Máy Tính Trong Điều Khiển

Cái nhìn về những phát triển gần đây trong điều khiển liên quan đến việc sử dụng công nghệ thông tin.

Có thể phù hợp để kết thúc Block 5 với cái nhìn tổng quan về sự tham gia của máy tính trong hệ thống điều khiển.

Định nghĩa từ điển của thuật ngữ ‘máy tính’ là ‘thiết bị điện tử có thể lập trình có thể lưu trữ, truy xuất và xử lý dữ liệu’. Định nghĩa này bao gồm các bộ điều khiển cơ bản, đơn vòng lặp và đa vòng lặp thường thấy trong ngành công nghiệp quy trình mà một điều kiện được đọc bởi cảm biến, so sánh với điểm đặt trong bộ điều khiển thông qua một số quy trình toán học được thực hiện để xác định hành động sửa đổi cần thiết, theo sau là đầu ra tín hiệu phù hợp. Tốc độ phát triển của chip máy tính và tác động của nó đến tất cả các khía cạnh của cuộc sống là well known. Tốc độ tiến bộ trong công nghệ điều khiển chắc chắn có nghĩa là một số nhận xét sau sẽ trở nên dư thừa khi đọc. Lịch sử Bộ điều khiển độc lập, đơn vòng lặp có từ bộ điều khiển khí nén, mà thông qua việc sử dụng sáng tạo các cánh và vòi phun, có thể xấp xỉ các hàm PID cơ bản. Những bộ điều khiển phức tạp và đắt tiền này thường được tìm thấy trong các nhà máy hóa dầu lớn mà kiểm soát chính xác quy trình, cũng như an toàn vốn có (sự vắng mặt của tia lửa có thể gây cháy) là cần thiết.

Thông thường, các quy trình này được kết nối riêng lẻ với bộ ghi biểu đồ tròn cục bộ (Hình 5.6.1); hoặc, một số quy trình được kết nối với bộ ghi đa bút trong phòng điều khiển (Hình 5.6.2). Trong khi bộ ghi đa bút cho phép xem xét nhiều tham số cùng lúc, cơ chế trong thiết bị và số đường trên một biểu đồ hiệu quả giới hạn sử dụng của chúng vào khoảng mười hai đầu vào.

Những máy tính đầu tiên được sử dụng trong hệ thống điều khiển đã thay thế bộ ghi biểu đồ phòng điều khiển chính. Chúng thu thập thông tin (hoặc dữ liệu) từ nhiều điểm hơn xung quanh nhà máy. Chúng thường được gọi là ‘bộ ghi dữ liệu’ (Hình 5.6.3), và không có đầu vào vào vận hành nhà máy.

Những máy tính đầu tiên này thường được lập trình để in báo cáo ở các khoảng thời gian cụ thể trên giấy in liên tục. Bằng cách thủ công trích xuất dữ liệu từ bản in máy tính, quản lý nhà máy có thể xem xét vận hành nhà máy như một tổng thể, so sánh hiệu suất các bộ phận khác nhau của nhà máy, tìm kiếm sự xuống cấp hiệu suất, sẽ cho thấy nhu cầu đóng cửa, v.v.

Vào giữa thập niên 1970, một số công ty thiết bị nổi tiếng bắt đầu tiếp thị hệ thống điều khiển kỹ thuật số. Các hệ thống này sử dụng một đơn vị máy tính trung tâm, nhận đầu vào từ cảm biến, thực hiện quy trình toán học, và cung cấp đầu ra cho các thiết bị điều khiển liên quan khác nhau. Chúng cũng duy trì bản ghi sự kiện để xem xét (xem Hình 5.6.4).

Ghi chú quan trọng:

• Máy tính cá nhân (PC) không thể chấp nhận tín hiệu thiết bị thô (4 - 20 mA, 0 - 10 V) từ thiết bị điều khiển. Thiết bị Đầu vào / Đầu ra (I / O) được yêu cầu để ‘dịch’ giữa hai bên. Mỗi nhà sản xuất I / O có phương tiện độc đáo để đạt được điều này, có nghĩa là các hệ thống không hoàn toàn tương thích như đã dự định.
• Ban đầu, thiết bị I / O nằm trong phòng điều khiển chính của nhà máy, và mỗi thiết bị riêng lẻ được kết nối với phòng điều khiển chính bằng cáp tín hiệu riêng. Điều này có nghĩa là trên nhà máy lớn, việc lắp đặt và quản lý cáp là vấn đề quan trọng, về thể tích vật lý và chi phí tương ứng.
• Khi công nghệ tiến bộ, thiết bị I/O di chuyển ra nhà máy, và lượng cáp đến phòng điều khiển giảm, nhưng vẫn đáng kể. Các Hệ Thống Điều Kỹ Kỹ Thuật Số này dẫn đến sự phát triển của:
• Hệ Thống Điều Khiển Phân Tán (DCS)
• Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Và Thu Thập Dữ Liệu (SCADA), và
• Hệ Thống Quản Lý Tòa Nhà (BMS) … tất cả đều được sử dụng rộng rãi ngày nay (xem Hình 5.6.5).

Một bước nhảy vọt xảy ra vào cuối thập niên 1980 với sự ra đời của PC và môi trường màn hình Windows cùng hệ điều hành máy tính. Điều này cung cấp nền tảng tiêu chuẩn cho các hệ thống điều khiển kỹ thuật số trước đó, vì tất cả các công ty thiết bị cần làm việc ở định dạng chung. Ưu điểm của các hệ thống dựa trên ‘Windows’ là thông tin có thể trao đổi được theo cách tương tự như người dùng máy tính cá nhân ngày nay có thể tự do trao đổi dữ liệu giữa Word, ‘Excel’ và ‘PowerPoint’. ‘Ngôn ngữ’ trao đổi dữ liệu này được gọi là Trao Đổi Dữ Liệu Động (DDE), và sau đó phát thành Liên Kết Và Nhúng Đối Tượng (OLE). Điều này được sửa đổi thêm cho điều khiển quy trình thành OLE cho Điều Khiển Quy Trình (OPC), vẫn được sử dụng vào thời điểm viết bài.

Việc sử dụng PC cũng có nghĩa là các tùy chọn xem lịch sử dễ dàng hơn đáng kể. Thay vì bị giới hạn trong bản in và dữ liệu truyền thủ công, quản lý nhà máy có thể sử dụng chương trình đồ họa mạnh mẽ, phân tích xu hướng, thêm màu sắc, điều chỉnh tỷ lệ và sử dụng ký hiệu; các biến số khác nhau có thể được vẽ so với nhau, và hiệu suất nhà máy khác nhau được so sánh.

Hệ thống tự động hóa hiện đại sử dụng máy tính như ‘Cửa sổ’ trên quy trình. Người vận hành sử dụng máy tính để giám sát những gì đang xảy ra trên nhà máy như một tổng thể, và sửa đổi điểm đặt và tham số điều khiển, như PID, của các bộ điều khiển dựa trên nhà máy riêng lẻ, do đó để lại các bộ điều khiển riêng lẻ chạy thuật toán PID và logic điều khiển.

Do đó bộ điều khiển độc lập vẫn có vị trí trong hệ thống tự động hóa hiện đại vì chúng ở điều khiển cuối cùng, nhưng bộ điều khiển thường ở dạng PLC (Bộ Điều Khiển Logic Có Thể Lập Trình) hoặc thiết bị đa vòng lặp gắn rack. Những thứ này khá khác biệt về hình thức so với bộ điều khiển PID đơn vòng lặp. Thay vì người vận hành sử dụng bàn phím để thay đổi điểm đặt và các tham số điều khiển khác tại bộ điều khiển, chúng được thay đổi bởi người vận hành tại máy tính, tải điện tử tham số cần thiết xuống bộ điều khiển. Trong trường hợp hỏng máy tính trung tâm, bộ điều khiển độc lập sẽ tiếp tục với tham số hiện tại hoặc chuyển sang điều kiện an toàn, do đó đảm bảo rằng nhà máy tiếp tục vận hành an toàn.

Bước tiến lớn tiếp theo là hệ thống được gọi là ‘Fieldbus’.

Fieldbus sử dụng hệ thống cáp kỹ thuật số đơn, kết nối mọi thiết bị (xem Hình 5.6.6).

Mỗi thiết bị (cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị được kiểm soát) được cấp địa chỉ duy nhất, được sử dụng để要么 yêu cầu thông tin (có thể từ cảm biến) hoặc thực hiện hành động nào đó (có thể đóng van điều khiển).

