Điều khiển ảo: Lựa chọn thích hợp trong bối cảnh Covid-19 – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

1. GIỚI THIỆU

Trong toàn cảnh dịch Covid-19 hiện tại, việc tiếp cận với hiện trường trong thực tiễn sản xuất để thực thi dự án Bất Động Sản về tự động hóa công nghiệp là rất hạn chế. Bởi vậy thao tác liên kết với bộ tinh chỉnh và điều khiển vật lý kiểm tra chương trình tinh chỉnh và điều khiển và ứng dụng SCADA tại nơi sản xuất, đặc biệt quan trọng tại hiện trường xí nghiệp sản xuất lại càng khó khăn vất vả hơn .
Trong huấn luyện và đào tạo ngành Tự động hóa Công nghiệp, khi phải tuân thủ lao lý giãn cách xã hội bởi dịch Covid-19 cũng khiến cho bài thực hành thực tế của người học bị gián đoạn, khó tiếp cận được với những bộ điều khiển và tinh chỉnh vật lý ở phòng thí nghiệm tại trường ĐH .
Giải pháp sử dụng bộ tinh chỉnh và điều khiển ảo thay thế sửa chữa cho bộ điều khiển và tinh chỉnh vật lý cả trong triển khai lập trình, kiểm tra chương trình tinh chỉnh và điều khiển, hay trong giảng dạy và thí nghiệm sẽ khắc phục được những hạn chế nêu trên .

Bài viết đưa ra khái niệm về bộ điều khiển ảo, sau đó đi sâu vào phân tích cấu trúc, đặc tính kỹ thuật và cách sử dụng bộ điều khiển PLCSim Advanced của Simatic. Sau cuối là phân tích những cấu trúc tương tác của bộ điều khiển ảo với thế giới bên ngoài.

Hy vọng bài viết sẽ mang lại những kiến thức và kỹ năng hữu dụng cho những kỹ sư lập trình, nhà tích hợp mạng lưới hệ thống, xí nghiệp sản xuất, giảng viên và sinh viên ngành Tự động hóa Công nghiệp và vận dụng không riêng gì trong toàn cảnh giãn cách xã hội mà cả trong thời hạn thông thường mới sắp tới .

2. BỘ ĐIỀU KHIỂN ẢO LÀ GÌ

Bộ tinh chỉnh và điều khiển ảo là bộ tinh chỉnh và điều khiển có hệ quản lý và điều hành, thay vì chạy trên thiết bị vật lý PLC công nghiệp thì được chạy trên máy tính thường thì, sử dụng những tài nguyên của máy tính và giữ nguyên những công dụng, hiệu năng như khi chạy trên PLC vật lý. Các ứng dụng SCADA từ đây hoàn toàn có thể truy vấn vào những PLC ảo này để thu thập dữ liệu và tinh chỉnh và điều khiển giám sát. Đến khi tiến hành thực tiễn, không cần phải đổi khác, dù là một phần nhỏ từ chương trình điều khiển và tinh chỉnh trên PLC cho đến chương trình ứng dụng SCADA .
Theo truyền thống cuội nguồn, từ trước tới nay, sau khi hoàn thành lập trình chương trình tinh chỉnh và điều khiển, kỹ sư hoàn toàn có thể dùng cáp mạng ethernet để nối máy tính với PLC vật lý và đổ chương trình xuống chạy thử. Tuy nhiên sau một thời hạn dài, người ta đã nghĩ ra cách làm thế nào không cần PLC vật lý mà hoàn toàn có thể kiểm tra được những thuật toán lập trình hoạt động giải trí có đúng hay không. Dần dần Open những kỹ thuật được cho phép thực thi điều này. Phổ biến là có hai cách để kiểm tra lập trình tinh chỉnh và điều khiển :

• Dùng trực tiếp phần mềm lập trình. Phần mềm phải có 2 chế độ, chế độ lập trình và chế độ mô phỏng (simulation). Khi muốn kiểm tra chương trình thì người dùng chuyển sang chế độ mô phỏng sau khi compile không có lỗi nào.
• Cách thứ hai là xây dựng một phần mềm chạy riêng biệt trên cùng máy tính và khi đổ chương trình xuống PLC, người dùng phải chọn đường dẫn đặc biệt, đại loại như là đường dẫn localhost.

Phần mềm trong cách thứ hai gọi là PLC mô phỏng. Kỹ thuật này gặp nhiều hạn chế sau :

• Dùng chung địa chỉ IP với máy tính;
• Không tạo được nhiều PLC;
• Hạn chế khi kết nối với SCADA. Đối với loại PLC dùng giao thức khác với Modbus TCP/IP thì phải dùng thêm phần mềm trung gian;
• Ngoài ra, PLC mô phỏng thông thường không thể so sánh với PLC ảo về hiệu năng, tốc độ xử lý, vòng quét, bộ nhớ, truyền thông giữa các CPU. Vì vậy PLC mô phỏng chỉ thích hợp với kiểm tra những bài toán điều khiển tuần tự, logic và không bị chi phối bởi thời gian thực.

Điểm chung giữa PLC mô phỏng và PLC ảo là tương hỗ những hàm API để tiếp xúc với những phần mềm khác để mô phỏng quy trình, đối tượng người dùng điều khiển và tinh chỉnh .

3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PLCSIM ADVANCED

PLCSim Advanced là phần mềm nằm trong hệ sinh thái TIA Portal của Simatic, mượn tài nguyên của máy tính, sử dụng công nghệ tiên tiến ảo hóa ( virtualization ) để tạo ra những PLC ảo khác nhau, phân bổ trên những máy tính khác nhau với những địa chỉ IP khác nhau .
Hình 1 màn biểu diễn những dòng PLC phổ cập trên thị trường lúc bấy giờ là S7-1500 và tổng thể những dòng này được ảo hóa bằng phầm mềm PLCSim Advanced, sẵn sàng chuẩn bị chứa chương trình được kiến thiết xây dựng cho toàn bộ những dòng PLC S7-1500 vật lý .

Phần mềm PLCSim Advanced hoàn toàn có thể setup và chạy độc lập với công cụ lập trình Step 7 trong TIA Portal. Điều này có nghĩa là PLCSim Advanced hoàn toàn có thể chạy trên một máy tính khác ( không cần setup TIA Portal ) so với máy tính lập trình có setup TIA Portal .
Sau khi cài PLCSim Advanced, trên máy tính Open 2 thành phần sau ( hình 2 ) :

• Card ethernet có tên “Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter”: Đây là card mạng ảo được tạo ra để các PLC ảo thông qua đó có thể trao đổi dữ liệu với các thành phần khác như: Step 7; PLC ảo khác; PLC vật lý; các thiết bị trường; SCADA.
• Bộ switch có tên “Siemens PLCSIM Virtual Switch”: Đây là switch ảo cho phép card ethernet ảo cắm vào đó, tiếp đến là card vật lý cũng được cắm vào đó, và như thế là PLC ảo có thể kết nối với các thành phần khác bên ngoài máy tính.

Cơ chế hoạt động giải trí này hoàn toàn có thể được lý giải bằng hình 3 .

Sau khi triển khai xong việc lập trình của quá trình nào đó trong hàng loạt dự án Bất Động Sản, người dùng hoàn toàn có thể triển khai đổ chương trình xuống PLC. Việc đổ chương trình này trọn vẹn không khác gì so với việc đổ chương trình xuống PLC vật lý, Step 7 cũng không biết là đang thao tác với PLC ảo. Tuy nhiên, để đổ được chương trình xuống PLC ảo thì tất cả chúng ta cần phần phải nắm một số ít bước sau đây ( hình 4 ) :

• Cài đặt địa chỉ IP cho card ethernet ảo. Chú ý là các PLC sẽ được tạo ra chỉ gán địa chỉ IP thuộc lớp mạng này;
• Khởi động PLCSim Advanced và chọn “PLCSim Virtual Eth. Addapter”;
• Tạo PLC thứ nhất (PLC_1). Chú ý địa chỉ IP của PLC phải thuộc lớp mạng được cài đặt ở bước 1, và địa chỉ này không được được trùng với với địa chỉ IP đã được cài trong card ethernet ảo;
• Bấm start để tạo ra PLC;
• Sau khi tạo xong, đèn led chuyển sang màu vàng, có nghĩa là PLC chưa có chương trình;
• Tương tự, tạo PLC thứ 2 (PLC_2);
• Bấm start để tạo ra PLC;
• Sau khi tạo xong, đèn led chuyển sang màu vàng. Tương tự, PLC thứ 2 cũng chưa có chương trình như PLC thứ nhất;
• Tương tự như khi làm việc với PLC vật lý là chọn card mạng mà PLC đang cắm vào đó để đổ chương trình xuống PLC;
• Sau khi quét hệ thống tìm thấy 02 PLC dòng S7-1500 đang nối với card mạng;
• Chọn PLC và bấm load để tải xuống;
• Sau khi tải xong, chạy chương trình từ Step 7 thì đèn led PLC chuyển sang màu xanh.

Qua những bước trên thì rõ ràng là nếu đứng từ hướng Step 7, thì việc đổ chương trình xuống PLC vật lý trọn vẹn không khác gì so với việc đổ chương trình xuống PLC ảo. Điều này cũng trọn vẹn đúng so với ứng dụng SCADA khi liên kết với PLC ảo .

4. PLCSIM ADVANCED VÀ VẬN HÀNH ẢO

Vận hành ảo là thao tác trên giao diện thực, ảnh hưởng tác động đến PLC ảo để thu thập dữ liệu và tinh chỉnh và điều khiển quy trình mô phỏng ( sau đây gọi là bản sao số ). Với cách làm này, thì hoàn toàn có thể được cho phép kỹ sư lập trình và kiểm chứng chương trình khi máy móc, quy trình công nghệ tiên tiến, đối tượng người dùng chưa hình thành. Lợi ích thấy được rõ ràng là nhà tích hợp mạng lưới hệ thống không cần phải bỏ kinh phí đầu tư để mua thiết bị, mà mạng lưới hệ thống hoàn toàn có thể chạy thử, đẩy nhanh quy trình kiểm tra tại nơi sản xuất, tại hiện trường mà không lo bị hư hỏng thiết bị và giúp cải tổ chất lượng sản xuất .
Một câu hỏi đặt ra là làm thế nào PLC ảo tương tác được với bản sao số, từ đó nó hoàn toàn có thể tích lũy tín hiệu ( input ) và đưa tín hiệu điều khiển và tinh chỉnh ( output ) để điều khiển và tinh chỉnh những thiết bị chấp hành ? Hiện nay có hai cách mà PLC ảo hoàn toàn có thể tương tác với bản sao số :

• Thông qua kết nối bằng các giao thức truyền thông: PLC ảo có thể kết nối với bản sao số sử dụng các giao thức phổ biến như: Modbus TCP/IP, OPC UA, S7. Cách này hoàn toàn giống như PLC vật lý dùng để tương tác với các PLC khác hoặc với SCADA ở cấp trên. Trong trường hợp này, PLC ảo có thể là client, có thể là server đều được.
• Thông qua API đi kèm với firmware của PLC ảo. Thông qua API các phần mềm mô phỏng quá trình có thể gọi hàm để đọc/ghi dữ liệu từ PLC ảo.

Có thể giải thích cơ chế tương tác giữa PLC ảo với bản sao số như hình 5. Trong trường hợp này PLC ảo là đơn vị thụ động. Phần mềm mô phỏng quá trình chủ động đọc/ghi dữ liệu từ PLC ảo thông qua API:

• CPU thu thập dữ liệu từ vùng nhớ vật lý %I, %IW, chạy thuật toán điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển ra vùng nhớ vật lý %Q, %QW như thường lệ;
• Vùng nhớ vật lý %I, %IW của PLC ảo. Chúng được xuất hiện khi kéo thả các module input DI, AI vào cấu hình phần cứng trên Step 7;
• Vùng nhớ vật lý %Q, %QW của PLC ảo. Nó được xuất hiện khi kéo thả các module output DQ, AQ;
• API chứa các hàm từ đó các phần mềm có thể gọi và tương tác với các vùng nhớ (2) và (3). Hàm chủ yếu trong API là đọc (read), ghi (write);
• Vùng nhớ input nằm trên phần mềm mô phỏng quá trình. Driver trên phần mềm mô phỏng chịu trách nhiệm đọc vùng nhớ vật lý %Q, %QW (3) trên PLC thông qua API (4) rồi cập nhật nó. Như vậy vùng nhớ input này được hiểu là các tín hiệu điều khiển từ PLC đưa ra.
• Vùng nhớ output nằm trên phần mềm mô phỏng quá trình. Phần mềm mô phỏng chịu trách nhiệm chạy thuật toán mô phỏng, tính toán được các tính hiệu đầu ra rồi ghi vào vùng nhớ output này. Tiếp đến driver ghi nội dung của vùng nhớ này vào vùng nhớ vật lý %I %IW (2) trên PLC thông qua API (4). Như vậy vùng nhớ output này được hiểu là các tín hiệu đo được từ cảm biến, tiếp điểm,… để đưa vào input của PLC.
• Bản sao số. Bản sao số là kết quả của mô hình hóa các quá trình vật lý, số liệu vật lý sử dụng các hàm truyền đối tượng dựa trên các phương trình vi phân, tích phân. Các đối tượng trong mô hình bị điều khiển tự động bởi nội dung của vùng nhớ (5) từ PLC đưa ra. Các tín hiệu kết quả hành vi quá trình được ghi vào vùng nhớ (6) như là tín hiệu thập bởi các cảm biến rồi đưa vào DI, AI của PLC.

Hiện nay có những phần mềm phổ cập mô phỏng quy trình, đối tượng người dùng hoàn toàn có thể link được với PLCSim Advanced như : Matlab, Simit, NX, Labview, Factory I / O. Tuy nhiên, để cung ứng được tính realtime, độ đáng tin cậy cao, xu thế công nghiệp thì Simit là phần mềm chiếm lợi thế. Simit dùng để mô phỏng những quy trình vật lý diễn ra trong những đường ống, hoặc những đối tượng người dùng vật lý như động cơ, bơm hoặc những bồn, bể chứa trong xí nghiệp sản xuất, quy trình nhiệt động học, những quy trình hóa học, đặc thù vật lí của những chất dẫn như nhiệt độ, áp suất .
Hình 6 là sơ đồ P&ID thiết kế xây dựng bằng Simit để mô phỏng quy trình lọc nước tính khiết. Mô hình được kiến thiết xây dựng bởi sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Đại học Bách khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, là một trách nhiệm trong luận văn của sinh viên trong thời hạn giãn cách xã hội bởi dịch Covid-19 .

Sau khi thiết kế xây dựng xong quy mô, sinh viên hoàn toàn có thể dùng PLCSim Advanced nối I / O với những tín hiệu của quy mô để thu thập dữ liệu và tinh chỉnh và điều khiển. Tiếp đó là thiết kế xây dựng mạng lưới hệ thống SCADA và những mạng lưới hệ thống khác trên cơ sở hệ điều khiển và tinh chỉnh này .

5. PLCSIM ADVANCED VỚI CÁC THÀNH PHẦN KHÁC

Trước lúc đưa ra những giải pháp trao đổi tài liệu giữa PLC ảo với những thành phần khác trong mạng và internet, tất cả chúng ta tìm hiểu và khám phá cần phải thông số kỹ thuật thế nào để PLC ảo hoàn toàn có thể liên kết được với quốc tế bên ngoài. Trong hình 7, nhấn mạnh vấn đề 2 điểm mấu chốt để PLC ảo tương tác được với quốc tế bên ngoài máy tính vật lý mà nó đang chạy :

• “TCP/IP communication with” trên PLCSim Advanced chuyển từ sang kết nối trực tiếp với card ethernet vật lý;
• Hoặc có thể giữ nguyên nhưng cần phải cấu hình card ethnernet vật lý;
• Check vào phần “Siemens PLCSim Virtual Switch”. Điều này đồng nghĩa với việc cắm máy tính vật lý vào switch ảo.

Như vậy, nếu cắm card ethernet của máy tính vào switch bên ngoài thì rõ ràng PLC ảo trọn vẹn hoàn toàn có thể tương tác được với những thành phần bên ngoài. Theo cấu trúc trên hình 8 thì PLC từ máy tính vật lý № 1 thể trao đổi tài liệu với máy tính № 2 bằng những giao thức phổ cập như : S7, Modbus TCP / IP, OPC UA. TIA Portal ( Step 7 và WinCC Professional ) từ máy tính № 3 hoàn toàn có thể tương tác với 2 PLC ảo chạy trong mạng .

Tương tự như PLC vật lý, PLC ảo hoàn toàn có thể trao đổi tài liệu với những thiết bị vật lý bên ngoài ( hình 9 ). Cụ thể là PLC S7-1200, S7-1500 ( 2 ), những thiết bị trường tương hỗ giao thức Modbus TCP / IP như điện kế, biến tần ( 3 ) và những PLC tương hỗ Modbus TCP / IP ( 4 ) .

Không dừng lại ở đó, PLC ảo còn hoàn toàn có thể đóng vai trò là thiết bị IoT để trao đổi tài liệu với điện toán đám mây bằng những giao thức IoT thông dụng như : MQTT, OPC UA. Trong những trường hợp này PLC ảo đóng vài trò là client. Tương tự như PLC vật lý, trong trường hợp PLC ảo muốn liên kết với điện toán đám mây hoặc những server khác trải qua internet, thì phải thông số kỹ thuật card ethernet như trong hình 10 :

• Chỉ ra địa chỉ của router Fiber-to-the-Home (192.168.1.1).
• Cài đặt địa chỉ DNS server để từ đó, PLC ảo có thể kết nối với các server bên ngoài sử dụng tên miền.
• Các cloud server hiện giờ rất khắt khe về độ lệch giữa đồng hồ thời gian thực trên thiết bị IoT và đồng hồ thời gian thực trên server. Nếu sai khác này vượt mức cho phép thì việc kết nối với server hoàn toàn không thực hiện được. Vậy nên trên PLC cần phải trỏ NTP server để đồng bộ thời gian.

Như vậy, PLC ảo đóng vai trò là một thiết bị IoT trọn vẹn giống như PLC vật lý. Cấu trúc tương tác của những thành phần trong trường hợp này được bộc lộ qua hình 11 : PLC ảo ( 1 ) hoàn toàn có thể đóng vai trò là OPC UA client, MQTT client, sử dụng internet ( 2 ) với đường truyền cáp quang như lúc bấy giờ ( 3 ) để đẩy tài liệu lên MQTT broker hoặc OPC UA server chạy trên điện toán đám mây hoặc trên máy tính ảo ( 4 ). Các thiết bị di động ( 5 ) hoàn toàn có thể trải qua mạng 3G / LTE, liên kết với MQTT broker / OPC UA sever để thu thập dữ liệu do PLC ảo đưa lên, và hoàn toàn có thể tương tác ngược lại bằng tinh chỉnh và điều khiển những đối tượng người dùng / quy trình trên bản sao số phía PLC ảo .

6. KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu và phân tích loạt cấu trúc, nguyên tắc hoạt động giải trí và chính sách trao đổi tài liệu với những thành phần khác của PLC ảo ở trên, rõ ràng là PLC ảo hoàn toàn có thể sửa chữa thay thế trọn vẹn PLC vật lý trong quá trình lập trình, kiểm tra chương trình tinh chỉnh và điều khiển tại nơi sản xuất. Từ đó, được cho phép rút ngắn thời hạn kiểm tra tại hiện trường xí nghiệp sản xuất .
Đối với ứng dụng SCADA sau khi lập trình và kiểm tra xong, mang ra tiến hành tại xí nghiệp sản xuất thì trọn vẹn không cần phải biến hóa hay thêm bớt gì trong chương trình .

Tác giả đã áp dụng PLCSim Advanced để thực hiện được một số dự án trong một số lĩnh vực như: nhà máy xử lý nước thải, trại chăn nuôi, cơ sở hạ tầng. Một trong những dự án có thể kể đến là dự án điều khiển các hệ thống bơm nước, các hệ thống valve thủy lực trên diện rộng, bao gồm khoảng trên 95 valve thủy lực, trên 70 bơm dầu, 22 bơm nước công suất lớn, khoảng 30 thiết bị điều khiển bằng biến tần. Toàn hệ thống sử dụng 8 PLC ảo. Hệ thống SCADA trong dự án này được xây dựng bằng công cụ lập trình WinCC Professional trong hệ sinh thái TIA Portal.

Trong giảng dạy ngành Tự động hóa Công nghiệp, với toàn cảnh giãn cách xã hội hiện tại, việc sử dụng PLC ảo phối hợp quy mô mô phỏng, hay cao hơn nữa là bản sao số, để từ đó, người học hoàn toàn có thể lập trình, đổ chương trình, chạy và kiểm tra thuật toán điều khiển và tinh chỉnh là lựa chọn trọn vẹn hài hòa và hợp lý. Bên cạnh đó bộ PLC ảo còn phát huy thế mạnh trong những môn học khác như SCADA, Số hóa công nghiệp. Bản thân tác giả đã sử dụng PLCSim Advanced đã 4 năm nay trong đào tạo và giảng dạy sinh viên ĐH và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa trong những môn học và trong luận văn tốt nghiệp của sinh viên, học viên .

Dr. Trương Đình Châu
Sài Gòn, tháng 9, 2021

Source: https://vh2.com.vn
Category : Tin Học