CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp, các chuẩn kết nối, các đặc tả của OPC và đặc biệt là đặc tả mới nhất OPC UA. Đây là những kiến thức nền tảng cần thiết mà luận án sử dụng để thực hiện các nghiên cứu sau này. Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp Một hệ thống giám sát và điều khiển có thể được hiểu là hệ thống tích hợp chức năng giám sát, điều khiển quá trình một cách liên tục, kiểm soát sự kiện, báo cáo và xử lý các trạng thái bất thường của hệ thống. Toàn bộ chức năng của hệ thống giám sát điều khiển đều hướng tới các mục đích cơ bản sau [20, 53]: Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, liên tục: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
Nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định. Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm theo phạm vi yêu cầu. Đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn nhất: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ con người, thiết bị máy móc và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. Nâng cao hiệu quả kinh tế kết hợp với bảo vệ môi trường: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường.
Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi khói. Trong những năm gần đây, việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin về phần cứng, phần mềm cũng như các dịch vụ web, điện toán lưới. đã tạo lợi thế rất lớn cho việc ứng dụng công nghệ thông tin vào hệ thống tự động hóa. Các nhà phát triển đã cung cấp phần mềm giám sát, điều khiển, kiểm soát dữ liệu hệ thống.
Tuy nhiên, sự không thống nhất giữa các giao thức truyền thông, cũng như định dạng cơ sở dữ liệu đã ảnh hưởng rất lớn tới tính hiệu quả kinh tế, khả năng vận hành ổn định của toàn hệ thống. Vì lý do đó, công nghệ OPC, mà đặc tả mới nhất là OPC UA đã và đang được phát triển để đưa ra một tiêu chuẩn thống nhất cho các nhà sản xuất phần mềm. Thiết bị điều khiển khả trình Các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triển trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le [20]. Các thiết bị PLC 9 có ưu điểm là tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cỡ micro tới mili giây) tuy nhiên khả năng xử lý các tín hiệu analog lại kém.
Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng logic độc lập như là ứng dụng điều khiển trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn sản xuất độc lập tương đối với các công đoạn khác. Nói chung PLC thiên về các ứng dụng đơn lẻ. Ưu điểm của PLC là xử lý các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng quét nhỏ (cỡ μs – msvòngquét). Ban đầu PLC chỉ được sử dụng cho điều khiển logic và chỉ quản lý được các đầu vào/ ra số.
Qua quá trình phát triển, ngày nay một số loại PLC đã được bổ sung thêm nhiều chắc năng như khả năng quản lý đầu vào/ra analog, khả năng hỗ trợ các hệ thống truyền thông công nghiệp. Các giao thức truyền thông công nghiệp mà các PLC hiện nay hỗ trợ là: PROFIBUS, AS-i, DeviceNet. Việc hỗ trợ thêm các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế hệ sau này của PLC đã mở ra khả năng ứng dụng PLC trong các hệ thống lớn hơn bằng cách nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), hoặc cũng có thể kết nối với máy tính có phần mềm giao diện người – máy (HMI) tạo thành hệ PLC/HMI để điều khiển, giám sát và thu thập số liệu. Tuy có khả năng quản lý được đầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được còn khá hạn chế, không hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (Multi-Task) nên thuật toán xử lý trên các biến analog kém, không phù hợp với yêu cầu điều khiển – điều chỉnh.
PLC cộng với máy tính cá nhân (PC), các máy tính công nghiệp (IPC) cũng có thể thực hiện được phương án điều khiển phân tán nhưng sẽ mất rất nhiều công sức lập trình và nó không thể thay thế các hệ DCS thương phẩm do những hạn chế về cơ sở dữ liệu nhỏ, độ tin cậy kém. Hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) được dùng để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc điều khiển phân tán [20]. Khác với PLC, DCS là giải pháp tổng thể kể cả phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống được phát triển từ các ứng dụng điều khiển của ngành công nghiệp hóa chất với các bộ điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự. Giải pháp thiết kế của các hệ DCS là hướng vào các ứng dụng điều khiển phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao kể cả tích hợp với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập.
Mục tiêu tạo thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển. Thế mạnh DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng. Các hệ thống DCS ngày nay thường bao gồm các thiết bị điều khiển (Controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm hệ điều hành hệ thống tích hợp hỗ trợ khả năng điều khiển phân tán. Các hệ DCS có thể quản lý được từ vài nghìn điểm đến hạng chục nghìn điểm vào/ra.
Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ 10 thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS). Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin, các hệ DCS ngày nay hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý. Với cơ sở dữ liệu lớn, độ tin cậy cao, các hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể. Hệ thống điều khiển lai Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời các hệ điều khiển mới gọi là hệ điều khiển lai (Hybrid Control System) [20].
Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên hệ lai là sự pha trộn thuộc tính của hệ PLC và hệ DCS. Hệ lai có khả năng thực hiện được cả quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được đến khoảng 10000 điểm vào/ra. Hệ thống lai có các thiết bị điều khiển nhỏ hơn các hệ DCS nhưng tận dụng được hết các ưu điểm thiết kế của các hệ DCS. Các hệ lai cũng cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus trường bao gồm Forudation Fieldbus, AS-i, Profibus và DeviceNet.
Các hệ lai thường hỗ trợ các chuẩn mở như là OPC, XML, ODBC. Chúng cũng có ưu thế trong việc tích hợp vào hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị thấp như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA. Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ, theo khối, vận hành giám sát. Ngoài ra, các công cụ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây dựng, phát triển một ứng dụng dễ dàng và nhanh chóng hơn.
Hạn chế ứng dụng của hệ thống điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ dẫn lưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế về số lượng điểm vào/ra, đặc biệt khi hệ thống yêu cầu chu ký điều khiển nhỏ. Với khả năng mở rộng cơ sở dữ liệu hạn chế (tối đa khoảng 60.000 tags), các hệ lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn. Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán Có rất nhiều định nghĩa về hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều khiển, các nhà tích hợp hệ thống đều có những định nghĩa riêng cho mình về điều khiển phân tán. Dưới góc độ của nhà nghiên cứu và kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển thì khái niệm điều khiển phân tán được sử dụng để phân biệt với điều khiển tập trung truyền thống [20].
Về mặt nguyên tắc, việc điều khiển một đối tượng, một nhóm đối tượng có liên quan đến nhau hay một quá trình cần phải được xem xét dưới góc độ của hệ thống nhiều đầu vào/ra. Điều khiển phải tập trung và cơ sở dữ liệu phải thống nhất để đảm bảo khả năng đáp ứng tốt nhất đối với yêu cầu công nghệ. Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm. Phương án điều khiển tập trung này có ưu điểm là hệ cơ sở dữ liệu thống nhất, tập trung.
Do đó, ta có thể thực hiện các thuật toán điều 11 khiển tập trung và thống nhất. Nhược điểm của nó là khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các hệ xử lý trung tâm không đáp ứng được yêu cầu tính toán của hệ thống. Thêm nữa, các giá trị đo lường phải tập trung về máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho công tác bảo trì sửa chữa. Khác với điều khiển tập trung, điều khiển phân tán có quá trình tính toán điều khiển là quá trình tính toán phân tán.
Quá trình tính toán được thực hiện trên nhiều hệ xử lý và hệ cơ sở dữ liệu có thể tập trung hoặc phân tán trên các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất.
