CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ -Xây dựng chương trình điều khiển tương thích với bộ điều khiển đề xuất 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các hệ thống điều khiển có kết nối mạng (Networked control systems - NCSs) là một trong những nghiên cứu chính tập trung vào học thuật cũng như ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ và đã trở thành một lĩnh vực đa ngành [21]. Nhìn chung có 3 kiểu mạng được áp dụng cho bộ điều khiển bao gồm: cấu hình tập trung, cấu hình phi tập trung và cấu hình phân tán [22] (Hình 1-3).
Ba kiểu cấu hình của mạng điều khiển. Với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, hệ thống nhúng, truyền thông không dây và các chiến lượt điều khiển mới, mạng điều khiển phân tán (Hình 6.c) đã và đang tăng tính quan trọng của bản thân trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như dân dụng [22]. Các tác giả [22] đã chỉ ra các thách thức cần giải quyết trong cấu hình phân táng bao gồm: độ trễ do mạng, mất dữ liệu trong quá trình truyền (dropouts), cấp dữ liệu sai thứ tự, lỗi do quá trình rời rạc hóa – số hóa dữ liệu, cấu trúc mạng khác nhau ảnh hưởng đến thời gian đồng bộ, .v… Loại bỏ hay làm giảm những vấn đề do những thách thức này gây ra là mục tiêu của các bộ điều khiển mạng công nghiệp. Một số chuẩn mạng được dùng vào bộ điều khiển bao gồm mạng RTEX (cùng cấu trúc mạng với đề tài), Mechatrolink, EtherCAT và Profibus.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ Mạng RTEX với tính thời gian thực và ổn định cao, phù hợp với yêu cầu thiết kế bộ điều khiển hệ thống nhúng, các tác giả [23] đã thành công xây dựng bộ motion control mà ở đó RTEX là cầu nối giữa các servo Panasonic và các thiết bị ngoại vi khác có hỗ trợ RTEX (Hình 1-4). Ngoài ra trong [24] các tác giả đã áp dụng thành công mạng RTEX để đồng bộ 6 động cơ vào bộ điều khiển của hệ XY Gantry. Setup thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng mạng RTEX. Mạng này hỗ trợ các kiểu đồng bộ khác nhau, một vài trong số đó ít được sử dụng nên đã được [25], [26] đưa vào thí nghiệm và so sánh hiệu suất (Hình 1-5).
Sơ đồ khối của thí nghiệm master EtherCAT. Trong số những giao thức fieldbus được sử dụng rộng rãi, có thể dễ dang tìm thấy giao thức Profibus, như Profibus PA, Profibus DP và PROFINET. Mặc cho rất nhiều ưu điểm, loại mạng này vẫn rất dễ xảy ra lỗi liên quan đến cài đặt phần cứng. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ Thấy được tính cấp thiết của một giải pháp phân tích mạng Profibus, các tác giả [27] đã thí nghiệm và so sánh các chế độ phân tích bằng Fuzzy, ANN và Expert System để trợ giúp người dùng phát hiện sớm các lỗi và đưa ra khắc phục kịp thời.
Cùng với sự phát triển của NCSs các nghiên cứu về giải thuật điều khiển phù hợp với các kiểu mạng và cấu hình khác nhau cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm. Nếu bộ điều khiển chuyển động là thành phần quan trọng nhất của hệ thống điều khiển chuyển động, thì giải thuật điều khiển là kỹ thuật chính trong sơ đồ chuyển động. Nhìn chung, hệ thống điều khiển chuyển động công nghiệp phải giải quyết hai vấn đề chính. Vấn đề đầu tiên liên quan đến mệnh lệnh tham chiếu mong muốn.
