DCS là gì? Cấu trúc của hệ thống điều khiển phân tán Distributed Control System

DCS là gì?

Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) là một hệ thống điều khiển máy tính hóa cho một quy trình hoặc nhà máy, thường có nhiều vòng điều khiển, trong đó các bộ điều khiển độc lập được phân bố khắp hệ thống, nhưng không có sự giám sát tập trung từ người vận hành. Điều này trái ngược với các hệ thống sử dụng bộ điều khiển tập trung; có thể là các bộ điều khiển rời đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong một máy tính trung tâm. Khái niệm DCS tăng độ tin cậy và giảm chi phí lắp đặt bằng cách đặt các chức năng điều khiển gần với nhà máy, đồng thời vẫn cho phép giám sát và theo dõi từ xa.

Cấu trúc DCS

Điểm nổi bật của hệ thống DCS (Distributed Control System) là tính đáng tin cậy, nhờ cơ chế phân tán xử lý điều khiển tại nhiều nút trong hệ thống. Cách thiết kế này giúp giảm thiểu rủi ro khi xảy ra sự cố: nếu một bộ xử lý gặp lỗi, nó chỉ ảnh hưởng đến một phần nhỏ của quy trình, thay vì làm gián đoạn toàn bộ hoạt động như ở hệ thống điều khiển tập trung.

Sơ đồ đi kèm là một mô hình tổng quát thể hiện các cấp độ sản xuất chức năng sử dụng điều khiển máy tính. 

• Cấp 0 bao gồm các thiết bị hiện trường như cảm biến lưu lượng và nhiệt độ, và các thành phần điều khiển cuối cùng, chẳng hạn như van điều khiển.
• Cấp 1 bao gồm các mô-đun Đầu vào/Đầu ra (I/O) công nghiệp hóa và các bộ xử lý điện tử phân tán liên quan.
• Cấp 2 bao gồm các máy tính giám sát, thu thập thông tin từ các nút bộ xử lý trên hệ thống và cung cấp màn hình điều khiển cho người vận hành.
• Cấp 3 là cấp độ điều khiển sản xuất, không trực tiếp điều khiển quy trình, nhưng liên quan đến việc giám sát sản xuất và giám sát các mục tiêu.
• Cấp 4 là cấp độ lập lịch sản xuất.

Điểm kỹ thuật

Các nút xử lý và màn hình hiển thị đồ họa của người vận hành được kết nối qua mạng độc quyền hoặc mạng tiêu chuẩn công nghiệp, và độ tin cậy của mạng được tăng cường nhờ hệ thống cáp dự phòng kép trên nhiều tuyến đường khác nhau. Cấu trúc phân tán này cũng giúp giảm lượng cáp hiện trường bằng cách đặt các mô-đun I/O và bộ xử lý liên quan gần nhà máy xử lý.

Các bộ xử lý nhận thông tin từ các mô-đun đầu vào, xử lý thông tin và quyết định các hành động điều khiển được báo hiệu bởi các mô-đun đầu ra. Các đầu vào và đầu ra hiện trường có thể là tín hiệu analog, ví dụ: vòng lặp dòng điện một chiều 4–20 mA hoặc tín hiệu hai trạng thái chuyển đổi “bật” hoặc “tắt”, chẳng hạn như tiếp điểm rơle hoặc công tắc bán dẫn.

Những ứng dụng điển hình của DCS

Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) thường được sử dụng trong các quy trình sản xuất liên tục và phức tạp, nơi yêu cầu tính ổn định, an toàn và khả năng giám sát cao. Một số lĩnh vực tiêu biểu có ứng dụng DCS gồm:

• Nhà máy hóa chất 
• Nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu, giàn khoan dầu, FPSO và nhà máy LNG
• Nhà máy bột giấy và giấy.
• Hệ thống điều khiển nồi hơi và nhà máy điện.
• Nhà máy điện hạt nhân.
• Hệ thống kiểm soát môi trường.
• Hệ thống quản lý nước.
• Nhà máy xử lý nước.
• Nhà máy xử lý nước thải.
• Ngành thực phẩm và chế biến thực phẩm.
• Ngành hóa chất nông nghiệp và phân bón.
• Ngành luyện kim và khai thác mỏ.
• Sản xuất ô tô
• Nhà máy luyện kim
• Sản xuất dược phẩm
• Nhà máy tinh luyện đường

Sự phát triển của hoạt động điều khiển quy trình

Ban đầu, việc điều khiển được thực hiện thông qua các bảng điều khiển đặt tại từng khu vực của nhà máy. Tuy nhiên, cách làm này đòi hỏi nhiều nhân công giám sát để vận hành các bảng điều khiển phân tán và không có cái nhìn tổng thể về toàn bộ quy trình sản xuất.

Bước phát triển hợp lý tiếp theo là truyền tất cả các tín hiệu đo lường từ nhà máy về một phòng điều khiển trung tâm có nhân viên thường trực. Về cơ bản, điều này tập trung hóa tất cả các bảng điều khiển rời rạc trước đó, mang lại lợi ích về giảm số lượng nhân sự vận hành và giúp việc giám sát toàn bộ quy trình trở nên dễ dàng hơn.

Nguồn gốc của Hệ thống Điều khiển DCS

Hệ thống DCS ra đời chủ yếu nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của máy vi tính cỡ nhỏ và sự phổ biến của vi xử lý trong lĩnh vực điều khiển quy trình công nghiệp.

Trước đó, máy tính đã được ứng dụng vào tự động hóa quy trình trong một thời gian dưới dạng điều khiển số trực tiếp (DDC) và điều khiển điểm đặt.

Vào đầu những năm 1970, một số công ty tiên phong đã phát triển các hệ thống điều khiển đặc trưng, bao gồm:

• Taylor Instrument Company (nay là một phần của ABB) với hệ thống 1010,
• Foxboro với hệ thống FOX1,
• Fisher Controls với hệ thống DC2,
• Bailey Controls với hệ thống 1055.

Sự phát triển của Hệ thống DCS

Trọng tâm của mô hình DCS là việc tích hợp các khối chức năng điều khiển.

Các khối chức năng này được phát triển từ những khái niệm phần mềm điều khiển số trực tiếp (DDC) ban đầu, vốn hoạt động theo dạng “bảng điều khiển dựa trên dữ liệu” một phương pháp khá nguyên thủy trong giai đoạn đầu của điều khiển tự động.

Đây cũng là một trong những hình thái đầu tiên của phần mềm hướng đối tượng.

Các function block là những “khối” mã lệnh độc lập, mô phỏng lại các thành phần điều khiển phần cứng tương tự và thực hiện những nhiệm vụ cốt lõi trong điều khiển quy trình, chẳng hạn như thực thi thuật toán PID.

Cho đến nay, các khối chức năng vẫn được duy trì như phương pháp điều khiển chủ đạo của các nhà cung cấp DCS, và được hỗ trợ bởi những công nghệ tiên tiến như Foundation Fieldbus, giúp nâng cao khả năng tích hợp và tính linh hoạt trong hệ thống điều khiển hiện đại.

Kỷ nguyên mạng trong thập niên 1980

Vào những năm 1980, người dùng bắt đầu nhìn nhận hệ thống DCS không chỉ đơn thuần là công cụ điều khiển quy trình cơ bản, mà còn là một nền tảng mạng điều khiển thông minh và tích hợp hơn.

Một ví dụ rất sớm về hệ thống DCS điều khiển số trực tiếp (DDC) được hoàn thiện bởi công ty Midac (Úc) vào giai đoạn 1981–1982, sử dụng phần cứng do R-Tec (Úc) thiết kế.

Hệ thống này được lắp đặt tại Đại học Melbourne, trong đó:

Mạng truyền thông nối tiếp được sử dụng để kết nối các tòa nhà trong khuôn viên trường về phòng điều khiển trung tâm.

Mỗi đơn vị điều khiển từ xa được trang bị hai vi xử lý Z80, trong khi bộ điều khiển trung tâm vận hành mười một vi xử lý Z80 hoạt động song song.

Các bộ xử lý này chia sẻ bộ nhớ chung để phân chia nhiệm vụ điều khiển, và có khả năng xử lý đồng thời tới 20.000 đối tượng điều khiển .

Điều này đánh dấu bước chuyển quan trọng sang kỷ nguyên “điều khiển theo mạng”, đặt nền móng cho các kiến trúc DCS hiện đại dựa trên kết nối phân tán, truyền thông nối mạng và xử lý song song.

Kỷ nguyên tập trung vào ứng dụng trong thập niên 1990

Xu hướng mở rộng tính mở được khởi xướng trong thập niên 1980 đã tăng tốc mạnh mẽ trong thập niên 1990, nhờ vào việc áp dụng rộng rãi các thành phần thương mại có sẵn và các tiêu chuẩn công nghệ thông tin (IT standards).

Một trong những bước chuyển đổi lớn nhất trong giai đoạn này là sự dịch chuyển từ hệ điều hành UNIX sang môi trường Windows.

Trong khi lĩnh vực điều khiển thời gian thực (real-time control) vẫn được thống trị bởi các biến thể thương mại của UNIX thời gian thực hoặc các hệ điều hành độc quyền. Thì mọi lớp ứng dụng nằm trên tầng điều khiển thời gian thực  bao gồm giao diện người vận hành (HMI), giám sát, phân tích dữ liệu, quản lý quy trình và tích hợp hệ thống  đều chuyển dịch sang nền tảng Windows.

Hệ thống DCS hiện đại (Từ năm 2010 đến nay)

Những phát triển mới nhất trong hệ thống điều khiển phân tán (DCS) đã tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến, bao gồm:

• Hệ thống và giao thức không dây
• Truyền dữ liệu từ xa, ghi nhật ký và lưu trữ dữ liệu lịch sử 
• Giao diện và điều khiển di động
• Máy chủ web nhúng 

Ngày nay, hệ thống DCS hiện đại có xu hướng “tập trung hóa” ở cấp nhà máy, cho phép đăng nhập và điều khiển thiết bị từ xa.

Điều này giúp người vận hành có thể giám sát và điều khiển ở cả hai cấp độ:

• Cấp doanh nghiệp – quản lý tổng thể, và
• Cấp thiết bị – điều khiển chi tiết từng máy móc,

Cả bên trong lẫn bên ngoài nhà máy, nhờ kết nối không dây và truy cập từ xa, yếu tố địa điểm vật lý không còn là rào cản lớn như trước.

Cùng với sự phát triển và hoàn thiện của các giao thức không dây, chúng được tích hợp ngày càng nhiều vào DCS. Các bộ điều khiển DCS hiện nay thường được trang bị máy chủ web nhúng, cho phép truy cập và điều khiển trực tiếp qua trình duyệt web.

Dù vậy, vẫn còn câu hỏi mở: Liệu DCS sẽ trở thành trung tâm dẫn dắt xu hướng Internet vạn vật công nghiệp (IoT), hay chỉ vay mượn các yếu tố chính từ IoT để phát triển?

Bên cạnh đó, nhiều nhà cung cấp hiện đã cung cấp giao diện HMI di động, tương thích với Android và iOS, cho phép vận hành mọi lúc, mọi nơi. Tuy nhiên, sự tiện lợi này cũng đi kèm với nguy cơ mới — các rủi ro bảo mật và khả năng gây thiệt hại cho hệ thống hoặc quy trình sản xuất nếu không được quản lý chặt chẽ.