Ứng dụng chuẩn IEEE 1588 vào tự động hóa trong công nghiệp doc

Ứng dụng chuẩn IEEE 1588 vào tự
động hóa trong công nghiệp

Việc sản xuất các sản phẩm riêng lẻ thường không nhanh hơn và có độ chính xác cao như
nhiều sản phẩm trong một phút. Các giải pháp điều khiển truyền thống có thể đã giới hạn
việc đạt được mục tiêu nhanh hơn và chính xác hơn.
Chuẩn IEEE 1588 cung cấp một giải pháp điều khiển trên cơ sở thời gian mà có thể được
ngành điều khiển công nghiệp chấp nhận một cách dễ dàng trong việc phân bổ thời gian
chính xác cho quá trình điều khiển trên cơ sở thời gian ở xưởng sản xuất.
Tình huống điều khiển cơ sở thời gian
Trong hệ thống điều khiển tuần tự truyền thống với các cảm biến đầu vào, các bộ thừa
hành đầu ra và các bộ điều khiển công nghiệp nằm rải rác trong một mạng cục bộ, các
thuật toán điều khiển luôn luôn dựa trên cơ sở quét quá trình và dị bộ, do đó dễ bị rối
loạn. Một số hệ thống sử dụng kỹ thuật thay đổi trạng thái hoặc kích thích theo sự kiện để
cải thiện hiệu quả hoạt động. Tuy nhiên, kiểu điều khiển cơ sở thời gian cho ta một lựa
chọn có hiệu quả tốt nhất.
Điều khiển quét
Đối với điều khiển quét, quá trình sẽ như sau đối với một chuỗi đơn giản gồm đầu vào,
điều khiển, đầu ra. Số liệu đầu vào từ các thiết bị cảm biến được gửi tới bộ điều khiển
theo một chu kỳ thời gian nào đó. Bộ điều khiển chạy thuật toán điều khiển theo một chu
kỳ và kết quả đầu ra được gửi tới bộ thừa hành đầu ra theo một chu kỳ. Các đầu vào/ra
thay đổi trạng thái một cách dị bộ theo quá trình quét chu kỳ của đầu vào/ra.
Cấu trúc mạng
Chuỗi đầu vào – xử lý – đầu ra này tạo ra độ
trễ rất co dãn từ đầu vào tới đầu ra. Độ trễ này
sẽ là một hàm của thời điểm mà đầu vào thay
đổi theo chu trình quét dị bộ của quá trình đầu
vào, bộ điều khiển và đầu ra, trễ lan truyền, và
trễ bên trong thiết bị. Các trễ này được minh
họa ở Hình 1.
Điều khiển theo sự kiện

Điều khiển theo sự kiện hay điều khiển thay
đổi trạng thái có thể giảm trễ một cách đáng
kể. Đối với vận hành kiểu thay đổi trạng thái, trễ quét đầu vào, điều khiển và đầu ra bị
triệt tiêu. Khi thiết bị đầu vào dò tìm được một sự chuyển trạng thái của đầu vào, nó sẽ
ngay lập tức gửi đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển bị ngắt khi có tín hiệu đầu vào, ngay
lập tức thực hiện thuật toán xử lý của nó và gửi kết quả tới thiết bị đầu ra. Khi thông điệp
đầu ra xuất hiện ở thiết bị đầu ra, nó kích hoạt ngay lập tức bộ thừa hành.
Kiểu tiếp cận này sẽ vẫn vướng phải trễ do truyền số liệu trong mạng. Nếu có rất nhiều
đầu vào thay đổi trạng thái cùng một lúc thì nghẽn mạng và mất dữ liệu có thể xảy ra, tạo
thêm trễ, thậm chí có thể làm hỏng hệ thống. Ngoài ra, vì có nhiều thiết bị vào/ra không
hỗ trợ cơ chế kích hoạt theo sự kiện nên kiểu này thường ít khả thi. Trong thực tế, một hệ
điều khiển truyền thống sẽ dùng kết hợp cả hai cơ chế điều khiển quét và điều khiển theo
sự kiện.
Điều khiển cơ sở thời gian
Đối với nhiều ứng dụng, trễ không thành vấn đề nếu thời gian đáp ứng của ứng dụng vẫn
thỏa mãn. Thời gian sẽ là một hàm tích phân của hệ thống điều khiển và các thuật toán
điều khiển. Mọi thiết bị trong hệ thống có cùng ý niệm về thời gian. Trong một hệ thống
như thế, các sự kiện đầu vào có tính thời điểm và các sự kiện đầu ra được lên lịch trình.
Hệ thống điều khiển biết chính xác khi nào có tín hiệu đầu vào và có thể xác định chính
xác khi nào đầu ra được kích hoạt. Thiết bị đầu ra có thể lên lịch trình đầu ra để kích hoạt

