bài giảng hệ thống điều khiển phân tán

Bài ging H thng điu khin phân tán Lecture Notes Distributed Control Systems - PHN 1 - TS. Hoàng Minh Sn B MÔN IU KHIN T NG, KHOA IN I HC BÁCH KHOA HÀ NI MC LC 1 NHP MÔN 1 1.1 Phm vi đ cp 1 1.2 Ni dung chng trình 1 1.3 Yêu cu kin thc c s 1 1.4 Phng pháp hc và đánh giá kt qu 2 1.5 Tng quan các gii pháp điu khin 2 1.5.1 c trng các lnh vc ng dng điu khin 2 1.5.2 Các h thng điu khin công nghip 3 1.5.3 H điu khin phân tán 4 2 CU TRÚC CÁC H THNG IU KHIN VÀ GIÁM SÁT 5 2.1 Cu trúc và các thành phn c bn 5 2.2 Mô hình phân cp 6 2.2.1 Cp chp hành 7 2.2.2 Cp điu khin 7 2.2.3 Cp điu khin giám sát 8 2.3 Cu trúc điu khin 8 2.3.1 iu khin tp trung 8 2.3.2 iu khin tp trung vi vào/ra phân tán 9 2.3.3 iu khin phân tán 10 2.3.4 iu khin phân tán vi vào/ra phân tán 11 3 CÁC THÀNH PHN CA MT H IU KHIN PHÂN TÁN 13 3.1 Cu hình c bn 13 3.1.1 Trm điu khin cc b 14 3.1.2 Bus trng và các trm vào/ra t xa 15 3.1.3 Trm vn hành 16 3.1.4 Trm k thut và các công c phát trin 18 3.1.5 Bus h thng 18 3.2 Phân loi 20 3.2.1 Các h DCS truyn thng 20 3.2.2 Các h DCS trên nn PLC 20 3.2.3 Các h DCS trên nn PC 23 3.3 Các vn đ k thut 24 4 X LÝ THI GIAN THC VÀ X LÝ PHÂN TÁN 26 4.1 Mt s khái nim c bn 26 4.1.1 H thng thi gian thc 26 4.1.2 X lý thi gian thc 26 4.1.3 H điu hành thi gian thc 27 4.1.4 X lý phân tán 29 4.2 Các kin trúc x lý phân tán 29 4.3 C ch giao tip 30 4.4 ng b hóa trong x lý phân tán 31 4.4.1 ng b hóa các tín hiu vào/ra 31 4.4.2 ng b hóa thi gian 32 5 CÔNG NGH I TNG TRONG IU KHIN PHÂN TÁN 33 5.1 Lp trình hng đi tng 33 5.2 Phân tích và thit k hng đi tng 33 5.2.1 Ngôn ng mô hình hóa thng nht UML 34 5.2.2 Mu thit k 35 5.2.3 Phn mm khung 35 5.3 Phn mm thành phn 36 5.4 i tng phân tán 37 6 KIN TRÚC I TNG PHÂN TÁN 39 6.1 Yêu cu chung 39 6.2 Các mu thit k 39 6.3 Gii thiu chun CORBA 40 6.4 Gii thiu chun COM/DCOM 41 6.4.1 Giao din 42 6.4.2 i tng COM 43 6.4.3 Giao tip gia client và object 45 6.4.4 Ngôn ng mô t giao din 47 6.4.5 Mô hình đi tng thành phn phân tán DCOM 47 7 CÁC MÔ HÌNH NG DNG IU KHIN PHÂN TÁN 49 7.1 IEC-61131 49 7.1.1 Mô hình phn mm 49 7.1.2 Mô hình giao tip 50 7.2 IEC-61499 52 7.2.1 Mô hình h thng 52 7.2.2 Mô hình thit b 53 7.2.3 Mô hình tài nguyên 53 7.2.4 Mô hình ng dng 55 7.2.5 Mô hình khi chc nng 55 7.2.6 Mô hình phân tán 57 7.2.7 Mô hình qun lý 58 7.2.8 Mô hình trng thái hot đng 58 7.3 IDA 59 8 MT S CHUN GIAO TIP CÔNG NGHIP 60 8.1 MMS 60 8.2 IEC-61131-5 63 8.2.1 Mô hình giao tip mng 63 8.2.2 Dch v giao tip 64 8.2.3 Các khi chc nng giao tip 65 8.3 OPC 66 8.3.1 Tng quan v kin trúc OPC 66 8.3.2 OPC Custom Interfaces 69 8.3.3 OPC Automation Interface 70 8.4 Ngôn ng đánh du kh m XML 70 8.4.1 Gii thiu chung 70 8.4.2 ng dng XML trong phn mm khung iPC 71 9 MÔ T H THNG IU KHIN PHÂN TÁN 74 9.1 Các phng pháp mô t đ ha 74 9.2 Lu đ P&ID 75 9.2.1 Chun ISA S5.1 75 9.2.2 Chun ISA S5.3 79 9.3 Mô hình hóa hng đi tng 81 Tài liu tham kho 82 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 sát 7 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 17 Hình 3-4: Cu hình tiêu biu mt h điu khin phân tán hin đi 19 Hình 3-5: Các thành phn chc nng chính ca mt PLC 22 Hình 5-1: Mô hình hóa mt h thng điu khin s dng UML 35 Hình 6-1: Các mu thit k giao tip gia client và đi tng server 40 Hình 6-2: Cu trúc mô hình CORBA 41 Hình 6-3: Mô hình mt đi tng COM 43 Hình 6-4: S thc thi con tr giao din 44 Hình 6-5: Giao tip gia đi tng và khách hàng 46 Hình 6-6: Giao tip gia hai đi tng 46 Hình 6-7: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên cùng quá trình 46 Hình 6-8: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên hai quá trình khác nhau 47 Hình 6-9: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên hai máy khác nhau vi DCOM 48 Hình 7-1: Giao tip bên trong chng trình 50 Hình 7-2: Giao tip gia các chng trình trong cùng mt cu hình bng bin toàn cc 50 Hình 7-3: Giao tip qua khi chc nng 51 Hình 7-4: Giao tip qua đng dn truy cp 51 Hình 7-5: Mô hình h thng theo IEC 61499 52 Hình 7-6: Mô hình thit b theo IEC 61499 (ví d thit b 2 trong Hình 7-5 53 Hình 7-7: Mô hình tài nguyên 54 Hình 7-8: Mô hình ng dng 55 Hình 7-9: Mô hình khi chc nng 56 Hình 8.1: Mô hình giao tip mng theo IEC 61131-5 64 Hình 8.2: Kin trúc s lc ca OPC 67 Hình 8.3: Kin trúc Client/Server trong OPC 68 Hình 8.3: OPC Custom Interfaces 69 Hình 8.4: Mô hình phát trin iPC 72 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) 79 © 2002, Hoàng Minh Sn 1 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 thành phn chc nng c bn, mô t h thng • C s tin hc: X lý phân tán, công ngh hng đi tng, phn mm thành phn • Các h thng điu khin phân tán truyn thng (DCS): Cu trúc h thng, các thành phn h thng, phng pháp phát trin h thng, gii thiu mt s h DCS tiêu biu. • 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. 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: © 2002, Hoàng Minh Sn 2 • i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 Phng pháp hc và đánh giá kt qu Bài ging H thng điu khin phân tán đc xây dng cho 4 hc trình (48 tit), trong đó: • 36 tit bài ging • 4 tit thc hành và tho lun trên PTN (hai bui) • 8 tit tiu lun (vit, trình bày và tho lun) Khuyn khích hình thc tho lun ti ch, vit và thuyt minh tiu lun theo mt đ tài t chn. im các bài tiu lun đc đánh giá tính “bonus” cho đim thi hc k. K thi hc k đc tin hành di hình thc trc nghim, không cho phép s dng tài liu. 1.5 Tng quan các gii pháp điu khin 1.5.1 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. • i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 © 2002, Hoàng Minh Sn 3 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. • iu khin các h thng giao thông, vn ti: 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, • i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, • i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. • iu khin và giám sát các h thng thy li, môi trng: PLC, IPC, • 1.5.2 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 IU KHIN LIÊN TC/TRÌNH T IU KHIN RI RC/LOGIC Các b điu khin c B điu khin PID khí nén (1920-1930) B điu khin PID đin t (1940-1950) Direct Digital Controller DDC (K tp trung, 1965-1975) Compact Digital Controller DCS PLC-based DCS PC-based DCS DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS Các h điu khin c Programmable Logic Controller ( PLC ) , 1970 Rle đin © 2002, Hoàng Minh Sn 4 1.5.3 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 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 phn trong c th trng t đng hóa. Kin trúc và các gii pháp điu khin công nghip cng đc áp dng rng rãi trong các lnh vc ng dng khác. Vì th, các ni dung đ cp trong chng trình cng mang tính tng quát, có th áp dng ngoài các ng dng công nghip. Ví d, các h thng điu khin và giám sát h thng giao thông, vn ti (đng b, đng st hoc hàng không) hoc h thng phân phi nng lng cng đu là các lnh vc thích hp ng dng phng pháp điu khin phân tán. [...]