Tài liệu Ứng dụng PAC vào điều khiển công nghiệp doc

Ứng dụng PAC vào điều khiển công
nghiệp, tương lai của ngành điều
khiển
Tổng quan
PAC –Programmable Automation Controllers, ngày càng được nhiều hãng
t
ập trung sản xuất và ứng dụng trong các hệ thống điều khiển. PAC là sản
phẩm kết hợp được tính linh động của một máy tính ( PC) với độ tin tưởng
của một bộ PLC. Bài báo này sẽ giới thiệu những nét cơ bản về PAC, sự
khác biệt của nó với PLC và PC và những định hướng trong tương lai của
điều khiển công nghiệp sử dụng PAC.
Khả năng của một PAC
Điều khiển công nghiệp sử dụng PAC, tương lai của điều khiển công
nghiệp
Trong những năm gần đây, thường có những cuộc tranh cãi sôi nổi về ưu
điểm và nhược điểm của một hệ điều khiển d
ùng PLC so với hệ điều khiển
dựa trên một máy tính PC. Về thực chất thì giữa PC và PLC có sự khác nhau
về đặc tính kỹ thuật: trong khi PLC tập trung nhiều vào các cấu trúc phần
cứng thì các hệ thống PC lại tập trung chủ yếu vào các hệ điều hành thời
gian thực. Điều đó dẫn tới một hệ quả tất yếu là cần phải có một sự kết hợp
giữa PLC và PC. PAC- được chế tạo bởi Automation Research Corporation
(ARC), là viết tắt của Programmable Automation Controller, dùng để mô tả
một thế hệ các bộ điều khiển công nghiệp mới, kết hợp được những ưu điểm
của một PLC và một PC.
Luật “80-20”
Trong ba thập kỷ gần đây, các bộ PLC đã phát triển thêm nhiều tính năng
mới như: tích hợp thêm các đầu vào/ra analog, giao tiếp được với hệ thống
bên ngoài và thêm vào một số chuẩn mới trong lập trình như IEC 61131-3.
Tuy nhiên, v
ới các kỹ sư, 80% các ứng dụng trong công nghiệp được thực

hiện qua các đầu vào/ ra số, một số ít đầu vào/ra tương tự và với những kỹ
năng lập tr
ình đơn giản. Các chuyên gia từ các hãng như ARC (Automation
Research Corporation), VDC (Venture Development Corporation) và từ
trang web PLCS.net ước tính rằng:
• 77% các bộ PLC được dùng trong các ứng dụng nhỏ ( ít hơn 128 đầu
vào/ra).
• 72% đầu vào/ra của PLC là vào/ra số.
• 80% các ứng dụng yêu cầu đã được giải quyết với tập hợp 20 cấu trúc lệnh
dạng logic-ladder.
Chính vì 80% các
ứng dụng công nghiệp đã được giải quyết nhờ các công cụ
truyền thống cho nên nhu cầu đối với các PLC đơn giản và giá thành thấp
tăng lên mạnh mẽ. Điều n
ày tạo ra một sự phát triển cho các bộ micro PLC
giá thành thấp với các đầu vào /ra số và sử dụng ngôn ngữ lập trình dạng
ladder. Nhưng chín
h nó cũng tạo ra sự gián đoạn trong công nghệ điều
khiển: 80% các ứng dụng chỉ yêu cầu các bộ điều khiển đơn giản, giá thành
th
ấp nhưng 20% các ứng dụng còn lại thì liên tục đòi hỏi những tính năng
khác nâng cao hơn của các hệ điều khiển truyền thống. Các ứng dụng n
ày
đòi hỏi tốc độ điều chỉnh của vòng loop phải cao hơn, thuật toán điều khiển
phức tạp hơn, có nhiều khả năng xử lý đối với tín hiệu analog hơn và tích
hợp tốt hơn đối với toàn hệ thống.
Trong những năm 80 và 90, 20% các ứng dụng trên được thực hiện nhờ các
máy tính-PC công nghiệp. Các PC cung cấp công cụ phần mềm để thực thi
những tác vụ nâng cao, cung cấp môi trường và ngôn ngữ lập trình đồ họa
phong phú, đồng thời sử dụng cả các th

