Phần mềm mô phỏng cho các hệ tự động hóa

Phần mềm mô phỏng cho các hệ tự
động hóa
Hầu hết những thông tin kỹ thuật trong
mọi quy trình sản xuất đều được biểu diễn
thông qua các chương tr
ình phần mềm mô
phỏng. Dưới đây là những thông tin lý thú
về vấn đề này.
Phương pháp sử dụng chương trình đồ
họa để mô phỏng phương thức hoạt động
hay các sơ đồ hình khối hệ thống thường
có mặt hầu hết trong hoạt động sản xuất,
các quy trình tự động và các hoạt động
thiết kế không gian. Các công cụ phần
mềm điều khiển, kiểm tra quá trình hay
thi
ết kế này được thiết lập và mô phỏng dựa trên nền phần mềm công cụ
Labview. Phần mềm này chứa các chương trình mô phỏng theo thuật toán,
đồng thời cũng bao h
àm bộ công cụ dành riêng cho các hệ PLC và DCS.
Ngôn ng
ữ sử dụng trong hầu hết các chương trình này không giống với ngôn
ngữ lập trình viết câu lệnh như Cobol hay C. Tuy nhiên, phần mềm mô
phỏng đồ họa có nhiều lợi ích đáng kể và phổ biến trong các hệ thống sản
xuất tự động gắn liền với công nghệ thông tin.
Thiết kế đồ họa có liên quan đến việc hiển thị, sắp đặt và liên kết hình ảnh
thông qua những mảng màu trong chương trình đó. Các hình ảnh này mô tả
những thông tin rất phong phú trong chương trình ta đang xét tới. Khi
chương tr
ình mô phỏng được hoàn tất thì các biểu đồ có thể diễn giải và biên
d

ịch thông tin sang chương trình quy chuẩn. Trong đó, các chương trình quy
chu
ẩn này có thể được xử lí thông qua một chương trình thông dụng khác.
Ông Christian Fritz là một nhà quản lý chương trình sản phẩm Quốc gia cho
ngành điều khiển tự động và ngành cơ điện tử. Ông cho biết: “Những công
cụ đồ họa giúp chúng ta hiện thực hóa những ý tưởng của con người thông
qua việc mô tả và lập trình điều khiển các hệ thống tự động phức tạp. Từ
máy móc cho đến các lớp hệ thống dây chuyền hoạt động của nh
à sản xuất
(MES), các hệ thống hiện đại tích hợp song song, tất cả đều được thiết kế
theo trình tự lặp đi lặp lại và tương hợp với nhiệm vụ của từng bộ phận máy.
Việc viết lập trình cho các bước lặp của hệ thống nhằm mục đích mô tả
những đặc điểm này trong lĩnh vực phát triển ứng dụng là một vấn đề rất khó
khăn”.
Ông Dennis Brandl, chủ tịch của tập đoàn Cố vấn BR&L cho rằng chương
trình mô phỏng sẽ biểu diễn tất cả các bước chúng ta cần thực hiện trong
công việc theo một trật tự nhất định. Chúng ta đã thực hiện được điều này
trong m
ột thời gian dài (đặc biệt là trong môi trường sản xuất công nghệ
thông tin) tuy nhiên các ngành công nghiệp khác mới chỉ đang trong giai
đoạn tiếp cận với vấn đề n
ày.
Trong bài báo vi
ết về các chương trình đồ họa mô phỏng từ nguồn báo điện
tử Labautopedia, ông Mark F. Russo cho biết: “Nhiều chương trình độc lập
có thể xác minh theo từng mức gián đoạn tức thời để tạo ra những câu lệnh
cụ thể. Vấn đề bóc tách các chức năng của một hệ thống phức tạp bằng một
chương tr
ình độc lập là một mảng nghiên cứu rộng đang dần được triển khai
tại các phòng thí nghiệm mới hiện nay”.

Phân luồng hiển thị
Công cụ sử dụng trong các chương
trình mô phỏng đồ họa thường rất
đa dạng. Ông Russo cho rằng
những khái niệm ẩn chứa đằng sau
các công cụ này cũng không kém
phần đa dạng, phong phú. Ông đặt
ra khái niệm “luồng” để diễn tả
ngôn ngữ đồ họa thành ba loại:
luồng dữ liệu, luồng vật liệu và
lu
ồng điều khiển.
Ngôn ngữ dùng trong câu lệnh
thường dựa trên thao tác chương
trình dữ liệu, do đó chúng ta có thể
ẩn các d
òng dữ liệu này khi hiển
thị. Ông Russo giải thích rằng: “Đối lập với vấn đề trên, luồng dữ liệu chạy
ngầm định có thể gây tác động trực tiếp đến dữ liệu cơ sở trung tâm. Các dữ
liệu này được lập trình liên kết xuyên suốt với nhau. Bộ điều khiển bên
ngoài s
ẽ có thể ảnh hưởng đến dòng thông tin dữ liệu thông qua chương
trình đang hoạt động”.
Ông Fritz cũng cho thêm phần mềm LabView NI là một hệ đồ họa mô
phỏng chứa các công cụ thiết kế dựa trên thay đổi của dữ liệu. Những công
cụ này trừu tượng hóa thông tin dữ liệu ban đầu ở mức độ cao. Nó cũng đòi
h
ổi một thư viện chức năng dữ liệu đầu vào và đầu ra có phạm vi lớn, các bộ
kỹ thuật tương tự, dữ liệu truy cập cho các ứng dụng điều khiển thiết bị và
máymóc.

Lu
ồng hiển thị vật liệu thường tập trung các vật liệu thô và các vật liệu mới
trong quy trình sản xuất. Luồng vật liệu nhìn chung không quan trọng đối
với các công cụ đồ họa nhưng nó lại rất quan trọng đối với công cụ lắp ráp
cho phòng thí nghiệm hoặc các dây chuyền trong công nghiệp.
Ông Russo cũng cho chúng tôi biết, khi thiết kế chương trình chuẩn thì các
ki
ểu hiển thị luồng điều khiển chiếm ưu thế hơn nhiều so với công cụ dữ liệu
hay công cụ hiển thị vật liệu. Công cụ được sử dụng phổ biến nhất trong
nhóm hiển thị này chính là biểu đồ quy trình tiển độ. Một số những phương
pháp khác dùng để mô phỏng theo d
òng điều khiển là sử dụng biểu đồ trạng
thái hay các bảng thông số động. Tổng hợp các thành phần trên của hệ biểu
đồ sẽ tạo n
ên Hệ Ngôn ngữ Đồ họa Hợp nhất tiêu chuẩn.
Tuy nhiên ý kiến của ông Brandl lại cho rằng điểm quan trọng thiết yếu
trong chương tr
ình mô phỏng chính là mạng lưới Petri, một phương thức
hiển thị đồ họa bậc cao. Phương thức này bao gồm cả hình thức mô phỏng
đồ họa lẫn mô phỏng thuật toán trong quy tr
ình tổng thể. Hệ mạng Petri
trong nhiều năm liền được sử dụng làm mẫu chuẩn và tái tạo lại các mô hình
h
ệ thống đa dạng phức tạp khác nhau, đặc biệt chúng có thể hiển thị các
trạng thái hoạt động ngay lập tức như khi được định sẵn trong bộ công cụ
ban đầu. Mạng lưới Petri được sử dụng một cách rộng r
ãi trong hoạt động
sản xuất tự động và các hệ thống sản xuất phát triển linh hoạt. Ngoài ra, hệ
thống thông tin Simatic hay các phần mềm Siemens dùng trong việc quản lý
điều khiển sản xuất đều dựa trên cơ sở mạng lưới Petri. Công cụ hiển thị v

à
tái t
ạo chuẩn hóa bậc cao là một lớp khác của phần mềm hiển thị. Một nhà
qu
ản lý máy móc thiết bị và tự động công nghiệp, ông Tony Lennon nói
rằng mặc dù hệ ngôn ngữ Simulink có thể hiển thị đồ họa và logic điều
khiển một cách ngắn gọn trong phạm vi hiển thị đồ họa đơn lẻ nhưng cũng
giống như khi thực hiện các nhiệm vụ khác, nó cũng không thể thiếu những
ứng dụng của mạng lưới Petri. B
ên cạnh đó, Lennon khẳng định: “Ngôn ngữ
Simulink cung cấp không chỉ khả năng tái tạo và xác nhận một cách nhanh
chóng, chính xác mà còn tự động mã hóa các câu lệnh theo ngôn ngữ chung
như C, HDL hoặc theo cấu trúc IEC
-61131. Mạng lưới Petri đặt ra cho bạn
một cách thức biểu diễn trừu tượng và tổng quát hóa diễn biến quá trình theo
trình t
ự và cùng một lúc. Tuy nhiên, việc biểu diễn và theo dõi những biến
đổi không ngừng các hệ thống li
ên tục cũng là một thách thức không nhỏ
cho các nhà khoa học hiện nay”.
Ngôn ngữ chương trình Simulink cung cấp một thư viện công cụ hiển thị đồ
họa cho các hệ thống không ngừng biến đổi và hàng loạt khuôn mẫu bậc
cao, hàng loạt các hệ thống con và cả những vùng chứa thông số kỹ thuật
phức tạp như nguồn cơ sở mà chúng tôi đã nhắc ở trên. Nguồn cơ sở cung
các tiện ích của thiết bị với những hạn chế của các bảng biểu hay các biểu đồ
hiển thị được sắp xếp giải quyết theo thứ tự ưu tiên. Nguồn cơ sở cho phép
các chương tr
ình thiết kế xác định logic thuật toán một cách tường minh nhất
và chắc chắn nhất.
Simulink và ngu

ồn cơ sở dữ liệu đều là những nguồn điều khỉển (hoặc là
nh
ững nguồn tín hiệu) dựa trên một phần mềm xác định nào đó. Nguồn cơ
sở dữ liệu thường đòi hỏi các thiết bị có khả năng tương thích, đồng thời
cũng tích hợp các bảng thông số giá trị, đồ thị kèm theo và thông tin liên tục
hiển thị qua liên kết Simulink. Nguồn dữ liệu cơ sở mang ý nghĩa chuẩn hóa
cao vì người sử dụng thường xác định các yêu cầu cần thiết của quy trình
t
ổng thể trong toàn bộ hệ thống trước khi đưa máy móc thiết bị vào thử
nghiệm hay vận hành.
Ông Bridget Fitzpatrick, người phụ trách hướng dẫn thực hành cho HMI tại
trung tâm kỹ thuật Mustang cho biết: “Các giao diện đặc trưng tương tự của
mạng Petri nhìn chung đang ngày càng tăng. Sử dụng tính năng của các phần
mềm này rất tiện ích cho người sử dụng, chúng có thể tạo ra điều kiện làm
vi
ệc thông suốt cho cả quá trình. Chúng cũng có khả năng tự tháo gỡ những
khó khăn, rắc rối trong quá tr
ình hoạt động, ví dụ như thông tin liên tục được
hoàn thiện hơn nhờ dạng biểu đồ GANTT trong hệ thống, tương tự như phần
mềm Microsoft Project hay chương trình lập lịch trong Microsoft Outlook.
Tất cả những điều này rất hữu dụng và khả kiến nếu phần mềm trên được
thiết kế hoàn chỉnh hoặc cũng trở nên rất phức tạp nếu thiết kế một cách sơ
sài”. Ngoài ra, khi đề cập đến phạm trù này, ý kiến của ngài William Bill
Gilbert, m
ột nhà quản lý phát triển doanh nghiệp cho hãng Công nghiệp
Siemens cũng là một ý kiển cần lưu tâm cho người sử dụng. Ông cho rằng
khi chúng ta thiết kế hoặc điều khiển một ứng dụng nào đó thì bản thân nó
cũng là một quá trình khép kín. Yếu tố đem lại lợi ích chính và duy nhất
thường l
à khả năng thu thập và liên kết quá trình phân luồng thông tin bằng

hình ảnh.
Tât cả các loại ngôn ngữ chương trình đều có không gian riêng của nó. Tuy
nhiên
ứng dụng đặc trưng của mỗi loại ngôn ngữ phải phù hợp với các chức
năng kèm theo. Về vấn đề phân bậc logic của các ngôn ngữ đồ họa, không
một loại ngôn ngữ nào có thể nắm bắt được hạn chế logic của các thành
ph
ần dữ liệu đầu vào hay các bit cài đặt đầu ra. Biểu đồ hàm liên tục thiết kế
riêng cho một thiết bị hoạt động liên tục và ngôn ngữ thiết kế đồ họa là ngôn
ng
ữ thích hợp nhất dành cho các chương trình định hướng ứng dụng. Do đó,
hiện nay hầu hết các bộ điều khiển bao phủ bởi các dãy ứng dụng lớn thường
đ
òi hỏi một hệ thống đặc biệt, hệ thống đa ngôn ngữ. Hệ thống ngôn ngữ
này có khả năng biểu thị các chức năng riêng biệt từng bộ phận của một hệ
thiết bị máy móc trong các dây chuyền sản xuất lớn.