Một số công nghệ đo lường và điều khiển đã phát triển nhanh chóng trong vài năm qua, trong khi một số khác gần như biến mất. Các thiết bị điều khiển hiện đang sử dụng có thể trở nên lỗi thời khi các kỹ thuật đo lường mới hơn và hiệu quả hơn được giới thiệu. Sự xuất hiện của các kỹ thuật mới này được thúc đẩy bởi nhu cầu liên tục cải thiện chất lượng, chi phí nguyên vật liệu ngày càng tăng, sự thay đổi sản phẩm liên tục, yêu cầu môi trường ngày càng khắt khe, độ chính xác cao hơn, hiệu suất nhà máy được cải thiện và sự phát triển của các thiết bị dựa trên vi xử lý. Những tiến bộ kỹ thuật này đã làm cho việc đo lường các biến số trước đây được cho là không thể trở nên khả thi.

Việc đo lường hiệu quả trước hết đòi hỏi sự hiểu biết vững chắc về các điều kiện của quy trình. Việc lựa chọn thiết bị đo lường và điều khiển đúng đôi khi là một thách thức ngay cả đối với những kỹ sư, kỹ thuật viên và nhân viên bán hàng giàu kinh nghiệm nhất.

Cuốn sách hướng dẫn này cung cấp các công cụ để người dùng triển khai đúng cách các hệ thống đo lường và điều khiển, vốn trong nhiều trường hợp không được hiểu rõ và do đó không được thực hiện thành công. Trước nhu cầu ngày càng tăng về ứng dụng đo lường và điều khiển cũng như sự đa dạng của các thiết bị trên thị trường, người dùng cần có khả năng đánh giá các phương pháp đo lường và điều khiển khác nhau để chọn ra phương pháp phù hợp nhất.

Không nên chỉ xem xét một loại phương pháp đo lường hoặc điều khiển duy nhất vì mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng. Người dùng cần so sánh các loại khác nhau để xác định loại nào phù hợp nhất với ứng dụng của mình, vì có nhiều kỹ thuật khác nhau để đo lường một thông số (như lưu lượng, mức, v.v.). Việc lựa chọn tối ưu đòi hỏi phải cân nhắc các yêu cầu của quy trình, độ chính xác mong muốn, phương pháp lắp đặt, các yếu tố về độ tin cậy, bảo trì và chi phí kinh tế. Vì có lẽ không có một phương pháp duy nhất tốt nhất để đo một biến số cụ thể, hướng dẫn này sẽ giúp người dùng quyết định phương pháp nào phù hợp hơn cho ứng dụng.

Tóm tắt Lịch sử

Vài thập kỷ trước, phạm vi của đo lường và điều khiển quy trình đơn giản hơn nhiều so với ngày nay và được gọi chung là thiết bị đo lường (instrumentation). Với sự xuất hiện của các chức năng dựa trên phần mềm và những tiến bộ trong công nghệ ở hầu hết các lĩnh vực, chuyên ngành này đã bắt đầu phân nhánh thành các lĩnh vực phụ chuyên biệt.

Đo lường và điều khiển đã phát triển từ công nghệ thủ công và cơ học, sau đó là công nghệ khí nén, điện tử, và hiện nay là kỹ thuật số. Sự phát triển theo cấp số nhân của lĩnh vực này hướng đến các hệ thống và thiết bị dựa trên kỹ thuật số vẫn đang tiếp tục với tốc độ nhanh chóng.

Chúng ta không biết chắc chắn ai đã sáng lập ra lĩnh vực đo lường và điều khiển. Tuy nhiên, vào khoảng năm 2550 TCN, các kỹ sư Ai Cập chắc chắn đã sử dụng những thiết bị đo lường đơn giản nhưng chính xác để làm phẳng nền móng và xây dựng Kim tự tháp Giza, cũng như cắt đá theo kích thước chính xác. Họ cũng sử dụng các đập tràn (weirs) để đo lường và phân phối nước tưới tiêu trên đồng bằng màu mỡ của sông Nile.

