DCS là gì? Phân biệt hệ thống điều khiển phân tán DCS và SCADA

DCS là gì?

DCS là từ viết tắt của “Distributed Control System” trong tiếng anh, được dịch nghĩa là “hệ thống điều khiển phân tán”. DCS là một hệ thống điều khiển cho một dây chuyền sản xuất, một quá trình hoặc bất cứ một hệ thống động học nào, trong đó các bộ điều khiển không đặt tập trung tại một nơi mà được phân tán trên toàn hệ thống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển.

Phân loại hệ thống DCS

Hệ thống DCS thường được phân loại thành ba hệ sau:

Hệ thống DCS truyền thống

Các hệ thống này sử dụng các bộ điều khiển quá trình theo kiến trúc riêng của từng nhà sản xuất. Các hệ thống cũ thường đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp, các bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp các thiết bị điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller).

Hệ thống DCS trên nền PLC

Hầu hết các PLC hiện đại không chỉ có thể thực hiện các phép tính logic đơn giản, mà còn có khả năng làm việc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, các thuật toán điều khiển phản hồi. PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phân tán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại.

PLC là gì? Ưu điểm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, lập trình và các ứng dụng của PLC

Hệ thống DCS trên nền PC

Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình PLC và các bộ điều khiển DCS đặc chủng thì thế mạnh của PC chính là tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, cũng như giá thành cạnh tranh.

Cấu trúc hệ thống DCS

Một hệ thống điều khiển phân tán DCS bao gồm các thành phần chính sau:

Trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS)

Trạm điều khiển cục bộ đôi khi còn được gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá trình (process station, PS). Các trạm điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển cho một công đoạn. Các trạm này thường được đặt trong phòng điều khiển hoặc phòng điện ở cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện trường.

Trạm vận hành (operator station, OS)

Trạm vận hành được đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng.

Trạm kỹ thuật (engineering station, ES)

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người – máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường.

Hệ thống truyền thông

Hệ thống truyền thông gồm bus trường (field bus) và bus hệ thống (system bus). Bus trường có chức năng ghép nối trạm điều khiển với các trạm vào/ ra phân tán và các thiết bị trường thông minh, còn bus hệ thống sẽ nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với các trạm vận hành, trạm kỹ thuật.

Ngoài các thành phần chính trên, một hệ DCS cụ thể có thể bao gồm các thành phần khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng, v.v..

Ưu điểm hệ thống DCS hiện nay

Mức điều khiển cao

Hầu hết các hệ thống dcs đều bao gồm các bộ điều khiển, hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp. Do đó, DCS có khả năng quản lý được rất nhiều điểm vào/ra.

Cấu hình linh hoạt

Nhờ khả năng dự phòng kép ở tất cả các thành phần, hệ thống dcs có khả năng thay đổi các chương trình, thay đổi cấu trúc của hệ hay thêm bớt các thành phần mà không làm gián đoạn hay khởi động lại quá trình.

Tỷ lệ lỗi thấp

Theo thiết kế, các hệ thống dcs thường có hệ thống mở, khả năng tích hợp cao với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập. Vì vậy, hệ thống điều khiển phân tán dcs có tỷ lệ lỗi thấp, nhờ đó, việc điều khiển trong các nhà máy hay xí nghiệp sẽ vừa tiết kiệm chi phí, vừa dễ bảo trì và vận hành.

Tính sẵn sàng và độ tin cậy

Các hệ thống điều khiển phân tán dcs hiện đại đều có các cơ chế dự phòng, an toàn, khởi động lại khi xảy ra sự cố cũng như các chế độ bảo trì, chẩn đoán và chỉ thị lỗi. Bên cạnh đó, các hệ thống dcs cũng cho phép người sử dụng cài đặt các chế độ bảo mật để hạn chế, kiểm soát quyền truy nhập dữ liệu và điều khiển.

Phân biệt DCS và SCADA

Chúng ta hiểu rằng DCS là hệ thống điều khiển phân tán và như vậy thì cũng không có gì đặc thù ở đây. Bởi SCADA cũng bao gồm các PLC điều khiển phân tán ở bên dưới, mỗi PLC đảm nhận việc điều khiển cụm riêng của mình. Một hệ thống DCS tiêu biểu gồm có bộ vi xử lý được thiết kế tùy biến như các bộ điều khiển, kết nối vật lý và giao thức giao tiếp riêng. Module đầu vào và đầu ra tạo nên các thành phần của DCS. Bộ vi xử lý nhận thông tin từ module đầu vào và gửi thông tin đến module đầu ra thì một hệ thống SCADA cũng có những thành phần đó. Vậy DCS có gì khác với SCADA?

Dựa trên quan điểm, khái niệm

DCS là một hệ thống có chức năng giống như SCADA nhưng thông thường được bán và lắp đặt ra thị trường một hệ thống hoàn chỉnh, trong đó cả phần cứng và phần mềm, công nghệ, truyền thông đều xuất xứ từ một hãng. Rất khó nâng cấp và thêm các bộ phận khi có nhu cầu. Công cụ DCS là một công thức cho trước, kiến trúc cho trước. Các hàm chức năng để phát triển dự án đã được kiểm chứng.

