MỞ ĐẦU 1. GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, khoa học công nghệ đang ngày càng phát triển như vũ bão, nhiều dòng sản phẩm điều khiển mới đã lần lượt ra đời nhằm đáp ứng được những nhu cầu ngày càng khắt khe hơn của những ứng dụng công nghiệp. Ngay từ những năm 1960, bộ điều khiển khả trình PLC đã ra đời đánh dấu một bước phát triển lớn trong việc đo lường, điều khiển. Những hệ thống điều khiển bằng các rơle hành trình cũ kĩ, cồng kềnh trước đó đã được thay thế bằng những bộ PLC nhỏ gọn, và đáng tin cậy hơn.
Nhưng những tính năng của bộ PLC chưa thoả mãn được các yêu cầu ứng dụng thực tế nên đòi hỏi phải có những bộ điều khiển tiên tiến hơn ra đời. Bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controllers) được ra đời để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao đó. PAC có thể coi là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và máy tính PC nên PAC gần như thoả mãn được hững yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghiệp. Để theo kịp xu thế phát triển đó, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đã đầu tư nghiên cứu về bộ điều khiển PAC từ khá sớm.
Đặc biệt từ tháng 01/2007, VIELINA đã được giao chủ trì thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình ( PAC: Programmable Automation Controller) cho các hệ thống điều khiển công nghiệp”. Sau đây chúng tôi xin trình bày chi tiết các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu của đề tài Đây là đề tài có tính chất tiếp cận để làm chủ công nghệ mới và tiến tới ứng dụng nên chúng tôi đề ra mục tiêu chính của đề tài như sau. - Nghiên cứu, nắm bắt và làm chủ được bộ điều khiển PAC - Làm chủ và khai thác được phần mềm LabVIEW cho các ứng dụng công nghiệp - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm 01 hệ thống điều khiển trên cơ sở PAC.
- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực tế để kiểm nghiệm thiết bị đã thiết kế, chế tạo.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý làm việc, các tính năng cơ bản của PAC - Nghiên cứu, làm chủ và sử dụng được phần mềm LabVIEW - Thiết kế chế tạo 01 hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở PAC - Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế hệ thống. - Thử nghiệm thực tế hệ thống trên cơ sở PAC trong ngành khai thác than. TỔNG QUAN VỀ PAC 1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ Các hệ thống điều khiển tự động ra đời nhằm thực hiện quá trình sản xuất một cách tự động, theo quy trình xác định, không phụ thuộc vào đặc tính chủ quan của người công nhân.
Các dây chuyền sản xuất tự động nâng cao được năng suất, chất lượng, tiết kiệm nguyên vật liệu, hạ giá thành sản phẩm…Nói chung, tự động hoá đã nâng cao được chất lượng cuộc sống của người lao động và của toàn xã hội. Tự động hoá đã được hình thành và phát triển từ rất lâu và dựa trên nhiều nguyên tắc khác nhau, song ở phần này chỉ đề cập tới quá trình phát triển của các hệ thống tự động hoá hiện đại dựa trên các công nghệ tiên tiến, cụ thể từ các hệ thống PLC cho đến các hệ thống thế hệ sau.1 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PLC PLC, ra đời vào những năm 1960, đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển và tự động hoá công nghiệp. Ban đầu PLC được đưa ra nhằm thay thế các mạch rơle tuần tự sử dụng trong điều khiển máy móc, trong đó các đầu ra của nó được điều khiển đóng cắt theo chương trình phần mềm. Hiện nay, hầu hết PLC đều được lập trình bằng ngôn ngữ logic hình thang, ngôn ngữ này đã tạo ra tiêu chuẩn IEC-31161-3.
Hiện nay, chúng ta có thể thấy PLC trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp và chúng được ứng dụng khắp nơi. Các hệ thống PLC thế hệ đầu, dựa trên các CPU trượt bit (slice-bit), chỉ có khả năng vào/ra số, đến các PLC thế hệ sau đã ứng dụng công nghệ vi xử lý mới, hiện đại hơn nên phạm vi sử dụng của nó cũng đa dạng hơn. Mặt khác các PLC thế hệ sau còn tích hợp được nhiều tính năng hiện đại như: vào/ra tương tự, truyền thông mạng, sử dụng các ngôn ngữ lập trình ở mức cao hơn. Nghiên cứu về các ứng dụng của PLC các chuyên gia của ARC, VDC và PLCS.net đã đưa ra một số nhận xét như sau [5]: v 80% các hệ thống PLC được dùng trong các ứng dụng nhỏ (có từ 1 đến 128 I/O) v 78% các đầu vào ra của PLC là digital I/O v 80% các ứng dụng PLC được giải quyết chỉ với khoảng 20 lệnh logic hình thang Đó là lý do tại sao đến bây giờ vẫn còn một số PLC sử dụng CPU AMD 2901 và một số công ty như Keyence chỉ cho phép lập trình bằng ngôn ngữ hình thang.2 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PC Trong khoảng 20% ứng dụng của PLC cho thấy thuộc tính xử lý tuần tự của nó gây ra hạn chế trong một số bài toán thực tế, cần phải thay đổi để đảm bảo khả năng xử lý linh hoạt hơn, đó chính là lý do để tự động hoá trên cơ sở PC (PC-based Automation) ra đời.
Từ những năm 1980 và 1990, các chuyên gia tự động hoá đã dùng PC trong điều khiển công nghiệp và đã thu được những kết quả hết sức khả quan so với dùng PLC. Ưu điểm nổi trội của PC-based Automation là: Khả năng điều khiển mèm dẻo hơn (không phải chỉ điều khiển tuần tự) và có thể lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao. Linh hoạt, đa dạng hơn trong việc phát triển phần cứng và phần mềm. Tuy nhiên, sử dụng PC trong điều khiển công nghiệp có một số hạn chế về tính chắc chắn, ổn định và ngôn ngữ lập trình không giống nhau.
So sánh về PLC-based Automation và PC-based Automation [3]: Kh¶Khả n¨ngnăng phần phÇn mÒm mềm Kho¶ng Sử dụng Sö dông trèng PCbased PLCbased Automation Automation §é ch¾c ch¾næn ®Þnh Độ chắc chắn, ổn định Hình 1. So sánh miền sử dụng của hai hệ thống tự động hoá Nhìn vào hình vẽ ta thấy PLC-based Automation được dùng cho các ứng dụng đòi hỏi cao về độ chắc chắn, ổn định còn PC-based Automation lại được dùng ở những nơi đòi hỏi khả năng xử lý linh hoạt, đa dạng bằng phần mềm. Khả năng phần mềm ở đây có thể hiểu về sự đa dạng trong ngôn ngữ lập trình, khả năng xử lý song song (kiểu windows), … Giữa hai phần ứng dụng của các hệ thống ta thấy có một khoảng trống, đây chính là phần dung hoà giữa các ưu điểm của cả PLC-based và PC-based Automation. Nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu và thiết kế là phải chế tạo được thiết bị 8 có tính năng nằm ở vùng khoảng trống đó và họ đã đưa ra một loại thiết bị tự động hoá thế hệ mới đó là PAC: Programmable Automation Controller.3 Tự động hoá trên cơ sở PAC Trên cơ sở nghiên cứu để tạo ra sản phẩm có được ưu điểm của cả hai hệ thống tự động hoá PLC-based và PC-based, các công ty như Rockwell, Siemens, GE Fanuc, ARC và NI đã đưa ra được một thiết bị như mong muốn.
Thiết bị này đã được các nhà phân tích của hãng ARC đặt tên cho là PACs: Programmable Automation Controllers, vào năm 2002 [1]. Đây là một bộ điều khiển mới, được thiết kế cho các ứng dụng đặc biệt, kết hợp được những tính năng tốt của PLC với các tính năng tốt của PC. Sau đây chúng ta sẽ xét cụ thể về PAC. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ PAC 2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Sản phẩm được coi như PAC hiện nay được tập đoàn Control Technology Corporation giới thiệu lần đầu tiên từ khá sớm, nhưng phải đến năm 2001 thuật ngữ PAC mới chính thức được ARC (ARC Advisory Group) đưa ra.
PAC là một thuật ngữ đủ để giúp cho các nhà cung cấp thiết bị điều khiển hàng đầu thế giới lột tả được đầy đủ những tính năng các sản phẩm của họ. Sản phẩm chính thức mang tên PAC cũng bắt đầu được giới thiệu từ đây. Bộ điều khiển tự động mới PACs (Programmable Automation Controllers) là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và của máy tính PC cài đặt phần mềm linh hoạt có tính mở. Năm 2004 hãng National Instruments (NI) đưa ra một loạt các sản phẩm ứng dụng PAC cho nhiều lĩnh vực khác nhau: Dầu khí, thuỷ văn, công nghiệp chế biến, … các hệ SCADA và DCS trên cơ sở PAC cũng bắt đầu được phát triển.
Trong năm này Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá đã cử 01 đoàn cán bộ khoa học (trong đó có chủ nhiệm đề tài) sang thăm và làm việc với hãng NI và một số công ty chuyên về thiết bị đo lường, tự động hoá khác để tìm hiểu, tiếp thu các tiến bộ kỹ thuật chuyên ngành và lần đầu được xem, nghe giới thiệu demo hoạt động của PAC. Đến nay, các hãng cung cấp thiết bị điều khiển danh tiếng như Control Technology General Electric, National Instruments, Ge Fanuc, Opto 22, Allen Bradley và ICP DAS đã đưa ra được nhiều hệ thống điều khiển dùng PAC ứng dụng trong thực tiễn. Các máy công cụ CNC hiện cũng đang dùng hệ điều khiển PAC, các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện cũng đang dùng hệ điều khiển PAC, … Hiện nay, các hệ thống dùng PAC còn tồn tại một yếu điểm là giá khá đắt so với PLC nên phần nào hạn chế khả năng ứng dụng của sản phẩm, tuy nhiên tới đây khi công nghệ chế tạo phát triển thì giá thành sẽ hạ và nó cũng sẽ trở thành phổ biến như 9 các thiết bị điều khiển bằng PLC hiện nay. Do đó, triển vọng ứng dụng của PAC là rất lớn vì thế chúng ta cần phải nghiên cứu làm chủ công nghệ trước khi nó trở thành phổ biến.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Nước ta đã chính thức gia nhập WTO, nền kinh tế trong nước đang ngày một chuyển mình để có thể bắt nhịp hội nhập với xu thế phát triển như vũ bão của kinh tế thế giới.
Nhiều nhà máy, xí nghiệp được xây dựng, các thiết bị điều khiển tự động mới nhất hiện nay đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy ở nước ta vẫn là các bộ điều khiển PLC kết hợp với máy tính PC. Tuy nhiên sản phẩm dùng PAC đã thấy xuất hiện ở một số máy CNC thế hệ mới vừa nhập về của các đơn vị gia công cơ khí.
