Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển, kỹ thuật tính trên máy tính số đã đạt đến tốc độ rất cao đủ để giải quyết nhiều bài toán phức tạp. Thừa hưởng các thành tựu này, nhiều hãng chế tạo thiết bị đã thiết kế những hệ thống tự động điều khiển cân bằng mới, hiện đại, luôn gắn với công nghệ xử lý trên thiết bị điều khiển thông minh có khả năng lập trình hoặc hệ thống máy tính. Đây là một bước đột phá trong kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển trên tàu, khi các điều kiện để hiệu chỉnh hệ thống là vô cùng ít ỏi do hầu hết các nhà thiết kế không có điều kiện để khảo sát trước. Việc áp dụng các thiết bị thông minh, khả trình được chọn là hệ PLC trong thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng sẽ được lựa chọn để thiết lập phần cứng cho hệ thống.
Việc ứng dụng các bộ điều khiển lập trình PLC trong đo lường điều khiển ngày đã trở nên phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực: hệ thống đo lường điều khiển trong các nhà máy xi măng, các dây chuyền đóng gói bánh kẹo, nước hoa quả, các hệ thống kiểm soát tín hiệu đèn giao thông, các hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu SCADA, hệ thống giám sát các thông số buồng máy trên tàu thủy v.v... Sở dĩ như vậy là vì ngay từ khi mới ra đời, các bộ điều khiển PLC đã có nhiều tính năng rất hấp dẫn như:
- Khả năng lập trình cho nhiều ứng dụng ở các cấp độ khác nhau. Đây là một trong các ưu điểm lớn nhất của các bộ PLC.
- Khả năng xử lý, ghép nối và truyền số liệu : việc xử lý các số liệu từ các đầu vào sensor rất linh hoạt đối với cả dạng sensor kiểu on/off và sensor kiểu tương tự trên các khối chuyên dụng. Việc ghép nối với các thiết bị khác có thể thực hiện như ghép với máy tính để xử lý ở mức cao hơn, hoặc nếu với mục đích dễ thao tác và quan sát hơn như đối với các loại màn hình vận hành NT v.v...
- Khả năng kết nối ảo (kết nối kiểu vật lý) là rất lớn làm cho kích thước của thiết bị PLC nhỏ gọn, hệ thống dây nối đơn giản.
- Khả năng tích hợp và lập trình được các luật điều khiển bên trong trên các khối chuyên dụng như khối điều khiển PID, khối điều khiển nhiệt độ, khối điều khiển mờ (fuzzy logic controll ) v.v...
- Việc hiệu chỉnh thiết bị là rất dơn giản, rất ít khi phải can thiệp bằng cách thay đổi kết cấu phần cứng.
Ngoài ra, với khả năng chứa một số lượng rất lớn các bộ định thời bên trong, đã làm cho các bộ PLC này có khả năng xử lý các tiến trình một cách chính xác và linh hoạt hơn rất nhiều.
3.2.3.1. Các yêu cầu trong việc lựa chọn cấu trúc phần cứng hệ điều khiển PLC
Quá trình chọn PLC có thể căn cứ theo các bước cơ bản sau: Đối tượng:
- Khả năng lựa chọn phần cứng và phần mềm thuận lợi - Khả năng đáp ứng của PLC cho ứng dụng.
- Khả năng chọn lựa phần cứng và phần mềm cho ứng dụng
Sau giai đoạn thiết kế, các thiết bị có thể được đặt hàng. Quyết định này thường dựa trên cơ sở số lượng đầu vào, số lượng đầu ra và các chức năng điều khiển của bộ điều khiển. Quyết định đầu tiên là kiểu của bộ điều khiển: kiểu rãnh đa khối, kiểu mini, kiểu micro hoặc phần mềm cơ sở. Quyết định này sẽ phụ thuộc các tiêu chuẩn cơ bản liệt kê dưới đây:
- Số lượng của các đầu vào và đầu ra logic
- Dung lượng bộ nhớ: thường 1K và lớn hơn. Điều này quyết định bởi kích thước của chương trình logic dạng hình thang. Các phần tử trong lập trình kiểu hình thang sẽ chiếm một vài bytes và sẽ được chỉ dãn ở các tài liệu của hãng sản xuất.
- Số lượng các modul chức năng vào ra. Khi tiến hành áp dụng cho các ứng dụng phức tạp, có thể cần phải yêu cầu bổ sung một số lớn các modul (cards) đặc biệt.
- Thời gian quét: Chương trình lớn hoặc quá trình xử lý nhanh sẽ phải yều cầu thời gian quét ngắn hơn.Thơì gian quét ngắn hơn có nghĩa là giá thành sẽ cao hơn. Giá trị tiêu biểu thường là 1 micro giây cho một lệnh kiểu hình thang.
- Truyền thông: Kết nối kiểu nối tiếp và kết nối mạng cho phép PLC được chương trình hoá và bắt tay giao tiếp với các PLC khác. Các nhu cầu kết nối thường xuất phát từ các yêu cầu về ứng dụng.
- Phần mềm: Khả năng của phần mềm lập trình và các công cụ tiện ích khác (tools) xác định việc lập trình và gỡ rối dễ dàng.
Như vậy, quá trình lựa chọn một PLC có thể chia làm các bước sau: a. Hiểu biết quá trình để điều khiển
- Danh sách về số lượng và kiểu của các đầu vào, ra - Xác định quá trình sẽ được điều khiển như thế nào
- Xác định chi tiết cần thiết như khoảng cách giữa các bộ phận trong hệ quá trình.
b. Các yêu cầu đặc biệt về hỗ trợ từ nhà sản xuất: - Hồ sơ và các tài liệu hướng dẫn sử dụng;
- Sự trợ giúp trong quá trình phát triển chương trình. c. Tính đa dạng về khả năng của các sản phẩm liên quan:
- Có khả năng lựa chọn phần cứng và phần mềm thuận lợi - Có khả năng chọn dung lượng của PLC cho ứng dụng - Có khả năng chọn được phần cứng phần mềm cần thiết - Sự trợ giúp khi có hỏng hóc
- Thời gian vạn chuyển thiết bị thay thế khẩn cấp khi có hỏng hóc - Việc huấn luyện về thiết bị
- Các văn bản liên quan chứng thực về thiết bị - Khả năng cung cấp.
Đầu vào tương tự :
- Tín hiệu mức nước : 23 kênh - Tín hiệu độ nghiêng: 4 kênh - Tổng cộng: 27 kênh
Đầu vào số:
- Tín hiệu van: 2x28=56 kênh - Tín hiệu bơm: 4
- Tín hiệu giới hạn độ nghiêng: 4 - Tổng cộng: 64
Đầu ra tương tự: - dự phòng Đầu ra số:
- Tín hiệu điều khiển van: 28x2 - Tín hiệu điều khiển bơm: 4
- Tín hiệu đèn báo và trạng thái : 24 - Tổng cộng: 84
b. Lựa chọn cấu hình hệ PLC
Trên cơ sở các yêu cầu về số lượng đầu vào ra và các tính năng đã lựa chọn ra cấu trúc phần cứng cho hệ thống bao gồm:
* 1 Hệ thống CPU Omron (CS1H – CPU76H)
* 2 module đầu vào tương tự 16 kênh (CS1W-AD161) * 1 module đầu ra tương tự 8 kênh (CS1W-AD08V) * 2 module đầu vào số 64 kênh (CS1W-ID261) * 2 module đầu ra số 64 kênh (CS1W-OD261) * 1 bộ điều khiển mờ (CS1W-LCB01)
* Màn hình vận hành Touch Panel
c1. Modul CPU và phần mềm cơ sở
Hình 3.8. Cấu hình cơ bản của hệ thống PLC
Như đã phân tích trên, quyết định chọn CPU của hệ PLC này thường dựa trên cơ sở số lượng đầu vào, số lượng đầu ra và các chức năng điều khiển của bộ điều khiển. Để giải quyết được bài toán cân bằng cho đối tượng nổi mà cụ thể là tàu Lash, CPU được lựa chọn phải đủ mạnh (có bộ nhớ chương trình lớn, có khả năng ghép nối với các khối mở rộng tính năng đa dạng, có phần mềm tiện ích phong phú, có khả năng mở rộng phù hợp với qui mô bài toán v.v). Trên cơ sở đó, CPU được chọn ở đây là loại CPU thuộc dòng CS kiểu CS1H-CPU67H chạy trên phần mềm cơ sở CX-ONE được tích hợp đa tính năng của hãng OMRON (xem Hình 3.8 ).