... v n k thu t d i ây óng vai trò c bi t quan tr ng khi nghiên c u v các h i u khi n phân tán, s c 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 ( a lý) d n 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... t ng th c a h th ng Ch c n ng i u khi n trong m t h i u khi n phân tán c th c hi n d i d ng m t ng d ng phân tán Các v n c a x lý phân tán Phân chia và ph i h p nhi m v Giao ti p gi a các tr m ng b hóa các quá trình x lý phân tán D phòng, kh c ph c l i 4.2 Các ki n trúc x lý phân tán Ki n trúc Master/Slave Các ch c n ng x lý thông tin c phân chia trên nhi u tr m t M t tr m ch ph i h p ho t ng c a nhi... lý phân tán X lý phân tán giúp nâng cao n ng l c x lý thông tin c a m t h th ng, góp ph n c i thi n tính n ng th i gian th c, nâng cao tin c y và tính linh ho t c a h th ng Phân bi t các khái ni m: X lý c c b - ng d ng n c X lý c nh tranh - ng d ng a nhi m X lý t p trung - ng d ng t p trung X lý n i m ng - ng d ng m ng X lý phân tán - ng d ng phân tán C n phân bi t rõ gi a ng d ng m ng và ng d ng phân. .. có c u trúc i u khi n phân tán, hay c g i là các h i u khi n phân tán (H KPT) © 2002, Hoàng Minh S n 10 PHÒNG I U KHI N TRUNG TÂM MTGS MTGS bus h th ng MT K 1 A S MT K 2 A A S HI N TR Phân o n 1 MT K n PHÒNG I U KHI N C C B S NG Phân o n 2 Phân o n n Hình 2-5: C u trúc i u khi n phân tán v i vào/ra t p trung u th c a c u trúc i u khi n phân tán không ch d ng l i linh ho t cao h n so v i c u trúc t p... PHÒNG I U KHI N C C B bus tr I/O I/O A S S A HI N TR Phân o n 1 ng A NG Phân o n 2 Phân o n n Hình 2-6: C u trúc i u khi n phân tán v i vào/ra phân tán © 2002, Hoàng Minh S n 12 3 CÁC THÀNH PH N C A M T H I U KHI N PHÂN TÁN 3.1 C u hình c b n C u hình c b n m t h i u khi n phân tán c minh h a trên Hình 3-1, bao g m các thành ph n sau: Các tr m i u khi n c c b (local control station, LCS), ôi khi còn... a h th ng 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 i 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, i u khi n trình t , i u khi n theo công th c và ghép n i v i c p i u hành s n xu t 2.3.4 i u khi n phân tán v i vào/ra phân tán L u ý r ng Hình 2-5 ch... 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 i u khi n c ng nh s phân b v trí các máy tính quá trình và ph ki n c l a ch n C n c vào ó, ta có th phân bi t gi a c u trúc i u khi n t p trung và c u trúc i u khi n phân tán, c u trúc vào/ra t p trung và c u trúc vào/ra phân tán 2.3.1 i u khi n t p trung C u trúc tiêu bi u c a m t h i u khi n t p trung... quan tr ng Vi c phân tán ch c n ng x lý thông tin, ch c n ng i u khi n theo b r ng c ng nh theo chi u sâu là ti n cho ki n trúc “trí tu phân tán (distributed intelligence) trong t ng lai © 2002, Hoàng Minh S n 11 MTGS MTGS bus h th ng PHÒNG I U KHI N TRUNG TÂM MT K 1 bus tr ng MT K 2 bus tr I/O S MT K n ng PHÒNG I U KHI N C C B bus tr I/O I/O A S S A HI N TR Phân o n 1 ng A NG Phân o n 2 Phân o n n Hình... n phân tán hi n i Bên c nh các thành ph n ã 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 i u khi n c c b chuyên d ng, Factory Server LAB OS ES OS SS SYSTEM BUS Control Station 1 Control Station n Control Station 2 FIELDBUS I/O S Controller A S A A S A I/O Controller I/O S A Controller I/O S S Motor Control Center A Phân o n 1 S A Phân o n n Phân. .. trung Tuy nhiên, ta c ng có th s d ng bus tr ng th c hi n c u trúc vào/ra phân tán nh trên Hình 2-6 Khi ó, máy tính i u khi n có th t t i phòng i u khi n trung tâm ho c t i các phòng i 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 i 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 . khin tp trung vi vào/ra phân tán 9 2.3.3 iu khin phân tán 10 2.3.4 iu khin phân tán vi vào/ra phân tán 11 3 CÁC THÀNH PHN CA MT H IU KHIN PHÂN TÁN 13 3.1 Cu hình c bn. 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. 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