Nội dung bài viết này trình bày mô hình điều khiển số một số quá trình công nghệ chung và nguyên tắc điều khiển số gián đoạn cho một máy ép nhựa tổng hợp sản xuất đồ nhựa với các thuật toán điều khiển số riêng cho từng khâu.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Mơ hình điều khiển số trình sản xuất Đinh Văn Thắng 1, * Khoa Cơ -Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, E-mails (dinhvanthang@humg.edu.vn); THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 17/06/2021 Chấp nhận 17/7/2021 Đăng online 19/12/2021 Ứng dụng kỹ thuật tính tự động điều khiển đặc điểm quan trọng bậc công nghiệp đại ngày Các lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải, hệ thống thông tin truyền thông quản lý bảo vệ mơi trường tồn cầu phụ thuộc liên quam mật thiết với hệ thống máy tính điều khiển Điều khiển số q trình cơng nghệ khác nhiều so với xử lý số liệu thông thường Giống máy tính ngày nay, liệu vào dạng số hay ký tự, chúng lưu trữ trao đổi thông tin thông qua nhiều vật mang thông tin khác Nguyên tắc điều khiển số trực tiếp ứng dụng nhiều hệ thống điều khiển máy tính đại ngày Nhược điểm hệ thống điều khiển số trực tiếp phụ thuộc vào độ tin cậy hệ thống máy tính trung tâm, khắc phục nhược điểm băng cách lắp đặt hai hệ thống máy tính điện tử trung tâm làm việc dự phịng song song, điều làm tăng giá thành đầu tư hệ thống điều khiển lên cấp Nội dung viết trình bày mơ hình điều khiển số số q trình cơng nghệ chung nguyên tắc điều khiển số gián đoạn cho máy ép nhựa tổng hợp sản xuất đồ nhựa với thuật toán điều khiển số riêng cho khâu Từ khóa: Điều khiển q trình, điều khiển số, q trình cơng nghệ, mơ hình hệ thống, điều khiển theo chương trình © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu năm 1959 ngành cơng nghiệp hố dầu thuộc tập đoàn “TEXACO” bang Tecdat Hoa Kỳ Tập đoàn TEXACO kết hợp với hãng máy tính điện tử Thomson Ramo Wooldridge chế tạo thử nghiệm máy tính điều khiển mang tên RW300 Máy tính RW300 chế tạo sở sử dụng bóng đèn điện tử chân khơng thực chức kiểm soát nhiệt độ, áp suất, nồng độ lượng tiêu hao cấp liệu vào tính tốn tác động điều khiển cần thiết cho q trình cơng nghệ lọc dầu nhằm dẫn cho người điều độ điều khiển tay thao tác cần thiết Một bước tiến quan trọng ghi nhận vào năm 1962 tập đồn cơng nghiệp hoá chất Anh ICI (Imperial Chemical Industries) đặt hàng hệ thống tích hợp điều khiển số trực tiếp Nền tảng ý tưởng ban đầu hệ thống điều khiển thay điều khiển theo nguyên tắc tương Ứng dụng kỹ thuật tính tự động điều khiển đặc điểm quan trọng bậc công nghiệp đại ngày Các lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải, hệ thống thông tin truyền thông quản lý bảo vệ mơi trường tồn cầu phụ thuộc liên quam mật thiết với hệ thống máy tính điều khiển Thực tiễn quốc gia có khoa học kỹ thuật phát triển rằng; hầu hết hệ thống hạ tầng kỹ thuật từ giao thông vận tải đường sắt đến vận hành điều khiển lò phản ứng điện hạt nhân thiếu hệ thống điều khiển dù thơ sơ hay đại Hệ thống máy tính điện tử số (trong có máy tính điện cá nhân PC) giữ vai trò mấu chốt quan trọng Ứng dụng máy tính điện tử điều khiển q trình cơng nghệ thử nghiệm vào 237 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) tự trước thành điều khiển số điều khiển qua máy tính trung tâm Những Panel điều khiển có kích