DCS được biết đến là công nghệ quan trọng đối với lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, hỗ trợ quá trình giám sát, điều khiển các quy trình công nghiệp phức tạp dựa vào một mạng phân tán.
Để hiểu rõ hơn DCS là gì? Có bao nhiêu hệ thống DCS? Ưu, nhược điểm của hệ thống này ra sao? Chức năng của DCS như thế nào? Cấu trúc DCS gồm mấy phần? Làm thế nào để lập trình DCS đúng cách? Điểm khác nhau giữa DCS và SCADA? Nếu bạn đang thắc mắc những vấn đề này thì hãy cùng Mstar Corp chia sẻ đến bạn trong bài viết hôm nay.
DCS là gì?
DCS là cụm từ viết tắt của “Distributed Control System” có nghĩa là “Hệ thống điều khiển phân tán”. Đây là hệ thống điều khiển được sử dụng cho dây chuyền sản xuất, một quá trình hay bất cứ hệ thống động học nào, trong đó các bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà sẽ phân tán trên cả hệ thống với các hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển khác nhau.
03 hệ thống DCS phổ biến
Hiện tại, DCS được chia làm 3 hệ thống, bao gồm: DCS truyền thống, DCS trên nền PLC, DCS trên nền PC, mỗi hệ thống sẽ có một đặc điểm riêng, cụ thể:
DCS truyền thống
Những hệ thống này sẽ dùng các bộ điều khiển quá trình theo cấu trúc riêng của từng nhà sản xuất. Các hệ thống cũng sẽ được đóng kính, ít khi tuân theo một chuẩn giao tiếp công nghiệp, các bộ điều khiển được dùng để thực hiện nhiệm vụ điều khiển quá trình, do đó phải sử dụng kết hợp với các thiết bị điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller).
Thông thường, các hệ thống DCS mới sẽ cung cấp chức năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển còn đảm nhận cả chức năng điều khiển quá trình, trình tự và logic (hybrid controller).
DCS trên nền PLC
Thiết bị điều khiển khả trình được biết đến là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng. Các PLC hiện đại không chỉ thực hiện phép tính logic đơn giản, mà còn đem đến khả năng làm việc hiệu quả với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, các thuật toán điều khiển phản hồi.
Chính vì điều này, PLC được dùng phổ biến trong các hệ thống điều khiển phân tán DCS có cấu hình mạng, hỗ trợ nhiều điều khiển trình tự cùng với những phương pháp lập trình hiện đại.
DCS trên nền PC
Việc sử dụng máy tính cá nhân (PC) làm thiết bị điều khiển ngày càng trở nên phổ biến. Khi so sánh với các bộ thiết bị điều khiển khả trình (PLC) và các hệ thống điều khiển phân tán đặc chủng (DCS), máy tính cá nhân có nhiều ưu điểm vượt trội hơn. Điểm mạnh của PC bao gồm tính năng mở, khả năng lập trình linh hoạt, hiệu suất tính toán cao, đa chức năng, và giá thành cạnh tranh.
Ưu điểm của DCS
Ưu điểm của DCS là mức điều khiển cao, cấu hình linh hoạt, tỷ lệ lỗi thấp, tính năng sẵn sàng và độ tin cậy cao, cụ thể:
- Mức điều khiển cao: Các hệ thống DCS sẽ bao gồm: Các bộ điều khiển, hệ thống mạng truyền thông, phần mềm điều hành hệ thống tích hợp. Do đó, DCS cung cấp khả năng quản lý nhiều điểm ra/vào cực hiệu quả.
- Cấu hình linh hoạt: Thông qua khả năng dự phòng kép tất cả các thành phần, do đó hệ thống DCS có khả năng thay đổi chương trình, thay đổi cấu trúc của hệ thống hay thêm bớt các phần mà không gây gián đoạn hay phải khởi động lại máy tính.
- Tỷ lệ lỗi thấp: Dựa vào thiết kế, hệ thống DCS thường có hệ thống mở, khả năng tích hợp cao với nhiều PLC khác nhau, hỗ trợ điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập. Do đó, DCS cung cấp điều khiển phân tán có lỗi tỷ lệ cực kỳ thấp, nhờ đó quá trình điều khiển trong nhà máy hay xí nghiệp sẽ tiết kiệm tối đa chi phí, đồng thời dễ bảo trì và vận hành.
- Tính sẵn sàng và độ tin cậy cao: Tất cả các hệ thống DCS đều được trang bị cơ chế dự phòng, đảm bảo an toàn, khởi động lại nếu có sự cố xảy ra. Đồng thời cung cấp thêm chế độ bảo trì, chẩn đoán và chỉ thị lỗi. Ngoài ra, các hệ thống DCS còn cho phép người dùng cài đặt thêm chế độ bảo mật hạn chế, giúp kiểm soát quyền truy cập dữ liệu và điều khiển hiệu quả.
Nhược điểm của DCS
Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, DCS vẫn tồn tại những hạn chế cần cân nhắc, cụ thể:
- Chi phí ban đầu cao: Chi phí đầu tư ban đầu khá cao, bởi các khoản như mua sắm, cài đặt và tính hợp các thiết bị và phần mềm, cũng như đào tạo nhân viên khi sử dụng hệ thống đòi hỏi một khoản đầu tư đáng kể.
- Khó khăn khi vận hành và bảo trì: Cấu hình và vận hành hệ thống DCS đòi hỏi người thực hiện phải có chuyên môn cao và được đào tạo đặc biệt. Nếu không được quản lý và bảo trì đúng cách, hệ thống có thể gặp khó khăn quá trình sử dụng, gây ra sự cố không mong muốn trong quá trình sản xuất.
- Phụ thuộc vào nhà cung cấp: Một nhược điểm khác chính là tính linh hoạt của hệ thống trong việc mở rộng và tích hợp với các thiết bị, hệ thống mới. Mặc dù có cung cấp các giải pháp mở rộng, tuy nhiên việc này đòi hỏi doanh nghiệp phải có sự đầu tư về công sức, chi phó và phụ thuộc hầu hết vào kỹ thuật từ phía nhà cung cấp.
- Rủi ro an ninh mạng cao: Vì cần phải kết nối liên tục với mạng internet và các hệ thống thông tin khác nên DCS có thể trở thành mục tiêu của các cuộc tấn công mạng, đe dọa an ninh thông tin và an toàn dữ liệu trong quá trình sản xuất.
Các chức năng của hệ thống DCS
Chức năng chính của hệ thống DCS là điều khiển, vận hành và giám sát, cụ thể:
Chức năng điều khiển
Hệ thống phân tán DCS có chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy, các phần thực hiện chức này được gọi là khối hàm hay Function Block. Từng khối hàm sẽ đại diện cho một phần nhỏ trong bài toán điều khiển. Hiểu đơn giản thiết kế chức năng điều khiển thực chất là việc kết hợp các khối hàm với nhau một cách phù hợp.
- Thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: DCS sẽ tự động điều chỉnh phản hồi cho các vòng lặp của các quy trình liên tục. Các khối PID là thành phần chủ yếu, cùng với các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu đầu vào/đầu ra và các khối hàm toán học.
- Thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Chức năng này áp dụng cho các công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện tuần tự trong nhà máy. Nó không chỉ điều khiển từng công đoạn mà còn quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống.
- Thực hiện các bài toán phức tạp: Hệ thống DCS thường được sử dụng trong các nhà máy quy mô lớn với công nghệ hiện đại và phức tạp. Do đó, cần những thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm nguyên liệu.
Chức năng vận hành và giám sát
Hệ thống DCS cho phép hiển thị tất cả các quy trình và thiết bị trong nhà mất theo các trực quan, sinh động trên màn hình. Đồng thời đem đến giao diện vận hành và giám sát cho người dùng.
DCS hỗ trợ phân loại, sắp xếp và diễn giải thông tin qua nhiều hình thức khác nhau, giúp tối ưu hóa trải nghiệm người vận hành. Thông qua quá trình quan sát trực tiếp các biến quá trình, người vận hành sẽ dễ dàng theo dõi dựa trên các đồ thị, giúp họ so sánh, đánh giá chất lượng điều khiển và ra quyết định điều chỉnh thích hợp.
Ngoài ra, các chức năng điều khiển và giám sát trạng thái, cung cấp các cảnh báo, gợi ý xử lý cũng là một trong số những yêu cầu của hệ thống DCS. Các cảnh báo sẽ được DCS phân loại theo nhiều cấp độ khác nhau cụ thể:
- Cảnh báo nguy cơ (Warning)
- Báo động (Alarm)
- Báo lỗi (Failure)
Để hỗ trợ thêm cho công tác giám sát và quản lý, DCS còn cung cấp cảnh báo cho từng biến quá trình và những khu vực quan trọng theo định kỳ hoặc theo yêu cầu của người vận hành. Các cảnh báo này sẽ bao gồm:
- Thu thập
- Hiển thị và in thông tin liên quan đến trạng thái hoạt động của hệ thống
- Báo cáo về các cảnh báo
- Tín hiệu ra/vào và các trạng thái
- Báo cáo lịch sử làm việc, các lỗi và sự cố xuất hiện trong hệ thống.
Bên cạnh đó, chức năng an toàn được cung cấp để ngăn chặn lỗi khi vận hành, đảm bảo an toàn cho cả hệ thống. DCS cũng cung cấp khả năng phân chia quyền truy cập vào hệ thống theo từng thiết bị và khối hàm cụ thể. Cho phép người vận hành đặt ra nhiều mức độ bảo mật an toàn khác nhau từ cấp khu vực đến từng thiết bị trong nhà máy. Do đó, mỗi người vận hành sẽ có quyền hạn và trách nhiệm theo từng khu vực nhất định.
Cấu trúc hệ thống DCS gồm những phần nào?
Cấu trúc hệ thống DCS sẽ bao gồm: Trạm điều khiển cục bộ, trạm vận hành, trạm kỹ thuật, hệ thống truyền thông, cụ thể:
Trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS)
Còn được gọi là khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hay trạm quá trình (process station, PS), đây là một phần của hệ thống điều khiển có trách nhiệm thực hiện toàn bộ chức năng điều khiển trong từng công đoạn cụ thể. Thường những trạm này sẽ được đặt trong phòng điều khiển hoặc phòng điện, gần phòng điều khiển trung tâm, phân tán gần khu vực hiện hiện trường.
Trạm vận hành (operator station, OS)
Tất cả các trạm vận hành sẽ được đặt trong phòng điều khiển trung tâm. Các trạm này có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để thuận tiện cho quá trình vận hành hệ thống, người ta thường xếp một trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng cụ thể.
Trạm kỹ thuật (engineering station, ES)
Được sử dụng để cài đặt các công cụ phát triển, cấu hình hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển, giao diện người – máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị có mặt tại hiện trường.
Hệ thống truyền thông
Hệ thống truyền thông sẽ bao gồm bus trường (field bus) và bus hệ thống (system bus), trong đó:
- Bus trường có chức năng ghép nối các trạm điều khiển với các trạm vào hoặc ra phân tán, các thiết bị trường thông minh.
- Bus hệ thống chịu trách nhiệm nối mạng với từng trạm điều khiển cục bộ với nhau và các trạm vận hành, trạm kỹ thuật.
Cách lập trình hệ thống DCS đúng cách?
Để lập trình cho hệ thống DCS đúng cách, bạn cần thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Thiết lập hệ thống
Bắt đầu bằng việc cài đặt máy chủ DCS và các máy kỹ thuật. Hệ thống DCS bao gồm phần cứng, phần mềm, công nghệ và truyền thông từ một nhà cung cấp duy nhất.
Bước 2: Tạo dự án
Kỹ sư sẽ thiết lập một dự án tổng thể bao gồm: Chương trình PLC và chương trình SCADA, đảm bảo sự liên kết chặt chẽ giữa hai chương trình này.
Bước 3: Lập trình
Kỹ sư tiến hành lập trình dự án theo các yêu cầu và thông số kỹ thuật của hệ thống. Tải chương trình điều khiển lên FLC, chương trình SCADA sẽ được chạy trên các máy tính SCADA, v cấu hình cùng chương trình của Remote I/O và thiết bị hiện trường sẽ được tải xuống các thiết bị tương ứng.
Bước 4: Thực thi dự án
Sau khi hoàn thành việc lập trình, dự án sẽ được triển khai. Chương trình điều khiển sẽ được tải vào PLC, chương trình SCADA sẽ chạy trên các máy tính SCADA, và cấu hình cùng chương trình của Remote I/O và thiết bị hiện trường sẽ được cài đặt.
Bước 5: Sửa đổi và điều chỉnh
Trong quá trình vận hành hệ thống, nếu cần thay đổi kỹ thuật, kỹ sư có quyền truy cập vào các đối tượng trong chương trình điều khiển, chẳng hạn như các bơm trên giao diện SCADA. Kỹ sư lúc này có thể truy cập và chỉnh sửa đoạn chương trình điều khiển liên quan theo từng đối tượng trên PLC thông qua giao diện máy tính.
Điểm khác biệt giữa DCS và SCADA
Dưới đây là một số điểm khác biệt giữa hệ thống DCS và SCADA, để hiểu rõ hơn bạn hãy tìm hiểu phần thông tin bên dưới, cụ thể:
Mục tiêu hoạt động
- DCS: Tập trung vào quá trình kiểm soát, cung cấp thông tin cho người quản lý.
- SCADA: Tập trung vào việc thu thập dữ liệu, cung cấp giao diện quản lý cho người dùng. Tất cả các thiết bị từ xa của SCADA đều được dùng để thu thập thông tin.
Quy mô và phạm vi hoạt động
- DCS: Được sử dụng trong các khu vực hạn chế với đơn vị điều khiển phân tán giao tiếp qua mạng cục bộ.
- SCADA: Thường được áp dụng trong những khu vực có phạm vi địa lý lớn và sử dụng hệ thống thông tin liên lạc khác nhau, thường kém tin cậy hơn mạng cục bộ.
Chức năng của hệ thống
- DCS: Có các vòng điều khiển quy trình khép kín tại thiết bị đầu cuối từ xa hoặc PLC.
- SCADA: Sử dụng giao diện người – máy (HMI) và con người để làm hệ thống điều khiển chính.
Khả năng kết nối
- DCS: Trạm vận hành sẽ được kết nối với các trạm vào/ra thông qua mạng cục bộ và bus thường, qua đó người quản lý có thể tương tác trực tiếp với từng trạm vào/ra. Do đó hệ thống này sẽ điều khiển theo xu hướng quá trình.
- SCADA: Khi gặp lỗi đường truyền, SCADA phải thực hiện theo trình tự và không thể tương tác trực tiếp nếu có sự cố. Vì vậy hệ thống này thường điều hướng theo xu hướng sự kiện.
Phần mềm giao diện người vận hành
- DCS: Tích hợp phần mềm giao diện người vận hành thông qua cơ sở dữ liệu thẻ.
- SCADA: Yêu cầu người vận hành phải mua phần mềm bổ sung và xây dựng hoặc nhập thẻ riêng của người dùng.
Tóm lại, DCS và SCADA có sự khác biệt rõ ràng về mục tiêu, quy mô và phạm vi hoạt động, chức năng, khả năng kết nối, phần mềm giao diện người vận hành.
Trên đây là toàn bộ thông tin liên quan đến DCS mà Mstar Corp muốn chia sẻ đến bạn đọc. Hy vọng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về hệ thống này, qua đó vận dụng thông tin hữu ích vào quá trình sử dụng.
