Để hình dung vấn đề một cách dễ dàng hơn, ta sẽ dùng hình ảnh cái tháp gồm 5 tầng, với mỗi tầng sẽ tương ứng với một cấp độ khác nhau trong nhà máy, xí nghiệp,.. nói riêng, hay trong công nghiệp nói chung.
Hình 1. Các cấp độ của tự động hóa
Ta sẽ bắt đầu đi từ tầng thấp nhất của tháp. Và đây được xem là nền tảng của tự động hóa:
1. Cấp độ hiện trường (Field level)
Cấp độ này sẽ bao gồm những thiết bị đầu vào là: nút nhấn, công tắc, cảm biến,… có nhiệm vụ đo lường, thu thập thông tin để đưa vào PLC xử lý, và các thiết bị đầu ra như: động cơ, van, xy lanh,…để thực hiện nhiệm vụ truyền động cho máy sản xuất, cơ cấu chấp hành.
Có thể thấy, cấp độ hiện trường chứa các dữ liệu đầu vào và đầu ra, có nhiệm vụ cung cấp thông tin hệ thống và thực thi mệnh lệnh phục vụ cho quá trình sản xuất. Nói cách khác, đây là nơi chứa phần cứng, nơi mà các thiết bị sẽ trực tiếp tham gia vào quá trình sản xuất.
Hình 2. Các loại cảm biến trong một dây chuyền sản xuất thực phẩm
2. Cấp độ điều khiển (Control level)
Ở cấp độ này, PLC và PID đóng vai trò chủ đạo. Chúng có nhiệm vụ đọc thông tin được cung cấp bởi các thiết bị đo lường ở cấp độ hiện trường, sau đó so sánh các điều kiện được lập trình sẵn để tác động đến các ngõ ra một cách chính xác. Nói cách khác, ở cấp độ này ta sẽ tiến hành lập trình trên phần mềm để điều khiển thiết bị phần cứng.
Thông thường, PLC sẽ được tích hợp sẵn PID, bộ điều khiển này bao gồm 3 khâu: Tỉ lệ – Tích phân – Vi phân. Nó có thể giúp ta giữ ổn định biến số điều khiển khi được thiết lập một thông số tiêu chuẩn đầu vào.
Một số ứng dụng trong công nghiệp có đối tượng điều khiển như: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,… nên ta không thể điều khiển bằng phương pháp ON/OFF thông thường. Thay vào đó, ta sẽ sử dụng bộ điều khiển PID để có thể đọc và xuất tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Cụ thể, khi ta nhập giá trị lưu lượng mong muốn vào bộ điều khiển PID, nó sẽ xác định khi nào PLC cần điều khiển tăng hoặc giảm độ mở của van để giữ giá trị lưu lượng luôn ổn định bằng giá trị đặt.
Hình 3. Điều khiển lưu lượng nước trong đường ống thông qua PID
3. Cấp độ giám sát (Supervisory level)
Như ở tầng điều khiển ta đã dùng PLC để điều khiển thiết bị đầu cuối thì ở tầng này ta sẽ dùng SCADA. Với SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition.Ta có thể dùng SCADA để giám sát cả hệ thống, đồng thời điều khiển PLC thực thi mệnh lệnh.
Thiết bị sử dụng chính của SCADA là màn hình HMI, PC Station,… chúng sẽ hiển thị toàn bộ thông tin hệ thống mà ta đang điều khiển, đồng thời cho phép ta điều khiển các thiết bị chấp hành một cách dễ dàng.
Về cơ bản SCADA là sự kết hợp giữa các thiết bị ở các cấp độ trước và được dùng để truy cập dữ liệu, điều khiển hệ thống ở một vị trí duy nhất. Bên cạnh đó, SCADA có thể giám sát và điều khiển nhiều hệ thống cùng một lúc chứ không phải chỉ có một HMI và một hệ thống đơn lẻ.
Hình 4. Sơ đồ quản lý hệ thống sản xuất thông qua SCADA
4. Cấp độ hoạch định (Planning level)
Ở cấp độ này, người ta sử dụng một hệ thống quản lý bằng máy tính được gọi là MES hay Manufacturing Execution System.
MES giám sát toàn bộ quá trình sản xuất trong một dự án hay nhà xưởng, từ nguyên vật liệu thô đầu vào đến khi sản phẩm hoàn thiện. Chính vì thế người quản lý có thể biết rõ những gì đang diễn ra trong nhà máy của mình, đồng thời đưa ra những quyết định dựa trên những thông tin đó. Họ có thể điều chỉnh lượng hàng nhập vào và kế hoạch xuất xưởng dựa trên những liệu thực nhận được từ hệ thống.
Hình 5. Hệ thống manufacturing execution system (MES)
5. Cấp độ doanh nghiệp (Enterprise level)
Đây được xem là cấp độ cao nhất trong tháp tự động hóa. Ở cấp độ này, người ta sử dụng hệ thống quản lý tích hợp được gọi là ERP hay Enterprise Resource Planning. Đây à nơi mà những người quản lý hàng đầu của công ty có thể quan sát và điều hành mọi hoạt động của họ.
Thông thường, ERP là một hệ các ứng dụng máy tính khác nhau, nó có thể cho thấy toàn bộ những gì đang diễn ra trong công ty. Nó ứng dụng tất cả các công nghệ ở các cấp độ thấp hơn, đồng thời kết hợp với các phần mềm nên mức độ tích hợp của nó được xếp ở vị trí cao nhất trong tháp.
ERP cho phép doanh nghiệp giám sát tất cả các cấp độ trong việc kinh doanh từ khâu sản xuất, nhập hàng, bán hàng, đến quản lý tài chính, trả lương nhân viên và nhiều thứ khác. Bên cạnh đó, sự tích hợp của ERP cũng góp phần thúc đẩy hiệu suất làm việc và đảm bảo tính minh bạch trong công ty.
Hình 6. Hệ thống enterprise resource planning (ERP)