Trong hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp, bộ tạo chuyển động, được xác định trước bởi các tham số đầu vào, được tạo như một quỹ đạo tham chiếu. Do đó, bộ điều khiển chuyển động đánh giá hiệu suất của vị trí thực tế tuân theo những gì được xác định trước. Các giải thuật truyền thống sử dụng thuật toán đạo hàm tích phân tỷ lệ (PID), được áp dụng trong các hệ thống sản xuất khác nhau. Các tác giả [36] đã triển khai bộ điều khiển PID trong hệ thống điều khiển đa trục có thể lập trình để điều khiển động cơ AC servo.
Tuy nhiên, với thiết kế này, dựa trên quá trình hiệu chỉnh phức tạp, phụ thuộc vào thiết bị điều khiển cụ thể. Xiao và Wang [37] đã giới thiệu một thuật toán ước lượng tham số bình phương nhỏ nhất cho điều khiển PID, giúp chuyển động mượt mà hơn. Tuy nhiên, thuật toán ước tính tham số làm tăng thời gian tính toán và giảm tốc độ giao tiếp nối tiếp, không đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cao trong công nghiệp. Trong công trình [38], các tác giả trình bày sơ đồ PID theo thứ tự phân đoạn liên tục làm thay đổi tần số đáp ứng của hệ thống.
Phương pháp này không đơn giản để thực hiện trong sử dụng thực tế và không đảm bảo tốc độ giao tiếp thỏa đáng. Vấn đề thứ hai là giải quyết các đặc tính loại bỏ nhiễu của hệ thống. Trên trục động cơ, nhiễu mô-men xoắn là phổ biến trong môi trường sản xuất. Vì vậy, cần phải thiết kế một bộ điều khiển để bù cho những vấn đề này.
Các nhà nghiên cứu trong bài báo [39] đã nghiên cứu điều khiển chuyển động điện tử trên hệ thống giám sát máy bay tập trung, giới thiệu bộ điều khiển vận tốc PID tự động điều chỉnh để khắc phục những yếu tố phi tuyến tác động lên hệ. Lợi ích nhận được từ bộ điều khiển này là được cập 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ nhật liên tục để đảm bảo tính nhất quán của hiệu năng hệ thống trong các điều kiện làm việc khác nhau. Tuy nhiên, bộ điều khiển này chỉ phụ thuộc vào một hệ thống chuyển động cụ thể và không thể được thực hiện rộng rãi.
Một số phương pháp điều khiển bổ sung đã được nghiên cứu, chẳng hạn như điều khiển tối ưu [40], điều khiển thích ứng [41], mạng thần kinh nhân tạo thích nghi [42, 43], điều khiển chế độ trượt [44] và điều khiển bậc hai tuyến tính [45]. Tuy nhiên, những giải pháp này không kết hợp kiến thức hiện có của chuyên gia vào thuật toán. Do sự phức tạp của hệ thống, bao gồm tính phi tuyến và thành phấn không dự báo được, khó có được hiệu suất tốt trong nhiều loại máy sản xuất dựa trên các mô hình toán học chính xác. Chiến lược điều khiển thông minh có tích hợp trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển mờ, có thể khắc phục những khó khăn mà các phương pháp thông thường không giải quyết được.
Đây là một bộ điều khiển dựa trên tri thức tập trung vào cơ chế lý luận thay vì tập trung duy nhất vào mô hình của hệ thống. Trong nghiên cứu [46], Uddin et al. đã nghiên cứu một sơ đồ điều khiển để điều khiển tốc độ cao của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong bằng cách tính điểm vận hành. Sau đó, trong bộ điều khiển logic mờ, các giá trị này là đầu vào và các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh bằng thuật toán di truyền.
Tuy nhiên, phương pháp này chỉ trình bày lý thuyết phân tích và phát triển, thiếu thực hiện thực tế trong điều kiện sản xuất công nghiệp. Các nhà nghiên cứu khác [47] đã thiết kế bộ điều khiển logic mờ tuyến tính chuẩn hóa hai đầu vào được kết hợp với bộ điều khiển đạo hàm truyền thống để điều khiển cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến. Mặt khác, bộ điều khiển này vẫn không phù hợp với hầu hết các máy sản xuất vì khối lượng tính toán cao và sử dụng phức tạp. Các tác giả trong công trình [48] đã mô tả một cơ chế chuyển đổi giữa các bộ điều khiển dựa trên giải thuật PID truyền thống và thuật toán mờ dựa trên sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa các giá trị tỷ lệ.
