Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

Sự phát triển của các bộ điều khiển

Các bộ điều khiển PLC (Programmable logic controller)

Trước đây, hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình sử dụng trong công nghiệp là những bộ điều  khiển tiếp điểm rơ le hoặc vòng lặp tương tự. Tuy nhiên, trong những năm 70, bộ nhớ và năng lực xử lý của máy tính cực đắt so với các tiêu chuẩn hiện nay. Do đó, việc tạo ra một sản phẩm thay thế với giá thành giảm được đặt ra cấp thiết. Bedford Associates (sau này là Modicon) và Alen -  Bradley là những hãng tiên phong trong lĩnh vực này khi cho ra đời sản phẩm là các bộ điều khiển logic khả trình PLC, đầu tiên được áp dụng cho ngành công nghiệp ô tô.

Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theo chu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng, PLC nhanh chóng thu hút sự chú trong giới chuyên ngành. Vào thời điểm các máy tính điều khiển chuyên dụng và không chuyên dụng đều có kích cỡ rất lớn và giá thành rất cao, thì việc sử dụng PLC là giải pháp lý tưởng để thay thế các mạch logic tổ hợp và tuần tự trong điều khiển các quá trình gián đoạn.

Cho đến nay, danh mục các chủng loại PLC có mặt trên thị trường thật phong phú đến mức khó có thể bao quát. Chúng không những khác nhau ở công suất làm việc của bộ xử lý trung tâm, ở dung lượng bộ nhớ vả ở số lượng các cổng vào/ra, mà còn ở các đặc tính chức năng như cấu trúc linh hoạt, phương pháp lập trình và khả năng nối mạng. Trừ một số loại nhỏ dùng trong các ứng dụng đơn giản, hầu hết các PLC hiện đại đều không dừng lại ở việc thực hiện các phép tính logic đơn giản, mà còn có khả năng làm việc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, thậm chí cả các thuật toán điều khiển phản hồi như điều khiển nhiều điểm, PID và điều khiển mờ. Các bộ đếm, bộ định thời và một số hàm toán học thông dụng thuộc phạm vi chức năng chuẩn của một PLC. Việc sử dụng PLC vì vậy không chỉ dừng lại ở các quá trình gián đoạn, mà nay đã rất phổ biến đối với điều khiển các quá trình liên tục như trong công nghiệp chế biến, khai thác, công nghệ môi trường...

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm như độ tin cậy cao, làm việc ổn định, bền vững và giá thành hạ, các bộ điều khiển PLC cũng có những nhược điểm nhất định. Đó là tốc độ xử lý của PLC kém hơn rất nhiều so với máy tính. Đối với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ điều chỉnh của vòng lặp cao, thuật toán điều khiển phức tạp, đòi hỏi có nhiều khả năng xử lý đối với tín hiệu analog hơn, PLC tỏ ra kém hiệu quả... Ngoài ra, phiên bản lập trình cho PLC của hầu hết các nhà cung cấp đều không thay thế hoặc tương thích với nhau (dù đều tuân theo chuẩn IEC 61131-3). Điều này gây ra rất nhiều khó khăn khi chuyển các chương trình từ PLC hãng này sang PLC hãng khác cũng như khi thiết lập giao tiếp giữa PLC hãng này với hãng khác trong quá trình tích hợp hệ thống.

Các bộ điều khiển sử dụng PC (Personal Computer)

Để giải quyết các nhược điểm của PLC đối với lớp ứng dụng đòi hỏi điều khiển phức tạp, giải pháp sử dụng máy tính cá nhân trực tiếp làm thiết bị điều khiển hiện nay không những được bàn tới rộng rãi mà đã trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đây. Nếu so sánh với các bộ điều khiển PLC và các bộ điều khiển đặc chủng thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, sự linh hoạt, khả năng lập trình tự do, mà còn ở khía cạnh kinh tế. Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công nghệ bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong điều khiển công nghiệp. Hướng giải pháp này thể hiện nhiều ưu điểm về mặt giá thành, hiệu năng tính toán và tính năng mở. Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao diện bus hệ thống.

Tuy nhiên, PC vẫn không là giải pháp lý tưởng cho ứng dụng điều khiển. Mặc dù nhiều kỹ sư sử dụng PC với những chức năng tiên tiến như điều khiển tương tự, mô phỏng, kết nối cơ sở dữ liệu, chức năng kết nối web và có thể sử dụng với các thiết bị do bên thứ 3 cung cấp, nhưng PLC vẫn là nhân tố đóng vai trò kiểm soát thế giới điều khiển. Vấn đề làm cho PC đuối sức trong thế giới điều khiển chính là các chuẩn của PC được thiết kế không phải dành cho môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Những thử thách mà PC phải đối mặt trong môi trường công nghiệp là: độ ổn định, độ tin cậy, môi trường lập trình không quen thuộc. Mặc dù cũng có những kỹ sư sử dụng các loại máy tính công nghiệp đặc biệt với phần cứng bền vững và hệ điều hành đặc biệt, nhưng hầu hết trong số họ tránh sử dụng PC để điều khiển vì những vấn đề liên quan đến độ ổn định. Bên cạnh đó, thiết bị sử dụng cho PC để thực hiện các nhiệm vụ tự động hóa khác nhau như I/O, giao tiếp, chuyển động, thì cần có môi trường phát triển khác nhau.

Các bộ điều khiển PAC (Programmable automation controller)

Với các ưu nhược điểm của cả PC và PLC, người dùng hiện nay có xu hướng sử dụng các giải pháp lai, trong đó hệ thống được thiết lập với PLC đảm nhiệm khâu điều khiển truyền thống, còn PC đảm nhiệm chức năng tiên tiến hơn. Vấn đề lớn nhất với kiểu cấu hình này là khó khăn trong thiết kế, sửa lỗi và bảo trì. Các kỹ sư hệ thống thường sẽ phải giải quyết các nhiệm vụ như tích hợp phần cứng và phần mềm của nhiều nhà sản xuất khác nhau.

Để giải quyết vấn đề trên, năm 2001, Tập đoàn tư vấn ARC đã cho ra đời bộ điều khiển tự động hóa khả trình PAC. PAC chính là sự kết hợp những "tinh túy" của PLC và PC (kết hợp độ tin cậy, tính bền vững của PLC với sự linh hoạt và sức mạnh xử l ý của PC) trên cùng một nền tảng phần cứng duy nhất để tạo nên một nền tảng truyền tải chức năng lớn hơn, mở hơn và linh hoạt hơn.
 
Một PAC điển hình có các tính năng sau:

Tính năng điều khiển đa dạng: Các hệ thống điều khiển liên tục, điều khiển chuyển động và điều khiển logic có thể được thiết kế trên một nền phần cứng đơn nhất.

Môi trường phát triển đa nhiệm đơn nhất: Một lợi ích quan trọng của nền tảng PAC là nó cung cấp một môi trường phát triển chung duy nhất. Môi trường phát triển chung này cho phép tích hợp các ứng dụng khác nhau mà trước đây được sử dụng nhiều phần cứng và các gói phần mềm.

Kiến trúc mở, modun hóa ở mức cao: Cho phép người thiết kế có thể chỉ sử dụng những thiết bị cần thiết cho ứng dụng riêng của mình.

Sử dụng nhiều chuẩn giao tiếp (từ giao tiếp không đồng bộ tới giao tiếp tiền định) và nhiều ngôn ngữ lập trình (bao gồm cả IEC 61131-3 cũng như các ngôn ngữ lập trình bậc cao): người thiết kế có thể thiết kế hệ thống của nhiều nhà cung cấp một cách đơn giản và hiệu quả.