Tuy nhiên, các hệ thống này phức tạp và có thể tốn kém. Mạng Fieldbus cần bộ điều khiển chính để tổ chức giao tiếp và logic điều khiển trên Fieldbus. Nó cũng cần cách giao diện Fieldbus với mạng máy tính để thông tin có thể được chia sẻ (xem Hình 5.6.8). Thiết bị kết hợp vai trò bộ điều khiển Fieldbus và cung cấp cầu nối sang mạng PC được gọi là ‘cầu nối’ hoặc ‘bộ điều khiển chính’, (xem Hình 5.6.7).

Ở phía quy trình, cầu nối có thể:

• Yêu cầu và nhận dữ liệu từ nhiều cảm biến.
• Sử dụng thông tin này trong quy trình toán học phức tạp để xác định và truyền hành động sửa đổi cần thiết đến thiết bị điều khiển như van.
• Có thể yêu cầu thiết bị khởi chạy quy trình chẩn đoán, và báo cáo. Ở phía mạng máy tính, nó có thể cung cấp:
• Dữ liệu lịch sử thiết bị, như ngày và kết quả quy trình chẩn đoán gần đây.
• Báo động khi quy trình hoặc thiết bị vượt quá tham số đặt.
• Dữ liệu lịch sử và hiện tại chi tiết về hiệu suất nhà máy.

Ghi chú quan trọng:

• Cầu nối khác nhau về độ phức tạp nhưng có thể kiểm soát 50+ quy trình; tương đương 50 bộ điều khiển PID đơn vòng lặp.
• Nếu nhiều quy trình hơn cần được kiểm soát, có thể sử dụng nhiều hơn một cầu nối.
• Các cầu nối có thể được đặt tại các điểm thuận tiện xung quanh nhà máy.
• Cầu nối thường không hiển thị thông tin, cũng không có nút nào để nhấn. Nó đơn giản là cổng điện tử; tất cả tương tác với nó được thực hiện qua PC. Mặc dù Fieldbus về mặt lý thuyết là công nghệ chung, có sự khác biệt giữa sản phẩm và giao thức được sử dụng bởi các nhà sản xuất khác nhau. Tên thường gặp trong Fieldbus bao gồm:

Ghi chú quan trọng: Giao thức và sản phẩm Fieldbus không trực tiếp tương thích với nhau. Có cách tích hợp các Fieldbus khác nhau nhưng điều này có thể tốn kém. Điều này có nghĩa là người dùng thường sẽ áp dụng một hệ thống độc quyền.

• Hệ thống Fieldbus có thể tích hợp thiết bị dựa trên tín hiệu cũ (4 - 20 mA, 0 - 10 V v.v.). Tuy nhiên, tín hiệu phải được giao diện với Fieldbus bằng thiết bị I / O và khi làm như vậy nhiều (nhưng không phải tất cả) lợi ích của Fieldbus bị mất.
• Điều này có nghĩa là khi một hệ thống Fieldbus cụ thể đã được áp dụng trên nhà máy, người dùng thường không xem xét giao thức thay thế. Khi công nghệ điều khiển tiến bộ, PC cũng vậy. Máy tính có thể giao tiếp với nhau qua mạng (LAN - Mạng cục bộ): Tài chính, Kho, Sản xuất, Tiếp thị và Bán hàng trong tổ chức có thể dễ dàng chia sẻ dữ liệu, và có các cấp độ quyền khác nhau để thực hiện các tác vụ khác nhau. Không thể tránh khỏi, máy tính điều khiển quy trình đã được kết nối với mạng, cho phép nhân viên có thẩm quyền xem và sửa đổi vận hành nhà máy từ PC trong văn phòng.

Khi sản xuất đã trở nên toàn cầu, Mạng Diện Rộng (WAN) đã phát triển. Do đó, một kỹ sư ở London có thể, ví dụ, truy vấn máy tính nhà máy tại nhà máy công ty ở New York.

Tác động của công nghệ điều khiển và truyền thông này là rất lớn. Kiến thức, chuyên môn và thiết bị bây giờ tồn tại mà:

• Máy tính kho của khách hàng, phản ứng với lệnh ‘tồn kho tối thiểu’ hoặc kế hoạch sản xuất, có thể đặt hàng qua Internet.

• Đơn hàng được nhận bởi máy tính nhà cung cấp mà:

• Truy vấn tồn kho sản phẩm và gửi đi, hoặc

• Sửa đổi lịch trình sản xuất để bao gồm đơn hàng, có thể thậm chí sửa đổi hướng dẫn quy trình để sản xuất sản phẩm cụ thể.

