Bảng điều khiển tự động và PLC (Lưu ý khi sử dụng)

Khi các nhà sản xuất OEM tiếp tục hướng tới các sản phẩm có thiết kế gọn gàng hơn, các giao diện vận hành đã phát triển thành các giải pháp thay thế hữu hiệu như bảng điều khiển tự động cho PLC trong nhiều ứng dụng máy móc. Vậy sự khác biệt giữa PLC và bảng điều khiển tự động, đó là giao diện người-máy (HMI hoặc bảng điều khiển) kết hợp với điều khiển, và ưu nhược điểm của mỗi loại là gì?

hệ điều khiển oem

1/ Bảng điều khiển thay thế hệ thống PLC

Trong những giai đoạn đầu của quá trình tự động hóa, các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) đã xuất xưởng các hệ thống điều khiển với PLC gắn trên giá, đồng hồ đo và nút nhấn. Trong những năm qua, phần lớn các OEM đã đơn giản hóa hệ thống bằng cách chuyển sang bảng điều khiển giao diện người vận hành (OI) thay vì các thành phần gắn bảng điều khiển khác. Để giảm chi phí đi dây và giúp vận chuyển thiết bị ở các phần mô-đun dễ dàng hơn, nhiều OEM cũng đã chuyển sang IO phân phối. Và, để giảm hơn nữa chi phí liên quan đến bảo trì phản ứng, nhiều OEM cũng đang bổ sung kết nối từ xa an toàn để truy cập mạng người dùng cuối để người dùng có thể sửa đổi từ xa các chương trình và phân tích hiệu suất thiết bị.

Thông thường, một thiết bị OEM sẽ sử dụng bộ điều khiển tự động hóa có thể lập trình (PAC) với IO phân tán, giao diện người vận hành màn hình cảm ứng với chức năng ghi dữ liệu và bộ định tuyến bảo mật công nghiệp. PAC, OI và bộ định tuyến đều có bộ xử lý riêng, yêu cầu cài đặt và cấu hình phần mềm duy nhất. Sức mạnh xử lý của các thành phần này vượt xa nhu cầu của hầu hết các ứng dụng, do đó, sức hấp dẫn của việc kết hợp các thành phần này thành một thiết bị duy nhất là rất cao. Nhưng đánh đổi lại là gì?

2/ Ưu điểm của bảng điều khiển tự động hoá

Bảng điều khiển tự động kết hợp các chức năng của bộ điều khiển lập trình và giao diện người vận hành thành một đơn vị duy nhất. Chúng có mặt trên thị trường cách đây khoảng 15 năm. Nhiều sản phẩm ban đầu chỉ đơn giản bao gồm bảng vào ra IO với một số thiết bị cục bộ, logic bậc thang và cơ sở dữ liệu phẳng. Các bảng điều khiển hiện đại, chẳng hạn như QuickPanel+ của GE, bao gồm đầy đủ các ngôn ngữ lập trình IEC61131 (bậc thang (ladder), văn bản có cấu trúc (ST), sơ đồ khối chức năng (FBD), biểu đồ chức năng tuần tự (SFC) và danh sách hướng dẫn (IL)), cũng như các cấu trúc dữ liệu và khối chức năng do người dùng xác định.

bảng điều khiển
Các bảng điều khiển tự động hóa, chẳng hạn như QuickPanel của hãng GE, giảm chi phí phần cứng bằng cách kết hợp bộ điều khiển, giao diện người vận hành và kết nối từ xa vào một thiết bị.

Một cách mô tả chính xác hơn các bảng này là bộ điều khiển PAC với giao diện người vận hành được tích hợp sẵn, thay vì chỉ là giao diện người vận hành thực hiện điều khiển. Trong trường hợp của QuickPanel +, OEM có thể mua gói phần mềm bảo mật từ xa từ Secomea để cho phép OEM kết nối an toàn với bảng điều khiển qua internet bằng mạng của khách hàng, loại bỏ nhu cầu về bộ định tuyến bảo mật riêng biệt. Những ưu điểm của kiến trúc đơn giản này bao gồm tiết kiệm chi phí, đơn giản hóa công việc bảo trì và cải thiện hiệu suất.

Bảng tự động hóa cũng có thể giảm đáng kể chi phí phát triển phần mềm. Nhiều nhà cung cấp tự động hóa nhấn mạnh việc cơ sở dữ liệu được chia sẻ giữa bảng điều khiển PAC và OI, nhưng nếu đây là các thiết bị riêng biệt, chúng vẫn có cơ sở dữ liệu riêng biệt trong khi hoạt động. Điều này có nghĩa là mỗi khi bạn thêm một biến, bạn cần tải nó xuống cả hai thiết bị. Nếu bộ điều khiển và OI không đồng bộ, bạn sẽ gặp phải lỗi giao tiếp và có thể hoạt động sai chức năng. Các bảng tự động hóa sử dụng một cơ sở dữ liệu duy nhất với một môi trường phát triển duy nhất và một thư viện duy nhất cho các đối tượng có thể tái sử dụng.

Chi phí phần cứng cũng giảm bởi việc kết hợp bộ điều khiển, giao diện người vận hành và kết nối từ xa vào một thiết bị duy nhất có nghĩa là chỉ cần đầu tư một thiết bị, cài đặt và cấu hình. Điều này tiết kiệm tiền cả về thời gian sản xuất và không gian bảng điều khiển.

Công việc bảo trì một thiết bị tất nhiên sẽ tốn ít hơn so với ba thiết bị, đặc biệt là khi bạn đã chuyển giao một hệ thống đến người dùng cuối cách xa hàng trăm hoặc hàng ngàn km. Với bảng điều khiển tự động hóa, bạn có thể sao lưu giao diện người vận hành và chương trình logic trên một thẻ nhớ hoặc USB. Nếu người dùng cuối có các tệp riêng biệt cho giao diện người vận hành và bộ điều khiển, và họ cần khôi phục một hoặc cả hai chương trình, họ có khả năng sẽ sử dụng các bản sửa đổi khác nhau và có thể gây ra việc hệ thống không hoạt động như mong muốn. Có một chương trình duy nhất sẽ giúp khôi phục dễ dàng hơn và loại bỏ các vấn đề về tương thích phiên bản.

Một thiết bị duy nhất có nghĩa là một điểm kết nối duy nhất. Không cần kết nối với nhiều cổng để giám sát hoặc nâng cấp hệ thống. Điều này thậm chí có thể có giá trị hơn khi xử lý kết nối từ xa, đặc biệt nếu PLC chỉ có lập trình cổng nối tiếp. Ví dụ: QuickPanel + với bảo mật từ xa cho phép OEM dễ dàng truy cập vào bất kỳ trang web từ xa nào bằng cách đăng nhập vào một máy chủ duy nhất.

2.1/ Cải thiện hiệu suất OI

Việc kết hợp PLC và OI thành một thiết bị có thể rút ngắn thời gian cập nhật cho giao diện người vận hành trong nhiều ứng dụng. Điều này là do nhiệm vụ chính của CPU đối với giao diện người vận hành truyền thống là giao tiếp với bộ điều khiển. Khi người vận hành nhấn một nút trên màn hình OI, họ luôn mong đợi phản hồi ngay lập tức cho thiết bị và hiển thị ngay lập tức trên màn hình. Lý do phổ biến nhất cho sự chậm trễ trong phản hồi đó là trình điều khiển giao tiếp giữa bảng OI và PLC. Với bảng điều khiển tự động, giao tiếp này nhanh hơn nhiều vì nó nằm bên trong thiết bị. Không cần phải dựa vào các liên kết giao tiếp nối tiếp hoặc Ethernet để cập nhật màn hình điều hành.