Hình 1
ở một thời điểm định trước.
Nguồn trễ duy nhất của hệ thống này là những trễ đi kèm với đầu vào và đầu ra theo thời
gian chính xác.
Ví dụ thực tế
Các ưu điểm của kiểu điều khiển cơ sở thời gian có thể được minh họa bằng một ví dụ
thực. Trong một ứng dụng về bộ chọn lọc dùng cho băng chuyền tốc độ cao, các sản
phẩm được sản xuất riêng lẻ đi dọc theo một băng chuyền với một tốc độ không đổi.
Một “sản phẩm” có thể là một thanh sô cô la, một tã giấy hay bất kỳ cái gì được sản xuất

riêng rẽ. Trong hệ thống này, mục đích là dò tìm sự có mặt của các sản phẩm riêng lẻ khi
chúng chạy dọc theo băng chuyền, thực hiện việc đánh giá nóng sản phẩm để xác định
xem nó có phải là phế phẩm không và sau đó kích hoạt bộ thừa hành để loại bỏ phế
phẩm.
Cấu trúc mạng
Nếu độ phân giải của hệ thống điều khiển
không phù hợp với tốc độ của hệ thống băng
tải sẽ dẫn đến loại bỏ sai hoặc loại bỏ nhiều
hơn mức cần thiết.
Trong ví dụ này, một cảm biến đầu vào, ví dụ
như cảm biến quang điện, được lắp đặt dọc
theo băng chuyền để dò tìm sự có mặt của
một sản phẩm. Trạng thái đầu vào “tìm được
sản phẩm” được gửi tới bộ điều khiển vốn
thuộc vòng quét đầu vào và cung cấp một cơ
chế đăng ký để dò bám theo sản phẩm khi nó chạy dọc theo băng chuyền. Khi biết được
vận tốc của băng chuyền, bộ điều khiển có thể tính toán được vị trí của sản phẩm ở bất kỳ
thời điểm nào. Một hệ thống quang học kiểm tra sản phẩm cũng được lắp đặt cạnh băng
chuyền. Bộ điều khiển bám theo phế phẩm đã bị hệ thống kiểm tra sản phẩm dò ra khi nó
chạy dọc theo băng chuyền và ở một thời điểm thích hợp ra lệnh cho bộ chọn lọc loại bỏ

Hình 2
phế phẩm đó. Minh hoạ bằng hình 2
Tốc độ tối đa của băng chuyền, và cùng với đó là số lượng tối đa sản phẩm sản xuất được
mỗi phút, sẽ được xác định trước bằng độ trễ tổng cộng từ đầu vào tới đầu ra. Sử dụng
các con số từ phần trước đối với điều khiển quét, tốc độ tối đa và số lượng sản phẩm mỗi
phút được tính như sau:
Độ phân giải sản phẩm = trễ 122 mili giây
Tốc độ tối đa = 1/122 =~ 8 sản phẩm mỗi giây
Số sản phẩm tối đa mỗi phút = 8*60 = 480 sản phẩm