• Máy tính sắp xếp gửi sản phẩm và lập hóa đơn cho khách hàng.

• Không cần sự can thiệp của con người. Lợi ích của công nghệ Fieldbus Lắp đặt:

• Giảm phần cứng hệ thống - Ít bộ điều khiển và ít đi dây hơn cần thiết để kiểm soát quy trình.

• Giảm chi phí lắp đặt - Không chỉ có ít thiết bị hơn để lắp đặt, việc lắp đặt đơn giản và nhanh hơn, do đó có nghĩa là giảm rất đáng kể chi phí vật liệu và nhân công để lắp đặt dây, máng cáp, ống dẫn, tủ điều phối, hộp nối và đầu cuối.

• Ít không gian hơn cần thiết - Bởi vì có ít thiết bị và ít đi dây hơn trong phòng điều khiển, nhiều không gian hơn có sẵn cho các mục đích sử dụng khác. Điều này cũng đúng là sẽ có nhiều không gian hơn cho thiết bị sản xuất trong nhà máy.

• Bản vẽ kỹ thuật - Máy tính tự động tạo bản vẽ logic quy trình, do đó chúng luôn chính xác và cập nhật. Vận hành:

• An toàn - Hành động trạng thái lỗi được nhúng trong phần mềm với các hành động cụ thể được xác định. Trong trường hợp hỏng máy tính chính, điều khiển chuyển sang các cầu nối ‘cục bộ’ có nguồn điện độc lập và được lập trình để mặc định sang ‘chế độ an toàn’ liên quan đến quy trình.

• Tăng thông tin quy trình - Lượng thông tin có sẵn cho người vận hành và quản lý tăng nhiều lần so với Hệ Thống Điều Khiển Phân Tán (DCS), xem Hình 5.6.9. Các thiết bị riêng lẻ (như cảm biến và van) dễ dàng truy vấn, xem và phân tích. Toàn bộ quy trình, hoặc các phần riêng lẻ của quy trình, có thể được xem và phân tích để xác định hạn chế, khả năng cải thiện, v.v.

• Bảo trì chủ động - Máy tính chính có thể thực hiện các quy trình chẩn đoán chi tiết, kiểm tra hỏng cảm biến, hỏng đầu ra, hỏng bộ nhớ, lỗi cấu hình, lỗi giao tiếp, vị trí van và thời gian di chuyển van đã sử dụng, hành động dính-trượt, v.v. Do đó, bảo trì và hiệu chuẩn dựa trên tình trạng thực tế của thiết bị thay vì theo khoảng thời gian, nên bảo trì được giảm xuống chỉ những gì cần thiết. Nhiều thiết bị có thể thực hiện quy trình bảo trì và hiệu chuẩn cùng lúc. Điều này có nghĩa là ít thời gian dừng hơn hoặc ngắn hơn, cho phép tăng tính sẵn sàng nhà máy. Thời gian, vật liệu và nhân công lãng phí cho bảo trì không cần thiết được tránh, điều này có nghĩa là chi phí bảo trì được giảm thiểu.
• Độ tin cậy hệ thống - Bảo trì chủ động có nghĩa là thiết bị được bảo trì tốt.
• Kiểm soát chất lượng - Điều khiển tập trung và khả năng xem quy trình từng phần hoặc toàn bộ, cải thiện kiểm soát chất lượng.
• Tồn kho - Phản hồi và tính linh hoạt cải thiện từ nhà máy có nghĩa là tồn kho sản phẩm thường có thể giảm.
• Phụ tùng - Do tính tương thích và hoán đổi của linh kiện, người dùng không bị ràng buộc với một nhà cung cấp linh kiện, nên giá cả cạnh tranh. Nó cũng có nghĩa là tồn kho phụ tùng có thể giảm thiểu, một lần nữa tiết kiệm chi phí.
• Truyền thông - Hệ thống điều khiển hoặc bất kỳ thành phần nào của nó có thể được truy cập từ几乎 bất kỳ đâu, either qua mạng máy tính, hoặc Internet. Phát triển hệ thống Fieldbus Tính linh hoạt:
• Hệ thống có thể dễ dàng cập nhật để vận hành với yêu cầu quy trình sửa đổi.
• Hệ thống có thể dễ dàng mở rộng để đáp ứng mở rộng nhà máy hoặc quy trình mới.
• Tương thích với các hệ thống khác có nghĩa là thiết bị có thể được mua với giá cạnh tranh.