Mặc dù vậy, lợi thế này có thể không đủ sức hấp dẫn bởi các yêu cầu về hiệu suất tổng thể. Ví dụ: nếu các yêu cầu hệ thống điều khiển tiêu tốn phần lớn thời gian của CPU, thì hiệu suất giao diện người vận hành có thể bị ảnh hưởng vì nó được đặt ở mức ưu tiên thấp hơn các tác vụ điều khiển.

3/ Nhược điểm của bảng điều khiển tự động

Bộ điều khiển lập trình đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp trong nhiều thập kỷ. Chúng có độ tin cậy cao, hiệu suất và khả năng kiểm soát xác định thời gian thực. Bất kỳ ai đang cân nhắc chuyển từ PLC hoặc PAC truyền thống sang các bảng điều khiển tự động hóa nên hiểu về sự cân bằng. Có một số quan niệm sai lầm đáng kể về hiệu suất và độ tin cậy của bảng điều khiển tự động so với PLC truyền thống. Trước khi tự mình thử nghiệm thực tế, chúng ta nên kiểm tra những quan niệm sai lầm này.

hệ thống PLC
Các bộ điều khiển logic được lập trình, chẳng hạn như các PLC 90-70 của GEW, sở hữu một số lợi thế so với tự động hóa, bao gồm hiệu suất hệ thống điều khiển nhanh hơn, mức độ mô-đun hóa cao và rất phù hợp với các hệ thống có tính khả dụng cao.

Đây có phải là điều khiển bằng PC ?: Vào giữa những năm 90, nhiều người đã dự đoán rằng điều khiển PC sẽ thay thế PLC trong thị trường điều khiển tự động hóa. Trong khi điều khiển PC hoạt động tốt trong một số ứng dụng nhất định, nhưng nó lại không phổ biến rộng rãi trên thị trường. Các vấn đề chính khi sử dụng điều khiển PC là:

  • Tính xác định (bắt buộc đối với các bản cập nhật IO).
  • Mối quan tâm về bảo mật yêu cầu bảo vệ chống vi-rút và các bản vá hệ điều hành.
  • Thời gian khởi động lâu.
  • Lỗi đăng ký (thường do tắt nguồn mà không tắt Windows).
  • Bộ phận chuyển động trong ổ cứng và quạt.
  • Mặc dù các ứng dụng điều khiển PC có thể thực hiện các bước để khắc phục một số lo ngại này, nhưng thực tế thì các hệ điều hành Windows 7 / XP / NT không được thiết kế để trở thành hệ điều hành thời gian thực.

Bộ điều khiển khả trình sử dụng các hệ điều hành nhúng thời gian thực như VxWorks hoặc QNX cũng như nhiều hệ điều hành độc quyền. Nếu lần đầu tiên nhìn thấy một bảng điều khiển tự động hóa với màn hình đồ họa và công cụ điều khiển tích hợp, họ sẽ nghĩ ngay đến điều khiển PC. Nhưng cũng giống như các đối tác PLC, phần lớn các bảng điều khiển tự động hóa chạy trên các hệ thống hoạt động nhúng không có vấn đề nào được liệt kê ở trên.

Một trong những lựa chọn hệ điều hành phổ biến nhất cho các bảng tự động hóa là Windows CE. Dòng Windows CE đã được sử dụng trong điều khiển tự động thời gian thực trong 15 năm. Với sự ra đời của Embedded Compact 7 vào năm 2011, Microsoft đã bỏ tên Windows CE và thay thế bằng “Embedded Compact.” Bài viết này sẽ sử dụng thuật ngữ “Windows CE” để chỉ một số nhà cung cấp sử dụng nhiều thế hệ HĐH này bao gồm cả EC7.

Điều quan tâm hàng đầu với Windows truyền thống là thời gian quét xác định. Windows thực hiện nhiều tác vụ nền, vì vậy người dùng Windows đã quá quen thuộc với việc chờ đợi phản hồi trong khi máy tính làm những việc mà ai cũng biết là gì (xử lý). Nếu hệ thống điều khiển của bạn phải chờ một khoảng thời gian mơ hồ, kết quả có thể rất thảm hại. Giống như các hệ điều hành thời gian thực nhúng khác, Windows CE đạt được thời gian quét xác định cho bộ điều khiển bằng cách sử dụng luồng ưu tiên và ngắt theo lịch trình. Chức năng điều khiển được ưu tiên cao nhất. Windows CE có một số tác vụ nền nhỏ so với PC, nhưng ngay cả những tác vụ này cũng có tác động hạn chế đến các bản cập nhật điều khiển vì chúng chạy ở mức độ ưu tiên thấp hơn. Tương tự, các tác vụ tốn nhiều thời gian của CPU như chạy video hoặc mở các tệp lớn sẽ làm hạn chế thời gian quét điều khiển.

Hệ điều hành thời gian thực: Theo Samuel Phung, David Jones và Thierry Joubert trong nghiên cứu Professional Windows Embedded Compact 7, “Có những hệ thống thời gian thực mềm và thời gian thực cứng. Hệ thống thời gian thực mềm có thể thỉnh thoảng bỏ lỡ phản hồi thời gian giới hạn nhưng vẫn duy trì mức hiệu suất hợp lý có thể chấp nhận được, chẳng hạn như khi thiết bị Giọng nói qua IP có thể trì hoãn hoặc bỏ qua việc phân phối gói thoại và vẫn cung cấp dịch vụ được chấp nhận cho người sử dụng. Một hệ thống thời gian thực cứng không thể bỏ lỡ bất kỳ phản hồi thời gian giới hạn nào của nó. Nhưng nếu nó bỏ lỡ phản hồi thời gian giới hạn, lỗi hệ thống nghiêm trọng có thể xảy ra.

“Hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra khi hệ thống phanh điện tử của ô tô không hoạt động kịp thời trong khi ô tô đang di chuyển với tốc độ cao và cần dừng gấp để tránh va chạm. Compact 7 là hệ điều hành cứng thời gian thực cung cấp các dịch vụ cốt lõi đáng tin cậy để hỗ trợ thiết kế hệ thống nhúng yêu cầu hiệu suất hệ thống theo thời gian thực, có độ trễ thấp. Compact 7 có các tính năng sau theo yêu cầu của hệ thống thời gian thực: lập lịch luồng ưu tiên đa luồng và ưu tiên trước, ngăn chặn đảo ngược ưu tiên sử dụng kế thừa ưu tiên để điều chỉnh động các ưu tiên của luồng và đồng bộ hóa luồng có thể dự đoán trước. ”

PC Windows mở hơn nhiều so với các nền tảng nhúng. Chúng cho phép nhiều loại ứng dụng tùy chỉnh có thể được phát triển và tải xuống trên một số biến thể phần cứng. Điều này dẫn đến chi phí cao hơn, thời gian khởi động lâu hơn, lo ngại về bảo mật và cập nhật và yêu cầu vá lỗi thường xuyên.

Nền tảng nhúng được biên dịch cho phần cứng cụ thể và phần mềm phải được viết và biên dịch cho các tác vụ cụ thể của hệ điều hành. Nền tảng Windows CE tốn ít chi phí hơn đáng kể và không dễ bị nhiễm vi rút Windows. QuickPanel + trên Embedded Compact7 có thể khởi động và sẵn sàng hoạt động đầy đủ chức năng trong 30 giây. Tốc độ này nhanh hơn một số PLC trên thị trường hiện nay. Nền tảng Windows CE có thể bị tắt nguồn bất cứ lúc nào mà không cần thực hiện trình tự tắt hệ điều hành mà Windows yêu cầu.

kích thước bảng điều khiển
Một số bảng điều khiển tự động hóa, bao gồm cả QuickPanel của hãng GE có nhiều kích cỡ khác nhau. Điều này cho phép các công ty điều chỉnh bảng điều khiển cho phù hợp với ứng dụng và môi trường làm việc đặc biệt.

3.1/ Độ tin cậy

Hầu hết các bộ điều khiển có thể lập trình đều nổi tiếng về độ tin cậy. Các sản phẩm giao diện người vận hành trong lịch sử lại không có độ tin cậy cao như vậy. Màn hình cảm ứng điện trở bị mòn theo thời gian. Cuối cùng, đèn nền của màn hình sẽ mờ dần hoặc tắt. Màn hình bị hỏng do tiếp xúc với bên ngoài bảng điều khiển. Tất cả những vấn đề này đã khiến nhiều người đi đến kết luận rằng không thể dựa vào những loại thiết bị này để kiểm soát. Nhưng đó có thực sự đúng hay không?

Không có vấn đề nào được đề cập ở trên sẽ làm gián đoạn chính bộ điều khiển chạy và cập nhật các đầu vào và đầu ra. Điều này được chứng minh trong video YouTube này. Trong video, một bảng điều khiển tự động gặp phải tình trạng hư hỏng màn hình nghiêm trọng, nhưng bảng điều khiển vẫn điều khiển đèn nhấp nháy màu đỏ, cho thấy hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động bất chấp màn hình bị hỏng. Nếu màn hình cảm ứng hoặc màn hình hiển thị bị hỏng hoặc bị lỗi, bảng điều khiển rồi sẽ cần phải thay thế, nhưng chương trình điều khiển sẽ tiếp tục chạy.

3.2/ Dữ liệu về thời gian trung bình giữa các lần gặp lỗi

(MTBF – Mean Time Between Failure) thường được sử dụng làm tiêu chuẩn cho độ tin cậy. Giá trị MTBF trên PLC cao hơn đáng kể so với bảng tự động hóa do màn hình cảm ứng và màn hình hiển thị có khả năng bị lỗi cao hơn. Những lỗi này được đưa vào dữ liệu MTBF vì chúng cho biết mức độ tin cậy của thiết bị nói chung, không chỉ chức năng điều khiển. Đây không phải là một sự so sánh trắng đen vì sự cố của các thành phần này sẽ không tắt hệ thống điều khiển. Để một bảng điều khiển tự động hoạt động như một bộ điều khiển, nó cần chỉ có nguồn điện, CPU và giao tiếp IO hoạt động. Các bo mạch này sử dụng cùng loại linh kiện cấp độ công nghiệp được sử dụng trong hệ thống PLC và cũng đáng tin cậy như nhau.

3.3/ Ngôn ngữ điều khiển

Vì bộ điều khiển có thể lập trình được dành riêng để điều khiển, một số kỹ sư cho rằng ngôn ngữ lập trình có thể phức tạp hơn hoặc thân thiện với người dùng hơn. Trên thực tế, điều ngược lại thường đúng. Mặc dù một số bảng điều khiển tự động hóa vẫn có trình chỉnh sửa chỉ bậc thang với cơ sở dữ liệu phẳng, điều này nhanh chóng trở thành ngoại lệ chứ không phải là quy tắc. Hầu hết các bảng điều khiển tự động hóa hỗ trợ tập hợp đầy đủ các ngôn ngữ IEC, lập trình biểu tượng, kiểu dữ liệu do người dùng xác định và khối chức năng do người dùng xác định. Tất nhiên, bộ điều khiển PAC cũng có chức năng như vậy, nhưng trong nhiều trường hợp, các bảng điều khiển tự động đang cạnh tranh với các PLC truyền thống với logic bậc thang và sơ đồ địa chỉ dựa trên tham chiếu có từ những năm 1990.

4/ Các ưu điểm của PLC

Có những ưu thế khác biệt và hấp dẫn khi sử dụng PLC, bao gồm hiệu suất hệ thống điều khiển nhanh hơn, tính mô đun và nhu cầu của hệ thống có tính sẵn sàng cao.

