© 2005, Hoàng Minh Sơn 48 7 CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 7.1 IEC-61131 IEC (International Electrotechnical Commission) là một tổ chức toàn cầu bao gồm các hội đồng ở các quốc gia. Mục tiêu của tổ chức này là thúc đẩy công việc chuẩn hoá trong lĩnh vực điện và điện tử. IEC 61131 là tiêu chuẩn về bộ điểu khiển khả trình PLC và các thiết bị ngoại vi đi kèm với nó. Chuẩn IEC 61131 bao gồm 9 phần, trong đó các phần 1 đến 5 là quan trọng nhất: • Phần 1 (General Information): Đưa ra các định nghĩa chung và các đặc tính chức năng tiêu biểu cho mỗi hệ thống điều khiển sử dụng PLC, ví dụ cơ chế thực hiện tuần hoàn, ảnh quá trình, thiết bị lập trình và giao diện người-máy. • Phần 2 (Equipment requirements): Đặt ra các yêu cầu điện học, cơ học và chức năng cho các thiết bị; định nghĩa phương pháp kiểm tra và thử nghiệm các kiể u thiết bị tương ứng. Các yêu cầu được định nghĩa là nhiệt độ, độ ẩm, cung cấp nguồn, độ kháng nhiễu, phạm vi tín hiệu logic và sức bền cơ học của các thiết bị. • Phần 3 (Programming languages): Định nghĩa các ngôn ngữ lập trình cho các thiết bị điều khiển khả trình. Ngoài ba ngôn ngữ kinh điển là biểu đồ hình thang (Ladder Diagram, LD), biểu đồ khối chứ c năng (Function Block Diagram, FBD) và liệt kê lệnh (Instruction List, IL), và một ngôn ngữ bậc cao kiểu văn bản có cấu trúc (Structured Text, ST) thì một phương pháp lập trình đồ họa phục vụ biểu diễn các thuật toán điều khiển trình tự là SFC (Sequential Function Chart) cũng đã được chuẩn hóa. • Phần 4 (Guidelines for users): Đưa ra các nguyên tắc chỉ đạo cho người sử dụng trong các quá trình của một dự án, từ phân tích hệ th ống cho tới lựa chọn thiết bị, vận hành và bảo trì hệ thống. • Phần 5 (Communication): Đề cập tới phương pháp truyền thông giữa các PLC cũng như giữa PLC và một thiết bị khác trên cơ sở các khối hàm chuẩn. Các dịch vụ truyền thông này mở rộng chuẩn ISO/IEC 9506-1/2, thực chất là một tập con trong các dịch vụ được qui định trong MMS. 7.1.1 Mô hình phần mềm Mỗi PLC tại một thời điểm bất kỳ chỉ có một cấu hình (configuration) nào đó. Một cấu hình bao gồm một hay nhiều tài nguyên (resource) bên trong đặc trưng cho khả năng xử lý tín hiệu của PLC. Mỗi tài nguyên bao gồm ít nhất một chương trình (program) hoạt động dưới sự điều khiển của tác vụ (task). Chương trình được xây dựng nên từ các khối chức nă ng (function block) hoặc các yếu tố ngôn ngữ khác (có cả thảy 5 ngôn ngữ lập trình được định nghĩa © 2005, Hoàng Minh Sơn 49 trong phần này). Các biến toàn cục (global variable) và lối truy cập (access path) là những cơ chế giao tiếp trong chương trình và giữa các tài nguyên với nhau. Hình 7-1: Mô hình phần mềm theo IEC 61131-3 7.1.2 Mô hình giao tiếp Như biểu diễn trong Hình 7-2, giá trị của biến có thể được truyền trực tiếp trong nội bộ chương trình bằng cách kết nối đầu ra của đơn vị ngôn ngữ này tới đầu vào của đơn vị ngôn ngữ khác. Mối liên kết này được biểu diễn một cách trực quan trong các ngôn ngữ đồ họa hoặc ẩn trong các ngôn ngữ văn bản. Hình 7-2: Giao tiếp bên trong chương trình Giá trị của biến cũng có thể được truyền giữa các chương trình trong cùng một cấu hình thông qua biến toàn cục kiểu như biến x biểu diễn trong Hình 7-3. Biến này được khai báo là EXTERNAL đối với tất cả các chương trình sử dụng nó. CONFIGURATION RESOURCE TASK TASK PROGRAM PROGRAM FB FB RESOURCE TASK TASK PROGRAM PROGRAM FB FB GLOBAL and DIRECTLY REPRESENTED VARIABLES and INSTANCE-SPECIFIC INITIALIZATIONS ACCESS PATHS Execution control path Variable access paths FB Function block Variable or Communication function (See IEC 1131-5) FB1 FB2 ab © 2005, Hoàng Minh Sơn 50 PROGRAM A FB_X a FB1 PROGRAM B FB_Y b FB2 x x VAR_GLOBAL x: BOOL; END_VAR VAR_EXTERNAL x: BOOL; END_VAR VAR_EXTERNAL x: BOOL; END_VAR CONFIGURATION C Hình 7-3: Giao tiếp giữa các chương trình trong cùng một cấu hình bằng biến toàn cục Hình 7-4 biểu diễn cách giao tiếp đa năng nhất thông qua khối chức năng giao tiếp. Chi tiết về loại khối chức năng này được mô tả trong IEC 61131-5, ở đây chỉ lưu ý rằng, sử dụng khối chức năng truyền thông, giá trị của biến có thể được truyền giữa các bộ phận của chương trình, giữa các chương trình trong cùng một cấu hình hay trong các cấu hình khác nhau, thậm chí giữa ch ương trình chạy trong PLC với các hệ thống khác không phải PLC. Hình 7-4: Giao tiếp qua khối chức năng Sau cùng, bộ điều khiển khả trình và hệ thống không phải PLC có thể truyền dữ liệu qua lại thông qua lối truy cập như biểu diễn trong Hình 7-5, sử dụng các cơ chế định nghĩa trong IEC 61131-5. PROGRAM FB _ FB1 CONFIGURATION C SEND send a SD1 FB_ b FB2 CONFIGURATION D RCV rcv1 RD1 PROGRAM â 2005, Hong Minh Sn 51 Hỡnh 7-5: Giao tip qua ng dn truy cp 7.2 IEC-61499 IEC 61499 l tiờu chun liờn quan n vic s dng cỏc khi chc nng vi t cỏch l cỏc module phn mm trong h thng o lng - iu khin phõn tỏn. ng t quan im hng i tng, mi khi chc nng c coi l mt i tng phõn tỏn vi mt chc nng trong h thng. Chun IEC 61499 bao gm 3 phn trong ú phn 1 l quan trng nht. IEC 61499-1 nh ngh a kin trỳc chung ca h thng o lng - iu khin, ú khi chc nng úng vai trũ ct lừi, di dng cỏc mụ hỡnh tham kho. Cú tt c 8 mụ hỡnh c nh ngha nh trỡnh by di õy. 7.2.1 Mụ hỡnh h thng Chun IEC mụ t h thng o lng - iu khin quỏ trỡnh cụng nghip dng mt tp hp cỏc thit b kt ni li v liờn lc vi nhau thụng qua mt hay nhiu mng truyn thụng nh trong Hỡnh 7-6 di õy. Cỏc mng ny cú th c t chc theo th bc. Hỡnh 7-6: Mụ hỡnh h thng theo IEC 61499 PROGRAM A FB_X FB1 a Z VAR_ACCESS CSX: P1.Z : REAL READ_ONLY; PROGRAM B FB_Y b FB2 CONFIGURATION C CONFIGURATION D READ TO_FB2 RD1 'CSX' VAR_1 P1 Hệ thống mạng truyền thông Quá trình kỹ thuật Thiết bị 2 Thiết bị 3 Thiết bị 4Thiết bị 1 ứng dụng A ứng dụng C ứng dụng B â 2005, Hong Minh Sn 52 Mi chc nng c thc hin bi h thng o lng - iu khin c mụ hỡnh húa bng mt ng dng nh trong hỡnh v trờn. Mt ng dng cú th nm trong mt thit b duy nht, nh ng dng C trong hỡnh v, hoc phõn tỏn trờn mt s thit b, nh cỏc ng dng A v B. Vớ d, mt ng dng cú th cha mt hay nhiu vũng iu khin trong ú vic ly mu u vo c thc hin bi mt thit b, tớnh toỏn iu khin c thc hin bi thit b khỏc cũn vic chuyn i u ra li c tin hnh bi thit b th ba. 7.2.2 Mụ hỡnh thit b Nh biu din trong Hỡnh 7-7, mi thit b cha trong nú ớt nht mt giao din, ngoi ra cú th cú hoc khụng cha cỏc ti nguyờn v mng khi chc nng. Hỡnh 7-7: Mụ hỡnh thit b theo IEC 61499 (vớ d thit b 2 trong Hỡnh 7-6. Giao din quỏ trỡnh l mt thnh phn ca thit b cú nhim v ỏnh x gia cp iu khin bờn di (thit b o tng t, thit b vo/ra phõn tỏn, ) v cỏc ti nguyờn bờn trong thit b. Thụng tin trao i gia cp iu khin bờn di v cỏc ti nguyờn th hin di dng lung d liu v s kin. Giao din truyn thụng cng l mt thnh phn ca thit b cú nhim v ỏnh x gia mng truyn thụng phớa trờn v cỏc ti nguyờn bờn trong thit b. Cỏc dch v cung cp bi giao din ny bao gm : Biu din cỏc thụng tin truyn ti ti nguyờn thnh dng d liu v s kin Cung cp cỏc dch v khỏc h tr vic lp trỡnh, t cu hỡnh, dũ li, 7.2.3 Mụ hỡnh ti nguyờn Chun IEC coi ti nguyờn l mt n v chc nng, cha trong mt thit b vn cú quyn c lp iu khin hnh vi ca mỡnh. Ti nguyờn cú th c Liên kết truyền thông Ti nguyên X Quá trình kỹ thuật Ti nguyên ZTi nguyên Y ứng dụng C ứng dụng C ứng dụng A Ranh giới thiết bị Giao diện truyền thông Giao diện quá trình Luồng dữ liệu v sự kiện â 2005, Hong Minh Sn 53 to ra, t cu hỡnh, th hin bng tham s, khi ng, xúa, m khụng nh hng n cỏc ti nguyờn khỏc bờn trong thit b. Chc nng ca ti nguyờn l nhn d liu v/hoc s kin t giao din truyn thụng hoc giao din quỏ trỡnh, x lý d liu/s kin ú ri gi tr li d liu/s kin ti giao din truyn thụng/quỏ trỡnh theo yờu cu ca ng dng s dng ti nguyờn. Hỡnh 7-8: Mụ hỡnh ti nguyờn Nh trong , ti nguyờn c mụ hỡnh húa bao gm cỏc thnh phn sau : Mt hoc nhiu ng dng cc b (hay thnh phn cc b ca mt ng dng phõn tỏn). Cỏc bin v s kin c qun lý trong phn ny cỏc bin u vo, bin u ra, s kin u vo, s kin u ra ca cỏc khi chc nng thc hin phộp toỏn cn cho ng dng. Thnh phn ỏnh x quỏ trỡnh cú nhim v ỏnh x d liu v s kin gia ng dng v giao din quỏ trỡnh. Nh biu din trong hỡnh, iu ny c thc hin bi cỏc khi chc nng phc v giao tip. Khi chc nng phc v giao tip cng l khi chc nng thụng thng nhng c chuyờn bit húa cho nhim v ny. Thnh phn ỏnh x truyn thụng cú nhim v ỏnh x d liu v s kin gia ng dng v giao din truyn thụng. Nh biu din trong hỡnh, iu ny cng c thc hin bi cỏc khi chc nng phc v giao tip. B phn lp lch cú nhim v iu khin s thc thi ca cỏc khi hm bờn trong ng dng cng nh dũng d liu truyn gia chỳng tuõn theo nhng yờu cu v thi gian v trỡnh t quyt nh bi s xut hin ca cỏc s kin, liờn kt gia cỏc khi hm v thụng tin khỏc nh chu k v mc u tiờn. 7.2.4 Mụ hỡnh ng dng Mi ng dng c mụ hỡnh húa dng mt mng cỏc khi chc nng (function block network). Mng ny c cu thnh t cỏc nỳt mng l cỏc ứ ng dụng cục bộ ( ho ặ c phần c ụ c b ộ của ứn g d ụ n g phân tán á nh xạ truyền thông Giao diện truyền thông Giao diện quá trình á nh xạ quá trình Dữ liệu S ự kiện Thuật toán Các hm dịch vụ Khối chức năng giao diện dịch vụ Khối chức năng giao diện dịch vụ © 2005, Hoàng Minh Sơn 54 khối chức năng và liên kết giữa các nút mạng là liên kết dữ liệu (data connections) và liên kết sự kiện (event connections). Một ứng dụng có thể được phân tán trên nhiều tài nguyên thuộc một hay nhiều thiết bị. Mỗi tài nguyên sử dụng các mối liên hệ nhân quả chỉ ra bởi ứng dụng để quyết định phản ứng thích hợp đối với các sự kiện phát sinh từ giao diện truyền thông, giao diện quá trình, từ trong bản thân chính tài nguyên đó hoặc từ tài nguyên khác. Các phản ứng này bao gồm : • Sự lập lịch và thực thi thuật toán (bên trong tài nguyên) • Việc thay đổi các biến • Sản sinh các tín hiệu • Tương tác với giao diện truyền thông và giao diện quá trình Ứng dụng được định nghĩa bằng cách chỉ ra mối liên hệ giữa các khối chức năng chứa bên trong nó như minh họa trong hình vẽ, c ụ thể là chỉ ra luồng sự kiện (event flow) và luồng dữ liệu (data flow). Chính luồng sự kiện là cái quyết định việc lập lịch và thực thi của mỗi tài nguyên bên trong ứng dụng. Hình 7-9: Mô hình ứng dụng 7.2.5 Mô hình khối chức năng Mỗi khối chức năng thực ra là một biến thể hiện (function block instance) của một kiểu khối chức năng nào đó (function block type) cũng tương tự như mỗi đối tượng là một biến thể hiện của một lớp nào đó. Các đặc tính của khối chức năng: • Tên biến (là tên của chính khối chức năng đó) và tên kiểu (là tên của kiể u khối chức năng mà nó thuộc) • Một tập các đầu vào sự kiện, dùng để nhận các sự kiện đến từ các liên kết sự kiện với bên ngoài. Chính các sự kiện đầu vào sẽ ảnh hưởng tới việc thực thi thuật toán bên trong khối chức năng. • Một tập các đầu ra sự kiện, dùng để đẩy các sự kiện ra các liên kết sự kiện với bên ngoài tùy thuộ c và sự thực thi của thuật toán và một số yếu tố khác • Một tập các đầu vào dữ liệu, chúng được ánh xạ tới các biến đầu vào tương ứng Luång sù kiÖn Luång d÷ liÖu ∗ ∗ ∗ â 2005, Hong Minh Sn 55 Mt tp cỏc u ra d liu, chỳng c ỏnh x ti cỏc bin u ra tng ng D liu ni b, chỳng c ỏnh x ti tp cỏc bin ni b Cỏc c trng v chc nng, c xỏc nh bng cỏch kt hp gia d liu ni b vi thut toỏn ca khi ch c Hỡnh 7-10: Mụ hỡnh khi chc nng Thut toỏn bờn trong khi hm, v nguyờn tc, khụng nhỡn thy c t bờn ngoi, tr phi c ngi cung cp khi hm mụ t theo mt cỏch no ú. Thờm na, khi hm cú th cha bờn trong nú cỏc bin ni b hay cỏc thụng tin v trng thỏi tn ti khụng i gia nhng ln gi thut toỏn ca khi hm nhng chỳng cng khụng truy cp c t bờn ngoi. Mi kiu khi chc nng l mt yu t ph n mm ch rừ c tớnh ca tt c cỏc bin th hin thuc kiu ú, bao gm : Tờn kiu S lng, tờn, tờn kiu v trt t ca cỏc u vo s kin v u ra s kin S lng, tờn, kiu d liu v trt t ca cỏc bin u vo, bin u ra v bin ni b c t kiu kh i chc nng ngoi phn chung k trờn cũn cú thờm phn nh ngha chc nng c trng ca khi ph thuc vo loi khi c th. Cú c thy 3 loi khi chc nng : Khi chc nng c bn l n v chc nng nh nht, khụng th phõn chia hn c na Khi chc nng kt hp (Siờu kh i) l loi khi chc nng hp thnh t nhiu khi chc nng khỏc nh hn Khi chc nng dch v giao tip l loi khi chc nng cung cp cỏc dch v giao din gia cỏc khi chc nng khỏc vi nhau hoc gia ti (Lập lịch, ánh xạ truyền thông, ánh xạ quá trình) Thuật toán (che giấu) Tên ki ể u Dữ liệu nội bộ (che giấu) Năng lực ti nguyên Đ ầu ra dữ liệu Đ ầu vo dữ liệu Đ ầu ra sự kiện Đ ầu vo sự kiện Tên khối Điều khiển thực hiện (che giấu) Luồng sự kiện Luồng sự kiện Luồng dữ liệu Luồng dữ liệu © 2005, Hoàng Minh Sơn 56 nguyên và mạng truyền thông và giữa tài nguyên và quá trình công nghệ được điều khiển. Đối với kiểu khối chức năng cơ bản, chức năng đặc trưng của nó được diễn đạt bằng cách mô tả thuật toán bên trong khối đó hoạt động dựa trên giá trị của các biến đầu vào, biến đầu ra, biến nội bộ để tạo ra giá trị mới cho các biến đầu ra và biến nội bộ như thế nào, cũng như mối liên hệ giữa sự khởi động, thực thi và kết thúc của thuật toán với sự xuất hiện của các sự kiện tại đầu vào và sự kiện đầu ra của khối. Đối với kiểu khối chức năng kết hợp, đặc tả kiểu còn bao gồm các liên kết dữ liệu và liên kết sự kiện gi ữa những khối chức năng thành phần bên trong khối chức năng kết hợp. Đối với kiểu khối chức năng phục vụ giao tiếp, chức năng đặc trưng được mô tả bằng cách ánh xạ các dịch vụ cơ bản mà nó cung cấp thành các đầu vào sự kiện, đầu ra sự kiện, đầu vào dữ liệu, đầu ra dữ liệu của nó. 7.2.6 Mô hình phân tán Một ứng dụng cụ thể được phân tán bằng cách phân bố các khối chức năng của nó vào các tài nguyên khác nhau nằm trên một hay nhiều thiết bị. Bởi vì chi tiết bên trong khối chức năng là không nhìn thấy được đối với ứng dụng sử dụng nó cho nên khối chức năng phi là đơn vị nhỏ nhất không phân chia được đối với sự phân tán này. Nghĩa là, không thể chia nhỏ khối chức năng hơn n ữa để phân tán trên nhiều tài nguyên; các thành phần chứa bên trong khối chức năng phải nằm trên cùng một tài nguyên. Các mối liên hệ về chức năng giữa các khối chức năng không được phép bị ảnh hưởng bởi sự phân tán. Tuy nhiên, so với ứng dụng tập trung, các yếu tố về thời gian và độ tin cậy của chức năng truyền thông có ảnh hưởng đáng kể tới các yếu tố về thờ i gian và độ tin cậy của toàn ứng dụng phân tán. 7.2.7 Mô hình quản lý Việc quản lý các tài nguyên bên trong một thiết bị được mô hình theo một trong hai cách • Trong thiết bị, có một tài nguyên được tạo riêng để qun lý tất c những cái còn lại. Nó cung cấp một tập các dịch vụ qun lý cho các tài nguyên khác dùng chung. • Mỗi tài nguyên có một bộ phận qun lý của riêng mình. Nói cách khác, các dịch vụ qun lý được phân tán ra khắp tất c các tài nguyên bên trong thiết bị. 7.2.8 Mô hình trạng thái hoạt động Bất kỳ hệ thống nào cũng được thiết kế, bàn giao công việc, đưa vào vận hành, duy trì bảo dưỡng và cuối cùng sau khi hoàn thành nhiệm vụ - được hủy bỏ. Điều này được mô hình hóa bằng cái gọi là vòng ₫ời của hệ thống. © 2005, Hoàng Minh Sơn 57 Đến lượt mình, các đơn vị chức năng cấu thành nên hệ thống như thiết bị, tài nguyên, ứng dụng mỗi cái cũng có vòng đời riêng của mình. Để hỗ trợ cho đơn vị chức năng tại mỗi thời điểm trong vòng đời của nó, các hành động khác nhau phải được thực hiện. Để phân biệt xem hành động nào có thể thực hiện và để duy trì tính toàn vẹn của đơ n vị chức năng, các trạng thái hoạt động phải được định nghĩa, ví dụ “Đang hoạt động”, “Có thể cấu hình”, “Đã nạp”, “Đã dừng”, Mỗi trạng thái hoạt động của một đơn vị chức năng chỉ rõ hành động nào được chấp nhận và hành vi mong muốn tương ứng. Hệ thống có thể được tổ chức theo cách một khối chức năng nào đó có thể sở hữu hoặc nhận được quyền thay đổi trạng thái của khối chức năng khác. Một đặc điểm nổi bật của IEC 61499 là nó yêu cầu các công cụ phần mềm tuân theo chuẩn phải có khả năng trao đổi thông tin với nhau. Cụ thể là IEC 61499-2 yêu cầu nhà sản xuất thiết bị phần cứng hay thư viện phần mềm phải cung cấp đủ thông tin cần thi ết cho việc sử dụng sản phẩm của họ một cách hiệu quả trong khi vẫn đảm bảo quyền sở hữu trí tuệ. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng ngôn ngữ XML. IEC 61499-2 định nghĩa một tập các thẻ (tag) và cấu trúc tài liệu XML chuẩn, dựa vào đó nhà sản xuất mô tả sản phẩm của mình. Tuân theo một tập thẻ chung, các sản phẩm có thể làm việc trực tiếp với nhau (interoperability). . cơ chế giao tiếp trong chương trình và giữa các tài nguyên với nhau. Hình 7- 1 : Mô hình phần mềm theo IEC 6113 1-3 7. 1.2 Mô hình giao tiếp Như biểu diễn trong Hình 7- 2 , giá trị của biến có. ch ương trình chạy trong PLC với các hệ thống khác không phải PLC. Hình 7- 4 : Giao tiếp qua khối chức năng Sau cùng, bộ điều khiển khả trình và hệ thống không phải PLC có thể truyền dữ. thit b th ba. 7. 2.2 Mụ hỡnh thit b Nh biu din trong Hỡnh 7- 7 , mi thit b cha trong nú ớt nht mt giao din, ngoi ra cú th cú hoc khụng cha cỏc ti nguyờn v mng khi chc nng. Hỡnh 7- 7 : Mụ hỡnh thit