ành phần COTS (Commercial Off
The Shelf ) cho phép kỹ sư điều khiển có nhiều công cụ phát triển công nghệ
hơn. Các công nghệ đó bao gồm: Vi xử lý, các bus I/O tốc độ cao như PCI
và Ethernet, bộ nhớ dữ liệu không biến đổi ( non-volatile ), và các công cụ
phần mềm lập trình đồ họa.
Tuy nhiên, các PC vẫn chưa phải là lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển.
Mặc dù rất nhiều kỹ sư sử dụng PC khi cần thực hiện các tính năng nâng
cao, ví dụ như điều khiển và mô phỏng analog, kết nối cơ sở dữ liệu, thực
hiện các ứng dụng trên nền web và kết nối với thiết bị thứ ba, nhưng PLC
vẫn chiếm vai trò chủ đạo với phần lớn hệ thống điều khiển. Vấn đề chính
đối với một hệ điều khiển dựa tr
ên nền PC là các PC chuẩn không được thiết
kế để có thể tương thích được với điều kiện khắc nghiệt của môi trường làm
vi
ệc.
Muốn sử dụng được trong công nghiệp, hệ thống điều khiển dùng PC đòi hỏi
phải giải quyết ba vấn đề chính sau đây:
Tính ổn định ( Stability): Hệ điều hành chạy trong các PC đa năng thường
không đủ ổn định để dùng trong điều khiển hệ thống. Việc cài đặt điều khiển
trên PC đôi khi
có thể làm cho hệ thống hư hỏng hoặc bị khởi động lại một
cách đột ngột.
Độ tin tưởng ( Reliability): L
àm việc với nhiều thiết bị hiện trường như: các
đĩa từ quay hoặc các thiết bị công nghiệp khác như các bộ nguồn công suất,
khả năng xảy ra lỗi đối với PC sẽ cao hơn. Và do đó độ tin tưởng sẽ giảm đi.
Môi trường lập tr
ình không gần gũi: Người điều hành nhà máy cần phải có
khả năng thao tác với toàn hệ thống để có thể bảo dưỡng hoặc khắc phục lỗi
khi cần. Dùng giản đồ logic dạng ladder, họ có thể điều khiển (bằng tay) một

cách dễ dàng và chỉ với một vài mã lệnh đơn giản, họ có thể nhanh chóng
kiểm soát được hệ thống. Tuy nhiên, các hệ thống PC lại đòi hỏi người điều
hành phải học thêm nhiều công cụ nâng cao, nhiều công cụ mới. Mặc dù có
m
ột số kỹ sư sử dụng các máy tính công nghiệp chuyên dụng và các hệ điều
hành đặc biệt nhưng hầu hết các kỹ sư đều tránh dùng PC trong điều khiển v
ì
ph
ải đối mặt với các vấn đề về độ tin tưởng của PC. Thêm vào đó, những
thiết bị dùng trong một PC cho nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau như
vào/ ra, truyền thông hoặc điều khiển chuyển động...lại có thể có những môi
trường phát triển rất khác nhau.
Vì vậy “20%” các ứng dụng hoặc là tồn tại mà không thể hoặc rất khó để
giải quyết với chỉ PLC, hoặc có thể giải quyết với một hệ thống khác bao
gồm một PLC dùng cho phần mã điều khiển và một PC dùng cho việc lưu
trữ dữ liệu, chèn thông tin vào cơ sở dữ liệu , và có thể đưa thông tin đó lên
Web. Vấn đề chính đối với hệ thống kiểu này là việc lắp đặt, khắc phục lỗi
và bảo trì sẽ gặp nhiều khó khăn. Các kỹ sư hệ thống sẽ phải kết hợp phần
cứng và phần mềm từ nhiều hãng khác nhau- một công việc không hề dễ
dàng vì các thiết bị như vậy thường không được thiết kế để có thể kết hợp
được với nhau .
Xây dựng một bộ điều khiển nâng cao hơn.
Rõ ràng là vẫn không có một giải pháp thực sự rõ ràng đối với PLC cũng
như PC trong ứng dụng điều khiển. Chính v
ì vậy, các kỹ sư điều khiển đã
h
ợp tác một cách chặt chẽ hơn với các hãng cung cấp thiết bị để nhằm đưa ra
những sản phẩm mới. Họ đặt ra yêu cầu phải kết hợp được những tính năng
phần mềm nâng cao của PC với độ tin tưởng của PLC.
Phần mềm được yêu cầu không chỉ là những tính năng phần mềm nâng cao,

