Ngay từ khi ra đời, DCS đã có đầy đủ các chức năng điều khiển Logic như các PLC vì DCS ra đời sau vì vậy DCS đã kịp kế thừa các chức năng này. Trong quá trình phát triển của PLC, đã có rất nhiều xu hướng làm xoá dần ranh giới của PLC và DCS. C7Module2906061PLC và DCS ra đời không cách xa nhau nhiều. Nếu PLC chuyên sâu về điều khiển Logic rời rạc (discrete) thì DCS lại thiên về điều khiển quá trình (Process control). Tuy nhiên, ứng dụng của DCS thường dành cho các nhà máy xí nghiệp lớn, cho nên nếu dùng điều khiển tập trung sẽ rất tốn kém, cả về đầu tư ban đầu lẫn giá thành bảo trìvận hành. Vì vậy, các hệ DCS đã ứng dụng phương thức điều khiển phân tán thay vì điều khiển tập trung như PLC. Ngay từ khi ra đời, DCS đã có đầy đủ các chức năng điều khiển Logic như các PLC vì DCS ra đời sau vì vậy DCS đã kịp kế thừa các chức năng này. Trong quá trình phát triển của PLC, đã có rất nhiều xu hướng làm xoá dần ranh giới của PLC và DCS. Thực tế, với các hệ thống PLC lớn như 9070 của GE Fanuc hay S7400 của Siemens đều có các hình bóng của DCS như điều khiển phân tán qua mạng, điều khiển PID, dự phòng nóng... và giá thành của các hệ PLC này cũng tiệm cận giá của các hệ DCS. Như vậy, các đặc điểm chính của 1 hệ thống DCS là: Điều khiển quá trìnhPID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward... Điều khiển phân tán qua mạng FieldBUSProfibus, Device Net, FF... Dự phòng nóng (Redundancy) và có khả năng Hot plug. Nạp chương trình khi hệ thống đang chạy. Và nhiều đặc điểm khác. Do vậy, DCS là một trong các thiết bị sử dụng phương pháp điều khiển phân tán, nhưng không phải là duy nhất. Ngược lại, DCS không chỉ điều khiển phân tán mà còn rất nhiều chức năng như trên. C7Module2906061_copy Rất nhiều người nhầm lẫn các hệ SCADA với DCS, cũng có người cho rằng PLC+PC= DCS. Tại sao lại dễ nhầm như vậy? Vì hệ SCADA cũng có yếu tố điều khiển qua mạng, SCADA cũng có các phần mềm HMI, các data server. Tuy nhiên, đây là 2 hệ thống khác nhau. Trong hệ thống DCS, có cả điều khiển đối tượng và điều khiển giám sát. Chức năng điều khiển đối tượng được thực hiện bởi các trạm điều khiển (Control station), còn chức năng điều khiển giám sát được thực hiện tại trạm vận hành (Operator station). Trong khi đó, SCADA chỉ có điều khiển giám sát, còn điều khiển đối tượng cũng có thể tồn tại trong các hệ thống điều khiển chung, nhưng nằm ngoài chức năng của hệ SCADA. Còn PLC+PC=DCS, có đúng vậy không? Giống vậy nhưng không đúng vậy. Vì PLC dù đã còn rất ít sự khác biệt với DCS nhưng vẫn không phải là DCS do thiếu những tính năng chủ đạo hoặc các tính năng này không hoàn thiện như DCS. Còn PC trong hệ PLC và DCS có nhiệm vụ không hoàn toàn giống nhau. PC trong hệ DCS có cả chức năng trạm vận hành lẫn trạm thiết kếkỹ thuật. PC trong hệ PLC có thể chạy các phầm mềm HMI, SCADA, nhưng chưa thể là trạm vận hành một cách đầy đủ như trong hệ DCS. Để xây dựng một hệ thống điều khiển phân tán, chúng ta có thể sử dụng rất nhiều loại thiết bị khác nhau và có tích hợp của tất cả các loại thiết bị này. Ví dụ, chúng ta có thể dùng PLC để xây dựng 1 hệ thống điều khiển phân tán, nếu bài toán điều khiển thiên về Logic và ít đòi hỏi cao về điều khiển quá trình. Hiện nay, xuất hiện nhiều hệ điều khiển lai (hybrid) trong đó có cả PLC và DCS hoặc thực hiện chức năng của cả hai hệ thống này. CommanD Automation đang là đại lý của Supcon về DCS và GE Fanuc về PLC và HMI. Trong đó, Supcon DCS ngoài chức năng của hệ DCS còn rất mạnh về điều khiển logic. Vì vậy, Supcon DCS sẽ có lợi thế hơn các hệ điều khiển lai khác về tính đồng bộ và tính hệ thống. Còn GE Fanuc có các hệ thống PAC, có tính năng mạnh mẽ của cả PLC, DCS mà lại còn là hệ thống PC based tuyệt vời. PAC của GE Fanuc còn cho phép nhà sản xuất thứ ba nối ghép sản phẩm nhúng của mình vào bus hệ thống vì dùng chuẩn chung VME và Ex PCI. Chúng ta lại được nhìn thấy tính mở thật sự của 1 hệ thống điều khiển không thua kém gì với chiếc PC chúng ta đang dùng. Ngoài ra, CommanD Automation còn đang phát triển sản phẩm điều khiển phân tán riêng của mình với các thế hệ Preloaded PLC Cd5000, PLC tích hợp HMI Cd6000, Compact PLC C7. Các thiết bị này vừa có thể là 1 thiết bị điều khiển khả trình độc lập, vừa có thể là các Module điều khiển phân tán. Nghĩa phân tán của CommanD PLC không chỉ ở ý nghĩa phân tán chấp hành như các hệ DCS mà phân tán cả tính toán và điều khiển. Vì vậy, trong hệ điều khiển phân tán của CommanD, các Field device chấp hành các lệnh của Master Control Unit vừa có thể thực hiện một số chức năng riêng biệt của mình, cho nên khi hệ thống trung tâm có trục trặc thì các field device vẫn có khả năng tiếp tục thực hiện chức năng của mình.
HMS Chương 5 1 Thá ng Sáu 2015 Chương 5: Phần mềm điều khiển 5.1 Vấn đề TGT trong các hệ thống điều khiển 5.2 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 5.3 Phương pháp luận khối chức năng và chuẩn IEC 61499 HMS Chương 5 2 Thá ng Sáu 2015 Nội dung liên ngành Kỹ thuật điều khiển Khoa học máy tính Công nghệ truyền thông Hệ thời gian thực Mạng truyền thông công nghiệp Hệ phân tán Hệ điều khiển PLC & DCS HMS Chương 5 3 Thá ng Sáu 2015 5.1 Vấn đề thời gian thực trong các hệ thống điều khiển Khái niệm thời gian thực, hệ thời gian thực và xử lý thời gian thực Khái niệm tác vụ và vai trò của xử lý cạnh tranh trong các hệ thống điều khiển Lập trình điều khiển thời gian thực Hệ điều hành thời gian thực HMS Chương 5 4 Thá ng Sáu 2015 5.1.1 Khái niệm về hệ thời gian thực A real-time system is one in which the correctness of the system depends not only on the logical results, but also on the time at which the results are produced. Một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài. Hệ thống có lỗi khi thời gian yêu cầu không được thoả mãn. JOHN A. STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems. ACM Computing Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996 Thời gian thực không phải là thời gian tuyệt đối Tính năng thời gian thực không đồng nghĩa với tốc độ tính toán rất nhanh Tính năng thời gian thực = tính chính xác + tính kịp thời HMS Chương 5 5 Thá ng Sáu 2015 Các dạng của “tính kịp thời” Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p T a) Chính xác tại (t = t p ) Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p2 T b) Trong khoảng (t p2 t t p2 ) Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p T c) Chậm nhất là (t t p ) t p1 Thời gian Sự kiện Phản ứng t s t p T d) Sớm nhất là (t t p ) HMS Chương 5 6 Thá ng Sáu 2015 Đặc điểm của một hệ thời gian thực Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm không biết trước. Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời. Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra. Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng. HMS Chương 5 7 Thá ng Sáu 2015 Liên quan tới HTđiều khiển? Mỗi hệ thống điều khiển là một hệ thời gian thực Chất lượng điều khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, mà còn phụ thuộc vào khả năng phản ứng của hệ thống, thời điểm đọc tín hiệu đầu vào (tín hiệu đo), vào thời gian tính toán luật điều khiển và thời điểm đưa ra tín hiệu điều khiển Tính năng thời gian thực của một HTĐK phụ thuộc cả vào phần cứng và phần mềm và vào kiến trúc hệ thống Phần cứng: Tốc độ tính toán của vi xử lý, tốc độ chuyển đổi DA/AD, cơ chế vào/ra, chậm trễ trong các thiết bị Phần mềm: Thuật toán điều khiển, phương pháp lập trình, tổ chức thực hiện chương trình Tính năng TGT của một HTĐK liên quan tới tính mạng con người Phần lớn các hệ thời gian thực là các hệ thống điều khiển HMS Chương 5 8 Thá ng Sáu 2015 Hai dạng hệ thống điều khiển thời gian thực tiêu biểu 1. Hệ thống nhúng (Embedded Systems) – Các hệ thống điều khiển chuyên dụng, đặc chủng cho các thiết bị, máy móc đơn lẻ – Máy tính điều khiển là một phần không tách rời của thiết bị được điều khiển – Dựa trên nền vi xử lý, nhân thời gian thực, hệ điều hành thời gian thực – Ví dụ ứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thông, 2. Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control Systems) – Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic Controllers (PLC), Soft-PLCs – Các hệ thống điều khiển phân cấp, phân tán – Ứng dụng trong CN chế biến, CN chế tạo HMS Chương 5 9 Thá ng Sáu 2015 Xử lý thời gian thực là gì? Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó. Luôn liên quan với các sự kiện bên ngoài (tính phản ứng) Yêu cầu cao về hiệu suất phần mềm (tính nhanh nhạy) Đòi hỏi xử lý đồng thời nhiều tác vụ (tính đồng thời) Đòi hỏi cơ sở lý thuyết chặt chẽ phục vụ phân tích và đánh giá (tính tiền định) HMS Chương 5 10 Thá ng Sáu 2015 Tại sao phải nghiên cứu về xử lý thời gian thực? Xử lý thời gian thực là nguyên lý làm việc cơ bản của mỗi bộ điều khiển, nhìn từ quan điểm tin học Chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống điều khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, công nghệ phần cứng, mà còn phụ thuộc một cách tất yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực Chúng ta còn biết quá ít về cơ chế thực hiện các chức năng bên trong một bộ điều khiển (số) [...]... RTOS trong các hệ DCS/SoftPLC Chương 5 HMS Tháng Sáu 2015 25 AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riêng Freelance 2000 (ABB): D-PS hoặc D-FC, hệ điều hành pSOS Symphonie (ABB): Melody, hệ điều hành pSOS DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành TSOS I/A Series (Foxboro): CP60, hệ điều hành VRTX PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành... thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp (PLC, DCS, ) đều hoạt động trên nền một hệ điều hành thời gian thực (RTOS, Real-time Operating System) Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ thời gian thực Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc /và xử lý... 2015 23 CPU TIMER PHẦN CỨNG HĐHTGT trong các giải pháp PLC và DCS Chương 5 HMS Tháng Sáu 2015 24 Quản lý vào/ra, quản lý các ngoại vi Quản lý, xử lý truyền thông Nạp chương trình xuống (download) và lên (upload) Chạy từng (phần) chương trình ứng dụng Hỗ trợ chạy chế độ thử nghiệm, gỡ rối Tạo và quản lý các tác vụ (sự kiện và tuần hoàn) Quản lý bộ nhớ Chẩn đoán lỗi Giao diện người-máy... nhất cho các thiết bị điều khiển công nghiệp có khả năng lập trình (PLC, DCS, Soft PLC, ) Bao gồm nhiều phần: – – – – – – – HMS Tháng Sáu 2015 27 Phần 1 (General Information) Phần 2 (Equipment requirements) Phần 3 (Programming languages) Phần 4 (Guidelines for users) Phần 5 (Communication) Phần 7 (Fuzzy Control) Hầu hết các hệ PLC và DCS hiện đại đều hỗ trợ chuẩn IEC 61131-3 Tiến trình chuẩn hóa... (CONFIGURATION, TASK, RESOURCE), mô hình TASK và RESOURCE thích hợp cho nhiều hệ thống khác nhau Mô hình phần mềm thống nhất, hiện đại, với các khối tổ chức chương trình hợp lý (PROGRAM, FUNCTION BLOCK, FUNCTION) Các ngôn ngữ lập trình thống nhất, phát triển trên cơ sở chuẩn hóa các ngôn ngữ hiện có quen thuộc Các kiểu dữ liệu đa dạng, khả mở Một thư viện các hàm và khối chức năng chuẩn Bước đầu có ý tưởng... B W D L Biến đầu vào (Input) Biến đầu ra (Output) Biến nhớ (Memory) 1 bit, mặc định là BOOL 8 bit, mặc định là BYTE 16 bit, mặc định là WORD 32 bit, mặc định là DWORD 64 bit, mặc định là LWORD Ví dụ: – – – – – – %QX75, %Q75 %IW215 %QB7 %MD48 %IW2.5.7.1 %Q* Bit ra vị trí 75 Từ vào vị trí 215 Byte vào vị trí 7 Từ đúp vào tại vị trí ô nhớ 48 Từ vào kênh 1, slot 7, rack 5, station 2 Đầu vào chưa định vị... trong các hệ điều khiển phân tán Chương 5 Không đồng bộ trong các chu kỳ hoạt động của các Controller thiết bị Tc Đặc tính khác nhau của các hệ bus Thời gian trễ bất định Chù kỳ trích mẫu biến thiên Tbus Tin I/O Tout Bus trường I/O Tio Tad Tsd Sensor HMS Tháng Sáu 2015 18 I/O I/O Sensor Ts Ta Actuator Actuator 5.1.3 Hệ điều hành thời gian thực Chương 5 HMS Tháng Sáu 2015 19 Hệ điều... trọng nhất trong các hệ thống điều khiển (có thể kết hợp với xử lý phân tán) Xử lý cạnh tranh Chương 5 Các vấn đề: – Tổ chức, lập lịch phân chia tài nguyên cho các tác vụ – Giao tiếp giữa các tác vụ – Đồng bộ hóa giữa các tác vụ HMS Tháng Sáu 2015 16 Phương pháp lập lịch Cơ chế lập lịch Chương 5 – Lập lệnh tĩnh: thứ tự thực hiện các tác vụ được xác định trước khi hệ thống đi vào hoạt động – Lập... Fun ction block V ariable FB Các yếu tố cấu hình Cấu hình (CONFIGURATION): Chương 5 – Tương ứng cho cả hệ PLC, có thể gồm nhiều CPU ghép nối – Mỗi PLC tại một thời điểm bất kỳ chỉ có một cấu hình – Bao gồm một hay nhiều tài nguyên Tài nguyên (RESOURCE) – Tương ứng cho một CPU với các vào/ra và HMI (đơn giản) tương ứng – Bao gồm một hoặc nhiều chương trình hoạt động dưới sự điều khiển của một hoặc... Controller, hệ điều hành riêng Centum CS1000/CS3000 (Yokogawa): PFCx-E, AFS10x/AFS20x, hệ điều hành ORKID 4Control (Softing): SoftPLC, hệ điều hành VxWorks 5.2 Lập trình công nghiệp theo chuẩn IEC 61131-3 Chương 5 HMS Tháng Sáu 2015 26 Giới thiệu chung về IEC 61131 Tiến trình chuẩn hóa IEC 61131 Mô hình phần mềm Biến và kiểu dữ liệu Tổ chức chương trình Ngôn ngữ lập trình IEC 61131 là gì? Chương . giao thông, 2. Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control Systems) – Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic Controllers (PLC), Soft-PLCs – Các hệ thống điều khiển phân. HMS Chương 5 18 Thá ng Sáu 2015 Các vấn đề thời gian trong các hệ điều khiển phân tán Sensor I/O Controller I/O Actuator Sensor I/O Actuator I/O Bus trường T sd T in T out T ad T c T s T io T a T bus