Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG 1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các ứng dụng công nghiệp” được thực hiện theo: Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 04-16RD/BCN-KHCN giữa Bộ Công nghiệp (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký ngày 26 tháng 01 năm 2006 và Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 139.07RD/HĐ-KHCN giữa Bộ Công nghiệp, nay là Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký ngày 06 tháng 02 năm 2007. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2. Tính cấp thiết Bộ điều khiển đa năng hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, pH,.
vì có các ưu điểm: nhỏ gọn (ngày càng nhỏ hơn theo sự phát triển của công nghệ sản xuất chip); cho phép giảm đáng kể thời gian thiết kế, thi công công trình tự động hoá; có nhiều chức năng cài đặt sẵn dễ sử dụng; mức độ thông minh, bộ nhớ ngày càng cao; hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông quốc tế nên dễ mở rộng hệ thống; tích hợp sẵn tính năng điều khiển (từ đơn giản cho tới phức tạp) phù hợp cho nhiều đối tượng điều khiển trong công nghiệp. (Các ưu điểm sẽ được phân tích sâu hơn trong các mục sau) Tại Việt Nam hầu hết các bộ điều khiển đa năng đều do nước ngoài cung cấp với giá thành cao, do vậy việc nghiên cứu thiết kế chế tạo, tiến tới sản xuất các thiết bị này trong nước là cần thiết nhằm làm chủ công nghệ sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, góp phần tạo ra các sản phẩm điện tử có khả năng cạnh tranh trong giai đoạn gia nhập WTO. Mục tiêu nghiên cứu Năm 2006, đề tài đặt ra các mục tiêu sau: § Nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo bộ điều khiển đa năng có giá thành hạ cho các ứng dụng trong công nghiệp tại Việt Nam, có khả năng thay thế các thiết bị ngoại nhập có cùng tính năng. § Làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các công nghệ vi điều khiển tiên tiến hơn trong tương lai để nâng cao chất lượng và phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển.
Năm 2007, đề tài đặt ra các mục tiêu sau: § Hoàn thiện và mở rộng chức năng cho bộ điều khiển đa năng trên cơ sở kết quả nghiên cứu của giai đoạn I, đáp ứng yêu cầu thực tế. § Xây dựng mạng truyền thông trên cơ sở bộ điều khiển đa năng ứng dụng trong các hệ SCADA. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu Khái niệm : Hiện nay chưa thấy có một định nghĩa chuẩn nào về bộ điều khiển đa năng, tuy nhiên hãng Honeywell đưa ra dòng sản phẩm - UDC (UNIVERSAL DIGITAL CONTROLLERS) có các tính năng tương tự các bộ điều khiển của nhiều hãng nổi tiếng như Siemens - SIPART, Burkert - DIC(Digital Industrial Controller), OMRON - DC(Digital Controller), ABB (Advanced Process Controller),.Có thể phân biệt bộ điều khiển đa năng bằng một số đặc điểm đặc trưng sau: § Được xây dựng trên nền tảng các phương pháp điều khiển thông thường và hiện đại (điều khiển PID, điều khiển fuzzy, điều khiển thích nghi,.), do vậy có thể áp dụng cho nhiều các bài toán điều khiển (tính đa năng): sử dụng nhiều nhất trong điều khiển quá trình (process control).
§ Người sử dụng xây dựng chương trình điều khiển bằng phương pháp cấu hình cấu trúc bộ điều khiển dựa trên cơ sở các khối hàm chuẩn dựng sẵn, do vậy không đòi hỏi lập trình bằng ngôn ngữ (tất nhiên người sử dụng phải là chuyên gia tích hợp hệ thống chứ không phải end-user). Các khối hàm chuẩn là những hàm rất hay sử dụng trong điều khiển các quá trình công nghiệp như: lọc (filter), chống nhiễu (pulse suppress), scaling, PID, nhận dạng, các hàm toán học, hàm logic,. § Một bộ điều khiển đa năng thường được sử dụng cho điều khiển cục bộ, tương đối độc lập (liên động ít) một hay vài khâu quy mô nhỏ trong hệ thống tự động hoá. Đối với những hệ thống lớn, người ta thường sử dụng bộ điều khiển đa năng kết hợp với PLC.
§ Có khả năng kết nối mạng theo các giao thức truyền thông mở (các giao thức trên cơ sở RS485, RS232, Ethernet,.), do vậy có thể mở rộng, tích hợp hệ thống dễ dàng. § Ngoài ra một xu thế đã khá phổ biến là tích hợp luôn tính năng của transmitter vào bộ điều khiển. Nội dung nghiên cứu Năm 2006, đề tài đã thực hiện các nội dung sau: § Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phiên bản I bộ điều khiển đa năng. Kết quả là đã tạo ra sản phẩm UDC.01 với các tính năng cơ bản như: điều khiển PID, truyền thông trên cơ sở RS485/RS232, vào/ra chuẩn, cấu hình từ xa (đặt cấu hình từ máy tính qua mạng RS232) § Thử nghiệm bộ điều khiển trong thực tế cho ứng dụng điều khiển độ cứng và pH của hệ thống lọc nước.
Bộ điều khiển đã điều khiển chính xác (tương đương với bộ điều khiển SC100 của HACH về độ chính xác) và có đánh giá tốt của cơ sở sản xuất. Năm 2007, đề tài đăng ký nội dung nghiên cứu sau: § Hoàn thiện và mở rộng chức năng của bộ điều khiển bao gồm: tính toán toán học, thiết kế chế tạo module vào/ra cắm thêm; thiết kế chế tạo module khuyếch đại tín hiệu RTD, TC và pH; xây dựng bộ lọc; xây dựng chức năng PID tự chỉnh; xây dựng chức năng truyền thông theo chuẩn Ethernet. 5 § Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng bao gồm: mạng Ethernet kết nối các bộ điều khiển đa năng và máy tính, phần mềm SCADA trên PC phục vụ giám sát, cấu hình từ xa. Giao thức truyền thông sử dụng TCP/IP.
