Ích lợi của các giải pháp PAC

Ích lợi của các giải pháp PAC Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, bộ Điều khiển tự động khả trình (PAC) cung cấp nhiều giải pháp tiềm năng hơn so với PLC Kể từ khi PLC được giới thiệu và sử dụng như một thiết bị thay thế cho rơ le, các ứng dụng của bộ điều khiển tự động nhỏ gọn và độc lập đã nở rộ và làm thay đổi mức độ phức tạp, thậm chí cấu trúc của chính hệ thống điều khiển. Sự phát triển của PC (máy tính cá nhân) và việc nó tiến hóa thành một thiết bị điều khiển phổ dụng đã đẩy PLC sang các hệ thống điều khiển đơn giản hơn, nhỏ hơn. Bây giờ PC có rất nhiều dạng: bộ điều khiển nhúng trong các bộ thu phát và máy điện, bộ điều khiển công nghiệp, máy tính công nghiệp, thậm chí là cả các thiết bị di động trong môi trường công nghiệp. Sự tiến hóa của bộ điều khiển tự động Ban đầu PLC được dùng để thay thế rơ le với các hệ điều hành thời gian thực riêng (RTOS). Một trong những lý do chính của điều này là giá thành – cuối những năm 1960, bộ nhớ và công suất xử lý cực kỳ đắt so với hiện nay (2009). Một lý do khác là bộ PLC nguyên thủy được thiết kế để đáp ứng một đơn đặt hàng của hãng General Motors về một thiết bị thay thế rơ le và thiết bị này có thể lập trình được. Trong những năm qua, các PLC đã trở nên to hơn, công suất xử lý mạnh hơn, bộ nhớ lớn hơn, nhiều kênh vào/ra hơn, cuối cùng là có khả năng thực hiện các phép toán trong các khối hàm thay vì chỉ dùng kiểu lập trình thang logic nguyên thủy. Ngôn ngữ thang ban đầu được dùng để đơn giản hóa việc chuyển sang ngôn ngữ lập trình mô phỏng sơ đồ thang mà mọi kỹ thuật viên ngành điện đều biết cách đọc hiểu. Trong những năm qua, những yêu cầu bổ sung đã được ghép vào PLC cơ bản để phát triển một chuẩn IEC, 61131-3 nhằm tạo ra một ngôn ngữ lập trình khối hàm cho PLC. Rất tiếc là các phiên bản 61131-3 của các nhà sản xuất không lắp lẫn hoặc tương thích với nhau. Điều này đã giới hạn việc sử dụng PLC đối với các thuật toán điều khiển có độ phức tạp cao như PID và điều khiển nâng cao làm cho việc chuyển chương trình từ PLC của hãng này sang PLC của hãng khác trở nên khó khăn. Đầu những năm 1980, máy tính "cá nhân" nhỏ đã được phát triển thành một thiết bị tính toán đa mục đích với mục tiêu đủ rẻ để ai cũng mua được và đủ mạnh để ai cũng dùng được trong các dự án tính toán hiệu năng cao, ví dụ như bảng tính điện tử, là thiết bị mới trở thành hiện thực. Khi mà IBM chế tạo IBM PC, tính phổ biến của "máy tính cá nhân" trở thành một kết luận đã được dự báo. Ngay trong giai đoạn đầu phát triển PC, các nhà sản xuất phần mềm thứ ba đã bắt đầu sản xuất các mạch vào/ra gắn trong và các phần mềm dùng cho thu thập số liệu. Các PC đã có khả năng thu thập số liệu tốc độ rất cao. Điều này làm cho việc sử dụng PC trong các môi trường phòng thí nghiệm trở nên khả thi. Một sản phẩm phần mềm có mặt rất sớm, trước kỷ nguyên máy tính dùng Windows, là "Software Wedge" của TAL, vốn được thiết kế để lấy số liệu từ bất kỳ cổng vào/ra nào và đưa vào một bảng tính (đầu tiên là VisiCalc, sau đó là SuperCalc, cuối cùng là Excel). Vấn đề là ở chỗ PC không được thiết kế để sử dụng theo kiểu công nghiệp trong nhà máy hoặc xưởng sản xuất. Nó có một vỏ tháo rời được, các lỗ thông gió và một quạt mát hở. Những điều này làm cho tuổi thọ của PC trở nên ngắn ngủi khi dùng trong nhà máy. Tất nhiên, chuyện này ngay lập tức dẫn đến việc bao kín PC trong các vỏ bọc được gia cố theo kiểu công nghiệp, sử dụng các linh kiện máy Mil-Spec và các bảng mạch nhiệt độ mở rộng. Các máy tính công nghiệp này có những ứng dụng đầu tiên là thu thập số liệu tốc độ cao dùng trong hàng không vũ trụ, điều khiển tay máy và các hệ thống quan sát hình tự động. Do hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng rộng rãi, máy tính công nghiệp trở nên rẻ một cách đáng kể, các nhà thiết kế phần cứng đã sáng tạo ra các máy tính một bản mạch, thường được gọi là bộ điều khiển nhúng, với cổng vào/ra, bộ nhớ, bộ xử lý trung tâm và hệ điều hành trong ổ cứng. Người ta đã bắt đầu dùng các thiết bị này trong rất nhiều ứng dụng về điều khiển máy điện từ máy cắt gọt CNC trong nhà máy cho đến các bộ điều khiển tủ lạnh và máy giặt. Đầu những năm 2000, Craig Resnick của Nhóm tư vấn ARC đã đặt tên cho các máy tính công nghiệp được làm lại vỏ bọc theo cách rất giống với PLC thông thường về khía cạnh kiểu dáng. Ông gọi chúng là Bộ điều khiển Tự động Khả trình, tức là PAC. PAC của Resnick kết hợp các đặc điểm của một máy tính công nghiệp kiểu PC với khả năng điều khiển của một PLC điển hình. Ông lưu ý rằng một PAC cần phải kết hợp tính tin cậy của một PLC với khả năng tính toán, hệ điều hành thương mại phổ biến (COTS) và khả năng về phần mềm của PC. Hiện nay PAC được dùng trong điều khiển quá trình, thu thập số liệu, giám sát từ xa, quan sát hình tự động và điều khiển tay máy. Vì PAC là các phiên bản của PC được dùng với mục đích chuyên dụng, chúng cũng có khả năng kết nối vào các mạng tiêu chuẩn như Ethernet với các anh em họ để bàn của chúng. Hầu hết PAC đều được tích hợp khả năng sử dụng các giao thức kết nối mạng tiêu chuẩn, ví dụ như TCP/IP, SMTP, và một sản phẩm của giao thức trao đổi dữ liệu của Microsoft, OLE cho Điều khiển Quá trình, nhưng hiện nay được gọi một cách đơn giản là OPC. PAC có thể tích hợp nhiều mạng truyền thông công nghiệp hiện trường truyền thống, ví dụ Modbus, RS232/422, CANbus, DeviceNet, Profibus, Foundation và các chuẩn khác, ngoài kiểu kết nối Ethernet tiêu chuẩn, có dây hoặc không dây. PAC có khả năng hoạt động như một nút tính toán phức tạp và hoàn thiện trong một mạng phân tán. Như vậy, đã thành công trong việc xóa nhòa ranh giới giữa các thiết bị điều khiển khả trình và các thiết bị trước kia vận hành ở mức cao hơn như các bộ điều khiển hiện trường DCS, các bộ đầu cuối từ xa (RTU) SCADA. Hiện nay một PAC điển hình có khả năng: • Hoạt động đa lĩnh vực, bao gồm điều khiển logic, liên tục và điều khiển chuyển động trên một platform đơn nhất • Cấu trúc mở, module hóa với các tiêu chuẩn mới nhất của các giao diện hoặc giao thức mạng • Platform phát triển đa nhiệm đơn nhất, tích hợp gán nhãn chung và một cơ sở dữ liệu đơn nhất • Các công cụ phần mềm cho phép thiết kế theo dòng quá trình xuyên qua một số đối tượng hoặc đơn vị xử lý ARC đã đánh giá thành công của PAC. Họ lưu ý rằng thị trường PLC từ 2007 đến 2012 có tốc độ tăng trưởng hàng năm là vào khoảng 6,5%, trong khi tăng trưởng của thị trường PAC được dự đoán là 