mà còn phải gia tăng khả năng của phần cứng trong những bộ điều khiển.
Chính vì điều này, nhiều hãng sản xuất linh kiện bán dẫn đã bắt đầu thiết kế
lại các sản phẩm của họ nhằm phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp. Hiện
tại, họ đang tiến hành kết hợp các quá trình điều khiển công nghiệp, DRAM,
các thiết bị lưu trữ như CompactFlash, và các chipset Ethernet. Điều này cho
phép các hãng có th
ể phát triển phần mềm một cách hiệu quả hơn và các hệ
thống điều khiển dựa trên nền PC có thể chạy trên các hệ điều hành thời gian
thực một cách linh động và tin cậy.
Một bộ điều khiển mới đã ra đời , giải quyết được con số 20% các ứng dụng,
kết hợp được những đặc tính tốt nhất của PLC với những đặc tính tốt nhất
của PC. Các chuyên gia phân tích công nghiệp của ARC đã gọi tên các bộ
điều khiển đó l
à các bộ điều khiển tự động lập trình được, hay còn gọi tắt là
PAC ( pro
grammable automation controllers). ARC đã chỉ ra năm đặc điểm
chính của một bộ PAC, chủ yếu dựa trên khả năng về phần mềm của nó:
“ Chức năng đa vùng: có ít nhất 2 bộ logic, động học, điều khiển PID vàcác
b
ộ điều khiển và xử lí trên một nền duy nhất”. Các hàm logic, động học, các
quá trình và PID, đều là một hàm đơn giản được thực hiện bởi phần mềm. Ví
dụ : điều khiển chuyển động là một phần mềm thực hiện việc đọc các đầu
vào số từ các bộ encoder, thực hiện các mạch vòng điều khiển analog, và
đưa ra một tín hiệu analog để điều khiển động cơ.
“ Kết hợp các thẻ chung và một cơ sở dữ liệu đơn giản để truy cập tất cả các
thông số và các chức năng”. Vì các bộ PAC được thiết kế cho nhiều ứng
dụng nâng cao nên nó cũng yêu cầu các phần mềm nâng cao. Để làm cho
thi
ết kế hệ thống hiệu quả hơn, phần mềm phải là một gói phần mềm duy
nhất được tích hợp nhiều tính năng thay vì là nhiều công cụ phần mềm riêng

mà các k
ỹ sư không kết nối chúng để làm việc cùng nhau.
“Các công c
ụ phần mềm sẽ phải phù hợp với chuẩn IEC61131-3, với đầy đủ
hướng dẫn sử dụng, v
à có khả năng quản lý dữ liệu”. Ngoài ra, các thành
ph
ần khác làm đơn giản hơn cho quá trình thiết kế hệ thống là các công cụ
phát triển đồ họa mức cao. Các công cụ này giúp cho việc “ phiên dịch” các
yêu cầu của quá trình sang dạng mã để điều khiển máy sẽ trở nên dễ dàng
hơn.
“ Các kiến trúc mang tính mở, tính modular và có thể ánh xạ các ứng dụng
công nghiệp từ các máy cơ khí sang dạng các module trong các quá trình
điều khiển”. Vì tất cả các ứng dụng công nghiệp đều yêu cầu khả năng tùy
bi
ến rất lớn cho nên phần cứng phải cung cấp các module nhằm giúp các kỹ
sư có thể lựa chọn các th
ành phần thích hợp. Và phần mềm phải cho phép
các kỹ sư thêm vào hoặc gỡ đi các module để thiết kế hệ thống theo yêu
c
ầu.
“ Thực hiện được các giao tiếp mạng chuẩn, ví dụ như : TCP/ IP, OPC &
XML, SQL”. Truyền thông với các mạng thông dụng là một tiêu chuẩn cho
các hệ thống điều khiển hiện đại. Mặc dù các bộ PAC đã bao gồm các cổng
Ethernet, phần mềm dùng cho truyền thông vẫn là một chìa khóa quan trọng
để thực hiện các giao tiếp đó.
Hai cách tiếp cận phần mềm trong PAC
Phần mềm chính là sự khác biệt cơ bản giữa PAC và PLC, các hãng thường
thay đổi các cách tiếp cận của m
ình đối với phần mềm nhằm tạo ra những

tính năng nâng cao. Họ thường bắt đầu với các công cụ phần mềm điều
khiển sẵn có và thêm vào các chương trình dễ sử dụng, có độ tin tưởng cao.
Nói chung, điều n
ày sẽ tạo ra hai hướng chính đối với phần mềm PAC: Một
là d
ựa trên nền tảng điều khiển PLC và hai là dựa trên nền tảng PC.
Phần mềm dựa trên nền tảng PLC
Theo quan điểm này, các hãng thường bắt đầu với các kiến trúc có độ tin
tưởng cao v
à dễ sử dụng, sau đó thêm vào các tính năng mới. Các phần mềm
PLC đều t
heo một mô hình chung là : quét các đầu vào, chạy mã điều khiển,
update cho các đầu ra v
à thực hiện các hàm nội dịch. Một kỹ sư điều khiển
chỉ cần quan tâm đến vấn đề thiết kế mã điều khiển vì các chu kỳ đầu vào,
chu k
ỳ đầu ra và chu kỳ nội dịch đều bị ẩn đi. Với thiết kế đó, việc tạo ra các