Mô hình điều khiển số một quá trình sản xuất

Nội dung text: Mô hình điều khiển số một quá trình sản xuất

1. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Mô hình điều khiển số một quá trình sản xuất Đinh Văn Thắng 1, * 1 Khoa Cơ -Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, E-mails (dinhvanthang@humg.edu.vn); THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Ứng dụng kỹ thuật tính trong tự động điều khiển là một trong những đặc Nhận bài 17/06/2021 điểm quan trọng bậc nhất trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay. Các lĩnh Chấp nhận 17/7/2021 vực công nghiệp, giao thông vận tải, hệ thống thông tin truyền thông và quản Đăng online 19/12/2021 lý bảo vệ môi trường toàn cầu phụ thuộc và liên quam mật thiết với hệ thống Từ khóa: máy tính điều khiển. Điều khiển số quá trình công nghệ khác nhiều so với xử Điều khiển quá trình, điều lý số liệu thông thường. Giống như trong các máy tính ngày nay, các dữ liệu vào là dạng số hay các ký tự, do đó chúng có thể được lưu trữ hoặc trao đổi khiển số, quá trình công thông tin thông qua nhiều vật mang thông tin khác nhau. Nguyên tắc điều nghệ, mô hình hệ thống, khiển số trực tiếp được ứng dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển bằng điều khiển theo chương máy tính hiện đại ngày nay. Nhược điểm của hệ thống điều khiển số trực tiếp trình phụ thuộc vào độ tin cậy của hệ thống máy tính trung tâm, vì thế có thể khắc phục được nhược điểm trên băng cách lắp đặt hai hệ thống máy tính điện tử trung tâm làm việc dự phòng song song, điều này có thể làm tăng giá thành đầu tư hệ thống điều khiển lên một cấp. 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. © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu năm 1959 trong ngành công nghiệp hoá dầu thuộc tập đoàn “TEXACO” bang Tecdat Hoa Kỳ. Tập Ứng dụng kỹ thuật tính trong tự động điều đoàn TEXACO kết hợp với hãng máy tính điện tử khiển là một trong những đặc điểm quan trọng Thomson Ramo Wooldridge chế tạo và thử bậc nhất trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay. nghiệm máy tính điều khiển mang tên RW300. Các lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải, hệ Máy tính RW300 được chế tạo trên cơ sở sử dụng thống thông tin truyền thông và quản lý bảo vệ các bóng đèn điện tử chân không thực hiện các môi trường toàn cầu phụ thuộc và liên quam mật chức năng kiểm soát nhiệt độ, áp suất, nồng độ và thiết với hệ thống máy tính điều khiển. Thực tiễn lượng tiêu hao cấp liệu vào và tính toán những tác ở các quốc gia có nền khoa học kỹ thuật phát triển động điều khiển cần thiết cho quá trình công nghệ chỉ ra rằng; hầu hết các hệ thống hạ tầng kỹ thuật lọc dầu nhằm chỉ dẫn cho người điều độ điều từ giao thông vận tải đường sắt đến vận hành điều khiển bằng tay các thao tác cần thiết. Một bước khiển lò phản ứng điện hạt nhân không thể thiếu tiến hết sức quan trọng được ghi nhận vào năm hệ thống điều khiển dù thô sơ hay hiện đại. Hệ 1962 bởi tập đoàn công nghiệp hoá chất Anh ICI thống máy tính điện tử số (trong đó có cả các máy (Imperial Chemical Industries) đặt hàng hệ thống tính điện cá nhân PC) giữ vai trò mấu chốt và quan tích hợp điều khiển số trực tiếp. Nền tảng của ý trọng. Ứng dụng máy tính điện tử trong điều khiển tưởng ban đầu trong hệ thống điều khiển này là quá trình công nghệ được thử nghiệm đầu tiên vào thay thế các bộ điều khiển theo nguyên tắc tương 237
2. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) tự trước đây thành bộ điều khiển số được điều Ví dụ minh họa đầu tiên về hệ thống điều khiển khiển qua máy tính trung tâm. Những tấm Panel số có thể kể ra đó là hệ điều khiển trong công điều khiển có kích thước khổng lồ và giá thành cao nghiệp hoá chất hoặc điều khiển một hệ thống nhà với hàng trăm nút điều chỉnh tương tự, cơ cấu tự ga đường sắt cỡ lớn hay điều khiển quỹ đạo bay ghi được thay thế bởi vài thiết bị đầu cuối nhỏ gọn của một con tầu vũ trụ. Có thể hình dung là tất cả và thuận tiện giống như ngày nay (Густав Олссон, các hệ thống điều khiển này đều có những khối Джангуисто, 2001). chức năng điều khiển giống nhau như: khối thu 2. Mô hỉnh hệ thống điều khiển số công nghiệp thập dữ liệu; các bộ định thời hay các khối điều khiển ngắt; vòng liên lạc phản hồi; giao tiếp trao Những ứng dụng điển hình về điều khiển số đổi thông tin với các máy tính điều khiển khác và thường có mặt phổ biến ở rất nhiều nơi trong sản tương tác điều khiển người - máy tính (HMI). xuất công nghiệp hiện đại, khởi đầu từ dây chuyền Nhìn chung hệ thống điều khiển số các quá sản xuất sản phẩm tiêu dùng đến sản phẩm công trình công nghệ được bao gồm từ những thành nghệ cao. Trong các xe ô tô hiện nay, người ta sử phần cơ bản sau đây (hình 1). dụng các bộ vi xử lý để điều khiển thời điểm đánh lửa, bộ trộn nhiên liệu cũng như hệ thống điều hòa không khí trong buồng hành khách. Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số các quá trình công nghệ có thể là: động cơ servo; van thuỷ lực; van khí nén; 1. Máy tính điều khiển; v.v. 2. Kênh truyền dẫn thông tin; Hệ thống điều khiển số làm việc chỉ với thông 3. Các bộ biến đổi số - tương tự và tương tự tin dưới dạng số hoá, vì vậy những tín hiệu nhận - số (AD & DA); được từ các bộ cảm biến đo lường cần phải được 4. Các cảm biến đo lường và cơ cấu thừa xử lý số hoá nhờ bộ biến đổi tương tự số. Những hành; thông tin của các đối tượng điều khiển từ khoảng 5. Các quá trình công nghệ cụ thể. cách xa được truyền qua kênh truyền tin đến máy Các quá trình vật lý được kiểm soát nhờ các bộ tính điều khiển trung tâm để thực hiện các nhiệm cảm biến thực hiện chức năng biến đổi thông số vụ: đại lượng vật lý thành tín hiệu điện (dòng điện hay - thu thập tất cả các thông tinh vật lý từ quá điện áp) . Cuối cùng các đại lượng điện được biến trình; đổi thành những tác động vật lý như chuyển động, - ra lệnh điều khiển tương ứng với thuật toán dịch chuyển, quay phục vụ cho các mục đích khác của chương trình xử lý tín hiệu; nhau (đóng mở van, ). Ví dụ về cơ cấu thừa hành 238
3. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) - phát lệnh điều khiển đến bộ phận thực thi không thể được tích trữ với số lượng lớn ở một nhiệm vụ (cơ cấu thừa hành); khâu nào đó trông hệ thống mà vì thế việc sản xuất - phát lệnh điều khiển đến bộ phận thực thi ra điện năng đồng thời với tiêu thụ nó trong cùng nhiệm vụ (cơ cấu thừa hành); một thời điểm. Việc điều khiển quá trình sản xuất - trao đổi thông tin với người điều khiển và điện năng và công týac truyền tải phân phối đến thực thi lệnh của người điều khiển. các hộ tiêu thụ ccần phải đáp ứng nhanh và chính Những máy móc được điều khiển theo chương xác. Để đạt được điều này, ngoài hàng loạt các căn trình với nguyên tắc số (Numerical control – NC) cứ khác, bộ phận điều độ cần theo dõi phụ tải của sản xuất ra sản phẩm có độ chính xác cao thường các hộ tiêu thụ điện thậm chí cả khoảng thời gian vận hành theo quy trình công nghệ chuẩn mực, của các chương trình phát sóng truyền hình hay từ theo một trình tự thứ tự thao tác xác định nào đó. lúc bắt đầu đến khi kết thúc. Những cỗ máy này được ứng dụng trong mọi lĩnh 3. Hệ thống điều khiển số quá trình ép nhựa vực sản xuất công nghiệp, trong đó sự làm việc của tổng hợp sản xuất vật dụng chúng hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình phần mềm điều khiển cho trước và có thể thay thế Quá trình ép nhựa trong các nhà máy sản xuất một cách nhanh chóng và dễ dàng. Tính mềm déo vật dụng nhựa tổng hợp là một dây chuyền công của các ro bốt công nghiệp và tính đa dạng của các nghệ hoàn chỉnh có tính lặp lại. Điều khiển quá thao tác mà chúng thực hiện đều do các máy tính trình ép nhựa - một khả năng ứng dụng điển hình điều khiển đảm nhiệm. Nếu một trong các ro bôt hệ điều khiển số sử dụng máy tính điện tử. bị sự cố, rô bôt khác có thể thực hiện chức năng Máy tính cần phải đồng thời vừa điều chỉnh thay thế nhằm duy trì hoạt động bình thường của nhiệt độ phù hợp vừa xác định trình tự các thao toàn bộ hệ thống (Воронов А.А, 1996). Trong hệ tác công nghệ. Khi áp dụng phương pháp lập trình thống mềm déo như vậy, sự hoạt động của từng cỗ thông thường thì bài toán xây dựng cấu trúc máy riêng lẻ và mối tương tác giữa chúng với nhau chương trình điều khiển trở nên bất khả thi vì thế được điều khiển thông qua một máy tính điều cần phải tiếp nhận cách tiếp cận mới. khiển trung tâm. Sơ đồ công nghệ ép nhựa được trình bày trên Kỹ thuật tính toán và điều khiển được ứng hình 2. Buồng cấp nhiệt dùng để nấu chảy nhựa dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nguyên liệu. Nhiệt độ của nhựa ép cần được khống như: công nghiệp hoá chất ; luyện kim; sản xuất chế ở một giá trị xác định. Máy tính điều khiển đo giấy và xenlulô; v.v. Những quá trình công nghệ đạc nhiệt độ buồng cấp nhiệt theo chu kỳ và tính khác nhau thường có những mối liên hệ, giữa toán lượng nhiệt cần thiết để duy trì ổn định nhiệt chúng những dòng vật chất thường xuyên chuyển độ. Phần dưới của sơ đồ ép nhựa là xi lanh ép, nó động qua lại. Những quy trình sản xuất như vậy có tác dụng đẩy một lượng nhựa nóng chảy cần mang đặc điểm của sản xuất liên tục (hàng loạt) vì thiết qua đầu đùn ép. Khi pit tông nằm ở cuối bên vậy độ tin cậy là yếu tố quan trọng hàng đầu. Ngoài phải của xi lanh, nhựa nóng chảy chứa đầy khoang ra với hệ thống này, các số liệu đo đạc là rất lớn, của xi lanh ép. Khi pit tông ép chuyển động từ phải khoảng độ thời gian của mmọt quá trình của một qua trái, áp lực được tạo ra sẽ đẩy nhựa vào khuôn xí nghiệp từ vài giây đến vài ngày, còn phạm vi khu qua đầu đùn. Vị trí của pit tông ép được kiểm soát vực sản xuất rất rộng thông qua cảm biến chuyển động của pit tông. Hệ thống điện thuộc loại có độ phức tạp rất lớn, Chuyển động tịnh tiến của pít tông ép sẽ dừng khi nó bao gồm các nguồn sản xuất điện năng như: máy tính nhận được số xung cần thiết cho trước thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, và hệ thống về vị trí của nó. truyền tẩi và phân phối điện năng quốc gia vô cùng Để đảm bảo năng suất ép của máy, nhiệt độ của phức tạp. Để mô tả hệ thống năng lượng điện ví dụ nhựa cần khống chế ổn định trong suốt quá trình cho một quốc gia nhỏ bé, cần thiết lập hàng nghìn thực hiện ép tạo sản phẩm. Hệ thống điều khiển số phương trình cho máy phát điện, tuốc bin, đường bằng máy tính cần kiểm soát nhiệt độ và chuyển dây tải điện và các phụ tải của hệ thống. Điện năng động của pít tông đồng thời. Ngoài ra, còn hai cảm 239
4. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) biến vị trí cuối phải và cuối trái của xi lanh ép sẽ khiển khi pít tông đạt điểm đầu và cuối của nó tạo ra tín hiệu dạng nhị nguyên đến máy tính điều trong hành trình. Hình 2. Sơ đồ công nghệ ép nhựa 4. Thuật toán điều khiển gia nhiệt cho nhựa cùng. Các bộ định thời trong máy tính điều khiển theo nguyên tắc gián đoạn sẽ làm nhiệm vụ tạo ra các tính hiệu ngắt chương trình điều khiển hiện thời sang một chương trình Điều khiển gián đoạn là thiết lập được khoảng khác khi có sự xuất hiện của tín hiệu báo hiệu hay luân phiên giữa các nhiệm vụ điều khiển. Với bài một khoảng thời gian quy định nào đó. toán cụ thể đặt ra như ví dụ trên, cả hai trương Lưu đồ thuật toán điều khiển máy ép nhựa như trình điều khiển độc lập đều được thực hiện trên sau: một máy tính là: một chương trình điều khiển nhiệt độ và một điều khiển di chuyển của pít tông nén. Phương pháp báo hiệu, được gọi là điều khiển gián đoạn được sử dụng để chuyển chức năng thực hiện của bộ xử lý trung tâm từ một chương trình điều khiển này sang chương trình điều khiển khác. Thực chất của vấn đề điều khiển gián đoạn là những tín hiệu bên ngoài thông báo cho bộ xử lý trung tâm biết về sự xuất hiện của chuỗi các sự kiện, những sự kiện này do các cảm biến gửi đến nhằm yêu cầu bộ xử lý trung tâm ngừng xử lý chương trình hiện thời để chuyển sang chương trình điều khiển khác (Olsson, Gustaf, 1985). Như vậy, tín hiệu bên ngoài tham gia vào quá trình thực hiện các modul chương trình khác nhau. Như vậy điều khiển gián đoạn luôn có yếu tố thời gian đi 240
5. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) trình điều khiển xác định. Khi bắt đầu cấp dòng điện cho dây đốt, chương trình điều khiển nhiệt độ sẽ khởi động bộ định thời và chờ tín hiệu điều khiển ngắt tiếp theo để tiếp tục thực hiện chương trình (chế độ chờ). 5. Thuật toán điều khiển số quá trình ép nhựa theo nguyên tắc gián đoạn Cũng tương tự như trên, chương trình điều khiển di chuyển pit tông ép nhựa với hai tín hiệu báo ngắt gián đoạn đó là: tín hiệu từ cảm biến vị trí cuối trái và một là tín hiệu cảm biến vị trí cuối phải của pít tông ép. Quá trình ngắt gián đoạn được thực hiện tương ứng với lệnh điều khiển dạng wait_interrupt(x), trong đó x là ký hiệu kênh tín hiệu vào ngắt. Thuật toán wait_interrupt thực thi lệnh dừng tức thì chương trình đang thực hiện và tiếp tục thực hiện tiếp khi và chỉ khi có tín hiệu báo hiệu từ bên ngoài yêu cầu. Hệ thống điều khiển gián đoạn cho phép bộ xử lý trung tâm chuyển thực hiện từ chương trình này đến chương trình khác theo tín hiệu nhận Hình 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển máy ép nhựa được từ bên ngoài yêu cầu. Nếu các modul chương Với phương pháp điều khiển gián đoạn, bài trình điều khiển là độc lập với nhau thì việc bổ toán điều khiển nhiệt độ được thực hiện bằng sung một vài modul chương trình không ảnh chương trình điều khiển nhiệt độ. Sự gián đoạn hưởng đến sự làm việc chung của hệ thống điều của chương trình điều khiển theo thời gian được khiển gián đoạn và không thay đổi cấu trúc có sẵn thực hiện nhờ biến nhiệt - thời gian trong chương của hệ thống điều khiển. 241
6. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Hình 4. Lưu đồ thuật toán điều khiển số quá trình ép nhựa theo nguyên tắc gián đoạn 242
7. HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 6. Kết luận cho máy ép nhựa tổng hợp trong sản xuất đồ vật dụng nhựa. Hệ thống điều khiển số được sử dụng ngoài vai trò chức năng điều khiển thiết lập trình tự thao tác trong công nghệ nói chung, nó thực hiện một số các Tài liệu tham khảo chức năng nhiệm vụ khác như: nhận biết các tín Густав Олссон, Джангуисто. Цифровые hiệu khẩn cấp và xử lý các tình huống này hiệu quả системы автоматизации и управления. nhất. Ngoài ra nó còn thu thập các thông tin hiện Издательство Невский диалект, Санкт- thời của hệ thống, tính toán thống kê các dữ liệu, Петербург. 2001 hiển thị các thông tin trạng thái của hệ thống cho người điều độ biết và thực hiện các lệnh điều khiển Воронов А.А. Основы теории автоматического từ người điều độ. Với nội dung bài viết này, tác giả управления. М.: Энергия. 1966 mong muốn giới thiệu đến đọc giả về mô hình hệ Olsson, Gustaf. Control Strategies for the activated thống điều khiển số các quá trình sản xuất công sludge process. New york: Pergamon Press, nghệ nói chung và đưa ra mô hình điều khiển số 1985. 243