Các hệ thống máy móc hiện đại ngày này dựa rất nhiều vào đầu não là hệ thống điều khiển tự động hoá, với rất nhiều thành phần thiết bị tự động hoá công nghiệp nhồi trong 1 vài tủ điều khiển. Bình thường trong quá trình vận hành hệ thống, máy chạy trơn tru thì không ai có ý kiến gì cả. Tuy nhiên, một ngày đẹp trời, hệ thống trở chứng bị hiện tượng lỗi sảng:
1/ Nguồn điều khiển:
Vấn đề về nguồn điện là vấn đề muôn thủa của hệ thống điện tự động. Khi nguồn cấp 24V cho hệ thống điện điều khiển có vấn đề, hắt hơi xổ mũi nhẹ nhẹ là cả hệ thống chập chờn không ổn định. Thường nguyên nhân của nguồn điều khiển đến từ việc công suất nguồn không đủ và chất lượng nguồn điện không đạt. Đi sâu vào từng nguyên nhân:
Kể chuyện thực tế:
- mất kết nối giữa các thành phần trong máy
- báo ảo
- không nhận các thiết bị với nhau
- đang chạy tự dưng chạy loạn cào cào, nhảy lung tung
- PLC / HMI mất chương trình
1/ Nguồn điều khiển:
Vấn đề về nguồn điện là vấn đề muôn thủa của hệ thống điện tự động. Khi nguồn cấp 24V cho hệ thống điện điều khiển có vấn đề, hắt hơi xổ mũi nhẹ nhẹ là cả hệ thống chập chờn không ổn định. Thường nguyên nhân của nguồn điều khiển đến từ việc công suất nguồn không đủ và chất lượng nguồn điện không đạt. Đi sâu vào từng nguyên nhân:
- Về việc công suất nguồn không đủ: nguồn điện 24V thường được thiết kế với công suất vừa đủ, thường thấy từ 5A, 10A, 20A, 40A. Tuy nhiên, bộ nguồn này phải gánh cho toàn bộ hệ thống điều khiển trong tủ, và nếu trong trường hợp không đủ công suất thì chắc chắn hệ thống sẽ chập chờn không ổn định. Việc đủ công suất ở đây phải tính cho 2 trường hợp:
- Peak load: tải trong trường hợp tất cả thiết bị cùng được sử dụng. Cái này thường hay bị bỏ quên trong trường hợp hệ thống có sử dụng solenoid. Các solenoid thường có công suất khá cao ( mình từng thấy 24V 2A, trung bình thì 24V 1A), đặc biệt công suất này sẽ dội trong trường hợp solenoid bị cháy/ kẹt. Các cụm relay, thiết bị instrument thường có công suất nhỏ (200-500mA) nên cũng ít ảnh hưởng. PLC controller (30W-100W), HMI (30-200W), Switch mạng (10-15W), IPC (100W → 1000W) sẽ lại có công suất kha khá trên mỗi thiết bị. Bạn nên làm thống kê tổng thể hệ thống có bao nhiêu thiết bị vào so sánh với tổng load của bộ nguồn. Nếu tổng peak load > 80% công suất bộ nguồn 24V, bạn nên thay bộ mới công suất lớn hơn 1 bậc.
- Tụ lão hoá: Thường với các bộ nguồn chuyển đổi từ 220VAC sang 24VDC sẽ phải có các tụ tham gia quá trình chuyển đổi nắn dòng. Tụ điện thì thường có hiện tượng giảm công suất theo thời gian (tuỳ theo chất lượng tụ). Mình khuyến cáo nên theo dõi sau 5 năm, và nên thay sau 10 năm. Ở giữa, khi nào vào giai đoạn có hiện tượng chập chờn thì nên thay luôn.
- Về chất lượng điện năng: Nguồn 24VDC được sinh ra từ nguồn điện 220VAC1P hoặc 380VAC3P cấp vào hệ thống tổng. Nguồn điện này thường được dùng chung với các thiết bị động lực khác trong tủ, cũng như chung lưới với các thiết bị khác có phát sinh sóng hài, voltage sag, etc trong lưới điện. Bộ nguồn 24V có chất lượng thì có thể hạn chế các vấn đề này ảnh hưởng tới hệ thống, tuy nhiên không thể triệt tiêu được vấn đề. Với Hùng, để giải quyết vấn đề này thì cần trang bị 1 hệ thống UPS riêng, nguồn riêng cho toàn bộ các thiết bị điều khiển có tính nhạy cảm (PLC, switch, IPC, comm modules, phần điều khiển của biến tần). Nếu không thể tách nguồn riêng thì có thể trang bị UPS chung cho nguồn 24V thôi.
Kể chuyện thực tế:
- Hệ thống CIP của mình có khoảng 20+ cái valve điện điều khiển. Bước cuối của quy trình CIP có yêu cầu mở tất cả các valve để xả hết nước còn tồn đọng. Mở 20 valve cùng 1 lúc làm cho bộ nguồn 24V 10A quá tải, và hệ thống chập chờn ở bước đó. Mình cũng thay hết lên bộ 24V 20A, từ đó giờ cũng hết lỗi.
- Nhà máy thi thoảng bị nháy điện do sự cố lưới. Mỗi lần nháy điện như vậy, PLC đời hơi cũ 1 chút (SLC500 5/03 ~ 20 năm tuổi) bị hiện tượng mất chương trình, lỗi FLT. Mình xử lý bằng cách cấp nguồn UPS tới thiết bị, và lên kế hoạch migration từ từ từng cụm lên compactlogix đời mới hơn 1 chút. Giờ thì hệ thống ổn.
- Máy tính nhà mình dùng lâu năm, tự dưng cũng chập chờn. Thay bộ PSU mới tự hết bệnh. Bộ loa mua về 100$, kêu rè rè. Ra hãng mất 20$ tiền taxi, báo giá thay board mất 180$. Bực mình, ra Sim Lim Tower mua 20$ tiền vật tư, tự thay mấy con tụ bị hỏng -> loa chạy tiếp 6 năm vẫn ổn.
2/ Cáp mạng - cáp tín hiệu
Trong hệ thống mạng công nghiệp hiện đại, chuẩn kết nối giữa các thiết bị điều khiển trong tủ (PLC/IPC/HMI/VFD/Servos/IOs), thậm chí ra ngoài tủ với các thiết bị ngoại vi field devices đều sử dụng tín hiệu số, dần dần chuẩn hoá sang dạng Ethernet-based : Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT, Modbus TCP/IP, … Ưu điểm của việc sử dụng chuẩn này là dễ dàng triển khai các hệ thống với tính chất mở rộng cao, tốc độ cao, ổn định và bảo mật. Vấn đề của mình với việc triển khai chuẩn này là rất nhiểu OEM và nhà tích hợp sử dụng cáp mạng dân dụng không chuẩn mực cho hệ thống, dẫn tới hiện tượng nhiễu và mất tín hiệu dễ xảy ra. Việc thi công, bấm đầu cáp mạng cũng không được chú ý một cách cẩn thận, dẫn tới việc mất kết nối xảy ra.
Các chuẩn tín hiệu khác cũ hơn (analog (dòng, điện thế), serial, controlnet , devicenet, profibus…) cũng sẽ gặp vấn đề tương tự nếu cáp không chuẩn và đầu kết nối làm không tốt.
Chữa trị :
Kể chuyện thực tế:
Trong hệ thống mạng công nghiệp hiện đại, chuẩn kết nối giữa các thiết bị điều khiển trong tủ (PLC/IPC/HMI/VFD/Servos/IOs), thậm chí ra ngoài tủ với các thiết bị ngoại vi field devices đều sử dụng tín hiệu số, dần dần chuẩn hoá sang dạng Ethernet-based : Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT, Modbus TCP/IP, … Ưu điểm của việc sử dụng chuẩn này là dễ dàng triển khai các hệ thống với tính chất mở rộng cao, tốc độ cao, ổn định và bảo mật. Vấn đề của mình với việc triển khai chuẩn này là rất nhiểu OEM và nhà tích hợp sử dụng cáp mạng dân dụng không chuẩn mực cho hệ thống, dẫn tới hiện tượng nhiễu và mất tín hiệu dễ xảy ra. Việc thi công, bấm đầu cáp mạng cũng không được chú ý một cách cẩn thận, dẫn tới việc mất kết nối xảy ra.
Các chuẩn tín hiệu khác cũ hơn (analog (dòng, điện thế), serial, controlnet , devicenet, profibus…) cũng sẽ gặp vấn đề tương tự nếu cáp không chuẩn và đầu kết nối làm không tốt.
Chữa trị :
- Sử dụng cáp chuẩn công nghiệp, có shield (nếu ở trong tủ) và có armor (nếu ra ngoài tủ) để tránh hiện tượng nhiễu. Đấu nối đất đầy đủ để xử lý nhiễu đường dây
- Thi công đường dây tránh các luồng dây động lực có sử dụng biến tần, cả ở trong và ngoài tủ.
- Sử dụng đầu mạng có chất lượng và bấm từng dây vào terminal thay vì loại bằng nhựa bấm nguyên cục rẻ tiền.
- Để ý góc bẻ dây (bending radius). Mình từng thấy các tủ nhỏ, góc bẻ dây hẹp dẫn tới hiện tượng dây mạng không thể bám chặt vào được lỗ trên thiết bị → chập chờn tín hiệu.
- Đối với các tủ cũ không được thi công phù hợp và quá nhiều vấn đề, Hùng khuyên nên thi công lại toàn bộ hệ thống dây tín hiệu trong tủ.
Kể chuyện thực tế:
- Hùng bị 1 hệ thống cân loadcell bị hiện tượng nhảy số âm dương, lâu lâu mới bị. Lúc ra kiểm tra thực tế, có 1 dây biến tần motor 45kW chạy qua đường tín hiệu mới được thi công. Hùng lựa chọn phương án shield đường dây biến tần để chống nhiễu các thiết bị khác, và từ đó tới giờ hiện tượng này không xảy ra nữa
- 1 tủ điều khiển gồm nhiều thiết bị PLC và VFD trộn lẫn của dây chuyền nước tương bị hiện tượng thi thoảng mất kết nối biến tần, mặc dù biến tần mới thay và còn tốt. Phương án xử lý là thi công lại toàn bộ dây mạng trong tủ, và cũng mấy năm rồi không làm sao nữa.
- Các tủ Remote IO bị hiện tượng mất ethernet đột ngột, tuy nhiên do chạy mạng Ring nên không gây sự cố. Nguyên nhân là do dây mạng cứng quá, nhà thầu thi công ép dây dẫn tới kết nối tới Remote IO bị chập chờn. Mình yêu cầu kỹ thuật viên nhà máy kiểm tra lại toàn bộ hệ thống và nới lỏng dây ra. Hết sự cố.
3/ Môi trường (bụi, ẩm, nóng, rung lắc)
Các linh kiện điện tử thì rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường làm việc, do thiết kế với nhiều linh kiện điện tử nhỏ, rất dễ chập mạch hoặc bong khỏi bo mạch.
Bụi, nước ẩm, nóng thì chỉ có biện pháp xử lý là sử dụng tủ có IP rating phù hợp với môi trường rồi lắp điều hoà. Tốt nhất thì lắp tủ trong phòng điều hoà cách biệt với khu vực môi trường bụi, ẩm, nóng ra. 1 điểm lưu ý là tủ, cửa tủ và cửa phòng phải được đảm bảo luôn được khoá kín. Mình đã gặp quá nhiều trường hợp tủ đóng không kín và gặp nhiều hiện tượng “lạ”.
Có 1 hiện tượng nữa trong thực chiến điện tự động là vấn đề rung lắc. Các thiết bị điện tử thì đâu có thích bị rung lắc, các kết nối giữa các bo mạch, rồi thiết bị lên bo mạch bong ra cho bằng hết. Trừ một số thiết bị được thiết kế đặc biệt chống rung lắc, tất cả thiết bị đều không nên bị rung lắc. Tuy nhiên, do thiết kế từ nhiều OEM với máy móc nguyên khối hoặc gắn liền nhau để dễ dàng vận chuyển và commissioning, tiết kiệm chi phí, các thiết bị điều khiển có thể bị rung lắc, và từ từ theo thời gian sẽ nảy sinh vấn đề. Giải pháp cho vấn đề rung lắc chỉ có thể là :
Các linh kiện điện tử thì rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường làm việc, do thiết kế với nhiều linh kiện điện tử nhỏ, rất dễ chập mạch hoặc bong khỏi bo mạch.
- Bụi vào hệ thống thì rất dễ gây chập cháy. Thực tế Hùng đã từng có 1 tủ điện điều khiển bị đóng bụi đường, trong quá trình vệ sinh hàng ngày thì độ ẩm tăng, đường hút ẩm → gây chập cháy toàn bộ tủ, thay 100% thiết bị điều khiển. Tổng thời gian khôi phục hệ thống là gần 3 tháng. Các trường hợp hư hỏng thiết bị lẻ thì không đếm được
- Môi trường nước ẩm thì sẽ dễ xảy ra các hiện tượng như đọng sương trong tủ (chập), rồi gây hiện tượng rỉ sét các kết nối trên các bản mạch PCB cũng như các kết nối giữa các board hoặc giữa các thiết bị mang điện lớn → tăng trở → tăng nhiệt. Trường hợp mà Hùng thấy buồn cười nhất là Hùng có 1 tủ điều khiển nồi cơm được đặt phía trên nồi cơm → mỗi lần mở nắp nồi là tủ đầy hơi. Cháy Contactor nồi cơm liên tục, mà nhà máy thì gần 1000 người → không có cơm ăn cả nhà máy.
- Thiết bị nóng quá thì thôi rồi, nào PLC, IPC, màn hình chạy chập chờn. Các miếng nhựa thì nó ròn gãy, động vào là vỡ. Màn hình thì đen đỏ. PLC thì fault. Biến tần cũng fault. Chuyện thực tế thì Hùng có 1 tủ điều khiển AHU để ngoài trời, cứ đến buổi chiều cần làm mát nhất thì hệ thống sập và báo lỗi quá nhiệt. Đương nhiên là quá rồi, tủ thẳng hướng nắng Tây thì cái quạt tản nhiệt bé xíu sao tải nổi. Lên đo thì 50-60 độ cái tủ.
Bụi, nước ẩm, nóng thì chỉ có biện pháp xử lý là sử dụng tủ có IP rating phù hợp với môi trường rồi lắp điều hoà. Tốt nhất thì lắp tủ trong phòng điều hoà cách biệt với khu vực môi trường bụi, ẩm, nóng ra. 1 điểm lưu ý là tủ, cửa tủ và cửa phòng phải được đảm bảo luôn được khoá kín. Mình đã gặp quá nhiều trường hợp tủ đóng không kín và gặp nhiều hiện tượng “lạ”.
Có 1 hiện tượng nữa trong thực chiến điện tự động là vấn đề rung lắc. Các thiết bị điện tử thì đâu có thích bị rung lắc, các kết nối giữa các bo mạch, rồi thiết bị lên bo mạch bong ra cho bằng hết. Trừ một số thiết bị được thiết kế đặc biệt chống rung lắc, tất cả thiết bị đều không nên bị rung lắc. Tuy nhiên, do thiết kế từ nhiều OEM với máy móc nguyên khối hoặc gắn liền nhau để dễ dàng vận chuyển và commissioning, tiết kiệm chi phí, các thiết bị điều khiển có thể bị rung lắc, và từ từ theo thời gian sẽ nảy sinh vấn đề. Giải pháp cho vấn đề rung lắc chỉ có thể là :
- Hạn chế nguồn rung lắc nếu có thể
- Tách nguồn rung lắc với thiết bị điều khiển nhiều nhất có thể
- Specification của thiết bị ngay từ đầu là tách biệt tủ điều khiển ra khỏi kết cấu máy
- Lựa chọn thiết bị ngoại vị (field devices) có thể chịu rung lắc hoặc dạng remote với các thành phần điện tử tách biệt khỏi nguồn rung lắc.
- Máy của CAMA cho việc đóng hộp được route cáp vào tủ máy qua cable tray cứng. Mỗi lần máy đẩy sản phẩm vào hộp, tủ điện rung 1 cái. Phần thiết bị Servo tốc độ cao gặp sự cố lỗi sảng, mình mất 6 tháng chiến đấu với nó. Ngoài trừ việc phải thay rất nhiều thiết bị phần cứng, 1 trong những động tác phải là là tác nguồn rung lắc máy, xả dây và máng ra để tách việc rung lắc.
- Thiết bị đo pH và lưu lượng trên đường ống CIP bị thuỷ kích, giật cho vài cái là bong hết bo mạch, xút NaOH trong quy trình pha xút được pha tới bến luôn. Xử lý tạm bằng cách nhét foam, đổ keo vào giữa các bo mạch để giữ cứng. Các line sau mình lắp dạng remote, tách hoàn toàn bo mạch ra. Chạy mấy năm rồi vẫn ổn.
- Thiết bị đo level switch bột đặt trên bồn có búa, chạy cỡ 2 -3 năm là hư 1 con. Toàn gãy đầu, gãy chân, rồi chập chờn. Cũng đổi qua dạng remote, rồi thì bữa giờ 4 năm có con nào hư đâu.