Ứng dụng PAC vào điều khiển công nghiệp, tương lai của ngành điều khiển

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 tập 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 dùng 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, với 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 trình 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 này 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 chính 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 thấp 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 này 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 thành 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 trên 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 việc. 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): Làm 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 trình 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 một 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 vì phải 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 vì vậy, các kỹ sư điều khiển đã hợp 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 thể 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 là các bộ điều khiển tự động lập trình được, hay còn gọi tắt là PAC ( programmable 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 bộ 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 thiết 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 kỹ sư không kết nối chúng để làm việc cùng nhau. “Các công cụ phần mềm sẽ phải phù hợp với chuẩn IEC61131-3, với đầy đủ hướng dẫn sử dụng, và có khả năng quản lý dữ liệu”. Ngoài ra, các thành phần 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 biến rất lớn cho nên phần cứng phải cung cấp các module nhằm giúp các kỹ sư có thể lựa chọn các thành 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 cầu. “ 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 mình 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 này sẽ tạo ra hai hướng chính đối với phần mềm PAC: Một là dựa 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 và dễ sử dụng, sau đó thêm vào các tính năng mới. Các phần mềm PLC đều theo một mô hình chung là : quét các đầu vào, chạy mã điều khiển, update cho các đầu ra và 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 kỳ đầu ra và chu kỳ nội dịch đều bị ẩn đi. Với thiết kế đó, việc tạo ra các hệ thống điều khiển sẽ nhanh hơn và dễ dàng hơn. Tuy nhiên với kiến trúc quét – một điểm mạnh chính của PLC, đôi khi lại làm cho nó trở nên cứng nhắc. Đây lại là một nhược điểm. Hầu hết các hãng tạo ra phần mềm PAC bằng cách thêm vào kiến trúc quét sẵn có một số chức năng mới như truyền thông Ethernet, điều khiển truyền động, và các thuật toán nâng cao. Tuy nhiên, các chức năng điển hình vẫn gần giống với lập trình PLC và tập trung chủ yếu vào phần điều khiển logic. Kết quả là phần mềm PAC nói chung được thiết kế phù hợp với một số kiểu ứng dụng như : logic, truyền động, và PID nhưng lại kém linh động cho các ứng dụng như truyền thông, data logging hoặc thuật toán điều khiển nâng cao. Phần mềm dựa trên nền tảng PC Dựa trên các phần mềm PC truyền thống, các hãng thường bắt đầu với một ngôn ngữ lập trình rất linh động và đa chức năng, cho phép truy cập sâu vào bên trong kiến trúc phần cứng. Phần mềm này kết hợp được độ tin tưởng, tính xác định với các kiến trúc điều khiển mặc định. Đặc điểm này làm cho các phần mềm PC cực kỳ linh động và phù hợp cho các ứng dụng phức tạp yêu cầu các cấu trúc, các kỹ thuật thuật lập trình nâng cao hay cấu trúc điều khiển mức hệ thống. Tuy nhiên nó lại không dễ khi dùng cho những ứng dụng đơn giản. Bước đầu tiên mà các hãng thực hiện là cung cấp độ tin tưởng và độ xác định - hai đặc điểm thường không xuất hiện trong một hệ điều hành đa năng như Windows. Điều này được thực hiện nhờ một hệ điều hành thời gian thực (RTOS- real-time operating systems) như Phar Lap của Ardence hoặc VxWorks từ Wind River. Các hệ điều hành thời gian thực cung cấp khả năng điều khiển tất cả các dạng của hệ thống điều khiển, từ đọc đầu vào I/O và tốc độ ghi cho đến trình tự của các chuỗi dữ liệu riêng biệt xuất hiện trong bộ điều khiển. Sau đó các hãng sẽ thêm vào các cấu trúc đọc ghi I/O nhằm làm cho nó đơn giản hơn đối với các kỹ sư khi xây dựng các ứng dụng điều khiển yêu cầu độ tin cậy. Kết quả là phần mềm sẽ phù hợp cho điều khiển tùy biến, ghi dữ liệu và truyền thông nhưng vẫn thiếu các cấu trúc lập trình PLC thông thường. LabVIEW là một ví dụ điển hình về phần mềm PAC. National Instruments là một hãng khá nổi tiếng về các bộ điều khiển PAC. Họ sản xuất một họ các sản phẩm PAC chạy trên phần mềm LabVIEW. LabVIEW là một phần mềm chuẩn chuyên dùng cho việc đo lường và kiểm tra. Ngôn ngữ lập trình của LabVIEW là ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa trực giác, giống với ngôn ngữ kiểu flow-chart. Chính vì vậy, nó cung cấp đầy đủ những tính năng lập trình với giao diện rất dễ sử dụng. Với công cụ LabVIEW Real - Time và LabVIEW FPGA, NI đã kết hợp được LabVIEW với một hệ điều hành thời gian thực và khả năng tác động tới các FPGA cung cấp tính ổn định và tính chính xác cho hệ thống. PAC làm giảm nhu cầu đối với phần cứng Mặc dù các bộ PAC hiện đang là những bộ điều khiển khả trình hiện đại nhất, nhưng trong tương lai, PAC sẽ xoay phải quanh việc kết hợp với công nghệ nhúng. Một ví dụ đó là khả năng dùng phần mềm để định nghĩa phần cứng. FPGA là các linh kiện điện tử được các nhà sản xuất sử dụng để tạo ra các chip tùy biến, cho phép đặt chúng trong các thiết bị mới. Các thiết bị mới này gồm các khối logic cấu hình được và cách thức mà chung kết nối với nhau cũng như kết nối tới các I/O. Các nhà thiết kế điện tử có thể tạo ra các chip tùy biến mà không cần phải tốn chi phí để sản xuất các ASIC tùy biến. FPGA cũng giống như một máy tính mà ta có thể đi dây lại các mạch điện bên trong nó để chạy các ứng dụng tương ứng của mình. Công nghệ FPGA phù hợp với các nhà thiết kế phần cứng-những người thành thạo trong các ngôn ngữ lập trình cấp thấp như VHDL. Tuy nhiên, các kỹ sư điều khiển ngày nay có thể dùng công cụ LabView FPGA để tạo ra các thuật toán điều khiển và download xuống các chíp FPGA. Khả năng này cho phép các kỹ sư kết hợp các hàm thời gian tiêu chuẩn với phần cứng như : các sensor xác định giới hạn mức, sensor phát hiện vật đến gần..Vì các mã điều khiển chạy trực tiếp trên silicon, nên việc tạo ra các ứng dụng kết hợp các giao thức hoặc thực hiện các vòng điều khiển tốc độ cao trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Các vòng điều khiển số có thể đạt tần số lên tới 1MHz và các vòng điều khiển analog có thể đạt tần số tới 200kHz. Quan sát và đo lường trong PAC. Các PAC hơn hẳn các module I/O đơn giản nhờ kết hợp được khả năng đo lường tốc độ cao với khả năng quan sát bằng máy. Có rất nhiều các ứng dụng trong công nghiệp yêu cầu đo lường các đại lượng với tốc độ cao, ví dụ các ứng dụng liên quan đến sự dao động hay chất lượng công suất. Dữ liệu thu thập được sẽ được dùng để giám sát điều kiện hoạt động của các máy điện quay, xác định chu kỳ bảo dưỡng, giám định vỏ động cơ và điều chỉnh các thuật toán điều khiển. Dữ liệu thường được thu thập bằng cách sử dụng những hệ thu thập dữ liệu đặc biệt hoặc các công cụ “ stand- alone” kết nối vào hệ thống điều khiển bằng các bus truyền thông. Nhiều PAC có thể đo trực tiếp tín hiệu với tốc độ hàng triệu mẫu trên giây, sau đó đưa trực tiếp tới hệ thống điều khiển để xử lí. Các kỹ sư cũng có thể thêm cả chức năng quan sát vào trong hệ thống của mình. Trong môi trường sản xuất, có rất nhiều khuyết tật hoặc lỗi có thể rất khó phát hiện nếu dùng các kỹ thuật đo lường truyền thống nhưng lại có thể phát hiện được nhờ việc quan sát. Các ứng dụng hiện nay thường gồm một bộ phận giám sát quá trình sản xuất hoặc kiểm tra lắp ráp, ví dụ : kiểm tra lỗi vị trí linh kiện trên mạch điện, phát hiện các ký tự quang học để kiểm tra mã ngày tháng hoặc phân loại sản phẩm, dùng quang học để tìm khuyết tật sản phẩm và phân loại sản phẩm dựa trên các tiêu chuẩn chất lượng. Nhiều nhà máy hiện đang dùng các camera thông minh để giao tiếp với các bộ điều khiển quá trình. PAC cũng hỗ trợ cả chức năng giao tiếp đó. PAC của hãng National Instruments PAC của Rockwell Kết luận Vậy, PLC hay PAC sẽ phù hợp hơn đối với hệ thống? Đây là một câu hỏi hiện tại vẫn có nhiều xu hướng trả lời khác nhau. Nếu chọn dùng PAC, cần phải rất chú ý đến dịch vụ hỗ trợ. Một kỹ sư từng ứng dụng nhiều hệ điều khiển sử dụng PC cho biết: “Công nghệ máy tính thay đổi chóng mặt đến mức mà một thiết bị bạn mua hôm nay có thể không có hàng trong vòng 6 tháng đến 1 năm tới. Trái lại, nếu một con PLC của tôi bị hỏng một linh kiện nào đó thì tôi có thể tìm ngay ra thiết bị thay thế, dù nó được sản xuất cách đây 8 năm. Trong mắt tôi, đây chính là rào cản lớn nhất đối với PAC”. Hiện nay, các hệ điều khiển chủ yếu vẫn dùng PLC. Hơn nữa, các bộ PLC ngày càng được bổ sung thêm nhiều tính năng nâng cao. Chính vì vậy, nhiều nhà máy vẫn muốn tiếp tục hoạt động với các bộ PLC sẵn có và chưa thấy cần thiết phải nâng cấp bằng cách sử dụng PAC. Và do đó, hiện tại thì số lượng PLC vẫn chiếm ưu thế hơn rất nhiều so với PAC. Tuy nhiên, PAC là công nghệ của tương lai. Một điều chắc chắn rằng các hệ thống muốn đạt chất lượng cao hơn thì sẽ phải dùng đến PAC. Tuy nhiên, thời gian để ứng dụng nó một cách phổ biến là bao lâu thì không ai có thể khẳng định trước được.