Luận văn: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) pptx

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) ĐÀO TUẤN ANH THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên : Đào Tuấn Anh Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên: Đào Tuấn Anh Lớp: CH-K8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS. TS. Bùi Quốc Khánh Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MC LC Trang TRANG PH BÌA LỜI CAM ĐOAN MC LC DANH MC HÌNH VẼ DANH MC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất 1 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động 3 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 5 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS 5 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến 5 1.2.1.2. Cấp điều khiển 7 1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy 7 1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin 7 1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS 8 1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS 10 1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS 10 1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động 11 1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán 17 1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán 18 1.4. Kết luận 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 21 2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 21 2.1.1. Hệ thời gian thực 21 2.1.2. Điều khiển thời gian thực 23 2.2. Giao thức mạng 26 2.2.1. Phương pháp CSMA/CD 28 2.2.2. Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing) 31 2.2.3. Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 34 2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 36 2.3.1. PROFIBUS 36 2.3.1.1. PROFIBUS DP 37 2.3.1.2. PROFIBUS PA 38 2.3.1.3. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) 39 2.3.2. CAN 39 2.3.3. Ethernet 40 2.3.4. Fourdation Fieldbus 41 2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông 44 2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng 45 2.4.2. Hệ số sử dụng đường truyền 45 2.4.3. Số lượng thông điệp không được truyền 46 2.5. Kết luận 46 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU 47 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 47 3.1.1. Giới thiệu 47 3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ 48 3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, T pre 49 3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, T wait 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, T tx 51 3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, T post 52 3.1.2.5. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông 52 3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet 54 3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông 54 3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 58 3.2.3. LAN Switch 60 3.2.4. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 62 3.2.5. Nhận xét 74 3.3. Trễ truyền thông trong mạng CAN 75 3.3.1. Phát hiện lỗi và xử lý lỗi trong mạng CAN 75 3.3.2. Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN 76 3.3.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại 77 3.3.4. Nhật xét 78 3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trễ truyền thông 79 3.5. Kết luận 82 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRC 83 4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 83 4.1.1. Hệ điều khiển servo 84 4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo 84 4.1.3. Điều khiển quá trình 85 4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85 4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 89 4.2.1. Cấu hình của mô hình 89 4.2.2. Giới thiệu mô hình 90 4.2.2.1. Cụm điều khiển 90 4.2.2.2. Encoder 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2.2.3. Resolver và Synchro 92 4.2.3. Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự trong hệ điều khiển 93 4.3. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông Bus-CAN 95 4.3.1. Cấu hình mô hình 95 4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus 96 4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 98 4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé 98 4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov 99 4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển 100 4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục 101 4.6.1. Cấu hình của mô hình 102 4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống 103 4.7. Kết luận 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều khiển. Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung đã dần thay thế các hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đã đem lại khả năng nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì. Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền thông giữa các sensor, các cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia xẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông sẽ lớn và mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt là khi hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Để đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển là cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán” được lựa chọn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về đặc tính trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền động nói riêng. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Nội dung luận văn với các đề mục và nội dung như sau : Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Mở đầu Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông trong hệ điều khiển phân tán Chương 2: Giao thức mạng và các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển truyền động nhiều trục Kết luận và Kiến nghị. Tài liệu tham khảo. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô trong Khoa Điện và Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, 04.2008 Tác giả, Đào Tuấn Anh. [...]... trúc mới của các hệ điều khiển truyền động nhiều trục được gọi là hệ điều khiển truyền động phân tán hay gọi tắt là hệ truyền động phân tán Tài nguyên tính toán của hệ điều khiển truyền động phân tán là các hệ xử lý của bộ điều khiển trung tâm và các hệ xử lý của các bộ điều khiển truyền động mỗi trục Giao diện giữa bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển truyền động mỗi trục sử dụng mạng truyền thông. .. 18 truyền động phân tán và trong nhiều ứng dụng nó không đáp ứng được yêu cầu công nghệ Cho tới nay, trễ truyền thông chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế sự phát triển của các hệ điều khiển truyển động phân tán Việc nghiên cứu đặc tính và đánh giá ảnh hưởng của trễ truyền thông sẽ được nghiên cứu trong các phần tiếp theo của luận văn 1.3 Trễ trong hệ điều khiển phân tán Các hệ thống điều khiển trong. .. thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán Điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động cho ra đời các hệ thống truyền động mới - truyền động phân tán Hệ thống truyền động phân tán ra đời sẽ dần thay thế các hệ thống truyền động cán thép, xeo giấy, các hệ thống truyền động CNC và robots truyền thống Có thể phân chia các hệ truyền động nhiều... triển của các hệ thống điều khiển phân tán Trong khuôn khổ của luận văn này, nguyên nhân, đặc tính của trễ truyền thông và phân tích ảnh hưởng của nó tới chất lượng điều khiển được nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 2.1 Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 2.1.1 Hệ. .. thực Hệ thống điều khiển phân tán do vậy cũng phải đáp ứng yêu cầu này khi sử dụng để điều khiển các quá trình công nghệ Điều có nghĩa yêu cầu đối với các đại lượng điều khiển của hệ điều khiển phải bao gồm cả giá trị điều khiển và thời gian đưa ra giá trị đó hay nói cách khác hệ thống điều khiển phải đáp ứng được cả yêu cầu về chính xác của đại lượng điều khiển và độ trễ điều khiển Trễ điều khiển. .. hành Và đối tượng điều khiển y(t) Controller W(k) Trễ truyền thông giữa sensor và controller Đo và lấy mẫu (trễ trong cơ cấu đo) Hình 1-11 Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ Chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong trạng thái bão hoà và nghẽn mạng tạm thời của hệ thống mạng tới chất lượng điều khiển sẽ được đề cập trong luận văn 1.4 Kết luận Cùng với... của cơ cấu chấp hành tương ứng Trễ điều khiển trong các mạch vòng điều khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiển phân tán bao gồm các thành phần sau:  Trễ trong các cơ cấu đo lường giữa thời điểm thu thập các đại lượng phản hồi và thời điểm truyền các giá trị này, sp ;  Trễ truyền thông từ các cơ cấu đo lường tới bộ điều khiển, scc;  Trễ tính toán điều khiển trong controller, cp  Trễ truyền thông. .. phát triển của các hệ thống tính toán và xử lý công nghiệp, hệ điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã làm cho các hệ thống truyền thông công nghiệp không ngừng được phát triển và các chuẩn truyền thông khác nhau đã ra đời để đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin giữa các hệ thống con, các bộ xử lý trong một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) thay thế cho phương án truyền thông tương... ngoài các chậm trễ do quá trình tính toán thực hiện các luật điều khiển và đo lường của các bộ điều khiển số thông thường còn có các chậm trễ của quá trình truyền thông gây ra Sơ đồ mạch vòng điều khiển điển hình của hệ điều khiển phân tán như hình 1-11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 Regulator (Trễ tính toán trong controller Trễ truyền thông giữa các... truyền thông số Mạng truyền thông số được sử dụng để truyền cả các tín hiệu logic, các tín hiệu đo lường và tín hiệu điều khiển giữa các hệ xử lý trong toàn hệ thống Tuy nhiên các hệ điều khiển truyền động nhiều trục là các hệ thống điều khiển đòi hỏi khắt khe về thời gian thực Sự chậm trễ của các tín hiệu do sử dụng mạng truyền thông số làm suy giảm chất lượng điều khiển của các hệ điều khiển Số hóa bởi . lượng điều khiển của hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển là cần thiết. Đề tài Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán . về mạng truyền thông trong hệ điều khiển phân tán Chương 2: Giao thức mạng và các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông trong các mạng truyền thông. điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Các hệ thống truyền thông