Công nghệ tích hợp cho các thiết bị trường trong điều khiển phân tán và các hệ thống kỹ thuật 1. Giới thiệu Kỹ thuật điều khiển hệ thống và trang thiết bị tự động hóa công nghiệp thuộc lĩnh vực công nghiệp tiên tiến với mục tiêu nhằm làm giảm chi phí triển khai. Đó là lý do tại sao giá thành của các thiết bị và linh kiện hiện nay đang ở mức tương đối thấp. Xu hướng này đồng hành cùng với sự chuyển hướng sang xử lý số tín hiệu bên trong các linh kiện và sự giao tiếp số giữa chúng. Chương này đề cập đến lịch sử phát triển từ linh kiện điện tử tương tự liên kết qua dòng 4-20 mA, hay là công nghệ 24 V, đến linh kiện số với các giao tiếp công nghiệp như bus trường (field-bus) và Ethernet/TCP/IP. Từ các bước phát triển này, những thay đổi về việc phân chức năng và yêu cầu tích hợp hệ thống đã phát sinh và những công nghệ mới xuất hiện nhằm hỗ trợ nhà sản xuất và nhà tích hợp hệ thống đã được giới thiệu. Tất cả các công nghệ tích hợp này đã hỗ trợ cho việc trang bị các thiết bị trường. Những ví dụ của các công nghệ này có thế kể đến Ngôn ngữ mô tả linh kiện (được cung cấp bởi PROFIBUS, Device Net, Fieldbus Foundation), các giao diện chuẩn hóa như OPC và Kiến trúc thiết bị trường (Field Device Architecture – FDT), tích hợp ứng dụng điều khiển sử dụng các khối chức năng proxy được viết bằng ngôn ngữ PLC (như ngôn ngữ IEC 61131-3), và giao tiếp theo chiều thẳng đứng từ thiết bị trường đến SCADA, Hệ thống điều khiển phi tập trung (DCS) và Hệ thống chấp hành sản xuất (MES) bằng XML. Độc giả sẽ làm quen với các công nghệ mới nhất được sử dụng trong kỹ thuật thiết bị trường và các công cụ trang bị hệ thống. 2. Lịch sử của thiết bị thông minh: Tính toán thông tin số trên các thiết bị trường và truyền thông số trên các bus trường đã dẫn tới sự thay đổi cách xử lý các hệ thống tự động trong sản xuất và điều khiển quá trình. Các thiết bị trường hiện nay chứa nhiều thông tin hơn hẳn so với tín hiệu 4-20 mA. Thêm vào đó, chúng còn đảm nhận một số chức năng được lập trình từ đầu bên trong PLC hoặc DCS. Các thiết bị trường này còn được biết đến với cái tên thiết bị thông minh. Hệ quả của điều này đó là các hệ thống phân tán. Các công cụ để thiết kế và lập trình các ứng dụng điều khiển, phân bổ chức năng, cũng như bảo trì hệ thống… cần đến cả việc truy cập được vào dữ liệu của thiết bị trường lẫn các mô tả sản phẩm máy đọc được chính xác từ các thiết bị trường bao gồm chức năng và dữ liệu của chúng. Các mô tả thiết bị này được gọi là công nghệ mô tả thiết bị. Sử dụng các mô tả sản phẩm thiết bị này cần phải tích hợp được các đặc tính giao tiếp chuẩn và các hệ thống thông tin công nghiệp đã được tiêu chuẩn hóa. Ví dụ sau đây về một máy phát cho thấy sự biến đổi từ thiết bị tương tự 4-20 mA thành thiết bị bus trường thông minh. Các loại khác của thiết bị tự động hóa đã và đang biến chuyển theo xu hướng này. Ngay cả các thiết bị trường số, rời rạc và thiết bị vào/ra cũng trở nên đơn giản hơn. Công nghệ 24 V cũng sẽ được thay thế bởi các thiết bị kết nối với bus trường. Bộ phát trong Hình 1 bao gồm các điện tử, sẽ dò các giá trị đo riêng (mV, mA) và chuyển đổi tín hiệu dò được sang chuẩn 4-20 mA. Các điều chỉnh cho từng cảm biến và đường nối được thực hiện bởi transitor cắt. Mỗi bộ phát được nối với PLC bằng đường dây riêng. Các phép tính toán tín hiệu số cho độ chính xác cao hơn. Vì thế, việc xử lý tín hiệu được thực hiện bởi các vi điều khiển (Hình 2). Các bộ tương tự/số và số/tương tự biến đổi tín hiệu hai lần. Việc xử lý tín hiệu có thế bị tác động bởi một vài tham số, làm cho bộ phát trở nên mềm dẻo. Các tham số này sẽ được truy cập bởi người vận hành, thông qua bảng điều khiển được nhà sản xuất đặt trên bộ phát, gồm nút bấm và màn hình hiển thị. Công cụ trên PC cung cấp các giải pháp tiện lợi hơn cho việc phân chức năng của các bộ phát thông minh phức tạp. Hình 1: Cấu trúc bộ phát analog Hình 2: Cấu trúc bộ phát 4-20 mA thông minh Về cơ bản, trong bộ phát bus trường thông minh, bộ biến đổi số/tương tự ở cuối chuỗi tín hiệu được thay thế bằng bộ điều khiển bus trường. Việc này làm tăng độ chính xác của thiết bị. Ngoài ra, thiết bị như trong Hình 3 cần hoạt động trên một dạng liên lạc đặc trưng sử dụng thêm một công cụ cấu hình bus trường. Việc tham số hóa thiết bị trường đã thay đổi từ việc điều chỉnh các linh kiện đầu cuối bằng tay sang thực hiện trên các phần mềm máy tính. Cấu hình giao tiếp trong hệ thống cũng được quản lý giám sát trong quá trình vận hành trang bị. Các thiết bị trường thường được tích hợp như một thành phần của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Hệ thống này thực hiện phần việc có liên quan đến điều khiển tự động của một ứng dụng hoàn chỉnh. Các thành phần của một hệ thống tự động hóa công nghiệp có thể được sắp xệp theo các mức phân cấp, liên hệ với nhau bằng hệ thống thông tin, như minh họa trong Hình 4. Thiết bị trường là các thành phần ở mức xử lý được kết nối với đầu vào và đầu ra của các bộ xử lý hoặc các mạng con logic hay vật lý. Thành phần này bao gồm cả các thiết bị khả trình và router hay gateway. Một hệ thống thông tin sẽ liên kết thiết bị trường với các bộ điều khiển ở mức cao hơn, thường là các bộ điều khiển khả trình hay DSC hoặc thậm chí là cả MES. Do các công cụ kỹ thuật và công cụ vận hành sẽ phải truy cập được vào cả thiết bị trường và các bộ điều khiển, nên các công cụ này được đặt ở mức điều khiển. Thiết bị trường có thể liên lạc trực tiếp thông qua bus trường hoặc bộ điều khiển (khả trình). Trong các hệ thống lớn có thể tồn tại các mức cao hơn, được kết nối qua các hệ thống thông tin như LAN hay Ethernet. Đối với các hệ thống hiển thị mức cao hơn này (HMI), DCS, công cụ kỹ thuật trung tâm và SCADA cũng được sử dụng. Một nhóm các thiết bị trường có hoặc không có bộ điều khiển có thể được kết nối qua mạng LAN với nhau hay với các hệ thống mức cao hơn. Các hệ thống MES, quy hoạch tài nguyên doanh nghiệp (ERP) và các hệ thống công nghệ thông tin (IT) khác có thể truy cập trực tiếp đến thiết bị trường qua mạng LAN và các bộ điều khiển hoặc qua các router. Hình 3: Cấu trúc của một bộ phát bus trường thông minh Hình 4: Cấu hình tự động hóa điển hình Các thiết bị trường là phần được tích hợp trong suốt vòng đời của hệ thống điều khiển, bắt đầu từ lên kế hoạch/thiết kế, thương mại hóa, tích hợp/phân chức năng hệ thống, vận hành và kết thúc ở khâu bảo trì. Trong mỗi pha của vòng đời này, thông tin cụ thể đặc trưng dưới các dạng khác nhau được sử dụng bởi các công cụ hỗ trợ. Khâu lập kế hoạch và thiết kế sẽ xác định các yêu cầu về chủng loại và đặc tính của thiết bị trường. Kết quả đạt được là các bản vẽ P&ID điều khiển quá trình và E-CAD với danh sách thiết bị. Việc thương mại hóa được thực hiện bởi các đơn đặt hàng hoặc thông qua việc chào hàng trực tiếp. Khâu phân bổ chức năng đảm nhiệm việc tham số hóa và cấu hình các thiết bị trường kết nối với chương trình của bộ điều khiển khả trình. Trong khâu vận hành, tương tác giữa bộ điều khiển và thiết bị trường diễn ra. Các thiết bị trường có tác động đến các công cụ đặc biệt trong khâu bảo trì. Xem xét các thiết bị trường, các tập hợp con của phạm vi thông tin, định dạng của thông tin (văn bản hướng dẫn, tập tin, cơ sở dữ liệu, các trang html), và nguồn thông tin (trên giấy, các thông tin máy đọc được trên hệ thống, thông tin trực tuyến trên thiết bị) sẽ khác nhau giữa các pha của vòng đời. Vì thế, công nghệ tích hợp sẽ liên quan đến rất nhiều các công nghệ khác. B2B và MES không nằm trong phạm vi của những công nghệ này, lý do chính là vì bài báo cáo này sẽ tập trung vào khía cạnh mang tính chức năng của việc tích hợp thiết bị trường. Ngay cả khâu lập kế hoạch và thiết kế cũng chỉ được đề cập đến trong một mục nhất định vì việc quản lý dữ liệu sản phẩm không thật liên quan chặt chẽ đến thiết kế chức năng của hệ thống điều khiển. 3. Trang bị thiết bị trường Hiện nay, một số lượng lớn các chủng loại thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau tồn tại bên trong một dự án hệ thống đã làm cho việc tham số hóa và cấu hình thiết bị trường trở nên khó khăn và mất thời gian. Các công cụ khác nhau phải được kiểm soát và dữ liệu phải được trao đổi giữa các công cụ này. Việc trao đổi dữ liệu không được tiêu chuẩn hóa, vì thế cần có sự chuyển đổi dữ liệu, việc này yêu cầu phải có kiến thức chuyên sâu. Cuối cùng, sự nhất quán của dữ liệu, tài liệu và các cấu hình chỉ có thể được đảm bảo bằng việc kiểm tra theo chiều sâu toàn bộ hệ thống. Vùng làm việc trung tâm cho các dịch vụ và tác vụ chẩn đoán trong hệ điều khiển không bao trùm toàn bộ các khả năng hoạt động của thiết bị trường. Hơn nữa, các công cụ đặc trưng thiết bị khác nhau không thể tích hợp vào công cụ phần mềm của hệ thống. Thông thường, các công cụ này chỉ có thể kết nối trực tiếp vào đường bus trường hoặc vào thiết bị trường (Hình 5). Để duy trì tính liên tục và độ tin cậy vận hành của công nghệ điều khiển quá trình, cần phải tích hợp đầy đủ các thiết bị trường vào như một chi tiết phụ của tiến trình tự động hóa. Các thiết bị trường thường phải được điều chỉnh đến các mục đích ứng dụng cụ thể; vì thế các thành phần phần mềm bổ sung là cần thiết cho việc tham số hóa. Lý do là vì các bảng vận hành với một số lượng ít ỏi các nút điều khiển và màn hiển thị nhỏ không thích hợp cho việc tham số hóa một cách phức tạp. Về cơ bản, các trường hợp trong ứng dụng có thể xảy ra như sau: • Thiết bị với chức năng cố định và không có sự tham số hóa cho ứng dụng của thiết bị. Những thiết bị này thực hiện đặc tính thông tin the các mô tả như PROFIBUS GSD và CAN EDS. Công cụ cấu hình thông tin sẽ kiểm chứng tất cả các đặc tính của các thiết bị kết nối với một đoạn thông tin và tạo ra cấu hình thông tin từ các tham số truyền tin như tốc độ baud và địa chỉ của thiết bị. • Thiết bị chỉ có ít tham số dữ liệu được ấn định một lần trong pha phân bổ chức năng (chẳng hạn như tốc độ tối đa và tối thiểu của bộ truyền động, hiệu chỉnh bộ phát). Thiết bị này sẽ nhận dữ liệu thông qua bus trường từ trạm điều khiển. Vì thế, nhiều hệ thống bus trường đã thêm các từ khóa tham số hóa vào các mô tả có liên qua đến truyền tin, như PROFIBUS GSD và CAN EDS. Công cụ cấu hình bus trường cung cấp khả năng sửa đổi các giá trị tham số; bộ điều khiển đảm bảo độ ổn định của dữ liệu tham số. Trong trường hợp này không cần đến các công cụ tham số hóa bổ sung, nếu có hỏng hóc xảy ra thì việc thay thế thiết bị có thể được thực hiện một cách đơn giản. • Thiết bị với rất nhiều tham số và các phương tiện tham số hóa phức tạp từ trước đó đã có những thiết bị đầu cuối với các công cụ phân chức năng của riêng nó. Các công cụ có khả năng tham số hóa các loại thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau đã có mặt trên thị trường. Các ngôn ngữ được biết đến nhiều như HART DDL (Device Description Language [HART, 1995]), Fieldbus Foundation DDL (FF, 1996), và PROFIBUS EDD (Electronic Device Description [PNO, 2001b]), cùng thuộc một họ ngôn ngữ (IEC61084, 2003). Các ngôn ngữ này được đặc trưng bởi việc tham số hoá ngoại tuyến, định hướng từng thiết bị bởi người vận hành và khả năng kiểm tra tính nhất quán một cách rộng rãi. Việc quản lý sự toàn vẹn dữ liệu có liên quan trực tiếp đến công cụ tham số hóa, vì thế việc thay thế thiết bị mà không cần đến các công cụ này là điều không thể. • Thiết bị với chuỗi tham số hóa và dạng dữ liệu phức tạp (như hiển thị thông tin dạng đồ họa hay video) không thể mô tả bằng các ngôn ngữ đã nói ở trên. Các thiết bị này cần công cụ khai thác riêng (như máy quét Laser). Hình 5: Các công cụ khác nhau và nhiều đầu vào dữ liệu trong việc tích hợp các thiết bị trường. Cấu hình thông tin trên bus trường Ngôn ngữ GSD Một đoạn thông tin sẽ được cấu hình theo từng thiết bị nhất định. Tốc độ baud, địa chỉ của thiết bị và các tham số định thời thông tin đặc biệt phải được điều chỉnh theo tập hợp thiết bị và các đặc tính của chúng. Vì thế, các bus trường cung cấp tính năng thông tin được liệt kê dưới dạng máy đọc được. Mỗi thiết bị sẽ được bán ra cùng với một danh sách như thế, và sẽ được sử dụng bởi công cụ cấu hình để tạo ra cấu hình truyền tin khả thi hoặc tối ưu nhất. Một ví dụ đó là PROFIBUS GSD. GSD có nghĩa là German Device Data Base – GeräteStammDaten. GSD mô tả các tính năng truyền tin và dữ liệu tuần hoàn của các thiết bị đơn giản như thiết bị vào ra số và tương tự. Tính năng truyền tin bao gồm tốc độ baud, các tham số thời gian giao thức truyền, và sự hỗ trợ của các dịch vụ và chức năng PROFIBUS (như cấp địa chỉ từ xa). Các thiết bị vào ra đơn giản thường dưới dạng module. Một thiết bị cơ bản với bộ nguồn và khối xử lý trung tâm có một vài khe cắm, cho phép cắm vào các module có tính chất tín hiệu khác nhau (số hoặc tương tự; 2, 4, 8, 16 kênh). Tùy theo module được chọn, các tập hợp dữ liệu khác nhau sẽ được chuyển tuần hoàn giữa các thiết bị PROFIBUS