Trong thực tế, một số chuyên gia trong ngành công nghiệp điều khiển coi sự hội tụ công nghệ như là một cơ hội đang đến cho một số người. Larry O’Brien, nhà phân tích của ARC Advisory Group, đã sử dụng hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất (PAS) để miêu tả tất cả các dạng của DCS, mini-DCS và điều khiển lai (hình 1).

Một điều quan trọng dễ nhận thấy là ranh giới trong thực tế công nghệ giữa một hệ điều khiển phân tán (DCS), bộ điều khiển logic khả trình (PLC) với điều khiển dùng máy tính cá nhân (PC) ngày càng bị xóa nhòa. Các thiết bị có truyền thống là được sử dụng với hệ điều khiển quá trình — nay đang được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển rời rạc truyền thống đã được sử dụng nhiều hơn trong cả điều khiển mẻ lẫn điều khiển quá trình.

“Bởi vì công nghệ cơ bản của các giải pháp hiện nay cho thấy nhiều nét tương đồng”, O’Brien nói. “Các loại phần cứng của hệ điều khiển khác nhau hiện nay được xây dựng từ nhiều thành phần công nghiệp tiêu chuẩn như là bộ vi xử lý của Intel. Do đó, điều khác biệt thực sự của các hệ điều khiển có thể nằm ở khía cạnh của phần mềm”.

O’Brien cũng chỉ ra rằng các nhà cung cấp giải pháp điều khiển quá trình và điều khiển rời rạc đang xâm lấn lãnh thổ của nhau. Sự cạnh tranh giữa họ ngày càng trở nên quyết liệt hơn, ví dụ như trong các ngành công nghiệp lai như công nghiệp thực phẩm và đồ uống, dược phẩm, và đặc biệt là ngành hóa chất. Trong những ứng dụng kể trên, yêu cầu về điều khiển quá trình và rời rạc thường xuyên được gắn liền với nhau, và do đó được kết hợp thành một giải pháp điều khiển. O’Brien cho rằng: “Ví dụ điển hình của quá trình lai là công nghiệp sản xuất bia. Nó đòi hỏi sự phối hợp của điều khiển mẻ, điều khiển theo thứ tự và điều khiển quá trình liên tục trong quá trình nấu bia, và điều khiển rời rạc trong các quá trình đóng chai, đóng gói và quá trình phân phối sản phẩm.

Một thị trường điều khiển đầy biến động

Liệu việc hội tụ công nghệ có làm cho người sử dụng hơi lúng túng? Một cuộc khảo sát nhỏ không chính thức giành cho những người sử dụng hệ DeltaV của Fisher-Rosemount cho thấy, khi được yêu cầu phân loại giải pháp điều khiển của mình, một số khách hàng nói đó là hệ DCS. Một số khác thì mô tả nó giống như hệ mini-DCS hay là bộ điều khiển lai. Có người lại cho rằng đó thậm chí phải là một hệ thống tự động hóa quá trình (PAS), mặc dù anh ta không hoàn toàn chắc chắn hiểu được ý nghĩa của thuật ngữ đó. Thế nhưng, mỗi người sử dụng đều biết được hệ thống có những chức năng gì và chúng hợp với nhu cầu điều khiển của mình như thế nào.

Nhìn vào sự pha trộn của các chức năng điều khiển trong các ngành công nghiệp khác nhau, theo ARC, sẽ cho ta thấy tại sao cả nhà cung cấp lẫn người sử dụng đòi hỏi khi không chắc lắm về dạng và kiểu cấu trúc của các giải pháp điều khiển. Các nhà cung cấp hệ điều khiển quá trình đang gia nhập thị trường truyền thống của các nhà cung cấp PLC, thông qua sự giới thiệu của bộ điều khiển lai. Và các nhà cung cấp PLC đang xâm lược thị trường điều khiển quá trình với các thiết bị thực hiện xử lý mẻ cũng như các chức năng điều khiển rởi rạc. Động lực trong mọi trường hợp là các nhu cầu của ngành công nghiệp về một giải pháp tổng thể không những chỉ cung cấp hệ điều khiển, mà còn mang tới quy trình sản xuất tự động, chất lượng sản phẩm và thông tin phục vụ việc bảo trì cho các hệ MES, ERF, và các chức năng công nghệ thông tin (IT) ở cấp độ cao hơn.

Thế giới của các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất bao gồm các chức năng như điều khiển SCADA, mẻ, lai, liên tục và giám sát chất lượng. Nó được thực thi thông qua sự kết hợp của các loại phần cứng, phần mềm và dịch vụ khác nhau. Các giải pháp phần cứng truyền thống bao gồm điều khiển DCS, PLC và điều khiển PC. Tuy nhiên, gần đây các bộ điều khiển lai (hybrid) đã gia nhập thị trường và chiếm lĩnh việc kinh doanh trong cả các ngành công nghiệp điều khiển quá trình lẫn điều khiển rời rạc. Nó rõ ràng phù hợp với nhu cầu của các ngành công nghiệp như hóa chất, dược phẩm, rượu bia… đòi hỏi sự kết hợp giữa các chức năng điều khiển quá trình và rời rạc.

Tuy nhiên, ngay cả trong ngành công nghiệp hóa dầu và lọc dầu, nơi mà các hệ thống điều khiển liên tục ngự trị, thì vẫn có một số lượng các chức năng điều khiển mẻ và rời rạc. Trong nhiều trường hợp, song song với các quá trình liên tục, các chức năng này cũng có thể được thực hiện dễ dàng trong một cơ sở dữ liệu của hệ điều khiển lai. Rốt cục thì, các công ty cũng có thể sử dụng hệ thống này để xây dựng cấu trúc mạng máy tính và cung cấp các dữ liệu cần thiết cho việc quản lý dây chuyền sản xuất, MES, ERP và các chức năng IT khác.

Với xu thế ngày càng tăng, các dữ liệu sản xuất giúp cải thiện năng suất sản xuất là nhân tố quyết định của các công ty trong thị trường mang tính cạnh tranh cao. Chẳng hạn như công ty Equistar Chemicals, Houston (Mỹ). Theo kỹ sư trưởng Robert Brown, bằng cách lắp thêm các hệ MES vào hệ điều khiển DCS truyền thống của mình, Equistar Chemicals đã tạo ra các công cụ thống kê và thuật toán cho việc xác định một cách tối ưu các nguyên liệu chế biến, quy trình sản xuất và các chiến lược hậu cần để đẩy mạnh hiệu suất và giảm chi phí.

Hơn nữa, các công ty như Atofina Chemicals ở Philadenphia đang sử dụng phần mềm lưu trữ số liệu và phân tích ứng dụng nhằm hiểu rõ hơn về các tham số điều khiển phục vụ việc cải thiện hiệu suất hay chất lượng sản phẩm. Bằng cách thiết lập các số liệu làm ranh giới, công ty có thể đánh giá hiệu suất của hệ thống và điều chỉnh chính xác các quá trình sản xuất của mình. Việc cải tiến quá trình sản xuất có thể bị lệch hướng nếu thiếu các phân tích thống kê chi tiết và dẫn tới việc phán đoán sai, chẳng hạn, trục trặc thực tế nằm ở van hay đường ống ta lại đi thay bơm.

Phần 2: DCS: Miền đất của những người khổng lồ

“DCS thực sự đã nảy sinh từ những ngành công nghiệp nặng sử dụng điều khiển quá trình. Nhưng thị trường và thiết bị đã thay đổi đáng kể qua nhiều năm. Thế giới của DCS và PLC đang pha trộn với nhau như trường hợp một số hệ DCS hiện đang được vận hành trên nền Windows NT và giao diện Người — Máy (HMI) cũng đang được kết hợp với PLC.

DCS: Miền đất của những người khổng lồ

Các nhà máy có quá trình sản xuất liên tục như lọc dầu, hóa dầu, giấy và bột giấy, cán thép hay dệt… vẫn chủ yếu dựa vào các giải pháp DCS. Một vài nơi đã chuyển các ứng dụng mới sang sử dụng các hệ điều khiển lai, nhưng các hệ thống qui mô lớn được kế thừa vẫn điều khiển hầu hết các quá trình sản xuất liên tục. Thậm chí PLC cũng không bị tách khỏi hình ảnh của các nhà máy lớn sử dụng hệ điều khiển quá trình liên tục. Chúng thường được sử dụng cho điều khiển rời rạc trong các chức năng như băng tải, điều khiển động cơ và máy móc.

“DCS thực sự đã nảy sinh từ những ngành công nghiệp nặng sử dụng điều khiển quá trình.”, George Dolan, một kỹ sư điều khiển và nhà tư vấn với vồn kinh nghiệm thu được từ các công ty Lonza Chemicals, Exxon, Nalco, Texas Instruments, STRG Controls và một số nơi khác, khẳng định: “Nhưng thị trường và thiết bị đã thay đổi đáng kể qua nhiều năm. Thế giới của DCS và PLC đang pha trộn với nhau như trường hợp một số hệ DCS hiện đang được vận hành trên nền Windows NT và giao diện Người — Máy (HMI) cũng đang được kết hợp với PLC. Trong thực tế, một bộ PLC hiện nay có thể làm được gần như tất cả những gì một hệ DCS có thể làm được. Tôi biết, bởi tôi đã vượt qua một cách thành công ranh giới đó và đặt một bộ PLC với HMI phụ trách một ứng dụng điều khiển quá trình liên tục. Hệ DCS có thể vẫn mang tới một vài lợi thế khi nó có chế độ dự phòng và thay đổi trực tuyến, tuy nhiên hiện nay các hệ PLC mới cũng có thể mang tới cho chúng ta những điều ấy”.

Dolan cân nhắc đến việc hệ PLC có thể là một giải pháp ít tốn kém hơn đối với một số ứng dụng đã nêu trên so với hệ DCS. Tuy nhiên, trải qua một vòng đời của ứng dụng đó, khoảng 15 — 20 năm, nó sẽ phát sinh thêm các chi phí như khắc phục sự cố, bảo dưỡng, bổ sung cơ sở dữ liệu và liên lạc làm tăng chi phí về lâu dài của PLC. Ông thú nhận rằng phần mềm quá trình mới thậm chí đang giúp các máy tính công nghiệp tìm thấy một vị trí thích hợp trong các ứng dụng pha trộn giữa điều khiển mẻ và điều khiển rời rạc, đặc biệt khi các công thức pha chế được tham gia vào các quá trình nhuộn phẩm màu, nung, trộn, khuấy, điều khiển mẻ, thu thập số liệu, báo cáo và phê chuẩn chất lượng. Ông tin rằng khả năng này đang đẩy nhanh thêm xu thế hướng tới các hệ thống mở rộng hơn, các máy tính công nghiệp, và điều khiển phân tán thực sự xảy ra trên thực tại hiện trường đang đối đầu với một phòng điều khiển DCS trung tâm hay từ xa. Tuy nhiên, ông vẫn giữ quan điểm rằng sự tích hợp cấp độ cao với MES, ERP và IT dễ thực hiện hơn với một hệ DCS hơn là với một PLC hay PC tại khía cạnh này trong quá trình tiến triển của chúng.

Ben Fairweather, kỹ sư điều khiển chính tại nhà máy giấy Appleton Coated Paper, Combined Locks, Wis nói: “Chúng tôi đã sử dụng hệ DCS phục vụ việc điều khiển quá trình và các bộ khởi động động cơ trong nhiều năm và chúng tôi đã dựa chủ yếu vào chúng. Tuy nhiên nhiện nay chúng tôi lắp thêm một hệ điều khiển lai để sử dụng cho các máy sản xuất giấy của mình để điều khiển chân không, lưu lượng, mức, vòng lắp nhiệt độ và nhiều chức năng riêng rẽ khác như điều khiển việc đóng cắt van. Chúng tôi cũng sử dụng thêm PLC để điều khiển động cơ và những ứng dụng rời rạc khác. Hệ điều khiển lai cung cấp giao diện Người — Máy (HMI) cho các động cơ. Vì vậy, chúng tôi nâng tính linh hoạt của OPC của hệ đó để thực hiện vai trò điều khiển”.

Còn theo người giám sát hệ thống quá trình của nhà máy lọc dầu Ultramar Golden Eagle tại Martinez, California — Peter King, họ có hầu như mọi kiểu các bộ điều khiển đều có trên đời. “Chúng tôi có tất cả những gì bạn nhắc đến. Nhưng nhà máy của chúng tôi chủ yếu dựa vào DCS cho các điều khiển liên tục và một vài bộ PLC phục vụ cho dịch vụ điều khiển rời rạc. Thậm chí chúng tôi có cả một vài bảng điều khiển panel đang trong quá trình thay thế.”

Ngoài chức năng điều khiển liên tục, phương tiện này thực hiện một phần nhỏ của điều khiển mẻ trong công đoạn trộn các loại dầu lửa. PLC được sử dụng trong việc vận hành van từ xa, hệ thống đóng khẩn cấp, các loại điều khiển trượt khác và việc giám sát sự thải khí. PC được phân tán khắp nhà máy, nhưng được sử dụng chính để phục vụ giao diện Người — Máy và một vài bộ điều khiển tuốc-bin khí. “Tuy nhiên, hệ DCS được kết hợp từ phần cứng tới phần mềm cho phù hợp với những ứng dụng riêng của chúng tôi”, King nói. “Đó là một sự kế thừa chắc chắn sẽ chiến thắng”.

Marty Robbins, quản lý kỹ thuật điều khiển quá trình của công ty Georga — Pacific, Palatka, Fla, sử dụng hệ DCS để điều khiển 3 dây chuyền sản xuất giấy ăn và 2 dây chuyền giấy gói hàng, 13 nồi nấu, bộ giám sát hệ thống cấp điện và một nhà máy xử lý nước. Mặc dù các PLC được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển rời rạc, một số chức năng trên cũng có thể được điều khiển bằng DCS. Nhà máy cũng sử dụng thêm một hệ thống Ethernet cáp quang 100Mbit có dự phòng đấy đủ phục vụ việc liên lạc quá trình. Trong tương lai, Robbins dự định bổ sung hệ điều khiển cao cấp và điều khiển dự báo hiện đại cho các hệ thống đang sử dụng. “Nó không những giúp chúng tôi trong việc tối ưu hóa các quá trình mà còn cung cấp thông tin nhiều và tốt hơn để hỗ trợ quản lý sản xuất và bảo trì thiết bị”.

“Nói chung, tôi thường sử dụng DCS trong các ứng dụng liên quan đến hóa chất, dầu khí hoặc hóa dầu, cũng như các quá trình liên tục quy mô lớn khác”, Dolan nói. “Đối với các ứng dụng riêng rẽ như đóng gói, vận chuyển sản phẩm và các ứng dụng độc lập khác, tôi sẽ trộn lẫn PLC vào trong các phương trình điều khiển. Bên cạnh các ngành công nghiệp nêu trên, ngành công nghiệp kim loại sẽ thường sử dụng hệ mini-VAX với PLC để điều khiển. Ngành công nghiệp chất dẻo thường thích sử dụng các hệ điều khiển của riêng mình cho những việc như quá trình phun tạo khuôn, ép… Chúng có thể sử dụng điều khiển dạng PLC và HMI. Tuy nhiên, các lò phản ứng chất dẻo nhựa thông lại thường sử dụng DCS với bộ dự phòng 3 cấp bởi các quá trình rất phức tạo và khó để tái khởi động nếu có sự cố xảy ra.”
Các hệ thống lai điều khiển cả chức năng liên tục lẫn rời rạc, và được trang bị tốt nhằm cạnh tranh trong các thị trường quá trình điều khiển mẻ, điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA).

Giải pháp nổi bật: Điều khiển lai

Những bộ điều khiển lai đang vượt qua các ranh giới giữa các giải pháp DCS và PLC. Không phải là ngẫu nhiên khi các hệ thống này đang tập trung vào những ngành công nghiệp lai đang phát triển nhanh và sinh lời như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất tinh chế và chất bán dẫn.

Ví dụ của những hệ thống điều khiển lai mới này bao gồm Siemens Simatic PCS7, Delta V của Fisher-Rosemount, PlantScape của Honeywell, Micro I/A của Foxboro, Rockwell ProcessLogix và Centum CS 100 của Yokogawa. Như người ta vẫn dự đoán, thị trường được phân chia thành 2 mảng. Một mảng chủ yếu dựa vào DCS phục vụ cho những ứng dụng điều khiển quá trình và rời rạc của mình; mảng còn lại trông cậy vào PLC với những bộ điều khiển đa vòng lặp và vòng lặp đơn cho các chức năng quá trình. Lý tưởng mà nói, các giải pháp điều khiển này được sử dụng trong những tình huống có sự pha trộn giữa các thiết bị quá trình hiện trường kết hợp với PLC hoặc một sự phối hợp giữa PLC và các bộ điều khiển đa vòng lặp và vòng lặp đơn.

Ví dụ như công ty ARCO Alaska, đã làm một việc có tính đột phá khi vài năm trước đây mua một hệ thống điều khiển lai thay thế cho bộ PLC. Các ứng dụng khác, chẳng hạn như nhà máy bia, đều tăng nhiều các đầu vào/ra số (digital), theo ARC, và đòi hỏi các hệ thống lai có thể điều khiển những trạm công tác lớn có nhiều đầu vào/ra số. Hiện nay, các nhà cung cấp giải pháp điều khiển lai cũng đã nâng khả năng quản lý hệ thống của mình lên cấp độ cấp độ doanh nghiệp và cung cấp việc quản lý dây chuyền. Điều này đã kích thích sự quan tâm mới của người dùng và sự tăng trưởng của thị trường.

“Bộ điều khiển lai thực hiện một cách lý tưởng việc điều khiển quá trình liên tục (DCS) và điều khiển rời rạc (PLC) cũng như điều khiển mẻ và logic”, Paul McLaughlin — Giám đốc công ty PlantScape Engineering, Honeywell Industrial Control, Fort Washington cho biết. “Sự khác biệt thực sự duy nhất là ở trong các thuật toán được sử dụng”. Các hệ điều khiển lai có thể cung cấp một cơ sở hạ tầng mức DCS cũng như SCADA, và được sử dụng trong tự động hóa quá trình cũng như tự động hóa rời rạc.

McLaughlin nói: “Các chức năng tự động hóa sẽ tiếp tục được củng cố cho tới khi các nhà cung cấp đưa ra được những giải pháp công nghiệp đồng bộ. Điều đó có thể cho kết quả trong việc làm xáo trộn các hoạt động kinh doanh hệ DCS và/hoặc PLC hiện hành, nhưng nếu chúng tôi không làm vậy thì sự cạnh tranh sẽ xảy ra. Chúng tôi kinh doanh các giải pháp công nghiệp có khả năng thay đổi về quy mô, khả năng sẵn sàng sử dụng của các ứng dụng nhúng trong đó cao, như vậy chúng tôi cạnh tranh với các giải pháp DCS và PLC — chứ không phải với các sản phẩm điều khiển bằng PC”.

Các hệ thống lai khá linh hoạt. Chúng có thể cung cấp tính năng của HMI/SCADA, điều khiển liên tục phức tạp và rời rạc, hoặc những chức năng đòi hỏi khắt khe cho ngành lọc dầu và hóa dầu; từ dưới 10 cho tới 20.000 hay 30.000 điểm công nghệ bus liên vận hành bao gồm Profibus DP, Foundation Fieldbus, AS-I bus và DeviceNet. Chúng thường xuyên làm nổi bật các tiêu chuẩn mở như OLE cho điều khiển quá trình (OPC), XML và ODBC đồng thời trội hơn trong các hệ thống lập kế hoạch doanh nghiệp tích hợp với các thiết bị ở mức thấp hơn như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA.

Tom Shaw, nhà quản lý tự động hóa thuộc nhà máy Cargill/Vitamin E tại Eddyville, Lowa, mô tả cách nhà máy của mình gần đây chuyển sang hệ thống điều khiển lai từ một môi trường liên hợp giữa điều khiển DCS và PLC nhằm đạt được một môi trường có cấu hình kỹ thuật chung và một cơ sở dữ liệu thống nhất. “Loại bỏ các cơ sở dữ liệu riêng rẽ cho điều khiển quá trình và điều khiển rời rạc là một lợi thế lớn của việc vận hành” — Shaw nói — “Ngay bây giờ, hệ thống lai quản lý các bộ điều khiển quá trình, mẻ và rời rạc. Thêm vào đó, nó giao diện với hệ thống DCS cũ của chúng tôi và cung cấp một cơ sở dữ liệu thống nhất. Điều khiển lai phù hợp với tất cả các nhu cầu về điều khiển và nhu cầu về số liệu của chúng ta một cách đơn giản. Có thể chắc chắn khi nói rằng tất cả các yêu cầu về điều khiển của chúng ta trong tương lai cũng sẽ chuyển sang điều khiển lai”.

Công ty Vernon Mills Textiles tại Trion, Ga., đang chuyển từ một hệ thống 3 DCS sang một hệ thống điều khiển lai. Kỹ sư điều khiển quá trình Randy McDonald nói: “Tất cả các quá trình nhuộm vải và hoàn thiện sản phẩm của chúng tôi hiện nay đều được điều khiển bằng một bộ điều khiển lai. Chúng tôi đang làm nên một sự chuyển biến nhờ chi phí lắp đặt thấp hơn bao gồm giảm việc lắp đặt và bảo dưỡng, cài đặt cấu hình nhanh và sự phong phú của thông tin sẵn có khi sử dụng fieldbus và các thiết bị hiện trường thông minh. Nó đang thay thế việc pha trộn các quá trình dùng 4-20mA và các giải pháp điều khiển rời rạc được quy định bởi hệ thống 3 DCS.”

PLC: Giải pháp cũ, khuynh hướng mới

Như chúng ta dã từng thấy, ngay cả trong lãnh địa của người khổng lồ về điều khiển quá trình, PLC đóng vai trò quan trọng trong nhiều chức năng điều khiển rời rạc, chúng hỗ trợ hầu hết các ứng dụng điều khiển liên tục.

Mike La Rocca, chuyên gia điều khiển quá trình công ty hóa chất Solutia Industrial, Sauget II, nói rằng nhà máy của anh ta phụ thuộc vào các DCS cho các quá trình liên tục, các quá trình này chiếm khoảng 75%. Nhưng 25% là quá trình mẻ và rời rạc. Đối với các quá trình như đóng gói, đóng viên, trộn mẻ… anh ta phụ thuộc vào PLC. “Tôi cảm thấy thời gian tới sẽ không tạo ra sự khác biệt giữa các bộ điều khiển mà chúng ta sử dụng, mà là chúng ta cài đặt cấu hình, lập trình như thế nào và sử dụng phần mềm gì để tạo thực hiện các chức năng. Chúng tôi thực hiện rất nhiều quá trình mẻ, trộn, đóng gói trong việc sản xuất clo, clo-benzen và các phụ gia khác sử dụng trong sản xuất thức ăn gia súc, túi ni lông và giấy gói hàng. Hầu hết các công việc đó được điều khiển bằng PLC.

Climax Molybdenum Co. Mine & Mill ở Parshall, Colo., sử dụng pha trộn giữa PLC, DCS và SCADA. “Việc điều khiển của chúng tôi có lẽ 60% là PLC và HMI, 40% DCS”. Các thiết bị sử dụng PLC cùng với HMI để điều khiển chức năng khai thác mỏ dưới lòng đất kể cả việc xử lý nước, thông gió và hơn 15 dặm băng tải. DCS được dùng để điều khiển các quá trình bao gồm các điều khiển tỉ lệ, điều khiển nghiền công suất, nạp giấy, điều khiển nước và các chức năng nghiền.

Splettstosser nói: “Bởi vì chúng tôi sử dụng PLC cùng với HMI và phần mềm lưu trữ, chúng tôi có thể xem xét việc lắp đặt hệ điều khiển lai để tích hợp cơ sở dữ liệu của chúng tôi vào điều khiển quá trình và điều khiển rời rạc trong tương lai. Đến khi đó, DCS là giải pháp đầu tiên của chúng tôi trong điều khiển liên tục. Nó cung cấp nguồn và ứng dụng do chúng tôi yêu cầu mà không cần tới việc phát triển các giao diện để tương thích với sản phẩm với các giao thức khác nhau”.

Điều khiển lai chỉ là việc dựa trên công nghệ DCS và thêm vào chức năng điều khiển rời rạc, PLC được gắn thêm sức mạnh của điều khiển quá trình vào khả năng điều khiển rời rạc. “ProcessLogix đơn thuần là phiên bản Rockwell của Planscape”, Mc. Laughlin của Honeywell đã nói như vậy. Và, ControlLogix sử dụng trong hệ thống đó là thế hệ sau của PLC có khả năng kết nối mạng thông qua ControlNet. Hơn thế nữa, cả hai có thể được áp dụng một dải rộng các giải pháp cả về quá trình lẫn rời rạc.

Jeff Pierson, kỹ sư của BAE Systems Royal Ordance, bắc Mỹ, cũng sử dụng hỗn hợp PLC/HMI và DCS trong một quá trình sản xuất có khả năng nổ cao. Họ sử dụng PCS7 của Siemens, hệ thống này có thể thực hiện cả chức năng điều khiển rời rạc và liên tục trong sản xuất và hóa chất có khả năng nổ cao. Pierson nói: “Ngoài khả năng điều khiển mẻ, một trong những lý do chúng tôi chọn PCS7 là chúng tôi đã có sẵn PLC I/O. Hơn nữa, chúng tôi cần khả năng dự phòng nóng cung cấp bởi Siemens cho các phản ứng hóa học tỏa nhiệt và chúng tôi muốn sử dụng phương thức lập trình lưu đồ chức năng theo trình tự (SFC) hơn là lập trình theo logic hình thang”.

Trong việc lựa chọn một giải pháp đúng đắn cho việc điều khiển quá trình, không ai có thể nói được rằng một dạng hay một kiểu sản phẩm nào đó là câu trả lời đúng. Vì công nghệ và các giải pháp điều khiển đã hội nhập với nhau.

PC: Đã sẵn sàng cho điều khiển quá trình chưa?

Thị trường điều khiển dùng máy tính (PC-based control) đã tăng một cách đáng kể trong vài năm gần đây, chủ yếu xâm lấn lãnh thổ của các ứng dụng đặc thù dùng PLC — theo Yee Yeen Wang, giám đốc bán hàng HMI và PC của Advantech. Một điều dễ nhận thấy là: thị phần của điều khiển dùng máy tính nhỏ hơn hiều so với thị trường dùng PLC và DCS hay các giải pháp lai.