Có thể tưởng tượng, phát triển một ứng dụng SCADA giống như soạn một hồ sơ trên file MS Word bắt đầu bằng cách tạo một một file trống rỗng. Còn phát triển ứng dụng DCS thì hồ sơ này được tạo bằng cách mở một template có sẵn trong MS Word. DCS thông thường được ứng dụng trong điều khiển quá trình phức tạp như trong công nghiệp lọc dầu, hóa dầu, nhiệt điện mà ở đó tín hiệu analog nhiều hơn tín hiệu rời rạc. DCS cho một hệ thống máy móc rời rạc ít gặp hơn.

Hệ thống DCS được chào hàng một cách hoàn thiện từ thiết bị, phần mềm, công nghệ và giải pháp. Để phát triển được những dự án như nhiệt điện, lọc dầu, hóa dầu nhà cung cấp DCS phải có kinh nghiệm về công nghệ, điều khiển quá trình mà khách hàng yêu cầu. Đôi lúc các nhà tích hợp hệ thống có thể xây dựng được những hệ thống SCADA áp dụng cho các lĩnh vực này về những năng lực, kinh nghiệm về quá trình và công nghệ họ lại không có.

Các hệ thống DCS là các hệ thống khó thay đổi khi có yêu cầu thay đổi, ví dụ như thêm PLC, thêm trạm hoặc liên kết phần mềm với PLC của hãng khác.

Phần mềm DCS của các hãng không phổ biến ra thị trường bởi lý do thương mại và bí quyết công nghệ nên được ít người biết đến. Ở Việt Nam thông thường khi khi áp dụng DCS khách hàng phụ thuộc hoàn toàn vào các hãng cung cấp nước ngoài từ khâu thiết kế, lắp đặt, vận hành, bảo trì và bảo dưỡng. Khi có sự cố thì khách hàng thuê chuyên gia của hãng từ nước ngoài để giải quyết sự cố.

Có một vài ý kiến cho rằng DCS lớn hơn SCADA. Điều này không thể kết luận được là hệ thống nào lớn hơn, bởi vì lớn hay nhỏ thì tùy thuộc vào ứng dụng mà nó đang vận hành. Ở nhà máy lọc dầu Dung Quất hệ thống giám sát và điều khiển quá trình gọi là DCS. Hệ thống DCS sẽ điều khiển các cụm thiết bị thông qua mạng các PLC. Các PLC này được giám sát và điều khiển bởi các hệ thống cục bộ gọi là SCADA.

Phương diện lập trình và triển khai hệ thống

Các bước lập trình cho một hệ thống SCADA

Từ sơ đồ công nghệ (P&ID) các kỹ sư lập trình lập bảng ánh xạ giữa các biến trong PLC với phần mềm SCADA
Sau đó kỹ sư lập trình tiến hành lập trình điều khiển cho PLC dựa vào bảng nguyên lý điều khiển đã thiết kế. Chủng loại PLC được lựa chọn dựa vào nhiều tiêu chí của dự án.
Các kỹ sư sẽ tiến hành cấu hình và lập trình cho các Remote I/O.
Nhóm các kỹ sư khác tiến hành cấu hình cho các thiết bị trường .
Nhóm kỹ sư SCADA tiến hành lập trình ứng dụng SCADA sử dụng các công cụ đã được lựa chọn dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau của dự án.
Cuối cùng tất cả các nhóm cùng nhau kiểm tra lại kết nối giữa các quan hệ SCADA – PLC – Remote I/O – Thiết bị trường.

Các bước lập trình cho một hệ thống DCS

Hệ thống được thiết lập bởi một DCS server và nhiều máy kỹ thuật.
Hệ thống DCS này từ phần cứng và phần mềm, công nghệ, truyền thông đều xuất xứ từ một hãng cung cấp.
Các kỹ sư sẽ tạo một dự án thống nhất trong đó gồm chương trình PLC và chương trình SCADA được nối kết một cách chặt chẽ.
Khi dự án đã lập trình xong, bước tiếp theo là thực thi dự án: Chương trình điều khiển sẽ được tải vào PLC; chương trình SCADA sẽ được chạy trên các máy tính SCADA; phần cấu hình và chương trình của Remote I/O, thiết bị trường sẽ được tải xuống các thiết bị này.

Trong quá trình vận hành hệ thống đã thực thi này, nếu cần sửa đổi kỹ thuật, kỹ sư nếu có đầy đủ thẩm quyền có thể truy cập được đến đối tượng này trong chương trình điều khiển ở PLC. Ví dụ một bơm nào đó trên giao diện SCADA. Kỹ sư có thể click chuột vào bơm này và đoạn chương trình điều khiển từ PLC liên quan đến bơm này sẽ được tải lên và hiện lên trên màn hình máy tính.

Trên đây, chúng tôi đã chia sẻ cho bạn biết DCS là gì? Phân loại, cấu trúc, ưu điểm hệ thống DCS hiện nay và phân biệt sự khác nhau giữa DCS và SCADA.

MC&TT hy vọng thông tin được chia sẻ trong bài viết này sẽ giúp ích các bạn trong quá trình nghiên cứu, học tập và làm việc. Xin cảm ơn!