CÁC QUÁ TRÌNH VÀ H TH NG ðI U KHI N
T ủ ng hoỏ và t m quan tr ng c a nú
Tự động hóa là một lĩnh vực rộng lớn liên quan đến việc áp dụng công nghệ trong mọi lĩnh vực hoạt động của con người, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất Ngày nay, nó đang chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các thành tựu của công nghệ 4.0, bao gồm công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, giúp phát triển nhanh chóng và hiệu quả hơn trong ngành tự động hóa.
Tự động hóa là bước phát triển tiếp theo sau cơ khí hóa và ủi n hóa Tự động hóa là quá trình sử dụng thiết bị tự động thay thế chức năng kiểm tra và điều khiển của con người trong một quy trình sản xuất Hệ thống tự động hóa hoạt động hiệu quả với việc sử dụng các thiết bị đo lường kiểm tra các thông số công nghệ và chất lượng của sản phẩm Các hệ thống này thông báo khá chính xác các thông tin về trạng thái của thiết bị, các thông số quy trình công nghệ, Những thông tin này trước đây chỉ có những người dày dạn kinh nghiệm mới có thể đón được, nhưng giờ đây đã được tự động hóa một cách chính xác tương ứng Các thông tin của hệ thống tự động hóa cung cấp rất cần thiết cho quá trình hoàn thiện quy trình công nghệ.
Bước phát triển tiếp theo của quá trình tự động hóa là sử dụng hệ thống điều khiển tự động các thông số công nghệ Đây là bước phát triển quan trọng của hệ thống tự động hóa cùng với sự ra đời của các thiết bị điều khiển tự động Các hệ thống này giúp giải phóng con người thoát khỏi tình trạng căng thẳng khi phải bám sát điều kiện, theo dõi sát sao trạng thái của thiết bị và liên tục ra những quyết định cần thiết tác động trực tiếp lên thiết bị Các hệ thống điều khiển tự động góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động Các hệ thống này được phát triển qua nhiều giai đoạn từ thiết bị cơ bản bằng thủ công đến giai đoạn cuối cùng là sử dụng các hệ thống điều khiển tự động nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển.
Hệ thống điều khiển tự động là bước phát triển tiếp theo của hệ thống tự động hóa Đây là sự kết hợp nhiều hệ thống điều khiển chính tự động dưới sự kiểm soát của một thiết bị tính toán và điều khiển nhằm tối ưu hóa một chức năng nào đó của quy trình công nghệ Máy tính điều khiển tự động được sử dụng trong hệ thống tự động hóa.
Tổng hợp quá trình công nghệ là bước phát triển tiếp theo, bao gồm các hệ thống điều chỉnh tổng hợp các thông số công nghệ và các hệ thống điều khiển cơ bản Hệ thống này đảm bảo quá trình công nghệ xảy ra một cách tự nhiên Trong hệ thống điều khiển này, con người đóng vai trò quan trọng, vì giữa con người và quá trình công nghệ luôn có sự trao đổi thông tin với nhau.
Trong hệ thống sản xuất, bên cạnh quy trình công nghệ, còn có các quy trình quản lý sản xuất khác như thiết kế sản phẩm, lập kế hoạch sản xuất, kế hoạch vật tư, lao động, kế toán tài chính, và kinh doanh tiếp thị Ngày nay, nhiều doanh nghiệp đã áp dụng công nghệ thông tin vào hệ thống quản lý sản xuất, giúp tự động hóa quy trình sản xuất Hệ thống này được gọi là hệ thống tự động hóa quản lý sản xuất (TĐH ĐHSX) Một cách đơn giản, người ta có thể coi hệ thống điều khiển tự động hóa quy trình sản xuất (TĐH QTSX) là hệ thống điều khiển tự động hóa quy trình công nghệ (TĐH QTCN) kết hợp với hệ thống tự động hóa quản lý sản xuất Trong thực tế, ranh giới giữa hai hệ thống này không hoàn toàn tách biệt mà có sự kết hợp hữu cơ với nhau thành một thể thống nhất.
Nhu cầu giảm thiểu ô nhiễm môi trường đang trở thành một xu hướng quan trọng trong sản xuất hiện đại Sự phát triển bền vững không chỉ phụ thuộc vào việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên mà còn liên quan đến việc giảm thiểu chất thải từ quá trình sản xuất Điều này giúp tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường và nâng cao giá trị cho thương hiệu.
1.1.1 Cỏc ng d ng c a t ủ ng hoỏ
T ủ ng hoỏ ủư c ỏp d ng vào t t c cỏc lĩnh v c ho#t ủ ng c a con ngư&i
Phỏt ủi n: Khớ (hydro), than, khớ ủ t, d u, khoỏng ch t, h#t nhõn, giú, năng lư ng m0t tr&i
Quá trình: Gi y, th c ăn, thu c (dư c), ch t#o và gia công kim lo#i, gương kính, xi măng, hoỏ ch t, nhà mỏy tinh ch (d u, ủư&ng ), d u và khớ
Ch t o: CIM (Computer Intgrated Manufacturing- h th ng s n xu t tích h p có s tr giỳp c a mỏy tớnh), ch t#o ph c t#p, d ng c , mỏy múc t ủ ng, ôtô, máy bay
Lưu gi / c t gi : Các xilô, thang máy/máy nâng, b n c ng, các nhà bán l5Kbit/s
• Công su t x+ lý thông tin c a con ngư&i: kho ng 2bit/s, không k% còn có các máy tính, 200 k- sư
Vi c gi m d li u và quá trình x+ lý d li u là c n thi t v,n hành m t nhà máy đánh giá:
- S h p lý c a t ủ ng húa như th nào?
- Nh ng mong ủ i gỡ ủư c ủ0t vào t ủ ng húa?
- S lư ng c a d li u cú th% ủư c trụng ủ i trong 1 nhà mỏy, xớ nghi p ủi%n hỡnh?
1.2 Cỏc vớ d v cỏc quỏ trỡnh t ủ ng hoỏ
- Các phương ti n giao thông:
Theo cách truyền thống, việc kiểm soát các thiết bị bức xạ như các máy móc, radio và quy định về khí thải đang trở nên quan trọng Mẫu US 2001 cho thấy 19% của giá thành là đến từ các thiết bị bức xạ, với khuynh hướng tăng 10% mỗi năm.
+ Phương ti n ủư&ng s(t: Cú hơn 20 mỏy tớnh ủư c n i v i nhau trong m t ủ u mỏy đ% đi"u khi%n các b ph,n: l c kéo, chu/n đốn, tín hi u, hi%n th$, năng lư ng
Các l i ích: gi m các chi phí v,n hành, chu/n đốn, d báo t t hơn, qu n lý năng lư ng t t hơn, ủi"u khi%n tàu t ủ ng
Máy bay là một phương tiện giao thông quan trọng, với các yếu tố như cú ủi ủi và yêu cầu cao về độ tin cậy Nó bao gồm các hệ thống tự động như autopilot và các kỹ sư hỗ trợ trong quá trình chuyến bay Quản lý chuyến bay và ghi chép thông tin chuyến bay được thực hiện thông qua các thiết bị như hộp đen và giám sát động cơ Ngoài ra, việc chuẩn bị, dự báo và đảm bảo an toàn trong quá trình bay cũng là những yếu tố thiết yếu.
Phõn lo#i thi t b$ và quy trỡnh ủi"u khi%n
M0c dự cú nh ng ng ng d ng ủa d#ng và r ng rói, nhưng nh ng nguyờn lý c a t ủ ng húa là tương t nhau v i m t vài ki%u thi t b$ cơ b n cú ph n c ng c a h th ng ủi"u khi%n là gi ng nhau và ph n m"m cơ s ủư c dựng chung cho h u h t cỏc ng d ng.
Ta cú th% túm t(t nhi m v ủi"u khi%n chung c a m t thi t b$ ủi"u khi%n c th% hay c m t h th ng ủi"u khi%n là: ủ o l ư ng- ủ t l nh- ủ i u khi n
Dư i quan ủi%m sơ ủ* c u trỳc, ta cú th% phõn thành 2 lo#i: ủi"u khi%n vũng h và ủi"u khi%n vòng kín Ví d :
1.3.2 Quá trình liên t c, quá trình r)i r c và quá trình h*n h p
Phõn c p h th ng t ủ ng hoỏ
M0c dự cú s ng d ng r t r ng rói, nhưng gi a cỏc h th ng ủi"u khi%n ch4 cú m t ph n khác bi t r t nh6 trong trong c u trúc
Tại sao mà hiện nay người tiêu dùng có xu hướng chọn máy ủi nén không áp dụng cho máy ủi bia vỡ phục vụ vào những nhu cầu khác nhau rất nhiều? Điều này phụ thuộc vào các quy định như bảo quản thực phẩm và cả vào truyền thông hay quan hệ với khách hàng.
Cỏc h th ng ủi"u khi%n cú th% ủư c c u trỳc theo thỏp hỡnh nún và phõn ra làm 4 c p như Hỡnh 1- C u trỳc như v,y ủư c g i là c u trỳc phõn c p
Sensors measurement actuators, motors, relay, valves
Quỏ trỡnh cụng ngh ( QTCN- Process) là ủ i tư ng ủi"u khi%n, cú th% là m t mỏy s n xu t hay m t t,p h p mỏy s n xu t nh8m hoàn thành m t nhi m v s n xu t ủ$nh trư c
Cấp điều khiển cá nhân (C p 0) là cấp tiệm cận của hệ thống điều khiển và QTCN, bao gồm các cảm biến và thiết bị thu nhận thông tin từ QTCN Cấp này cũng có các cơ cấu chấp hành như rơ le, động cơ, van, và các thiết bị khác để thực hiện các lệnh điều khiển.
- Trư&ng: thu th,p d li u (c m biờn và thi t b$ ch p hành), chuy%n ủ:i d li u khụng x+ lý ngo#i tr vi c hi u ch4nh phộp ủo và g(n li"n v i b o v
Cấp 1 là cấp điều khiển cục bộ (Local Control), nơi thực hiện việc điều khiển trực tiếp máy móc và các phần cứng của QTCN Các hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ) nhận thông tin từ QTCN cấp 0 và thực hiện các thao tác như vận hành và giám sát tự động theo chương trình của con người được cài đặt sẵn Một số thông tin về QTCN và kết quả của việc điều khiển sẽ được chuyển lên cấp 2 Cấp này thường sử dụng các bộ điều khiển PID và các controllers, hiện nay phổ biến là các bộ điều khiển lập trình PLC (Programable Logic Controller) PLC được xây dựng trên cơ sở thiết bị vi xử lý (microprocessor) có các cổng I/O analog và digital, giúp thuận tiện trong việc trao đổi thông tin giữa QTCN và máy tính Nhờ khả năng lập trình, PLC có tính linh hoạt cao trong các ứng dụng điều khiển.
Hình 1 m"m dng)
+ ủo ủ#c: l y m?u, l y t4 l , x+ lý, ch4nh ủ$nh
+ ủi"u khi%n: lu,t, ủi%m ủ0t và thụng s
+ l nh: trình t , b o v và liên khóa
Cấp 2 trong quy trình kiểm soát công nghệ (Process Control) bao gồm các máy tính hoặc mạng máy tính, có nhiệm vụ thu nhận và xử lý thông tin từ cấp 1 Những thông tin này được truyền tải đến người điều khiển (Operator) để thực hiện các quyết định cần thiết Qua đó, người điều khiển có khả năng can thiệp vào quy trình kiểm soát, nhằm điều chỉnh hoạt động của các thiết bị Cấp 2 thường sử dụng các hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS) và hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA).
- Giỏm sỏt: Giỏm sỏt s n xu t,t i ưu húa và thi hành ho#t ủ ng hi%n th$ húa cỏc thi t b$, lưu gi d li u quỏ trỡnh, bi%u ủ* ho#t ủ ng,
Cấp 3 trong hệ thống điều khiển và quản lý sản xuất (QTSX) là giai đoạn quan trọng, nơi các trung tâm máy tính (TTMT) xử lý thông tin về quá trình sản xuất, bao gồm tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính, và lực lượng lao động Trung tâm máy tính phân tích khối lượng thông tin lớn và đưa ra giải pháp tối ưu cho người điều khiển, giúp cải thiện quy trình sản xuất và đạt được các mục tiêu đề ra Hệ thống QTSX, tương tự như cấp 2 trong hệ thống điều khiển và quản lý công nghiệp (QTCN), là một mạng lưới phức tạp hơn, với phạm vi điều khiển rộng hơn, thường bao gồm các phần mềm quản lý toàn nhà máy như Hoạch định nguồn lực sản xuất (MRP II) hoặc Hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP).
- Qu n lý: tài chính, nhân l c, h* sơ t li u, k ho#ch dài h#n
- Kinh doanh: ủ0t m c tiờu s n xu t, k ho#ch kinh doanh và tài nguyờn, ph i h p v i cỏc ủơn v$ khỏc, qu n lý ủơn ủ0t hàng
- S n xu t: qu n lý th c hi n, tài nguyên, b trí công vi c, giám sát ch t lư ng, l,p chương trình s n xu t, b o dư>ng, b o hành
Nh ng ủ$nh nghĩa sau ủõy giỳp chỳng ta phõn bi t gi a cỏc h ðKTð và cỏc h ðK TðH (QTCN ho0c QTSX)
Hệ thống điều khiển tự động (H ðKTð) thực hiện các thao tác một cách tự động theo logic chương trình đã lập trình trước, không cần sự can thiệp của con người Con người chỉ đóng vai trò khi cần giám sát Trong thực tế, hệ thống sử dụng các bộ điều chỉnh, như PID, PLC, và các mạch relay-contact để điều khiển một trong số các cấu trúc phức tạp của hệ thống Con người có thể thay đổi hành vi của H ðKTð bằng cách can thiệp vào quy trình hoặc nạp lại chương trình.
Hệ thống điều khiển quá trình (H ðK TðH) là một thành phần quan trọng trong việc tự động hóa và quản lý thông tin trong quy trình công nghệ và sản xuất Con người đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống này, thường xuyên trao đổi thông tin với máy tính để đảm bảo hoạt động hiệu quả Họ tham gia vào việc hoạch định mục tiêu hoạt động và đưa ra các quyết định quan trọng nhằm duy trì các mục tiêu đã đề ra Trong thực tế, các hệ thống H ðK TðH trong công nghiệp và sản xuất thường hoạt động dưới sự điều khiển của các cấp độ khác nhau, như điều khiển cấp 2 và 3, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Quá trình thu thập, lưu trữ và truyền đạt thông tin trong điều kiện khí hậu là một chuỗi hoạt động quan trọng Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động (QTSX) đóng vai trò then chốt trong việc xử lý thông tin này Con người tham gia vào các khâu quan trọng của hệ thống, đảm bảo thông tin được xử lý hiệu quả Máy tính hỗ trợ trong việc xử lý các thông tin liên quan đến quá trình công nghệ, giúp cải thiện khả năng ra quyết định của con người Sau khi phân tích thông tin, con người sẽ đưa ra các quy tắc và quyết định, từ đó tạo ra thông tin có tính chất chính xác và hữu ích cho việc quản lý điều kiện khí hậu trong QTCN.
Thường xuyên, người dùng chịu trách nhiệm khi truy cập vào dữ liệu của các cấp thẩm quyền Nhân viên vận hành kiểm soát hệ thống qua CSDL luôn được cập nhật.
Cơ s d li u này ủư c dựng cho lưu gi và mụ ph6ng
Hình 1 Cơ s d li u quá trình
Ngoài cách phân lo#i trên còn nhi"u cách phân lo#i theo các tiêu chu/n khác:
• S lư ng và ch t lư ng d li u v i c p ủ phõn c p:
+ D li u thụ gi m khi c p ủ ủi"u khi%n tăng, khi ủú ki%u d li u c p cao hơn ủư c t#o ra (vd: d#ng thông tin tóm t(t)
+ Quỏ trỡnh x+ lý d li u và ủưa ra quy t ủ$nh tr lờn ph c t#p hơn (ủũi h6i s+ d ng m?u)
+ Cỏc yờu c u v" th&i gian tớnh toỏn ủư c gi m b t
+ Cỏc d li u ph c t#p ủư c trỡnh bày cho ngư&i ủi"u khi%n quan sỏt,
+ tr giỳp ủ% ủưa ra quy t ủ$nh (h th ng chuyờn gia) và tham kh o
+ Cỏc c p th p (g n nh t v i thi t b$) thỡ h u h t cú ủũi h6i kh(t khe v" th&i gian ủỏp ng
+ S lư ng c a d li u thô là r t l n
+ Quỏ trỡnh x+ lý ủơn gi n
+ Cỏc c p này ngày nay thư&ng dựng ủi"u khi%n mỏy tớnh, ngo#i tr trong cỏc tỡnh hu ng kh/n c p, cho b o dư>ng ho0c ki%m tra.
C u trỳc h th ng ủi"u khi%n
1.5 C u trỳc h th ng ủi u khi(n
+ H th ng ủi"u khi%n ph i phự h p v i h th ng thi t b$, khụng ph i ngư c l#i + C u trỳc h th ng ủi"u khi%n ph n ỏnh b n ch t c a nhà mỏy
Mỗi ơn vị tư ng, m i ủơn v$ c a h th ng ph i nờn cú b ủi"u khi%n riờng c a nú, v i cỏc b ủi"u khi%n khỏc c a cỏc ủơn v$ liờn quan, ph n ỏnh m i quan h v,t lý c a chúng T ừ đó, có thể nhận thấy sự tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau giữa các ơn vị trong hệ thống, tạo ra một mối liên hệ phức tạp và đa dạng.
- C u trỳc cơ b n c a m t h th ng ủi"u khi%n và giỏm sỏt
+ H th ng mỏy tớnh ủi"u khi%n: Cỏc h th ng mỏy tớnh ủi"u khi%n chuyờn d ng ho0c ph: thông
+ Giao di n quá trình: Giao di n gi a các MTðK v i h th ng k- thu,t thông qua cỏc thi t b$ ủo lư&ng vàtruy"n ủ ng
+ H th ng ủi"u khi%n giỏm sỏt: Cỏc thi t b$ và ph n m"m giao di n ngư&i mỏy, cỏc tr#m k- thu,t, cỏc tr#m v,n hành, giỏm sỏt và ủi"u khi%n cao c p
+ H th ng truy"n thụng: Ghộp n i ủi%m-ủi%m, bus c m bi n/ch p hành, bus trư&ng, bus h th ng
+ H th ng b o v : Các thi t b$ b o v và cơ ch th c hi n ch c năng an toàn h th ng
- Công vi c n i dây ph c t#p, chi phí cho cáp d?n cao: s lư ng l n các cáp n i, c u trúc ph c t#p, cụng thi t k , l(p ủ0t l n
Kém tin cậy là vấn đề nghiêm trọng trong phương pháp truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển, dẫn đến nhiều sai sót mà không có khả năng phát hiện.
- Kộm linh ho#t: Khú m r ng b i ph i ủi l#i cỏp d?n, khụng th% l a ch n cỏc module vào/ra c a hãng khác
- Khĩ ch/n đốn l'i: M t m0t l'i do truy"n tín hi u khĩ phát hi n ra, m0t khác l'i do thi t b$ r t khĩ cĩ th% đ$nh v$ và đưa ra k t lu,n ch/n đốn
- Phự h p v i cỏc h th ng qui mụ nh6: Ph#m vi ủ$a lý h;p, m t mỏy tớnh ủi"u khi%n, s lư ng vào/ra không l n
1.5.2.2 C u trúc vào/ra phân tán (vào/ra t, xa)
- Ti t ki m chi phớ dõy d?n và cụng l(p ủ0t: T b ủi"u khi%n xu ng t i cỏc vào/ra phõn tỏn ch4 c n m t ủư&ng truy"n duy nh t
- C u trỳc ủơn gi n: Thi t k và b o trỡ h th ng d= dàng hơn
- Truy"n k- thu,t s => h#n ch l'i ủư c h#n ch
- N u có l'i truy"n thông cũng d= dàng phát hi n nh& các bi n pháp b o toàn d li u c a h bus
- Tăng ủ linh ho#t c a h th ng:
- T do hơn trong l a ch n các thi t b$ vào/ra
- T do hơn trong thi t k c u trúc h th ng
- Kh năng m r ng d= dàng hơn
- Vào/ra phõn tỏn khụng nh t thi t ph i ủ0t g n t#i hi n trư&ng
1.5.2.3 H th ng Bus và b x- lý trong các nhà máy công nghi p
+ Ch c năng: N i m#ng cỏc b ủi"u khi%n v i cỏc tr#m v,n hành/tr#m k- thu,t
N i m#ng cỏc b ủi"u khi%n v i nhau(bus ủi"u khi%n)
+ ð0c ủi%m k- thu,t: M#ng t c ủ cao (10-100MBit/s), yờu c u tớnh năng th&i gian th c, ủ0c bi t v i bus ủi"u khi%n, ủ tin c,y cao, thư&ng cú d phũng1-1
+ Cỏc lo#i m#ng cụng nghi p thư&ng ủư c s+ d ng: Ethernet và Industrial Ethernet (s+ d ng Switches/Hub), Profibus-FMS, Control Net, Data Highway, m#ng ủ0c ch ng c a riờng hóng s n xu t
Ghộp n i tr#m ủi"u khi%n v i cỏc tr#m vào/ra phõn tỏn, ghộp n i tr#m ủi"u khi%n tr c ti p v i các thi t b$ trư&ng thông minh
M#ng t c ủ th p ho0c v.a ph i (< 10Mbit/s), yờu c u tớnh năng th&i gian th c cao, ủ tin c,y cao, ủ0c bi t trong mụi trư&ng d= chỏy n:
+ Cỏc lo#i bus thư&ng ủư c s+ d ng:
Profibus-DP, Profibus-PA, Foundation Field busH1, Control net, Device Net, m#ng ủ0c ch ng c a riờng hóng s n xu t, s+ d ng RS-485
1.5.2.4 Thi t b' thư)ng và bus trư)ng vào/ra tr c ti p v i bus trư&ng:
- C u trỳc ủơn gi n, d= thi t k và l(p ủ0t
- Gi m chi phí cáp truy"n, các kh i vào/ra và các ph ki n khác
- Gi m kớch thư c t ủi"u khi%n
- ðưa vào v,n hành và kh năng ch/n đốn các thi t b$ trư&ng qua m#ng m t cách d dàng
- Kh năng tớch h p cỏc ch c năng ủi"u khi%n t ủ ng xu ng cỏc thi t b$ trư&ng => trớ tu phân tán (distributed intelligence)
1.5.3.1 c u trỳc ủi u khi(n song song
- Thư&ng ủư c s+ d ng cho cỏc h th ng cú qui mụ v.a và nh6, ủ0c bi t tiờu bi%u trong cỏc ngành cụng nghi p ch t#o, l(p rỏp (cỏc dõy chuy"n song song ủ c l,p v i nhau)
- Cỏc thi t b$ ủi"u khi%n ủư c ủ0t t#i hi n trư&ng
- Có th% s+ d ng k t h p c u trúc vào/ra t,p trung ho0c vào/ra tr c ti p v i bus trư&ng
- Cỏc mỏy tớnh ủi"u khi%n làm vi c hoàn toàn ủ c l,p v i nhau => ủ tin c,y cao
- Hoàn toàn khụng cú s ph i h p gi a chỳng ủ% cựng chia s< gi i quy t cựng m t nhi m v
- M t s mụi trư&ng cụng nghi p khụng cho phộp l(p ủ0t cỏc thi t b$ ủi"u khi%n t#i hi n trư&ng
- ð tin c,y th p: T,p trung ch c năng ủi"u khi%n và x+ lý thụng tin t#i m t mỏy tớnh duy nh t
- ð linh ho#t th p: M r ng cũng như thay ủ:i m t ph n trong h th ng ủũi h6i ph i d.ng toàn b h th ng
- Hi u năng kộm: Toàn b thụng tin ủ"u ph i ủưa v" trung tõm, ch,m tr= do th&i gian truy"n d?n và x+ lý t,p trung
- Ch4 phù h p v i các ng d ng qui mô nh6
Máy tính trung tâm ch4 giám sát và chuy%n ti p h l nh cho các PLC
- Phõn chia ch c năng ủi"u khi%n xu ng cỏc mỏy tớnh ủi"u khi%n t#i cỏc tr#m c c b ( v$ trí không xa v i quá trình k- thu,t)
Máy tính trung tâm (Mainframe plan
- ði"u khi%n ph i h p gi a cỏc mỏy tớnh ủi"u khi%n cú th% di=n ra tr c ti p ho0c thụng qua các máy tính giám sát trung tâm (MTGS)
- ð linh ho#t cao hơn h7n so v i c u trúc t,p trung
- Hi u năng cũng như ủ tin c,y t:ng th% c a h th ng ủư c nõng cao nh& s phõn tỏn ch c năng xu ng các c p dư i
- M ra các kh năng ng d ng m i, tích h p tr n v;n trong h th ng như l,p trình cao c p, ủi"u khi%n trỡnh t , ủi"u khi%n theo cụng th c và ghộp n i v i c p ủi"u hành s n xu t
Hỡnh 1 .Decentralized Control System (DCS)- h th ng ủi u khi n khụng t p trung
T t c cỏc thi t b$ ủi"u khi%n cú th% giao ti p ngang c p (khụng c n thụng qua b ủi"u khi%n trung tâm)
Note: Honeywell's "DCS™" stands for "Distributed Control System", it is not a decentralized control system, but a control system for the process industry
Hình 1 .ví d m t h th ng qu n lý s n xu t
Giao di n ngư&i - máy
1.6.1 C u trúc ph n c ng và ph n m m
C u trúc h con
Hệ thống thông tin quản trị (Hệ thống QTCN) thường được cấu trúc phân cấp, chia thành các cấp độ khác nhau Các thông tin ở cấp thấp được xử lý và truyền đạt lên các cấp cao hơn Ở cấp trên, người điều khiển sẽ nhận các thông tin đã được xử lý từ cấp dưới và đưa ra các quyết định dựa trên những thông tin này.
Số lượng và nhiệm vụ của các phòng chức năng phụ thuộc vào quy mô tổ chức Ví dụ, nếu quy mô tổ chức là một nhà máy, các phòng chức năng có thể được phân ra như hình 1-4 Nếu tổ chức là một cơ sở đào tạo, các phòng chức năng có thể bao gồm: phòng đào tạo, phòng quản lý sinh viên, phòng tài vụ, và phòng tổ chức.
Khó khăn trong việc xây dựng các hệ thống chức năng phụ thuộc vào quy trình công nghệ, các hệ thống đảm bảo là các hệ thống cơ bản mà bất kỳ hệ thống điều khiển nào cũng phải có để đảm bảo hoạt động bình thường.
Cú ba h con ủ m b o bao gồm ủ m b o thông tin, ủ m b o tổng hợp và ủ m b o k- thu,t Ủ m b o thông tin và tổng hợp là phần mềm chính của hệ thống, trong khi ủ m b o k- thu,t đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý các phần cứng của hệ thống Các h con ủ m b o này sẽ được trình bày trong các phần sau.
Kế hoạch sản xuất Lao động tiền lương Vật t− thiết bị
Kế hoạch t;i vụ H;nh chÝnh Đảm bảo toán học Đảm bảo thông tin Đảm bảo kü thuËt
Các hệ con chức năng
Các hệ con đảm bảo
H ðK TðH QTCN ủư c t: ch c theo ki%u phõn c p như trỡnh bày trờn Hỡnh 1- , ủõy là sơ ủ* c u trỳc song song
C p th p nh t c a h ủi"u th ng là cỏc Thi t b$ ủ u cu i T - Terminal
Terminal là nơi tiếp xúc giữa hệ thống và các thiết bị, thu nhận thông tin từ các cảm biến và thiết bị lưu trữ Nó có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý các thông tin này, sau đó truyền tải đến các trạm trung gian.
Trạm trung gian là các máy tính hoặc mạng máy tính, có chức năng xử lý thông tin và đưa ra các quyết định điều khiển khi truy cập vào hệ thống Terminal.
Thông tin ủa việc xử lý trung gian được truyền lên trung tâm điều khiển Nhờ có trung tâm tính toán, trung tâm điều khiển có thể xử lý được lượng thông tin lớn, giải quyết các bài toán phức tạp của quá trình điều khiển.
Lý do và vai trò của các Terminal trong hệ thống quản lý sản xuất là rất quan trọng Các Terminal không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn cung cấp thông tin trực tiếp cho ban giám đốc, từ đó hỗ trợ ra quyết định hiệu quả hơn.
Các trạm trung gian là các trạm điều khiển ủy quyền tại các phân xưởng, nơi thu thập thông tin từ các terminal chuyển tải Trung tâm điều khiển ủy quyền tại nơi làm việc của ban giám đốc có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ nhà máy.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ máy tính, các Terminal đã trở thành công cụ quan trọng trong việc xử lý thông tin và thực hiện nhiều bài toán điều khiển Trong trường hợp này, không cần trung gian, các Terminal có thể kết nối trực tiếp với trung tâm điều khiển Cấu trúc hình tia, so với cấu trúc song song, có ưu điểm là đơn giản hơn và giảm thiểu các đường dây liên lạc giữa các bộ phận Tuy nhiên, cấu trúc hình tia vẫn có nhược điểm là các Terminal không thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau.
K- thu,t truy"n tin gi a cỏc mỏy tớnh b8ng cỏc Bus cho phộp chỳng ta xõy d ng ủư c sơ ủ* ủi"u khi%n ki%u bus (truy"n tin hai chi"u) như trờn Hỡnh 1-7 Trong sơ ủ* này cỏc b ph,n trong h th ng như Terminal(T) và trung tõm ủi"u khi%n (TTðK) cú th% tr c ti p trao ủ:i thụng tin v i nhau, do v,y tớnh linh ho#t cao, ủưa l#i hi u qu l n Tuỳ tỡnh hỡnh c th% c a QTCN mà ngư&i ta ch n sơ ủ* c u trỳc thớch h p, tuy nhiờn do nhi"u ưu ủi%m nờn sơ ủ* c u trỳc ki%u bus ủư c dựng r ng rói nh t.
ð m b o thông tin trong h
1.8.1 Sơ ủ/ c u trỳc quỏ trỡnh x- lý thụng tin trong h ðk TðH QTCN
Như trờn ủó núi v" th c ch t h ðK TðH QTCN là h t ủ ng hoỏ quỏ trỡnh x+ lý tin trong h ủi"u khi%n Quỏ trỡnh x+ lý tin ủư c trỡnh bày trờn Hỡnh 2-1
Dù kiÕn vÒ kÕ hoạch sản xuất
Hiệu lực pháp lý của quá trình tính toán
Xử lý dữ liệu bằng máy tính
Tính toán lại với dữ liệu mới
Hiệu lực pháp lý của các dữ liệu ban đầu
Dữ liệu về trạng thái sản xuất của máy tính xử lý và đưa ra các kết quả tính toán dưới dạng lợi ích của các bài toán điều kiện Các kết quả này so sánh với các yếu tố so sánh thường là các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Nếu không đạt yêu cầu về thông tin và tính toán lợi ích, các tính toán sẽ không có giá trị thực tiễn Khi các tính toán đạt yêu cầu đưa ra và được con người chấp nhận, các kết quả tính toán sẽ được gắn liền với pháp lý Kết quả tính toán này cùng với dữ liệu ban đầu (được con người đưa vào - có giá trị pháp lý) sẽ lập ra kế hoạch sản xuất Quyết định điều kiện sản xuất tác động vào quá trình sản xuất.
Trong Hình 2-1, chúng ta thấy trong hệ thống thông tin QTCN, việc trao đổi dữ liệu giữa nhiều bộ phận diễn ra thường xuyên, bao gồm cả việc giao tiếp giữa con người và máy móc Do đó, thông tin cần phải được bảo mật để đảm bảo quá trình trao đổi diễn ra một cách nhất quán và an toàn.
Trong hệ thống thông tin quản trị công nghiệp, quyết định của con người phụ thuộc vào thông tin thu nhận được qua máy xử lý Do đó, tính chính xác của các quyết định phụ thuộc vào độ chính xác của thông tin Điều này có nghĩa là thông tin có ảnh hưởng trực tiếp đến các quyết định trong quá trình quản lý và điều hành.
Hệ thống thông tin là một cấu trúc phức tạp hỗ trợ quá trình sản xuất, bao gồm các mô hình thông tin được xây dựng để hình thành quy trình sản xuất hiệu quả.
Hi%u theo nghĩa h;p ủ m b o thụng tin bao g*m cỏc ph n sau ủõy:
H th ng phõn lo#i, ủỏnh d u, ủ0t tờn cỏc ph n t+, cỏc ủ i tư ng b$ ủi"u khi%n
H th ng cỏc ủ$nh m c, cỏc ch4 tiờu kinh k k- thu,t
T: ch c lưu gi , gia công, x+ lý, hi u ch4nh thông tin
Như v,y ủ m b o thụng tin là bư c ủ u tiờn c a quỏ trỡnh x+ lý thụng tin trong h ðK TðH QTCN
Mô hình thông tin là một cách thức thể hiện quá trình tổ chức và xử lý thông tin Mô hình này bao gồm các bảng thống kê, các ghi chép và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, cùng với các yếu tố vật tư, lao động, và nhiều khía cạnh khác.
Mô hình thông tin dạng ma trận là một cấu trúc ma trận phản ánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và mối quan hệ giữa chúng Mô hình này rất thuận tiện cho người sử dụng nên cần được xây dựng rõ ràng.
Yêu cầu của việc mô hình thông tin là phải rõ ràng, thuận tiện cho sử dụng, có tính thống nhất và tiêu chuẩn hóa, có thể áp dụng cho các phương tiện tính toán khác nhau.
- đánh d u, phân lo#i, ự0t tên các ự i tư ng ựư c ựi"u khi%n
Mạng trong những nhiệm vụ và quan trọng của hệ thống bảo mật thông tin là xây dựng một hệ thống các cách bảo vệ, phân loại, đặt tên các thành phần, thiết bị máy móc, các sản phẩm cùng các quan hệ giữa chúng Hệ thống bảo vệ phân loại này phải thuần tiễn cho việc dựng máy tính xử lý thông tin - tất cả các thông tin phải được bảo mật.
Vi c ủỏnh d u, phõn lo#i, ủ0t tờn ph i phự h p v i tiờu chu/n qu c gia và qu c t như: Tiêu chu/n Vi t nam, IEC, ISO 9000
- H th ng ủ$nh m c- cỏc ch4 tiờu kinh t - k- thu,t
Sản xuất bất kỳ sản phẩm nào cũng phải trải qua nhiều nguyên công và nhiều công đoạn Để đạt được hiệu quả, các nguyên công cần tiêu thụ một lượng nguyên liệu, nhiên liệu, và nhân công nhất định Vì vậy, những công đoạn này cần được xây dựng một cách chi tiết cho từng phần, từng máy móc để đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra hiệu quả và liên tục.
- Xây d ng ngân hàng d li u
Ngân hàng dữ liệu của hệ thống thông tin quản trị công nghiệp (QTCN) là nơi lưu trữ tập trung tất cả thông tin trong máy tính Do đó, cần thiết phải thiết kế sao cho dữ liệu được lưu trữ, sử dụng và cập nhật thông tin một cách hiệu quả và khoa học.
V" lưu tr d li u c n gi i quy t cỏc v n ủ" sau ủõy:
Mô t d li u b8ng ngôn ng chung không ph thu c vào ngôn ng l,p trình
S+ d ng các mô t d li u có c u trúc
V" s+ d ng d li u c n gi i quy t cỏc v n ủ" sau ủõy:
Có kh năng l y ra b t kỳ m t nhóm d li u nào không ph thu c vào nơi ghi các d li u ủú
Cú kh năng ủ:i m i, c,p nh,t cỏc d li u
S+ d ng các phương pháp tìm ki m d li u t i ưu
Có kh năng b o v tính chính xác, nguyên v;n, bí m,t c a d li u
Chú ý rằng "dữ liệu" có thể hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau; nó có thể là các số liệu thống kê, nhưng cũng có thể là các chương trình tính toán, bản thiết kế hoặc quy trình công nghệ.
Mạng lưới văn bản đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng ngân hàng dữ liệu, chủ yếu liên quan đến việc thu thập và xử lý thông tin Hiện nay, phương pháp thu thập thông tin vào gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là so với tốc độ xử lý của máy tính và chưa đáp ứng được nhu cầu trao đổi trực tiếp giữa người và máy Việc xuất thông tin ra (màn hình, máy in, thiết bị di động,…) có nhiều tiện ích, giúp việc lấy thông tin trở nên dễ dàng hơn.
C u trỳc ủ m b o toỏn h c
ð m b o toán h c bao g*m nh ng thành ph n sau:
Cỏc mụ hỡnh toỏn (cũn g i là ủ m b o mụ hỡnh) dựng ủ% mụ hỡnh cỏc ủ i tư ng ủư c ủi"u khi%n, cỏc quỏ trỡnh cụng ngh ủ% gi i cỏc bài toỏn ủi"u khi%n
Các thuật toán (còn gọi là ủm bồ thuật toán) là các phương pháp giải các bài toán điều kiện Các thuật toán thường phụ thuộc vào mô hình toán học nhất định Chọn thuật toán phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới tính toán và độ chính xác của lời giải.
Các chương trình (còn gọi là ứng dụng) thực hiện xử lý, tính toán các dữ liệu liên quan đến mô hình và thu thập thông tin Như vậy, mô hình toán học và thu thập thông tin xây dựng hệ thống, còn chương trình tính toán thực hiện vận hành hệ thống.
Ngày nay cú nhi"u ngụn ng dựng ủ% l,p trỡnh Vi c ch n ngụn ng nào và k- thu,t l,p trỡnh ra sao nh hư ng r t l n ủ n t c ủ tớnh và k t qu tớnh
Xây dựng mô hình toán học là một trong những giai đoạn quan trọng nhất trong việc xây dựng hệ thống điều khiển Thông thường, công việc này phải do các chuyên gia am hiểu về quá trình công nghệ và năng động của mô hình thực hiện Đối với các kỹ sư công nghệ, thường không đủ khả năng tự mình xây dựng mô hình toán học, nhiệm vụ chính là lựa chọn các mô hình toán học sẵn có sao cho phù hợp với quá trình công nghệ mà mình đang quan tâm nghiên cứu.
Hi n nay ngư&i ta thư&ng dựng cỏc lo#i mụ hỡnh toỏn h c sau ủõy:
- Mô hình bài to6n t i ưu hoá
Mô hình bài to6n quy ho#ch tuy n tính
Mụ hỡnh sơ ủ* m#ng l i (PERT)
Mô hình qu n lý d tr+
Mụ hỡnh hàng ủ i ( ph c v ủỏm ủụng ) v.v
Trong thực tế, có nhiều loại mô hình toán học được ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau Bài viết này sẽ trình bày tóm tắt một số mô hình nổi bật Chủ yếu là trình bày phương pháp luận và các ứng dụng của chúng, nhằm làm rõ ảnh hưởng trong việc lựa chọn mô hình nguyên lý.
Mô hình toán học là một yếu tố quan trọng trong việc xử lý thông tin, không chỉ là cấu trúc hình thức mà còn là quá trình xử lý theo không gian và thời gian Giải quyết vấn đề này đòi hỏi sự kết hợp giữa toán học và các phương pháp giải quyết để đạt được kết quả chính xác trong thời gian tính toán Toán học là một ngành chuyên sâu, đóng vai trò lớn trong việc giải quyết các bài toán thực tiễn.
Chương trình tính toán là một phần mềm được phát triển trên máy tính, giúp thực hiện các phép toán học và thống kê một cách chính xác Phần mềm này phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình và loại máy tính sử dụng Thông thường, cần có các cán bộ chuyên sâu về lập trình để phát triển và duy trì ứng dụng này.
Các ngôn ngữ lập trình phổ biến hiện nay bao gồm PASCAL, C++, Visual Basic, và nhiều ngôn ngữ chuyên dụng khác như GPSS, SIMSCRIPT, SIM++, Matlab – Simulink Những ngôn ngữ này thường được sử dụng để phát triển các chương trình mô phỏng và tính toán chuyên sâu Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán và công nghệ sử dụng, người lập trình sẽ xây dựng các chương trình phù hợp Việc quản lý thông tin và mô hình toán học được coi là phần mềm cốt lõi của hệ thống công nghệ thông tin trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp.
1.10.1 C u trỳc ủ m b o k0 thu t ð m b o k- thu,t là toàn b thi t b$ k- thu,t c a h ðK TðH QTCN, hay còn g i là ph n c ng c a h Như v,y ủ m b o k- thu,t chi m v n ủ u tư và cụng s c r t l n trong vi c xõy d ng và v,n hành h ð m b o k- thu,t bao g*m cỏc thi t b$ k- thu,t dựng ủ% ch n l c, truy"n ủ#t, x+ lý, c t gi và ph n ỏnh thụng tin trong h ủi"u khi%n
Như Hỡnh 1- ủó ch4 rừ, ủ m b o k- thu,t bao g*m:
Các h th ng truy"n tin (d li u)
Các trung tâm tính toán
Terminal là thiết bị cuối cùng của hệ thống QTCN, đóng vai trò kết nối giữa người dùng và QTCN Terminal thu nhận và xử lý các thông tin về QTCN, sau đó truyền tải lên cấp trên Đồng thời, nó cũng thu thập các thông tin điều khiển để xử lý trên cấp cao hơn và truyền đến các thiết bị điều khiển Người dùng có thể trao đổi thông tin với Terminal thông qua các thiết bị vào ra.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, người ta có thể sử dụng Terminal trên các máy vi tính để xử lý nhanh chóng và hiệu quả Việc này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn cho phép giải quyết nhiều bài toán điều kiện phức tạp Nhờ vào khả năng truy cập thông tin tức thì và thực hiện các quy trình điều kiện phân tán, Terminal trở thành công cụ hữu ích trong việc quản lý và tối ưu hóa dữ liệu.
Tuỳ theo cụng d ng mà Terminal ủư c ch t#o thành nhi"u lo#i khỏc nhau, vớ d :
Terminal ủ% thu th,p cỏc thụng tin v" QTCN, thi t b$ chớnh c a lo#i terminal này là cỏc b ghi s li u
Terminal in, th c ch t là m t máy telex
Terminal cú màn hỡnh, dựng ủ% ủưa thụng tin ra trờn màn hỡnh ủ% ngư&i v,n hành quan sát
Terminal x+ lý thông tin t xa
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin và xử lý dữ liệu, các thiết bị tính toán và xử lý thông tin ngày càng trở nên phổ biến Xu hướng hiện tại là tạo ra các terminal văn phòng thông minh, giúp nâng cao hiệu quả làm việc và tối ưu hóa quy trình xử lý thông tin.
Trong tương lai, với sự phát triển của mạng máy tính như LAN và INTERNET, con người sẽ có khả năng làm việc từ xa, tạo ra các "văn phòng kiểu mới" Nhân viên của các cơ quan và nhà máy sẽ có thể sử dụng các terminal để làm việc ngay tại nhà, giúp giảm thiểu tắc nghẽn giao thông và không cần thiết phải xây dựng các văn phòng làm việc tập trung.
Nhu cầu truyền dữ liệu trong hệ thống quản trị công nghiệp ngày càng tăng, thường xuyên phải truyền các thông tin từ các trung tâm xử lý và truyền các thông tin xử lý (các mệnh lệnh điều khiển) tới các terminal thực hiện tác động vào hệ thống quản trị công nghiệp.
M t h truy"n d li u có c u trúc như Hình 2-2
NT - ngu*n tin; MH - thi t b$ mó hoỏ; ðC - thi t b$ ủi"u ch; KLL - Kờnh liờn l#c; GðC - thi t b$ gi i ủi"u ch; DM - thi t b$ d$ch mó; CH - Cơ c u ch p hành; ðT - ð i tư ng bi ủi"u khi%n; Nhi=u - nhi=u tỏc ủ ng vào kờnh liờn l#c.
Hình 2.2 H th ng truy n d li u