Nhiều yêu cầu về hiệu suất của ứng dụng điều khiển mà một bộ xử lý trên bảng điều khiển tự động không thể đáp ứng được. Một số bảng, chẳng hạn như những bảng có CPU 1GHz và RAM 1G, hoạt động tốt hoặc tốt hơn nhiều PLC tầm thấp đến tầm trung ngay cả khi xử lý các yêu cầu giao diện người vận hành. Nhưng rõ ràng bộ điều khiển PAC với CPU 1GHz sẽ vượt trội hơn bảng điều khiển tự động hóa với CPU 1GHz về tốc độ quét logic. Nếu một ứng dụng cần quét logic trong chu kỳ 10 ms, bảng điều khiển tự động vẫn đáp ứng trơn chu nhu cầu trong khi vẫn cho phép đủ tài nguyên CPU cho các chức năng giao diện người vận hành. Các hệ thống lớn hơn có thể vượt quá nhu cầu của một CPU do sự kết hợp đặc biệt của hiệu suất logic, đồ họa, ghi dữ liệu và các tác vụ khác. Trong các ứng dụng này, một bộ điều khiển PAC riêng biệt là lựa chọn hiển nhiên.

so sánh bảng điều khiển và plc

Không phải mọi hệ thống điều khiển đều yêu cầu giao diện người vận hành gắn trên bảng điều khiển chuyên dụng. Một số hoạt động như các nút ẩn, nhưng nhiều nút sử dụng hệ thống SCADA toàn nhà máy hoặc PC cục bộ cho các yêu cầu giao diện người vận hành. PLC và bộ điều khiển PAC truyền thống rất phù hợp với các hệ thống này. Nhiều bộ điều khiển khả trình sử dụng các mô-đun rời riêng biệt cho CPU, nguồn điện, IO cục bộ và truyền thông. Nếu một trong những thành phần này bị lỗi, nó có thể nhanh chóng được thay thế trên cơ sở cá nhân. Các bảng điều khiển tự động hóa thường có CPU, bộ cấp nguồn, thông tin liên lạc và màn hình cảm ứng được bán dưới dạng một bộ phận duy nhất. Nếu bất kỳ thành phần nào trong số này bị lỗi, bạn sẽ phải thay thế hoặc sửa chữa toàn bộ bảng điều khiển.

Các hệ thống điều khiển thường cần chạy 24/7 mà không bị gián đoạn thường sử dụng CPU dự phòng ở chế độ quét đồng bộ để tránh tắt hệ thống nếu một thành phần duy nhất bị lỗi. Điều khiển chế độ chờ nóng (hot-standby) không phổ biến trong các bảng điều khiển tự động hóa. Nếu màn hình cảm ứng hoặc màn hình bị lỗi, hệ thống sẽ tiếp tục chạy. Tại thời điểm đó, các chức năng của giao diện người vận hành có thể được xử lý thông qua trình duyệt web từ xa trên PC hoặc hệ thống có thể tự động chuyển sang trình tự tắt máy có kiểm soát. Dù bằng cách nào, bảng điều khiển sẽ cần được thay thế và cuối cùng sẽ yêu cầu tắt hệ thống. Với các CPU chờ nóng trên bộ điều khiển PAC, thành phần bị lỗi có thể được thay thế trong khi hệ thống tiếp tục hoạt động từ CPU dự phòng, do đó thường không tạo thời gian chết.

Bảng điều khiển tự động cung cấp cùng một điều khiển thời gian thực xác định như các bộ điều khiển lập trình truyền thống. Bộ điều khiển lập trình phù hợp hơn với thời gian quét cực nhanh, số lượng IO rất lớn và dự phòng hiệu suất cao. Đối với các ứng dụng tầm thấp đến tầm trung yêu cầu giao diện người vận hành chuyên dụng, bảng điều khiển tự động hóa tạo ra kiến trúc đơn giản hóa với các tùy chọn kết nối từ xa dễ dàng và tổng chi phí đầu tư thấp hơn.

Bài viết liên quan