Vận hành điều khiển cơ sở thời gian
Bây giờ ta xem xét cũng một hệ thống như thế nhưng dùng điều khiển cơ sở thời gian.
Khi cảm biến quang điện dò tìm được một sản phẩm, thời điểm đó được ghi lại. Bộ điều
khiển gửi tới hệ thống kiểm tra sản phẩm một lược đồ thời gian để ra tín hiệu khi sản
phẩm được tìm thấy và ra tín hiệu khi cần loại bỏ một phế phẩm. Trong trường hợp này,
tốc độ tối đa của hệ thống bị giới hạn theo độ trễ toàn hệ thống từ đầu vào tới đầu ra. Tốc
độ tối đa và số lượng sản phẩm tối đa mỗi phút được tính như sau:
Độ phân giải sản phẩm = trễ 12,4 ms
Tốc độ tối đa = 1/12,4 = ~ 80 sản phẩm mỗi giây
Số sản phẩm tối đa mỗi phút = 80*60 = 4.800 sản phẩm
Như đã nói ở trên, độ trễ phụ thuộc vào độ trễ cơ khí và điện đối với thiết bị dò tìm đầu
vào và thiết bị thừa hành đầu ra. Chỉ có trễ lan truyền mới có tính quyết định. Độ chính
xác của hệ thống bị giới hạn theo trễ lan truyền, độ chính xác của việc xác định thời điểm
và lập lược đồ thời gian của các thiết bị đầu vào/ra tương ứng.
Việc sử dụng một cơ chế điều khiển cơ sở thời gian cho thấy hiệu suất đã được cải thiện
gấp mười lần. Các nguồn trễ của hệ thống gần như được triệt tiêu. Hiệu quả của hệ thống
chỉ bị giới hạn bởi tốc độ xử lý của các thiết bị đầu vào, điều khiển và đầu ra.
Ứng dụng của thời gian vào điều khiển công nghiệp
Thời gian ngày
Thời gian được phân bổ cho tất cả các thiết bị trong hệ thống để thực hiện các hoạt động
định trước được dựa trên cơ sở thời gian ngày. Các hoạt động này có thể bao gồm các
thao tác khởi động, tắt và báo cáo. Đối với các hệ thống này, cũng cần phải phân bổ một
cách tự động các khoảng thời gian. Thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày cho tất cả các
thiết bị trong phân xưởng và để quản lý các quá trình chuyển tiếp giữa thời gian chuẩn,
thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày.
Đầu vào theo thời điểm
Một đầu vào được ghi lại thời điểm khi có sự thay đổi đầu vào đối với sườn lên, sườn
xuống hoặc cả hai. Đầu vào có thể là một thiết bị vật lý, ví dụ như một cảm biến, hoặc
một đầu vào logic như dò tìm được một điều kiện cảnh báo. Dấu thời gian đi kèm theo số
liệu đầu vào đối với việc dò tìm cảnh báo hoặc sự kiện. Các ứng dụng dùng đầu vào theo

thời điểm cho điều khiển cơ sở thời gian, truy cập hoặc định hướng tổng quát hay phân
tích thống kê. Ứng dụng trước hết là xác định từ một tập các thời điểm chuỗi mà trong đó
một tập các sự kiện xảy ra hoặc khi lỗi đầu tiên xảy ra trong một chuỗi lỗi.
Đầu ra theo lược đồ
Một đầu ra theo thời điểm hay theo lược đồ được dùng để lên lịch trình khi cần sử dụng
đầu ra. Các ứng dụng dùng đầu ra theo lược đồ cho việc điều khiển cơ sở thời gian vận
hành hoặc chiếm lĩnh một cách chính xác đầu ra. Đầu ra có thể là vật lý như trường hợp
về ứng dụng của bộ chọn lọc, hoặc logic như kích hoạt một hoạt động điều khiển nào đó.
Điều khiển đồng bộ hóa hoặc phối hợp
Điều kiển đồng bộ hóa hoặc phối hợp được dùng để phối hợp một cách đồng thời các
hoạt động trong một hoặc nhiều thiết bị theo kiểu phối hợp thời gian. Điều này rất thông
dụng trong điều khiển truyền động phân tán khi mà hoạt động của mỗi động cơ riêng lẻ
được đồng bộ hóa với nhau. Nó cũng cần thiết trong điều khiển học để phối hợp các trục
chuyển động riêng lẻ.
Kết luận
Điều khiển cơ sở thời gian sẽ thỏa mãn các yêu cầu đối với các ứng dụng hiệu năng cao
trong tự động hóa công nghiệp. Chuẩn IEEE 1588 rất lý tưởng và dễ ứng dụng đối với
việc sắp xếp một độ chính xác cơ sở thời gian cho tất cả các thiết bị của hệ thống điều
khiển. Thách thức sẽ là chuyển đổi các thiết bị hệ thống-điều khiển, đặc biệt là vào/ra,
sang chuẩn IEEE 1588 và các giải pháp điều khiển cơ sở thời gian. Nhiệm vụ này sẽ
được trợ giúp khi 1588 trở nên thông dụng hơn trong đấu trường tự động hóa công
nghiệp.