Mô hình phân cấp chức năng của 1 nhà máy công nghiệp

[ATYLA]

Mô hình phân cấp

[ATYLA]

Các cấp chức năng cơ bản

1 Các cấp chức năng cơ bản

a. Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (smart device) có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển.

b. Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin theo thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các chấp hành. Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Trong một hệ thống điều khiển tự động, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính.
Do đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin, nên khái niệm cấp xử lý (process level) cũng hay được sử dụng. Tuy nhiên, khái niệm này không được chính xác vì trong các hệ thống tự động hoá hiện đại, việc xử lý thông tin không phải là độc quyền ở cấp này. Như đã nêu trên, các thiết bị thông minh ở cấp cảm biến/chấp hành cũng có thể đảm nhận một phần việc này. Ngoài ra, việc thực hiện các chức năng ở bất kỳ cấp nào bên trên đều mang bản chất là xử lý thông tin.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng hay được gọi chung là cấp trường (field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật .

c. Cấp điều hành quá trình

Điều hành quá trình tức là điều khiển và vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường điều khiển, điều chỉnh, bảo trì hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của các cấp điều hành quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển khởi động/ dừng và điều khiển theo công thức (ví dụ như trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành quá trình thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt có giao diện mạng ngoài các máy tính điều hành.
Hiện nay, do nhu cầu tự động hoá tổng thể ở các cấp điều hành sản xuất và quản lý công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trong mô hình chức năng trở nên cần thiết. Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp điều hành quá trình và điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất, gọi chung là cấp điều hành.

2. Các cấp cơ bản của hệ thống mạng công nghiệp

a. Bus trường, bus thiết bị

Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vào/ ra phân tán, các thiết bị cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Khái niệm bus thiết bị được dùng phổ biến trong công nghiệp chế tạo như tự động hoá dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hoá toà nhà, sản xuất xe hơi. Bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên sự khác nhau này ngày càng không rõ rệt, trong thực tế người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường.
Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài ms. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin cảnh báo có tính chất bất thường.
Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, Interbus-S, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây có Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây.

b. Bus hệ thống, bus quá trình

Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình (process bus). Bus quá trình thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm thao tác và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và dữ liệu lưu trữ cũng được kết nối qua mạng này.
Sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus hệ thống không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được sử dụng, mà ở mục đích sử dụng hay nói cách khác là ở các thiết bị được ghép nối. Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được dùng cho cả hai cấp này.
Đối với bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm ms, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kBit/s đến vài Mbit/s.
Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng như Industrial Ethernet. Ngoài ra còn sử dụng PROFIBUS-FMS, Modbus Plus và Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet.

c. Mạng xí nghiệp

Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ: hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ...).
Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng MBytes. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/ SPX.

d. Mạng công ty

Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật.
Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng như thư viện điện tử e-library, thư điện tử email, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử e-commerce,...
Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tuỳ thuộc vào đầu tư của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt.
Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Ví dụ một số công nghệ tiên tiến được áp dụng ở cấp mạng này trong hiện tại và tương lai như là Fast Ethernet, FDDI, ATM.