Mô hình điều khiển số một quá trình sản xuất

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Mơ hình điều khiển số một quá trình sản xuất
Đinh Văn Thắng 1, *
1 Khoa Cơ -Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, E-mails ();

THƠNG TIN BÀI BÁO

TĨM TẮT

Q trình:
Nhận bài 17/06/2021
Chấp nhận 17/7/2021
Đăng online 19/12/2021

Ứng dụng kỹ thuật tính trong tự động điều khiển là một trong những đặc
điểm quan trọng bậc nhất trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay. Các lĩnh
vực công nghiệp, giao thông vận tải, hệ thống thông tin truyền thơng và quản
lý bảo vệ mơi trường tồn cầu phụ thuộc và liên quam mật thiết với hệ thống
máy tính điều khiển. Điều khiển số q trình cơng nghệ khác nhiều so với xử
lý số liệu thông thường. Giống như trong các máy tính ngày nay, các dữ liệu
vào là dạng số hay các ký tự, do đó chúng có thể được lưu trữ hoặc trao đổi
thơng tin thông qua nhiều vật mang thông tin khác nhau. Nguyên tắc điều
khiển số trực tiếp được ứng dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển bằng
máy tính hiện đại ngày nay. Nhược điểm của hệ thống điều khiển số trực tiếp
phụ thuộc vào độ tin cậy của hệ thống máy tính trung tâm, vì thế có thể khắc
phục được nhược điểm trên băng cách lắp đặt hai hệ thống máy tính điện tử
trung tâm làm việc dự phịng song song, điều này có thể làm tăng giá thành
đầu tư hệ thống điều khiển lên một cấp. Nội dung bài viết này trình bày mơ
hình điều khiển số một số q trình cơng nghệ chung và ngun tắc điều

khiển số gián đoạn cho một máy ép nhựa tổng hợp sản xuất đồ nhựa với các
thuật toán điều khiển số riêng cho từng khâu.

Từ khóa:
Điều khiển q trình, điều
khiển số, q trình cơng
nghệ, mơ hình hệ thống,
điều khiển theo chương
trình

© 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.

1. Mở đầu

năm 1959 trong ngành công nghiệp hố dầu thuộc
tập đồn “TEXACO” bang Tecdat Hoa Kỳ. Tập
đồn TEXACO kết hợp với hãng máy tính điện tử
Thomson Ramo Wooldridge chế tạo và thử
nghiệm máy tính điều khiển mang tên RW300.
Máy tính RW300 được chế tạo trên cơ sở sử dụng
các bóng đèn điện tử chân khơng thực hiện các
chức năng kiểm soát nhiệt độ, áp suất, nồng độ và
lượng tiêu hao cấp liệu vào và tính tốn những tác
động điều khiển cần thiết cho q trình cơng nghệ
lọc dầu nhằm chỉ dẫn cho người điều độ điều
khiển bằng tay các thao tác cần thiết. Một bước
tiến hết sức quan trọng được ghi nhận vào năm
1962 bởi tập đoàn cơng nghiệp hố chất Anh ICI
(Imperial Chemical Industries) đặt hàng hệ thống
tích hợp điều khiển số trực tiếp. Nền tảng của ý

tưởng ban đầu trong hệ thống điều khiển này là
thay thế các bộ điều khiển theo nguyên tắc tương

Ứng dụng kỹ thuật tính trong tự động điều
khiển là một trong những đặc điểm quan trọng
bậc nhất trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay.
Các lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải, hệ
thống thông tin truyền thông và quản lý bảo vệ
mơi trường tồn cầu phụ thuộc và liên quam mật
thiết với hệ thống máy tính điều khiển. Thực tiễn
ở các quốc gia có nền khoa học kỹ thuật phát triển
chỉ ra rằng; hầu hết các hệ thống hạ tầng kỹ thuật
từ giao thông vận tải đường sắt đến vận hành điều
khiển lị phản ứng điện hạt nhân khơng thể thiếu
hệ thống điều khiển dù thô sơ hay hiện đại. Hệ
thống máy tính điện tử số (trong đó có cả các máy
tính điện cá nhân PC) giữ vai trị mấu chốt và quan
trọng. Ứng dụng máy tính điện tử trong điều khiển
q trình cơng nghệ được thử nghiệm đầu tiên vào
237


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

tự trước đây thành bộ điều khiển số được điều
khiển qua máy tính trung tâm. Những tấm Panel
điều khiển có kích thước khổng lồ và giá thành cao
với hàng trăm nút điều chỉnh tương tự, cơ cấu tự
ghi được thay thế bởi vài thiết bị đầu cuối nhỏ gọn

và thuận tiện giống như ngày nay (Густав Олссон,
Джангуисто, 2001).
2. Mô hỉnh hệ thống điều khiển số công nghiệp

Ví dụ minh họa đầu tiên về hệ thống điều khiển
số có thể kể ra đó là hệ điều khiển trong cơng
nghiệp hố chất hoặc điều khiển một hệ thống nhà
ga đường sắt cỡ lớn hay điều khiển quỹ đạo bay
của một con tầu vũ trụ. Có thể hình dung là tất cả
các hệ thống điều khiển này đều có những khối
chức năng điều khiển giống nhau như: khối thu
thập dữ liệu; các bộ định thời hay các khối điều
khiển ngắt; vịng liên lạc phản hồi; giao tiếp trao
đổi thơng tin với các máy tính điều khiển khác và
tương tác điều khiển người - máy tính (HMI).
Nhìn chung hệ thống điều khiển số các q
trình cơng nghệ được bao gồm từ những thành
phần cơ bản sau đây (hình 1).

Những ứng dụng điển hình về điều khiển số
thường có mặt phổ biến ở rất nhiều nơi trong sản
xuất công nghiệp hiện đại, khởi đầu từ dây chuyền
sản xuất sản phẩm tiêu dùng đến sản phẩm công
nghệ cao. Trong các xe ô tô hiện nay, người ta sử
dụng các bộ vi xử lý để điều khiển thời điểm đánh
lửa, bộ trộn nhiên liệu cũng như hệ thống điều hịa
khơng khí trong buồng hành khách.

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số các q trình cơng nghệ
có thể là: động cơ servo; van thuỷ lực; van khí nén;

v.v. …
Hệ thống điều khiển số làm việc chỉ với thông
tin dưới dạng số hố, vì vậy những tín hiệu nhận
được từ các bộ cảm biến đo lường cần phải được
xử lý số hoá nhờ bộ biến đổi tương tự số. Những
thông tin của các đối tượng điều khiển từ khoảng
cách xa được truyền qua kênh truyền tin đến máy
tính điều khiển trung tâm để thực hiện các nhiệm
vụ:
- thu thập tất cả các thơng tinh vật lý từ q
trình;
- ra lệnh điều khiển tương ứng với thuật tốn
của chương trình xử lý tín hiệu;

1. Máy tính điều khiển;
2. Kênh truyền dẫn thơng tin;
3. Các bộ biến đổi số - tương tự và tương tự
- số (AD & DA);
4. Các cảm biến đo lường và cơ cấu thừa
hành;
5. Các q trình cơng nghệ cụ thể.
Các q trình vật lý được kiểm sốt nhờ các bộ
cảm biến thực hiện chức năng biến đổi thông số
đại lượng vật lý thành tín hiệu điện (dịng điện hay
điện áp) . Cuối cùng các đại lượng điện được biến
đổi thành những tác động vật lý như chuyển động,
dịch chuyển, quay phục vụ cho các mục đích khác
nhau (đóng mở van, …). Ví dụ về cơ cấu thừa hành
238

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

- phát lệnh điều khiển đến bộ phận thực thi
nhiệm vụ (cơ cấu thừa hành);
- phát lệnh điều khiển đến bộ phận thực thi
nhiệm vụ (cơ cấu thừa hành);
- trao đổi thông tin với người điều khiển và
thực thi lệnh của người điều khiển.
Những máy móc được điều khiển theo chương
trình với nguyên tắc số (Numerical control – NC)
sản xuất ra sản phẩm có độ chính xác cao thường
vận hành theo quy trình cơng nghệ chuẩn mực,
theo một trình tự thứ tự thao tác xác định nào đó.
Những cỗ máy này được ứng dụng trong mọi lĩnh
vực sản xuất cơng nghiệp, trong đó sự làm việc của
chúng hồn tồn phụ thuộc vào chương trình
phần mềm điều khiển cho trước và có thể thay thế
một cách nhanh chóng và dễ dàng. Tính mềm déo
của các ro bốt cơng nghiệp và tính đa dạng của các
thao tác mà chúng thực hiện đều do các máy tính
điều khiển đảm nhiệm. Nếu một trong các ro bôt
bị sự cố, rô bơt khác có thể thực hiện chức năng
thay thế nhằm duy trì hoạt động bình thường của
tồn bộ hệ thống (Воронов А.А, 1996). Trong hệ
thống mềm déo như vậy, sự hoạt động của từng cỗ
máy riêng lẻ và mối tương tác giữa chúng với nhau
được điều khiển thông qua một máy tính điều
khiển trung tâm.

Kỹ thuật tính tốn và điều khiển được ứng
dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau
như: cơng nghiệp hố chất ; luyện kim; sản xuất
giấy và xenlulơ; v.v. … Những q trình cơng nghệ
khác nhau thường có những mối liên hệ, giữa
chúng những dịng vật chất thường xuyên chuyển
động qua lại. Những quy trình sản xuất như vậy
mang đặc điểm của sản xuất liên tục (hàng loạt) vì
vậy độ tin cậy là yếu tố quan trọng hàng đầu. Ngoài
ra với hệ thống này, các số liệu đo đạc là rất lớn,
khoảng độ thời gian của mmọt q trình của một
xí nghiệp từ vài giây đến vài ngày, còn phạm vi khu
vực sản xuất rất rộng
Hệ thống điện thuộc loại có độ phức tạp rất lớn,
nó bao gồm các nguồn sản xuất điện năng như:
thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, … và hệ thống
truyền tẩi và phân phối điện năng quốc gia vô cùng
phức tạp. Để mơ tả hệ thống năng lượng điện ví dụ
cho một quốc gia nhỏ bé, cần thiết lập hàng nghìn
phương trình cho máy phát điện, tuốc bin, đường
dây tải điện và các phụ tải của hệ thống. Điện năng

không thể được tích trữ với số lượng lớn ở một
khâu nào đó trơng hệ thống mà vì thế việc sản xuất
ra điện năng đồng thời với tiêu thụ nó trong cùng
một thời điểm. Việc điều khiển quá trình sản xuất
điện năng và công týac truyền tải phân phối đến
các hộ tiêu thụ ccần phải đáp ứng nhanh và chính
xác. Để đạt được điều này, ngoài hàng loạt các căn
cứ khác, bộ phận điều độ cần theo dõi phụ tải của

các hộ tiêu thụ điện thậm chí cả khoảng thời gian
của các chương trình phát sóng truyền hình hay từ
lúc bắt đầu đến khi kết thúc.
3. Hệ thống điều khiển số quá trình ép nhựa
tổng hợp sản xuất vật dụng
Quá trình ép nhựa trong các nhà máy sản xuất
vật dụng nhựa tổng hợp là một dây chuyền cơng
nghệ hồn chỉnh có tính lặp lại. Điều khiển quá
trình ép nhựa - một khả năng ứng dụng điển hình
hệ điều khiển số sử dụng máy tính điện tử.
Máy tính cần phải đồng thời vừa điều chỉnh
nhiệt độ phù hợp vừa xác định trình tự các thao
tác cơng nghệ. Khi áp dụng phương pháp lập trình
thơng thường thì bài tốn xây dựng cấu trúc
chương trình điều khiển trở nên bất khả thi vì thế
cần phải tiếp nhận cách tiếp cận mới.
Sơ đồ công nghệ ép nhựa được trình bày trên
hình 2. Buồng cấp nhiệt dùng để nấu chảy nhựa
nguyên liệu. Nhiệt độ của nhựa ép cần được khống
chế ở một giá trị xác định. Máy tính điều khiển đo
đạc nhiệt độ buồng cấp nhiệt theo chu kỳ và tính
tốn lượng nhiệt cần thiết để duy trì ổn định nhiệt
độ. Phần dưới của sơ đồ ép nhựa là xi lanh ép, nó
có tác dụng đẩy một lượng nhựa nóng chảy cần
thiết qua đầu đùn ép. Khi pit tơng nằm ở cuối bên
phải của xi lanh, nhựa nóng chảy chứa đầy khoang
của xi lanh ép. Khi pit tông ép chuyển động từ phải
qua trái, áp lực được tạo ra sẽ đẩy nhựa vào khn
qua đầu đùn. Vị trí của pit tơng ép được kiểm sốt
thơng qua cảm biến chuyển động của pit tơng.

Chuyển động tịnh tiến của pít tơng ép sẽ dừng khi
máy tính nhận được số xung cần thiết cho trước
về vị trí của nó.
Để đảm bảo năng suất ép của máy, nhiệt độ của
nhựa cần khống chế ổn định trong suốt quá trình
thực hiện ép tạo sản phẩm. Hệ thống điều khiển số
bằng máy tính cần kiểm sốt nhiệt độ và chuyển
động của pít tơng đồng thời. Ngồi ra, cịn hai cảm
239


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

biến vị trí cuối phải và cuối trái của xi lanh ép sẽ
tạo ra tín hiệu dạng nhị ngun đến máy tính điều

khiển khi pít tơng đạt điểm đầu và cuối của nó
trong hành trình.

