Hệ thống điều khiển là một phần không thể thiếu, được sử dụng đa dạng trong đời sống và sản xuất thực tiễn hiện nay. Cùng tìm hiểu về hệ thống điều khiển nói chung và hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng, phân loại cùng các chức năng qua bài viết sau.
1. Hệ thống điều khiển là gì
Hệ thống điều khiển là một hệ thống được thiết kế để tự điều chỉnh, định hướng và thực hiện các tác vụ cho chính nó hoặc cho các hệ thống khác.
Ví dụ: Nhiệt độ cơ thể người sẽ luôn nằm ở khoảng 37 độ C. Nếu như nhiệt độ cơ thể bắt đầu đẩy cao hơn mức này, cơ thể sẽ đổ mồ hôi, còn khi thấp hơn thì sẽ run rẩy. Cả hai phản ứng này đều được hệ thống điều khiển sinh học trong chính chúng ta sử dụng để khôi phục cơ thể trở về nhiệt độ cố định bình thường.
Hình thức phổ biến nhất của hệ thống điều khiển là hệ thống điều khiển phản hồi. Nó hoạt động để điều khiển một quá trình và tạo ra đầu ra mong muốn. Đầu ra của nó sẽ được điều chỉnh theo tín hiệu điều khiển, có thể là giá trị cố định hoặc giá trị thay đổi.
Hệ thống điều khiển phản hồi có thể gặp ở khắp nơi, không chỉ trong tự nhiên, trong cuộc sống mà cả trong công nghiệp. Có rất nhiều quy trình công nghiệp và thiết bị cần có sự điều khiển, can thiệp của con người hoặc được điều khiển tự động. Ví dụ đó là những quá trình điều khiển giữ ổn định nhiệt độ, mực chất lỏng, áp suất,…
Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động.
2. Phân loại hệ thống điều khiển
2.1 Hệ thống điều khiển vòng hở
Trong hệ thống này, bộ điều khiển độc lập được sử dụng để thực hiện hành động điều khiển đến “đầu ra của quá trình”.
Ví dụ, khi sử dụng một hệ thống điều khiển độc lập để điều khiển một nồi hơi sưởi ấm trung tâm, nhiệt lượng được cung cấp trong một khoảng thời gian nhất định mà không phụ thuộc vào nhiệt độ của tòa nhà.
2.2 Hệ thống điều khiển vòng kín
Trong hệ thống điều khiển vòng kín, hành động điều khiển phụ thuộc vào giá trị đầu ra mong muốn và giá trị đầu ra thực tế của quá trình, được điều khiển bởi bộ điều khiển.
Ví dụ, trong trường hợp nồi hơi sưởi ấm, bộ điều khiển sử dụng bộ điều khiển nhiệt để theo dõi nhiệt độ của tòa nhà và phản hồi lại tín hiệu để duy trì đầu ra của bộ điều khiển, đảm bảo nhiệt độ của tòa nhà đạt giá trị mong muốn được thiết lập trên bộ điều khiển nhiệt.
2.3 Hệ thống điều khiển logic
Hệ thống điều khiển logic cho các máy móc công nghiệp và thương mại ban đầu được triển khai bằng cách sử dụng rơ le kết nối với nhau và được thiết kế bằng ladder logic. Tuy nhiên, ngày nay hầu hết các hệ thống này được xây dựng bằng các bộ điều khiển logic lập trình được PLC hoặc các vi điều khiển. Mặc dù ký hiệu của ladder logic vẫn được sử dụng như một ngôn ngữ lập trình cho PLC.
2.4 Hệ thống điều khiển on – off
Một bộ điều khiển nhiệt là một bộ điều khiển phản hồi âm đơn giản: khi nhiệt độ nằm dưới điểm đặt, lò sưởi sẽ được bật nguồn.
2.5 Hệ thống điều khiển tuyến tính
Hệ thống điều khiển tuyến tính sử dụng phản hồi âm tuyến tính để tạo ra một tín hiệu điều khiển toán học dựa trên các biến khác, nhằm duy trì quá trình điều khiển trong một phạm vi hoạt động chấp nhận được.
3. Hệ thống điều khiển công nghiệp ICS là gì?
ICS (Industrial Control System) là thuật ngữ để chỉ một tập hợp các hệ thống điều khiển và các công cụ liên quan được sử dụng để vận hành và tự động hóa các quy trình công nghiệp. Đây là một hệ thống phức tạp, bao gồm tất cả các thiết bị, hệ thống, mạng và điều khiển có liên quan để giúp quản lý và kiểm soát các hoạt động sản xuất.
