Tự động hóa công nghiệp

tự động hóa công nghiệp Giới thiệu Các nhà thiết kế ứng dụng công nghiệp hiện nay đang có hai lựa chọn trong việc tương tác với các quá trình sản xuất thông qua bộ điều khiển logic khả trình (PLC): họ có thể mua một giao diện người - máy (HMI) đóng gói sẵn, nguyên khối, đã lập trình sẵn, hoàn chỉnh và sẵn sàng hoạt động, hoặc họ có thể tự xây dựng giải pháp cho riêng mình. Các gói phần mềm HMI đóng gói sẵn rất hấp dẫn vì đã ẩn đi rất nhiều tác vụ phức tạp. Mua phần mềm phát triển từ một nhà phân phối chính thức, nạp nó vào máy tính phát triển rồi đặt cấu hình, gỡ rối và chạy thử. Sau đó, chỉ cần triển khai các ứng dụng thời gian chạy, máy chủ số liệu và các tệp tin cấu hình cần thiết lên (các) máy tính. Còn gì dễ dàng hơn? Thế nhưng các giải pháp phần mềm HMI có sẵn lại không nhất thiết phải là cách tiếp cận tốt nhất hoặc thực tế nhất đối với các ứng dụng công nghiệp riêng của từng đối tượng. Ví dụ, mặc dù các gói phần mềm HMI đóng gói sẵn cho phép kết nối với các thiết bị, phần mềm và hệ thống của các nhà cung cấp khác thông qua OPC hoặc các chuẩn khác, thì những kết nối đó lại hiếm khi phù hợp với điều khiển thời gian thực hoặc bảo mật cao. Và không cần biết gói sử dụng công nghệ tích hợp tiên tiến tới mức nào, ta sẽ bị chậm ở mỗi khúc quanh của công nghệ. Ví dụ, nếu bạn đã mua một gói phần mềm sử dụng mô hình đối tượng chung phân tán (DCOM) và muốn tận dụng những ưu thế về bảo mật và bền vững mà Microsoft đã có được kể từ khi bạn mua gói phần mềm, bạn sẽ phải mua một gói phần mềm khác. Ngoài ra, bản chất nguyên khối của các đơn chào hàng đóng gói sẵn thường gây khó cho việc tích hợp trực tiếp ứng dụng của bên thứ ba vào giải pháp của bạn, và do đó giới hạn các lựa chọn trong tương lai. Sau đó là vấn đề đào tạo. Vì môi trường phát triển và hành vi của các phần mềm thay đổi tùy theo nhà cung cấp HMI, bạn sẽ cần phải có được những kỹ năng chuyên biệt để hoàn thành các nhiệm vụ tương tự. Các khóa đào tạo, giá thành, và lịch học thay đổi tùy theo nhà cung cấp HMI và thường được mời chào thông qua các kênh phân phối độc quyền. Có thể xem xét khả năng thuê người ngoài, nhưng vì cần có kinh nghiệm và huấn luyện chuyên biệt nên số lượng chuyên gia tương đối ít, do đó giá thành tăng lên. Và đối với nhiều người, giá thành của việc cài đặt nhiều lần thậm chí còn là một vấn đề lớn hơn. Trước khi có thể thực sự cài đặt một giải pháp lên máy tính, thiết bị xách tay, hoặc các trạm chủ web, người ta còn phải trả thêm tiền cho việc cài đặt phần mềm lên nhiều thiết bị. Nếu ta có nhiều người dùng, điều này sẽ dẫn tới một chi phí đáng kể, và thường làm cho cách tiếp cận này trở nên rất đắt đỏ, đặc biệt là nếu như phải trả tiền cho nhiều chức năng mà thực ra chỉ cần ít chức năng. Cuối cùng là tính mơ hồ. Mặc dù các giải pháp đóng gói sẵn có thể được thiết kế tốt và linh hoạt, chúng luôn luôn dẫn đến những thỏa hiệp không cần thiết nếu giải pháp được thiết kế cho những ứng dụng chuyên dụng. Dù đó là vấn đề về chức năng hay chỉ là tính tự tôn, nó có thể đóng vai trò đáng kể vào sự thỏa mãn của khách hàng với giao diện thu được. Lợi ích của một giải pháp đặt hàng Tự xây dựng HMI và hệ thống liên lạc của riêng mình có thể khắc phục được những hạn chế của các gói phần mềm sẵn có, đặc biệt nếu ta có sẵn