Tài liệu Hệ thống tự động hóa trong sản xuất

HÖ THèNG §iÒu khiÓn Tù §éng ho¸ qu¸ tr×nh s¶n xuÊt GS. TS. NGUYỄN CÔNG HIỀN TS. VÕ VIỆT SƠN ðại học Bách khoa Hà nội MỞ ðẦU Nửa cuối của thế kỷ 20 nhân loại chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Thừa hưởng những thành tựu to lớn của công nghệ ñiện tử, công nghệ máy tính và công nghệ thông tin, công nghệ tự ñộng hoá ñã có bước phát triển nhảy vọt. Nếu như trước kia người ta chỉ thực hiện ñược tự ñộng hoá từng máy riêng rẽ thì ngày nay người ta thực hiện tự ñộng hóa cả quá trình công nghệ và cao hơn nữa tự ñộng hoá cả quá trình sản xuất ñồng thời trình ñộ tự ñộng hoá ñã có sự thay ñổi về chất. Trong hệ thống ñiều khiển tự ñộng hoá quá trình công nghệ ( ðK TðH QTCN ) con người là một khâu quan trọng của hệ thống, giữa người và quá trình công nghệ luôn luôn có sự trao ñổi thông tin với nhau. Hệ thống ðK TðH QTCN ñã ñem lại hiệu quả to lớn : nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất lao ñộng và hạ giá thành sản phẩm. Vì vậy ngày nay hệ thống ðK TðH QTCN ngày càng ñược ứng dụng rộng rãi. Trong hệ thống sản xuất, ngoài quá trình công nghệ còn có các quá trình ñiều hành sản xuất khác như : thiết kế sản phẩm, lập kế hoạch sản xuất, kế 1 hoạch vật tư, lao ñộng, kế toán tài chính, kinh doanh tiếp thị v.v..Ngày nay nhờ ứng dụng máy tính mà hệ thống ñiều hành sản xuất này ñã ñược tự ñộng hoá ở mức ñộ cao. Những hệ thống như vậy ñược gọi là hệ thống tự ñộng hoá ñiều hành sản xuất ( TðH ðHSX ). Một cách ñơn giản người ta có thể coi hệ thống ñiều khiển tự ñộng hóa quá trình sản xuất là hệ thống ñiều khiển tự ñộng hoá quá trình công nghệ cộng với hệ thống tự ñộng hoá ñiều hành sản xuất. Như vậy có thể viết Hệ TðH QTSX = Hệ TðH QTCN + Hệ TðH ðHSX. Trong thực tế ranh giới giữa hai hệ trên không hoàn toàn tách biệt mà có sự kết hợp hữu cơ vói nhau thành một thể thống nhất. Trong giáo trình này, ba chương ñầu ñược dành ñể trình bày về hệ thống TðH QTCN. Các vấn ñề cơ bản của hệ TðH QTCN như cấu trúc của hệ, các hệ ñảm bảo, vai trò của con người và máy tính trong hệ v.v. ñược trình bày chi tiết. Trên cơ sở ñó, chương thứ tư trình bày về hệ TðH QTSX như là một bước phát triển cao của hệ thống sản xuất hiện ñại. 2 CHƯƠNG I CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ I. MỞ ðẦU 1. Nhu cầu và hiệu quả của việc áp dụng hệ thống ñiều khiển tự ñộng hoá quá trình công nghệ (ðK TðH QTCN). Xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay là ứng dụng kỹ thuật ñiện tử, kỹ thuật tin học, cơ khí chính xác ñể thực hiện tự ñộng hoá. Tự ñộng hoá ñược áp dụng cho từng máy, tổ hợp máy ñến cả dây chuyền công nghệ, cả nhà máy và tiến tới tự ñộng hoá cả một ngành sản xuất. Trong qúa trình phát triển của tự ñộng hoá(TðH), lượng thông tin trao ñổi giữa người với máy, giữa máy với máy không ngừng tăng lên. Ngày nay ñể sản xuất một sản phẩm có chất lượng tốt người ta phải khống chế ñiều chỉnh hàng chục hàng trăm thông số, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác nhau. ðể ñiều khiển một phân xưởng một xí nghiệp hoạt ñộng nhịp nhàng, người ñiều khiển quản lý hàng ngày hàng giờ phải thu thập và xử lý một lượng thông tin rất lớn về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu thị trường, v.v… ðể ñiều khiển một ngành sản xuất, ñể ra ñược các quyết ñịnh chính xác kịp thời thông thường người ta phải xử lý qua nhiều cấp rất nhiều thông tin khác nhau. Nếu việc xử lý các thông tin ñó không chính xác không kịp thời sẽ dẫn ñến quyết ñịnh sai lầm gây tổn hại lớn cho sản xuất. ðể thu thập, gia công, xử lý, truyền tải và tàng trữ thông tin thông thường chúng ta phải sử dụng một bộ máy rất ñông người ñể ghi chép, thống kê, báo cáo rất phức tạp nặng nề và chậm chạp. 3 Từ khi máy tính ra ñời, tình hình nói trên ñã thay ñổi cơ bản. Máy tính ñược dùng như một thiết bị ñiều khiển vạn năng ñược ñặt trực tiếp trong dây chuyền công nghệ ñể ñiều khiển các thông số kỹ thuật. Hơn thế nữa máy tính còn ñược dùng trong hệ thống ñiều khiển, quản lý quá trình công nghệ, quá trình sản xuất ñể thu thập xử lý một khối lượng lớn các thông tin kinh tế-kỹ thuật nhằm trợ giúp con người ñiều khiển tối ưu quá trình sản xuất. Như vậy nhờ có máy tính người ta ñã xây dựng các hệ thống ñiều khiển (quản lý) tự ñộng quá trình công nghệ (sản xuất). Nếu như cơ khí hoá giảm nhẹ sức lao ñộng chân tay của con người thì tự ñộng hoá không những giảm nhẹ sức lao ñộng chân tay mà cả lao ñộng trí óc của con người. ðiều này làm cho tự ñộng hoá trở thành ñặc trưng của nền công nghiệp hiện ñại. Các hệ thống ðK TðH QTCN ñã ñưa lại hiệu quả kinh tế xã hội rõ rệt: nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất lao ñộng, hạ giá thành sản phẩm, sử dụng hợp lý nguyên liệu và năng lượng, giảm số người không trực tiếp sản xuất. v.v. Do tính hiệu quả của nó nên ngày nay hệ thống ðK TðH QTCN ñã ñược ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực kinh tế quốc dân. Nhờ thừa hưởng ñược các tiến bộ kỹ thuật về ñiện tử, tin học, tự ñộng, máy tính.v.v. các hệ thống ðK TðH QTCN ngày càng ñảm nhiệm ñược nhiều chức năng nhưng kích thước ngày càng gọn nhẹ và vận hành thuận tiện. 4 Supervisory control management system HÖ §K T§H QTSX Process control HÖ §K T§H QTCN Local control HÖ §KT§ Individual control C¬ cÊu chÊp hµnh , ®iÒu khiÓn CÊp 3 Central computer Supervision CÊp 2 Computers Terminals CÊp 1 CÊp 0 Controllers PID PLC Sensors measurement actuators, motors, relay, valves QTCN- PROCESS H×nh 1.1 CÊu tróc ph©n cÊp cña hÖ ®iÒu khiÓn 2. ðịnh nghĩa- Phân loại hệ thống ðK TðH QTCN Các hệ thống ñiều khiển có thể ñược cấu trúc theo tháp hình nón và phân ra làm 4 cấp như Hình 1-1. Cấu trúc như vậy ñược gọi là cấu trúc phân cấp. - Quá trình công nghệ( QTCN- Process) là ñối tượng ñiều khiển, có thể là một máy sản xuất hay một tập hợp máy sản xuất nhằm hoàn thành một nhiệm vụ sản xuất ñịnh trước. - Cấp 0 (Individual control) là cấp tiếp xúc giữa hệ ñiều khiển và QTCN. Ở ñây có các cảm biến, các thiết bị ño dùng ñể thu nhận các tin tức từ QTCN. Ở cấp này còn có các cơ cấu chấp hành, rơ le, ñộng cơ, van, kích .v.v dùng ñể nhận thông tin ñiều khiển và chấp hành các lệnh ñiều khiển. 5 - Cấp 1 là cấp ñiều khiển cục bộ (local control). Ở ñây thực hiện việc ñiều khiển từng máy, từng bộ phận của QTCN. Các hệ thống ñiều khiển tự ñộng (ðKTð) nhận thông tin của QTCN ở cấp 0 và thực hiện các thao tác (operation, monitoring) tự ñộng theo chương trình của con người ñã cài ñặt sẵn. Một số thông tin về QTCN và kết qủa của việc ñiều khiển sẽ ñược chuyển lên cấp 2. Ớ cấp này thường ñặt các bộ ñiều khiển PID, các controllers, hiện nay phổ biến dùng các bộ ñiều khiển lập trình ñược PLC (Programable Logic Controller). PLC ñược xây dựng trên cơ sở thiết bị vi xử lý (microprocessor) có các cổng I/O analog và digital nên rất thuận tiện trong việc trao ñổi thông tin giữa QTCN và máy tính. Nhờ có khả năng lập trình mà PLC có tính mềm dẻo, có thể dùng vào các công nghệ khác nhau do ñó có thể coi PLC là thiết bị ñiều khiển vạn năng. - Cấp 2 là cấp ñiều khiển tự ñộng hoá quá trình công nghệ-ðK TðH QTCN (Process Control). Ở cấp 2 có các máy tính (MT) hoặc mạng máy tính. MT thu nhận các thông tin về QTCN (từ cấp 1 ñưa lên) xử lý các thông tin ñó và trao ñổi thông tin với người ñiều khiển (NðK). Thông qua MT, NðK có thể can thiệp vào QTCN, như vậy hệ ñiều khiển ở ñây thuộc hệ người –máy. - Cấp 3 là cấp ñiều khiển tự ñộng hoá quá trình sản xuất- ðK TðH QTSX (Supervisory Control, Management system). Ở cấp 3 có các trung tâm máy tính (TTMT). Ở ñây không những xử lý các thông tin về quá trình sản xuất như tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính, lực lượng lao ñộng, tình hình cung cầu trên thị trường .v.v. Trung tâm máy tính xử lý một khối lượng thông tin lớn và ñưa ra những giải pháp tối ưu ñể người ñiều khiển lựa chọn. Người ñiều khiển có thể ra các lệnh ñể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất thậm 6 chí thay ñổi mục tiêu của sản xuất. Cũng như hệ ðK TðH QTCN (ở cấp 2) hệ thống ðK TðH QTSX là một hệ người –máy nhưng ở cấp cao hơn, phạm vi ñiều khiển rộng hơn. Những ñịnh nghĩa sau ñây giúp chúng ta phân biệt giữa các hệ ðKTð và các hệ ðK TðH (QTCN hoặc QTSX). - Hệ ðKTð (automatic control system) là hệ thực hiện các thao tác một cách tự ñộng theo logic chương trình ñịnh trước (do con người ñặt trước). Hệ làm việc không có sự can thiệp của con người. Con người chỉ ñóng vai trò khởi ñộng hệ. Trong thực tế ñó là các bộ ñiều chỉnh, các controllers PID, PLC, các mạch rơ le- contactơ làm việc ở cấp ñiều khiển 1 trong sơ cấu trúc phân cấp của hệ ñiều khiển trên Hình 1.1. Con người chỉ có thể thay ñổi hành vi của hệ ðKTð bằng cách cắt nó ra khỏi QTCN ñể thay ñổi cấu trúc hoặc nạp lại chương trình. - Hệ ðK TðH (Process control system) là một hệ tự ñộng hoá quá trình xử lý thông tin trong quá trình công nghệ hoặc quá trình sản xuất. Trong hệ này con người là một khâu quan trọng của hệ. Thường xuyên có sự trao ñổi thông tin giữa người và máy tính vì vậy hệ ðK TðH thuộc hệ người máy. Con người làm việc ở những nơi quan trọng như hoạch ñịnh mục tiêu hoạt ñộng của hệ và ra các quyết ñịnh quan trọng ñảm bảo hệ ñi ñúng mục tiêu ñã ñịnh. Trong thực tế ñó là các hệ ðK TðH QTCN và ðK TðH QTSX làm việc ở cấp ñiều khiển 2 và 3 trong sơ ñồ cấu trúc phân cấp của hệ ñiều khiển trên Hình 1-1. Thực chất của vấn ñề ñiều khiển là quá trình thu thập, lựa chọn, xử lý, lưu trữ và truyền ñạt thông tin ñiều khiển.Trước ñây việc xử lý thông tin nêu trên (ứng với cấp 2, cấp 3 ở Hình 1-1) do con người ñảm nhiệm, xem Hình 1-2. Ngày nay các hệ ðK TðH QTCN (QTSX) ñảm nhiệm việc tự ñộng hoá quá trình xử lý thông tin nói trên, xem Hình 1-3. Trong các hệ này con người 7 ñóng vai trò quan trọng ở những khâu then chốt của hệ. Máy tính ñảm nhiệm việc xử lý các thông tin của quá trình công nghệ sau ñó trao ñổi thông tin ñã xử lý với con người. Con người sau khi xử lý thông tin sẽ ñưa ra các quyết ñịnh, các thông tin ñiều khiển có tính chiến lược.Máy tính trực tiếp ñưa ra các thông tin có tính chiến thuật ñể ñiều khiển QTCN. Phân loại các hệ thống ñiều khiển tự ñộng hoá Theo phạm vi ñiều khiển các hệ ðK TðH có thể ñược phân ra: - Hệ thống ðK TðH QTCN (Process Control)-(cấp 2 trong Hình 1-1). Hệ thống này ñược dùng ñể tự ñộng hoá việc ñiều khiển một quá trình công nghệ nhất ñịnh nhằm ñiều khiển tối ưu các thông số kỹ thuật ñể có ñược sản phẩm chất lượng cao. Tin tức ñược xử lý trong hệ ðK TðH QTCN chủ yếu liên quan ñến các thông số kỹ thuật. - Hệ thống ðK TðH QTSX (Supervisory control, Management system) Các hệ thống này ñược dùng ñể tự ñộng hóa việc ñiều khiển quá trình sản xuất. Hệ thống không những có khả năng giải các bài toán về công nghệ như hệ ðK TðH QTCN mà còn giải các bài toán về kế hoạch sản xuất, tài chính, cung ứng vật tư, lao ñộng, phân phối sản phẩm.v.v. Th«ng tin ®Çu vµo Th«ng tin ®iÒu khiÓn QTCN NhiÔu H×nh 1.2: Qu¸ tr×nh xö lý th«ng tin trong hÖ ®iÒu khiÓn th«ng th−êng 8 Th«ng tin §K chiÕn l−îc Th«ng tin ®5 xö lý MT Th«ng tin vÒ QTCN §Çu vµo Th«ng tin §K chiÕn thuËt S¶n phÈm QTCN NhiÔu H×nh 1.3: Qu¸ tr×nh xö lý th«ng tin trong hÖ ®iÒu khiÓn tù ®éng ho¸ Các hệ ðK TðH QTSX ứng với cấp 3 trong sơ ñồ hình 1-1 - Hệ thống ðK TðH ngành Các hệ thống này ñược dùng ñể tự ñộng hoá việc ñiều khiển một ngành kinh tế, phối hợp với việc lập kế hoạch sản xuất, ñiều khiển việc tổ chức các bộ phận của ngành. Ví dụ hệ ðK TðH ngành như: hệ ñiều khiển hệ thống ñiện, giao thông ñường thuỷ, ñường không, ñường sắt, ngành luyện kim,chể tạo máy .v.v. Theo nhiệm vụ và ñối tượng ñiều khiển các hệ ðK TðH có thể ñược phân ra thành các hệ dùng trong công nghiệp, giao thông, y tế, tài chính, quân sự, xã hội .v.v. 9 II. CẤU TRÚC CỦA HỆ ðK TðH QTCN 1. Cấu trúc hệ thống lớn - cấu trúc hệ con Hệ ðK TðH QTCN thuộc loại hệ thống lớn có cấu trúc phức tạp. Hệ thường ñược phân thành các hệ con và tổ chức theo kiểu phân cấp (hierarchy).Các thông tin trước tiên ñược xử lý ở cấp dưới sau ñó ñược truyền về các cấp cao hơn. Ở cấp trên, người ta ñiều khiển nhận các thông tin ñã qua xử lý ở cấp dưới và các thông tin bổ xung ñể ñưa ra các quyết ñịnh ñiều khiển. Hệ ðK TðH QTCN có thể ñược phân thành các hệ con chức năng và hệ con ñảm bảo như Hình 1-4 • Các hệ con chức năng Số lượng và nhiệm vụ của các hệ con chức năng phụ thuộc vào QTCN cụ thể. Ví dụ nếu QTCN là một nhà máy thì các hệ con chức năng có thể ñược phân ra như Hình 1-4. Nếu QTCN là một cơ sở ñào tạo thì các hệ con chức năng có thể là : phòng ñào tạo, phòng quản lý sinh viên, phòng tài vụ, phòng tổ chức. v.v. 10 KÕ ho¹ch s¶n xuÊt Lao ®éng tiÒn l−¬ng VËt t− thiÕt bÞ . . . . . . C¸c hÖ con chøc n¨ng KÕ ho¹ch tµi vô Hµnh chÝnh §¶m b¶o th«ng tin §¶m b¶o to¸n häc §¶m b¶o kü thuËt C¸c hÖ con ®¶m b¶o H×nh 1-4: CÊu tróc hÖ con cña hÖ §K T§H QTCN • Các hệ con ñảm bảo Khác với các hệ con chức năng phụ thuộc vào QTCN cụ thể, các hệ con ñảm bảo là các hệ con cơ bản mà bất cứ hệ ðK TðH QTCN nào cũng phải có ñể ñảm bảo cho hệ hoạt ñộng bình thường . Có ba hệ con ñảm bảo là : ñảm bảo thông tin, ñảm bảo toán học và ñảm bảo kỹ thuật. Có thể coi ñảm bảo thông tin và toán học là phần mềm của hệ 11 và ñảm bảo kỹ thuật của phần cứng của hệ. Các hệ con dảm bảo này sẽ ñược trình bày kỹ ở các phần sau. 2. Cấu trúc phân cấp Hệ ðK TðH QTCN ñược tổ chức theo kiểu phân cấp như trình bày trên Hình 1-5, ñây là sơ ñồ cấu trúc song song. T TG T Trung t©m ®iÒu khiÓn Trung t©m tÝnh to¸n Terminal T TG T TG T Tr¹m trung gian H×nh 1.5: CÊu tróc ph©n cÊp cña hÖ §K T§H QTCN Cấp thấp nhất của hệ ñiều thống là các thiết bị ñầu cuối - Terminal. Terminal là nơi tiếp xúc giữa hệ ñiều khiển với QTCN. Terminal thu nhận các thông tin từ các sensor, các thiết bị ño lường, lưu trữ và sơ bộ xử lý các thông tin ñó rồi truyền lên các trạm trung gian TG. 12 Trạm trung gian có các máy tính hoặc máy mạng máy tính. Ở trạm trung gian thông tin ñược xử lý tiếp ñể ñưa ra các quyết ñịnh ñiều khiển ñể truyền xuống Terminar rồi tác ñộng ñến QTCN. Thông tin ñã ñược xử lý ở trạm trung gian, ñược truyền lên trung tâm ñiều khiển. Nhờ có trung tâm tính toán mà trung tâm ñiều khiển có thể xử lý ñược khối lượng thông tin lớn, giải các bài toán phức tạp của quá trình ñiều khiển. Lấy ví dụ về hệ ðK TðH QTCN của một nhà máy thì các Terminar là các tủ ñiều khiển ñặt tại các công ñoạn sản xuất, các Terminarl cũng có thể ñặt tại các phòng ban ñể trực tiếp thông tin cho ban giám ñốc . Các trạm trung gian là các trạm ñiều khiển ñược ñặt tại các phân xưởng lớn ñể nhận thông tin từ các Terminar chuyển tới. Trung tâm ñiều khiển ñược ñặt tại nơi làm việc của ban giám ñốc ñể ñiều khiển toàn bộ nhà máy. Ngày nay nhờ kỹ thuật máy tính phát triển vì vậy ngay cả các Terminal, người ta cũng có thể ñặt các máy vi tính có dung lượng lớn, tốc ñộ nhanh có khả năng xử lý nhiều thông tin và giải ñược nhiều bài toán ñiều khiển. Trong trường hợp này trạm trung gian không cần thiết nữa, các Terminal trực tiếp nối với trung tâm ñiều khiển, xem Hình 1-6. Chúng ta có sơ ñồ cấu trúc hình tia. So với sơ ñồ cấu trúc song song (Hình 1-5) thì sơ ñồ cấu trúc hình tia có ưu ñiểm là ñơn giản và giảm ñược các ñường dây liên lạc giữa các bộ phận của hệ. Tuy vậy cấu trúc hình tia còn có nhược ñiểm là các Terminal không trực tiếp trao ñổi các thông tin với nhau. 13 T T T TT§K T TTTT T T H×nh 1-6: S¬ ®å cÊu tróc h×nh tia T TT§K T T T T H×nh 1-7: S¬ ®å cÊu tróc kiÓu Bus Kỹ thuật truyền tin giữa các máy tính bằng các Bus cho phép chúng ta xây dựng ñược sơ ñồ ñiều khiển kiểu bus (truyền tin hai chiều) như trên Hình 1-7. Trong sơ ñồ này các bộ phận trong hệ thống như Terminal(T) và trung tâm ñiều khiển (TTðK) có thể trực tiếp trao ñổi thông tin với nhau, do vậy tính linh hoạt cao, ñưa lại hiệu quả lớn. Tuỳ tình hình cụ thể của QTCN mà người ta chọn sơ ñồ cấu trúc thích hợp, tuy nhiên do nhiều ưu ñiểm nên sơ ñồ cấu trúc kiểu bus ñược dùng rộng rãi nhất. 14 CHƯƠNG 2 CÁC HỆ ðẢM BẢO CỦA HỆ ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ ðẢM BẢO THÔNG TIN I. 1. Sơ ñồ cấu trúc quá trình xử lý thông tin trong hệ ðK TðH QTCN Như trên ñã nói về thực chất hệ ðK TðH QTCN là hệ tự ñộng hoá quá trình xử lý tin trong hệ ñiều khiển. Quá trình xử lý tin ñược trình bày trên Hình 2-1. NhiÔu HiÖu lùc ph¸p lý cña c¸c d÷ liÖu ban ®Çu YÕu tè t¸c ®éng C¬ cÊu so s¸nh Dù kiÕn vÒ kÕ ho¹ch s¶n xuÊt Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt HiÖu lùc ph¸p lý cña qu¸ tr×nh tÝnh to¸n Tr¹ng th¸i s¶n xuÊt KÕt qu¶ tÝnh to¸n Xö lý d÷ liÖu b»ng m¸y tÝnh TÝnh to¸n l¹i víi d÷ liÖu míi H×nh 2-1: Qu¸ tr×nh xö lý tin trong hÖ §K T§H QTCN Các dữ liệu về trạng thái sản xuất ñược máy tính xử lý và ñưa ra các kết quả tính toán dưới dạng lời giải của cá bài toán ñiều khiển. Khi ñược con 15 người chấp nhận, các kết quả tính toán ñó sẽ ñược gán hiệu lực pháp lý. Kết quả tính toán này cùng với dữ liệu ban ñầu (ñã ñược con người ñưa vào - có hiệu lực pháp lý) ñể lập ra kế hoạch sản xuất. Quyết ñịnh ñiều khiển sẽ tác ñộng vào quá trình sản xuất. Nhìn trên Hình 2-1 chúng ta thấy trong hệ ðK TðH QTCN thông tin (dưới dạng dữ liệu) ñược trao ñổi giữa nhiều bộ phận và thường xuyên có sự trao ñổi giữa người và máy và ngược lại. Vì vậy hệ con ñảm bảo thông tin phải ñảm bảo cho quá trình trao ñổi thông tin ñó ñược nhất quán và thuận tiện. 2. Cấu tạo của ñảm bảo thông tin. Trong hệ ðK TðH QTCN con người căn cứ vào thông tin thu nhận ñược (ñã qua máy xử lý) ñể quyết ñịnh các giải pháp ñiều khiển. Như vậy ñộ chính xác của các quyết ñịnh phần lớn phụ thuộc vào ñộ chính xác của thông tin. Có nghĩa là các thông tin có phản ánh ñúng các thông số trạng thái của các ñối tượng bị ñiều khiển hay không. Hiểu theo nghĩa rộng ñảm bảo thông tin là hệ thống phản ánh quá trình sản xuất, là hệ thống các mô hình thông tin dùng ñể mô tả một cách hình thức quá trình sản xuất nói trên. Hiểu theo nghĩa hẹp ñảm bảo thông tin bao gồm các phần sau ñây: - Hệ thống phân loại, ñánh dấu, ñặt tên các phần tử, các ñối tượng bị ñiều khiển. - Hệ thống các ñịnh mức, các chỉ tiêu kinh kế kỹ thuật. - Tổ chức lưu giữ, gia công, xử lý, hiệu chỉnh thông tin. Như vậy ñảm bảo thông tin là bước ñầu tiên của quá trình xử lý thông tin trong hệ ðK TðH QTCN. 3. Mô hình thông tin 16 Mô hình thông tin là sự mô tả hình thức quá trình tổ chức và xử lý thông tin. Ở mức ñộ ñơn giản mô hình thông tin là các bảng thống kê, các ghi chép về các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật, các ñịnh mức vật tư, lao ñộng .v.v. Mô hình thông tin dạng ma trận là một ma trận phản ánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và quan hệ giữa chúng nên loại mô hình này ñược dùng rộng rãi. Yêu cầu ñối với mô hình thông tin là phải rõ ràng, thuận tiện cho sử dụng, có tính thống nhất và tiêu chuẩn hoá ñể có thể dùng cho các phương tiện tính toán khác nhau. 4. ðánh dấu, phân loại, ñặt tên các ñối tượng ñược ñiều khiển Một trong những nhiệm vụ quan trọng của ñảm bảo thông tin là xây dựng một hệ thống các cách ñánh dấu, phân loại, ñặt tên các phần tử, thiết bị máy móc, các sản phẩm cùng các quan hệ giữa chúng. Hệ thống ñánh dấu phân loại này phải thuận tiện cho việc dùng máy tính ñể xử lý thông tin- tức các thông tin phải ñược mã hoá. Việc ñánh dấu, phân loại, ñặt tên phải phù hợp với tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế như: Tiêu chuẩn Việt nam, IEC, ISO 9000. 5. Hệ thống ñịnh mức- các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật. Sản xuất bất kỳ sản phẩm nào cũng phải qua nhiều nguyên công, nhiều công ñoạn. Ứng với mỗi nguyên công cần tiêu phí một lượng nguyên liệu, nhiên liệu, nhân công nhất ñịnh. Vì vậy, những ñịnh mức kinh tế- kỹ thuật phải ñược xây dựng ñầy ñủ chi tiết cho từng bộ phận, từng máy ñến cả dây chuyền công nghệ. 6. Xây dựng ngân hàng dữ liệu 17 Ngân hàng dữ liệu của hệ ðK TðH QTCN là nơi tập trung (trong máy tính) toàn bộ dữ liệu dùng trong hệ. Vì vậy cần phải tổ chức sao cho lưu trữ, sử dụng và cập nhật thông tin ñược thuận tiện, khoa học. - Về lưu trữ dữ liệu cần giải quyết các vấn ñề sau ñây: o Tập trung hoá các dữ liệu o Tối thiểu hoá ñộ dư của dữ liệu o Mô tả dữ liệu bằng ngôn ngữ chung không phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình o Sử dụng các mô tả dữ liệu có cấu trúc - Về sử dụng dữ liệu cần giải quyết các vấn ñề sau ñây: o Có khả năng lấy ra bất kỳ một nhóm dữ liệu nào không phụ thuộc vào nơi ghi các dữ liệu ñó o Có khả năng ñổi mới, cập nhật các dữ liệu o Sử dụng các phương pháp tìm kiếm dữ liệu tối ưu o Có khả năng bảo vệ tính chính xác, nguyên vẹn, bí mật của dữ liệu Chú ý rằng “dữ liệu” ở ñây hiểu theo nghĩa rộng, nó có thể là các số liệu nhưng cũng có thể là các chương trình tính toán, bản thiết kế hoặc quy trình công nghệ .v.v. Một trong những vấn ñề quan trọng của việc xây dựng ngân hàng dữ liệu là tổ chức vào ra thông tin. Hiện nay phương pháp ñưa thông tin vào còn khá chậm so với tốc ñộ xử lý của máy tính và chưa thuận tiện cho việc trao ñổi trực tiếp giữa người với máy. Việc ñưa thông tin ra (màn hình, máy in, ñĩa mềm, …) có nhiều tiến bộ nên việc lấy thông tin ra ngày càng dễ dàng hơn. II. ðẢM BẢO TOÁN HỌC 1. Cấu trúc của ñảm bảo toán học 18 ðảm bảo toán học bao gồm những thành phần sau: - Các mô hình toán (còn gọi là ñảm bảo mô hình) dùng ñể mô hình các ñối tượng ñược ñiều khiển, các quá trình công nghệ ñể giải các bài toán ñiều khiển. - Các thuật toán (còn gọi là ñảm bảo thuật toán) là các phương pháp giải các bài toán ñiều khiển. Các thuật toán thường phụ thuộc vào mô hình toán ñã chọn. Chọn thuật toán ñúng sẽ ảnh hưởng tới tốc ñộ tính toán và ñộ chính xác của lời giải. - Các chương trình (còn gọi là ñảm bảo chương trình) dùng ñể xử lý, tính toán các dữ liệu ứng với mô hình và thuật toán ñã chọn. Như vậy mô hình toán học và thuật toán dùng ñể xây dựng hệ thống, còn chương trình tính toán dùng ñể vận hành hệ thống. Ngày nay có nhiều ngôn ngữ dùng ñể lập trình. Việc chọn ngôn ngữ nào và kỹ thuật lập trình ra sao ảnh hưởng rất lớn ñến tốc ñộ tính và kết quả tính. 2. Mô hình toán học Xây dựng mô hình toán học là một trong những giai ñoạn quan trọng nhất của việc xây dựng hệ thống ñiều khiển. Thông thường công việc này phải do các chuyên gia am hiểu về quá trình công nghệ và nắm vững về toán học ñảm nhiệm. Hiện nay người ta xử dụng nhiều loại mô hình toán học, thường dùng các loại mô hình sau ñây: - Mô hình quy hoạch (tuyến tính, không tuyến tính) - Mô hình mô phỏng (mô hình trạng thái, mô hình phục vụ ñám ñông) - Mô hình trò chơi - Mô hình quy hoạch thực nghiệm Sau ñây chúng ta ñiểm qua một vài loại mô hình. 19 - Mô hình quy hoach Dùng ñể giải các bài toán ñánh giá chất lượng, giải các bài toán tối ưu. Loại mô hình này ñược xây dựng trên các dữ liệu ñã biết trước như các ñịnh mức, các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật .v.v. Trong thực tế, rất nhiều thông số không thể xác ñịnh bằng một giá trị cụ thể mà chỉ có thể biết xác suất xuất hiện của nó. Trong trường hợp này người ta phải xây dựng mô hình xác suất. - Mô hình mô phỏng Ngày nay nhờ có kỹ thuật máy tính phát triển người ta có thể thực hiện một số lượng lớn các phép tính và lưu trữ nhiều dữ liệu, nhờ vậy người ta có thể thực hiện phương pháp mô phỏng (Simulation). Trong mô hình mô phỏng người ta mô phỏng hành ñộng dáng ñiệu của các yếu tố, bộ phận của hệ thống cũng như mô tả các quan hệ giữa chúng và giữa hệ thống với môi trường xung quanh. Thông thường trong hệ có nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác ñộng, vì vậy mô hình nghiên cứu sẽ là mô hình ngẫu nhiên. Phương pháp mô phỏng sẽ phát huy ưu việt của nó khi mô phỏng các hệ ngẫu nhiên. ðể làm ví dụ ta hãy nghiên cứu mô hình phục vụ ñám ñông (server Queueing System) của hệ ðK TðH QTCN. Như ta ñã biết, hệ ðK TðH QTCN có các terminal các trung tâm tính toán, các thiết bị này ñược coi là ñiểm phục vụ (servers). Các thông tin ñi vào hệ : từ ñồng hồ ño, sensor, hoặc là từ các terminals lên trung tâm tính toán ñược gọi là khách hàng (customer) hoặc là các yêu cầu. Thời ñiểm khách hàng xuất hiện, ñộ lớn của khách hàng mang tính ngẫu nhiên. Dòng khách hàng là một dòng ngẫu nhiên, nếu dòng này là một dòng dừng, không hậu quả và ñơn trị thì nó là một dòng tối giản. Trong trường hợp này khoảng cách giữa các sự kiện – khách hàng - sẽ tuân theo luật phân bố mũ. 20