§ Thử nghiệm và đánh giá kết quả. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước Việc thiết kế chế tạo các bộ điều khiển trong công nghiệp nói chung không phải là mới tại Việt Nam, tuy nhiên hầu hết các bộ điều khiển đều hướng vào một phạm vi rất hẹp các ứng dụng (chủ yếu là giám sát điều khiển nhiệt độ) nên thường có cấu trúc cố định và ít tính năng. Độ mềm dẻo không cao, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lập trình, tốn nhiều thời gian, công sức cho thiết kế chế tạo để đáp ứng những yêu cầu mới của công nghệ đã khiến các bộ điều khiển này khó thích nghi được trong nhiều trường hợp thực tế. Mặt khác nhiều bộ điều khiển dựa trên vi điều khiển 8-bit do hạn chế về tốc độ và bộ nhớ đã không đáp ứng được yêu cầu phát triển ngày càng tăng của cơ sở sản xuất như nâng cấp, mở rộng để nâng cao năng suất, sản lượng, chất lượng đồng thời cũng làm giảm phạm vi ứng dụng.
Trên thị trường chưa có bộ điều khiển đa năng có thương hiệu Việt Nam, hầu hết đều phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao gấp nhiều lần so với sản xuất trong nước như tại các nhà máy bia Hải Dương, Thanh Hoá, Kim Bài, Thái Bình; Công ty phân đạm và hoá chất Hà Bắc; Công ty Gang thép Thái Nguyên những bộ điều khiển pH, T, DO, Ca, Flow, áp suất,. đều nhập ngoại. Bên cạnh đó hầu hết các đơn vị chưa chú ý tích hợp các transmitter vào bộ điều khiển để tăng thêm giá trị sử dụng của nó hoặc các chức năng điều khiển còn đơn giản chưa đáp ứng được thực tế. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 5.
Tổng quan Nhiều hãng lớn như SIEMENS, Honeywell, OMRON, ABB. đã nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển đa năng như dòng sản phẩm SIPART (SIEMENS), UDC (HoneyWell), Digital Process Controller (OMRON), Advanced Process Controller (ABB).đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều thuật toán điều khiển phức tạp, nhiều chức năng tính toán được cài đặt sẵn đã làm cho bộ điều khiển có thể dùng trong nhiều ứng dụng và đúng như tên gọi của nó “đa năng”. Trên một bộ điều khiển có thể có sẵn các thuật toán điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển lai, điều khiển bù nhiễu trước, điều khiển nhiều vòng kín, điều khiển logic, điều khiển theo giới hạn (limit control), điều khiển theo dõi, điều khiển tỷ lệ, điều khiển đồng bộ (đồng bộ theo giá trị chủ đạo đưa từ master là PLC hoặc bộ điều khiển khác), điều khiển bước,.các hàm toán học, logic, so sánh, định thời,.
Tất cả việc còn lại người sử dụng cần làm chỉ là cấu hình (định nghĩa cấu trúc cho bộ điều khiển) và cài đặt tham số. Bộ điều khiển còn có các giao diện truyền thông cho phép kết nối mạng và trên cơ sở đó người ta xây dựng hệ SCADA có kiến trúc phân tán: hệ bao gồm nhiều bộ điều khiển nằm tại hiện trường, mỗi bộ điều khiển có hiển thị, cảnh báo, bàn phím, cài đặt tại chỗ. Mỗi bộ sẽ điều khiển cục bộ, độc lập tương đối (liên động ít) một công đoạn trong dây chuyền sản xuất đồng thời thu thập dữ liệu liên quan để truyền về một trạm điều khiển trung tâm qua mạng truyền thông. Trạm điều 6 khiển trung tâm thường sử dụng máy tính PC có cài đặt phần mềm HMI để người vận hành giám sát, lưu trữ, điều khiển từ xa toàn bộ dây chuyền.
Mạng truyền thông phổ biến của bộ điều khiển là PROFIBUS, MODBUS và Ethernet. Trong đó mạng Ethernet có xu hướng ngày càng phổ biến, hiện chiếm đến 80% thị phần mạng trên toàn thế giới. Ethernet có rất nhiều ưu điểm như: lắp đặt nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản; tính sẵn sàng cao nhờ khả năng mở rộng lớn, hầu như không hạn chế; cho phép kết nối nhiều lớp ứng dụng khác nhau như quản lý, sản xuất; có khả năng kết nối diện rộng mạng WAN; tương thích rất nhiều thiết bị trên thế giới hiện nay; gần như không giới hạn hiệu suất mạng nhờ sử dụng công nghệ switching. Ngoài ra trong các bộ điều khiển đa năng của các hãng kể trên hầu hết đều tích hợp sẵn đầu vào cho đầu đo nhiệt độ RTD, TC.
Hơn nữa hiện nay rất nhiều hãng sản xuất đầu đo như HACH, E+H, YSI,. có xu hướng tích hợp các bộ điều khiển với transmitter. Mỗi bộ điều khiển có khả năng kết nối một vài dạng đầu đo chuẩn. Tuy nhiên các bộ điều khiển dạng này thường rất đơn giản về điều khiển, không có module mở rộng nhưng giá thành rất cao (thậm chí gấp đôi giá thành bộ transmitter thông thường).