10,1% so với cùng kỳ năm ngoái. Nén mô hình sản xuất: tự động hóa trở nên đơn giản hơn Sự phát triển nhanh chóng về khả năng hoạt động của PAC làm tăng khả năng nén mô hình sản xuất đa lớp tiêu chuẩn. Mô hình sản xuất Purdue nguyên thủy có năm mức, từ chính quá trình cho đến mức hệ thống doanh nghiệp sản xuất. Những lợi thế về công suất xử lý và điều khiển ở Mức 1 cùng với sự hội tụ của các bộ điều khiển hiện trường và các hệ thống điều khiển phân tán, vốn được cho là thuộc về PAC, đã cho phép nén các Mức 1, 2 và 3 vào thành một mức, chỉ còn lại một mức Vận hành và Quản lý nhà máy và một mức ERP/MES, như được minh họa trên hình vẽ. Điều khiển cơ bản, thậm chí là điều khiển an toàn trong một số trường hợp, Giao diện người vận hành, các hàm HMI (giao diện người – máy)/SCADA mức cao hơn đã được tích hợp vào một thiết kế platform đơn nhất trên cơ sở PAC. PAC: một platform điều khiển Hệ thống PAC tích hợp điều khiển, xử lý thông tin, và nối mạng vào một bộ điều khiển đơn chiếc. Vì PAC là một máy tính công nghiệp nằm bên trong vỏ kiểu PLC, nó có mọi đặc điểm của một PC hoàn chỉnh, bào gồm dung lượng nhớ lớn, ổ cứng, hệ điều hành, và nếu muốn, cả các bộ vi xử lý nhiều lõi nữa. Nếu không xét đến việc lắp đặt thành một hệ thống gián đoạn, hệ thống xử lý liên tục, lai, điều khiển máy điện tốc độ cao hoặc hệ thống quan sát hình tự động, PAC định ra một hệ thống điều khiển đơn chiếc có khả năng thực hiện mọi nhiệm vụ ứng dụng này – và trong một số trường hợp, các tác vụ đa nhiệm ở cùng một thời điểm. Các PAC có thể tích hợp vào HMI cục bộ hoặc một panel màn hình HMI cục bộ có thể được bố trí sát với vị trí lắp đặt PAC. Các PAC có thể thậm chí hoạt động như một trạm số liệu di động với một server SQL gắn liền và công nghệ lưu trữ sao cho có thể tiền xử lý số liệu, được dùng cho mục đích điều khiển trong PAC và truyền tới cơ sở dữ liệu xí nghiệp. Đây là một ví dụ về một PAC điển hình có khả năng xử lý dữ liệu: Lưu ý rằng bộ lập trình IEC 61131-3 đóng vai trò trung tâm đối với khả năng vận hành của PAC – cũng như các tiêu chuẩn cập nhật và mở khác như OPC. Cần thấy rằng với bộ server SQL gắn liền, số liệu có thể được truyền theo định dạng cơ sở dữ liệu SQL gốc trực tiếp từ PAC tới CSDL xí nghiệp, hoặc tới MS Access đối với các chức năng cục bộ liên quan đến điều khiển. Người ta lo lắng về việc PAC bị ảnh hưởng từ sự kém ổn định của Windows và các phát sinh, Ethernet và các phát sinh. Ví dụ Advantech đã kiểm nghiệm platform PAC của mình về hoạt động ổn định (thời gian thực) và cho thấy rằng 32 module vào/ra số cần 1 mili giây cập nhật. Điều này khẳng định việc sử dụng PAC một cách liên tục trong các ứng dụng về thu thập số liệu tốc độ cao, điều khiển tay máy và quan sát hình tự động, là những ứng dụng mà tốc độ cập nhật số liệu dưới 20 mili giây là một yếu tố rất quan trọng đối với hiệu năng điều khiển. Các ứng dụng mới Độ linh hoạt của platform PAC được thể hiện rõ ràng thông qua rất nhiều dạng ứng dụng mà nó được dùng đến – cả trong sản xuất và trong các ứng dụng không thuộc về sản xuất theo kiểu truyền thống. Việc tích hợp điều khiển, HMI, xử lý thông tin và kết nối mạng vào một hệ thống điều khiển đơn chiếc cho phép dùng platform này trong các ứng dụng rất khác nhau như quản lý bơm xăng ở kho xăng, các ứng dụng GPS di động trong vận tải hàng hóa, các platform kiểm tra tự động trong các dây truyền lắp ráp điện tử rời rạc, kiểm tra sản phẩm cuối cùng, tích hợp RFID, thậm chí là quản lý kế toán, ngoài các ứng dụng về hệ thống điều khiển rời rạc, sản xuất truyền thống. Trong công nghiệp sản xuất truyền thống, độ linh hoạt của PAC có thể thấy được nhờ vào việc sử dụng nó trong một hệ thống điều khiển đóng bao xi măng. Việc thay một cấu trúc PLC và IPC hiện có bằng một platform điều khiển đơn chiếc trên PAC Advantech APAX đã giải quyết mọi vấn đề về truyền tin giữa PLC (dùng truyền tin nối tiếp) với IPC, vốn dùng Ethernet. Nó cho phép chương trình điều khiển SoftLogic và phần mềm HMI chạy đồng thời trên hệ thống PAC tích hợp. Phần mềm HMI bao gồm lựa chọn chương trình, điều khiển chạy/dừng và thu thập số liệu sản xuất, khả năng duyệt trước, trong khi đó chương trình SoftLogic cho phép đo trọng lượng thời gian thực với tốc độ cao. Ngoài ra, việc sử dụng PAC cho phép sử dụng ngôn ngữ lập trình dạng văn bản cấu trúc cho thuật toán cân, thay vì ngôn ngữ thang hoặc khối hàm. PAC còn có khả năng giám sát từ xa đối với số liệu thời gian thực trực tiếp từ trung tâm điều khiển, sử dụng giao thức Modbus/TCP mở tiêu chuẩn trên đường truyền Ethernet 10Mb tiêu chuẩn. Bên trong mới quan trọng PAC không đơn giản chỉ là một máy tính cá nhân hoặc một máy tính đơn chiếc trên bản mạch chủ đặt trong một cái vỏ gia cường. Bản chất của các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp, ví dụ như ứng dụng đóng gói xi măng nói trên, làm cho PAC cần phải được thiết kế một cách chuyên dụng để trở thành PAC với các tiêu chuẩn cao hơn về thiết kế và linh kiện so với một PC tiêu chuẩn hoặc thậm chí là IPC tiêu chuẩn. Các đặc điểm như bộ lọc công suất phần mềm, bảo vệ quá áp, bảo vệ tắt máy quá nhiệt, bảo vệ tắt máy quá dòng và bảo vệ ngắn mạch là các tiêu chuẩn đối với PAC hiện đại, trong khi có thể không hề xuất hiện trên các thiết kế bản mạch đơn chiếc thích nghi. Trong khi PAC linh hoạt hơn PLC, thiết kế của một PAC phải tuân theo IEC-61131-2, kiểu 1 cùng tiêu chuẩn thiết kế như một PLC. PAC hiện đại nói chung đáng tin cậy hơn PLC và chắc chắn là thuộc một thứ hạng khác so với IPC và các thiết kế bản mạch đơn chiếc OEM. Với chứng nhận nghiêm ngặt như một PLC, cấu trúc điều khiển đôi, nguồn đôi, các chức năng cập nhật hệ thống, nó bền chắc, dẻo dai và mạnh mẽ. PAC hiện đại có một tôpô phức tạp. Điều này có nghĩa là cấu trúc vật lý mở của nó cho phép mở rộng không giới hạn các chức năng vào/ra và điều khiển. Một số kiểu PAC thậm chí còn cho phép thay đổi và nâng cấp CPU mà không ảnh hưởng đến đầu vào/ra và ngược lại, cho phép thay nóng các mô đun vào/ra. Thực tế rằng thiết kế của PAC là kết quả của các thiết kế máy tính nhỏ COTS có nghĩa là khi các thiết kế máy tính nhỏ được cải tiến, với các bộ xử lý nhanh hơn, tốc độ truyền số liệu trên bus cao hơn, khả năng tính toán cao hơn, bộ nhớ lớn hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn, mọi cách mà máy tính nhỏ đang cải tiến và thay đổi, PAC sẽ cải tiến, thay đổi, trở thành bộ điều khiển của tương lai, của hôm nay và sẽ giữ vững vị thế đó.