Lưu ý rằng, việc chọn lựa CPU thuộc dòng CS kiểu CS1H-CPU67H có tính năng rất mạnh, quản lý được đến 5120 I/O (cổng vào/ra) có khả năng ghép nối được với hầu hết các khối chức năng mở rộng hiện đại, đặc biệt là khả năng ghép nối với Modul điều khiển mạch vòng LB05 tích hợp tính năng điều khiển logic mờ (Fuzzy logic control), Các tính năng và ứng dụng của modul LB05, đặc biệt là tính năng điều khiển logic mờ, có thể xem ở tài liệu giới thiệu thiết bị này của hãng OMRON.
Như vậy, so với qui mô bài toán cụ thể trên tàu Lash, việc chọn lựa khả năng của CPU như vậy có vẻ không cần thiết. Vấn đề ở đây là đề tài nhắm tới việc thiết kế hệ thống cân bằng cho các đối tượng có qui mô lớn hơn, có số lượng điểm vào, ra lớn, có những yêu cầu bổ sung thêm các tính năng ghép nối v.v... Các tính năng này không thể có trên các PLC cấp thấp. Ngoài ra, việc chọn CPU nhằm đáp ứng giải quyết các yêu cầu của bài toán cụ thể trước mắt nhưng cũng nên tính đến khả năng mỡ rộng tính năng hệ thống khi có yêu cầu. Điều này sẽ làm cho thiết kế trở thành chuyên nghiệp, đỡ mất thời gian khi thiết lập hệ thống mới tương tự. Ngoài ra, tiêu chí lựa chọn CPU theo số lượng đầu vào ra ở đây cũng hoàn toàn được thoả mãn khi ta chọn các modull mở rộng phù hợp. Đây chính là điểm mạnh của loại CPU này.
Với cách lựa chọn như vậy, những vấn đề liên quan đến lý giải khả năng đáp ứng yêu cầu giải quyết bài như số điểm vào ra, khả năng thực hiện điều khiển giám sát v.v trên tàu Lash là hoàn toàn hiện thực và không cần phải đề cập sâu ở đây. Việc chọn các modull phù hợp với qui mô và nhu cầu của bài toán cụ thể trên tàu Lash có thể xem trong phần phụ lục về thiết kế phần cứng. Ngoài ra, việc thiết kế sơ đồ kết nối hệ thống sẽ được thể hiện ở phần thiết kế, không cần thiết phải mô tả chi tiết bỡi điều này đã được thể hiện trong cấu hình của PLC.
c2. Màn hình vận hành HMI
Như đã nêu ở phần trước, việc chọn CPU thuộc dòng CS kiểu CS1H- CPU67H là một trong các CPU có tính năng mạnh của hãng OMRON, có thể đáp ứng yêu cầu đặt ra cho bài toán, đặc biệt nó có khả năng ghép nối với với với các màn hình (loại NT, NS) để thực hiện các chức năng thao tác người máy, giám sát từ xa hoạt động của hệ thống. Màn hình HMI có thể điều khiển qua RS232/RS422, Internet. Máy chủ truyền thông tin dạng chuẩn RS232/RS422 có thể là PLC, máy tính PC, hay các thiết bị đọc mã hoá v.v. Việc lập trình cho NS được thực hiện trên phần mềm riêng, tích hợp sẵn trong các ứng dụng của phần mềm CX-ONE. Chi tiết
về việc cài đặt phần mềm, thiết lập các thông số ban đầu có thể xem trong tài liệu kèm theo thiết bị của hãng OMRON.