các nguồn lực của riêng mình. Bạn cũng có thể tiết kiệm bằng cách chỉ xây dựng các chức năng mà bạn cần. Và một khi làm xong, bạn sở hữu nó, vì thế bạn có thể cài đặt nó lên bao nhiêu máy cũng được, với một vẻ bề ngoài, cảm giác, và thiết kế cuối cùng hoàn toàn độc nhất đối với bạn và công ty của bạn và hoàn toàn phù hợp với mọi ứng dụng của bạn. Trên hết, bạn có thể tùy biến và thay đổi nó tùy ý cho những ứng dụng khác. Nhưng có nhiều công ty đã bỏ lỡ mất cơ hội tận dụng lợi ích của HMI đặt hàng chỉ vì họ không có thời gian hoặc nguồn lực cho việc này và phải dùng một giải pháp đóng gói sẵn. Tuy nhiên, ngày nay, các môi trường xây dựng ứng dụng hiện đại và các bộ công cụ dựa trên cơ sở cấu thành đang khiến cho các công ty tận hưởng sự linh hoạt và giá thành rẻ của một ứng dụng đặt hàng, mà không cần phải hi sinh sự đơn giản trong sử dụng và vẻ bóng bẩy của một giải pháp đóng gói sẵn. Không giống như các giải pháp “tự xây dựng lấy” trước đây, vốn chỉ hứa hẹn về khả năng tùy biến nhưng cuối cùng vẫn đòi hỏi sự đầu tư đáng kể về thời gian và công sức, các kỹ sư và các chuyên gia vận hành có thể lắp ghép các giao diện mới bằng cách nhập các thông số vào các hộp thoại, và đôi khi cũng cần phải lập trình mã lệnh một chút. Bí mật nằm ở việc sử dụng các công cụ phát triển phần mềm .NET mã nguồn mở để gia công các cấu thành HMI tiền thiết kế rẻ tiền và các bộ điều khiển truyền thông thành một HMI phù hợp với các ứng dụng và sự nhạy cảm một cách hoàn hảo. .NET đã mau chóng trở thành nền tảng của việc lựa chọn trong công nghệ thông tin, với nhiều công ty đã bố trí nhân lực và huấn luyện họ để cài đặt và hỗ trợ lâu dài. Những người cần công nghệ .NET chỉ để dùng vào việc phát triển HMI có thể tải miễn phí phiên bản Visual Studio .NET từ Microsoft. báo sẽ xem xét kỹ hơn các giải pháp dựa trên cơ sở cấu thành này, đặc biệt là khi chúng liên quan đến việc xây dựng HMI và truyền thông cho các hệ thống dựa trên cơ sở PLC trong môi trường .NET. Tóm tắt lịch sử của các giao diện PLC - người Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) dựa trên máy tính được đưa ra năm 1968. Nó thay thế các bộ điều khiển rơle bằng dây nối kém linh hoạt đang được sử dụng lúc bấy giờ. Các PLC đời đầu dựa vào các nút ấn gắn trên panel và các đèn báo để tạo ra một “giao diện người - máy” thô sơ, hay còn gọi là HMI. HMI dựa trên máy tính đầu tiên dùng cho PLC xuất hiện trong những năm 1980. Các giao diện này dựa trên lệnh văn bản và thường là tài sản của từng nhà sản xuất PLC. Trong những năm 1980, một số công ty phần mềm công nghiệp nhỏ và độc lập bắt đầu xây dựng các HMI dựa trên máy tính có tính mở hơn. Tiếp theo sự xuất xưởng của hệ điều hành Microsoft Windows cuối những năm 1980, giao diện người dùng đồ họa dựa trên máy tính đầu tiên dùng cho PLC đã có mặt. Là một lớp, các giao diện đồ họa này cung cấp cả hai chức năng HMI và thu thập số liệu và giám sát điều khiển (SCADA). Mặc dù còn lâu mới hoàn thiện, Windows đã chứng tỏ rằng nó là một nền tảng tuyệt vời để xây dựng HMI và các ứng dụng công nghiệp khác. Việc cách tiếp cận này tăng lên nhanh chóng về số lượng không có gì đáng ngạc nhiên cả. Khi Microsoft bổ sung các chức năng mới cho hệ điều hành Windows, các chức năng này dần dần được tích hợp vào các giải pháp phần mềm công