Ứng dụng chuẩn IEEE 1588 vào tự
động hóa trong công nghiệp
Việc sản xuất các sản phẩm riêng lẻ thường không nhanh hơn và có độ chính
xác cao như nhiều sản phẩm trong một phút. Các giải pháp điều khiển truyền
thống có thể đã giới hạn việc đạt được mục tiêu nhanh hơn và chính xác hơn.
Chuẩn IEEE 1588 cung cấp một giải pháp điều khiển trên cơ sở thời gian mà
có thể được ngành điều khiển công nghiệp chấp nhận một cách dễ dàng
trong việc phân bổ thời gian chính xác cho quá trình điều khiển trên cơ sở
thời gian ở xưởng sản xuất.
Tình huống điều khiển cơ sở thời gian
Trong hệ thống điều khiển tuần tự truyền thống với các cảm biến đầu vào,
các bộ thừa hành đầu ra và các bộ điều khiển công nghiệp nằm rải rác trong
một mạng cục bộ, các thuật toán điều khiển luôn luôn dựa trên cơ sở quét
quá trình và dị bộ, do đó dễ bị rối loạn. Một số hệ thống sử dụng kỹ thuật
thay đổi trạng thái hoặc kích thích theo sự kiện để cải thiện hiệu quả hoạt
động. Tuy nhiên, kiểu điều khiển cơ sở thời gian cho ta một lựa chọn có hiệu
quả tốt nhất.
Điều khiển quét
Đối với điều khiển quét, quá trình sẽ như sau đối với một chuỗi đơn giản
gồm đầu vào, điều khiển, đầu ra. Số liệu đầu vào từ các thiết bị cảm biến
được gửi tới bộ điều khiển theo một chu kỳ thời gian nào đó. Bộ điều khiển
chạy thuật toán điều khiển theo một chu kỳ và kết quả đầu ra được gửi tới bộ
thừa hành đầu ra theo một chu kỳ. Các đầu vào/ra thay đổi trạng thái một
cách dị bộ theo quá trình quét chu kỳ của đầu vào/ra.
Cấu trúc mạng
Chuỗi đầu vào – xử lý – đầu ra này
tạo ra độ trễ rất co dãn từ đầu vào
tới đầu ra. Độ trễ này sẽ là một hàm
của thời điểm mà đầu vào thay đổi
theo chu trình quét dị bộ của quá
trình đầu vào, bộ điều khiển và đầu
ra, trễ lan truyền, và trễ bên trong
thiết bị. Các trễ này được minh họa
ở Hình 1.
Điều khiển theo sự kiện
Điều khiển theo sự kiện hay điều khiển thay đổi trạng thái có thể giảm trễ
một cách đáng kể. Đối với vận hành kiểu thay đổi trạng thái, trễ quét đầu
vào, điều khiển và đầu ra bị triệt tiêu. Khi thiết bị đầu vào dò tìm được một
sự chuyển trạng thái của đầu vào, nó sẽ ngay lập tức gửi đến bộ điều khiển.
Bộ điều khiển bị ngắt khi có tín hiệu đầu vào, ngay lập tức thực hiện thuật
toán xử lý của nó và gửi kết quả tới thiết bị đầu ra. Khi thông điệp đầu ra
xuất hiện ở thiết bị đầu ra, nó kích hoạt ngay lập tức bộ thừa hành.
Kiểu tiếp cận này sẽ vẫn vướng phải trễ do truyền số liệu trong mạng. Nếu
có rất nhiều đầu vào thay đổi trạng thái cùng một lúc thì nghẽn mạng và mất
dữ liệu có thể xảy ra, tạo thêm trễ, thậm chí có thể làm hỏng hệ thống. Ngoài
ra, vì có nhiều thiết bị vào/ra không hỗ trợ cơ chế kích hoạt theo sự kiện nên
kiểu này thường ít khả thi. Trong thực tế, một hệ điều khiển truyền thống sẽ
dùng kết hợp cả hai cơ chế điều khiển quét và điều khiển theo sự kiện.
Điều khiển cơ sở thời gian
Đối với nhiều ứng dụng, trễ không thành vấn đề nếu thời gian đáp ứng của
ứng dụng vẫn thỏa mãn. Thời gian sẽ là một hàm tích phân của hệ thống
điều khiển và các thuật toán điều khiển. Mọi thiết bị trong hệ thống có cùng
ý niệm về thời gian. Trong một hệ thống như thế, các sự kiện đầu vào có tính
thời điểm và các sự kiện đầu ra được lên lịch trình. Hệ thống điều khiển biết
chính xác khi nào có tín hiệu đầu vào và có thể xác định chính xác khi nào
Hình 1
đầu ra được kích hoạt. Thiết bị đầu ra có thể lên lịch trình đầu ra để kích
hoạt ở một thời điểm định trước.
Nguồn trễ duy nhất của hệ thống này là những trễ đi kèm với đầu vào và đầu
ra theo thời gian chính xác.
Ví dụ thực tế
Các ưu điểm của kiểu điều khiển cơ sở thời gian có thể được minh họa bằng
một ví dụ thực. Trong một ứng dụng về bộ chọn lọc dùng cho băng chuyền
tốc độ cao, các sản phẩm được sản xuất riêng lẻ đi dọc theo một băng
chuyền với một tốc độ không đổi.
Một “sản phẩm” có thể là một thanh sô cô la, một tã giấy hay bất kỳ cái gì
được sản xuất riêng rẽ. Trong hệ thống này, mục đích là dò tìm sự có mặt
của các sản phẩm riêng lẻ khi chúng chạy dọc theo băng chuyền, thực hiện
việc đánh giá nóng sản phẩm để xác định xem nó có phải là phế phẩm không
và sau đó kích hoạt bộ thừa hành để
loại bỏ phế phẩm.
