6 bước để lựa chọn giữa PLC và DCS trong công nghiệp

Làm thế nào để đưa ra một sự lựa chọn phù hợp giữa PLC và DCS? Mặc dù công nghệ PLC và DCS đã ra đời và phục vụ rất nhiều quá trình công nghiệp khác nhau nhưng trong vòng 15 năm trở lại đây, thị trường đã chứng kiến sự kết hợp các tính năng của cả hai hệ thống điều khiển này. Cả PLC và DCS đều có khả năng làm việc ở cùng trong nhiều vùng ứng dụng và đôi khi khiến cho người dùng cảm thấy bối rối trong việc lựa chọn. Bài báo sau sẽ từng bước giúp các nhà thiết kế cũng như các nhà tích hợp hệ thống lựa chọn được hệ thống điều khiển phù hợp nhất với ứng dụng của mình.

Trong nỗ lực nhằm tăng thị phần và chinh phục những ứng dụng mới, các nhà chế tạo bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) đã đưa ra một ý tưởng kết hợp giữa một bộ điều khiển PLC và một hệ thống thu thập và giám sát dữ liệu (SCADA) để tạo thành một mô hình hoàn chỉnh với những tính năng tương đương những tính năng của một hệ DCS thông thường. Sự kết hợp PLC-SCADA có thể thay thế DCS vì những lí do sau:

– Giúp tăng năng lượng bộ nhớ và tốc độ xử lí của khối điều khiển trung tâm (CPU) cho phép thực hiện nhiều vòng điều khiển hơn

– Mang lại độ tin cậy cao hơn và thực hiện được tính năng dự phòng ở nhiều cấp độ, giống như khả năng dự phòng ở hệ DCS

– Bổ sung chức năng chia sẻ cơ sở dữ liệu biến giữa PLC và SCADA, mang đến một môi trường phát triển đồng nhất cho cả cấu trúc logic của PLC và giao diện người-máy của SCADA

Mặt khác, các nhà sản xuất DCS lại phải có những điều chỉnh để bảo vệ thị phần của mình, đặc biệt là trong công nghiệp hóa dầu – nơi mà DCS về cơ bản luôn chiếm thế mạnh, đồng thời cố gắng mở rộng thị phần ở những ngành công nghiệp đòi hỏi ít độ phức tạp hơn như xử lí nước và nước thải. Các nhà chế tạo DCS đang phải cố gắng thực hiện những điều chỉnh như:

– Bổ sung những kỹ thuật điều khiển nâng cao như mạng nơ-ron, điều khiển thích nghi hay điều khiển dự báo

– Tăng cường những tính năng điều khiển rời rạc, bằng cách tương thích với chuẩn ngôn ngữ lập trình IEC61131-3, giống như PLC

– Điều chỉnh đáng kể giá phần cứng để cạnh tranh được với giá của các dòng PLC cao cấp

Mặc dù vậy, cho đến nay thì cả hai hệ PLC và DCS đều chưa thể đạt đến cấp độ có thể đáp ứng được yêu cầu của mọi ứng dụng trong công nghiệp.

Sơ đồ sẽ giới thiệu 6 bước trình tự để giúp người dùng lựa chọn hệ thống PLC hay DCS sẽ là hệ thống phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể. Mỗi bước là một câu hỏi và trả lời cho câu hỏi đó sẽ cho bạn câu trả lời phù hợp hoặc chuyển đến một câu hỏi tiếp theo.

Bước 1: Quá trình của ứng dụng có đòi hỏi tính năng điều khiển nâng cao (APC) hay không?

Không có gì phải bàn cãi, hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình đều có thể điều khiển được nhờ các kỹ thuật điều khiển hiện đại như PID hoặc bằng cách kết hợp với các chức năng điều khiển truyền thống như: điều khiển đón đầu (feedforward), điều khiển phân tầng (cascade), điều khiển chia dải, hay điều khiển tỉ lệ. Mặc dù vậy, khi quá trình công nghiệp đòi hỏi độ ổn định cao hơn và tối ưu hóa các biến điều khiển, đặc biệt là các vấn đề điều khiển liên quan đến đa biến và độ trễ quá trình, các bộ điều khiển cần phải có khả năng thực hiện các kỹ thuật điều khiển nâng cao (APC) như mạng nơ-ron, điều khiển thích nghi, điều khiển dự báo mô hình và các kỹ thuật khác.

Các nhà sản xuất DCS luôn luôn dẫn đầu trong việc tích hợp các chức năng APC vào trong hệ thống DCS của mình, trong khi các PLC thì bị giới hạn bởi các cách thức điều khiển truyền thống. Do đó, một khi quá trình yêu cầu một hay nhiều chức năng APC, DCS sẽ là sự lựa chọn phù hợp nhất.

Bước 2: Quá trình có bao nhiêu vòng điều kiển

Mặc dù các PLC cao cấp có khả năng thực thi rất nhiều vòng điều khiển PID và các chức năng điều khiển khác nhưng câu hỏi đặt ra là: một PLC có thể thực hiện tối đa bao nhiêu vòng điều khiển như vậy?

So với các chức năng lập trình khác, vòng điều khiển PID tiêu thụ dung lượng bộ nhớ lớn hơn cũng như thời gian xử lí nhiều hơn. Điều này có thể gây cản trở hiệu quả thực thi lệnh logic của PLC. Mặt khác, một hệ DCS luôn được thiết kế để giải quyết vấn đề này do nó có thể phân tán quá trình thực thi chương trình điều khiển trên nhiều CPU và cho phép chia sẻ thông tin gữa các CPU với nhau.

Sẽ là không công bằng nếu đưa ra một giới hạn trên về số vòng điều khiển mà một PLC có thể thực hiện vì khả năng của mỗi PLC là khác nhau. Mặc dù vậy, dòng PLC mạnh nhất hiện nay cũng không thể xử lí được nhiều hơn vài trăm vòng điều khiển. Nếu nhà chế tạo PLC không thể chứng minh được PLC của mình có thể bảo đảm quản lý được số lượng vòng điều khiển yêu cầu mà vẫn cung cấp đủ không gian bộ nhớ để thực hiện các lệnh logic khác thì sự lựa chọn DCS sẽ là sự lựa chọn tất nhiên.

Bước 3: Ứng dụng có cần một phòng điều khiển vận hành hay không?

Hiển thị thông tin và tương tác vận hành thường xuyên cũng là một tính năng chính của DCS. PLC thiên về thực hiện các lệnh logic và quá trình tuần tự và phải có thêm SCADA/HMI để có thể hiển thị thông tin và thao tác vận hành.

Vậy, nếu quá trình không cần một trạm vận hành để theo dõi 24/7 từ phòng điều khiển thì chỉ cần dùng một PLC và một màn hình HMI tại chỗ hoặc một máy tính công nghiệp với phần mềm SCADA là đủ. Sử dụng DCS trong trường hợp này sẽ có hiệu quả không cao, đặc biệt về mặt chi phí.

Ví dụ, khi quá trình là các gói hệ thống nhỏ, giống như một gói trong nhà máy xử lí nước hoặc nước thải, sử dụng PLC và HMI sẽ rất phù hợp. Nhưng nếu quá trình vận hành cần một phòng điều khiển với đầy đủ tính năng như trong các nhà máy xử lí nước thải qui mô lớn, có thể sử dụng cả DCS và hệ PLC-SCADA kết hợp.

Bước 4: Ứng dụng có yêu cầu điều khiển số ở tốc độ cao?

Nói về thực hiện các lệnh logic-điều khiển số, PLC thực sự không có đối thủ. Một PLC có thể thực thi một chương trình với hàng nghìn tín hiệu vào/ra chỉ trong 1/10 giây mà không có bất kỳ vấn đề gì. Đó là lí do tại sao PLC luôn luôn được chọn để dùng trong các hệ thống dừng khẩn cấp. DCS thường không nhanh trong điều khiển số, thay vào đó nó tập trung vào xử lí những vòng điều khiển liên tục. Nếu quá trình đòi hỏi tốc độ thực hiện cao, PLC sẽ là lựa chọn hợp lí.

Nếu câu trả lời cho câu hỏi 1 hoặc 2 là “Đúng”, DCS sẽ là sự lựa chọn bắt buộc. Nếu không thì cần xem xét từng hệ thống – DCS sẽ phù hợp cho điều khiển quá trình và PLC sẽ phù hợp cho điều khiển logic số hoặc các hệ thống liên quan đến an toàn.

Bước 5: Quá trình có đòi hỏi phải hiệu chỉnh thường xuyên?