ICS được xây dựng để quản lý các tác vụ điện tử một cách hiệu quả. Các hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm sản xuất, năng lượng, dầu khí, hóa chất và nhiều ngành công nghiệp khác.
4. Các hệ thống điều khiển công nghiệp phổ biến hiện nay
4.1 SCADA – Hệ thống kiểm soát giám sát và thu nhập dữ liệu
Hệ thống điều khiển công nghiệp này không cung cấp cho người dùng quyền kiểm soát đầy đủ. Thay vào đó, nó tập trung vào việc cho phép người dùng kiểm soát ở mức độ giám sát.
Hệ thống SCADA bao gồm nhiều thiết bị khác nhau như bộ điều khiển logic lập trình PLC và các mô-đun phần cứng thương mại, được phân phối ở nhiều vị trí khác nhau. Chúng thu thập và truyền dữ liệu và có các giao diện HMI giữa người-máy tích hợp cho phép người dùng giám sát và kiểm soát đầu vào và đầu ra của quy trình.
4.2 DCS – Hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống điều khiển sản xuất được quản lý tại một địa điểm duy nhất bằng DCS. Bằng cách gửi điểm đặt đến bộ điều khiển, DCS chỉ đạo van hoặc bộ truyền động để hoạt động trong khi vẫn duy trì giá trị mong muốn.
Điểm đặt là giá trị mong muốn hoặc giá trị mục tiêu cho một biến hoặc giá trị quá trình quan trọng của DCS. Mỗi bộ điều khiển DCS sử dụng một vòng điều khiển giám sát tập trung để quản lý một số bộ điều khiển cục bộ hoặc thiết bị là một phần của quy trình sản xuất tổng thể.
DCS cung cấp dữ liệu sản xuất và vận hành cho các ngành công nghiệp để giảm thiểu tác động của lỗi đơn lẻ lên hệ thống điều khiển tổng thể.
4.3 IED – Thiết bị điện tử thông minh
IED là một thiết bị điện tử thông minh được thiết kế cho nhiều mục đích, bao gồm truyền thông, đo lường, giám sát và điều khiển điện năng. Chúng được tích hợp vào các cấu trúc ICS để tạo ra các khả năng tự động hóa điện năng phức tạp. IED thường là các thành phần điện tử với bộ xử lý, chẳng hạn như bộ điều khiển mạch và thiết bị điều chỉnh.
Các thiết bị này có khả năng giao tiếp thông qua nhiều giao thức khác nhau. Chẳng hạn như Ethernet thời gian thực hoặc Fieldbus – một phương pháp giao tiếp kỹ thuật số. IED được sử dụng trong nhiều quy trình và hệ thống điều khiển công nghiệp như DCS và SCADA.
4.4 Bộ điều khiển tự động hóa có thể lập trình PLC
PLC là một hệ thống điều khiển chắc chắn với cấu trúc trạng thái rắn và nhiều tính năng đặc biệt. Điều khiển I/O, điều khiển PID, cơ chế số học, đếm và định thời và điều khiển tuần tự là một số tính năng tiêu biểu của PLC.
Bộ điều khiển tự động có thể lập trình PLC được thiết kế để có khả năng chống chọi với các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao hoặc thấp, độ ẩm cao, tiếng ồn điện và rung động mạnh. Chúng được sử dụng để giám sát và điều khiển các bộ truyền động và cảm biến trong quá trình sản xuất.
So với các hệ thống máy tính và bộ xử lý thông thường, PLC nổi bật vì có khả năng quản lý một lượng lớn các thiết bị I/O. Ngoài ra, chúng có giao diện lập trình trực quan giúp người dùng dễ dàng lập trình và cấu hình.
4.5 Giao diện người – máy (HMI)
Giao diện HMI là phương tiện giao tiếp và trao đổi thông tin dựa trên phần cứng và phần mềm giữa người vận hành và máy móc và / hoặc hệ thống máy tính. Với HMI, các quy trình thiết bị khác nhau có thể được kiểm soát, hiển thị và quản lý thông qua các tương tác giữa người và máy
4.6 Hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp (IACS)
Hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp (IACS) là một loại hệ thống tự động hóa được sử dụng để điều khiển và giám sát các quá trình sản xuất trong công nghiệp.
IACS bao gồm một loạt các thiết bị điện tử và phần mềm, cho phép nó theo dõi và điều khiển các quá trình thông qua các cảm biến và thiết bị đo lường, chuyển đổi các tín hiệu điều khiển và thông tin qua lại giữa các thiết bị khác nhau, và thực hiện các chức năng điều khiển tự động.
IACS được thiết kế để cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các quy trình sản xuất, giảm thiểu sự cố và tăng độ an toàn trong quá trình sản xuất.
4.7 Đơn vị đầu cuối từ xa (RTU)
Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) là một hệ thống điều khiển công nghiệp dựa trên bộ vi xử lý. RTU kết nối nhiều loại phần cứng điện tử với các hệ thống điều khiển khác như SCADA hoặc DCS. Các đơn vị điện tử này thu thập dữ liệu từ cảm biến thông qua các luồng đầu vào và đầu ra, sau đó truyền dữ liệu này đến hệ thống điều khiển tập trung thông qua một vòng điều khiển.
RTU cũng có khả năng quản lý kết nối với các điểm điều khiển từ xa hoặc cục bộ, đó là lý do tại sao chúng thường được gọi là đơn vị điều khiển từ xa hoặc đơn vị đo từ xa.
5. Thành phần cấu tạo nên Hệ thống điều khiển công nghiệp – ICS
5.1 Thiết bị CNTT và công nghệ vận hành (OT)
OT bao gồm các hệ thống phần cứng và phần mềm để giám sát và điều khiển các thiết bị vật lý tại hiện trường. Ví dụ về thiết bị OT là các cảm biến theo dõi nhiệt độ trong môi trường công nghiệp.
Mặc dù hội tụ CNTT/OT mang lại khả năng hiển thị chuỗi cung ứng tốt hơn cho tổ chức. Nhưng nó cũng tạo ra một lỗ hổng bảo mật dễ dàng cho các kẻ tấn công mạng truy cập vào các thiết bị CNTT và OT.
5.2 PLC
Đây là một phần cứng được sử dụng làm thành phần điều khiển trong cả hệ thống điều khiển DCS và SCADA. Chúng cho phép người dùng quản lý các quy trình cục bộ hoặc thông qua giao diện người máy (HMI) bằng cách sử dụng các thiết bị điều khiển phản hồi như cảm biến và bộ truyền động làm đầu vào.
5.3 Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU)
Đây là một thiết bị điều khiển từ xa được trang bị bộ xử lý, nhận lệnh và gửi thông tin trở lại máy chủ đầu cuối (MTU). MTU có thể là máy chủ ICS hoặc bộ điều khiển giám sát.
5.4 Vòng điều khiển
Vòng điều khiển này được tạo thành từ phần cứng, bao gồm PLC và bộ truyền động. Nó diễn giải các tín hiệu từ cảm biến, van điều khiển, cầu dao, công tắc, động cơ và các thiết bị tương tự khác, sau đó truyền dữ liệu đến bộ điều khiển để thực hiện một tác vụ hoặc hoàn thành một quy trình.
5.5 HMI
Đây là một ứng dụng giao diện người dùng đồ họa (GUI) cho phép người vận hành tương tác với phần cứng điều khiển. Nó cũng hiển thị trạng thái và dữ liệu lịch sử mà các thiết bị ICS thu thập. HMI giám sát và cấu hình các điểm thiết lập, điều khiển thuật toán cũng như điều chỉnh và thiết lập các tham số trong bộ điều khiển.
5.6 Hệ thống chẩn đoán và bảo trì từ xa
Hệ thống này xác định và ngăn chặn các hoạt động bất thường và sự cố trong môi trường hệ thống điều khiển công nghiệp ICS.
5.7 Máy chủ điều khiển
Máy chủ này lưu trữ phần mềm điều khiển và giám sát DCS hoặc PLC và giao tiếp với các thiết bị điều khiển cấp thấp hơn.
5.8 Máy chủ SCADA, MTU hoặc bộ điều khiển giám sát
Thiết bị này đưa ra các lệnh cho RTU tại hiện trường.
5.9 Thiết bị điện tử thông minh (IED)
Đây là thiết bị thông minh có khả năng thu thập dữ liệu, giao tiếp với các thiết bị khác và thực hiện các tác vụ xử lý và điều khiển cục bộ. Sử dụng IED trong các hệ thống điều khiển SCADA và DCS cho phép việc điều khiển cấp địa phương để thực hiện tự động.
5.10 Lịch sử dữ liệu
Đây là cơ sở dữ liệu tập trung ghi lại thông tin quy trình của môi trường ICS. Dữ liệu sau đó được xuất ra hệ thống thông tin của chủ sở hữu ICS (IS). Dữ liệu này được sử dụng để phân tích quy trình, kiểm soát thống kê quy trình và lập kế hoạch cấp doanh nghiệp.
Bài viết liên quan:
