GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN PCS 7

- GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN PCS 7 Lý Thanh Phương 1 và Trần Nguyên Bảo 2.
- 2 Sinh viên lớp Kỹ thuật Điều khiển K35, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ.
- Hệ thống điều khiển phân tán DCS đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp đòi hỏi việc điều khiển và giám sát khối lượng rất lớn các ngõ vào/ra phân tán.
- PCS 7 (Process Control System) của Siemens là một hệ thống giải pháp mang tính phân cấp đáp ứng được các yêu cầu đó bao gồm tập hợp đa dạng phần cứng chuẩn và các phần mềm hỗ trợ.
- Bài báo này nhằm giới thiệu về hệ thống PCS 7, cách thực hiện hoàn chỉnh một dự án để mô phỏng và giám sát quy trình trộn hỗn hợp nguyên liệu thô bằng bộ phần mềm PCS 7.
- Kết quả mô phỏng thể hiện PCS 7 có nhiều ưu điểm, so với mạng PLC thông thường, như tính tích hợp theo chiều dọc và chiều ngang vào TIA (tự động hóa tích hợp toàn diện) và truyền thông đa cấp bậc, tính thống nhất tập trung trong lập trình, ngôn ngữ lập trình đồ họa dạng lưu đồ CFC và SFC thân thiện cùng với phần mềm WinCC cao cấp giúp vận hành và giám sát hệ thống tốt hơn..
- Hiện nay hệ thống PCS 7 đã được nghiên cứu và phát triển mạnh trong các nhà máy và hệ thống lớn ở nhiều nước công nghiệp phát triển trên thế giới.
- Hệ thống PCS 7 bao gồm hệ thống đa dạng.
- các thiết bị phần cứng chuẩn, các giao thức truyền thông tin cậy và phần mềm tương thích nhằm đảm bảo sự tự động hóa toàn diện hầu hết các quy trình công nghệ có quy mô vừa và lớn ở tất cả các cấp điều khiển trong các ngành công nghiệp.
- an toàn và bảo mật nhờ tích hợp hệ thống công nghệ xử lý, lưu trữ và sao lưu dự phòng thông tin.
- liên tục được đổi mới, cập nhật từ các nhà cung cấp giải pháp công nghệ hàng đầu thế giới về tự động hóa.
- Tuy nhiên, ở Việt Nam nói chung và Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng hệ thống này vẫn chưa được ứng dụng phổ biến ở mức độ hoàn chỉnh do một số trở ngại về thiết bị đặc thù (PLC S7-400, các mô-đun truyền thông, các mô-đun mở rộng….
- chính hãng) và công nghệ (bộ phần mềm bản quyền.
- Trước xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng PCS 7 nói riêng, cũng như các hệ thống mang tính tự động hóa tích hợp toàn diện tương tự, hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ích lợi khi quy mô các nhà máy và xí nghiệp cỡ vừa và lớn ở Việt Nam, đặc biệt là ở Đồng bằng sông Cửu Long phát triển mạnh về.
- Nghiên cứu mà nhóm tác giả thực hiện là đề tài đầu tiên về PCS 7 được thực hiện ở Trường Đại học Cần Thơ, đồng thời tạo cơ sở ban đầu trong việc tìm hiểu, vận dụng các hệ thống có cùng các thuộc tính, trong đó đòi hỏi có sự điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu trên qui mô toàn hệ thống..
- Với bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu tổng quan về hệ thống PCS 7.
- Từ đó, mô tả quá trình tạo ra và thực hiện mô phỏng hoàn chỉnh một dự án là một qui trình sản xuất để nêu được các ưu điểm nổi bật của hệ thống này so với phương pháp điều khiển, giám sát của hệ SCADA truyền thống của Siemens (trong đó các PLC được lập trình riêng rẽ, sau đó được kết nối tag với phần mềm giám sát WinCC)..
- 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1 Giới thiệu tổng quan về PCS 7.
- PCS 7 là hệ thống bao gồm tích hợp nhiều phần mềm đặc thù và phần cứng chuẩn từ chính hãng Siemens, do đó luôn đảm bảo tính nhất quán trong toàn bộ hệ thống.
- Một hệ thống PCS 7 (sơ quản lý hệ thống như trong Hình 1) được thiết kế để điều khiển tối đa lên tới 120.000 ngõ vào/ra (Siemens, 2012c)..
- Hình 1: Sơ đồ tổng quát có phân cấp của hệ thống PCS 7 Hình 2 mô tả một hệ thống PCS 7 thu gọn (qui.
- Hình 2: Hệ thống PCS 7 thu gọn 2.1.1 Hệ thống kỹ thuật ES (Engineering.
- Hình 3 thể hiện bộ công cụ thuộc hệ thống kỹ thuật PCS 7 trong đó nền tảng SIMATIC Manager.
- Hình 3: Mô tả hệ thống kỹ thuật của PCS 7 (ES) Việc sử dụng một hệ thống kỹ thuật trung tâm.
- với các công cụ kỹ thuật đồng bộ và phù hợp sẽ giảm thiểu tối đa những khó khăn cho giai đoạn cấu hình, tạo dựng hệ thống.
- Các công cụ kỹ thuật dùng cho các ứng dụng phần mềm, phần cứng và các giao thức truyền thông được gọi từ một phần mềm quản lý dự án trung tâm là SIMATIC Manager.
- 2.1.2 Hệ thống vận hành OS (Operatior System).
- Hệ thống vận hành và giám sát của hệ thống PCS 7 được nghiên cứu, thiết kế nhằm bảo đảm không chỉ điều khiển an toàn, hiệu quả mà còn có giao diện thân thiện với người sử dụng.
- Điều này cực kỳ cần thiết đến với các nhà máy có qui mô phức tạp, yêu cầu cao về tự động hóa, đáp ứng yêu cầu đa dạng của khách hàng/người sử dụng..
- Hình 4: Hệ thống vận hành điển hình ứng dụng hệ PCS 7 OS có tính năng giám sát, điều khiển AS và liên.
- Hình 4 là một hệ thống vận hành kiểu PCS 7 điển hình..
- 2.1.3 Hệ thống tự động (Automation System - AS) Hệ thống PCS 7 (là tổ hợp bao gồm hệ thống các phần cứng và bộ phần mềm chuyên dụng đi kèm) cho phép các PLC kết nối được với một dải rộng các thiết bị HART (Highway Addressable.
- Remote Transducer), các mô-đun mở rộng, các thiết bị cấp trường… Hệ thống tự động (Automation System - AS) dùng trong hệ Siemens PCS 7 được định nghĩa là một số dòng PLC S7-400 nhất định (Siemens, 2011b).
- Hình 5 mô tả PLC S7- 400 được dùng làm hệ thống tự động cho hệ thống PCS 7.
- AS có chức năng nhận tất cả tín hiệu từ các loại cảm biến, điều khiển các thiết bị chấp hành và đồng thời trao đổi dữ liệu liên tục với OS/ES hoặc các trạm server/client khác..
- Hình 5: PLC S7-400 được dùng làm hệ thống tự động cho hệ thống PCS 7.
- pháp và sản phẩm mạnh mẽ, bền vững để thực hiện việc giao tiếp, trao đổi dữ liệu một cách tin cậy giữa tất cả các thành phần trong hệ thống, điều khiển và giám sát ở các cấp bậc của nhà máy (Siemens, 2006).
- PCS 7 có khả năng mở rộng và ứng dụng linh hoạt cho các quy trình sản xuất và yêu cầu cụ thể khác nhau nhờ vào các thành phần công nghệ đặc.
- Điều này giúp tiến hành thử nghiệm các ứng dụng từ phòng thí nghiệm cho đến quy trình sản xuất thật sự, mang đến tính an toàn và tin cậy cao trong nhà máy (Lý Thanh Phương, 2006).
- SIMATIC Route Control: phần mềm hỗ trợ việc điều khiển giám sát và chuẩn đoán cho chức năng tìm đường vận chuyển (ví dụ: giải quyết bài toán điều khiển ma trận đa tầng các van tự động) cho các loại nguyên liệu..
- Tích hợp tính năng an toàn cho quá trình tự động hóa (Safety Integrated for Process Automation)..
- Advanced Process Control: công nghệ giúp hỗ trợ điều khiển các quá trình đòi hỏi độ phức tạp cao, quy mô lớn (Siemens, 2012c)..
- Điều khiển từ xa với SIMATIC PCS7 Telecontrol được thực hiện trên mạng WAN (Wide Area Network)..
- 2.2 Thực hiện và mô phỏng dự án trên bộ phần mềm PCS 7.
- Để thực hiện một dự án PCS 7 cần phải nắm được các công cụ cấu hình và lập trình mang tính đồ họa và các giao thức truyền thông giữa các thiết bị.
- Dự án PCS 7 được tạo gồm hệ thống tự động AS (Automation System) là PLC S7-400 kết nối với PLC S7-300 có mô-đun mở rộng I/O ET200M;.
- hệ thống kỹ thuật ES (Engineering System) dành cho việc lập trình và hệ thống vận hành OS (Operator System)..
- Yêu cầu bài toán đặt ra là dùng bộ phần phần mềm PCS 7 để tạo ra và thực hiện mô phỏng hoàn chỉnh một quy trình sản xuất trộn đa nguyên liệu, phản ứng và chiết rót trong một nhà máy.
- Kết quả thu được sẽ chỉ ra một số ưu điểm trong việc quản lý, lập trình và giám sát toàn bộ dự án so với phương pháp xây dựng mạng PLC truyền thống..