Nhiều thế kỷ sau, người La Mã xây dựng hệ thống dẫn nước (aqueducts) và phân phối nước bằng các tấm đo lỗ (orifice plates) đơn giản.

• 1600s: Ống Pitot được phát minh.
• 1774: Bộ điều tốc ly tâm (flyball governor) cho động cơ hơi nước ra đời trong Cách mạng Công nghiệp và được xem là ứng dụng đầu tiên của khái niệm bộ điều khiển phản hồi.
• Cuối 1800s: Nhiệt kế bằng thiếc và gỗ, cùng với áp kế thủy ngân (mercury barometer), trở thành sản phẩm thương mại.
• Đầu 1900s: Máy ghi sử dụng bút (pen recorders), bộ điều khiển khí nén, và bộ điều khiển nhiệt độ ra mắt thị trường.

Thế kỷ 20:

• Chiến tranh Thế giới thứ nhất: Nhu cầu về thiết bị hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực thiết bị đo lường. Phòng điều khiển được phát triển, và khái niệm điều khiển tỷ lệ, tích phân, và vi phân (PID) xuất hiện.
• 1930s: Máy phân tích, lưu lượng kế, và điện thế kế điện tử được phát triển. Có hơn 600 công ty bán thiết bị công nghiệp vào thời điểm đó.
• 1940s: Phương pháp hiệu chỉnh Ziegler-Nichols được phát triển. Chiến tranh Thế giới thứ hai đã đẩy lĩnh vực đo lường và điều khiển lên một tầm cao mới với sự ra đời của các thiết bị truyền áp suất, thiết bị điện tử toàn phần, và thiết bị cân bằng lực.
• 1950s: Ngành công nghiệp điều khiển quy trình được cách mạng hóa bởi transistor. Các thiết bị mới bao gồm bộ truyền chênh áp khí nén, điều khiển điện tử, và tín hiệu 4–20 mA DC.
• 1960s: Máy tính được giới thiệu cùng với điều khiển số trực tiếp (DDC), giao diện người vận hành CRT, lưu lượng kế xoáy (vortex meter), và van điều khiển cải tiến.
• 1970s: Sự xuất hiện của vi xử lý, bộ điều khiển logic lập trình (PLC), hệ thống điều khiển phân tán (DCS), truyền dẫn sợi quang, và chip RAM, máy tính.

1980s–1990s: Sự xuất hiện của máy tính cá nhân và thời đại phần mềm đã mở rộng ứng dụng của DCS và PLC. Các công nghệ mới như mạng nơ-ron, hệ chuyên gia, logic mờ, thiết bị thông minh, và bộ điều khiển tự hiệu chỉnh cũng ra đời.

Tương lai:
Tương lai của đo lường và điều khiển chưa được biết rõ. Tuy nhiên, dựa trên xu hướng hiện tại, ta cũng có thể hình dung ra tương lai của ngành dựa trên các xu hướng:

• Ranh giới giữa DCS, PLC mà nói chung là công nghệ sản xuất OT (Operations Technology) và hệ thống công nghệ thông tin IT (Information Technology) sẽ tiếp tục mờ đi hay hội tụ lại, mở đường cho internet vạn vật công nghiệp, phục vụ cho các ứng dụng và quyết định cần đến dữ liệu lớn (big data)
• Tính năng tự chẩn đoán và tự sửa chữa sẽ gia tăng.
• Trí tuệ nhân tạo sẽ ngày càng được chấp nhận và dễ sử dụng hơn, hỗ trợ điều khiển đa biến tốt hơn.
• Truyền thông 5G với độ trễ thời gian thấp sẽ tạo ra cuộc cách mạng về điều khiển bằng máy tính, các thiết bị đo không dây giúp cho việc lắp đặt dễ dàng.
• Kỷ nguyên tích hợp hoàn toàn các thành phần kỹ thuật số – từ đo lường đến hệ thống điều khiển và thiết bị điều khiển cuối cùng – và hệ thống internet vạn vật công nghiệp sẽ trở nên phổ biến.
• Và không thể không nhắc đến robot, là một trong những ngành có liên quan đến hệ thống đo lường và điều khiển