master và slave. Nói cách khác, mỗi module sẽ đóng góp tập hợp dữ liệu đặc trưng của mình cho bức điện tín tuần hoàn. Nếu ta coi các công cụ cấu hình cho thiết bị PROFIBUS master là công cụ hoạt động không phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị, thì một mô tả rõ ràng và độc lập với các nhà sản xuất là cần thiết đối với module thiết bị. Đây chính là nhiệm vụ thứ hai của mô tả GSD. Ngôn ngữ GSD là một danh sách từ khóa đi kèm với các giá trị được gán cho mỗi thuộc tính của giao thức PROFIBUS DP và đặc tính của module. Ví dụ sau cho thấy hình ảnh của một file GSD (Hình 6). Các module được đặc trưng bởi từ khóa “Module”. Giữa hai từ khóa Module và End_module là các khai báo để truyền dữ liệu vào bản điện tín tuần hoàn dưới dạng mã nhị phân, còn gọi là các byte nhận dạng. Mỗi module có một tên gọi được hiển thị trên màn hình công cụ cấu hình. Nếu module được chọn, các byte nhận dạng riêng sẽ được nối vào nhau thành chuỗi cấu hình, và được truyền từ master đến slave trong quá trình khởi tạo truyền dữ liệu tuần hoàn (dịch vụ CFG của PROFIBUS-DP [2]). Thêm vào đó, phạm vi và giá trị mặc định của các biến có thể đươc cấu hình nhờ khả năng khai báo biến của GSD. Hình 6: Một phần của file GSD. Bộ công cụ GSD Tất cả các nhà sản xuất PROFIBUS DP bắt buộc phải bán thiết bị kèm theo một file GSD, được kiểm tra bởi Tổ chức người dùng PROFIBUS (PROFIBUS User Organisation – PNO). PNO cung cấp một bộ soạn thảo GSD đặc biệt, chỉ dẫn cho các kỹ sư trong quá trình phát triển GSD (Hình 7). Các kỹ sư sẽ lựa chọn tính năng của thiết bị từ một tập lớn tất cả các chức năng PROFIBUS-DP đã có. Trình soạn thảo sẽ tạo ra file ASCII đúng cú pháp GSD. File này sẽ không được dịch. [...]... cuối, người tích hợp hệ thống sẽ đảm nhiệm việc thiết kế, trang bị và chuẩn bị tài liệu Mục đích của người tích hợp là giảm thời gian kỹ thuật để giải quyết các vấn đề phối hợp nhưng không làm tăng nỗ lực để thiết kế ứng dụng tối ưu liên quan đến chất lượng sản phẩm được tạo ra từ hệ thống điều khiển Hiệu quả công việc của kỹ sư tích hợp phụ thuộc trực tiếp vào sự hỗ trợ của mô tả thiết bị dễ xác định,... thể được triển khai vào các chương trình PLC thay vì nhúng phần mềm vào thiết bị trường Vì thế, nhà sản suất trở nên linh động hơn với nhu cầu của người dùng Tích hợp hệ thống thiết bị trường Vấn đề thường thấy đối với các công nghệ được mô tả ở phần trên đó là giới hạn về phạm vi dữ liệu trong các công cụ độc lập Các hệ thống kỹ thuật và giám sát (Hình 4) cần dữ liệu ... EDD, cho phép đánh giá lại và cải tiến thiết bị ngay cả khi nó chưa hình thành Đối với người dùng, lợi ích lớn nhất đó là khả năng sử dụng lẫn các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau, với sự tin tưởng mỗi thiết bị có thể hoạt động với toàn bộ khả năng của nó Những nâng cấp ở mức trường cho phép thiết bị chủ làm việc với các thiết bị trường mới, qua đó thúc đẩy các tiến bộ trong nghiên cứu thiết bị trường. .. Hình 8: Công cụ và thao tác của GSD Tham số hóa ứng dụng thiết bị trường – Ngôn ngữ mô tả thiết bị Để thực hiện tham số hóa, trước tiên có thể phân biệt hai dạng người dùng: • Người dùng cuối hay người vận hành máy móc xí nghiệp; • Người làm nhiệm vụ tích hợp hệ thống Đối với người dùng cuối của một hệ thống điều khiển phân tán, điều quan trọng nhất có liên quan đến mô tả thiết bị đó là “tính trong suốt”... (Proxy) sẽ tổ chức các mối liên hệ chức năng và dữ liệu giữa các thiết bị trường và bộ điều khiển khả trình (Hình 11) Các thiết bị trường được triển khai một số bộ xử lý tín hiệu, ví dụ như định tỷ lệ hay kiểm tra giới hạn, là một phần của các thư viện thuộc bộ điều khiển khả trình sử dụng công nghệ 4-20 mA Kết quả của sự thay đổi này đó là sự ngắt quãng của chuỗi chức năng đã được thực hiện trong một chương... trường EDD được giới hạn trong việc mô tả một thiết bị đơn lẻ và được sử dụng bởi một công cụ gần như độc lập Việc xác định một DDL được tiêu chuẩn hóa sẽ góp phần làm tăng số lượng người dùng tiềm năng cho các công cụ phần mềm và thúc đẩy quá trình tự động hóa trên nền bus trường Hình 10: Ví dụ về mô tả thiết bị Lập trình các ứng dụng điều khiển với các chức năng thiết bị trường tích hợp Khái niệm ủy nhiệm... quyết các vấn đến này; tuy nhiên các chuẩn này chưa xuất hiện rộng rãi trên thị trường Sẽ thuận tiện hơn nếu bộ lập trình PLC có thể sử dụng các chức năng phân tán bên trong môi trường lập trình thông thường của nó với tất cả các tính năng tiêu biểu Điều này là có thể nếu trong thư viện PLC có khối chức năng của thiết bị Khối chức năng thiết bị này mô tả thiết bị trường bằng dữ liệu đầu vào và giao... nhận trên thị trường Vì thế PROFIBUS được xây dựng trên tiêu chuẩn kỹ thuật của riêng nó, dựa trên IEC [xx] Proxy là những thành phần bổ sung phải được cung cấp bởi nhà sảng xuất thiết bị trường Đây là hệ quả của sự gia tăng chức năng thiết bị và sự phân tán của hệ thống Các proxy là nền tảng rất tốt cho các chức năng của nhà sản xuất và người dùng quy định, nó có thể được triển khai vào các chương trình... với một công cụ phần mềm Hiện nay các thiết bị khác nhau với các tài nguyên riêng biệt, được bố trí theo các kiểu không đồng bộ, thực hiện chức năng và sẽ là không rõ ràng nếu thứ tự chuỗi hoạt động theo cách cần thiết Thêm vào đó, PLC và các thiết bị trường được lập trình với các công cụ khác nhau Các chuẩn IEC 61499 (IEC 61499, 2001), PROFInet (PROFInet, 2002), và IDA (IDA, 2001) cung cấp các phương... 10 Lợi ích chủ yếu mà ngôn ngữ mô tả thiết bị (DDL) đem lại cho nhà cung cấp đó là nó tách riêng quá trình sản xuất thiết bị chủ và thiết bị trường Mỗi nhà thiết kế có thể hoàn tất việc phát triển sản phẩm với một sự đảm bảo rằng sản phẩm mới sẽ phối hợp chính xác với các thiết bị hiện tại hoặc cũ hơn, cũng như với các thiết bị sẽ xuất hiện trong tương lai Thêm vào đó, chương trình mô phỏng có thể . Công nghệ tích hợp cho các thiết bị trường trong điều khiển phân tán và các hệ thống kỹ thuật 1. Giới thiệu Kỹ thuật điều khiển hệ thống và trang thiết bị tự động hóa công nghiệp. sinh và những công nghệ mới xuất hiện nhằm hỗ trợ nhà sản xuất và nhà tích hợp hệ thống đã được giới thiệu. Tất cả các công nghệ tích hợp này đã hỗ trợ cho việc trang bị các thiết bị trường. Những. bên trong PLC hoặc DCS. Các thiết bị trường này còn được biết đến với cái tên thiết bị thông minh. Hệ quả của điều này đó là các hệ thống phân tán. Các công cụ để thiết kế và lập trình các