Cấu trúc mạng
Nếu độ phân giải của hệ thống điều
khiển không phù hợp với tốc độ của
hệ thống băng tải sẽ dẫn đến loại bỏ
sai hoặc loại bỏ nhiều hơn mức cần
thiết.
Trong ví dụ này, một cảm biến đầu
vào, ví dụ như cảm biến quang điện,
được lắp đặt dọc theo băng chuyền
để dò tìm sự có mặt của một sản
phẩm. Trạng thái đầu vào “tìm được
sản phẩm” được gửi tới bộ điều khiển vốn thuộc vòng quét đầu vào và cung
cấp một cơ chế đăng ký để dò bám theo sản phẩm khi nó chạy dọc theo băng
chuyền. Khi biết được vận tốc của băng chuyền, bộ điều khiển có thể tính
toán được vị trí của sản phẩm ở bất kỳ thời điểm nào. Một hệ thống quang
Hình 2
học kiểm tra sản phẩm cũng được lắp đặt cạnh băng chuyền. Bộ điều khiển
bám theo phế phẩm đã bị hệ thống kiểm tra sản phẩm dò ra khi nó chạy dọc
theo băng chuyền và ở một thời điểm thích hợp ra lệnh cho bộ chọn lọc loại
bỏ phế phẩm đó. Minh hoạ bằng hình 2
Tốc độ tối đa của băng chuyền, và cùng với đó là số lượng tối đa sản phẩm
sản xuất được mỗi phút, sẽ được xác định trước bằng độ trễ tổng cộng từ đầu
vào tới đầu ra. Sử dụng các con số từ phần trước đối với điều khiển quét, tốc
độ tối đa và số lượng sản phẩm mỗi phút được tính như sau:
Độ phân giải sản phẩm = trễ 122 mili giây
Tốc độ tối đa = 1/122 =~ 8 sản phẩm mỗi giây
Số sản phẩm tối đa mỗi phút = 8*60 = 480 sản phẩm
Vận hành điều khiển cơ sở thời gian
Bây giờ ta xem xét cũng một hệ thống như thế nhưng dùng điều khiển cơ sở
thời gian. Khi cảm biến quang điện dò tìm được một sản phẩm, thời điểm đó
được ghi lại. Bộ điều khiển gửi tới hệ thống kiểm tra sản phẩm một lược đồ
thời gian để ra tín hiệu khi sản phẩm được tìm thấy và ra tín hiệu khi cần
loại bỏ một phế phẩm. Trong trường hợp này, tốc độ tối đa của hệ thống bị
giới hạn theo độ trễ toàn hệ thống từ đầu vào tới đầu ra. Tốc độ tối đa và số
lượng sản phẩm tối đa mỗi phút được tính như sau:
Độ phân giải sản phẩm = trễ 12,4 ms
Tốc độ tối đa = 1/12,4 = ~ 80 sản phẩm mỗi giây
Số sản phẩm tối đa mỗi phút = 80*60 = 4.800 sản phẩm
Như đã nói ở trên, độ trễ phụ thuộc vào độ trễ cơ khí và điện đối với thiết bị
dò tìm đầu vào và thiết bị thừa hành đầu ra. Chỉ có trễ lan truyền mới có tính
quyết định. Độ chính xác của hệ thống bị giới hạn theo trễ lan truyền, độ
chính xác của việc xác định thời điểm và lập lược đồ thời gian của các thiết
bị đầu vào/ra tương ứng.
Việc sử dụng một cơ chế điều khiển cơ sở thời gian cho thấy hiệu suất đã
được cải thiện gấp mười lần. Các nguồn trễ của hệ thống gần như được triệt
tiêu. Hiệu quả của hệ thống chỉ bị giới hạn bởi tốc độ xử lý của các thiết bị
đầu vào, điều khiển và đầu ra.
Ứng dụng của thời gian vào điều khiển công nghiệp
Thời gian ngày
Thời gian được phân bổ cho tất cả các thiết bị trong hệ thống để thực hiện
các hoạt động định trước được dựa trên cơ sở thời gian ngày. Các hoạt động
này có thể bao gồm các thao tác khởi động, tắt và báo cáo. Đối với các hệ
thống này, cũng cần phải phân bổ một cách tự động các khoảng thời gian.
Thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày cho tất cả các thiết bị trong phân
xưởng và để quản lý các quá trình chuyển tiếp giữa thời gian chuẩn, thời
gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày.
Đầu vào theo thời điểm
Một đầu vào được ghi lại thời điểm khi có sự thay đổi đầu vào đối với sườn
lên, sườn xuống hoặc cả hai. Đầu vào có thể là một thiết bị vật lý, ví dụ như
một cảm biến, hoặc một đầu vào logic như dò tìm được một điều kiện cảnh
báo. Dấu thời gian đi kèm theo số liệu đầu vào đối với việc dò tìm cảnh báo
hoặc sự kiện. Các ứng dụng dùng đầu vào theo thời điểm cho điều khiển cơ
sở thời gian, truy cập hoặc định hướng tổng quát hay phân tích thống kê.
Ứng dụng trước hết là xác định từ một tập các thời điểm chuỗi mà trong đó
một tập các sự kiện xảy ra hoặc khi lỗi đầu tiên xảy ra trong một chuỗi lỗi.
Đầu ra theo lược đồ