Theo Wang thì thông thường các PC được sử dụng để điều khiển các máy dùng các vào/ra từ xa. Ở mức độ cao hơn khi tích hợp với MES, ERP, IT và quản lý dữ liệu, PC có ưu thế hệ thống mở của cả PLC và DCS. “Chúng tôi tìm thấy ở điều này đặc biệt đúng trong các lĩnh vực thực phẩm và đồ uống, nước và nước thải, bán dẫn và công nghiệp dược phẩm. Giải pháp DCS và PLC có ý nghĩa trong sản xuất liên tục của những sản phẩm ổn định trong những thị trường có tính lâu dài. Khả năng linh hoạt có tính kế thừa của công nghệ PC, tuy nhiên, là khả năng thích ứng tốt hơn với sự thay đổi của thị trường, sản phẩm và dịch vụ. Và trong tương lai, khả năng nối mạng Internet dành cho việc giám sát và điều khiển từ xa là những điểm lợi chủ yếu dành cho người dùng.

Giải pháp điều khiển dùng máy tính đã làm nên một sự kiện lớn vài năm trước đây khi cơ sở của AK Transneft tại Mat-xơ-cơ-va, hệ thống dẫn dầu thô dài nhất thế giới, đã lắp đặt 300 máy PC được kết nối mạng để cung cấp hệ thống giám sát và điều khiển cho hệ thống dẫn dầu. Theo Victor Saenko — kỹ sư trưởng, các máy tính với môi trường Windows đã giảm 3 lần thời gian so voiứ các UNIX truyền thống và DCS. Nó giám sát hơn 187.000 các thông số và đồng thời cảnh báo kịp thời nếu phát hiện thấy hiện tượng dò rỉ đường ống.

Từ đó, giải pháp dùng máy tính đã thành công trong một số ứng dụng khác nhau, đặc biệt là lĩnh vực nước và nước thải, hóa chất và dược phẩm, thực phẩm và đồ uống. Vẫn còn các nhà máy điều khiển liên tục quy mô lớn dành cho giải pháp này.

Campa nói: “Tất nhiên là có thể dùng PC để thay thế một hệ DCS hay PLC, nhưng đó là điều không nên làm tại thời điểm này. Nếu một PC chỉ thu thập dữ liệu và bị hỏng, cả quá trình sản xuất sẽ tiếp tục mà không bị ảnh hưởng. Nhưng nếu nó đang điều khiển quá trình, dừng máy và khởi động lại có thể sẽ rất tốn kém, đó là chưa nói tới việc nguy hiểm cho máy móc và con người”.

“Chúng tôi dùng PC cho SCADA và thu thập dữ liệu — và thậm chí để điều khiển một số ứng dụng không thật quan trọng”, Cargill Shaw nói. “Nhưng tôi không thực sự dám trao số phận của cả nhà máy cho PC nếu cân nhắc các yếu tố như độ an toàn, tính bảo mật, độ tin cậy và xác xuất hỏng hóc”.Bảo mật luôn là một trong các yếu tố quan trọng hàng đầu nếu sử dụng PC cho SCADA và thu thập dữ liệu.

Tuy nhiên, công ty hóa chất Nalco, vận hành một nhà máy thí điểm ở Illinois, chức năng của nó là phát triển và mở rộng để trở thành một nhà máy sản xuất có qui mô mô đầy đủ. Một trong những quá trình của nó có sử dụng lò phản ứng mà chất phản ứng được đưa vào từ các điểm nạpdùng bơm. Để khẳng định độ chính xác, Nalco quyết định dùng điều khiển dựa trên máy tính cho hệ SCADA để điều khiển tốc độ của các bơm thông qua các mạch hồi tiếp PID. Họ sử dụng HMI/SCADA và các vào/ra phân tán để thực hiện giải pháp. Tất cả phần cứng được lắp đặt trong tủ theo tiêu chuẩn NEMA 4 bên cạnh máy tính dùng công nghệ Pentium.

Theo Vivek Nayak, chủ tịch của Vista Technology, một nhà tích hợp hệ thống ở Schauburg, hệ thống được lắp đặt và đừa vào vận hành mà hầu như không cần đào tạo gì cả. Thêm vào đó, hệ thống điều khiển dùng máy tính cung cấp độ chính xác, tự động thu thập dữ liệu, dễ dàng thu thập dữ liệu, dễ dàng tăng tốc độ và hiệu quả của cả quá trình nghiên cứu.

