Tài liệu Ứng dụng chuẩn IEEE 1588 vào tự động hóa trong công nghiệp docx

Ứng dụng chuẩn IEEE 1588 vào tự động hóa trong công nghiệp Việc sản xuất các sản phẩm riêng lẻ thường không nhanh hơn và có độ chính xác cao như nhiều sản phẩm trong một phút. Các giải pháp điều khiển truyền thống có thể đã giới hạn việc đạt được mục tiêu nhanh hơn và chính xác hơn. Chuẩn IEEE 1588 cung cấp một giải pháp điều khiển trên cơ sở thời gian mà có th ể được ngành điều khiển công nghiệp chấp nhận một cách dễ dàng trong vi ệc phân bổ thời gian chính xác cho quá trình điều khiển trên cơ sở thời gian ở xưởng sản xuất. Tình huống điều khiển cơ sở thời gian Trong hệ thống điều khiển tuần tự truyền thống với các cảm biến đầu vào, các b ộ thừa hành đầu ra và các bộ điều khiển công nghiệp nằm rải rác trong một mạng cục bộ, các thuật toán điều khiển luôn luôn dựa trên cơ sở quét quá trình và dị bộ, do đó dễ bị rối loạn. Một số hệ thống sử dụng kỹ thuật thay đổi trạng thái hoặc kích thích theo sự kiện để cải thiện hiệu quả hoạt động. Tuy nhi ên, kiểu điều khiển cơ sở thời gian cho ta một lựa chọn có hiệu quả tốt nhất. Điều khiển quét Đối với điều khiển quét, quá trình sẽ như sau đối với một chuỗi đơn giản gồm đầu vào, điều khiển, đầu ra. Số liệu đầu vào từ các thiết bị cảm biến được gửi tới bộ điều khiển theo một chu kỳ thời gian nào đó. Bộ điều khiển chạy thuật toán điều khiển theo một chu kỳ và kết quả đầu ra được gửi tới bộ thừa hành đầu ra theo một chu kỳ. Các đầu vào/ra thay đổi trạng thái một cách dị bộ theo quá trình quét chu kỳ của đầu vào/ra. Cấu trúc mạng Chuỗi đầu vào – xử lý – đầu ra này t ạo ra độ trễ rất co dãn từ đầu vào t ới đầu ra. Độ trễ này sẽ là một hàm c ủa thời điểm mà đầu vào thay đổi theo chu trình quét dị bộ của quá trình đầu vào, bộ điều khiển và đầu ra, trễ lan truyền, và trễ bên trong thi ết bị. Các trễ này được minh họa ở H ình 1. Điều khiển theo sự kiện Điều khiển theo sự kiện hay điều khiển thay đổi trạng thái có thể giảm trễ một cách đáng kể. Đối với vận hành kiểu thay đổi trạng thái, trễ quét đầu vào, điều khiển và đầu ra bị triệt ti êu. Khi thiết bị đầu vào dò tìm được một sự chuyển trạng thái của đầu vào, nó sẽ ngay lập tức gửi đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển bị ngắt khi có tín hiệu đầu vào, ngay lập tức thực hiện thuật toán xử lý của nó và gửi kết quả tới thiết bị đầu ra. Khi thông điệp đầu ra xuất hiện ở thiết bị đầu ra, nó kích hoạt ngay lập tức bộ thừa hành. Ki ểu tiếp cận này sẽ vẫn vướng phải trễ do truyền số liệu trong mạng. Nếu có rất nhiều đầu vào thay đổi trạng thái cùng một lúc thì nghẽn mạng và mất dữ liệu có thể xảy ra, tạo thêm trễ, thậm chí có thể làm hỏng hệ thống. Ngoài ra, vì có nhi ều thiết bị vào/ra không hỗ trợ cơ chế kích hoạt theo sự kiện nên ki ểu này thường ít khả thi. Trong thực tế, một hệ điều khiển truyền thống sẽ dùng kết hợp cả hai cơ chế điều khiển quét và điều khiển theo sự kiện. Điều khiển cơ sở thời gian Đối với nhiều ứng dụng, trễ không thành vấn đề nếu thời gian đáp ứng của ứng dụng vẫn thỏa m ãn. Thời gian sẽ là một hàm tích phân của hệ thống điều khiển v à các thuật toán điều khiển. Mọi thiết bị trong hệ thống có cùng ý ni ệm về thời gian. Trong một hệ thống như thế, các sự kiện đầu vào có tính th ời điểm và các sự kiện đầu ra được lên lịch trình. Hệ thống điều khiển biết chính xác khi nào có tín hiệu đầu vào và có thể xác định chính xác khi nào Hình 1 đầu ra được kích hoạt. Thiết bị đầu ra có thể lên lịch trình đầu ra để kích hoạt ở một thời điểm định trước. Nguồn trễ duy nhất của hệ thống này là những trễ đi kèm với đầu vào và đầu ra theo thời gian chính xác. Ví dụ thực tế Các ưu điểm của kiểu điều khiển cơ sở thời gian có thể được minh họa bằng một ví dụ thực. Trong một ứng dụng về bộ chọn lọc dùng cho băng chuyền tốc độ cao, các sản phẩm được sản xuất riêng lẻ đi dọc theo một băng chuyền với một tốc độ không đổi. Một “sản phẩm” có thể là một thanh sô cô la, một tã giấy hay bất kỳ cái gì được sản xuất riêng rẽ. Trong hệ thống này, mục đích là dò tìm sự có mặt của các sản phẩm riêng lẻ khi chúng chạy dọc theo băng chuyền, thực hiện việc đánh giá nóng sản phẩm để xác định xem nó có phải là phế phẩm không và sau đó kích hoạt bộ thừa hành để loại bỏ phế phẩm. Cấu trúc mạng Nếu độ phân giải của hệ thống điều khiển không phù hợp với tốc độ của hệ thống băng tải sẽ dẫn đến loại bỏ sai hoặc loại bỏ nhiều hơn mức cần thiết. Trong ví dụ này, một cảm biến đầu vào, ví dụ như cảm biến quang điện, được lắp đặt dọc theo băng chuyền để d ò tìm sự có mặt của một sản phẩm. Trạng thái đầu vào “tìm được sản phẩm” được gửi tới bộ điều khiển vốn thuộc vòng quét đầu vào và cung c ấp một cơ chế đăng ký để dò bám theo sản phẩm khi nó chạy dọc theo băng chuyền. Khi biết được vận tốc của băng chuyền, bộ điều khiển có thể tính toán được vị trí của sản phẩm ở bất kỳ thời điểm n ào. Một hệ thống quang Hình 2 học kiểm tra sản phẩm cũng được lắp đặt cạnh băng chuyền. Bộ điều khiển bám theo phế phẩm đã bị hệ thống kiểm tra sản phẩm dò ra khi nó chạy dọc theo băng chuyền v à ở một thời điểm thích hợp ra lệnh cho bộ chọn lọc loại bỏ phế phẩm đó. Minh hoạ bằng hình 2 T ốc độ tối đa của băng chuyền, và cùng với đó là số lượng tối đa sản phẩm sản xuất được mỗi phút, sẽ được xác định trước bằng độ trễ tổng cộng từ đầu vào tới đầu ra. Sử dụng các con số từ phần trước đối với điều khiển quét, tốc độ tối đa v à số lượng sản phẩm mỗi phút được tính như sau: Độ phân giải sản phẩm = trễ 122 mili giây Tốc độ tối đa = 1/122 =~ 8 sản phẩm mỗi giây Số sản phẩm tối đa mỗi phút = 8*60 = 480 sản phẩm Vận hành điều khiển cơ sở thời gian Bây giờ ta xem xét cũng một hệ thống như thế nhưng dùng điều khiển cơ sở thời gian. Khi cảm biến quang điện dò tìm được một sản phẩm, thời điểm đó được ghi lại. Bộ điều khiển gửi tới hệ thống kiểm tra sản phẩm một lược đồ thời gian để ra tín hiệu khi sản phẩm được tìm thấy và ra tín hiệu khi cần loại bỏ một phế phẩm. Trong trường hợp này, tốc độ tối đa của hệ thống bị giới hạn theo độ trễ toàn hệ thống từ đầu vào tới đầu ra. Tốc độ tối đa và số lượng sản phẩm tối đa mỗi phút được tính như sau: Độ phân giải sản phẩm = trễ 12,4 ms Tốc độ tối đa = 1/12,4 = ~ 80 sản phẩm mỗi giây Số sản phẩm tối đa mỗi phút = 80*60 = 4.800 sản phẩm Như đã nói ở trên, độ trễ phụ thuộc vào độ trễ cơ khí và điện đối với thiết bị dò tìm đầu vào và thiết bị thừa hành đầu ra. Chỉ có trễ lan truyền mới có tính quyết định. Độ chính xác của hệ thống bị giới hạn theo trễ lan truyền, độ chính xác của việc xác định thời điểm và lập lược đồ thời gian của các thiết bị đầu vào/ra tương ứng. Việc sử dụng một cơ chế điều khiển cơ sở thời gian cho thấy hiệu suất đã được cải thiện gấp mười lần. Các nguồn trễ của hệ thống gần như được triệt tiêu. Hiệu quả của hệ thống chỉ bị giới hạn bởi tốc độ xử lý của các thiết bị đầu vào, điều khiển và đầu ra. Ứng dụng của thời gian vào điều khiển công nghiệp Thời gian ngày Thời gian được phân bổ cho tất cả các thiết bị trong hệ thống để thực hiện các hoạt động định trước được dựa trên cơ sở thời gian ngày. Các hoạt động này có thể bao gồm các thao tác khởi động, tắt và báo cáo. Đối với các hệ thống này, cũng cần phải phân bổ một cách tự động các khoảng thời gian. Thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày cho tất cả các thiết bị trong phân xưởng và để quản lý các quá tr ình chuyển tiếp giữa thời gian chuẩn, thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày. Đầu vào theo thời điểm Một đầu vào được ghi lại thời điểm khi có sự thay đổi đầu vào đối với sườn lên, sườn xuống hoặc cả hai. Đầu v ào có thể là một thiết bị vật lý, ví dụ như một cảm biến, hoặc một đầu vào logic như dò tìm được một điều kiện cảnh báo. Dấu thời gian đi kèm theo số liệu đầu vào đối với việc dò tìm cảnh báo hoặc sự kiện. Các ứng dụng dùng đầu vào theo thời điểm cho điều khiển cơ sở thời gian, truy cập hoặc định hướng tổng quát hay phân tích thống kê. Ứng dụng trước hết là xác định từ một tập các thời điểm chuỗi mà trong đó một tập các sự kiện xảy ra hoặc khi lỗi đầu tiên xảy ra trong một chuỗi lỗi. Đầu ra theo lược đồ Một đầu ra theo thời điểm hay theo lược đồ được dùng để lên lịch trình khi c ần sử dụng đầu ra. Các ứng dụng dùng đầu ra theo lược đồ cho việc điều khiển cơ sở thời gian vận hành hoặc chiếm lĩnh một cách chính xác đầu ra. Đầu ra có thể l à vật lý như trường hợp về ứng dụng của bộ chọn lọc, hoặc logic như kích hoạt một hoạt động điều khiển nào đó. Điều khiển đồng bộ hóa hoặc phối hợp Điều kiển đồng bộ hóa hoặc phối hợp được dùng để phối hợp một cách đồng thời các hoạt động trong một hoặc nhiều thiết bị theo kiểu phối hợp thời gian. Điều n ày rất thông dụng trong điều khiển truyền động phân tán khi mà ho ạt động của mỗi động cơ riêng lẻ được đồng bộ hóa với nhau. Nó cũng cần thiết trong điều khiển học để phối hợp các trục chuyển động riêng lẻ. Kết luận Điều khiển cơ sở thời gian sẽ thỏa mãn các yêu cầu đối với các ứng dụng hiệu năng cao trong tự động hóa công nghiệp. Chuẩn IEEE 1588 rất lý tưởng và dễ ứng dụng đối với việc sắp xếp một độ chính xác cơ sở thời gian cho tất cả các thiết bị của hệ thống điều khiển. Thách thức sẽ là chuyển đổi các thiết bị hệ thống-điều khiển, đặc biệt là vào/ra, sang chuẩn IEEE 1588 và các giải pháp điều khiển cơ sở thời gian. Nhiệm vụ n ày sẽ được trợ giúp khi 1588 trở nên thông dụng hơn trong đấu trường tự động hóa công nghiệp. . thỏa mãn các yêu cầu đối với các ứng dụng hiệu năng cao trong tự động hóa công nghiệp. Chuẩn IEEE 1588 rất lý tưởng và dễ ứng dụng đối với việc sắp xếp một. Ứng dụng chuẩn IEEE 1588 vào tự động hóa trong công nghiệp Việc sản xuất các sản phẩm riêng lẻ thường