nghiệp của bên thứ ba. Cổng Web nhúng là một ví dụ. Sau đó, khoảng năm 2001, Microsoft giới thiệu công nghệ lập trình .NET, môi trường xây dựng và điều hành ứng dụng thế hệ tiếp theo cho Windows của công ty. Microsoft .NET sử dụng tối đa các dịch vụ web và các công nghệ tích hợp mã nguồn mở khác để đem lại một nền tảng vô cùng mạnh mẽ trong việc xây dựng và triển khai các ứng dụng, đơn giản hóa việc chia sẻ thông tin giữa các máy tính và các hệ điều hành. Tuy nhiên Microsoft .NET đã làm cho rất nhiều nhà sản xuất phần mềm HMI hàng đầu bị tụt lại phía sau trong việc trợ giúp công nghệ mới và không thể theo kịp những bước tiến nhanh chóng của các nền tảng và các hệ điều hành. Không giống như các giải pháp phần mềm HMI đơn khối, ngày nay, các giải pháp “tự-làm-lấy” có thể tận dụng tối đa mọi thứ mà .NET phải cung cấp thông qua các cấu thành và các phần mềm phụ của bên thứ ba. Xem xét .NET kỹ hơn Microsoft .NET vừa là một chiến lược vừa là một cấu trúc phần mềm. Theo chủ tịch Bill Gates của Microsoft, chiến lược .NET “quan trọng như chuyển từ DOS sang Windows”. Thực tế thì .NET đại diện cho cố gắng của Microsoft trong việc biến Windows thành một nền tảng phát triển, cải thiện việc tương tác với các sản phẩm và ứng dụng không dựa trên Microsoft, và cải thiện tổng thể độ tin cậy và an toàn. Như trang mạng của Microsoft đã giải thích, “Microsoft .NET là một tập các công nghệ phần mềm của Microsoft dùng để kết nối thông tin, người dùng, các hệ thống và các thiết bị. Nó cho phép tích hợp phần mềm ở mức độ cao hơn thông qua việc sử dụng các dịch vụ web - các ứng dụng khối xây dựng rời rạc và nhỏ, vốn kết nối với nhau cũng như với các ứng dụng khác lớn hơn qua Internet”. Được viết bằng ngôn ngữ XML, một ngôn ngữ phổ quát dùng để trao đổi dữ liệu, các dịch vụ web này cho phép thông tin liên lạc trên toàn Internet (hoặc trong các mạng nội bộ) giữa các nguồn không kết nối khác. XML, ngôn ngữ mà dựa vào đó mọi dịch vụ web được xây dựng, là một chuẩn công nghiệp mở do tập đoàn World Wide Web quản lý. XML tách chính bản thân số liệu thực ra khỏi việc biểu diễn số liệu đó, làm cho việc xử lý dữ liệu và trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng trở nên đơn giản hơn. XML cho phép gộp các nguồn khác nhau vào thành một đơn vị thông tin đơn nhất. .NET Framework - nền tảng phát triển ứng dụng .NET Framework, nằm ở trái tim của nền tảng phát triển .NET, cung cấp cho các nhà phát triển phần mềm một cách tiếp cận đơn nhất để xây dựng các ứng dụng có thể chạy trên máy tính để bàn, trong các thiết bị di động, và trên web. Các ứng dụng được phát triển dựa trên .NET cũng đồng thời có được độ tin cậy, độ linh hoạt, hiệu năng và an toàn - những thứ rất quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp. .NET Framework cho phép lập trình viên truy cập vào các đặc trưng của ứng dụng ngôn ngữ thông thường và cung cấp nhiều dịch vụ cao cấp để giảm thiểu việc tái mã hóa các đặc trưng thường được truy cập. Nhờ một mô hình lập trình đơn giản và phù hợp và một số dịch vụ có sẵn, .NET Framework cho ta một môi trường dễ điều khiển để xây dựng các giải pháp chất lượng công nghiệp và bền vững hơn so với những gì mà các nhà lập trình trước kia trông đợi ở Microsoft. Các dịch vụ này bao gồm thu thập số liệu rác, tích hợp ngôn ngữ chéo và quản lý ngoại lệ, an ninh được nâng cao, trợ giúp về phiên bản và cài đặt, các dịch vụ gỡ rối và số liệu tóm tắt, v.v… Đặc biệt, .NET Framework đơn giản hóa việc cài đặt ứng dụng và tránh được xung đột về phiên bản xuất hiện trong “địa ngục DLL” mà các lập trình viên đã gặp quá thường xuyên với các mô hình cài đặt Windows trước đây. Mã nguồn tái sử dụng đồng nghĩa với việc các nhà phát triển ứng dụng có thể “viết ít hơn, dùng lại nhiều hơn”. Môi trường .NET cũng hỗ trợ việc dùng lại mã nguồn kế thừa; mã nguồn C/C++ kế thừa có thể tái biên dịch vào mã .NET. Điều này giúp bảo tồn các tài sản trí tuệ quan trọng. .NET khuyến khích việc tái sử dụng thông qua một thiết kế phần mềm hướng đối tượng (OOP) và phương pháp xây dựng cho phép sáng tạo các thành phần (lớp) phần mềm riêng biệt, gán các hành vi chuyên biệt cho mỗi lớp (hàm), trong phạm vi giới hạn đã đặt ra (thuộc tính). Chúng có thể nhóm lại thành các biến rời rạc nằm bên trong một lớp của chương trình, cho phép phân tách nhóm này với nhóm khác, và ngăn chặn bất kỳ sự tương tác nào không được điều khiển bởi một thao tác chuyên biệt trong lớp đó. Theo cách này, mỗi chức năng của đối tượng được thể hiện thành một tập các thuộc tính và các hàm mà nó đáp ứng. Các mã khác có thể gọi các hàm này và dùng chúng để trích rút hoặc thay đổi một số thông tin, nhưng các mã khác không thể tác động đến thông tin hoặc quá trình của chính các đối tượng khác. Điều này cho phép các nhà phát triển ứng dụng .NET Framework xây dựng các chương trình thực thi trong .NET và sau đó cài đặt chúng lên các máy tính và các thiết bị tính khác nhau. Sự độc lập về khía cạnh nền tảng này làm cho ngôn ngữ lập trình chuyên biệt đã dùng trở nên không thích hợp, vì mọi thứ trở nên bình đẳng đối với hầu hết ứng dụng. Visual Studio .NET Tổng giám đốc điều hành của Microsoft, Steve Ballmer, tuyên bố rằng công ty đã tiêu hơn 750 triệu USD cho việc phát triển Visual Studio .NET, một công cụ có sẵn để phát triển các ứng dụng kiểu .NET. Những người xây dựng ứng dụng thông minh sẽ tận dụng sự đầu tư khổng lồ này của Microsoft để cải thiện chất lượng và giảm giá thành phát triển của các ứng dụng của họ. Với Visual Studio .NET, bạn chỉ phải trả tiền một lần cho những công cụ phát triển đầy sức mạnh này và sau đó có thể dùng đi dùng lại chúng trong việc phát triển và triển khai các ứng dụng. Ngày nay Visual Studio .NET cung cấp cho các nhà phát triển ứng dụng một bộ công cụ dễ dùng và phổ biến để viết các mã nguồn quản lý cho các ứng dụng nền Windows, PDA và web. Các ứng dụng này có thể trải dài từ các ứng dụng HMI đơn giản và thu thập số liệu thô sơ, cho đến các ứng dụng điều khiển giám sát phức tạp, quản lý gói, kiểm soát hiệu năng, và các ứng dụng dây chuyền ở nhà máy hoặc phân xưởng, kể cả các ứng dụng nội bộ hoặc giữa các xí nghiệp. Nhiều công ty sản xuất - lớn và nhỏ - đã dùng Microsoft làm chuẩn cho phần mềm sản xuất văn phòng, tích hợp nền tảng chéo, và phát triển ứng dụng. Vì có nhiều công ty đã dùng Visual Studio .NET để phát triển các ứng dụng quản lý nhà máy và doanh nghiệp, nên điều đó rất có ý nghĩa đối với việc tận dụng các khoản đầu tư của họ vào các công cụ phát triển của Microsoft và vào việc huấn luyện để phát triển các ứng dụng cho nhà máy xí nghiệp. .NET - tích hợp xí nghiệp Trong môi trường cạnh tranh ngày nay, các nhà sản xuất không thể cho phép PLC và các hệ thống điều khiển máy móc và quá trình thời gian thực của họ hoạt động như các ốc đảo; độc lập về mặt bảo dưỡng, dây chuyền sản xuất, và các hệ thống tin học và sản xuất khác. Kiểu tiếp cận tích hợp giải pháp .NET của Microsoft trong sản xuất đã loại trừ nhu cầu lắp ghép các giải pháp điểm khác nhau. Thay vào đó, Visual Studio .NET, SQL Server, Sharepoint Portal Server, và BizTalk Server là một số cấu thành khả dụng của Microsoft dùng cho việc trợ giúp các nhà phát triển tạo ra các ứng dụng cho nhà máy xí nghiệp làm việc cùng nhau theo một cách thống nhất. Một giải pháp sẵn có cho các công ty phần mềm HMI và các nhà phát triển ứng dụng độc lập tương tự Đúng là đã có hàng vạn cấu thành sẵn có cho .NET Framework (đấy là chưa kể hàng trăm quyển sách “bí quyết” và các tài liệu hỗ trợ khác), các tiện ích rất giống nhau này cũng sẵn sàng cho các nhà phát triển các ứng dụng riêng trong công nghiệp về HMI và thu thập số liệu. Không giống các công ty đã lựa chọn giải pháp phần mềm HMI đóng gói sẵn, các nhà phát triển các ứng dụng riêng cũng thoải mái trong việc tận dụng một khối lượng khổng lồ các cấu thành công nghiệp tương thích .NET và các phần mềm truyền thông của bên thứ ba, vốn có thể dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng riêng của họ. Các thư viện truyền thông và các cấu thành công nghiệp .NET, giá rẻ bổ khuyết “mắt xích thiếu” Khi mà ứng dụng .NET Framework và Visual Studio .NET cung cấp một môi trường phát triển và triển khai lý tưởng, các công cụ sẵn có này chỉ có thể giúp bạn đến mức độ đó khi mà cần phải phát triển các giải pháp ứng dụng chuyên biệt cho HMI và SCADA công nghiệp. Tin tốt là đã có các thư viện truyền thông .NET chất lượng cao, giá rẻ cho PLC, các cấu thành đồ họa công nghiệp, và các công cụ của bên thứ ba dưới dạng các thư viện liên kết động (.dll) để hoàn thiện giải pháp của bạn. Một thư viện liên kết động của Windows là một tệp tin phần mềm có chứa một tập hợp các chương trình con hoặc các lớp dùng để phát triển ứng dụng. Các thư viện liên kết động cung cấp các dịch vụ phần mềm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ mã nguồn và thông tin theo kiểu module hóa. Có thể sử dụng rất nhiều kiểu lựa chọn bản quyền khác nhau. Những kiểu này cho ta một mức độ linh hoạt rất cao về giá thành, từ bản quyền phát triển cá nhân, cho tới bản quyền cấp mã nguồn và chạy tự do không giới hạn. Các thư viện của bên thứ ba, xây dựng bằng mã nguồn viết trong .NET Framework, cũng có thể dễ dàng tích hợp vào HMI, SCADA, hoặc các giải pháp công nghiệp .NET khác của riêng bạn. Các thư viện này có thể cung cấp một kênh truyền thông Ethernet trực tiếp với Allen-Bradley, GE Fanuc, Schneider và các PLC phổ biến khác. Bằng các sử dụng kết nối Ethernet trực tiếp, các thư viện truyền thông .NET này loại trừ được nhu cầu tìm mua một phần mềm truyền thông của nhà sản xuất PLC hoặc dùng một trạm OPC đi kèm theo chi phí về phần cứng và phần mềm. Trong khi OPC đóng một vai trò quan trọng trong các chiến lược tích hợp và tự động hóa hiện nay, việc sử dụng công nghệ theo một cách phù hợp cũng rất quan trọng. OPC không chỉ nặng nề khi cài đặt trong .NET, nó còn có thể quá chậm chạp đối với nhiều ứng dụng thời gian thực. Theo kết quả điều tra gần đây về 113 người dùng OPC từ 500 công ty hàng đầu thế giới được trình bày trong một bài báo trắng được các chuyên gia về an ninh - tự động của Viện Công nghệ British Columbia kết hợp với Viện nghiên cứu Byres viết ra, việc sử dụng công nghệ OPC một cách không đúng đắn rất có thể đặt công nghiệp vào tình thế nguy hiểm. Trên 1/4 người dùng được khảo sát nói rằng tổn thất trong truyền thông OPC sẽ làm quá trình sản xuất của công ty họ ngừng hoạt động. Rất nhiều thiết bị tiền định nghĩa và các cấu thành đồ họa động xuất sắc phát triển cho .NET cũng có thể tích hợp được vào .NET Windows Form, Web Form, và các ứng dụng HMI nhúng và SCADA của bạn. Chúng bao gồm các cấu thành như bộ quay số, thanh trượt, núm vặn và truyền thông (hình 1), tất cả đề được tiền định nghĩa để có thể trao đổi lẫn nhau trong môi trường .NET. Những công cụ này giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn nhu cầu tự vẽ các đối tượng hiển thị của riêng bạn một cách nhàm chán hoặc viết mã nguồn cho việc truyền thông thích hợp tới các nguồn dữ liệu động hoặc tĩnh. Các cấu thành hiển thị số liệu .NET (ví dụ như các đồ thị và biểu đồ động) và các gói bảng đồng hồ hiển thị hoàn chỉnh (với các đồng hồ đo hiệu năng động) cũng sẵn sàng giúp lập trình viên trong việc tạo ra các bộ hiển thị số liệu tùy biến và các ứng dụng trợ giúp ra quyết định thời gian thực. Dùng các công cụ Transitions Optical là một ví dụ về một công ty đã ứng dụng thành công các công nghệ .NET sẵn có vào sản xuất. Transitions Optical có năm cơ sở sản xuất trên thế giới và dùng PLC của Allen Bradley cho các hệ thống sản xuất. Tổ hợp Transitions Optical là nhà sản xuất các thấu kính Transitions ®, thấu kính biến sáng số một trên thế giới. Transitions Optical đã phát triển công nghệ thấu kính biến sáng tiên tiến nhất thế giới có khả năng điều chỉnh tự động theo các điều kiện ánh sáng khác nhau - từ môi trường trong nhà cho đến tối như kính râm dưới ánh sáng mặt trời chói lọi. Số liệu từ PLC rất quan trọng đối với nhiều hàm quản lý quan trọng. Ví dụ như số liệu từ các hệ thống dò tìm và bám sát lô hàng của nó được hệ thống MES nhà máy dùng để tạo ra các nhãn mác đóng gói thấu kính theo điều lệ quy định FDA. Việc nhận các dữ liệu này dẫn đến việc phải thăm dò các PLC đang điều khiển một hệ thống kiểm tra tự động và Transitions đã xây dựng các giao diện riêng của mình để thực hiện việc này bằng cách dùng các công cụ lập trình của CimQuest INGEAR. Các công cụ này đóng gói tất cả các phần mềm Allen Bradley cần thiết với các chương trình và thủ tục của Visual Basic hoặc Visual Studio .NET của Microsoft vốn thường được sử dụng cho các tác vụ công nghiệp. Theo Patrick LaFerriere, chịu trách nhiệm chính về các hệ thống thừa hành sản xuất trong các xí nghiệp của Transitions, kiểu lập trình này đòi hỏi kiến thức về các ngôn ngữ lập trình của Microsoft và về các quá trình công nghiệp đang được lập trình. "Việc tìm lập trình viên Visual Basic hoặc .NET tương đối dễ, tôi có thể nhanh chóng tuyển được các lập trình viên Microsoft viết mã nguồn cho PLC," Laferriere nói. CimQuest INGEAR cung cấp cho Transitions các thư viện lớp miễn phí, chúng làm đơn giản hóa việc xây dựng, phát triển và triển khai các hệ thống được kết nối với nhau dùng cho cá