Hình 2. Sơ đồ công nghệ ép nhựa
cùng. Các bộ định thời trong máy tính điều khiển
sẽ làm nhiệm vụ tạo ra các tính hiệu ngắt chương
trình điều khiển hiện thời sang một chương trình
khác khi có sự xuất hiện của tín hiệu báo hiệu hay
một khoảng thời gian quy định nào đó.
Lưu đồ thuật tốn điều khiển máy ép nhựa như
sau:

4. Thuật toán điều khiển gia nhiệt cho nhựa

theo nguyên tắc gián đoạn
Điều khiển gián đoạn là thiết lập được khoảng
luân phiên giữa các nhiệm vụ điều khiển. Với bài
toán cụ thể đặt ra như ví dụ trên, cả hai trương
trình điều khiển độc lập đều được thực hiện trên
một máy tính là: một chương trình điều khiển
nhiệt độ và một điều khiển di chuyển của pít tơng
nén.
Phương pháp báo hiệu, được gọi là điều khiển
gián đoạn được sử dụng để chuyển chức năng
thực hiện của bộ xử lý trung tâm từ một chương
trình điều khiển này sang chương trình điều khiển
khác. Thực chất của vấn đề điều khiển gián đoạn
là những tín hiệu bên ngồi thơng báo cho bộ xử
lý trung tâm biết về sự xuất hiện của chuỗi các sự
kiện, những sự kiện này do các cảm biến gửi đến
nhằm yêu cầu bộ xử lý trung tâm ngừng xử lý
chương trình hiện thời để chuyển sang chương
trình điều khiển khác (Olsson, Gustaf, 1985). Như
vậy, tín hiệu bên ngồi tham gia vào quá trình thực
hiện các modul chương trình khác nhau. Như vậy
điều khiển gián đoạn ln có yếu tố thời gian đi
240


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

trình điều khiển xác định. Khi bắt đầu cấp dịng
điện cho dây đốt, chương trình điều khiển nhiệt độ

sẽ khởi động bộ định thời và chờ tín hiệu điều
khiển ngắt tiếp theo để tiếp tục thực hiện chương
trình (chế độ chờ).
5. Thuật tốn điều khiển số quá trình ép nhựa
theo nguyên tắc gián đoạn
Cũng tương tự như trên, chương trình điều
khiển di chuyển pit tơng ép nhựa với hai tín hiệu
báo ngắt gián đoạn đó là: tín hiệu từ cảm biến vị trí
cuối trái và một là tín hiệu cảm biến vị trí cuối phải
của pít tơng ép. Q trình ngắt gián đoạn được
thực hiện tương ứng với lệnh điều khiển dạng
wait_interrupt(x), trong đó x là ký hiệu kênh tín
hiệu vào ngắt. Thuật tốn wait_interrupt thực thi
lệnh dừng tức thì chương trình đang thực hiện và
tiếp tục thực hiện tiếp khi và chỉ khi có tín hiệu báo
hiệu từ bên ngoài yêu cầu.
Hệ thống điều khiển gián đoạn cho phép bộ
xử lý trung tâm chuyển thực hiện từ chương trình
này đến chương trình khác theo tín hiệu nhận
được từ bên ngoài yêu cầu. Nếu các modul chương
trình điều khiển là độc lập với nhau thì việc bổ
sung một vài modul chương trình khơng ảnh
hưởng đến sự làm việc chung của hệ thống điều
khiển gián đoạn và khơng thay đổi cấu trúc có sẵn
của hệ thống điều khiển.

Hình 3. Lưu đồ thuật tốn điều khiển máy ép nhựa
Với phương pháp điều khiển gián đoạn, bài
toán điều khiển nhiệt độ được thực hiện bằng
chương trình điều khiển nhiệt độ. Sự gián đoạn

của chương trình điều khiển theo thời gian được
thực hiện nhờ biến nhiệt - thời gian trong chương

241


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Hình 4. Lưu đồ thuật tốn điều khiển số quá trình ép nhựa theo nguyên tắc gián đoạn

242


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

6. Kết luận

cho máy ép nhựa tổng hợp trong sản xuất đồ vật
dụng nhựa.

Hệ thống điều khiển số được sử dụng ngồi vai
trị chức năng điều khiển thiết lập trình tự thao tác
trong cơng nghệ nói chung, nó thực hiện một số các
chức năng nhiệm vụ khác như: nhận biết các tín
hiệu khẩn cấp và xử lý các tình huống này hiệu quả
nhất. Ngồi ra nó cịn thu thập các thơng tin hiện
thời của hệ thống, tính tốn thống kê các dữ liệu,
hiển thị các thơng tin trạng thái của hệ thống cho

người điều độ biết và thực hiện các lệnh điều khiển
từ người điều độ. Với nội dung bài viết này, tác giả
mong muốn giới thiệu đến đọc giả về mơ hình hệ
thống điều khiển số các q trình sản xuất cơng
nghệ nói chung và đưa ra mơ hình điều khiển số

Tài liệu tham khảo
Густав Олссон, Джангуисто. Цифровые
системы автоматизации и управления.
Издательство Невский диалект, СанктПетербург. 2001
Воронов А.А. Основы теории автоматического
управления. М.: Энергия. 1966
Olsson, Gustaf. Control Strategies for the activated
sludge process. New york: Pergamon Press,
1985.

243