Tuy nhiên, kết quả chỉ thu được trong môi trường phòng thí nghiệm, không có ngôn ngữ điều khiển và lập trình thực tế để kiểm chứng. Trong môi trường sản xuất công nghiệp hiện đại, sơ đồ điều khiển feed-forward hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu suất giám sát. Cheng và Tsai [49] đã chỉ ra một bộ bù chuyển 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ tiếp hoàn toàn trong máy tính điều khiển số.
Cấu trúc của điều khiển feed-forward cũng có thể được áp dụng trong thuật toán tạo biên dạng chuyển động, Đối với các vấn đề thực thi khác, các tác giả [50, 51] đã đề xuất một chiến lược hoạch định feed- forward theo hệ bậc cao dẫn đến cải thiện hiệu suất đáng kể. Các chi tiết của thuật toán hoạch định quỹ đạo đã chứng minh một kết quả thực tế, đáng tin cậy và chính xác. Trong nghiên cứu [52, 53], phương pháp thiết kế ổn định của bộ điều khiển chuyển động khi có xuất hiện nhiễu và các thành phần phi tuyến được thảo luận bằng cách sử dụng bộ bù tự động cho vòng lặp bên trong. Thiết kế này cung cấp một cách tiếp cận có hệ thống cho vấn đề ổn định, tự động và hiệu suất mong muốn khi có các thành phần phi tuyến và nhiễu.
Xu hướng phát triển Hiện các bộ điều khiển công nghiệp đang chuyển từ vận hành độc lập sang hỗ trợ mạng công nghiệp trong việc đồng bộ hóa các thiết bị. Việc đồng bộ này cải thiện đáng kể chất lượng của sản phẩm cũng như tính an toàn của thiết bị cần điều khiển. Các bộ điều khiển phát xung nội suy nhiều trục lựa chọn phương án kết nối mạng từ các chuẩn phổ biến như RS485, Ethernet để tăng khả năng tương thích đa dạng các thiết bị điều khiển trung tâm khác nhau. Như bộ điều khiển Ocean control hỗ trợ 4 trục và nhận lệnh qua Ethernet, bộ điều khiển PMX-4EX-SA của Arcus Technology hỗ trợ RS485 để giao tiếp (Hình 1-6 và Hình 1-7).
Bộ điều khiển của hãng ARCUS hỗ trợ nội suy 4 trục và giao tiếp mạng RS485. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ Hình 1-7. Bộ điều khiển Ocean control hỗ trợ nội suy 4 trục và giao tiếp Ethernet. Đối với các dòng AC servo đa số đều hỗ trợ một chuẩn truyền mạng công nghiệp riêng của hãng như Mechatrolink (Yaskawa) (Hình 1-8), SSCNET III (Mishubisi Electronic) (Hình 1-9), RTEX (Panasonic) (Hình 1-10).
Mục tiêu chính của mạng công nghiệp này là tăng tính đồng bộ cho các động cơ của hãng khi phải phối hợp làm việc cùng nhau. Ngoài ra do tính chất đáp ứng nhanh, mạng cũng được dùng vào việc mở rộng các thiết bị ngoại vi như module I/O, module cảm biến. Một nhánh của mạng Mekatrolink-III hỗ trợ tối đa 16 slave. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÔNG NGHIỆP __________________________________________________________________ Hình 1-9.
Mạng SSCNET III mỗi nhánh hỗ trợ tối đa 16 slave. Mạng RTEX kết nối theo kiểu vòng hỗ trợ 32 slave.