Lựa chọn, lựa chọn và lựa chọn

Trong việc lựa chọn một giải pháp đúng đắn cho việc điều khiển quá trình, không ai có thể nói được rằng một dạng hay một kiểu sản phẩm nào đó là câu trả lời đúng. Vì công nghệ và các giải pháp điều khiển đã hội nhập với nhau, điều trở nên quan trọng hơn bao giờ hêt là việc phán xét trên cơ sở chức năng hoạt động, tính khả thi trong khía cạnh đầu tư và giá phải trả cho cả quãng thời gian làm việc của hệ thống.

Như chúng ta đã thấy, thậm chí trong các công nghiệp điều khiển liên tục có mặt một số đáng kể điều khiển rời rạc. Như vậy, khả năng tiến hành các chức năng điều khiển lai sẽ là một động lực phát triển của thị trường. Nhưng, thế nào thực sự là điều khiển lai? Liệu có khả năng hoạt động thông qua việc điều khiển và quản lý thống nhất hay không? Liệu có thể làm được cả việc điều khiển liên tục và rời rạc hay không? Có phải chỉ có vấn đề điều khiển và quản lý dữ liệu hay là còn những vấn đề gì khác? Thậm chí cả nhà sản xuất lẫn các chuyên gia công nghiệp cũng không thống nhất về những vấn đề này. Hơn thế nữa, cái gì xác định hiệu suất và hiệu quả của phương thức điều khiển mà chúng ta áp dụng? (chẳng hạn của Intel), như một số người đã đề xuất, thì phải chăng vấn đề còn lại chỉ đơn thuần là thực hiện vấn đề phần mềm như thế nào?

Cho đến khi các câu hỏi đó được trả lời một cách đầy đủ và thỏa đáng, điều quan trọng là hãy thận trọng đánh giá tính năng hoạt động của các giải pháp điều khiển. Kevin Stively, kỹ sư điều khiển quá trình chính của hãng Parker ở Tacoma đã cố gắng trả lời câu hỏi đó cho công nghiệp giấy và bột giấy nhiều năm trước đây. Ông bắt đầu bằng việc đặt ra một ứng dụng lý thuyết cho một hệ thống điều khiển quá trình có 110 đầu vào tương tự, 68 đầu ra tương tự, 40 đầu vào số (không phải loại động cơ), 15 đầu ra số (không phải loại động cơ), 50 động cơ với 3 đầu vào rời rạc (sẵn sàng, chạy, quá tải), cộng với một đầu ra (chạy) và 24 mạch vòng PID.

Kết luận của anh ta ra sao? Một quá trình lớn với hơn 2.000 đầu vào ra vật lý và vài trăm vòng PID có thể được đáp ứng tốt nhất bởi các DCS truyền thống. Các quá trình nhỏ hơn có thể dùng các mini-DCS, hệ thống lai hay PLC/HMI. Giá của các giải pháp khác thường ở mức giống nhau và chiếm vào khoảng 44 — 48% giá của DCS. Một trong những tiêu chí quan trọng là việc lựa chọn I/O và vấn đề phối hợp (tương tự, rời rạc, điều khiển quá trình tiên tiến).

Tuy nhiên, có lẽ quan trọng hơn kết luận của ông ta là phương pháp luận để đánh giá sự lựa chọn giải pháp điều khiển. Ông ta bắt đầu với việc phân tích kỹ lưỡng quá trình và các nhu cầu điều khiển kể cả vấn đề điều khiển, vào/ra, giao diện truyền thông. Sau đó, ông ta cân nhắc sự mạnh và yếu của các giải pháp nền dùng để điều khiển (DCS, PLC/mini-DCS…). Việc đánh giá thiết kế cùng với việc phân tích cấu trúc điều khiển, ở đâu và làm thế nào để hiện thực việc điều khiển (bao gồm thời gian quét, thời gian phản ứng…). Sự so sánh về đầu tư không tránh khỏi (trên đơn vị số lượng vào/ra hay so sánh hợp lý khác) sẽ được tiếp theo bằng một so sánh về các điểm lợi mà hệ thống mang lại. cuối cùng là những cân nhắc về đào tạo, dịch vụ và bảo trì.

Như vậy, trả lời cho những câu hỏi trên quả thực không dễ dàng. Hãy đánh giá khái quát chúng một cách tổng thể và cẩn thận. Còn trước mắt, ít nhất, hãy tạm thời sử dụng quy tắc dựa vào tính năng hoạt động.