Các hệ thống điều khiển công nghiệp

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển cung cấp khả năng tính toán, điện toán, và quản lý một số cổng I/O của một hệ thống tự động. Chúng làm việc như một trung tâm hay như một mạng lưới được kết nối với nhau và phân phối thông qua hệ thống.

1.1 Máy tính

Ngoài việc được sử dụng như một công cụ để viết chương trình cho hệ thống điều khiển, máy tính còn được sử dụng để điều khiển cơ cấu chấp hành cho một số máy móc. Máy tính có những lợi thế liên quan đến giá thành thấp bởi vì nó được sử dụng rộng rãi. Do máy tính đã có sẵn màn hình và một số thiết bị con trỏ như chuột máy tính,  thì chương trình HMI cũng có được sử dụng dễ dàng trên các máy tính tiêu chuẩn.

Hệ thống vận hành của máy tính không thường được tối ưu hóa để thực hiện quá trình điều khiển thực tế trên máy móc. Hầu hết các hệ thống PC đều chạy trên các hệ điều hành Window khác nhau, là thứ thường chứa những yếu tố không cần thiết trong một hệ thống điều khiển. Do vậy, một thể đặc biệt là Microsoft Window CE, đã được phát triển để loại bỏ các tính năng không cần thiết cho một hệ thống điều khiển. Window CE sử dụng bộ nhớ ít hơn và vì vậy nên nó phù hợp cho việc điều khiển thời gian thực hơn. Bộ điều khiển kết hợp đã bắt đầu sử dụng Windows CE như một nền tảng tiêu chuẩn.

1.2 Hệ thống điều khiển phân phối (DCSs)

Hệ thống điều khiển phân phối (DCSs) được tìm thấy trong các ứng dụng điều khiển quá trình ở các nhà máy hóa chất. Chúng được sử dụng để mở rộng quá trình sản xuất liên tục hoặc sản xuất hàng loạt. DCSs được kết nối với cảm biến và cơ cấu chấp hành và sử dụng các điểm cài đặt để điều khiển lưu lượng nguyên liệu thông qua thiết bị. Ví dụ điển hình nhất là cài đặt điểm điều  khiển vòng lặp bao gồm cảm biến áp suất, bộ điều khiển, và van điều khiển. Thiết bị đo áp suất hay lưu lượng được chuyển đến bộ điều khiển, với sự hỗ trợ của các tín hiệu điều kiện I/O của thiết bị. Khi giá trị đo đạt đến một điểm nhất định, bộ điều khiển tác động cho van hoặc các thiết bị chấp hành đóng mở cho đến khi lưu lượng chất lỏng đạt đến điểm mong muốn. Một lượng lớn dầu lọc cần phải có hàng ngàn điểm I/O và sử dụng một hệ thống DCSs lớn. Quá trình xử lý không giới hạn lưu lượng qua ống dẫn, và nó cũng bao gồm cả những thứ như vậy như máy làm giấy và mối liên hệ đến tốc độ động cơ, điều khiển động cơ chính, lò nung xi măng, hoạt động khai thác mỏ, cơ sở chế biến quặng, cùng nhiều thứ khác.

Một hệ thống DCSs thông thường bao gồm chức năng phân phối theo địa lý của bộ điều khiển số đê thực hiện từ 1 đến 256 hoặc nhiều vòng lặp qui định trong một hộp điều khiển. Thiết bị I/O là không thể thiếu đối với bộ điều khiển hoặc điều khiển từ xa thông qua mạng. Một tên khác cho thiết bị này là  bộ phân loại I/O. Bộ điều khiển ngày nay có khả năng xử lý điện toán rất cao , điều khiển PID, và có thể thực hiện điều khiển logic, điều khiển tuần tự.

Một hệ thống có thể thực hiện một hoặc nhiều trạm và có thể điều chỉnh thông số tại trạm hoặc các ứng dụng cá nhân không kết nối mạng. Mạng truyền thông cục bộ được xử lý qua một mạng điều khiển. Một server và chip xử lý có thể được gộp trong hệ thống để tăng khả năng tính toán, thu thập dữ liệu, và khả năng báo cáo.

1.3 Bộ điều khiển lập trình logic (PLCs)

Bộ điều khiển lập trình logic (PLCs), được sử dụng rộng rãi để điều khiển tầng trong hệ thống tự động. Về bản chất thì đây là các máy tính kỹ thuật số được sử dụng điều khiển các quá trình xử lý cơ điện. PLC được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và máy móc, như đóng gói và máy bán tự động. Không giống như các mục đích chung của các loại máy tính, PLC được thiết kế để quản lý nhiều cổng vào/ra, mở rộng dải đo nhiệt độ, khử nhiễu, và chịu được các rung động và ảnh hưởng khác. Các chương trình điều khiển thường được lưu trữ trong pin dự phòng hoặc bộ nhớ điện tĩnh. PLC là một ví dụ cho hệ thống thời gian thực vì kết quả của ngõ ra sẽ tác động lại điều kiện của ngõ vào trong một khoảng thời gian giới hạn, nếu không thì việc hoạt động ngoài ý muốn sẽ là kết quả trả lại.

Sự khác nhau chính của PLC so với các loại máy tính khác đó chính là PLC được bảo vệ trong điều kiện khắc nghiệt ( bụi, ẩm mốc, nhiệt, lạnh, và nhiều thứ khác) và có thể dễ dàng mở rộng số lượng cổng kết nối I/O. Những kết nối từ PLC đến cảm biến và cơ cấu chấp hành. PLC đọc được các công tắc giới hạn, cảm biến, tín hiệu analog( nhiệt độ, áp suất), và vị trí của hệ thống tọa độ phức tạp. Về phần của cơ cấu chấp hành, PLC có thể vận hành được motor điện, xy lanh khí nén, thủy lực, rơ le từ và cuộn solenoid hay xuất giá trị analog. Sự sắp xếp cổng I/O được xây dựng theo kiểu “viên gạch” đơn giản, hoặc PLC có thêm các module số , analog cho các cổng I/O để kết nối. Các giá đỡ kết nối module trong PLC có thể được điều khiển từ xa các khối I/O trong chip xử lý. Ví dụ về giá đỡ trên PLC được thể hiện trong hình 3-1

Các nhà sản xuất PLC thường bán phần mềm lập trình kèm theo thiết bị. Những gói phần mềm này được làm phù hợp với thiết bị của họ, nên không thể sử dụng phần mềm của các nhà sản xuất khác. Phần mềm bổ sung thường cần thiết cho việc kết nối thông số cho hệ thống và chương trình HMI, nó thường được đính kèm trong chương trình chung phù hợp.

Trước khi có được các lợi ích từ hệ thống máy tính, logic thường được làm một cách thủ công sử dụng các kỹ thuật tương tự việc thiết kế hệ thống điều khiển bằng rơ le và sau đó biến đổi thành dạng tốc ký để có thể áp dụng cho bàn phím cầm tay hay văn bản trên máy tính. Nhờ sự tiên tiến trong công nghệ, logic có thể được làm trên màn hình máy tính. Nó thường được chuyển đổi sang dạng tốc ký và dạng tập tin. Logic còn thường được in ra thành dạng đồ họa.

Vì giới hạn về bộ nhớ, việc mô tả comment cho cuộn coil và các cấu trúc khác không được lưu trong bộ nhớ PLC. Ký hiệu thường được dùng để chỉ các thiết bị, nhưng nói chung thì chúng đơn giản là liên quan đến bit hoặc số nguyên. Đăng ký địa chỉ được lưu theo kiểu dữ liệu như bit, word, hoặc float. Timer và counter được lưu trong phần toán học.

Hình 3-1 PLC Allen-Bradley

Trong các loại PLC hiện đại, vấn đề về dung lượng nhớ sẽ ít gặp hơn. Nhiều thẻ miêu tả được phép lưu trữ và các phương pháp như ngôn ngữ kiểu cấu trúc và lập trình lưu đồ tuần tự được sử dụng. Người lập trình có thể sử dụng kết hợp những thứ này và ngôn ngữ ladder sao cho phù hợp. Thêm nhiều thông tin về phần mềm PLC sẽ được nói đến trong chương 6.

1.4 Bộ điều khiển nhúng và hệ thống

Bộ  điều khiển nhúng là một hệ thống máy tính được sử dụng với mục đích đặc biệt, chúng thường được thiết kế một hay nhiều chức năng chuyên dụng, thường bị hạn chế trong tính toán thời gian thực. Chúng thường được kết hợp như một phần của một thiết bị hoàn chỉnh bao gồm phần cứng và phần mềm. Ngược lại, một máy tính thông thường như máy tính cá nhân, có thể làm nhiều công việc khác nhau dựa vào việc lập trình. Hệ thống nhúng có thể điều khiển được những thiết bị đang sử dụng ngày nay. Các thành phần chung của một hệ thống nhúng bao gồm vi điều khiển hoặc CPU, RAM, bộ nhớ tạm thời hay bộ nhớ flash.

Nói một cách tổng quát, hệ thống nhúng không chính xác là một thuật ngữ được xác định như các hệ thống có các phần tử lập trình. Ví dụ, máy tính cầm tay chia sẻ một số phần tử với hệ thống nhúng như hệ thống hoạt động và vi điều khiển, vì chúng cho phép các ứng dụng khác nhau được nạp vào và kết nối các thiết bị ngoại vi.

Bộ điều khiển nhiệt độ

Một bộ điều khiển chuyên dụng sử dụng rộng rãi chính là bộ điều khiển nhiệt độ. Những thiết bị này thực hiện việc điều khiển đóng/mở thiết bị gia nhiệt trong các phản ứng để cảm nhận nhiệt độ hoặc điều khiển nhiều tầng bằng cách điều khiển PID. Bộ điều khiển được thiết kế theo kiểu cảm biến nhiệt độ hoặc được cấu hình bằng phần mềm, thiết bị ngắt.

Bộ điều khiển nhiệt độ độc lập theo kích thước của hệ thống DIN, tiêu chuẩn Đức. Chúng được phân loại theo kích thước 1/16 DIN, 1/8 DIN, hoặc 1/4 DIN. Timer và counter cũng được thiết kế theo tiêu chuẩn này. Điều này giúp cho bộ điều khiển phù hợp về kích thước nhất định của bảng điều khiển. Hình 3-2 thể hiện bảng điều khiển nhiệt độ theo tiêu chuẩn 1/4 DIN. Các thông số như giá trị quá trình(PV) hoặc giá trị cài đặt (SV) được hiển thị bằng các màu khác nhau để dễ sử dụng. Việc cài đặt thông số được hoàn thành thông qua một bàn phím nút phía trước bộ điều khiển.

Hình 2: Bộ điều khiển nhiệt độ Omron

Nhiệt độ không phải chỉ đo một lần mà được điều khiển thông qua các bộ điều khiển khác nhau. Gần như các biến quá trình có thể được điều khiển bằng một bảng điều khiển độc lập. Bộ điều khiển quá trình có thể được sử dụng để điều khiển vị trí của van dựa vào lưu lượng hay áp suất , chúng sử dụng giá trị ngõ vào một cách hiệu quả để điều khiển giá trị ngõ ra được thể hiển ở hình 2-3, một hệ thống phản hồi vòng kín. Bộ điều khiển quá trình có hình dạng giống bộ điều khiển bộ điều khiển nhiệt độ, trong đó điểm khác nhau chính là kiểu mạch đầu vào.