ứng dụng của DCS trong môi trường công nghiệp.
