Xu thế phát triển của công nghệ tự động hóa giai đoạn tới
Xu thế phát triển của công nghệ tự động hóa không đơn thuần là cải tiến các công nghệ cũ như chế tạo các PLC, DCS, SCADA, đầu đo, cơ cấu chấp hành nhỏ và rẻ hơn, hoặc tích hợp những chức năng của các hệ này vào phần cứng và mềm của sản phẩm.
Bước sang thế kỷ 21, các sản phẩm này đã trở nên thông dụng như các sản phẩm tiêu dùng được bán trong các siêu thị. Xu thế phát triển của công nghệ tự động hóa sẽ chuyển sang các hướng công nghệ mới như công nghệ nano và cảm biến thế hệ mới, mạng không dây và hệ tự thích nghi phức hợp.
 |
Công nghệ nano và cảm biến thế hệ mới
Công nghệ nano là công nghệ có khả năng làm việc với các vật chất kích cỡ nan nô mét để tạo ra các cấu trúc thông minh, làm tăng cường các tính năng của các tổ chức phân tử. Công nghệ nano còn cho phép tạo ra các cấu trúc phân tử mới với các tính chất mới. Ví dụ trong lĩnh vực dệt may có thể tạo ra các sợi nano có các tính chất khác biệt như khả năng kháng các vi khuẩn, khả năng chống các tia phóng xạ, khả năng tự tẩy các vết bẩn hay có khả năng gắn các cảm biến thế hệ mới trên vải nano để kiểm tra sức khỏe của con người. Với công nghệ nan nô ta có thể tạo ra các cảm biến, cơ cấu chấp hành mới tương tự như các cảm biến, cơ cấu chấp hành của các sinh vật sống. Công nghệ nano hiện nay còn đang ở những bước đi ban đầu nhưng đã có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa như các hệ vi cơ điện tử MEMS, nano cơ điện tử NEMS hay tạo ra các vật liệu mới, lớp phủ nano trên bề mạt vật liệu cho các đặc tính mới. Đặc biệt công nghệ nano có tác động mạnh mẽ trong việc phát triển các cảm biến thế hệ mới và trong truyền thông không dây. Tương lai của công nghệ nano sẽ làm thay đổi đáng kể các sản phẩm từ hàng tiêu dùng đến các sản phẩm công nghiệp và an ninh quốc phòng.
Cảm biến thế hệ mới:
Cảm biến là thiết bị đo không thể thiếu trong tự động hóa. Nếu không đo được các đặc trưng cần thiết thì sẽ không điều khiển được. Cảm biến có thể chia ra làm 3 loại: cảm biến đo đo các đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng…, cảm biến hóa chất (chemical sensor) để đo hay phát hiện nồng độ các lọai khí, hóa chất và cảm biến sinh học (biosensor). Với công nghệ nano và vật liệu mới sẽ tạo nên sự thay đổi kỳ diệu trong công nghệ cảm biến.
Nhiều loại cảm biến mới được chế tạo bằng công nghệ vi gia công (microfabrication) tạo nên các loại cảm biến tiêu rất ít năng lượng, rất nhỏ và nhẹ. Ví dụ trong việc chế tạo các cảm biến nồng độ khí, công nghệ vi gia công có thể tạo nên các vi cấu trúc tối ưu phù hợp cho từng lọai khí. Cảm biến LOC (Lab on chip) là một hệ vi phân tích (micrototal analytical system) bao gồm tất cả các thành phần của một quá trình phân tích nồng độ (khí hoặc dung dịch) trên một chip. Mảng cảm biến (sensor array) là một hướng phát triển đầy tiềm năng mô phỏng theo nguyên lý của các tế bào giác quan, cảm nhận của con người như mắt cho xử lý tín hiệu quang học, mũi cho xác nhận nồng độ khí, tai cho xử lý tín hiệu âm học, da cho cảm nhận nhiệt độ và áp lực, lưỡi cho cảm nhận nồng độ dung dịch. Mảng cảm biến có thể là mảng các tế bào cảm biến đồng nhất hoạt động song song, phân bổ trong không gian 2D, 3D hay mảng của nhiều loại tế bào cảm biến. Các mảng cảm biến ngoài chức năng đo còn cho thêm thông tin về phân bố các điểm đo trong không gian.
Với công nghệ vi thủy khí (microfluidics) kết hợp với công nghệ quang khắc (photolithographic) cho phép tạo ra các vi cấu trúc 3D làm nền tảng cho các sắc ký (khí hoặc dung dịch) cực nhỏ tiêu tốn rất ít năng lượng với thời gian xử lý nhanh có thể ứng dụng cho các quá trình đo và điều khiển thời gian thực. Các cảm biến sinh học (biosensor) có khả năng nhận biết các chất enzyme, kháng thể, DNA, … được chế tạo từ công nghệ vi thủy khí hỗ trợ nhiều cho chuẩn đoán y tế.
Ngoài ứng dụng lớn trong ô tô, y tế và công nghiệp, dự báo cảm biến sẽ được được dùng nhiều trong đa dạng ứng dụng ở lĩnh vực truyền thông không dây và điện tử gia dụng. Cảm biến không dây là một mảng lớn của thị trường cảm biến trong tương lai. Thiết bị gia dụng như lò vi sóng, nồi cơm điện, tủ lạnh, điều hòa, máy xay sinh tố … là các sản phẩm được sản xuất hàng loạt cho mỗi hộ gia đình trên toàn cầu với số lượng lên hàng trăm triệu chiếc. Các thiết bị này ngày càng được cải tiến thông minh hơn nhờ áp dụng nhiều cảm biến. Thị trường cảm biến cho các thiết bị gia dụng sẽ bùng nổ trong tương lai.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu là những vấn đề nhân loại đang phải đối mặt. Hệ thống kiểm soát các tham số ô nhiễm môi trường với một số cảm biến cố định hiện nay không thể nào đáp ứng được việc theo dõi hàng triệu nguồn ô nhiễm di động do ô tô và nông dân phun thuốc trừ sâu gây nên. Mạng cảm biến không dây và với việc bổ sung một vài cảm biến môi trường vào mobile phone, thiết bị tính toán cầm tay, đồ gia dụng kết nối mạng sẽ là giải pháp cho vấn đề kiểm soát ô nhiễm môi trường khi các thiết bị này thực hiện các phép đo, xử lý và gửi số liệu về trung tâm trong quá trình sử dụng. Mạng cảm biến không dây là một bước tiến lớn do nó cung cấp cả thông tin thời gian và không gian của các giá trị đo.
Mặc dù cảm biến đã được nghiên cứu và sử dụng lâu nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết như việc dùng một cảm biến chất lượng cao đắt tiền tốt hơn hay dùng nhiều cảm biến chất lượng thấp rẻ tiền nhưng đo được ở nhiều vị trí khác nhau. Vấn đề nữa là việc các cảm biến được đặt ở mọi nơi hàng năm trời cần có được chức năng tự chuẩn định (selt-calibration) để bảo đảm giá trị đo gửi về là chính xác. Trong tương lai, các công dân số, những người lớn lên trong thế giới Internet, trò chơi trực tuyến, viết blog, sử dụng mobile phone sẽ là những người tạo nên cấu trúc hạ tầng cho mạng cảm biến không dây giám sát ô nhiễm môi trường của chúng ta.
Công nghệ micro và nano, các vật liệu mới, các hệ thống điện tử tinh vi, hiệu quả, nhỏ và thông minh sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai của các cảm biến. Hướng phát triển của cảm biến thế hệ mới sẽ đi vào các nguyên lý và cấu trúc cho các chức năng cảm nhận và xử lý như các sinh vật sống.
 |
Mạng công nghiệp không dây
Mạng công nghiệp hiện nay là mạng tạo nên các ốc đảo với các trang thiết bị được kết nối về trung tâm. Mạng thường có 3 lớp bao gồm lớp các thiết bị đo cơ cấu chấp hành ở dưới cùng, lớp điều khiển ở giữa và lớp mạng LAN quản lý xí nghiệp ở trên cùng. Chuẩn fieldbus sẽ bị thay thế bằng nhiều chuẩn tồn tại song song và chồng chéo nhau đáp ứng tính tiện ích của từng loại ứng dụng. Ethernet và TCP/IP sẽ trở thành chuẩn kết nối giữa các hệ thống và máy móc. Trong vài năm tới mạng Ethernet sẽ thống lĩnh trong cả 3 lớp mạng hiện nay.
