DCS và SIS Khái niệm và Thực tiễn

Trong thế giới tự động hóa ngày nay tồn tại nhiều loại hệ thống được thiết kế cho các chức năng đặc biệt như DCS, SIS, SCADA và PLC. Mục đích chính của bài viết này là xem xét các chức năng và sự khác biệt giữa hai hệ thống DCS & SIS, đồng thời thời tìm hiểu về các công nghệ mới đang được sử dụng trên thị trường.

DCS là gì?
DCS là viết tắt của Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System), thường được sử dụng trong các quá trình, hệ thống sản xuất và các hệ thống động (dynamic system), trong đó các phần tử điều khiển không được đặt ở vị trí trung tâm, nhưng mỗi một hệ thống con được điều khiển bằng một hoặc nhiều bộ điều khiển trong toàn bộ hệ thống. Toàn bộ hệ thống điều khiển được nối mạng để giao tiếp, điều khiển và giám sát. 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. Hệ thống điều khiển phân tán DCS là hệ thống chuyên dụng được dùng để điều khiển các quá trình sản xuất liên tục hoặc theo mẻ (Batch- oriented) như trong lọc dầu, hóa dầu, trạm phát điện trung tâm, dược phẩm, sản xuất thức ăn, nước uống, sản xuất xi măng, sản xuất thép và sản xuất giấy.

Vậy SIS là hệ thống thiết bị trường an toàn (Safety Instrumented System), thực hiện các chức năng đặc biệt để điều khiển hoặc duy trì trạng thái an toàn của quá trình khi phát hiện các điều kiện quá trình nguy hiểm hoặc không được chấp nhận. Các hệ thống trang bị an toàn được tách biệt và độc lập với các hệ thống điều khiển thông thường nhưng bao gồm các phần tử tương tự, bao gồm: cảm biến, các bộ xử lý logic và hệ thống phụ trợ.
Hai hệ thống DCS và SIS phục vụ các mục đích khác nhau cho hoạt động của nhà máy. Hệ thống DCS được sử dụng để điều khiển nhà máy an toàn trong quá trình hoạt động bình thường. Vì vậy, nó tập trung vào tính khả dụng cao và thời gian trung bình giữa 2 sự cố cao (MTBF). Trong khi đó, hệ thống SIS được sử dụng để chuyển nhà máy về trạng thái an toàn tại thời điểm khẩn cấp hoặc vận hành bất thường.
DCS & SIS về cơ bản không kết hợp với nhau trong một hệ thống vì sự tách biệt giữa DCS & SIS là bắt buộc theo tiêu chuẩn IEC 81508 và ISA S84.01. Chúng có phạm vi và khái niệm thiết kế khác nhau. DCS có:
1. Mức điều khiển cao
2. Cấu hình linh hoạt
3. Tỷ lệ lỗi thấp (Không phân biệt an toàn/nguy hiểm)
4. Ưu tiên tính vận hành và độ khả dụng
Trong khi đó, SIS có:
1. Mức độ an toàn cao (Xác suất hư thỏng theo yêu cầu thấp)
2. Yêu cầu tuân theo các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như IEC & ISA
3. Tuyệt đối an toàn khi hư hỏng (nhấn mạnh vào tính an toàn hơn độ khả dụng)

Hệ thống riêng biệt có tốt hơn?
Nhiều công ty sản xuất vẫn tiếp tục sử dụng các bộ điều khiển an toàn độc lập với những bộ điều khiển được sử dụng cho việc điều khiển và tối ưu hóa. Các bộ điều khiển được sử dụng cho SIS do các nhà sản xuất chuyên môn hóa có thêm các chẩn đoán mở rộng và nhận được chứng chỉ an toàn TÜV. Trước đây, có rất ít lựa chọn ngoại trừ sử dụng các hệ thống điều khiển và an toàn khác nhau. Một số người dùng thậm chí còn sử dụng hệ thống điều khiển và SIS của các nhà sản xuất khác nhau.
Có nhiều lý do khác để đặt tính năng an toàn và điều khiển trong các bộ điều khiển khác nhau. Cụ thể:
• Hư hỏng độc lập- tối thiểu hóa nguy cơ của việc hỏng hóc đồng thời của hệ thống điều khiển với SIS.
• An toàn – tránh khả năng các thay đổi trong hệ thống điều khiển có thể dẫn đến các thay đổi hoặc làm hư hỏng SIS tương ứng.
• Các yêu cầu khác nhau cho các bộ điều khiển an toàn – một hệ thống an toàn thường được thiết kế để hỏng hóc theo một cách an toàn, trong khi đó BPCS thường sẽ tối đa tính khả dụng. Một SIS cũng có các tính năng đặc biệt như chẩn đoán mở rộng, kiểm tra lỗi phần mềm đặc biệt, bộ lưu dữ liệu được bảo và khả năng kháng lỗi .
Tiêu chuẩn an toàn IEC61508 có gì đó không được rõ ràng trong vấn đề này. Việc phân tách được đặc biệt nhấn mạnh tuy nhiên lai không được chỉ thị một cách rõ ràng. Hiện nay, một lượng lớn người dùng đang tìm lý do hợp lý cho việc sử dụng các hệ thống tương tự cho chức năng điều khiển và an toàn vì nó sẽ giúp giảm các vấn đề liên quan đến các thủ tục lập trình khác nhau, ngôn ngữ khác nhau, yêu cầu lắp đặt và bảo trì khác nhau. Những sự khác biệt trong thủ tục khiến cho người lập trình dễ mắc lỗi và dễ gặp phải các vấn đề về an toàn. Lợi ích kinh tế của việc sử dụng các hệ thống tương tự cũng rõ ràng; giảm các chi phí phần cứng, cấu hình, đào tạo và lưu kho nhờ vào chủng loại và số lượng thiết bị yêu cầu. Thêm vào đó gánh nặng của các dịch vụ hỗ trợ khác nhau nhằm làm cho các hệ thống khác nhau tương thích với nhau cũng được loại bỏ.
Giới thiệu hệ thống ProSafe RS của Yokogawa
Về phương diện truyền thống mà nói, những người phát triển SIS và các sản phẩm SIS đều bắt kịp với các giải pháp sáng tạo cho điều khiển an toàn, tuy nhiên các giải pháp này
1. triển khai các kiến trúc phần cứng vật lý khác nhau.
2. mạng giao tiếp khác nhau
3. và môi trường vận hành, kỹ thuật riêng biệt.
Kết quả là, ngay cả khi mạng SIS và DCS được kết nối với nhau – và điều này, xét trên khía cạnh lịch sử, là một công việc phức tạp và tiêu tốn thời gian. Nhân viên phòng điều khiển thường xuyên thấy mình phải điều khiển hai cửa sổ và hệ thống cảnh báo khác nhau, còn nhân viên vận hành được yêu cầu thiết lập cơ chế bảo trì và sửa lỗi cho các hệ thống khác nhau. Với ProSafe-RS, Yokogawa đang mang đến tính năng điều khiển an toàn trong một hệ thống điều khiển hợp nhất, với tất cả được đều nhắm đến hiệu quả sản xuất và chi phí bản quyền thấp.
Điểm mấu chốt trong kiến trúc tích hợp DCS – SIS là một giao thức truyền thông duy nhất, mạnh được phát triển bởi Yokogawa đặc biệt hỗ trợ cho các giao tiếp liên quan đến an toàn trong đường cao tốc dữ liệu chung DCS. Giao thức này cách ly giao tiếp DCS và SIS về mặt logic, để đảm bảo việc tích hợp của giao tiếp an toàn ProSafe-RS trong mạng chia sẻ VNet- mạng đã triển khai bộ lặp kép cho độ tin cậy liên tục của DCS. Đột phá này là một sự mở đầu cho thế giới điều khiển quá trình và đã được kiểm tra độc lập và được phê chuẩn để đảm bảo tính toàn vẹn.
Tính năng chính của hệ thống trang bị an toàn sáng tạo mới của Yokogawa, ProSafe-RS là:

1. Bộ điều khiển an toàn tích hợp thực sự đầu tiên trên thế giới
a. ProSafe-RS được chứng nhận SIS như SIL3 bởi TÜV trong cấu hình tích hợp.
b. ProSafe-RS được tích hợp trực tiếp với Vnet của CENTUM CS3000.
c. ProSafe-RS mang lại cho các nhà máy tính an toàn, tính khả dụng và hiệu suất.
d. Lợi ích của việc tích hợp:
– Triển khai các dự án thông qua một mạng
– Hiệu suất hoạt động cao hơn do chỉ có một màn hình quan sát.
– Chi phí bản quyền thấp do chỉ dùng một giải pháp
e. Ưu điểm trong việc lựa chọn và cấu hình SIS:
– Lựa chọn đơn giản nhờ SIL3 duy nhất
– Tính khả dụng nhờ sự lặp lại
2. Một quá trình công nghệ, một kiến trúc mạng và một giao diện vận hành chung.
a. Vnet hỗ trợ truyền thông cho hệ thống an toàn nhà máy, các chuẩn truyền thông này đã được TÜV chứng nhận. Điều này đảm bảo tính logic của việc tách rời hệ thống DCS và SIS.
b. Tính năng xuyên suốt này dẫn đầu về điều khiển công nghệ trên thế giới. Khả năng tích hợp DCS và SIS có thể loại trừ việc giám sát và điều khiển cho 2 hệ thống này.
3. Chung kiến trúc mạng.
a. Không yêu cầu phương tiện kết nối thứ ba hoặc phần cứng giao diện để trao đổi dữ liệu giữa DCS và SIS.
b. Loại trừ việc cần thiết phải lắp đặt một kiến trúc mạng an toàn chuyên dụng.
c. Dễ dàng và đơn giản trong việc tiếp cận hệ thống mà không cần các thiết kế phức tạp cho việc tích hợp hệ thống.
d. Giảm chi phí bảo dưỡng.
e. Giảm chi phí nhân công trong những dự án lớn.
4. Thiết kế hệ thống dễ dàng.
a. Không cần phương tiện kết nối thứ ba hoặc module giao diện để trao đổi dữ liệu giữa DCS và SIS.
b. Thiết kế chung một cấu hình truyền thông cho DCS và SIS.
5. Chuyển đổi dữ liệu giữa các bộ điều chỉnh
Truyền thông an toàn có thể được sử dụng trên Vnet. (Giao thức an toàn nguyên bản của Yokogawa đã được TÜV chứng nhận).
6. Đồng bộ thời gian bởi chức năng Vnet chuẩn
GPS được coi như một tùy chọn khác (giao diện IRIG trên SCS).
7. Thống nhất sự vận hành và giám sát bởi cùng một trạm vận hành (Human Machine Interface).
a. Người vận hành có thể tạo ra các giao diện hiệu quả và rõ ràng trong việc tích hợp dữ liệu của DCS và SIS.
b. Người vận hành có thể giám sát và truy cập dữ liệu của DCS và SIS trên cùng một màn hình vận hành HIS (Human Interface Station).
Cùng với màn hình vận hành tùy biến, người vận hành có thể dễ dàng dự đoán các tình huống quan trọng và có các biện pháp xử lý nhanh trong các hoàn cảnh không mong muốn hoặc trong trường hợp khẩn cấp.
c. Người vận hành có thể thể hiện các trạng thái cảnh báo và sự kiện của quá trình công nghệ và an toàn trên cùng một trang màn hình.
d. Người vận hành có thể so sánh các dữ liệu được tích hợp đúng lúc, phân tích nguyên nhân gây ra các sự cố dễ dàng và nhanh chóng.

Kết luận
Thông qua những nỗ lực không ngừng trong việc nghiên cứu và phát triển, Yokogawa đã phát triển thành công hệ thống tích hợp điều khiển phân tán và hệ thống thiết bị trường an toàn DCS-SIS tương thích với các tiêu chuẩn an toàn quốc tế đầu tiên trên thế giới. Hệ thống tích hợp DCS-SIS cung cấp sự kết hợp giải pháp tiết kiệm chi phí tối ưu và khả năng an toàn cao. Các tiêu chuẩn chung trong vận hành và kiến trúc mạng đã giúp cho công tác triển khai dự án nhanh hơn, giảm khối lượng thiết kế phức tạp cho việc tích hợp hệ thống, rút ngắn thời gian đào tạo vận hành, thời gian bảo trì bảo dưỡng cũng như nhân lực trong các nhà máy lớn.

Công ty Yokogawa Việt Nam
Số 124 (3/2011)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay