Tổng quan

Dưới góc độ công nghệ, các quá trình sản xuất có thể phân chia làm 3 loại:

– Quá trình gián đoạn: toàn bộ quá trình được chia thành các công đoạn rời rạc, độc lập với nhau.

– Quá trình liên tục: toàn bộ quá trình là một dòng chảy liên tục của nguyên vật liệu

– Quá trình theo mẻ: là quá trình sản xuất trong đó một lượng hữu hạn thành phẩm hoặc bán thành phẩm được tạo ra từ một lượng các nguyên liệu đầu vào theo một quy trình xử lý cho trước trong một khoảng thời gian nhất định và sử dụng một hoặc nhiều thiết bị.

 

Quá trình sản xuất theo mẻ thường có tính linh hoạt, mềm dẻo do sự phong phú về sản phẩm và đa dạng về các thiết bị cần được điều khiển. Vì lí do này, cho đến hiện nay, rất nhiều nhà máy có công nghệ sản xuất theo mẻ vẫn đang được vận hành bằng tay.

 

Chuẩn ISA S88 điều khiển mẻ tiếp cận theo hướng module hóa cho các quá trình sản xuất theo mẻ tự động và bằng tay. Chuẩn này cung cấp một cơ chế để tích hợp thông tin liên quan đến sản xuất theo mẻ với Hệ thống điều hành sản xuất (MES) và Hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP). S88 được coi như nền cơ sở cho chuẩn S95 mới, chuẩn này chú trọng vào sự tích hợp giữa hệ thống sản xuất và kinh doanh.

 

Mô tả các khái niệm trong S88

 

Một trong những đóng góp chính của chuẩn S88 là đưa ra các thuật ngữ chung trong sản xuất theo mẻ.

 

Để có thể phát triển một hệ thống điều khiển sản xuất theo mẻ thành công, cần phải xác định ba yếu tố quan trọng sau:

– Cách thức tạo ra sản phẩm (công thức)

– Các công cụ vật lý cần thiết để sản xuất (thiết bị)

– Cách vận hành các thiết bị đó (hành động điều khiển)

 

Chuẩn S88 đưa ra khái niệm công thức (Recipe) và hai loại mô hình:

– Mô hình vật lý (Physical Model) dùng để mô tả thiết bị

– Mô hình thủ tục (Procedure Model) dùng để mô tả trình tự xử lý một quá trình dựa trên công thức.

 

 

Để hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa hai loại mô hình trên và cách điều khiển các thiết bị, trước hết chúng ta sẽ tìm hiểu S88 định nghĩa các công thức như thế nào. Theo chuẩn này, công thức là một tập hợp thông tin nhận dạng yêu cầu sản xuất đối với một loại sản phẩm và cách thức sản xuất ra sản phẩm đó. S88 phân biệt 4 loại công thức như hình 1:

 

Công thức tổng quát (General Recipe): một công thức tổng quát định nghĩa các loại nguyên liệu, số lượng tương đối và yêu cầu xử lý. Công thức tổng quát không bao gồm các thông tin chi tiết về mặt địa lý hoặc thiết bị công nghệ.

 

Công thức địa điểm (Site Recipe): Công thức địa điểm được dẫn xuất từ công thức tổng quát nhưng có thông tin về mặt địa lý (ví dụ có thể ở các nước hoặc lục địa khác nhau thì tỉ lệ các nguyên liệu cũng khác nhau) và ngôn ngữ.

 

Công thức chủ đạo (Master Recipe): công thức chủ đạo dẫn xuất từ công thức địa điểm và hướng tới đơn vị xử lý. Công thức này tập trung vào các thiết bị cần thiết trong một đơn vị xử lý nhất định. Nó bao gồm các loại thông tin sau: tiêu đề, cách thức, yêu cầu thiết bị và thủ tục.

 

Hình 1: Các loại công thức

 

Tiêu đề thường bao gồm tên công thức, định danh sản phẩm, phiên bản, tác giả, sự chứng nhận được sản xuất và các thông tin quản lý khác.

 

Cách thức là thông tin về loại nguyên liệu, số lượng tương ứng và tham số quá trình (ví dụ: nhiệt độ, áp suất).

 

Yêu cầu thiết bị cấp thông tin để lựa chọn thiết bị thực hiện.

 

Thủ tục được xây dựng và thực hiện trên thiết bị.

 

Công thức điều khiển là công thức cho một mẻ được tạo ra từ công thức chủ đạo. Mỗi công thức chủ đạo có thể có một hoặc nhiều công thức điều khiển cho một danh sách mẻ hoặc cho các trạng thái vận hành.

 

 

Mô hình vật lý mô tả thiết bị và nó bao gồm các thành phần như trên hình 2:

 

Hình 2: Mô hình vật lý

 

Công ty (Enterprise): quyết định sản xuất sản phẩm gì, tại địa điểm nào và với quá trình xử lý nào. Công ty là một tổ chức phối hợp sự vận hành của một hay nhiều nhà máy. Mỗi nhà máy có thể có nhiều khu vực, nơi xử lý, module thiết bị và module điều khiển.

 

Nhà máy (Site): là một thành phần của công ty, thường được phân chia theo yếu tố địa lý. Nó có thể bao gồm nhiều khu vực, khâu sản xuất, module thiết bị và module điều khiển.

 

Khu vực (Area): là một thành phần của nhà máy, thường được phân chia theo yếu tố địa lý, vật lý hoặc logic. Nó có thể bao gồm khâu sản xuất, đơn vị, module thiết bị module điều khiển.

 

Khâu sản xuất (Process Cell): bao gồm nhiều đơn vị, module thiết bị và module điều khiển cần thiết để thực hiện một hoặc nhiều mẻ. Nó là một thành phần của khu vực.

 

Đơn vị (Unit): là một nhóm các module thiết bị, module điều khiển và thiết bị quá trình khác, trong đó một hoặc nhiều chức năng quá trình có thể được thực hiện trong một hoặc nhiều phần của một mẻ.

 

Module thiết bị (Equipment Module): là một nhóm thiết bị có thể thực hiện một số hoạt động xử lý nhất định. Những hoạt động này tạo nên các chức năng quá trình như điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, định lượng và trộn.

 

Module điều khiển (Control Module): là mức thiết bị thấp nhất trong mô hình vật lý. Nó thực hiện các chức năng cơ bản như điều khiển van và bơm.

 

Một điều quan trọng cần chú ý ở đây là ba mức trên cùng trong mô hình vật lý Công ty, Nhà máy và Khu vực nằm ngoài phạm vi của điều khiển mẻ và của chuẩn S88.

 

 

Mô hình thủ tục là một mô hình phân cấp nhiều lớp dùng để mô tả chiến lược thực hiện một quá trình. Các thành phần của nó được thể hiện trong hình 3 dưới đây:

 

Hình 3: Mô hình thủ tục

 

Thủ tục (Procedure): là chiến lược thực hiện một quá trình. Nó bao gồm nhiều thủ tục đơn vị.

 

Thủ tục đơn vị (Unit Procedure): là một chiến lược thực hiện các hành động và chức năng quá trình trong một đơn vị. Mỗi thủ tục đơn vị bao gồm một hoặc nhiều hoạt động (ví dụ: thủ tục đơn vị bình xử lý chính, thủ tục đơn vị bình trộn nước).

 

Hoạt động (Operation): là một phần tử trong thủ tục. Nó định nghĩa một hành động xử lý độc lập được thực hiện bởi một hoặc nhiều pha trong một đơn vị (ví dụ: hoạt động thêm nguyên liệu thô, hoạt động phản ứng).

 

Công đoạn (Phase): là phần tử nhỏ nhất trong mô hình thủ tục. Nó thực hiện một chức năng duy nhất hoặc độc lập trong một đơn vị (ví dụ: trộn, khuấy, điều khiển nhiệt độ, vận chuyển).

 

 

Mô hình thủ tục mô tả chiến lược điều khiển, dựa trên đó thiết bị trong mô hình vật lý thực hiện nhiệm vụ xử lý. Sự tương quan giữa các thành phần trong hai mô hình thể hiện trong hình sau:

 

Hình 4: Tương quan giữa 2 loại mô hình

 

 

Một đóng góp quan trọng của chuẩn S88 đối với quá trình sản xuất theo mẻ là sự phân chia giữa công thức và sự điều khiển thiết bị. Công thức được chứa trong PC, trong khi mã chương trình điều khiển các thiết bị sản xuất nằm trong PLC hoặc DCS. Do đó, người dùng có thể soạn thảo, thay đổi các công thức mà không cần thay đổi mã chương trình điều khiển.

