Tự động hóa đang trở nên phổ biến ngày nay, Việt Nam và nhiều quốc gia trên thế giới đang phát triển theo xu hướng này. Mục tiêu chính của tự động hóa là tăng cường hiệu suất, độ chính xác, an toàn và tự động hóa quy trình làm việc, thông qua ứng dụng các công cụ và kỹ thuật như máy tính, cảm biến, hệ thống điều khiển và robot.

Tự động hóa là một xu thế tất yếu trong thời đại công nghệ 4.0. Việc ứng dụng tự động hóa giúp doanh nghiệp tăng hiệu quả hoạt động, nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững. 

Ngoài ra do máy móc và thiết bị tự động có thể hoạt động liên tục 24/7 với công suất lớn hơn nhiều so với con người. Điều này giúp tăng năng suất sản xuất, cung cấp dịch vụ nhanh chóng và đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Máy móc và thiết bị tự động được lập trình để thực hiện các thao tác chính xác, lặp đi lặp lại. Từ đó giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra, nâng cao chất lượng sản phẩm, dịch vụ. Doanh nghiệp ứng dụng tự động hóa sẽ có lợi thế cạnh tranh hơn so với các doanh nghiệp không ứng dụng. Điều này giúp doanh nghiệp giảm giá thành sản phẩm, dịch vụ, tăng thị phần và lợi nhuận.

Tự động hóa ngày càng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và mang lại nhiều thành tựu đáng kể. Sự phát triển của Internet và cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã làm cho tự động hóa trở thành một yếu tố then chốt, quan trọng để giúp doanh nghiệp phát triển và củng cố vị thế cạnh tranh trên thị trường. Các ngành đang tích cực ứng dụng công nghệ và thiết bị tự động bao gồm cơ khí, khí nén, điện tử, công nghệ sản xuất ô tô, y tế, nông nghiệp, điện, tàu thủy,...

Tại Việt Nam, sự phát triển và ứng dụng của tự động hóa đang dần theo một chu trình có khoa học. Các doanh nghiệp sản xuất tập trung nghiên cứu và áp dụng những tiến bộ của cách mạng công nghiệp toàn cầu. Dựa vào đó, họ định hình chiến lược phát triển và ứng dụng công nghệ số cũng như các thiết bị tự động theo điều kiện cụ thể tại Việt Nam, tìm ra hướng tiếp cận phù hợp cho từng lĩnh vực và ngành công nghiệp khác nhau. Xong để hệ thống này áp dụng vào thực hiện đạt được hiệu quả thì việc thiết lập khung và chức năng chung của phương pháp tích hợp điều khiển quá trình nâng cao và khả năng tối ưu hóa (APC-O) hệ thống sản xuất theo tiêu chuẩn là điều cần thiết. 

Hệ thống tự động hóa tích hợp đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Ảnh minh họa

Căn cứ tại Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13732-1:2023 Hệ thống tự động hóa và tích hợp - Phần 1: Khung và mô hình chức năng do Bộ Khoa học và Công nghệ công bố để thiết lập khung và chức năng chung của phương pháp tích hợp điều khiển quá trình nâng cao và khả năng tối ưu hóa (APC-O) hệ thống sản xuất. Mục tiêu là giảm chi phí và rủi ro liên quan đến việc phát triển và triển khai các khả năng tập hợp các chiến lược điều khiển quá trình nâng cao và tối ưu hóa (APC-O) tích hợp.

Phạm vi của tiêu chuẩn này được giới hạn trong việc quy định tập hợp các khái niệm, thuật ngữ, định nghĩa và các quy tắc liên quan để mô tả các khả năng chức năng cần thiết của các đơn vị APC-O.

Khái niệm và khả năng điều khiển quá trình là một trong những nhánh quan trọng nhất của tự động hóa công nghiệp. Nó nhằm vào các vấn đề điều khiển các tham số quá trình, chẳng hạn như nhiệt độ và áp suất. Nó bao gồm nhiều lĩnh vực công nghiệp, chẳng hạn như dầu mỏ, hóa chất, điện, kim loại, dệt may, nguyên liệu xây dựng, công nghiệp nhẹ, năng lượng hạt nhân và dược phẩm.

Với sự phát triển của các ngành công nghiệp hiện đại, các đối tượng được điều khiển ngày càng trở nên phức tạp, kéo theo những khó khăn và thách thức mới, chẳng hạn như các tham số thay đổi theo thời gian, thời gian trễ lớn, tính phi tuyến cao và sự kết hợp phức tạp giữa các biến đầu vào và đầu ra. Các chiến lược điều khiển vòng đơn thông thường không còn có thể đạt được mục tiêu mong muốn của điều khiển tự động công nghiệp hiện đại.

Từ những năm 1970, với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ điều khiển, hàng loạt chiến lược APC-O đã được đề xuất như chiến lược điều khiển đa vòng và tối ưu dựa trên mô hình hệ thống, chiến lược điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo và chiến lược điều khiển giám sát dựa trên về phân tích thống kê ngẫu nhiên. Các ví dụ điển hình của APC-O bao gồm điều khiển dự báo theo mô hình đa biến, tối ưu hóa dựa trên lợi ích đạt được, điều khiển thích ứng, điều khiển kiểu chuyên gia và điều khiển quá trình thống kê ngẫu nhiên.

Khả năng của hệ thống APC-O là định nghĩa chung về các chiến lược điều khiển và tối ưu hóa, sử dụng để giải quyết các vấn đề vận hành tối ưu của các quá trình đa biến phức tạp trong quá trình sản xuất. Nó có thể giải quyết hiệu suất các vấn đề như độ trễ thời gian lớn, pha không cực tiểu, phi tuyến, mất ổn định vòng hở, ghép nối đa biến, biến điều khiển và biến được điều khiển có ràng buộc, tối ưu hóa đa mục tiêu.

APC-O là một loại chiến lược điều khiển và tối ưu hóa tọa độ động với việc xử lý ràng buộc để giám sát hệ thống điều khiển theo quy định ở cấp 2. Hệ thống APC-O giao tiếp với các hệ thống điều khiển ở cấp 2 và cung cấp các điều chỉnh theo thời gian thực bằng cách sử dụng các giao diện này. Những điều chỉnh này nhằm mục đích thích ứng hệ thống điều khiển ở cấp 2 với tính năng động của hệ thống và các yêu cầu vận hành khác nhau của quá trình sản xuất. Bằng cách này, có thể đạt được sự tối ưu hóa cục bộ và/hoặc toàn bộ của quá trình sản xuất, mang lại lợi ích mong muốn hoặc đề xuất các chiến lược ở bất cứ nơi nào cần có sự thỏa hiệp.

APC-O tập trung vào các chỉ số cố định và kinh tế để chỉ đạo hoạt động tối ưu hóa. Nhìn chung, APC-O giúp nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống như cải tiến độ bền và an toàn của thiết bị, đồng thời thực thi các ràng buộc vận hành về an toàn và môi trường; Cải tiến hiệu quả tổng thể của hệ thống, chẳng hạn như giảm phương sai trong các biến hệ thống; Cải tiến tính đồng nhất của chất lượng sản phẩm, chẳng hạn như giảm thiểu sự lãng phí chất lượng; Đảm bảo hệ thống hoạt động càng gần với giới hạn ràng buộc càng tốt, chẳng hạn như vận hành gần với các ràng buộc về kinh tế và vật chất, đồng thời tăng năng suất.

Môđun đánh giá hiệu quả bao gồm các kỹ thuật và phương pháp giúp duy trì hiệu quả hoạt động hiệu suất cao của các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Nó giám sát và chẩn đoán các điều kiện hoạt động của thiết bị và quá trình công nghiệp dựa trên các kỹ thuật như lý thuyết điều khiển, nhận dạng hệ thống, xác suất và thống kê cũng như xử lý tín hiệu.

Môđun cảm biến mềm có khả năng ước lượng/dự báo các biến quá trình chính có liên quan trực tiếp đến chất lượng đầu ra của quá trình. Do đó, vai trò của môđun cảm biến mềm có tầm quan trọng cơ bản đối với việc điều khiển và quản lý quá trình.

Môđun APC có thể giải quyết các vấn đề điều khiển khó khăn bao gồm độ trễ thời gian lớn, pha không cực tiểu, phi tuyến, mất ổn định vòng lặp mở và ghép nối đa biến. Nó có thể xử lý các tương tác của một hệ thống đa biến và có độ bền tốt để mô hình hóa và sự không chắc chắn của môi trường.

Môđun tối ưu hóa có khả năng đáp ứng lịch sản xuất ở cấp 3 và cung cấp các điều kiện vận hành quá trình tối ưu hoặc điểm đặt cho hệ thống APC. Các điểm đặt như vậy có thể đảm bảo rằng quá trình vận hành đạt được hàm mục tiêu tối ưu và thỏa mãn các ràng buộc vận hành cũng như các ràng buộc của mô hình.

Môđun đánh giá hiệu quả sử dụng để phát hiện và chẩn đoán sự suy giảm hiệu quả trong hệ thống APC-O. Môđun đánh giá hiệu quả có khả năng cung cấp thông tin để xác định xem các mục tiêu hiệu quả điều khiển/tối ưu hóa được quy định và các đặc điểm phản hồi có được hệ thống APC-O đáp ứng hay không.