- 2.2.1 Giới thiệu tổng quan về quy trình trộn hỗn hợp, phản ứng và chiết rót.
- Quy trình sản xuất (Hình 8) được chia ra thành hai quy trình nhỏ để dễ dàng điều khiển và giám sát bao gồm: Quy trình trộn hỗn hợp RMT (Raw Material Tanks) và Quy trình phản ứng và chiết rót REAC (React) (Siemens, 2012a và Siemens, 2012b)..
- Quy trình RMT.
- Lượng nguyên liệu thô đi trong ống sẽ được giám sát qua các bộ điều khiển lưu lượng FC (Flow Controller)..
- Quy trình REAC.
- Silo 4 sau khi chứa đủ ba nguyên liệu thô theo tỉ lệ thích hợp sẽ mở van thuộc hệ thống gia nhiệt và mở motor trộn (có gắn cánh khuấy) để tạo sản phẩm.
- Các chai sẽ được đặt trên băng chuyền và vị trí của chai được xác định nhờ một cảm biến PS_111, lặp lại cho đến khi cảm biến mức thấp tác động sẽ ngừng toàn bộ quy trình..
- LSH_5 Các thiết bị điều khiển trong quy trình:.
- _Van tự động (Control Valve): CV_111, CV_112, CV_121, CV_122, CV_131, CV_132, CV_141, CV_151, CV_152 _Máy bơm (Pump Motor): PM_111, PM_121, PM_131, PM_151.
- _Motor điều khiển băng tải (Conveyor Motor): CM_161 _Cảm biến (Level Sensor): X, LSH_1, LSL_1, LSH_2, LSL_2, LSH_3, LSL_3, LSH_4, LSL_4, LSH_5 _Cảm biến vị trí (Position Sensor): PS_111.
- Hình 8: Mô tả toàn bộ quy trình trộn hỗn hợp, phản ứng và chiết rót.
- 2.2.2 Cấu hình phần cứng trong HW Config Hệ thống PCS 7 giả lập được thiết kế bao gồm Trạm kỹ thuật (ES) và Trạm vận hành (OS) được sử dụng trên cùng một máy tính (Single-user system).
- Trạm ES/OS này sẽ giao tiếp với trạm tự động AS tức PLC S7-400 CPU 414-3 qua chuẩn Industrial Ethernet.
- Hình 9 là cấu hình phần cứng của dự án trên giao diện phần mềm NetPro..
- Hai ngôn ngữ này chỉ sử dụng được cho một số dòng PLC S7-400 trong hệ thống PCS 7..
- Sự vận hành nhà máy được diễn tả bằng các quá trình liên tục, trong đó CFC tạo các liên kết/ràng buộc giữa các khối đơn lẻ dùng để điều khiển một quá trình hoặc giám sát giá trị đo lường (Siemens, 2012f).
- Hình 10 minh hoạ sơ đồ CFC điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp PID trong quy trình REAC..
- Hình 10: Hình ảnh minh họa sơ đồ CFC điều khiển nhiệt độ trong quy trình REAC.
- Hình 11: Hình ảnh minh họa sơ đồ SFC của quy trình RMT SFC mô tả các quá trình điều khiển trình tự.
- được phân nhỏ thành các giai đoạn và điều kiện tương ứng để đảm bảo việc thi hành từng bước một, giúp điều khiển từ trạng thái này sang trạng thái kế tiếp tùy thuộc vào một số điều kiện nhất định (Siemens, 2012g).
- Hình 11 là lưu đồ SFC mô tả quy trình RMT..
- 2.2.4 Biên dịch dự án và tự động tạo các đối tượng trong giao diện chuẩn PCS 7.
- PCS 7 cung cấp khả năng tự động tạo một số đối tượng trong WinCC với các liên kết đã.
- và thêm liên kết từ các biến trong CFC chart vào (nếu cần) để tạo giao diện cho việc vận hành và giám sát..
- 2.2.6 Thực hiện mô phỏng runtime bằng PLCSIM.
- Mô phỏng ở chế độ tác động vào PLCSIM, SimOn=0.
- Bắt đầu tiến hành mô phỏng bằng cách bật PLCSIM ở chế độ RUN và tác động vào các ngõ vào PLCSIM để quy trình bắt đầu hoạt động.
- Sau khi mô phỏng xong quy trình RMT, nhấn vào nút nhấn REAC để chuyển qua giao diện quy trình REAC và tiếp tục thực hiện theo quy trình đã được mô tả cho đến khi kết thúc.
- Hình 12 mô tả quy trình đang ở giai đoạn mở hai van CV_151, CV_152 và bơm PM_151 để cho sản phẩm vào chai trên giao diện WinCC..
- Hình 12: Giao diện quy trình REAC khi hoạt động Runtime chế độ SimOn=0 Mô phỏng ở chế độ tác động vào PLCSIM,.
- (tăng/giảm) một cách tự động bằng lập trình để giúp cho người lập trình hình dung được quy trình sẽ diễn ra như thế nào trước khi thực hiện quy trình thật.
- Từ đó, quy trình sẽ hoạt động tự động mà không cần phải có các tín hiệu cảm biến thật.
- Hình 13: Giao diện quy trình RMT khi kết thúc ở chế độ SimOn=1 Hình 13 mô tả giao diện của OS khi kết thúc.
- giao diện quy trình REAC và tiếp tục thực hiện mô phỏng.
- Quá trình gia nhiệt từ 30 o C đến 80 o C được thực hiện theo phương pháp PID được giám sát qua khối CTRL_TEMP trên giao diện WinCC (Xem Hình 14)..
- Hình 14: Khối giám sát nhiệt độ khi chạy Runtime.
- Quy trình sẽ kết thúc khi lượng hỗn hợp còn lại trong Silo 4 ít hơn 5dm 3 (không đủ để rót đầy một chai)..
- Bài báo đã giới thiệu tổng quan về một hệ thống PCS 7 gồm các hệ thống thành phần.
- Nhóm tác giả đã tạo và thực hiện mô phỏng một dự án quy trình trộn hỗn hợp nguyên liệu theo yêu cầu đặt ra ở cả chế độ tác động ngõ vào của PLCSIM (SimOn=0) và chế độ đặt trước giá trị trong CFC (không tác động ngõ vào của PLCSIM, SimOn=1)..
- Hình 15 mô tả giao diện giám sát và điều khiển trong thực tế..
- Hình 15: Giao diện thực tế giám sát và điều khiển hệ thống Kết quả thực hiện mô phỏng một dự án trong hệ.
- PCS 7 mang tính tích hợp theo chiều rộng và chiều sâu trong cấu hình hệ thống, lập trình điều khiển và giao diện, truyền thông các cấp.
- có khả năng thực hiện ở nhiều cấp độ dự án khác nhau (scalable) điều này khó có thể đạt được ở phương pháp thực hiện mạng PLC truyền thống (của Siemens)..
- Tính thống nhất mạnh mẽ, trong đó phần mềm SIMATIC Manager quản lí tất cả các thành phần trong dự án và từ đó có thể truy xuất đến các phần mềm cấu hình và lập trình khác như HW Config, Netpro, CFC Editor, SFC Editor, WinCC… Trong khi đó, phương pháp quản lý dự án PLC truyền thống cần phải thực hiện thủ công.
- Các khối trong CFC kết nối chặt chẽ, nhúng với phần mềm WinCC nâng cao, giúp có thể mô phỏng hoạt động của hệ thống bằng các giá trị đặt trước, điều này giúp người lập trình có thể hình dung được quy trình sẽ diễn ra như thế nào mà phương pháp truyền thống không có được..
- Sau khi lập trình có thể vào chế độ test mode trong CFC Editor và SFC Editor để kiểm tra lại toàn bộ chương trình mà không sợ báo lỗi, chương trình hệ thống sẽ tự động lưu lại phiên làm việc cuối cùng để tránh sự cố mất điện/thoát ngoài ý muốn..
- tượng/mẫu tạo sẵn giúp người sử dụng dễ dàng tạo giao diện tương tác, lập trình và giám sát đúng chuẩn, qui cách chung một cách chuyên nghiệp..
- Điều này càng thể hiện rõ nếu được cài đặt thêm các gói hỗ trợ chuyên ngành: SIMATIC BATCH, CEMAT, BRAUMAT… Hơn nữa, như đã nêu, khi thực hiện ở chế độ Runtime các giao diện này có thể tương tác với các khối trong CFC.
- Qua bài báo này, nhóm tác giả đã giới thiệu tổng quan về hệ thống PCS 7 với vai trò là một giải pháp tích hợp toàn diện (Totally Intergeated Automation) cho hệ thống điều khiển phân tán dành cho các nhà máy ở qui mô vừa và lớn, cần số lượng lớn các ngõ vào/ra với nhiều yêu cầu phức tạp trong điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu trong thực tế môi trường công nghiệp.
- Đồng thời, việc thực hiện và mô phỏng một dự án PCS 7 hoàn chỉnh bao gồm quy trình hòa trộn hỗn hợp, phản ứng và chiết rót bằng bộ phần mềm tương ứng đã minh chứng được nhiều ưu điểm nổi trội so với hệ thống SCADA truyền thống trong cách cấu hình, lập trình, điều khiển và giám sát cho toàn bộ hệ thống, góp phần cung cấp thêm thông tin hữu ích về hệ thống Siemens PCS 7..
- Nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển phân tán Siemens PCS 7.