Kết nối không dây sẽ nhanh chóng trở thành kết cấu hạ tầng cơ sở cho kết nối mọi người, mọi vật vào mạng Internet. Với công nghệ không dây thế hệ tốc độ cao hầu như mọi điểm I/O có thể được kết nối dễ dàng, hiệu quả và kinh tế tạo nền tảng cho sự ra đời của các hệ điều khiển tự thích nghi. Tuy nhiên còn nhiều lo ngại về tính bảo mật của các mạng không dây. Với các công nghệ mã hóa hiện đại đang được sử dụng trong các hệ thống ngân hàng, thị trường chứng khoán và nhiều hệ thống quân sự thì việc đưa các công nghệ mã hóa này vào mạng công nghiệp kết nối không dây sẽ không còn đáng ngại.
Mạng không dây sẽ tạo sự tăng trưởng của thị trường tự động hóa, dánh dấu một sự phát triển nhảy vọt. Mặc dù các chuẩn không dây còn lộn xộn nhưng sự phát triển của mạng không dây vẫn được duy trì. Mặc dù phần lớn các nhà tự động hóa chỉ chú trọng đến khả năng kết nối không dây của các thiết bị đo và điều khiển, thì tiềm năng ứng dụng của công nghệ không dây là rất lớn và sâu. Một bước đi khôn ngoan cho các doanh nghiệp tự động hóa ngày nay là phát triển các ứng dụng bảo đảm cho các khách hàng các lợi ích của công nghệ mạng không dây. Điều này sẽ mang lại sự tăng trưởng cho doanh nghiệp trong tương lai.
Một hướng phát triển mạnh khác của công nghệ không dây trong tự động hóa là việc áp dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) trong quá trình sản xuất và phân phối sản phẩm. Công nghệ RFID không đơn thuần là việc thay thế mã vạch mà hơn thế nữa nó là một cuộc cánh mạng. Khác với mã vạch chứa thông tin cố định gắn liền với sản phẩm, thì chip RFID cho phép chứa luợng thông tin lớn, có thể thay đổi ở mỗi công đoạn của chuỗi cung. Với công nghệ RFID ta có thể theo dõi sự hình thành sản phẩm trong quá trình sản xuất cũng như quá trình vận chuyển, lưu kho, thương mại, sử dụng và bảo hành trong chuỗi cung. Cả vòng đời của sản phẩm được giám sát thống kê tạo dữ liệu cho các vấn đề họach định chiến lược phát triển sản xuất kinh doanh của dòng sản phẩm đáp ứng nhu cầu của thị trường.
Ưng dụng công nghệ mạng không dây không đơn thuần là việc thay thế dây dẫn trong kết nối mạng. Mạng cảm biến không dây sẽ xuất hiện ở mọi nơi và công nghệ không dây sẽ cung cấp sự kết nối thông minh cho mọi thứ từ thiết bị gia dụng, thiết bị cầm tay, các máy móc trong công nghiệp tới các hệ thống an ninh quốc phòng.
Các thiết bị vào/ ra thông minh
Các đầu đo và cơ cấu chấp hành hiện nay được kết nối với các thiết bị xử lý trung tâm như PCs, PLC, DCS và phần lớn tính toán, xử lý đều do các thiết bị xử lý trung tâm này đảm nhiệm. Với sự phát triển của công nghệ, giá thành của các chip vi xử lý và bộ nhớ giảm đáng kể cho phép ta dịch chuyển phần trí tuệ từ các PCS, PLC, DCS vào các đầu đo, cơ cấu chấp hành tạo ra các thiết bị vào/ra thông minh. Các thiết bị vào/ra thông minh sẽ được trang bị các cảm biến và các chip vi xử lý mạnh để có thể có khả năng nhận biết điều kiện hoạt động, khả năng xử lý, suy diễn, khả năng hội thoại qua mạng và ra quyết định tối ưu cho các tình huống phức tạp. Ngoài ra các thiết bị vào/ra còn có khả năng tự chẩn đoán để cảnh báo trước các hỏng hóc có thể xảy ra và cung cấp các thông tin cần thiết cho công việc bảo hành bảo trì. Khả năng tự chẩn đoán sẽ là một phần quan trong trong các thiết bị mới. Công nghệ tự chẩn đoán của mỗi hãng sẽ tiếp tục mang lại thu nhập cho các hãng sản xuất và bảo trì sau khi bán hàng.