SCADA, DCS và ứng dụng trong công nghiệp

SCADA, DCS và ứng dụng trong công nghiệp Ts. Phạm Quang Đăng Trung tâm NCTK Công nghệ cao, ĐHBK Hà nội Đầu tư và sử dụng một cách hiệu quả các hệ thống điều khiển hiện đại sẽ góp phần không nhỏ vào việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí sản xuất và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Bài viết này làm rõ bản chất và đề cập tới vấn đề ứng dụng của các hệ SCADA và DCS. Các ứng dụng điều khiển trong thực tế Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các ứng dụng điều khiển có thể được phân chia thành ba loại sau: - Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control) - Điều khiển điều chỉnh (regulatory control) - Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA) Tùy theo tính chất của quá trình các yêu cầu về các ứng dụng này có thể khác nhau. Có quá trình gồm chủ yếu là ứng dụng điều khiển logic như trong các phân xưởng lắp ráp nhưng cũng có quá trình gồm chủ yếu là các ứng dụng điều khiển điều chỉnh như trong các nhà máy hóa chất nơi quá trình sản xuất là liên tục. Riêng yêu cầu về giám sát - vận hành là tồn tại trong hầu hết nếu không muốn nói là tất cả các hệ thống, ít nhất là cho tới thời điểm hiện nay. Các hệ thống điều khiển được xây dựng trong thực tế phải đáp ứng yêu cầu của quá trình sản xuất hay thiết bị sử dụng nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu của về cả ba loại ứng dụng điều khiển nêu trên. Có hai cách để thực hiện điều này như sau: - Cách thứ nhất là thực hiện mỗi ứng dụng này bằng một hệ thống riêng biệt. Theo đó ứng dụng điều khiển logic sẽ được thực hiện bằng các PLC, ứng dụng điều khiển điều chỉnh sẽ được thực hiện bởi các controller và ứng dụng SCADA sẽ được thực hiện bởi một hệ SCADA riêng biệt. Nhiều nhà máy cỡ nhỏ và vừa đã được xây dựng theo cách thức này - Cách thứ hai là sử dụng một hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp thực hiện cả ba ứng dụng này. Mỗi một ứng dụng sẽ như một chức năng của hệ thống điều khiển. Các hệ thống điều khiển sản xuất hiện đại đều được xây dựng theo cách này và người ta gọi hệ thống như vậy là “Hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp (Integrated Control and Monitoring System - ICMS)”. Trong hai cách này thì cách thực hiện thứ hai cho phép sử dụng tối thiểu các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành do một tín hiệu đo được có thể được sử dụng cho cả ba ứng dụng nên ngày càng được phổ biến và được sử dụng cho các nhà máy hiện đại ở các quy mô khác nhau. SCADA và các lưu ý khi xây dựng ứng dụng SCADA Như đã nói ở trên, SCADA là một dạng của ứng dụng chứ không phải là công nghệ. Ứng dụng SCADA tồn tại ở nhiều hệ thống khác nhau từ quy mô một máy sản xuất tới quy mô của nhà máy và hơn nữa trên các vùng địa lý rộng lớn như các hệ giám sát và thu thập số liệu khí tượng thủy văn, hệ giám sát và vận hành hệ thống truyền tải điện năng. Đặc điểm của SCADA là gắn liền với người vận hành và trong chu trình xử lý thông tin của SCADA bao giờ cũng có sự tham gia trực tiếp của con người. Hệ SCADA không phải là hệ điều khiển đầy đủ mà nó tập trung vào mức giám - sát vận hành. Cho dù được xây dựng thành một hệ thống riêng biệt hay được tích hợp như một chức năng trong một hệ điều khiển tích hợp thì SCADA bao giờ cũng bao gồm bốn thành phần: 1)Thiết bị đầu cuối hiện trường (RTU), 2) Mạng truyền thông, 3) Trạm chủ trung tâm (MTU) và 4) Người vận hành, trong đó ba thành phần đầu hợp thành hệ SCADA. Do vậy khi phát triển ứng dụng SCADA các kỹ sư cũng cần lưu ý tới tất cả các thành phần này. - Thiết bị đầu cuối hiện trường (RTU) RTU thực hiện chức năng giao tiếp giữa hệ SCADA và quá trình cần giám sát vận hành thông qua các cảm biến và cơ cấu chấp hành. RTU có thể là một hệ vi xử lý được thiết kế riêng cho mục đích, yêu cầu của hệ SCADA nói chung nhưng cũng có thể sử dụng các PLC hoặc các Controller. Trong các hệ thống điều khiển giám sát tích hợp vai trò của RTU sẽ được các PLC hoặc Controller đảm nhiệm. Ở đây dữ liệu quá trình thu thập được ngoài việc sử dụng cho các ứng dụng điều khiển logic và điều khiển điều chỉnh còn được sử dụng để giám sát-vận hành. Chúng ta cũng có thể gặp các hệ thống điều khiển tích hợp sử dụng các cảm biến thông minh và cơ cấu chấp hành thông minh. Trong những trường hợp như vậy vai trò của RTU được tích hợp trên bản thân các cảm biến và cơ cấu chấp hành, các PLC, Controller lúc này cũng chỉ đóng vai trò trung chuyển dữ liệu cho ứng dụng SCADA. - Trạm chủ trung tâm Trạm chủ trung tâm thực hiện chức năng giao tiếp giữa người vận hành và hệ SCADA. Nó thực hiện việc nhận dữ liệu từ các RTU, hiển thị các dữ liệu này và nhận các lệnh vận hành từ người vận hành rồi chuyển tới RTU. Ngoài chức năng cơ bản này, trạm chủ trung tâm hiện đại còn thực hiện một số chức năng khác liên quan tới quản lý, bảo trì và tối ưu hóa quá trình như thiết lập truyền thông, liên kết truyền thông, chuẩn đoán, tối ưu hóa hoạt động của hệ thống,… Trạm chủ trung tâm còn được gọi là thiết bị đầu cuổi trung tâm (Master Terminal Unit, viết tắt là MTU) nhưng tên gọi “trạm chủ trung tâm” là phù hợp hơn với các hệ SCADA hiện đại. Trong các hệ SCADA hiện đại trạm chủ trung tâm thường bao gồm một hoặc nhiều máy trạm, máy chủ được nối mạng với nhau và phối hợp với nhau để thực hiện các chức năng, nhiệm vụ của trạm chủ trung tâm. - Mạng truyền thông Mạng truyền thông sử dụng để kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các RTU và MTU. Mạng truyền thông cũng được sử dụng để kết nối các phần tử trong MTU. Trong một hệ SCADA có thể sử dụng một hoặc nhiều loại mạng truyền thông khác nhau tùy theo tính chất và đặc điểm của mỗi ứng dụng SCADA. - Người vận hành Trong một ứng dụng SCADA bao giờ cũng có người vận hành do vậy việc thiết kế và xây dựng một hệ SCADA ngoài các yếu tố về chuyên môn cũng cần phải lưu ý tới vấn đề này. Trong các yếu tố liên quan tới người vận hành thì yếu tố văn hóa bản địa là quan trọng nhất. Điều này dẫn tới kết quả là cùng một ứng dụng SCADA nhưng thiết kế cho người vận hành Á Đông khác với người vận hành Châu Âu. Ngoài ra người thiết kế còn phải quan tâm tới những vấn đề về mỹ thuật công nghiệp và tâm lý học công nghiệp. Đặc điểm và ứng dụng của điều khiển phân tán Việc xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát phụ thuộc vào đặc điểm và tính chất của đối tượng điều khiển. Thực tế các quá trình sản xuất thường đòi hỏi cùng lúc phải tiến hành điều khiển nhiều đại lượng. Nếu các đại lượng này là độc lập với nhau hay ma trận đặc tính của phương trình trạng thái mô tả đối tượng chỉ bao gồm các thành phần trên đường chéo thì ta có thể thiết lập hệ thống điều khiển với nhiều mạch vòng điều khiển độc lập. Về bản chất hệ thống điều khiển như vậy là hệ thống điều khiển phi tập trung (Decentred Control System) cho dù các mạch vòng điều khiển này được thực hiện bởi các bộ điều khiển một mạch vòng (single loop controller) hay sử dụng một hoặc vài thiết bị điều khiển lớn cho các mạch vòng điều khiển này. Thông thường để tiết kiệm chi phí lắp đặt và bảo trì các hệ thống điều khiển phi tập trung như vậy sẽ được thực hiện bởi nhiều bộ điều khiển một mạch vòng. Khi các đại lượng cần điều khiển của đối tượng điều khiển không có sự độc lập với nhau mà có sự tác động xen kênh hay nói cách khác, ma trận đặc tính của phương trình trạng thái có các thành phần ngoài đường chéo khác không thì việc thực hiện hệ thống điều khiển theo cách phi tập trung như vậy sẽ mang lại chất lượng điều khiển không tốt. Để khắc phục người ta đưa ra các giải pháp như sau: - Sửa đổi quá trình công nghệ và thiết bị công nghệ Việc sửa quá trình công nghệ và thiết bị công nghệ nhằm khử tác động xen kênh giữa các biến điều khiển hay biến các thành phần ngoài đường chéo của ma trận đặc tính bằng không hoặc gần bằng không. Khi đó ta có thể coi các tác động xen kênh (bây giờ còn rất nhỏ) như là nhiễu quá trình và thực hiện chiến lược điều khiển phi tập trung cho hệ thống điều khiển. Việc sửa đổi này thường đòi hỏi phải xây dựng các khâu chứa trung gian trong quá trình sản xuất nên thường gây tốn kém và không phải lúc nào cũng thực hiện được. - Sử dụng giải pháp điều khiển tập trung (Centred Control System) Để loại bỏ tác động xen kênh người ta cũng có thể xây dựng các thuật toán điều khiển đa biến hoặc thực hiện tách kênh bằng các mạch điều khiển vượt trước (feedforward). Tuy nhiên điều này chỉ có thể thực hiện được khi ta sử dụng một bộ điều khiển và tập trung hóa toàn bộ dữ liệu quá trình vào trong bộ điều khiển đó. Cách thức thực hiện hệ thống điều khiển như vậy được gọi là điều khiển tập trung. Cách thức thực hiện hệ điều khiển tập trung có nhược điểm là phải tập trung các giá trị đo lường về bộ điều khiển dẫn tới sự tốn kém trong chi phí lắp đặt, đi dây và bảo trì. Việc thực hiện hệ thống điều khiển bởi một hệ vi xử lý duy nhất cũng mang lại nhiều rủi ro và giám độ tin cậy hoạt động của toàn hệ thống. Hơn nữa khi quá trình lớn, phức tạp có thể sẽ dẫn tới khối lượng tính toán lớn và làm quá tải các hệ vi xử lý của bộ điều khiển. Sự phát triển của các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp đã cho phép triển khai luật điều khiển đa biến và tách kênh loại bỏ sự tác động xen kênh trên nhiều bộ điều khiển được nối mạng với nhau. Theo cách thức này, khối lượng tính toán lớn của điều khiển đa biến và tách kênh được chia sẻ thực hiện trên nhiều thiết bị điều khiển. Thông tin cần thiết phải trao đổi giữa các thiết bị điều khiển này được trao đổi thông qua các mạng truyền thông số kết nối các thiết bị điều khiển này. Với cách thực hiện như vậy chúng ta có thể tận dụng được các ưu điểm cả của điều khiển tập trung và điều khiển phi tập trung và người ta gọi hệ điều khiển như vậy là hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System – DCS). Như vậy có thể nói điều khiển phân tán là một công nghệ hay cách thức thực hiện hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Hệ thống điều khiển phân tán là nhằm thực hiện các ứng dụng điều khiển điều chỉnh và điều khiển logic. Các hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm thường có cấu trúc giống với hệ SCADA là do hệ thống điều khiển tích hợp đó có thực hiện chức năng SCADA. Trong hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm ứng dụng điều khiển logic và điều khiển điều chỉnh có thể thiết lập theo phương thức điều khiển phân tán còn SCADA chỉ là một chức năng của hệ thống. Việc sử dụng sản phẩm hệ thống điều khiển phân tán của một nhà sản xuất nào đó mới chỉ là điều kiện thuận lợi để người kỹ sư có thể thiết lập hệ thống điều khiển phân tán. Hệ thống điều khiển được xây dựng trên thực tế có trở thành hệ thống điều khiển phân tán thực sự hay không phụ thuộc vào đối tượng điều khiển của nó có cần phải thiết lập luật điều khiển đa biến và/hoặc tách kênh hay không và người kỹ sư thiết kế có thiết lập hệ thống điều khiển theo cách thức phân tán hay không.