Watchdog Timer và vai trò đối với thiết bị nhúng trong hệ thống giám sát công nghiệp

Tóm tắt:

Trong các hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp hiện hành, thiết bị logic khả trình (Programmable Logic Controller) đóng vai trò chủ chốt. Kèm theo đó là các thiết bị chấp hành, cảm biến, module vào ra mở rộng, module truyền thông, cable mạng,… Tất cả các thiết bị đều là thiết kế theo chuẩn công nghiệp, độ bền cao, là thiết bị ngoại nhập nên giá thành, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí sửa chưa nâng cấp rất lớn. Điều đó không thực sự phù hợp với các ứng dụng nhỏ, hoặc những ứng dụng chỉ yêu cầu giám sát trong nhà xưởng đơn thuần.
Đối với các ứng dụng đó, việc phát triển các thiết bị nhúng là rất cần thiết bởi giá thành rẻ, đồng thời đảm bảo về nhu cầu tùy biến dữ liệu. Tuy nhiên, bài toán đặt ra là đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị nhúng này, bởi các quy trình giám sát công nghiệp có thể kéo dài và có nhiều yếu tố không ngờ tới tác động gây nhiễu. Đôi khi, các yếu tố đó có thể làm cho hệ thống của chúng ta bị treo và ngưng hoạt động. Trong bài viết này, nhóm tác giả sẽ trình bày vai trò của Watchdog Timer thường ít được chúng ta để ý nhằm giải quyết bài toán tăng độ tin cậy của thiết bị nhúng trong giám sát hệ thống công nghiệp.

Đặt vấn đề:

Như đã trình bày ở trên, trong các hệ thống giám sát, điều khiển công nghiệp, thiết bị logic khả trình đóng vai trò chủ chốt. Thiết bị này sẽ kết nối trực tiếp với cơ cấu chấp hành, hệ thống sensor cấp dưới, đồng thời đảm nhận việc xử lý dữ liệu, ra quyết định điều khiển và truyền dữ liệu thông qua các module truyền thông lên máy tính trạm hoặc server bên trên. Thiết bị này gần như là không thể thay thế trong các hệ thống điều khiển công nghiệp bởi nó đảm bảo độ tin cậy cũng như đáp ứng được các điều kiện làm việc chuẩn công nghiệp. Các thiết bị PLC này có giá thành khá cao, từ vài trăm đô tới hàng chục ngàn đô, chủ yếu đến từ các hãng tự động hóa lớn nước ngoài như Siemens, Rockwell, Omron, Mitsubishi,… Đồng thời, đi kèm với nó là hệ thống module mở rộng cũng có giá cao tương tự. Tuy nhiên, đối với các hệ thống giám sát công nghiệp, việc sử dụng PLC sẽ không thực sự phù hợp, đặc biệt với các ứng dụng nhỏ. Bởi chi phí đầu tư lớn do số lượng đầu đo lớn sẽ yêu cầu số lượng module mở rộng tương đương. Đồng thời đó là sự lãng phí khả năng điều khiển, điểm mạnh nhất của PLC bởi mục đích của hệ thống giám sát là thu thập dữ liệu. Thêm vào một yếu tố làm tăng chí phí đầu tư nếu lựa chọn giải pháp theo chuẩn công nghiệp dùng PLC này là giải quyết vấn đề bản quyền với các phần mềm đi kèm. Chi phí cho phần mềm lập trình, thiết lập kết nối, tạo OPC server để lưu trữ dữ liệu, phần mềm SCADA,… có thể lên tới chục ngàn đô la Mỹ (đối với Siemens và Rockwell, các hãng khác cũng không khác biệt quá nhiều). Ngoài chi phí đầu tư ban đầu lớn, việc nâng cấp hệ thống cũng tiêu tốn rất nhiều tiền của doanh nghiệp cho các vấn đề liên quan tới thiết bị phần cứng cũng như phần mềm.

Vì vậy, đối với các ứng dụng giám sát công nghiệp nhỏ, vốn đầu tư hạn chế, việc phát triển những thiết bị nhúng là rất khả thi. Tuy nhiên, để các thiết bị nhúng này làm việc được trong các hệ thống công nghiệp, nhà phát triển cần phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Bởi đặc điểm của hệ thống công nghiệp là hoạt động liên tục trong nhiều giờ đồng hồ, lượng thông tin truyền tải trong mạng công nghiệp tương đối lớn.

Một số vấn đề lớn có thể kể đến như:

- Tản nhiệt cho các thiết bị nhúng.
- Quản lý bộ nhớ của vi xử lý để tránh hiện tượng tràn bộ nhớ.
- Nhiễu nguồn tương tự
- Nhiễu tín hiệu truyền thông
- ….

Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày về hệ thống giám sát chất lượng tủ lạnh trước khi xuất xưởng được phát triển trên vi xử lý ATMEGA 8 bit, các vấn đề liên quan để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Trước khi xuất xưởng, hãng sản xuất tủ lạnh cần theo dõi nhiệt độ các ngăn của tủ lạnh trong vòng 3 tiếng. Sau đó dựa vào một số công thức tương đối phức tạp (nhóm tác giả sẽ không trình bày ở đây), tính toán ra các chỉ số chất lượng của tủ lạnh. Từ đó kết luận được tủ nào đạt yêu cầu xuất xưởng. (hình 1).