Nghiên cứu và phát triển giải thuật cho hệ thống điều khiển dự phòng

Tìm hiểu, nghiên cứu cẩu trúc dự phòng bằng phần mềm, từ đó xây dựng thư viện điều khiển dự phòng hướng đối tượng. Bao gồm các nội cụng cụ thể như sau : Nghiên cứu tổng quát và xây dựng giải pháp các cơ chế và cẩu trúc redundancy trong hệ thống điều khiển. Thiết lập cẩu hình Hot/Standby cho hệ thống điều khiển. Xây dựng giải pháp Redundancy cho cẩp điều khiển. Đồng bộ Datablock trong đồng bộ dữ liệu theo hướng đối tượng. Xây dựng chương trình và kiểm nghiệm thực tế hệ thống.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM TẤN PHÁT NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DỰ PHÒNG Research and development for redundancy control systems Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khóa học: TS Trương Đình Châu Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Đức Thành Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Trọng Tài Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 11 tháng 01 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Vĩnh Hảo TS Trần Ngọc Huy TS Nguyễn Đức Thành TS Nguyễn Trọng Tài PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM TẤN PHÁT MSHV:1570370 Ngày, tháng, năm sinh: 27-07-1992 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số : 60520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu phát triển giải thuật cho hệ thống điều khiển dự phòng II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu, nghiên cứu cẩu trúc dự phòng phần mềm, từ xây dựng thư viện điều khiển dự phòng hướng đối tượng Bao gồm nội cụng cụ thể sau : Nghiên cứu tổng quát xây dựng giải pháp chế cẩu trúc redundancy hệ thống điều khiển Thiết lập cẩu hình Hot/Standby cho hệ thống điều khiển Xây dựng giải pháp Redundancy cho cẩp điều khiển Đồng Datablock đồng liệu theo hướng đối tượng Xây dựng chương trình kiểm nghiệm thực tế hệ thống III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 26-02-2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07-12-2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Trương Đình Châu Tp tìCM, ngày _ tháng 12 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tơi xin gởi đến Thầy TS Trương Đình Châu lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhẩt Nhờ hướng dẫn bảo tận tình Thầy suốt thời gian qua thực đề cương đề tài tiếp tục hoàn thành luận văn Thạc Sĩ Những lời nhận xét, góp ý hướng dẫn tận tình Thầy giúp tơi có định hướng đắn suốt trình thực đề tài Đồng thời, xin chân thành cảm ơn Thầy Cơ Trường Đại học Bách Khoa nói chung khoa Điện - Điện Tử nói riêng dạy dỗ suốt thời gian qua Những lời giảng Thầy Cô trang bị cho thêm kiến thức, giúp tơi tích lũy thêm ý tưởng hay bổ ích Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em suốt trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 12 năm 2018 Thân Học viên PHẠM TẤN PHÁT ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Để đáp ứng nhu cầu điều khiển ngày cao chẩt lượng, ổn định hệ thống rẩt quan trọng Hệ thống giám sát, điều khiển thu thập liệu sử dụng rộng rãi nhà máy, xí nghiệp tồn giới Kiểm sốt, giám sát điều khiển cải tiến, cung cẩp tính nâng cao hiệu suẩt sản xuẩt Vì vậy, nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống rẩt cần thiết nhằm đem lại hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, hoạt động ổn định, giảm thiểu thời gian chờ sửa chữa thiết bị hư hỏng Do luận văn tìm hiểu giải vẩn đề sau: + Tìm hiểu khái niệm dự phòng (Redundancy) cẩp điều khiển Tìm hiểu chế, cẩu trúc, nguyên lý dự phòng cẩp điều khiển + Xây dựng cẩu trúc dự phòng Hot/Standby cho cẩp điều khiển + Xây dựng cẩu trúc đồng liệu nhằm giảm thời gian lập trình người thiết kế + Xây dựng dãy thuật kết nối WINCC với hệ thống redundancy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Trương Đình Châu Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố bẩt kỳ hình thức trước Nếu phát có bẩt kỳ gian lận tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại học Bách Khoa TP HCM khơng liên quan đến vi phạm (nếu có) tác quyền, quyền gây trình thực TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 12 năm 2018 Tác giả PHẠM TẤN PHÁT iv MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Tổng quan hệ thống 1.1.2 Khái quát giải pháp dự phòng hệ thống điều khiển 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Tổng quan phương pháp xây dựng thư viện dự phòng phần mềm CHƯƠNG TỔ CHỨC VÀ XÂY DỰNG THUẬT TỐN Dự PHỊNG 2.1 Các thành phần liên quan 2.1.1 Bộ điều khiển S7-1200 2.1.2 S7 Communication protocol 2.2 Xây dựng giải thuật dự phòng cẩp điều khiển 2.2.1 Hệ thống phần cứng có cẩu trúc sau: 2.2.2 Cẩu trúc phần mềm 11 2.3 Kiểm tra trạng thái hoạt động PLC Primary 14 2.4 Đồng liệu Primary Standby PLC 24 2.4.1 Dãy thuật update liệu 24 2.4.2 Đồng Timer 26 2.4.3 Đồng Counter 28 2.4.4 Đồng liệu 30 2.5 Cấu hình HMI 36 CHƯƠNG ÁP DỤNG THƯ VIỆN REDUNDACY VÀO THIẾT KẾ Dự ÁN 42 3.1 Cấu trúc chương trình Master Standby CPU 42 3.2 Mơ hình kiểm tra thực tế 42 3.3 Các bước cấu hình đồng liệu PLC 42 3.4 Cấu hình HMI 52 V CHƯƠNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ ĐỀ TÀI 57 4.1 Kết đạt 4.2 Hướng phát triển đề tài 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 62 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơng đoạn vận chuyển sản phẩm Hình 1.2 Trạm bơm cơng nghiệp Hình 1.3 Điều khiển van lưu lượng Hình 2.1 Bộ điều khiển S7-1200 Hình 2.2 Cẩu trúc Client - Server sử dụng PUT/GET Hình 2.3 Cẩu trúc phần cứng hệ thống redundancy 10 Hình 2.4 Hoạt động hệ thống Primary PLC bình thường 12 Hình 2.5 Hoạt động hệ thống Primary PLC bị lỗi 13 Hình 2.6 Hoạt động hệ thống Primary PLC phục hồi 13 Hình 2.7 Ngun lý dự phòng phần mềm 14 Hình 2.8 Cẩu trúc hệ thống PLC redundancy 15 Hình 2.9 Giải thuật heartbeat 16 Hình 2.10 CPU Primary PLC bị lỗi không hoạt động 18 Hình 2.11 Module truyền thơng Primary PLC bị lỗi 19 Hình 2.12 Ethernet cable Primary PLC bị lỗi 20 Hình 2.13 Giải thuật Heartbeat 21 Hình 2.14 Giải thuật Switch over cho CPU Standby 22 Hình 2.15 Giải thuật Switch over cho CPU Master 23 Hình 2.16 Cẩu trúc đồng liệu 24 Hình 2.17 Dãy thuật Update liệu 25 Hình 2.18 Timer-ON Redundancy 26 Hình 2.19 Giải thuật đồng Timer ON 27 Hình 2.20 Datablock Counter 29 Hình 2.21 Hoạt động hệ thống redundancy 30 Hình 2.22 Vùng liệu đồng Timer cho hệ thống Redundancy 31 Hình 2.23 Khối Funtion đồng Datablock 32 Hình 2.24 Sơ đồ kết nối HMI với hệ thống redundancy 36 Hình 2.25 Dãy thuật kiểm tra kết nối HMI với hệ thống redundancy 37 Hình 2.26 Dãy thuật Switch Over HMI với hệ thống redundancy 38 Hình 3.1 Mơ hình kiểm tra hoạt động hệ thống redundancy 42 Hình 3.2 Chọn thiết bị cho hệ thống redundancy 43 Hình 3.3 Cấu hình địa chỉIP cho CPU Master 44 Hình 3.4 Cấu hình địa chỉIP cho CPU Standby 44 Hình 3.5 Cấu hình địa chỉIP cho CPU Device 45 Hình 3.6 Tạo OB riêng cấu hình redundancy cho hệ thống 45 Hình 3.7 Các biến chức khối Heartbit 46 Hình 3.8 Cấu hình thơng số cho khối Heartbit 47 Hình 3.9 Cấu hình cho khối SwOver 48 vii Hình 3.10 Cẩu hình cho khối Update .49 Hình 3.11 Chương trình User_Program .49 Hình 3.12 Gọi Timer từ thư viện .50 Hình 3.13 Ngõ vào khối redundancy 51 Hình 3.14 Đồng timer 51 Hình 3.15 Chọn cẩu hình Scada cho hệ thống 52 Hình 3.16 Chương trình đồng với HMI PLC 53 Hình 3.17 Cẩu hình địa IP cho Máy chủ/HMI 53 Hình 3.18 Tạo connection tới PLC 54 Hình 3.19 Cẩu hình kiện Scheduled tasks 55 Hình 3.20 Tag chương trình Scada/HMI 56 Hình 3.21 Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động 56 45 II ẵProperties |%lnfo ijI jy Diagnostics General IO tags System constants Texts - mams Time synchronization IP protocol Operating mode ► Advanced options @ Set IP address in the project Web server access Hardware identifier IPaddress: ► DI6/DQ4 Subnet mask ► AI2 I 192 168 255 255 ° Q Use router ► CB 1241 (RS485) ► High speed counters (HSC) IP address is set directly at the device ► Pulse generators (PTO/PWM) Startup Cycle PRO FI NET Communication load System and clock memory ► Web server Multilingual support Time of day Ầ (H PROFINET device name is set directly at the device Ị5ỊỊ Generate PROFINETdevice name automatically PROFINETdevice name: device Converted name: device Hình 3.5 Cấu hình địa IP cho CPU Device • Trên chương trình CPU Master tạo Organization block để cẩu hình Redundancy cho chương trình: block bao gồm hàm chức thực việc kiểm tra trạng thái CPU kết nối thực đồng liệu với CPU lại hệ thống Redundancy Hình 3.6 Tạo OB riêng cấu hình redundancy cho hệ thống GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 46 • Funtion Heartbit có nhiệm vụ tạo xung nhịp PLC hoạt động bình thường, đồng thời gửi xung đến PLC dự phòng Funtion Heartbit có nhiệm vụ kiểm tra trạng thái làm việc PLC dự phòng PLC device .-dunancy ► Master [CPU 1211C AƠDỪRIyl a Program blocks a Redunancy > Hearbeat_DB |DB110] — Device* A • A/ray_08[0B128] Keep actual values 4g Snapshot Name Hearbeat DB Data type Offset Start value • BkxkJ _D6_1 [0620] ■ DâtâRedun [DB23] • P1D_DB [06129] «1 52 Redunancy ^ Hearbeat (F81] ô RedunancyfB [FB2] â H -ol k-a -Í«J Block title: 'Main Program Sweep (Cycle)* A Comment Redunancy [OB123] *■ ẢrrayHS [FB6] «- Block_1 [FB4] *3 Network 1: Comment SwOver [FB3] KDB110 *Heerbeat_DB* *■ Update [FB112] M Block_1_DB (DB14) Data_block_1 [DB4] Hearbeat_DB [DB110] RedunancyfB_DB [OBI I redunDB [DBIOO] m SwOver_DB (OB111] • Updete.DB ỊDB113] (3) ► 5ài Group_1 ► & System blocks ► Technology objects ► External source files Hình 3.8 Cẩu hình thơng số cho khối Heartbit - Các biến (1), (2), (3) lẩy từ Datablock khối SwOver • Hàm Funtion SwOver: Dựa trạng thái PLC dự phòng PLC device để định có thực chương trình User_program, thơng báo trạng thái làm việc cho PLC dự phòng, PLC device hay khơng GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 48 Hình 3.9 Cấu hình cho khối SwOver Ngõ vào, khối SwOver: o StatusDevice: trạng thái CPU device lẩy từ ngõ Funtion Hearbit o StatusRedunPLC: trạng thái CPU Standby lẩy từ ngõ Funtion Datablock Hearbit o RunRedun: Thực chương trình User_program người dùng o TransHeart: Cho phép truyền Heartbit sang CPU master CPU standby • Funtion Update_DB: Thực cập nhật liệu cho PLC phát master Primay bị lỗi GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 49 .I/DƠRIy] ► Program blocks ► Redunancy ► Redunancy [OB123] Devices !■=»KÌỈ K* £ a sjgss 4i± isiỊSỊỊgỊ e° Co _ %QB1 %DB129.DBD0 Hình 3.20 Tag chương trình Scada/HMI • Chương trình điều khiển tốc độ động hệ thống redundancy: Ta viết chương trình điều khiển động sử dụng PID giao tiếp với biến tần truyền thông modbus RS485 bình thường cho PLC Master, PLC Standby Các liệu đồng PLC PLC với HMI trình bày GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 57 CHƯƠNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT Được TỪ ĐỀ TÀI 4.1 Kết đạt Xây dựng thư viện Redundancy hướng đối tượng kết đạt sau: • Giải số vẩn đề hệ thống redundancy tốn kiểm tra điều kiện switch over toán đồng liệu • Phương pháp cẩu trúc chương trình, phát triển giải thuật phát điều kiện Switch over đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định chuyển mạch nhanh có cố, đồng liệu dạng datablock hướng đến xây dựng hệt thống điều khiển dự phòng phần mềm phát triển mở rộng người dùng sử dụng hàm chương trình để viết ứng dụng cách dễ dàng mà không cần quan tâm đến giải thuật đồng bên nhờ làm giảm thời gian lập trình người thiết kế rẩt nhiều Về tính ổn định: Hệ thống hoạt động tương đối ổn định đạt kết tốt nhiên vẩn đề phụ thuộc nhiều truyền thông làm ảnh hưởng đến độ ổn định, xác hệ thống redundancy Như trình bày phần trước, theo cẩu trúc hệ thống luận văn, module Ethernet vừa thực nhiệm vụ đồng liệu đồng thời làm nhiệm vụ trao đổi liệu điều khiển thiết bị khác dẫn đến tình trạng tải đường truyền [high traffic] Trong vài trường hợp giải sử việc mạng lỗi thường xuyên xảy [rút cắm cáp mạng nhiều lần thời gian ngắn] dẫn đến mạng bị tắt nghẽn điều khiển gián đoạn thời gian Mặt khác việc truyền thực nhiều lệnh truyền thông cần phải xếp cách hợp lý đảm bảo truyền thơng module truyền thơng bị giới hạn số chức như: số giao dịch [transaction] thực thời gian đệm module truyền thơng có hạn nên khơng thể lúc truyền khối lượng liệu lớn w Chính điều làm cho người lập trình GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 58 phải có giải thuật phức tạp để trao đổi liệu điều làm giảm khả ứng dụng hệ thống Điều nhược điểm lớn nhẩt giải pháp I/O device redundancy phần mềm Tính Time Critical: Là tiêu chuẩn để đánh giá chẩt lượng giải pháp redundancy thời gian Standby PLC đảm nhận nhiệm vụ điều khiển sau Primary PLC gặp cố Đối với giải pháp phần cứng nhà sản xuẩt, tính Time Critical đạt rẩt tốt cap rendundant controller, thời gian switch over khoảng 100ms, với thời gian giải pháp redundancy cẩp điều khiển gọi Hot Standby hay gọi Hot redundancy Đối với giải pháp controller redundancy đưa luận văn, thời gian switch over hay xem Time Critical theo tính tốn sau: TSwitchover