Bài giảng Chương 7: Qui trình tích hợp hệ thống

 20 04 , H O À N G M IN H S Ơ N C hư ơn g 7 12/06/2015 Chương 7: Qui trình tích hợp hệ thống C hư ơn g 7  HMS 2 12/06/2015 Nội dung 7.1 Các bước phát triển hệ thống 7.2 Mục đích điều khiển 7.3 Mô tả các chức năng điều khiển 7.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp hệ thống C hư ơn g 7  HMS 3 12/06/2015 7.1 Các bước phát triển hệ thống HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Đặc tả chức năng hệ thống Xây dựng & khảo sát mô hình quá trình Lựa chọn giải pháp hệ thống Phát triển phần mềm ứng dụng Chỉnh định & đưa vào vận hành Yêu cầu và mô tả công nghệ Các định luật vật lý và hóa học Lý thuyết điều khiển tự động Kinh nghiệm từ các dự án khác Các mục đích điều khiển cơ bản Dữ liệu vận hành thực tế Công nghệ phần mềm công nghiệp Thông tin, hỗ trợ từ nhà cung cấp Công nghệ hệ thống điều khiển Phân tích & nhận dạng quá trình Thiết kế sách lược điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển C hư ơn g 7  HMS 4 12/06/2015 7.2 Mục đích điều khiển 1. Đảm bảo vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo năng suất (tốc độ sản xuất), kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện 2. Đảm bảo chất lượng sản phẩm: giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong một khoảng nhỏ 3. Đảm bảo vận hành an toàn: cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường 4. Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường 5. Giảm ô nhiễm môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu C hư ơn g 7  HMS 5 12/06/2015 7.3 Đặc tả chức năng  Các chức năng điều khiển quá trình: Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram)  Chi tiết chức năng điều khiển rời rạc: Biểu đồ logic (Binary Logic Diagram)  Chi tiết chức năng điều khiển trình tự: Biểu đồ trình tự (Sequential Function Charts) C hư ơn g 7  HMS 6 12/06/2015 Nhắc lại các chức năng điều khiển cơ sở (Theo ANSI/ISA 88.01-1995)  Điều chỉnh (regulatory control): Duy trì các biến đầu ra của một quá trình tại các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện có tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi – Ví dụ điều chỉnh nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất, nồng độ  Điều khiển rời rạc (discrete control): Duy trì các trạng thái của thiết bị quá trình tại một giá trị chọn từ tập các trạng thái ổn định biết trước. – Ví dụ điều khiển đóng/mở máy bơm, quạt gió, máy khuấy  Điều khiển trình tự (sequential control) : một lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình qua một trình tự các trạng thái riêng biệt (đóng/mở, khởi động/dừng) – Ví dụ: Điều khiển quá trình khởi động/dừng một nhóm thiết bị quá trình, điều khiển một mẻ pha chế hỗn hợp C hư ơn g 7  HMS 7 12/06/2015 Ví dụ chức năng điều chỉnh C hư ơn g 7  HMS 8 12/06/2015 Ví dụ điều khiển rời rạc  Điều khiển thiết bị: điều khiển và giám sát việc khởi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các thiết bị quá trình đơn lẻ, ví dụ van on/off, băng tải, động cơ, máy bơm, v.v... Trạng thái ổn định DO1 DI1-1 DI1-2 ON ON OFF OFF OFF ON Ví dụ trạng thái lỗi ON OFF OFF Trạng thái ổn định Start Stop Motor ON OFF Running OFF OFF Running OFF ON Stopped OFF OFF Stopped C hư ơn g 7  HMS 9 12/06/2015 Ví dụ điều khiển rời rạc (tiếp) Trạng thái ổn định V1 V2 V3 Đóng Đóng Đóng Mở Mở Đóng Mở Đóng Mở Ví dụ trạng thái lỗi Mở Đóng Đóng Mở Mở Mở  Khóa liên động: Đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho hệ thống máy móc thiết bị và cho con người bằng cách ngăn chặn tình huống dẫn đến trạng thái lỗi cũng như giảm thiểu tác hại của trường hợp xảy ra sự cố:  Khóa liên động quá trình (process interlocks): Đảm bảo logic vận hành bình thường, tránh gây lỗi và sự cố cho thiết bị quá trình  Khóa liên động an toàn (safety interlocks): Kích hoạt các thao tác can thiệp mạnh (tách, cách ly hoặc dừng khẩn cấp để giảm thiểu hậu quả của sự cố tới máy móc, con người và môi trường C hư ơn g 7  HMS 10 12/06/2015 Ví dụ điều khiển trình tự  Ví dụ các bước điều khiển bình trộn theo mẻ – Kiểm tra van xả đã đóng chưa, nếu chưa thì đóng lại và mở các van cấp vào ở chế độ làm việc (ví dụ 50%) – Khởi động các máy bơm cấp, khởi động các vòng điều khiển mức và lưu lượng để điều khiển các van cấp – Khi mức dung dịch đạt được một giá trị nào đó, khởi động động cơ quay trộn – Chờ một thời gian và dừng động cơ quay trộn – Dừng theo thứ tự các máy bơm, vòng điều khiển lưu lượng, mức, Mở van xả và bơm hút sản phẩm C hư ơn g 7  HMS 11 12/06/2015 7.3.1 Lưu đồ P&ID  Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram – Lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa – Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát – Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình)  Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa: – ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification – ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems  Các biểu tượng lưu đồ bao gồm: – Các biểu tượng thiết bị – Các biểu tượng tín hiệu và đường nối – Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng C hư ơn g 7  HMS 12 12/06/2015 Lưu đồ điều khiển quá trình trao đổi nhiệt C hư ơn g 7  HMS 13 12/06/2015 Biểu tượng thiết bị Phòng điều khiển trung tâm (Remote) Vị trí mở rộng (Auxilary Location) Hiện trường (Local) Phần cứng Thiết bị đơn lẻ Phần cứng chia sẻ - Hiển thị chia sẻ - Điều khiển chia sẻ Phần mềm Chức năng máy tính Logic chia sẻ Điều khiển logic khả trình Thiết bị cho hai biến hoặc một biến với hai hoặc nhiều chức năng C hư ơn g 7  HMS 14 12/06/2015 Biểu tượng tín hiệu và đường nối Tín hiệu không định nghĩa Đường nối tới quá trình kỹ thuật hoặc cấp năng lượng Tín hiệu khí nén Tín hiệu điện Tín hiệu thủy lực Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định) * Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn định)* Đường nối nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ liệu) Đường nối cơ học Ống mao dẫn x x x * Các hiện tượng điện từ gồm cả nhiệt, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng. C hư ơn g 7  HMS 15 12/06/2015 Ký hiệu các đường cấp năng lượng  AS (Air supply): cấp không khí  ES (Electric supply): cấp điện  GS (Gas supply): cấp gas  HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực  NS (Nitrogen supply): cấp nitơ  SS (Steam supply): cấp hơi nước  WS (Water supply): cấp nước AS ES GS HS NS SS WS C hư ơn g 7  HMS 16 12/06/2015 Nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng P D I C-103 Chữ cái đầu: Biến đo hoặc khởi tạo Chữ cái phụ: Bổ sung cho chữ đầu Các chữ cái sau: Các chức năng chỉ thị, bị động hoặc đầu ra T A H-104 Chữ cái phụ sau: Bổ sung ý nghĩa chức năng cho chữ cái đứng trước nó Chỉ thị (Indication) và điều khiển (Control) chênh áp (Differential Pressure), vòng loop 103. Báo động (Alarm) vượt ngưỡng trên (High) nhiệt độ (Temperature), cảnh giới quá nhiệt vòng loop 104. Mã số vòng loop, điểm đo C hư ơn g 7  HMS 17 12/06/2015 Ý nghĩa các chữ cái Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau Biến đo hoặc khởi tạo Bố sung, thay đổi Chức năng chỉ thị hoặc bị động Chức năng đầu ra Bổ sung, thay đổi A Analysis Alarm B Burner, Combustion Tự chọn Tự chọn Tự chọn C Tự chọn Control D Tự chọn Differential E Voltage Sensor F Flow Rate Ratio (Fraction) G Tự chọn Glass, Viewing Device H Hand High I Current Indicate J Power Scan K Time, Time Schedule Time Rate of Change Control Station L Level Light Low M Tự chọn Momentary Middle N Tự chọn Tự chọn Tự chọn Tự chọn C hư ơn g 7  HMS 18 12/06/2015 Ý nghĩa các chữ cái (tiếp) Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau Biến đo hoặc khởi tạo Bố sung, thay đổi Chức năng chỉ thị hoặc bị động Chức năng đầu ra Bổ sung, thay đổi O Tự chọn Orifice, Restriction P Pressure, Vacuum Point (Test Connection) Q Quantity Integrate, Total R Radiation Record S Speed, Frequency Safety Switch T Temperature Transmit U Đa biến (Universal) Đa chức năng Đa chức năng Đa chức năng V Vibration, Mech. Analysis Valve, Damper, Louver W Weight, Force Well X Không xếp loại Trục X Không xếp loại Không xếp loại Không xếp loại Y Event, State, Presence Trục Y Relay, Compute, Convert Z Position, Dimension Trục Z Driver, Actuator, Phần tử ĐK C hư ơn g 7  HMS 19 12/06/2015 Các ký hiệu chức năng tính toán Ký hiệu Chức năng 1-0 hoặc ON/OFF Điều khiển ON/OFF hoặc chuyển mạch (Switch)  hoặc ADD Cộng hoặc tổng (cộng và trừ), với 2 hoặc nhiều đầu vào  hoặc SUB Hiệu (với hai hoặc nhiều đầu vào)  , +, Độ dịch (1 đầu vào) AVG. Trung bình %, 1:3 hoặc 2:1 Khuếch đại (đầu vào : đầu ra) ,  Nhân, chia (2 hoặc nhiều đầu vào) hoặc SQ. RT. Căn bậc hai xn hoặc x1/n Lũy thừa f(x) Hàm 1:1 Tăng cường hoặc HIGHEST Chọn giá trị lớn nhất hoặc LOWEST Chọn giá trị nhỏ nhất REV. Đảo ngược E/P, P/I, A/D, D/A Biến đổi (E, H, I, O, P, R)  Tích phân (theo thời gian) D hoặc d/dt Đạo hàm hoặc tốc độ I/D Nghịch đảo đạo hàm - x  > > C hư ơn g 7  HMS 20 12/06/2015 Ví dụ điều khiển vòng kín C hư ơn g 7  HMS 21 12/06/2015 Ví dụ vận hành bơm cấp bình chứa C hư ơn g 7  HMS 22 12/06/2015 7.3.2 ANSI/ISA S5.2: Binary Logic Diagram for Process Operations Đầu vào Đầu ra A A C B OR A C B TagID TagID VÍ DỤ LSH 3 Tank A Level High Open Valve HV 1 BIỂU TƯỢNG A Valve A Open Valve B Closed Valve C Closed Start Filling OR Valve A Open Valve B Open Valve C Open Operate Pump Ý NGHĨA Đầu vào Đầu ra AND OR C hư ơn g 7  HMS 23 12/06/2015 VÍ DỤ BIỂU TƯỢNG * A C B S R A B C D X * A D Ý NGHĨA NOT OR có điều kiện: (>, <, =, ..) >1 Valve A Open Valve B Open Valve C Open Operate Pump Time Delay X: DI (Delay Initiatation of Output) DT(Delay Termination of Output) PO (Pulse Output) *: s, m, h Flip-Flop S R Start Stop Start Motor Stop Motor C hư ơn g 7  HMS 24 12/06/2015 Khóa liên động vận hành bơm cấp bình chứa C hư ơn g 7  HMS 25 12/06/2015 7.3.3 Biểu đồ trình tự: Ví dụ bình trộn Charging Mixing Start Discharging Wait T1 = V1 AND V2 AND NOT V3 T2 = Level High T3 T4 = Level Low T5 = Restart Activated Điều khiển trình tự có thể coi là một hình thức mở rộng của điều khiển logic với các yếu tố thời gian, hành động, tính chất song song và phân tán. C hư ơn g 7  HMS 26 12/06/2015 Bài toán điều khiển trình tự  Điều khiển trình tự có vai trò trong: – Khởi động hoặc dừng (từng phần) hệ thống – Điều khiển quá trình mẻ: Ví dụ điều khiển máy giặt, ví dụ quá trình pha chế hỗn hợp, chế biến dược phẩm,...  Một trình tự điều khiển bao gồm: – Các bước (Step) kèm theo hành động (Action) – Các chuyển tiếp (Transition), gắn với điều kiện chuyển tiếp  Điều khiển trình tự liên quan thế nào với điều khiển rời rạc và bài toán điều chỉnh? – Điều khiển trình tự kích hoạt các hành động điều khiển rời rạc và các vòng điều chỉnh – Điều chỉnh và điều khiển rời rạc cũng tạo ra các điều kiện chuyển tiếp cho các bước trình tự – ĐK rời rạc gắn với một thiết bị, ĐC gắn với một vòng điều chỉnh, ĐK trình tự gắn với một nhóm thiết bị C hư ơn g 7  HMS 27 12/06/2015 Biểu đồ trình tự (SFC, Sequential Function Charts)  Ngôn ngữ đồ họa theo chuẩn quốc tế IEC 61131-3, được hỗ trợ trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình  Xuất phát từ Grafcet (phát triển tại Pháp) và là một dạng đặc biệt của mạng Petri  Phù hợp nhất cho cả mô tả bài toán, lập trình và giám sát điều khiển trình tự (rất khó nếu sử dụng các biểu đồ logic)  Có thể xây dựng với cấu trúc phân cấp => khả năng mô tả ở nhiều mức sơ lược hoặ chi tiết khác nhau  Rất gần gũi với kỹ sư công nghệ C hư ơn g 7  HMS 28 12/06/2015 Các phần tử SFC  Step: Một bước thực hiện trong điều khiển trình tự – Có thể bao gồm nhiều hành động đi kèm – Có ít nhất một bước tích cực – Trạng thái hệ thống được xác định qua các bước tích cực  Transition: Chuyển tiếp, được thực hiện khi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn  Action: Hành động đi với một bước – Nằm trong một "Action Block" – Được kiểm soát thực thi qua các "Qualifier" Active Final Initial T1 T2 T3 C hư ơn g 7  HMS 29 12/06/2015 7.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp hệ thống  Phạm vi chức năng  Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần  Tính năng mở, tính linh hoạt  Phát triển hệ thống  Khả năng bảo trì  Giá thành, đầu tư C hư ơn g 7  HMS 30 12/06/2015 Phạm vi chức năng  Chức năng điều khiển cơ sở – Thư viện chức năng điều chỉnh (PID, MPC, Fuzzy) với các yêu cầu công nghiệp: chuyển Manual/Automatic trơn tru, Anti-Reset-Windup. – Điều khiển thiết bị, khóa liên động  Chức năng điều khiển cao cấp – Điều khiển mẻ, điều khiển công thức – Điều khiển thích nghi, bền vững, tối ưu – Điều khiển chuyên gia  Chức năng điều khiển giám sát – Chất lượng giao diện đồ họa – Khả năng lập báo cáo tự động – Cơ chế quản lý và xử lý sự kiện, sự cố – Hỗ trợ ActiveX-Control và OPC – Hỗ trợ giao diện cơ sở dữ liệu ODBC – Chức năng Web C hư ơn g 7  HMS 31 12/06/2015 Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần  Cấu trúc vào/ra: – vào/ra tập trung – vào/ra phân tán – vào/ra trực tiếp với các thiết bị bus trường  Cấu trúc cấp điều khiển  Cấu trúc cấp điều khiển giám sát  Các chủng loại thiết bị hỗ trợ  Các hệ thống mạng truyền thông được hỗ trợ (đặc biệt bus trường liên quan tới các chủng loại thiết bị trường có thể hỗ trợ). C hư ơn g 7  HMS 32 12/06/2015 Tính năng mở, tính linh hoạt  Khả năng tự mở rộng hệ thống: – Tích hợp thiết bị hãng thứ ba – Tích hợp phần mềm hãng thứ ba – Tích hợp phần mềm tự viết  Hỗ trợ các chuẩn công nghiệp: – COM (Component Object Model) – OPC (OLE for Process Control) – ActiveX-Control – ODBC (Open Database Connection) – IEC 61131-3 C hư ơn g 7  HMS 33 12/06/2015 Khía cạnh phát triển hệ thống  Cấu hình hệ thống – Đơn giản, hướng đối tượng – Khả năng phát triển hệ thống một cách xuyên suốt – Cấu hình và tham số hóa các thiết bị và mạng truyền thông dễ dàng qua phần mềm từ trạm kỹ thuật  Lập trình điều khiển – Đơn giản, hướng đối tượng – Các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng (FBD, SFC, ST,...) – Các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C/C++, BASIC) – Lập trình giao tiếp ngầm hay hiện – Khả năng tự mở rộng thư viện chức năng (thông qua một ngôn ngữ lập trình bậc cao)