 

Đến thời điểm đưa vào sản xuất, các yêu cầu sản xuất định nghĩa bởi công thức và thủ tục của nó được kết nối đến thiết bị cần thiết.

 

Công thức trong máy chủ sản xuất mẻ (Batch Server) giao tiếp với thiết bị thông qua một tập hợp các giao thức nằm trong máy chủ đó. Các giao thức này dựa trên một số quy tắc và được thể hiện bởi sơ đồ chuyển đổi trạng thái (Hình 5). Sơ đồ này nằm trong PLC hoặc DCS.

 

Hình 5: Sơ đồ chuyển trạng thái

 

Các trạng thái được định nghĩa như sau:

 

Trạng thái đầu (Idle): chờ lệnh Start để chuyển sang Running

 

Đang chạy (Running): trạng thái này bắt đầu khi nhận được lệnh Start. Các hoạt động đang thực hiện.

 

Hoàn thành (Complete): trạng thái Running đã được hoàn thành. Chờ lệnh Reset để chuyển sang Idle.

 

Đang tạm dừng (Pausing): xuất hiện khi hệ thống đang ở Running và nhận được lệnh Pause. Hệ thống tiến tới điểm tạm dừng được định nghĩa tiếp theo. Tại điểm tạm dừng, trạng thái chuyển thành Paused.

 

Đã tạm dừng (Paused): là điểm dừng ngắn hạn cho phần tử thủ tục. Hệ thống quay trở lại trạng thái Running khi có lệnh Resume. Trạng thái Running sẽ tiếp tục từ điểm tạm dừng.

 

Đang giữ (Holding): thiết bị ở trạng thái an toàn. Trạng thái Running được ngắt và chuyển sang Holding khi có một sự bất thường được phát hiện hoặc có lệnh Hold từ người vận hành.

 

Đã giữ (Held): trạng thái Holding đã hoàn thành. Không có hoạt động nào xảy ra nữa. Tại điểm này, người vận hành hoặc hệ điều khiển có thể đưa ra lệnh Hold, Restart, Stop hoặc Abort.

 

Đang bắt đầu lại (Restarting): xuất hiện khi hệ thống đang ở trạng thái Held và lệnh Restart được người vận hành đưa ra. Các hoạt động được thực hiện để đưa thiết bị về trạng thái vận hành bình thường. Khi kết thúc Restarting, hệ thống chuyển về trạng thái Running.

 

Đang dừng (Stopping): thiết bị ở trạng thái an toàn. Trạng thái hiện tại bị ngắt khi người vận hành đưa ra lệnh Stop.

 

Đã dừng (Stopped): trạng thái Stopping đã hoàn thành. Tại điểm này, không thể bắt đầu lại công thức.

 

Đang hủy bỏ (Aborting): thiết bị ở trạng thái an toàn. Trạng thái hiện tại bị ngắt khi người vận hành đưa ra lệnh Abort.

 

Đã hủy bỏ (Aborted): trạng thái Aborting đã hoàn thành. Tại điểm này, không thể bắt đầu lại công thức.

 

Kết luận

 

Từ khi chuẩn S88 được chính thức ban hành năm 1995, nó đã đem lại nhiều lợi ích trong lĩnh vực tự động hóa các quá trình sản xuất theo mẻ. Các ưu điểm của S88 có thể kể ra ở đây là: cung cấp những định nghĩa rõ ràng hơn về các quá trình sản xuất và yêu cầu sản xuất, sự module hóa mã chương trình viết trong hệ thống S88 và tách riêng công thức khỏi thiết bị. Nhờ đó, khi áp dụng các nhà sản xuất có thể giảm chi phí, thời gian triển khai sản xuất. S88 cũng cho phép cải thiện tính đồng đều của sản phẩm, tăng khả năng quản lý chất lượng sản phẩm và quá trình.

 

Tài liệu tham khảo