thước khổng lồ giá thành cao với hàng trăm nút điều chỉnh tương tự, cấu tự ghi thay vài thiết bị đầu cuối nhỏ gọn thuận tiện giống ngày (Густав Олссон, Джангуисто, 2001) Mô hỉnh hệ thống điều khiển số cơng nghiệp Ví dụ minh họa hệ thống điều khiển số kể hệ điều khiển cơng nghiệp hố chất điều khiển hệ thống nhà ga đường sắt cỡ lớn hay điều khiển quỹ đạo bay tầu vũ trụ Có thể hình dung tất hệ thống điều khiển có khối chức điều khiển giống như: khối thu thập liệu; định thời hay khối điều khiển ngắt; vòng liên lạc phản hồi; giao tiếp trao đổi thơng tin với máy tính điều khiển khác tương tác điều khiển người - máy tính (HMI) Nhìn chung hệ thống điều khiển số q trình cơng nghệ bao gồm từ thành phần sau (hình 1) Những ứng dụng điển hình điều khiển số thường có mặt phổ biến nhiều nơi sản xuất công nghiệp đại, khởi đầu từ dây chuyền sản xuất sản phẩm tiêu dùng đến sản phẩm công nghệ cao Trong xe ô tô nay, người ta sử dụng vi xử lý để điều khiển thời điểm đánh lửa, trộn nhiên liệu hệ thống điều hịa khơng khí buồng hành khách Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số q trình cơng nghệ là: động servo; van thuỷ lực; van khí nén; v.v … Hệ thống điều khiển số làm việc với thơng tin dạng số hố, tín hiệu nhận từ cảm biến đo lường cần phải xử lý số hoá nhờ biến đổi tương tự số Những thông tin đối tượng điều khiển từ khoảng cách xa truyền qua kênh truyền tin đến máy tính điều khiển trung tâm để thực nhiệm vụ: - thu thập tất thông tinh vật lý từ trình; - lệnh điều khiển tương ứng với thuật tốn chương trình xử lý tín hiệu; Máy tính điều khiển; Kênh truyền dẫn thơng tin; Các biến đổi số - tương tự tương tự - số (AD & DA); Các cảm biến đo lường cấu thừa hành; Các q trình cơng nghệ cụ thể Các q trình vật lý kiểm soát nhờ cảm biến thực chức biến đổi thông số đại lượng vật lý thành tín hiệu điện (dịng điện hay điện áp) Cuối đại lượng điện biến đổi thành tác động vật lý chuyển động, dịch chuyển, quay phục vụ cho mục đích khác (đóng mở van, …) Ví dụ cấu thừa hành 238 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) - phát lệnh điều khiển đến phận thực thi nhiệm vụ (cơ cấu thừa hành); - phát lệnh điều khiển đến phận thực thi nhiệm vụ (cơ cấu thừa hành); - trao đổi thông tin với người điều khiển thực thi lệnh người điều khiển Những máy móc điều khiển theo chương trình với nguyên tắc số (Numerical control – NC) sản xuất sản phẩm có độ xác cao thường vận hành theo quy trình cơng nghệ chuẩn mực, theo trình tự thứ tự thao tác xác định Những cỗ máy ứng dụng lĩnh vực sản xuất công nghiệp, làm việc chúng hồn tồn phụ thuộc vào chương trình phần mềm điều khiển cho trước thay cách nhanh chóng dễ dàng Tính mềm déo ro bốt cơng nghiệp tính đa dạng thao tác mà chúng thực máy tính điều khiển đảm nhiệm Nếu ro bôt bị cố, rơ bơt khác thực chức thay nhằm trì hoạt động bình thường toàn hệ thống (Воронов А.А, 1996) Trong hệ thống mềm déo vậy, hoạt động cỗ máy riêng lẻ mối tương tác chúng với điều khiển thơng qua máy tính điều khiển trung tâm Kỹ thuật tính tốn điều khiển ứng dụng nhiều ngành công nghiệp khác như: cơng nghiệp hố chất ; luyện kim; sản xuất giấy xenlulơ; v.v … Những q trình cơng nghệ khác thường có mối liên hệ, chúng dòng vật chất thường xuyên chuyển động qua lại Những quy trình sản xuất mang đặc điểm sản xuất liên tục (hàng loạt) độ tin cậy yếu tố quan trọng hàng đầu Ngoài với hệ thống này, số liệu đo đạc lớn, khoảng độ thời gian mmọt q trình xí nghiệp từ vài giây đến vài ngày, phạm vi khu vực sản xuất rộng Hệ thống điện thuộc loại có độ phức tạp lớn, bao gồm nguồn sản xuất điện như: thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, … hệ thống truyền tẩi phân phối điện quốc gia vô phức tạp Để mô tả hệ thống lượng điện ví dụ cho quốc gia nhỏ bé, cần thiết lập hàng nghìn phương trình cho máy phát điện, tuốc bin, đường dây tải điện phụ tải hệ thống Điện tích trữ với số lượng lớn khâu trơng hệ thống mà việc sản xuất điện đồng thời với tiêu thụ thời điểm Việc điều khiển trình sản xuất điện công týac truyền tải phân phối đến hộ tiêu thụ ccần phải đáp ứng nhanh xác Để đạt điều này, ngồi hàng loạt khác, phận điều độ cần theo dõi phụ tải hộ tiêu thụ điện chí khoảng thời gian chương trình phát sóng truyền hình hay từ lúc bắt đầu đến kết thúc Hệ thống điều khiển số trình ép nhựa tổng hợp sản xuất vật dụng Quá trình ép nhựa nhà máy sản xuất vật dụng nhựa tổng hợp dây chuyền công nghệ hồn chỉnh có tính lặp lại Điều khiển q trình ép nhựa - khả ứng dụng điển hình hệ điều khiển số sử dụng máy tính điện tử Máy tính cần phải đồng thời vừa điều chỉnh nhiệt độ phù hợp vừa xác định trình tự thao tác công nghệ Khi áp dụng phương pháp lập trình thơng thường tốn xây dựng cấu trúc chương trình điều khiển trở nên bất khả thi cần phải tiếp nhận cách tiếp cận Sơ đồ cơng nghệ ép nhựa trình bày hình Buồng cấp nhiệt dùng để nấu chảy nhựa nguyên liệu Nhiệt độ nhựa ép cần khống chế giá trị xác định Máy tính điều khiển đo đạc nhiệt độ buồng cấp nhiệt theo chu kỳ tính tốn lượng nhiệt cần thiết để trì ổn định nhiệt độ Phần sơ đồ ép nhựa xi lanh ép, có tác dụng đẩy lượng nhựa nóng chảy cần thiết qua đầu đùn ép Khi pit tông nằm cuối bên phải xi lanh, nhựa nóng chảy chứa đầy khoang xi lanh ép Khi pit tông ép chuyển động từ phải qua trái, áp lực tạo đẩy nhựa vào khn qua đầu đùn Vị trí pit tơng ép kiểm sốt thơng qua cảm biến chuyển động pit tơng Chuyển động tịnh tiến pít tơng ép dừng máy tính nhận số xung cần thiết cho trước vị trí Để đảm bảo suất ép máy, nhiệt độ nhựa cần khống chế ổn định suốt trình thực ép tạo sản phẩm Hệ thống điều khiển số máy tính cần kiểm sốt nhiệt độ chuyển động pít tơng đồng thời Ngồi ra, cịn hai cảm 239 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) biến vị trí cuối phải cuối trái xi lanh ép tạo tín hiệu dạng nhị nguyên đến máy tính điều khiển pít tơng đạt điểm đầu cuối hành trình Hình Sơ đồ công nghệ ép nhựa Các định thời máy tính điều khiển làm nhiệm vụ tạo tính hiệu ngắt chương trình điều khiển thời sang chương trình khác có xuất tín hiệu báo hiệu hay khoảng thời gian quy định Lưu đồ thuật tốn điều khiển máy ép nhựa sau: Thuật toán điều khiển gia nhiệt cho nhựa theo nguyên tắc gián đoạn Điều khiển gián đoạn thiết lập khoảng luân phiên nhiệm vụ điều khiển Với toán cụ thể đặt ví dụ trên, hai trương trình điều khiển độc lập thực máy tính là: chương trình điều khiển nhiệt độ điều khiển di chuyển pít tông nén Phương pháp báo hiệu, gọi điều khiển gián đoạn sử dụng để chuyển chức thực xử lý trung tâm từ chương trình điều khiển sang chương trình điều khiển khác Thực chất vấn đề điều khiển gián đoạn tín hiệu bên ngồi thơng báo cho xử lý trung tâm biết xuất chuỗi kiện, kiện cảm biến gửi đến nhằm yêu cầu xử lý trung tâm ngừng xử lý chương trình thời để chuyển sang chương trình điều khiển khác (Olsson, Gustaf, 1985) Như vậy, tín hiệu bên ngồi tham gia vào q trình thực modul chương trình khác Như điều khiển gián đoạn ln có yếu tố thời gian 240 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) trình điều khiển xác định Khi bắt đầu cấp dòng điện cho dây đốt, chương trình điều khiển nhiệt độ khởi động định thời chờ tín hiệu điều khiển ngắt để tiếp tục thực chương trình (chế độ chờ) Thuật tốn điều khiển số trình ép nhựa theo nguyên tắc gián đoạn Cũng tương tự trên, chương trình điều khiển di chuyển pit tơng ép nhựa với hai tín hiệu báo ngắt gián đoạn là: tín hiệu từ cảm biến vị trí cuối trái tín hiệu cảm biến vị trí cuối phải pít tơng ép Q trình ngắt gián đoạn thực tương ứng với lệnh điều khiển dạng wait_interrupt(x), x ký hiệu kênh tín hiệu vào ngắt Thuật tốn wait_interrupt thực thi lệnh dừng tức chương trình thực tiếp tục thực tiếp có tín hiệu báo hiệu từ bên ngồi u cầu Hệ thống điều khiển gián đoạn cho phép xử lý trung tâm chuyển thực từ chương trình đến chương trình khác theo tín hiệu nhận từ bên ngồi u cầu Nếu modul chương trình điều khiển độc lập với việc bổ sung vài modul chương trình khơng ảnh hưởng đến làm việc chung hệ thống điều khiển gián đoạn khơng thay đổi cấu trúc có sẵn hệ thống điều khiển Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển máy ép nhựa Với phương pháp điều khiển gián đoạn, toán điều khiển nhiệt độ thực chương trình điều khiển nhiệt độ Sự gián đoạn chương trình điều khiển theo thời gian thực nhờ biến nhiệt - thời gian chương 241 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển số q trình ép nhựa theo ngun tắc gián đoạn 242 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Kết luận cho máy ép nhựa tổng hợp sản xuất đồ vật dụng nhựa Hệ thống điều khiển số sử dụng ngồi vai trị chức điều khiển thiết lập trình tự thao tác cơng nghệ nói chung, thực số chức nhiệm vụ khác như: nhận biết tín hiệu khẩn cấp xử lý tình hiệu Ngồi cịn thu thập thơng tin thời hệ thống, tính tốn thống kê liệu, hiển thị thông tin trạng thái hệ thống cho người điều độ biết thực lệnh điều khiển từ người điều độ Với nội dung viết này, tác giả mong muốn giới thiệu đến đọc giả mơ hình hệ thống điều khiển số q trình sản xuất cơng nghệ nói chung đưa mơ hình điều khiển số Tài liệu tham khảo Густав Олссон, Джангуисто Цифровые системы автоматизации и управления Издательство Невский диалект, СанктПетербург 2001 Воронов А.А Основы теории автоматического управления М.: Энергия 1966 Olsson, Gustaf Control Strategies for the activated sludge process New york: Pergamon Press, 1985 243 ... Джангуисто, 2001) Mô hỉnh hệ thống điều khiển số công nghiệp Ví dụ minh họa hệ thống điều khiển số kể hệ điều khiển cơng nghiệp hố chất điều khiển hệ thống nhà ga đường sắt cỡ lớn hay điều khiển quỹ... tính điều khiển khác tương tác điều khiển người - máy tính (HMI) Nhìn chung hệ thống điều khiển số q trình cơng nghệ bao gồm từ thành phần sau (hình 1) Những ứng dụng điển hình điều khiển số thường... điều độ biết thực lệnh điều khiển từ người điều độ Với nội dung viết này, tác giả mong muốn giới thiệu đến đọc giả mơ hình hệ thống điều khiển số q trình sản xuất cơng nghệ nói chung đưa mơ hình