Cả PLC và DCS đều cho phép lập trình, hiệu chỉnh chương trình, lập trình lại và thậm chí khởi động về trạng thái ban đầu của nhà máy. Mặc dù vậy, khi hiệu chỉnh đồng thời cả PLC và SCADA thì lại là một vấn đề thực sự đau đầu.

Không giống như các hệ thống DCS – hệ thống triển khai một cơ sở dữ liệu duy nhất cho phần logic, HMI, cảnh báo và các biến lịch sử, các biến trong PLC và SCADA được lưu trữ và sử dụng bởi các cơ sở dữ liệu tách rời, riêng biệt hoặc trong một số trường hợp có thể sử dụng cả cơ sở dữ liệu từ một máy chủ OPC. Đặc điểm này làm cho việc hiểu chỉnh logic chương trình hoặc bổ sung thêm các thiết bị vào trong nhà máy sẽ tốn nhiều thời gian hơn, đồng nghĩa với việc gia tăng rủi ro và lỗi của hệ thống hơn.

Nếu như quá trình không đòi hỏi việc hiệu chỉnh chương trình hoặc bổ sung các thiết bị mới thì PLC là một lựa chọn phù hợp; nếu cần thường xuyên hiệu chỉnh, thì hãy nên cân nhắc về DCS, nhưng chỉ sau khi đã trả lời được câu hỏi cuối cùng ở dưới.

Bước 6: Kỹ sư của nhà máy có khả năng hiệu chỉnh được hệ thống hay không?

Chi phí phần cứng của hệ thống sẽ không được bàn đến trong các bước lựa chọn của bài báo này. Hầu hết các nhà sản xuất PLC và DCS đều có khả năng giảm giá các thiết bị phần cứng của mình xét trên phương diện một dự án lớn, nếu như họ muốn. Chi phí chỉ thực sự quan trọng khi thảo luận về vấn đề hiệu chỉnh, nâng cấp hệ thống trong tương lai. Khi đó, chi phí phần cứng sẽ là một phần của tổng giá đầu tư dài hạn của hệ thống.

Thông thường, các hãng chế tạo PLC thường theo mô hình kinh doanh sử dụng các kênh đối tác phát triển sản phẩm. Mỗi nhà sản xuất PLC đều có ít nhất một nhà tích hợp hệ thống tại mỗi quốc gia. Nhà tích hợp hệ thống này được đào tạo kỹ lưỡng về PLC của hãng, về SCADA/HMI và các sản phẩm tự động hóa liên quan khác. Trong khi đó, hầu hết các nhà sản xuất DCS lại theo mô hình bán nhân công kỹ thuật và dịch vụ tích hợp đi theo hệ thống. Nếu thuê một nhà tích hợp hệ thống thực hiện công việc hiệu chỉnh, chi phí sẽ rơi vào khoảng 300$ tới 400$ một ngày. Trong khi đó, các hãng DCS sẽ sẽ tính phí 1000$ một ngày cho một khối lượng công việc tương đương.

Một cách khác là nhà máy có thể cho các nhân viên đi đào tạo để bảo dưỡng và hiệu chỉnh chính hệ thống DCS của mình. Việc đào tạo bài bản cũng phải mất một chi phí nhất định, nhưng về lâu dài, nó sẽ tiết kiệm được chi phí hơn cho nhà máy và cũng hiệu quả hơn trong vận hành nhà máy.

Nếu như chỉ vì hệ thống cần thường xuyên thay đổi nhưng các nhân viên của nhà máy không có khả năng để thực hiện các công việc này, thì sử dụng giải pháp PLC kết hợp SCADA sẽ là biện pháp kinh tế hơn rất nhiều.

Những bước trên đây là những cách thức rất đơn giản nhưng lại rất thực tế và hữu dụng cho việc nên sử dụng nền tảng để điều khiển cho một quá trình công nghệ. Tất nhiên, việc lựa chọn này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố chi tiết khác cần phải xem xét kỹ lưỡng và được tư vấn cụ thể nhưng dưới một cái nhìn tổng quan, các bước này hoàn toàn phản ánh đúng những ưu điểm và nhược điểm phân biệt giữa PLC và DCS. Trên cơ sở đó, người dùng sẽ đánh giá được ở tầm vĩ mô, một mô hình điều khiển thích hợp nhất cho nhà máy của mình.q

NHẬT MINH (theo www.automation.com)

Số 180 (3/2016)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay