Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)

H TH NG ĐI U KH N PHÂN TÁN Lecture Notes Distributed Control Systems TS... Operator Terminals Terminals bus System bus Operator Station Engineering Station Controller... Trong kh

H TH NG

ĐI U KH N PHÂN TÁN

Lecture Notes Distributed Control Systems

TS Hoàng Minh S n

B MÔN ĐI U KHI N T Đ NG, KHOA ĐI N

Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I

2 C U TRÚC CÁC H TH NG ĐI U KHI N VÀ GIÁM SÁT 5

2.3.2 Đi u khi n t p trung v i vào/ra phân tán 9

2.3.4 Đi u khi n phân tán v i vào/ra phân tán 11

3 CÁC THÀNH PH N C A M T H ĐI U KHI N PHÂN TÁN 13

6.4.5 Mô hình đ i t ng thành ph n phân tán DCOM 51

8.4.2 ng d ng XML trong ph n m m khung iPC 78

11.1 Gi i thi u chung v các h đi u khi n giám sát 99

14 GI I THI U M T S H ĐI U KHI N PHÂN TÁN TIÊU BI U 113

DANH M C HÌNH V

Hình 1-1: L ch s phát tri n các gi i pháp đi u khi n 3

Hình 2-1: Các thành ph n c b n c a m t h th ng đi u khi n và giám sát 5 Hình 2-2: Mô hình phân c p ch c n ng c a m t h th ng đi u khi n và giám sát7 Hình 2-3: C u trúc đi u khi n t p trung v i vào/ra t p trung 9

Hình 2-4: C u trúc đi u khi n t p trung v i vào/ra phân tán 10

Hình 2-5: C u trúc đi u khi n phân tán v i vào/ra t p trung 11

Hình 2-6: C u trúc đi u khi n phân tán v i vào/ra phân tán 12

Hình 3-1: C u hình c b n m t h đi u khi n phân tán 13

Hình 3-2: M s hình nh t đi u khi n DCS 16

Hình 3-3: Các ph ng pháp b trí tr m v n hành 18

Hình 3-4: C u hình tiêu bi u m t h đi u khi n phân tán hi n đ i 20

Hình 3-5: Các thành ph n ch c n ng chính c a m t PLC 24

Hình 5-1: Mô hình hóa m t h th ng đi u khi n s d ng UML 38

Hình 6-1: Các m u thi t k giao ti p gi a client và đ i t ng server 43

Hình 6-2: C u trúc mô hình CORBA 44

Hình 6-3: Mô hình m t đ i t ng COM 46

Hình 6-4: S th c thi con tr giao di n 47

Hình 6-5: Giao ti p gi a đ i t ng và khách hàng 49

Hình 6-6: Giao ti p gi a hai đ i t ng 50

Hình 6-7: Giao ti p gi a đ i t ng và khách hàng trên cùng quá trình 50

Hình 6-8: Giao ti p gi a đ i t ng và khách hàng trên hai quá trình khác nhau 51 Hình 6-9: Giao ti p gi a đ i t ng và khách hàng trên hai máy khác nhau v i DCOM 52

Hình 7-1: Mô hình ph n m m theo IEC 61131-3 54

Hình 7-2: Giao ti p bên trong ch ng trình 55

Hình 7-3: Giao ti p gi a các ch ng trình trong cùng m t c u hình b ng bi n toàn c c 55

Hình 7-4: Giao ti p qua kh i ch c n ng 56

Hình 7-5: Giao ti p qua đ ng d n truy c p 56

Hình 7-6: Mô hình h th ng theo IEC 61499 57

Hình 7-7: Mô hình thi t b theo IEC 61499 (ví d thi t b 2 trong Hình 7-6 58 Hình 7-8: Mô hình tài nguyên 59

Hình 7-9: Mô hình ng d ng 60

Hình 7-10: Mô hình kh i ch c n ng 61

Hình 8.1: Mô hình giao ti p m ng theo IEC 61131-5 69

Hình 8.2: Ki n trúc s l c c a OPC 73

Hình 8.3: Ki n trúc Client/Server trong OPC 74

Hình 8.4: OPC Custom Interfaces 75

Hình 8.5: Mô hình phát tri n iPC 78

Hình 9.1: L u đ chi ti t m t vòng đi u khi n áp su t (bên trái) và l u đ đ n gi n hóa (bên ph i) 86

Hình 10-1: Minh h a m t s ngôn ng l p trình PLC 89

Hình 10-2: Khai báo và s d ng m t hàm 93

Hình 10-3: Khai báo hàm n p ch ng và hàm thông th ng 94

Hình 10-4: Khai báo và s d ng m t kh i ch c n ng 94

Hình 10-5: M t ví d SFC đ n gi n 98

Hình 11-1: Các thành ph n ph n m m trong m t h SCADA 101

1 NH P MÔN

1.1 Ph m vi đ c p

Ph m vi đ c p c a môn H th ng đi u khi n phân tán là các h th ng t

đ ng hoá hi n đ i có c u trúc phân tán trong công nghi p c ng nh trong

nhi u l nh v c khác Môn h c đ c xây d ng trên c s ng d ng các ti n b

m i nh t c a k thu t đi u khi n, k thu t truy n thông công nghi p, công

ngh ph n m m vào trong các h th ng đi u khi n và giám sát

M c đích c a môn h c cho sinh viên làm quen v i c u trúc và các thi t b

ph n c ng c ng nh các thành ph n ph n m m c a các h th ng đi u khi n

và giám sát hi n đ i, n m đ c các nguyên t c và ph ng pháp c b n cho

h ng gi i quy t nh ng bài toán th ng đ c đ t ra trong th c t nh thi t

k c u trúc h th ng, tích h p h th ng, đ a vào v n hành và ch n đoán h

th ng Bên c nh đó, môn h c đ a ra các h ng nghiên c u lý thuy t và ng

d ng m i, t o c s cho các sinh viên mu n ti p t c h c và nghiên c u các

b c sau đ i h c

1.2 N i dung ch ng trình

N i dung bài gi ng bao g m các ch đ chính sau:

• C u trúc các h th ng đi u khi n và giám sát: Mô hình phân c p, các

• Các h th ng đi u khi n phân tán trên n n PLC (PLC-based DCS)

• Các h th ng đi u khi n phân tán trên n n PC (PC-based DCS)

• H th ng đi u khi n giám sát và thu th p d li u (SCADA): C u trúc h

th ng, công c ph n m m, thi t k giao di n ng i-máy

• Các chu n giao ti p công nghi p: MMS, OPC, XML

• Các h ng nghiên c u và ng d ng

© 2002, Hoàng Minh S n 2

1.3 Yêu c u ki n th c c s

Ph n l n n i dung các bài gi ng mang tính ch t t ng h p, liên môn, giành cho sinh viên n m cu i Bên c nh các môn c s chuyên ngành, yêu c u h c viên ph i n m v ng ki n th c c b n trong các môn h c sau:

• Đi u khi n s

• M ng truy n thông công nghi p

• K thu t l p trình C++ (h ng đ i t ng)

Bên c nh bài gi ng, ph n l n các tài li u tham kh o cho môn h c đ c t p

h p trong m t đ a CD đ các h c viên có th t sao chép

1.4 T ng quan các gi i pháp đi u khi n

1.4.1 Đ c tr ng các l nh v c ng d ng đi u khi n

Khi xây d ng m t gi i pháp đi u khi n, ta ph i quan tâm t i qui mô và

đ c thù c a l nh v c ng d ng M t vài l nh v c ng d ng tiêu bi u và các gi i pháp đi u khi n đ c thù t ng ng đ c tóm t t d i đây

• Đi u khi n các thi t b và máy móc đ n l (công nghi p và gia d ng): Các máy móc, thi t b đ c s n xu t hàng lo t, vì v y yêu c u đ u t cho gi i pháp đi u khi n ph i th t ti t ki m (ch ng trình nh , t n ít

b nh ) Các bài toán đi u khi n có th r t khác nhau, t đi u khi n logic t i đi u khi n ph n h i, đi u khi n chuy n đ ng, đi u khi n

m ,… Các gi i pháp đi u khi n tiêu bi u là đi u khi n nhúng (µP, µC), CNC, PLC,

• T đ ng hóa công nghi p, đ c chia ra hai l nh v c:

• Công nghi p ch bi n, khai thác: Các bài toán đi u khi n tiêu bi u là

đi u khi n quá trình (process control), đi u khi n trình t (sequence

control), bên c nh đi u khi n logic Các thi t b đ c dùng ph bi n là

PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controllers

• Công nghi p ch t o, l p ráp: Các bài toán đi u khi n tiêu bi u là đi u khi n logic, đi u khi n chuy n đ ng, đi u khi n s ki n r i r c Các thi t b đ c dùng ch y u là PLC, CNC, PC Nay các h DCS c ng tìm

đ c m t s ng d ng trong l nh v c này

• Đi u khi n các h th ng giao thông, v n t i: Đ c thù là các bài toán

đi u khi n logic, đi u khi n s ki n r i r c Các thi t b đ c dùng là PLC, DCS, PC, µP, µC,

• Đi u khi n các h th ng phân ph i n ng l ng (d u khí, gas, đi n): K t

h p gi a các bài toán đi u khi n quá trình v i đi u khi n s ki n r i

r c, đi u khi n logic, s d ng PLC, DCS, IPC,

• T đ ng hóa tòa nhà: R le, PLC, µp, µC,

• Đi u khi n và giám sát các h th ng qu c phòng: IPC, µP, µC, DSP và các thi t b đ c ch ng khác

• Đi u khi n và giám sát các h th ng th y l i, môi tr ng: PLC, IPC,

•

1.4.2 Các h th ng đi u khi n công nghi p

Ch ng trình h c đ t tr ng tâm vào các gi i pháp đi u khi n công nghi p, chia làm hai l nh v c ng d ng c b n:

• Công nghi p ch bi n, khai thác (Process Industry): D u khí, hóa d u, hóa m ph m, d c ph m, xi m ng, gi y,

• Công nghi p ch t o, l p ráp (Manufactoring Industry): Công nghi p ôtô, máy công c , công nghi p đi n t , vi đi n t , thi t b dân d ng,

Hình 1-1: L ch s phát tri n các gi i pháp đi u khi n

1.4.3 H đi u khi n phân tán

H đi u khi n phân tán (Distributed Control System, DCS) là m t khái

ni m xu t x t các ngành công nghi p ch bi n, ch các h th ng đi u khi n

I U KHI N LIÊN T C/TRÌNH T I U KHI N R I R C/LOGIC

Các h đi u khi n c

Programmable Logic Controller (PLC), 1970

R le đi n

© 2002, Hoàng Minh S n 4

quá trình tích h p tr n v n c a m t nhà s n xu t Ngày nay, khái ni m DCS

đ c hi u v i ngh a r ng h n nhi u, đ ch t t c các h th ng đi u khi n tích

h p toàn di n có c u trúc đi u khi n phân tán Vì th , ng d ng các h đi u khi n phân tán không nh ng ph bi n trong công nghi p ch bi n, mà còn lan r ng sang các l nh v c khác Các h DCS ngày nay chi m kho ng 12% th

2 C U TRÚC CÁC H TH NG ĐI U KHI N

VÀ GIÁM SÁT

2.1 C u trúc và các thành ph n c b n

Các thành ph n c b n c a m t h th ng đi u khi n và giám sát quá trình

đ c minh h a trên Hình 2-1 Các c m bi n và c c u ch p hành đóng vai trò

là giao di n gi a các thi t b đi u khi n v i quá trình k thu t Trong khi đó,

h th ng đi u khi n giám sát đóng vai trò giao di n gi a ng i v n hành và

máy Các thi t b có th đ c ghép n i tr c ti p đi m-đi m, ho c thông qua

m ng truy n thông

Hình 2-1: Các thành ph n c b n c a m t h th ng đi u khi n

và giám sát

Tùy theo lo i c m bi n, tín hi u c a chúng đ a ra có th là tín hi u nh

phân, tín hi u s hay tín hi u t ng t theo các chu n đi n h c thông d ng

khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ) Tr c khi có th x lý

trong máy tính s , các tín hi u đo c n đ c chuy n đ i, thích ng v i chu n

giao di n vào/ra c a máy tính Bên c nh đó, ta c ng c n các bi n pháp cách ly

đi n h c đ tránh s nh h ng x u l n nhau gi a các thi t b Đó chính là

các ch c n ng c a các module vào/ra (I/O)

NI network interface (giao di n m ng) I/O input/output

(vào/ra)

n i tr c ti p

n i qua m ng

H th ng đi u khi n giám sát

Thi t b đi u khi n t đ ng

Quá trình k thu t

NI

NI

© 2002, Hoàng Minh S n 6

Tóm l i, m t h th ng đi u khi n và giám sát bao g m các thành ph n

ch c n ng chính sau đây:

• Giao di n quá trình: Các c m bi n và c c u ch p hành, ghép n i vào/ra, chuy n đ i tín hi u

• Thi t b đi u khi n t đ ng: Các thi t b đi u khi n nh các b đi u

khi n chuyên d ng, b đi u khi n kh trình PLC (programmable logic

controller), thi t b đi u ch nh s đ n l (compact digital controller) và

máy tính cá nhân cùng v i các ph n m m đi u khi n t ng ng

• H th ng đi u khi n giám sát: Các thi t b và ph n m m giao di n

ng i máy, các tr m k thu t, các tr m v n hành, giám sát và đi u khi n cao c p

• H th ng truy n thông: Ghép n i đi m-đi m, bus c m bi n/ch p hành, bus tr ng, bus h th ng

• H th ng b o v , c ch th c hi n ch c n ng an toàn

2.2 Mô hình phân c p

Càng nh ng c p d i thì các ch c n ng càng mang tính ch t c b n h n

và đòi h i yêu c u cao h n v đ nhanh nh y, th i gian ph n ng M t ch c

n ng c p trên đ c th c hi n d a trên các ch c n ng c p d i, tuy không đòi h i th i gian ph n ng nhanh nh c p d i, nh ng ng c l i l ng thông tin c n trao đ i và x lý l i l n h n nhi u Thông th ng, ng i ta ch coi ba c p d i thu c ph m vi c a m t h th ng đi u khi n và giám sát Tuy nhiên, bi u th hai c p trên cùng (qu n lý công ty và đi u hành s n xu t) trên giúp ta hi u thêm m t mô hình lý t ng cho c u trúc ch c n ng t ng th cho các công ty s n xu t công nghi p

Hình 2-2: Mô hình phân c p ch c n ng c a m t h th ng đi u

khi n và giám sát

2.2.1 C p ch p hành

Các ch c n ng chính c a c p ch p hành là đo l ng, truy n đ ng và

chuy n đ i tín hi u trong tr ng h p c n thi t Th c t , đa s các thi t b

c m bi n (sensor) hay c c u ch p hành (actuator) c ng có ph n đi u khi n

riêng cho vi c th c hi n đo l ng/truy n đ ng đ c chính xác và nhanh nh y Các thi t b thông minh1 c ng có th đ m nh n vi c x lý thô thông tin, tr c khi đ a lên c p đi u khi n

2.2.2 C p đi u khi n

Nhi m v chính c a c p đi u khi n là nh n thông tin t các c m bi n, x

lý các thông tin đó theo m t thu t toán nh t đ nh và truy n đ t l i k t qu

xu ng các c c u ch p hành Khi còn đi u khi n th công, nhi m v đó đ c

ng i đ ng máy tr c ti p đ m nhi m qua vi c theo dõi các công c đo l ng,

s d ng ki n th c và kinh nghi m đ th c hi n nh ng thao tác c n thi t nh

n nút đóng/m van, đi u ch nh c n g t, núm xoay v.v Trong m t h th ng

1 M t thi t b đ c g i là thông minh, khi nó có kh n ng x lý thông tin Th c t , m i thi t b thông minh ph i có ít nh t m t b vi x lý riêng

QL công ty

Tính toán giá thành, lãi su t

th ng kê s li u s n xu t, kinh doanh,

x lý đ n đ t hàng, k ho ch tài nguyên

C p tr ng

C p đi u khi n quá trình

© 2002, Hoàng Minh S n 8

đi u khi n t đ ng hi n đ i, vi c th c hi n th công nh ng nhi m v đó đ c thay th b ng máy tính

2.2.3 C p đi u khi n giám sát

C p đi u khi n giám sát có ch c n ng giám sát và v n hành m t quá trình

k thu t Khi đa s các ch c n ng nh đo l ng, đi u khi n, đi u ch nh, b o toàn h th ng đ c các c p c s th c hi n, thì nhi m v c a c p đi u khi n giám sát là h tr ng i s d ng trong vi c cài đ t ng d ng, thao tác, theo dõi, giám sát v n hành và x lý nh ng tình hu ng b t th ng Ngoài ra, trong

m t s tr ng h p, c p này còn th c hi n các bài toán đi u khi n cao c p

nh đi u khi n ph i h p, đi u khi n trình t và đi u khi n theo công th c (ví

d trong ch bi n d c ph m, hoá ch t) Khác v i các c p d i, vi c th c

hi n các ch c n ng c p đi u khi n giám sát th ng không đòi h i ph ng

ti n, thi t b ph n c ng đ c bi t ngoài các máy tính thông th ng (máy tính cá nhân, máy tr m, máy ch , termimal, )

Nh ta s th y, phân c p ch c n ng nh trên s ti n l i cho vi c thi t k

h th ng và l a ch n thi t b Trong th c t ng d ng, s phân c p ch c n ng

có th khác m t chút so v i trình bày đây, tùy thu c vào m c đ t đ ng hoá và c u trúc h th ng c th Trong nh ng tr ng h p ng d ng đ n gi n

nh đi u khi n trang thi t b dân d ng (máy gi t, máy l nh, đi u hòa đ m, ), s phân chia nhi u c p có th hoàn toàn không c n thi t Ng c l i, trong t đ ng hóa m t nhà máy l n hi n đ i nh đi n nguyên t , s n xu t xi

m ng, l c d u, ta có th chia nh h n n a các c p ch c n ng đ ti n theo dõi

2.3 C u trúc đi u khi n

Bi n th c a c u trúc c b n trên Hình 2-1 tìm th y trong các gi i pháp

th c t khác nhau s phân b ch c n ng đi u khi n c ng nh s phân b

v trí các máy tính quá trình và ph ki n đ c l a ch n C n c vào đó, ta có

th phân bi t gi a c u trúc đi u khi n t p trung và c u trúc đi u khi n phân tán, c u trúc vào/ra t p trung và c u trúc vào/ra phân tán

2.3.1 Đi u khi n t p trung

C u trúc tiêu bi u c a m t h đi u khi n t p trung (centralized control

system) đ c minh h a trên Hình 2-3 M t máy tính duy nh t đ c dùng đ

đi u khi n toàn b quá trình k thu t Máy tính đi u khi n đây (MTĐK) có

th là các b đi u khi n s tr c ti p (DDC), máy tính l n, máy tính cá nhân

ho c các thi t b đi u khi n kh trình Trong đi u khi n công nghi p, máy

tính đi u khi n t p trung thông th ng đ c đ t t i phòng đi u khi n trung tâm, cách xa hi n tr ng Các thi t b c m bi n và c c u ch p hành đ c n i

tr c ti p, đi m-đi m v i máy tính đi u khi n trung tâm qua các c ng vào/ra

c a nó Cách b trí vào/ra t i máy tính đi u khi n nh v y c ng đ c g i là

vào/ra t p trung (central I/O)

Hình 2-3: C u trúc đi u khi n t p trung v i vào/ra t p trung

Đây là c u trúc đi u khi n tiêu bi u trong nh ng n m 1965-1975 Ngày nay, c u trúc t p trung trên đây th ng thích h p cho các ng d ng t đ ng hóa qui mô v a và nh , đi u khi n các lo i máy móc và thi t b b i s đ n

gi n, d th c hi n và giá thành m t l n cho máy tính đi u khi n Đi m đáng chú ý đây là s t p trung toàn b “trí tu ”, t c ch c n ng x lý thông tin trong m t thi t b đi u khi n duy nh t Tuy nhiên, c u trúc này b c l nh ng

h n ch sau:

• Công vi c n i dây ph c t p, giá thành cao

• Vi c m r ng h th ng g p khó kh n

• Đ tin c y kém

2.3.2 Đi u khi n t p trung v i vào/ra phân tán

C u trúc vào/ra t p trung v i cách ghép n i đi m-đi m th hi n m t nh c

đi m c b n là s l ng l n các cáp n i, d n đ n giá thành cao cho dây d n

và công thi t k , l p đ t M t h n ch khác n a là ph ng pháp truy n d n tín hi u thông th ng gi a các thi t b tr ng và thi t b đi u khi n d ch u

nh h ng c a nhi u, gây ra sai s l n V n đ này đ c kh c ph c b ng

ph ng pháp dùng bus tr ng nh đã nêu trong ph n tr c Hình 2-4 minh

h a m t c u hình m ng đ n gi n đây các module vào/ra đ c đ y xu ng

I/O: input/output A: actuator S: sensor

Phòng đi u khi n trung tâm

Hi n tr ng

© 2002, Hoàng Minh S n 10

c p tr ng g n k v i các c m bi n và c c u ch p hành, vì v y đ c g i là

các vào/ra phân tán (Distributed I/O) ho c vào/ra t xa (Remote I/O) M t

cách ghép n i khác là s d ng các c m bi n và c c u ch p hành thông minh (màu xám trên hình v ), có kh n ng n i m ng tr c ti p không c n thông qua các module vào/ra Bên c nh kh n ng x lý giao th c truy n thông, các thi t

b này còn đ m nhi m m t s ch c n ng x lý t i ch nh l c nhi u, ch nh

đ nh thang đo, t đ t ch đ , đi m làm vi c, ch n đoán tr ng thái,v.v Trong nhi u tr ng h p, các thi t b có th đ m nhi m c nhi m v đi u khi n đ n

gi n

Hình 2-4: C u trúc đi u khi n t p trung v i vào/ra phân tán

S d ng bus tr ng và c u trúc vào/ra phân tán mang l i các u đi m sau:

• Ti t ki m dây d n và công đi dây, n i dây

2.3.3 Đi u khi n phân tán

Trong đa s các ng d ng có qui mô v a và l n, phân tán là tính ch t c

h a c a h th ng M t dây chuy n s n xu t th ng đ c phân chia thành nhi u phân đo n, có th đ c phân b t i nhi u v trí cách xa nhau Đ kh c

ph c s ph thu c vào m t máy tính trung tâm trong c u trúc t p trung và

t ng tính linh ho t c a h th ng, ta có th đi u khi n m i phân đo n b ng

Hình 2-5: C u trúc đi u khi n phân tán v i vào/ra t p trung

Các máy tính đi u khi n c c b th ng đ c đ t r i rác t i các phòng đi u khi n/phòng đi n c a t ng phân đo n, phân x ng, v trí không xa v i quá trình k thu t Các phân đo n có liên h t ng tác v i nhau, vì v y đ đi u khi n quá trình t ng h p c n có s đi u khi n ph i h p gi a các máy tính

đi u khi n Trong ph n l n các tr ng h p, các máy tính đi u khi n đ c n i

m ng v i nhau và v i m t ho c nhi u máy tính giám sát (MTGS) trung tâm

qua bus h th ng Gi i pháp này d n đ n các h th ng có c u trúc đi u khi n phân tán, hay đ c g i là các h đi u khi n phân tán (HĐKPT)

u th c a c u trúc đi u khi n phân tán không ch d ng l i đ linh ho t cao h n so v i c u trúc t p trung Hi u n ng c ng nh đ tin c y t ng th c a

h th ng đ c nâng cao nh s phân tán ch c n ng xu ng các c p d i Vi c phân tán ch c n ng x lý thông tin và ph i h p đi u khi n có s giám sát t các tr m v n hành trung tâm m ra các kh n ng ng d ng m i, tích h p

tr n v n trong h th ng nh l p trình cao c p, đi u khi n trình t , đi u khi n theo công th c và ghép n i v i c p đi u hành s n xu t

2.3.4 Đi u khi n phân tán v i vào/ra phân tán

L u ý r ng Hình 2-5 ch minh h a cách ghép n i đi m-đi m gi a m t máy tính đi u khi n v i các c m bi n và c c u ch p hành, s d ng vào/ra t p trung Tuy nhiên, ta c ng có th s d ng bus tr ng đ th c hi n c u trúc vào/ra phân tán nh trên Hình 2-6 Khi đó, máy tính đi u khi n có th đ t t i

HI N TR NG PHÒNG I U KHI N C C B

© 2002, Hoàng Minh S n 12

phòng đi u khi n trung tâm ho c t i các phòng đi u khi n c c b , tùy theo qui mô c a h th ng và kh n ng kéo dài c a bus tr ng

Gi i pháp s d ng các h đi u khi n phân tán v i c u trúc vào/ra phân tán

và các thi t b tr ng thông minh chính là xu h ng trong xây d ng các h

th ng đi u khi n và giám sát hi n đ i Bên c nh đ tin c y cao, tính n ng m

và đ linh ho t cao thì y u t kinh t c ng đóng vai trò quan tr ng Vi c phân tán ch c n ng x lý thông tin, ch c n ng đi u khi n theo b r ng c ng nh

theo chi u sâu là ti n đ cho ki n trúc “trí tu phân tán” (distributed

intelligence) trong t ng lai

Hình 2-6: C u trúc đi u khi n phân tán v i vào/ra phân tán

Phân đo n 1

MT K 1

PHÒNG I U KHI N TRUNG TÂM

HI N TR NG

bus h

th ng

PHÒNG I U KHI N C C B

• Các tr m đi u khi n c c b (local control station, LCS), đôi khi còn

đ c g i là các kh i đi u khi n c c b (local control unit, LCU) ho c

các tr m quá trình (process station, PS)

• Các tr m v n hành (operator station, OS)

• Tr m k thu t (engineering station, ES) và các công c phát tri n

• H th ng truy n thông (field bus, system bus)

Hình 3-1: C u hình c b n m t h đi u khi n phân tán

Máy tính phòng thí

Local Control Station

Local Control Station

Operator

Station

Engineering Station

Operator Station

• B cung c p ngu n, thông th ng có d phòng

• Kh i x lý trung tâm (CPU), có th l a ch n lo i có d phòng

• Giao di n v i bus h th ng, thông th ng c ng có d phòng

• Giao di n v i bus tr ng n u s d ng c u trúc vào/ra phân tán

• Các module vào/ra s c ng nh t ng t , đ c bi t là các module vào/ra

an toàn cháy n

Trong c u trúc vào/ra t p trung, các module vào/ra đ c n i v i CPU

thông qua bus n i b đ ng sau giá đ (backplane-bus) Chính vì v y, các

module này c ng ph i do nhà s n xu t cung c p kèm theo CPU

Trong các h th ng đi u khi n quá trình, m t tr m đi u khi n c c b c ng

th ng đ c cài đ t giao di n HART và các module ghép n i ph ki n khác Các thi t b này đ c l p đ t trong t đi u khi n cùng v i các linh ki n h tr

khác nh hàng k p đ u dây, các b chuy n đ i tín hi u (transducers), các

kh i đ u cu i (terminal blocka), Các t đi u khi n th ng đ c đ t trong

phòng đi u khi n/phòng đi n bên c nh phòng đi u khi n trung tâm ho c

r i rác g n khu v c hi n tr ng

Các ch c n ng do tr m đi u khi n c c b đ m nhi m bao g m:

• Đi u khi n quá trình (process control): Đi u khi n các m ch vòng kín

(nhi t đ , áp su t, l u l ng, đ pH, đ đ m đ c, ) H u h t các m ch vòng đ n đ c đi u khi n trên c s lu t PID, gi i quy t bài toán đi u khi n đi u ch nh, đi u khi n t l , đi u khi n t ng Các h th ng hi n

đ i cho phép đi u khi n m , đi u khi n d a mô hình (model-based

control), đi u khi n thích nghi,

• Đi u khi n trình t (sequential control, sequence control)

• Đi u khi n logic

• Th c hi n các công th c (recipe control)

• Đ t các tín hi u đ u ra v tr ng thái an toàn trong tr ng h p có s c

h th ng

• L u tr t m th i các tín hi u quá trình trong tr ng h p m t liên l c

v i tr m v n hành

• Nh n bi t các tr ng h p v t ng ng giá tr và t o các thông báo báo

đ ng

Chính vì đây là thành ph n quan tr ng nh t trong h th ng, đ i đa s các

tr m đi u khi n c c b có tính n ng ki m tra và s a l i (error checking and

correcting, ECC), c ng nh cho phép l a ch n c u hình d phòng M t đi u

quan tr ng là m t tr m đi u khi n c c b ph i có kh n ng đ m b o ti p t c

th c hi n các ch c n ng nói trên trong tr ng h p tr m v n hành ho c đ ng truy n bus h th ng có s c

Các máy tính đi u khi n có th là máy tính đ c ch ng c a nhà cung c p

(vendor-specific controller), PLC ho c máy tính cá nhân công nghi p D a

trên c s này có th phân lo i các h th ng đi u khi n phân tán có m t hi n

nay trên th tr ng thành các h các h truy n th ng (sau đây g i là DCS

truy n th ng), các h trên n n PLC (PLC-based DCS) và các h trên n n PC

(PC-based DCS)

B t k ch ng lo i thi t b nào đ c s d ng, các yêu c u quan tr ng nh t

v m t k thu t đ c đ t ra cho m t tr m đi u khi n c c b là:

• Tính n ng th i th c

• Đ tin c y và tính s n sàng

• L p trình thu n ti n, cho phép s d ng/cài đ t các thu t toán cao c p

• Kh n ng đi u khi n lai (liên t c, trình t và logic)

3.1.2 Bus tr ng và các tr m vào/ra t xa

Khi s d ng c u trúc vào/ra phân tán, các tr m đi u khi n c c b s đ c

b sung các module giao di n bus đ n i v i các tr m vào/ra t xa (remote

I/O station) và m t s thi t b tr ng thông minh Các yêu c u chung đ t ra

v i bus tr ng là tính n ng th i gian th c, m c đ đ n gi n và giá thành

th p Bên c nh đó, đ i v i môi tr ng d cháy n còn các yêu c u k thu t

đ c bi t khác v chu n truy n d n, tính n ng đi n h c c a các linh ki n

m ng, cáp truy n, Các lo i bus tr ng đ c h tr m nh nh t là

Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I Trong môi tr ng đòi h i an toàn cháy n thì Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là hai h đ c s

d ng ph bi n nh t

M t tr m vào/ra t xa th c ch t có c u trúc không khác l m so v i m t

tr m đi u khi n c c b , duy ch thi u kh i x lý trung tâm cho ch c n ng

đi u khi n Thông th ng, các tr m vào/ra t xa đ c đ t r t g n v i quá trình k thu t, vì th ti t ki m nhi u cáp truy n và đ n gi n hóa c u trúc h

© 2002, Hoàng Minh S n 16

th ng Tr m vào/ra t xa c ng có th đ t cùng v trí v i tr m đi u khi n c c

b , tuy nhiên nh v y không l i d ng đ c u đi m c a c u trúc này

Khác v i c u trúc vào/ra t p trung, c u trúc vào/ra phân tán cho phép s

d ng các tr m vào/ra t xa c a các nhà cung c p khác v i đi u ki n có h tr

lo i bus tr ng qui đ nh Tuy nhiên, đ có th khai thác t i đa kh n ng các công c ph n m m tích h p và đ m b o t ng thích hoàn toàn gi a các thành

ph n trong m t h DCS, vi c dùng tr n s n ph m c a m t hãng v n là gi i pháp an toàn nh t

Bên c nh ph ng pháp ghép n i thi t b đi u khi n v i quá trình k thu t thông qua các module vào/ra, ta có th s d ng các c m bi n ho c c c u

ch p hành có giao di n bus tr ng Qua đó có th đ n gi n hóa c u trúc h

th ng h n n a, ti t ki m ti t ki m ch trong t đi u khi n và nâng cao tính

n ng th i gian th c c a h th ng do t n d ng đ c kh n ng x lý thông tin

c a các thi t b tr ng

Trên Hình 3-4 là hình nh m t s t đi u khi n DCS Hình bên trái là m t

tr m PCS7 (Siemens) v i b đi u khi n l p đ t cùng các module vào/ra phân tán Hình gi a minh h a m t tr m vào/ra t xa l p đ c l p T đi u khi n bên ph i minh h a tr m đi u khi n c c b DeltaV (Fisher-Rosermount) s

d ng gi i pháp Foundation Fieldbus (không c n các module các vào/ra)

Hình 3-2: M s hình nh t đi u khi n DCS

• H tr v n hành h th ng qua các công c thao tác tiêu bi u, các h

ch y trên n n WindowsNT/2000, ho c các máy tính tr m ch y trên n n UNIX Cùng v i các màn hình màu l n (th ng là 19inch) v i đ phân gi i cao đ theo dõi quá trình s n xu t, m t tr m v n hành hi n đ i bao gi c ng có các thi t b thao tác chu n nh bàn phím và chu t M t tr m v n hành có th b trí theo ki u m t ng i s d ng (m t ho c nhi u màn hình), ho c nhi u

ng i s d ng v i v i nhi u Terminals (Hình 3-3)

Các ph n m m trên tr m v n hành bao gi c ng đi kèm đ ng b v i h

th ng, song th ng h tr các chu n ph n m m và chu n giao ti p công

nghi p nh TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking

and Embedding), ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control)

© 2002, Hoàng Minh S n 18

Hình 3-3: Các ph ng pháp b trí tr m v n hành

Đ c đi m tiêu bi u c a các tr m v n hành hi n đ i là s d ng k thu t giao di n ng i-máy ki u đa c a s v i các ph n t giao di n chu n Tuy nhiên, vi c thi t k các màn hình giao di n công nghi p khác v i các giao di n

ng d ng v n phòng, đòi h i ki n th c t ng h p v quá trình công ngh , m thu t công nghi p, tâm lý h c công nghi p và công ngh ph n m m V n đ này s đ c đ c p chi ti t sau

3.1.4 Tr m k thu t và các công c phát tri n

Tr m k thu t là n i cài đ t các công c phát tri n, cho phép đ t c u hình cho h th ng, t o và theo dõi các ch ng trình ng d ng đi u khi n và giao

di n ng i máy, đ t c u hình và tham s hóa các thi t b tr ng Vi c t o ng

d ng đi u khi n h u h t đ c th c hi n theo ph ng pháp khai báo, đ t tham s và ghép n i các kh i ch c n ng có s n trong th vi n C ng nh các

tr m v n hành, thi t b s d ng thông th ng là các máy tính cá nhân (công nghi p) ch y trên n n Windows95/98/NT/2000 ho c UNIX

M t s đ c tính tiêu bi u c a các công c phát tri n trên tr m k thu t là:

• Các công c phát tri n đ c tích h p s n trong h th ng

• Công vi c phát tri n (Engineering) không yêu c u có ph n c ng DCS

t i ch

• Các ngôn ng l p trình thông d ng là s đ kh i hàm (FBD-Function

Block Diagram, ho c CFC-Continuous Function Chart) và bi u đ ti n

trình (SFC-Sequential Function Chart), t ng t IEC61131-3 FBD () và

SFC

• M t d án có th do nhi u ng i cùng ph i h p phát tri n song song

• Giao di n v i các h th ng c p trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )

Operator Terminals

Terminals bus

System bus

Operator Station

Engineering

Station

Controller

Đ vi c phát tri n h th ng ph n m m đ c thu n l i, các nhà s n xu t cung c p các th vi n kh i hàm chuyên d ng Bên c nh đó, nhi u nhà s n

xu t c ng cung c p ph n m m mô ph ng đ ng i phát tri n h th ng có th

t o các đ u vào/ra mô ph ng, giúp cho vi c phát tri n ph n m m đ c ch c

ch n, an toàn h n

Trong m t s h th ng, ng i ta không phân bi t gi a tr m v n hành và

tr m k thu t, mà s d ng m t bàn phím có khóa chuy n qua l i gi a hai

ch đ v n hành và phát tri n

3.1.5 Bus h th ng

Bus h th ng có ch c n ng n i m ng các tr m đi u khi n c c b v i nhau

và v i các tr m v n hành và tr m k thu t Trong đa s các h th ng ng

d ng, ng i ta l a ch n c u hình có d phòng cho bus h th ng Thêm n a,

đ c i thi n tính n ng th i gian th c, nhi u khi m t m ng riêng bi t (có th có

c d phòng) đ c s d ng đ ghép n i các tr m đi u khi n c c b (bus đi u

khi n, control bus) Gi i pháp m ng có th đ c ch ng c a riêng công ty, ho c

d a trên m t m ng chu n qu c t Các h th ng m ng đ c s d ng nhi u

nh t là Ethernet, Profibus-FMS và ControlNet

Đ c đi m c a vi c trao đ i thông tin qua bus h th ng là l u l ng thông tin l n, vì v y t c đ đ ng truy n ph i t ng đ i cao Tính n ng th i gian

th c c ng là m t yêu c u đ c đ t ra (nh t là đ i v i bus đi u khi n), tuy nhiên không nghiêm ng t nh v i bus tr ng Th i gian ph n ng th ng ch yêu c u n m trong ph m vi 0,1s tr lên S l ng tr m tham gia th ng không l n và nhu c u trao đ i d li u không có đ t bi n l n Vì v y đ i v i

m ng Ethernet, tính b t đ nh c a ph ng pháp truy nh p bus CSMA/CD

th ng không ph i là v n đ gây lo ngh

Hình 3-4 minh h a c u hình tiêu bi u c a m t h đi u khi n phân tán

hi n đ i Bên c nh các thành ph n đã mô t , m t c u hình tiêu bi u th ng

có thêm m t s tr m server, máy tính phân tích, máy in, m t s b đi u khi n c c b chuyên d ng,

Control Station n

3.2 Phân lo i

3.2.1 Các h DCS truy n th ng

Các h này s d ng các b đi u khi n quá trình đ c ch ng theo ki n trúc riêng c a nhà s n xu t Các h c th ng đóng kín, ít tuân theo các chu n giao ti p công nghi p, các b đi u khi n đ c s d ng c ng th ng ch làm nhi m v đi u khi n quá trình, vì v y ph i s d ng k t h p PLC cho các bài toán đi u khi n logic và đi u khi n trình t Các h m i có tính n ng m t t

h n, m t s b đi u khi n lai đ m nhi m c các ch c n ng đi u khi n quá

trình, đi u khi n trình t và đi u khi n logic (hybrid controller)

Đ h tr các bài toán đi u khi n quá trình di n ra đ ng th i, kh i x lý trung tâm đ c cài đ t m t h đi u hành th i gian th c, đa nhi m - ho c c a riêng nhà s n xu t phát tri n ho c m t s n ph m thông d ng nh pSOS, TSOS, VRTX, Chu k th i gian nh nh t th c hi n các m ch vòng đi u khi n th ng n m trong kho ng 10-100ms, trong tr ng h p đ c bi t (ví d cho nhà máy đi n) có th t i 1ms

M t s s n ph m tiêu bi u cùng v i tên tr m đi u khi n c c b đ c li t

kê d i đây:

• AdvantOCS (ABB): Advant Controller, h đi u hành riêng

• Freelance 2000 (ABB): D-PS h c D-FC, h đi u hành pSOS

• Symphonie (ABB): Melody, h đi u hành pSOS

• DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, h đi u hành TSOS

• I/A Series (Foxboro): CP60, h đi u hành VRTX

• PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, h đi u hành riêng

• Centum CS1000/CS3000 (Yokogawa): PFCx-E, AFS10x/AFS20x, h

đi u hành ORKID

3.2.2 Các h DCS trên n n PLC

Thi t b đi u khi n kh trình (PLC, programmable logic controller) là m t

lo i máy tính đi u khi n chuyên d ng, do nhà phát minh ng i M Richard Morley l n đ u tiên đ a ra ý t ng vào n m 1968 D a trên yêu c u k thu t

c a General Motors là xây d ng m t thi t b có kh n ng l p trình m m d o thay th cho m ch đi u khi n logic c ng, hai công ty đ c l p là Allen Bradley

và Bedford Associates (sau này là Modicon) đã đ a ra trình bày các s n ph m

đ u tiên Các thi t b này ch x lý đ c m t t p l nh logic c b n, 128 đi m

vào/ra (1 bit) và 1kByte b nh Lúc đ u, cái tên programmable controller,

vi t t t là PC, đ c s d ng r ng rãi Trong khi đó, programmable logic

© 2002, Hoàng Minh S n 22

controller hay PLC là th ng hi u đ ng ký c a công ty Allen Bradley Sau này,

khi máy tính cá nhân tr nên ph bi n thì t vi t t t PLC hay đ c dùng h n

đ tránh nh m l n Vì v y t đây v sau ta s dùng khái ni m thi t b đi u

khi n kh trình nh ng v i t vi t t t là PLC

V i c u trúc ghép n i vào/ra linh ho t, nguyên t c làm vi c đ n gi n theo chu kì, kh n ng l p trình và l u tr ch ng trình trong b nh không c n can thi p tr c ti p t i ph n c ng, PLC nhanh chóng thu hút s chú ý trong

gi i chuyên ngành Vào th i đi m các máy tính đi u khi n chuyên d ng và không chuyên d ng đ u có kích c r t l n và giá thành r t cao, thì vi c s

d ng PLC là gi i pháp lý t ng đ thay th các m ch logic t h p và tu n t trong đi u khi n các quá trình gián đo n

Cho đ n nay, danh m c các ch ng lo i PLC có m t trên th tr ng th t phong phú đ n m c khó có th bao quát Chúng không nh ng khác nhau công su t làm vi c c a b x lý trung tâm, dung l ng b nh và s l ng các c ng vào/ra, mà còn các đ c tính ch c n ng nh c u trúc linh ho t,

ph ng pháp l p trình và kh n ng n i m ng Tr m t s lo i nh dùng trong các ng d ng đ n gi n, h u h t các PLC hi n đ i đ u không d ng l i

vi c th c hi n các phép tính logic đ n gi n, mà còn có kh n ng làm vi c v i các tín hi u t ng t và th c hi n các phép toán s h c, th m chí c các thu t toán đi u khi n ph n h i nh đi u khi n nhi u đi m, PID và đi u khi n m Các b đ m, b đ nh th i và m t s hàm toán h c thông d ng thu c ph m vi

ch c n ng chu n c a m t PLC Vi c s d ng PLC vì v y không ch d ng l i các quá trình gián đo n, mà nay đã r t ph bi n đ i v i đi u khi n các quá trình liên t c nh trong công nghi p ch bi n, khai thác, công ngh môi

tr ng v.v

M t s h DCS trên n n PLC tiêu bi u là SattLine (ABB), Process Logix (Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens),… Th c ch t, ngày nay đa s các PLC v a có th s d ng cho bài toán đi u khi n logic và

đi u khi n quá trình Tuy nhiên, các PLC đ c s d ng trong các h đi u khi n phân tán th ng có c u hình m nh, h tr đi u khi n trình t cùng v i các ph ng pháp l p trình hi n đ i (ví d SFC)

C u trúc ph n c ng

Hình 3-5 minh h a các thành ph n ch c n ng chính c a m t h th ng thi t b đi u khi n kh trình và quan h t ng tác gi a chúng V c b n, m t PLC c ng có các thành ph n gi ng nh m t máy vi tính thông th ng, đó là vi

x lý, các b nh làm vi c và b nh ch ng trình, giao di n vào/ra và cung

c p ngu n Tuy nhiên, m t đi m khác c b n là các thành ph n giao di n

ng i-máy nh màn hình, bàn phím và chu t không đ c trang b đây Vi c

l p trình vì v y ph i đ c th c hi n gián ti p b ng m t máy tính riêng bi t, ghép n i v i CPU thông qua giao di n thi t b l p trình (th ng là m t c ng

n i ti p theo chu n RS-232 ho c RS-485)

B x lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU) bao g m m t ho c

nhi u vi x lý, b nh ch ng trình, b nh làm vi c, đ ng h nh p và giao

di n v i thi t b l p trình, đ c liên k t v i nhau thông qua m t h bus n i

b Nhi m v chính c a CPU là qu n lý các c ng vào/ra, x lý thông tin, th c

hi n các thu t toán đi u khi n B nh ch ng trình th ng có d ng EPROM

(Erasable and Programmable Read Only Memory) ho c EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), ch a h

đi u hành và mã ch ng trình ng d ng D li u vào/ra c ng nh các d li u

tính toán khác đ c l u trong b nh làm vi c RAM (Random Access

Memory) Đ ng h nh p có vai trò t o ng t c ng đ đi u khi n ch ng trình

theo chu k , thông th ng trong kho ng t 0,01giây t i 1000 phút

Các thành ph n vào/ra (input/ouput, I/O) đóng vai trò là giao di n gi a

CPU và quá trình k thu t Nhi m v c a chúng là chuy n đ i, thích ng tín

hi u và cách ly galvanic gi a các thi t b ngo i vi (c m bi n, c c u ch p hành) và CPU Các thành ph n vào/ra đ c liên k t v i CPU thông qua m t

h bus n i b ho c qua m t h bus tr ng (xem ch ng 3)

B cung c p ngu n (power supply, PS) có vai trò bi n đ i và n đ nh

ngu n nuôi (thông th ng 5V) cho CPU và các thành ph n ch c n ng khác t

m t ngu n xoay chi u (110V, 220V, ) ho c m t chi u (12V, 24V, )

Bên c nh các thành ph n chính nêu trên, m t h th ng PLC có th có các thành ph n ch c n ng khác nh ghép n i m r ng, đi u khi n chuyên d ng

và x lý truy n thông

© 2002, Hoàng Minh S n 24

Hình 3-5: Các thành ph n ch c n ng chính c a m t PLC

Thi t k module và thi t k g n

Tùy theo s phân chia ch c n ng trên các thành ph n thi t b , ta có th phân bi t gi a các PLC có thi t k module và các PLC có thi t k g n Trong

m t PLC có thi t k g n, t t c các ch c n ng đ c tích h p g n trong m t thi t b Thông th ng, lo i PLC này có s n m t s c ng vào/ra c đ nh M t

s c ng đ c tích h p giao di n truy n thông cho m t lo i bus tr ng Tuy nhiên, m t s ít lo i có c u trúc g n v n cho phép t ng s l ng c ng vào/ra

ho c b sung giao di n m ng b ng các module m r ng đ c bi t PLC có c u trúc g n thích h p v i các bài toán đ n gi n

Đ i v i các ng d ng có qui mô v a và l n, ta c n s d ng các PLC có thi t k module b i đ linh ho t cao đây, h u h t m i thành ph n ch c

n ng đ c th c hi n b i m t module ph n c ng riêng bi t, đ c l p đ t trên

m t ho c nhi u giá đ Bên c nh các thành ph n c b n là CPU, ngu n và các module vào/ra, m t PLC còn có th ch a các module ch c n ng, các module ghép n i và module truy n thông H bus n i b đ c s d ng đ ghép n i

các module m r ng v i CPU th ng đ c g i là bus m t sau (backplane

bus)

Các module ch c n ng (function module, FM) đ c s d ng đ th c hi n

m t s nhi m v đi u khi n riêng, ví d module đi u khi n PID, module đi u khi n đ ng c b c, module cân, Các module này ho t đ ng t ng đ i đ c

l p v i CPU, tuy nhiên có th trao đ i d li u quá trình và d li u tham s thông qua bus n i b và các hàm ho c kh i hàm giao ti p h th ng

Các module ghép n i (interface module, IM) đ c s d ng trong vi c m

r ng h th ng khi s l ng các module l n, không đ ch trên m t giá đ Thông th ng, m i giá đ c n có m t module ngu n riêng bên c nh module ghép n i Thông qua các module ghép n i, m t CPU có th qu n lý t t c các module trên các giá đ S l ng và ch ng lo i các module cho phép trên m t giá đ c ng nh s l ng t ng c ng ph thu c vào kh n ng qu n lý c a lo i CPU c th

Các module truy n thông (communication module, CM) có vai trò là giao

di n m ng, đ c s d ng đ ghép n i nhi u PLC v i nhau, v i các thi t b

tr ng và v i máy tính giám sát Các module truy n thông đ m nhi m x lý giao th c m t cách đ c l p v i CPU Tuy nhiên trong m t s tr ng h p, b

x lý trung tâm c ng đ c tích h p s n giao di n m ng cho m t h bus

n ng, mà còn khía c nh kinh t Các b c ti n l n trong k thu t máy tính, công nghi p ph n m m và công ngh bus tr ng chính là các y u t thúc đ y

kh n ng c nh tranh c a PC trong đi u khi n công nghi p

DCS trên n n PC là m t h ng gi i pháp t ng đ i m i, m i có m t s s n

ph m trên th tr ng nh PCS7 (Siemens, gi i pháp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management)… H ng gi i pháp này th hi n nhi u u đi m v m t giá thành, hi u n ng tính toán và tính n ng m M t tr m đi u khi n c c b chính là m t máy tính cá nhân công nghi p đ c cài đ t m t h đi u hành

th i gian th c và các card giao di n bus tr ng và card giao di n bus h

th ng

Trong gi i pháp đi u khi n dùng máy tính cá nhân thì m t v n đ th ng

r t đ c quan tâm là đ tin c y c a máy tính M t ph n ta có th yên tâm b i

v i c u trúc vào/ra phân tán, máy tính đi u khi n đ c đ t trong phòng đi u khi n trung tâm v i đi u ki n môi tr ng làm vi c t t M t khác, trên th

tr ng c ng đã có r t nhi u lo i máy tính cá nhân công nghi p, đ m b o đ tin c y cao không kém m t PLC M t khi máy tính ch đ c cài đ t h đi u

Các v n đ k thu t d i đây đóng vai trò đ c bi t quan tr ng khi nghiên

c u v các h đi u khi n phân tán, s đ c đ c p chi ti t trong các ph n sau

• Ki n trúc x lý phân tán (distributed processing): C u trúc phân tán v

m t v t lý (đ a lý) d n đ n phân tán v m t x lý thông tin X lý phân

tán là m t khái ni m vay m n t l nh v c tin h c X lý phân tán khác

v i x lý c c b và khác v i x lý n i m ng tính th ng nh t, xuyên

su t trong vi c xây d ng ng d ng và trao đ i d li u gi a các tr m

• Tính n ng th i gian th c (real-time): Tính n ng c a m t h th ng luôn

s n sàng ph n ng v i các s ki n bên ngoài và đ a ra đáp ng m t cách đúng đ n và k p th i V i ki n trúc x lý phân tán, vi c đáp ng tính n ng th i gian th c đ c c i thi n b i kh n ng x lý thông tin t i

ch Song c ng nhi u v n đ đ c đ t ra trong vi c giao ti p gi a các

thành ph n (real-time interprocess communication), trong đó v n đ

giao th c m ng đóng m t vai trò quan tr ng

• Tính s n sàng (availability) và đ tin c y (reliability): M t đ c đi m

n i b t so v i các h ng gi i pháp khác là tính s n sàng cao thông qua

kh n ng d phòng tích h p, có th l a ch n d phòng cho t ng thành

ph n Tính s n sàng, ph ng pháp giao ti p s , ki n trúc x lý phân tán, ph n m m đóng gói, ph n c ng chu n hóa công nghi p, đ tích

h p cao gi a các thành ph n ph n c ng và ph n m m là các y u t giúp cho các h th ng đi u khi n phân tán có đ tin c y cao

• H tr chu n (standard support): Th c ra, đây không ph i là đ c đi m

tiêu bi u c a các h DCS truy n th ng Nh ng đây là m t yêu c u không th thi u đ c trong các h DCS m i Đ c bi t, s t ng thích

v i các chu n công nghi p là ti n đ cho tính n ng m , cho kh n ng

t ng tác v i các thi t b c a các hãng th ba

• Công c ph n m m (software tools): Vi c xây d ng các ng d ng đi u

khi n đ c h tr b i các công c “l p trình” ho c “c u hình” r t m nh

và các th vi n ph n m m đóng gói chu n, d a theo các chu n qu c t Các công c ph n m m đi u khi n giám sát c ng đ c tích h p và s

d ng chung m t c s d li u trong h th ng Khác v i các gi i pháp

đi u khi n đ n l nh PLC ho c PC, ta không ph i s d ng m t công

c riêng, xây d ng riêng giao di n ng i-máy (HMI) và các ch c n ng SCADA khác SCADA chính là m t thành ph n c a m t h DCS Quá trình t o giao di n ng i- máy, t o h th ng c nh báo, t o công th c

đi u khi n,… n m trong vi c phát tri n ng d ng, đi đôi v i vi c xây

d ng ch ng trình đi u khi n c p th p

nó không ch ph thu c vào s chính xác c a k t qu , mà còn ph thu c vào

th i đi m đ a ra k t qu đ ph n ng v i s ki n bên ngoài H th ng có l i

khi th i gian yêu c u không đ c tho mãn

M t h th ng th i gian th c có các đ c đi m tiêu bi u sau:

Tuy tính nhanh nh y là m t đ c đi m tiêu bi u, nh ng m t h th ng có

tính n ng th i gian th c không nh t thi t ph i có đáp ng th t nhanh mà

quan tr ng h n là ph i có ph n ng k p th i đ i v i các yêu c u, tác đ ng bên

ngoài Có th nói, t t các các h th ng đi u khi n là các h th ng th i gian

th c Ng c l i, m t s l n các h th ng th i gian th c là các h th ng đi u

khi n M t b đi u khi n ph i đ a ra đ c tín hi u đi u khi n k p th i sau

m t th i gian nh n đ c tín hi u đo đ đ a quá trình k thu t v tr ng thái

mong mu n M t h th ng truy n thông có tính n ng th i gian th c ph i có

kh n ng truy n tin m t cách tin c y và k p th i đ i v i các yêu c u c a các

đ i tác truy n thông Tính n ng th i gian th c c a m t h th ng đi u khi n

phân tán không ch ph thu c vào tính n ng th i gian th c c a t ng thành

ph n trong h th ng, mà còn ph thu c vào s ph i h p ho t đ ng gi a các

ti n đ nh Đ có th ph n ng v i nhi u s ki n di n ra cùng m t lúc, m t h

th ng x lý th i gian th c s d ng các quá trình tính toán đ ng th i

Quá trình tính toán là m t ti n trình th c hi n m t ho c m t ph n

ch ng trình tu n t do h đi u hành qu n lý trên m t máy tính, có th t n

t i đ ng th i v i các quá trình khác k c trong th i gian th c hi n l nh và

th i gian x p hàng ch đ i th c hi n

Quá trình tính toán đ c chia thành hai lo i:

• Quá trình n ng cân (process): là quá trình tính toán có không gian đ a

Trong các h th ng đi u khi n, khái ni m task c ng hay đ c s d ng bên

c nh quá trình tính toán Có th nói, task là m t nhi m v x lý thông tin trong h th ng, có th th c hi n theo c ch tu n hoàn (periodic task) ho c theo s ki n (event task) Ví d , m t task th c hi n nhi m v đi u khi n cho

m t ho c nhi u m ch vòng kín có chu k trích m u gi ng nhau Ho c, m t task có th th c hi n nhi m v đi u khi n logic, đi u khi n trình t theo các

s ki n x y ra Task có th th c hi n d i d ng m t quá trình tính toán duy

nh t, ho c m t dãy các quá trình tính toán khác nhau

4.1.3 H đi u hành th i gian th c

Các tr m đi u khi n trong m t h đi u khi n phân tán bao gi c ng ho t

đ ng d a trên n n m t h đi u hành th i gian th c H đi u hành th i gian

th c là m t h đi u hành h tr các ch ng trình ng d ng x lý th i gian

th c B n thân h đi u hành th i gian th c c ng là m t h th i gian th c theo đúng ngh a c a nó, vì v y c ng có các đ c đi m tiêu bi u đã đ c p M t h

đi u hành th i gian th c bao gi c ng là m t h đa nhi m (multi-tasking), h

tr x lý c nh tr nh ho c/và x lý song song L p l ch, đ ng b hóa quá trình

và giao ti p liên quá trình là các khái ni m quan tr ng trong m t h đi u hành th i gian th c

© 2002, Hoàng Minh S n 30

Ph ng pháp l p l ch (Scheduling)

Vi c l p l ch th c hi n cho các task có th đ c th c hi n theo hai cách:

• L p l nh t nh: th t th c hi n các quá trình tính toán không thay đ i

Vi c tính m c u tiên c a m i ti n trình đ c th c hi n theo m t trong s

các thu t toán l p l ch sau:

• Rate monotonic: càng th ng xuyên càng đ c u tiên

• Deadline monotonic: càng g p càng đ c u tiên

• Least laxity: t l th i gian tính toán/th i h n cu i cùng(deadline) càng

l n càng đ c u tiên

Đ ng b hoá quá trình

Khi các quá trình tính toán cùng s d ng m t tài nguyên lo i tr l n nhau

nh m t vùng nh , c ng vào/ra, ho c chúng ph thu c l n vào nhau ví d

quá trình 1 ch k t qu c a quá trình 2 s r t d d n đ n tình tr ng t c

ngh n (Deadlock), hay t o ra m t tình hu ng ch y đua (Race Condition) Do

v y vi c đ ng b hoá các quá trình là đi u c n thi t

Có th th c hi n vi c này theo các ph ng pháp sau:

• Mutex (Mutual exclusion)

• Critical Section

• Semaphone

• Monitor

Giao ti p liên quá trình

Giao ti p liên quá trình là giao ti p gi a các quá trình tính toán thu c

cùng m t h đi u hành trên m t máy Có hai lo i:

• Gi a các Thread thu c cùng m t Process: s d ng các bi n toàn c c

• Gi a các Process khác nhau ho c gi a các Thread thu c các Process khác nhau: s d ng các ph ng pháp nh shared memory, slot, pipes, mailbox, files

C n phân bi t rõ gi a ng d ng m ng và ng d ng phân tán Trong m t

ng d ng m ng, các ch ng trình trên m i tr m t n t i hoàn toàn đ c l p v i

nhau và vi c giao ti p gi a chúng đ c th c hi n qua c ch “hi n” (explicit

communication) Web là m t ng d ng m ng tiêu bi u Trong m t ng d ng

phân tán, các ch ng trình trên các tr m h p tác ch t ch v i nhau thông

qua c ch giao ti p ng m (implicit communication) đ cùng th c hi n m t

nhi m v t ng th c a h th ng Ch c n ng đi u khi n trong m t h đi u khi n phân tán đ c th c hi n d i d ng m t ng d ng phân tán

• Ch c n ng x lý thông tin đ c phân chia thành hai ph n khác nhau,

ph n s d ng chung cho nhi u bài toán đ c th c hi n trên các server,

ph n riêng th c hi n trên t ng client

• Gi a các client không c n thi t có giao ti p tr c ti p

• Vai trò ch đ ng trong giao ti p thu c v client

• Ví d tiêu bi u: Trong c p đi u khi n giám sát, có th s d ng m t

tr m ch cho vi c thu th p và qu n lý, l u tr d li u và c nh gi i báo

đ ng, các tr m v n hành là th c hi n giao di n ng i-máy v i vai trò là client

Ki n trúc bình đ ng

• Các tr m có vai trò bình đ ng, ph i h p ho t đ ng tr c ti p v i nhau không qua trung gian

• Ví d tiêu bi u: Trong c p đi u khi n, các tr m đi u khi n c c b phân chia th c hi n ch c n ng đi u khi n cho c dây chuy n s n xu t

Tay đôi (Peer-To-Peer)

• Hình th c có liên k t ho c không liên k t, c u hình tr c ho c không

c u hình tr c, có xác nh n ho c không xác nh n, có yêu c u ho c không có yêu c u