Các bộ điều khiển thế hệ mới và khả năng tích hợp với các hệ thống nhỏ Trước đây, người sử dụng tự động hóa thiết kế các hệ thống điều khiển nhỏ đã gặp rất nhiều khó khăn do yêu cầu tíc
Trang 1Các bộ điều khiển thế hệ mới và khả năng tích hợp với các hệ thống nhỏ
Trước đây, người sử dụng tự động hóa thiết kế các hệ thống điều khiển nhỏ
đã gặp rất nhiều khó khăn do yêu cầu tích hợp với các thiết bị được kết nối như HMI, với các bộ điều khiển, mạng, các hệ thống kinh doanh.vv
Nỗ lực đáp ứng các yêu cầu hệ thống này và khả năng hạn chế so với công nghệ lúc đó buộc các kỹ sư phải lựa chọn một bộ điều khiển có kích thước lớn hơn yêu cầu Hiện nay, xu hướng công nghệ điều khiển đã tạo ra nhiều
sự lựa chọn mới, phù hợp với nhiều ứng dụng
Cũng những năm trước, các nhà thiết kế hệ thống tự động hóa nhỏ đã có rất nhiều lựa chọn, tuy nhiên không có giải pháp nào thật sự lí tưởng đối với ứng dụng của họ PLC cỡ nhỏ thông dụng, hỗ trợ ít hơn 128 kênh I/O – không đem lại những khả năng tích hợp nâng cao cần thiết để kết nối với các thiết bị khác
Ngày nay, với xu hướng về điện tử tín hiệu hỗn hợp, công nghệ xử lí cả tín hiệu analog và tín hiệu số trong một thiết bị, phần mềm và truyền thông cấp
hệ thống cuối cùng đã kết hợp với nhau giúp xóa bỏ khoảng cách với các bộ điều khiển nhỏ gọn thế hệ mới – các thiết bị gói gọn các tính năng PLC lớn
và PAC vào một gói nhỏ hơn với ít điểm I/O hơn Với các bộ điều khiển tích hợp thế hệ mới, các nhà thiết kế có thể nhúng các thuật toán điều khiển nâng cao vào máy móc mà không cần đến các chương trình điều khiển riêng, đồng
Trang 2thời tích hợp chúng vào các mạng tự động hóa cấp hệ thống Một ưu điểm lớn mà đặc điểm xử lí công suất cao của các bộ điều khiển nhỏ gọn đem lại là khả năng lập trình Các bộ điều khiển nhỏ gọn có nguồn cung ứng hoàn toàn được lập trình theo các ngôn ngữ lập trình IEC tiêu chuẩn như logic thang cuốn, khối chức năng, hay thậm chí là các ngôn ngữ lập trình dạng text
Một kỹ sư đã từng sử dụng PLC tiêu chuẩn trong nhiều năm và quen với ngôn ngữ cũng như kỹ thuật lập trình tiêu chuẩn sẽ nhận thấy môi trường lập trình quen thuộc Kiến thức cơ bản về cách thức mà logic thang cuốn và các
sơ đồ khối chức năng hoạt động là có thể truyền lại được Do vậy, các môi trường kỹ thuật được cải tiến giúp cho việc viết phần mềm ứng dụng trở nên
dễ dàng hơn rất nhiều Thí dụ, các module phần mềm có thể được tái sử dụng, các nhà phát triển không cần phải viết các chức năng giống nhau nhiều lần cho các máy khác nhau
Việc sử dụng bộ nhớ dễ dàng và trực quan hơn rất nhiều Chuyển đổi từ PLC tiêu chuẩn sang PLC nhỏ gọn đã được đơn giản hóa trong đó có các lõi chức năng và những kiến thức mà mọi người đã quen thuộc, nghĩa là chúng thân thiện với người sử dụng hơn Phần mềm ứng dụng bộ điều khiển nhỏ gọn dễ bảo dưỡng do khả năng tái sử dụng và môi trường hợp nhất
Các bộ điều khiển nhỏ gọn thế hệ mới này sử dụng bộ vi xử lí, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi tín hiệu hỗn hợp mạnh mẽ nhằm làm giảm kích thước của
bộ điều khiển, đồng thời chạy các tính năng phần mềm và truyền thông linh hoạt, nâng cao để tích hợp với các thiết bị được nối mạng
Do đó, thậm chí một máy với cảm biến và actuator chạy một thuật toán đơn giản có thể là một phần trong hệ thống tự động hóa tích hợp cấp doanh
Trang 3nghiệp mà không làm phá vỡ khung kích thước, yêu cầu kỹ thuật cũng như chi phí đầu tư Kết quả là các mạng tự động hóa có tính liên kết hơn, có thể được hoàn thiện nhanh hơn và chi phí thấp hơn cũng như ít tốn kém trong bảo dưỡng và nâng cấp
Các bộ điều khiển nhỏ gọn này có kiến trúc dạng modular tiết kiệm diện tích cho các hệ thống tự động hóa đòi hỏi logic đơn giản cũng như nâng cao, HMI và nối mạng Phần cứng, HMI, kết nối mạng và phần mềm phát triển hợp nhất giúp loại bỏ những rào cản về sự tương kết giữa các thiết bị tự động hóa thông thường
Dù ứng dụng cho sản xuất hay các tòa nhà công sở, các cửa hàng bán lẻ hay các khu vui chơi giải trí, các bộ điều khiển đòi hỏi cung cấp khả năng tự động hóa, giám sát từ xa, kết nối với doanh nghiệp và có thể đưa lên web
Kỹ sư tiếp tục sử dụng các bộ điều khiển green board bởi họ đã quen với chúng
Các bộ điều khiển nhỏ gọn
Ngày càng yêu cầu có nhiều hệ thống tự động hóa nhỏ gọn kết nối vào các
cơ sở tự động hóa Để làm được điều này, cần một HMI, kết nối mạng và các tính năng nâng cao
Trong trường hợp kỹ sư thiết kế mẫu thiết bị lắp theo băng tải và dây chuyền sản xuất Để tránh việc nhân viên phải đi từ đầu này lại đầu kia dây chuyền trong quá trình bảo dưỡng hoặc vận hành, họ có thể đặt các HMI giống nhau
ở mỗi đầu Với các PLC nhỏ gọn truyền thống, việc này cần tới 2 hai chương trình ứng dụng phải được tải và duy trì tách biệt Chúng phải được liên kết với một PLC điều khiển thiết bị
Các bộ điều khiển nhỏ gọn cung cấp những khả năng này trong một kiến trúc tích hợp Thiết kế tự động hóa tích hợp sử dụng bộ điều khiển nhỏ gọn cung cấp khả năng: dò tự động giữa nhiều bộ điều khiển với nhiều HMI mà không cần chương trình người sử dụng riêng cho từng bộ Có thể cần chương trình người sử dụng nhiều bộ xử lí cho hệ thống…Cũng không cần đến các tiện ích khác cho các tác vụ như điều chỉnh vòng lặp PID hay điều
Trang 4khiển chuyển động Những khả năng này được xây dựng trong phần mềm kỹ thuật được sử dụng để lập trình các bộ điều khiển nhỏ gọn, đi kèm với chương trình người sử dụng
Thí dụ, Step7 Basic của Siemens có một phần mềm kỹ thuật sử dụng cho logic, HMI và kết nối mạng với một bộ editor thông dụng Tất cả thông tin chương trình sử dụng (biểu tượng, mô tả, đánh giá….) về logic điều khiển được lưu trữ trong chương trình CPU Online Không cần sử dụng phiên bản chương trình offline để xem thông tin Điều này làm cho việc bảo dưỡng dễ dàng và nhanh chóng
Tích hợp tự động hóa nhà máy
Trong một nhà máy được tự động hóa cao, các bộ điều khiển nhỏ gọn chạy trên một chương trình người sử dụng tích hợp cung cấp bộ điều khiển, HMI
và khả năng kết nối mạng Phần mềm này dựa trên tiêu chuẩn hệ thống tự động hóa tích hợp (IAS) áp dụng trên toàn bộ mạng điều khiển nhà máy Sở hữu một nền tảng và phần mềm phát triển chung cho nhiều ứng dụng mang đến một kiến trúc hoàn chỉnh phục vụ các tác vụ đơn giản cũng như phức tạp, tính năng phần cứng mở rộng, khả năng tái sử dụng phần mềm và bảo dưỡng chương trình dễ dàng Tích hợp ở cấp này mang đến sự độc lập ứng dụng cho phép chia sẻ các module logic được thử nghiệm trên toàn bộ doanh nghiệp
Tích hợp chặt chẽ giữa các bộ điều khiển nhỏ gọn, HMI và phần mềm hiệu chỉnh kỹ thuật làm thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng về các hệ thống điều khiển linh hoạt có thể thực hiện nhiều hoạt động và yêu cầu chỉnh sửa tối thiểu Sử dụng khả năng tích hợp trong các bộ điều khiển nhỏ gọn, các nhà sản xuất giờ đây có thể bổ sung các thiết bị mới và trang bị lại các dây chuyền sản xuất với ít thời gian và chi phí hiệu chỉnh kỹ thuật hơn so với các micro PLC truyền thống trước đây
IAS cung cấp một kiến trúc để quản lí dữ liệu chia sẻ, cấu hình và giao tiếp Chúng sử dụng các công nghệ tiên tiến nhằm đạt được hiệu quả cao nhất có thể Bên cạnh các công cụ thuận lợi cho cài đặt và cấu hình, chúng thường
có các phương tiện kiểm tra công cụ với khả năng lập trình tùy chỉnh rất mạnh mẽ theo các ngôn ngữ cấp cao
Trang 5Các công cụ có sẵn bao gồm thư viện hướng dẫn có thể được sử dụng trong các ứng dụng lập trình, cung cấp chức năng giao tiếp điểm tới điểm cho các giao thức tiêu chuẩn công nghiệp như PROFINET/Ethernet, PROFIBUS fieldbus hay các giao thức truyền thông serial truyền thống sử dụng Modbus RTU hoặc ASCII
IAS không chỉ liên kết các thành phần của quá trình sản xuất với nhau, nó còn liên kết các thành phần tự động hóa với nhau trong từng module máy như bằng cách cung cấp kết nối từ thiết bị tới card I/O, tới mạng thiết bị và
cơ sở hạ tầng nối mạng, tới bộ điều khiển và tới HMI IAS không chỉ liên kết các mảng tự động hóa với nhau mà còn làm cho hệ thống trở nên đồng nhất
Ưu điểm của tự động hóa tích hợp
IAS có các tính năng giao tiếp cần thiết để phối hợp hoạt động của nó với các thiết bị tự động khác trong nhà máy Được thiết kế theo các thông số thích hợp, nó có thể giúp hoạt động sản xuất cải thiện hiệu quả kinh doanh, cho dù đó là tự động hóa rời rạc như lắp ráp ô tô, hay một quá trình liên tục như lọc dầu Những lợi thế như tính rõ ràng trong sản xuất cao, thời gian ngừng máy giảm, chi phí tích hợp quá trình thấp và chi phí đầu tư (TCO) thấp, chỉ có thể sinh ra từ việc có một hệ thống tự động hóa phối hợp hài hòa
Tính minh bạch trong sản xuất cao rất quan trọng đối với việc kiểm soát chi phí và duy trì công suất cao nhất IASs giúp các nhà quản lí thấy rõ ràng hoạt động sản xuất – quá trình thậm chí tới cả máy được tự động hóa ở cấp
Trang 6nhỏ nhất, yếu tố rất quan trọng để duy trì các hoạt động có quy mô trên toàn thế giới
IAS tạo điều kiện tích hợp không giới hạn trong truyền thông, từ cấp thiết bị tới cấp quản lí doanh nghiệp Dựa trên tiêu chuẩn quốc tế của nhiều nhà cung cấp như PROFIBUS (fieldbus hàng đầu thế giới), PROFINET (tiêu chuẩn Ethernet công nghiệp mở), AS-Interface,…, IAS làm cho thông tin tương ứng luôn khả dụng trên toàn nhà máy mọi thời điểm Đặc điểm này làm đơn giản hóa đáng kể công việc đưa vào hoạt động, chẩn đoán và bảo dưỡng Việc cập nhật này thậm chí có thể triển khai không dây hoặc qua Internet Ngoài ra, các thành phần có thể được tiếp cận từ bất cứ vị trí nào để can thiệp vào quá trình khi cần Truy cập dữ liệu ở nhà máy hoặc ở công ty thông qua các lựa chọn truyền thông tích hợp mở rộng ở tất cả các cấp tự động hóa, bao gồm các cấp độ quản lí, vận hành, cấp điều khiển và cấp hiện trường
IAS đảm bảo độ linh hoạt và khả năng mở rộng thông qua các lựa chọn để kết hợp các chuẩn truyền thông mà không ảnh hưởng đến công suất hệ thống Thí dụ, các ứng dụng và tín hiệu ở mức thiết bị ứng dụng qua PROFIBUS và/hoặc PROFINET Cấu trúc truyền thông hiện nay có thể được tích hợp sử dụng các bộ xử lí giao tiếp CP/Link cung cấp cầu kết nối giữa các hệ thống
IAS hỗ trợ truyền thông không dây thông qua các tiêu chuẩn LAN không dây công nghiệp (IW-LAN) Thậm chí chức năng an toàn được thực hiện bằng phương pháp truyền thông IW-LAN Chức năng hệ thống truyền thông cung cấp khả năng truy cập hệ thống của tất cả các thành phần (thậm chí trên các hệ thống bus khác nhau) nhằm đưa vào triển khai, chẩn đoán, và bảo dưỡng từ xa được đơn giản hóa IAS có chức năng Web-server làm đơn giản hóa tiếp cận cách thiết lập lựa chọn và thông tin thiết bị từ bất kỳ PC nào với khả năng truy cập Internet
Do các bộ điều khiển nhỏ gọn giúp cho việc phối hợp tất cả các hệ thống tự động hóa nhỏ với cấp tự động hóa kế tiếp dễ dàng hơn trong một IAS, chúng chia các máy móc lớn thực hiện nhiều tác vụ thành những đơn vị nhỏ hơn thực hiện từng tác vụ nhỏ với độ khả thi hơn
Trang 7Bộ điều khiển nhỏ gọn tận dụng ưu điểm của IAS
Rơ le hoạt động trên logic Boolean Chúng chỉ quan tâm đến các trạng thái tức thời của đầu vào và do đó không thấy được tiến trình thời gian Mặt khác, các bộ điều khiển nhỏ gọn và hầu hết các bộ PLC khác, dựa trên kiến trúc Von Neumann Các máy tính Von Neumann không quan tâm liệu một hoạt động có cần đến giác quan thời gian hay không Chúng chỉ thực hiện những gì cần thiết Cả phần cứng và phần mềm cần thiết để giao tiếp với các node khác trên mạng trở thành các tiện ích trong hệ thống Ứng dụng chúng trong máy cụ thể chỉ là lựa chọn đúng phương án trên một màn hình cấu hình hệ thống
Nguyên nhân làm cho các nhà sản xuất muốn lắp đặt IAS xuất phát từ chi phí ngày càng lớn và nhu cầu về sản xuất phối hợp trong một doanh nghiệp cũng như nhu cầu tích hợp chuỗi cung ứng trên toàn bộ doanh nghiệp Trong khi các nhà máy sản xuất ngày càng sử dụng nguồn từ bên ngoài để phát triển khu vực thì nhà thầu phụ lại yêu cầu thiết bị tự động hóa đảm bảo chất lượng, năng suất sản xuất và cũng giúp tích hợp chuỗi cung ứng của nhà sản xuất
Với thiết bị phù hợp được sử dụng, các bộ điều khiển nhỏ gọn web-enabled, các công ty sử dụng nhân lực bên ngoài có thể được cung cấp thông tin thời gian thực về tình trạng các đơn hàng và các sự kiện khác như hỏng máy và cắt điện nhà máy Thông tin này có vai trò quan trọng đối với hoạt động hàng ngày và cho phép tích hợp chuỗi cung ứng Phần mềm hiệu chỉnh kỹ thuật mới cho các bộ điều khiển IAS và các thành phần khác, bao gồm các bộ điều khiển nhỏ gọn này được thiết kế nhằm sử dụng linh hoạt trên toàn bộ các phương án bộ điều khiển Nó mang đến một giao diện với chương trình người sử dụng, loại bỏ yêu cầu mua và bảo dưỡng các gói kỹ thuật như yêu cầu đối với các hệ thống tự động hóa truyền thống Bằng việc cung cấp bộ điều khiển nhỏ gọn, với cấu hình HMI và nối mạng được tích hợp trong gói phần mềm hiệu chỉnh kỹ thuật, những hệ thống mới giúp OEM, các nhà tích hợp hệ thống và người sử dụng cuối giảm thời gian và chi phí phát triển Giao diện được tự động hóa giữa bộ điều khiển và cấu hình HMI giúp làm giảm nguy cơ lỗi do người gây ra khi nhập lệnh điều khiển bằng tay Bộ editor hướng đối tượng và trực quan tạo ra tính thân thiện với người sử dụng và hiệu chỉnh kỹ thuật hiệu quả cao
Tự động hóa rời rạc
Trang 8Các bộ điều khiển nhỏ gọn phù hợp với việc tự động hóa tất cả thiết bị ngoại
vi nhỏ gọn trong các ứng dụng như vận chuyển vật liệu như băng tải, thiết
bị đóng gói như máy đóng đai, dán nhãn, máy sắp; cũng như các máy móc lắp ráp khác Các ứng dụng này yêu cầu các bộ điều khiển có kích thước nhỏ gọn, khả năng tương thích HMI, khả năng kết nối mạng, và khả năng phát và nhận và tín hiệu I/O phù hợp Trong nhiều trường hợp, các bộ điều khiển sử dụng cho tự động hóa rời rạc được sử dụng để điều khiển biến tần (VFDs),
và hỗ trợ động cơ bước cũng như động cơ servo
Các ngành quá trình
Các hệ thống tự động hóa nhỏ có số lượng I/O nhỏ và phù hợp với không gian nhỏ hẹp trong các ngành quá trình Lấy ví dụ là các RTU sử dụng cho trạm bơm, thiết bị đo lưu lượng dầu, trạm bơm tưới tiêu và nước sinh hoạt cũng như trạm bơm nước thải Các ứng dụng như vậy thường cần kết nối qua mạng không dây hoặc cáp quang Thí dụ, RTU sử dụng để điều khiển và giám sát giếng dầu khí, cần kích thước nhỏ cho phép lắp đặt trong các đường truyền tải điện hiện nay Chúng cần phát và nhận các tín hiệu I/O khả dụng
từ cảm biến và để điều khiển PID Chúng thường cần kết nối không dây từ
xa để giảm chi phí cài đặt mạng số cục bộ để truyền các tín hiệu quá trình qua những khoảng cách lớn Cuối cùng, chúng thường cần đến khả năng tính toán nâng cao nhằm giảm lưu lượng dữ liệu thô truyền trên mạng
Lựa chọn đúng đắn
OEMs phục vụ những thị trường này đã phải đối mặt yêu cầu mang các sản phẩm của họ tới thị trường nhanh nhất có thể Một chút trì hoãn có thể dẫn tới kinh doanh thua lỗ Nhu cầu thay đổi của người sử dụng cuối đồng nghĩa với vòng đời đối với các sản phẩm OEM ngắn hơn
Bảng so sánh
Trang 9Quyết định lựa chọn những bộ điều khiển
Thời gian đưa ra thị trường: các bộ điều khiển nhỏ gọn giúp OEM đưa sản phẩm ra thị trường nhanh hơn và nâng cấp các sản phẩm hiện nay của họ nhanh hơn để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng cuối Những khả năng này giúp nâng cao độ linh hoạt sản phẩm OEM đồng thời giảm chi phí Tầm quan trọng của chi phí vòng đời sản phẩm: OEM phải xem xét nhiều thứ hơn là giá thành sản phẩm Khi tính đến toàn bộ chi phí, OEM phải xem xét đến các chi phí vòng đời sản phẩm Các sản phẩm như bộ điều khiển nhỏ gọn nâng cao năng suất, độ linh hoạt và độ tin cậy đồng thời giảm chi phí bảo dưỡng, cung cấp lợi thế so với các giải pháp được thiết kế bên trong Tác động của các công nghệ đang phát triển: Các yếu tố khác, trong đó có các mạng tiêu chuẩn, chuẩn đoán toàn diện, có thể sử dụng với web và độ tương kết thành phần cao, đang góp phần tích hợp phát triển các sản phẩm OEM cho doanh nghiệp
Các nhà cung cấp tự động hóa đang nỗ lực cung cấp các mạng Ethernet-based với giao thức tiêu chuẩn đáp ứng yêu cầu công suất cao thời gian thực của các bộ điều khiển Công nghệ kết nối mạng trong các bộ điều khiển nhỏ gọn làm cho việc xử lí sự cố thuận lợi, giảm thời gian khởi động và đẩy nhanh việc tìm ra lỗi Các giao thức mạng tiêu chuẩn cũng cho phép tích hợp nhanh hơn và chi phí lắp đặt thấp hơn, và do đó sẽ nâng cao giá trị sản phẩm đồng thời giảm TCO
Yêu cầu về lợi thế cạnh tranh: Khi xét đến bộ điều khiển, OEM cần đánh giá đầy đủ thiết kế/quyết định mua theo nhu cầu hiện nay về độ linh hoạt với chi phí vòng đời sản phẩm thấp nhất có thể
Cuối cùng quyết định lựa chọn giữa các bộ điều khiển nhỏ gọn tiên tiến, các micro PLC truyền thống ít khả năng hơn và các bộ điều khiển tùy chỉnh phải cân nhắc theo 2 tiêu chí: đạt được chi phí thấp nhất và đáp ứng các mục tiêu kinh doanh sản xuất được nhiều sản phẩm có khả năng đáp ứng với nhu cầu thay đổi Thiết bị độc quyền như các bộ điều khiển tùy chỉnh, quyết định bởi người sử dụng cuối muốn đáp ứng dù chỉ một phân khúc thị trường nhỏ Năng lực của bộ điều khiển nhỏ gọn tiên tiến được quyết định bởi nhiều người sử dụng cuối
Trang 10So sánh bộ điều khiển nhỏ gọn với green board
Bảng 1 và 2 cung cấp một so sánh đồng cấp giữa các bộ điều khiển nhỏ gọn với bộ điều khiển green board áp dụng cả hai chiến lược kết hợp chặt chẽ với một bộ điều khiển nhỏ gọn tiên tiến như một nền tảng để lựa chọn So sánh giữa việc sử dụng các thiết bị này và thực hiện cùng tác vụ với bộ điều khiển tùy chỉnh dựa trên logic nhúng được kết hợp với cơ cấu điện tử để có khả năng kết nối mạng không quá phức tạp
Thiết kế bộ điều khiển tùy chỉnh yêu cầu:
• Đầu tư vốn vừa phải cho phần mềm, trình biên dịch, công cụ phát triển phần mềm (SDK) và phần cứng phát triển
• Chi phí thiết kế và thử nghiệm cao hơn đáng kể
• Chi phí hiệu chỉnh kỹ thuật cho phần cứng và khả năng tương thích thành phần và để viết phần mềm ứng dụng driver giao tiếp giữa các chip IC
• Hỗ trợ sau khi triển khai tại hiện trường cho phần cứng, phần mềm và các kỹ sư chế tạo có thể chiếm tới 20% tất cả chi phí hỗ trợ, tùy theo độ phức tạp và chất lượng thiết kế hệ thống
• Đầu tư thêm nếu thành phần mức tấm mạch trở nên lỗi thời và bộ điều khiển cần được hiệu chỉnh kỹ thuật, một yêu cầu thường xuất hiện trong 3 năm đầu tiên của thiết kế
• Bộ điều khiển nhỏ gọn sử dụng IAS yêu cầu:
• Đầu tư vốn cho phần cứng và phần mềm phát triển giống như bộ điều khiển tùy chỉnh
