Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Liệu các hệ thống điều khiển phân tán có tương lai?

Liệu các hệ thống điều khiển phân tán có tương lai?

Thế nào là một hệ thống điều khiển phân tán (DCS - Distributed Control System)? Câu hỏi này được nêu ra cho những người sử dụng, những chuyên gia tích hợp hệ thống và cả những người bán hàng, và câu trả lời nhận được thay đổi từ “một hệ thống điều khiển với hai bộ logic khả trình (PLC) kết nối qua một hệ thống mạng” đến “Hệ thống điều khiển phân tán không còn tồn tại nữa. 

Một lý do khiến chúng ta không thể định nghĩa một cách chính xác một hệ thống điều khiển phân tán vì chúng đã thay đổi quá nhiều kể từ khi Honeywell và Yokogawa giới thiệu về chúng lần đầu tiên năm 1975. Vào thời điểm bấy giờ, những hệ thống DCS sử dụng những bộ điều khiển số nhiều vòng lặp để thực hiện điều khiển hiệu chỉnh.
Tuy nhiên kể từ đó đã có quá nhiều sự thay đổi. Cái từng chỉ là một hệ thống điều khiển đơn giản nay đã trở thành những hệ thống tự động hỗ trợ và tự động ra quyết định. Nhu cầu hiện nay từ phía khách hàng đó là những hệ thống có thể đưa những nhân viên - kỹ sư và người quản lý - và những dây chuyền chức năng - bảo dưỡng, lập lịch, quản lý môi trường và dây chuyền cung cấp - có thể tương tác qua lại trong cùng một tiến trình. Họ muốn thu thập nhiều dữ liệu hơn, giữ chúng lâu hơn, và biến chúng thành những thông tin hữu ích. Khách hàng muốn những báo cáo lỗi sẽ được thông tin trên một cơ sở ngoại vi và được gửi đúng thời điểm đến đúng người xử lý - không nhất thiết là người điều hành - và muốn những quyết định phức tạp có thể được tự động ban ra, ví dụ nhưng việc tối ưu tiến trình trong thời gian thực.
Hệ thống thương mại mở (COTS - commercial off-the-shelf) - xu hướng phi độc quyền:
Một bộ logic khả trình PLC hiện đại với giá gần 1.000 USD có thể thực hiện công việc điều khiển hiệu chỉnh, với chất lượng tốt tương đương bất kỳ một hệ DCS nào - nhưng nó lại không thể thực hiện được tất cả những chức năng bậc cao. Để làm được điều đó, nó cần một máy tính điều hành và rất nhiều phần mềm. Điển hình như các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu với giao diện người - máy (Human-Machine Interface Supervisory Control And Data Acquisition), chúng được tích hợp rất nhiều phần mềm bậc cao và nổi lên như một đối thủ đáng gờm đối với các hệ thống DCS.
Thời kỳ của các hệ thống điều khiển độc quyền đã chấm dứt - gần như là vậy. Theo ông Peter Martin, Phó giám đốc đầu tư chiến lược của công ty IPS (Invensys Process System), xu hướng tiến tới những hệ thống thương mại mở COTS bắt đầu từ năm 1987 khi Foxboro giới thiệu hệ thống điều khiển dòng I/A Series và cùng với nó là ý tưởng về việc sử dụng hệ phần mềm, phần cứng tiêu chuẩn cũng như sự kết nối thông tin trong một hệ thống điều khiển.
Quản lý bộ phận Marketing của Tập đoàn Tự động hóa và Năng lượng Siemens, ông Todd Stauffer nói: “Vào năm 1998, các hệ thống DCS đã thoát khỏi thời kỳ độc quyền. Người sử dụng và nhà cung cấp đã gặp nhau trong nhu cầu phát triển công nghệ thương mại phi độc quyền và chính điều này đã kích thích việc tiến tới các hệ thống mở. Thời kỳ quá độ hiện nay là một bước đệm cho tiến bộ công nghệ phát triển. Chúng ta không thể có được những thành công hiện nay nếu chúng ta vẫn duy trì sự độc quyền”.
Các hệ thống mạng độc quyền đã được thay thế bằng vô số phiên bản mạng Ethernet và các thiết bị không dây cũng như chuyển mạch và định tuyến thương mại. Phần cứng máy tính đều là những thiết bị chuẩn, đều tuân theo cùng một chuẩn phần cứng cơ bản và những phần mềm đều là phần mềm chạy trên cơ sở hệ điều hành Windows. Trên thực tế, một vài hệ thống DCS còn sử dụng những bộ điều khiển thông thường và những phần mềm dành cho hệ thống HMI/SCADA, theo Jim Ford, Giám đốc Công ty tích hợp công nghệ Maverick Technologies. “DCS lúc nào cũng được gộp chung với PLC đối với phần mềm và điều khiển cơ bản, ví dụ như Wonderware được dùng cho HMI”.
Chính nhờ sự tuân theo chuẩn về giao thức fieldbus (một họ các giao thức cho mạng máy tính công nghiệp), chuẩn HART và một số chuẩn công nghiệp khác, hầu hết những cảm biến tiến trình và thiết bị phát đều không có bất kỳ một sự độc quyền nào. Bạn có thể sử dụng một phần cứng từ một thiết bị bất kỳ khác trong hệ thống điều khiển của bạn miễn là bộ phận đó tuân theo chuẩn cần thiết.
Những nhà phân phối hệ thống DCS lớn đều sử dụng họ giao thức fieldbus vì họ có hệ phần cứng và phần mềm quan trọng tuân theo giao thức này. Mặc dù họ giao thức fieldbus là không độc quyền, cũng chỉ có những nhà phân phối DCS thực sự lớn mới dám đầu tư vào những vấn đề quan trọng như stack cho giao thức fieldbus hay thẻ H1. Chỉ một số, nếu có, hệ thống điều khiển HMI/SCADA cạnh tranh với DCS sử dụng giao thức fieldbus, nhưng chúng cũng sẽ thay đổi ngay khi phần cứng cho fieldbus có thể sử dụng trong những hệ thống dựa trên máy tính cá nhân.
Vậy những phần nào vẫn là độc quyền? Những bộ điều khiển phần cứng và thiết bị vào ra của hầu hết những nhà phân phối hệ thống DCS lớn.
Và tất nhiên cả phần mềm? Đúng hay không? Một vài hệ thống DCS sử dụng những chương trình quản lý tài nguyên, ghi lại quá trình hoạt động, chương trình điều chỉnh lặp và phần mềm lập lịch tài nguyên (Enterprise Resource Planning - ERP) của cùng nhà cung cấp - cũng giống như một số hệ thống điều khiển dựa trên nền hệ thống HMI/SCADA như Wonderware, Citect, Indusoft và Iconics. Những nhà phân phối DCS và HMI/SCADA lớn đều tuyên bố rằng họ có hệ thống được tích hợp đầy đủ phần mềm từ những bộ điều khiển lặp đến ERP.
Về mặt kiến trúc hệ thống, sự khác biệt chủ yếu giữa hai loại hệ thống điều khiển trên đó là hệ thống DCS sử dụng phần cứng độc quyền, trong khi HMI/SCADA sử dụng phần cứng thông thường, ví dụ như bộ logic khả trình, một hệ máy tính cá nhân và những bộ điều khiển lai.
HMI/SCADA: Đối thủ nặng ký của DCS
Về mặt chức năng mà nói, một hệ thống HMI/SCADA có thể hỗ trợ những chức năng giống hệt như một hệ thống DCS (ngoại trừ giao thức fieldbus). Một hệ thống HMI/SCADA sử dụng những thiết bị trường, mạng kết nối Ethernet và giao diện người - máy thương mại mở giống hệt như một hệ thống DCS. Một hệ thống HMI/SCADA cũng có cùng loại phần mềm như trong hệ thống DCS.
Để phản đối lại tuyên bố rằng hệ thống HMI/SCADA không thể thực hiện được những “công việc to tát”, Scott Kortier, quản lý bộ phần truyền thông marketing tại Indusoft, đã hướng sự chú ý tới phòng thí nghiệm quốc gia tại Brookhaven (Brookhaven National Labs), tại Brookhaven, New York, ở đó một hệ thiết bị phục vụ cho thí nghiệm về lý thuyết tương đối va chạm Ion nặng (RHIC). Indusoft vừa rồi đã cải tiến hệ thống điều khiển cho hệ thiết bị RHIC này. “Hệ thống này bao gồm hơn 10.000 điểm vào ra, hơn một chục trạm điều khiển cộng với 15 màn hình phục vụ duyệt có hỗ trợ bảo mật” ông Kortier cho biết.
Tim Van Wyk, kỹ sư phát triển của Citect, cũng đồng ý với ý kiến này, “SCADA có thể cung cấp những giải pháp mà trước đây vẫn được cho rằng chỉ có ở DCS”. “Với một hệ thống SCADA mở, khách hàng có thể sử dụng sản phẩm của nhiều đối tác để có thể có được kinh nghiệm công nghiệp tốt nhất và công nghệ tiên tiến nhất cho giải pháp SCADA của họ mà không phải phụ thuộc vào duy nhất một nhà cung cấp như đối với hệ thống DCS. Khi khách hàng muốn nhanh chóng thích ứng với những thay đổi trong môi trường kinh doanh của họ, một hệ thống SCADA mở sẽ cho họ sự linh hoạt, mà điều này có thể là một khó khăn và trì trệ đối với một hệ thống DCS đóng”.
Những nhà phân phối DCS tất nhiên là không đống ý với quan điểm này. Randy Reiss, một chuyên viên phát triển sản phẩm DeltaV của công ty Emerson Process Management, nói “Có rất nhiều giới hạn cố hữu đối với lưu lượng truyền thông ở cấp độ hệ thống trong một hệ SCADA. Những nhà phân phối SCADA gặp phải một thực tế là hệ thống SCADA phụ thuộc vào hoạt động của loại công nghệ ở mức thấp hơn để truyền và nhận dữ liệu, điều này dẫn tới sự kết hợp thiếu đồng nhất ở mức tiểu hệ thống. Lợi ích chủ yếu của một hệ thống DCS là toàn bộ hệ thống được phát triển một cách đồng nhất. Có một thực tế là có rất nhiều hệ thống nhỏ mà chỉ có sự liên lạc tối thiểu giữa chúng. Điều này có nghĩa là một bộ điều khiển không thể gọi một bộ hiển thị từ bên ngoài khu vực lân cận hay hướng dữ liệu “ngang” qua hệ thống để “tìm kiếm” một sự tương thích. Hãy thử làm và cố để đạt được sản phẩm cuối cùng có chất lượng chỉ với dữ liệu “thô” … chúc may mắn”
Kỹ sư Van Wyk của Citect phản bác, “không có sự tách biệt dữ liệu trong các hệ thống nhỏ. Người sử dụng có thể bẩy dữ liệu từ thiết bị thành phần đến những sản phẩm MES mở rộng cho giải pháp tổng thể của doanh nghiệp kinh doanh”.
DCS và SCADA
Những “nhà phân phối thiết bị điều khiển cổ điển” - những người đã tạo ra những hệ thống DCS - đã mang những kinh nghiệm công nghiệp bao quát, một đội ngũ kỹ sư và một giải pháp được tích hợp đầy đủ cả phần mềm lẫn phần cứng lên bàn giấy. Chúng là đối thủ nặng ký của các hệ thống HMI/SCADA, và hiện chúng đang chiếm ưu thế.
“Hệ thống DCS chính là hệ thống dẫn đầu về mặt công nghệ và là tương lai của lĩnh vực điều khiển” chuyên viên Randy Reiss nói. “DCS đang là số 1 và những hệ thống cho phép những công nghệ tiên tiến như quản lý tiến trình thống kê đa chiều, MPC hay không dây đang được thiết kế. Tất cả những điều đó sẽ có ở DCS trước khi có ở SCADA. Vì thế nếu bạn muốn nhìn thấy tương lai của lĩnh vực điều khiển, hãy tìm kiếm ở những nhà phân phối DCS lớn. Họ sẽ cho bạn những câu trả lời chính xác nhất vì họ là những người “đãi cát tìm vàng”.
Tuy nhiên theo kỹ sư Van Wyk, đó lại là con dao hai lưỡi. “Với một hệ thống SCADA mở chạy trên nền Windows, người sử dụng có thể sử dụng không chỉ những phần mềm công nghiệp chuyên dụng của họ mà họ còn có thể truy cập đến rất nhiều nơi phát triển phần mềm trên khắp thế giới. Trong khi đó nếu sử dụng DCS, người sử dụng phải chờ cho đến khi được tái nâng cấp trong môi trường phần mềm DCS đóng”.
DCS cũng có thể thực hiện việc tích hợp từ đầu đến cuối cho cả phần cứng lẫn phần mềm. Harsh Chitale, Phó giám đốc phụ trách chiến lược và marketing toàn cầu của công ty Honeywell Process Solutions nói về một hệ thống DCS, “… luôn đi kèm với một hệ quản lý thông tin với những công nghệ đã được nghiên cứu, bao gồm tối ưu hóa, điều khiển mẫu, mô phỏng, quản trị bất thường, lập lịch, cảm biến tiên tiến không dây, và những ứng dụng hiện đại khác, đồng thời cũng được phân phối dưới khuôn dạng phù hợp với sản xuất công nghiệp”.
Roy Tanner, quản lý marketing hệ thống của công ty ABB nói: “Những ưu điểm của DCS bao gồm việc tiền tích hợp/kiểm tra nhiều bộ phận và có nhiều bộ lưu trữ dữ liệu và thông tin đơn. Nó đã mở rộng hệ điều khiển và giao diện người - máy ra rất xa tới cả những lĩnh vực chức năng khác như hệ thống thiết bị an toàn, tối ưu truy cập và tích hợp hệ thống điện. Và những hệ thống DCS mới trên thị trường còn được giảm thiểu độ phức tạp nhờ không còn những bộ đồng bộ đa dữ liệu, lưu trữ dự phòng và khôi phục, không còn phần mềm đa mức cũng như hỗ trợ đa - phân - phối.
“Luôn có một nhu cầu về một hệ thống tích hợp chặt chẽ đối với một hệ DCS” theo ông Dave Emerson, Giám đốc trung tâm Phát triển của tập đoàn Yokogawa tại Mỹ, thêm nữa “Mức độ tích hợp có thể phân lớp như vậy cung cấp lợi thế cho một hệ DCS tích hợp và sự liên hợp với những mô hình SCADA cổ điển”.
Mặt khác, những nhà cung cấp HMI/SCADA phụ thuộc chủ yếu vào những người tích hợp hệ thống để cài đặt và thiết lập hệ điều khiển của họ. Điều đó không phải là tệ, vì rất nhiều nhân viên tích hợp hệ thống chỉ đơn thuần là kỹ sư của nhà phân phối DCS. Tuy nhiên, những nhân viên này thường xuyên bị thúc ép do khách hàng chỉ ưa chuộng một số nhà cung cấp nhất định.

Hình 1: một hệ thống DCS điển hình

Ed Diehl, Giám đốc điều hành của công ty Concept Systems nói: “Chúng tôi làm việc với khách hàng để xác định được kiến trúc tốt nhất cho ứng dụng và hoàn cảnh của họ. Trong gần như mọi trường hợp, có vô số công nghệ điều khiển khả dụng. Điều cốt yếu là tìm ra lựa chọn tốt nhất cho khách hàng đó và cài đặt nó hoàn thiện”.
Và ở trong đó có thể tiềm ẩn lý do nguyên thủy cho những thành công liên tục của DCS, bất chấp giá thành không nhỏ của nó - gần khoảng 3 lần so với một hệ HMI/SCADA với cùng chức năng. Một nhà phân phối DCS có thể cung cấp một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh - tất cả chỉ do một nhà phân phối chịu trách nhiệm về việc phân phối, cài đặt, thiết lập và bảo dưỡng.
Điều gì tiếp theo?
Vậy cái gì sẽ là tương lai cho công nghệ điều khiển phân tán? Rõ ràng là cuộc chiến với những hệ thống mở vẫn còn tiếp diễn. Không có một khác biệt lớn nào giữa những bộ điều khiển độc quyền của những nhà phân phối DCS so với những bộ PLC/PAC của hệ thống HMI/SCADA. Do vậy, ta có thể dự đoán rằng một bộ điều khiển nền chung sẽ xuất hiện.
Mark Nixon, kiến trúc sư trưởng của DeltaV tại Emerson Process, nói rằng một trong những vấn đề được nhắc tới nhiều nhất hiện nay là hệ thiết bị thông minh. “Hệ thiết bị thông minh hoạt động để thực hiện sự chuyên môn hóa chặt hơn, bao gồm cả sự hiểu biết lớn hơn về tiến trình, tự động hóa nhiều hơn và hỗ trợ quyết định, nhiều ứng dụng mở rộng của tự động hóa và biên dịch dữ liệu”.
Chuyên viên Roy Tanner của ABB cho biết hệ lĩnh vực điều khiển đang thay đổi. “Do những tiến bộ công nghệ và những chấp nhận về các chuẩn, một trong những xu hướng ta đã thấy đó là sự phân tán của các thành phần điều khiển xa hơn về những thiết bị trường” ông cho biết “Nếu tiến bộ công nghệ vẫn tiếp tục, cấu trúc giao thức fieldbus hợp nhất với những thiết bị thông minh hơn sẽ thay đổi vai trò của hệ điều khiển tiến trình hiện nay thành vai trò của một bộ điều phối tiến trình”.
Peter Martin của Invensys gọi dòng hệ thống điều khiển mới này là hệ thống điều khiển doanh nghiệp (ECS) thay vì DCS. Ông cho biết, một hệ ECS có thể bao gồm cả một hệ DCS thông thường, một hệ SCADA hay các công nghệ điều khiển khác, nhưng nó cũng phải bao gồm một kiến trúc cho phép vận hành liên động trên toàn mặt bằng nhà máy; truy cập hệ thống liên lạc trong xí nghiệp, hỗ trợ các công cụ quản lý hoạt động thiết bị để quản lý một cách thống nhất vận hành và bảo dưỡng; và một môi trường kỹ thuật thống nhất trên toàn bộ mặt bằng sản xuất.
“Tuy nhiên có những sức ép có thể ảnh hưởng đến sự ‘tiến hóa’ của DCS” Stauffer cảnh báo “vấn đề bảo mật là nguyên nhân của những thay đổi trong cấu trúc hệ điều khiển và đang khiến mọi người suy nghĩ lại về việc áp dụng công nghệ không dây. Thêm nữa, số lượng các kỹ sư điều khiển tiến trình có kinh nghiệm và những nhân viên giám sát và bảo trì đang ít dần. Thế hệ DCS mới sẽ phải khỏa lấp những thiếu hụt về kiến thức này, vì thế nó sẽ càng mang tính một hệ thống dựa - trên - kiến - thức.”
Trong tương lai, chúng ta sẽ tiếp tục thấy rằng giải pháp DCS và HMI/SCADA tiến gần đến nhau hơn cho đến khi bạn không còn nhận ra sự khác biệt về mặt công nghệ. Đến lúc đó, quyết định mua sẽ chỉ còn là: bạn sẽ tin ai?
Lê Huy Phương (Theo www.controlglobal.com)

Số 106 (7/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết