HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN PHÂN TÁN Lecture Notes. TS. Hồng Minh Sơn. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, KHOA ĐIỆN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN PHÂN TÁN Lecture Notes (Chưa cập nhật từ 8/2003) TS Hồng Minh Sơn BỘ MƠN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, KHOA ĐIỆN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MỤC LỤC NHẬP MÔN 1.1 Phạm vi đề cập 1.2 Nội dung chương trình 1.3 Yêu cầu kiến thức sở 1.4 Tổng quan giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng lĩnh vực ứng dụng điều khiển 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 2.1 Cấu trúc thành phần 2.2 Mơ hình phân cấp 2.2.1 Cấp chấp hành 2.2.2 Cấp điều khiển 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát 2.3 Cấu trúc điều khiển 2.3.1 Điều khiển tập trung 2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 2.3.3 Điều khiển phân tán 2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 8 10 10 10 11 11 12 12 13 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 3.1 Cấu hình 3.1.1 Trạm điều khiển cục 3.1.2 Bus trường trạm vào/ra từ xa 3.1.3 Trạm vận hành 3.1.4 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển 3.1.5 Bus hệ thống 3.2 Phân loại hệ DCS 3.2.1 Các hệ DCS truyền thống 3.2.2 Các hệ DCS PLC 3.2.3 Các hệ DCS PC 3.3 Các vấn đề kỹ thuật 15 15 15 17 18 19 20 21 21 22 25 26 XỬ LÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬ LÝ PHÂN TÁN 4.1 Một số khái niệm 4.1.1 Hệ thống thời gian thực 4.1.2 Xử lý thời gian thực 4.1.3 Hệ điều hành thời gian thực 4.1.4 Xử lý phân tán 4.2 Các kiến trúc xử lý phân tán 4.3 Cơ chế giao tiếp 4.4 Đồng hóa xử lý phân tán 27 27 27 27 28 29 30 31 32 5 5 6 4.4.1 4.4.2 32 32 Đồng hóa tín hiệu vào/ra Đồng hóa thời gian CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 5.1 Lập trình hướng đối tượng 5.2 Phân tích thiết kế hướng đối tượng 5.2.1 Ngơn ngữ mơ hình hóa thống UML 5.2.2 Mẫu thiết kế 5.2.3 Phần mềm khung 5.3 Phần mềm thành phần 5.4 Đối tượng phân tán 33 33 33 34 35 35 36 37 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN 6.1 Yêu cầu chung 6.2 Các mẫu thiết kế 6.3 Giới thiệu chuẩn CORBA 6.4 Giới thiệu chuẩn COM/DCOM 6.4.1 Giao diện 6.4.2 Đối tượng COM 6.4.3 Giao tiếp client object 6.4.4 Ngôn ngữ mô tả giao diện 6.4.5 Mơ hình đối tượng thành phần phân tán DCOM 38 38 38 39 40 41 41 44 46 46 CÁC MƠ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 7.1 IEC-61131 7.1.1 Mơ hình phần mềm 7.1.2 Mơ hình giao tiếp 7.2 IEC-61499 7.2.1 Mơ hình hệ thống 7.2.2 Mơ hình thiết bị 7.2.3 Mơ hình tài ngun 7.2.4 Mơ hình ứng dụng 7.2.5 Mơ hình khối chức 7.2.6 Mơ hình phân tán 7.2.7 Mơ hình quản lý 7.2.8 Mơ hình trạng thái hoạt động 48 48 48 49 51 51 52 52 53 54 56 56 56 MỘT SỐ CHUẨN GIAO TIẾP CÔNG NGHIỆP 8.1 MMS 8.2 IEC-61131-5 8.2.1 Mơ hình giao tiếp mạng 8.2.2 Dịch vụ giao tiếp 8.2.3 Các khối chức giao tiếp 8.3 OPC 8.3.1 Tổng quan kiến trúc OPC 58 58 60 60 61 62 63 63 © 2005, Hồng Minh Sơn 8.3.2 OPC Custom Interfaces 8.3.3 OPC Automation Interface 8.4 Ngôn ngữ đánh dấu khả mở XML 8.4.1 Giới thiệu chung 8.4.2 Ứng dụng XML phần mềm khung iPC 65 66 67 67 68 MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 9.1 Các phương pháp mô tả đồ họa 9.2 Lưu đồ P&ID 9.2.1 Chuẩn ISA S5.1 9.2.2 Chuẩn ISA S5.3 9.3 Mơ hình hóa hướng đối tượng 70 70 71 71 75 77 10 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 10.1 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 10.1.1 Kiểu liệu 10.1.2 Tổ chức chương trình 10.1.3 Ngơn ngữ FBD 10.1.4 Ngơn ngữ ST 10.1.5 Ngơn ngữ SFC 10.2 Lập trình với ngơn ngữ bậc cao 78 78 79 81 83 84 85 85 11 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 11.1 Giới thiệu chung hệ điều khiển giám sát 11.1.1 Các thành phần chức 11.1.2 Công cụ phần mềm SCADA/HMI 11.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống 11.3 Thiết kế giao diện người-máy 11.3.1 Yêu cầu chung 11.3.2 Các phương pháp giao tiếp người-máy 11.3.3 Thiết kế cấu trúc hình 11.3.4 Các nguyên tắc thiết kế 87 87 88 89 91 92 92 92 92 93 12 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 12.1 Đặt vấn đề 12.2 Cơ chế dự phòng 12.3 Cơ chế an toàn 12.4 Cơ chế khởi động lại sau cố 12.5 Bảo mật 12.6 Bảo trì 94 94 94 95 95 95 95 13 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 13.1 Đánh giá lựa chọn sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 13.1.1 Phạm vi chức 13.1.2 Cấu trúc hệ thống thiết bị thành phần 13.1.3 Tính mở 97 97 97 97 97 © 2005, Hồng Minh Sơn 13.1.4 13.1.5 13.1.6 13.2 So Phát triển hệ thống Độ tin cậy tính sẵn sàng Giá thành, chi phí sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với giải pháp khác 14 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 14.1 PCS7 Siemens 14.2 PlantScape Honeywell 14.3 DeltaV Fisher Rosermount 14.4 Centum CS1000/CS3000 Yokogawa 14.5 AdvantOCS ABB 97 98 98 98 100 100 100 100 100 100 15 MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 101 15.1 Trí tuệ nhân tạo phân tán 101 15.2 Điều khiển giám sát hệ thống giao thông 102 15.2.1 Đặt vấn đề 102 15.2.2 Mơ hình hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thơng cơng nghệ Agent 102 15.3 Điều khiển giám sát hệ thống sản xuất cung cấp điện 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 © 2005, Hồng Minh Sơn NHẬP MÔN 1.1 Phạm vi đề cập Phạm vi đề cập môn Hệ thống ₫iều khiển phân tán hệ thống tự động hố đại có cấu trúc phân tán công nghiệp nhiều lĩnh vực khác Môn học xây dựng sở ứng dụng tiến kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyền thông công nghiệp, công nghệ phần mềm vào hệ thống điều khiển giám sát Mục đích mơn học cho sinh viên làm quen với cấu trúc thiết bị phần cứng thành phần phần mềm hệ thống điều khiển giám sát đại, nắm nguyên tắc phương pháp cho hướng giải toán thường đặt thực tế thiết kế cấu trúc hệ thống, tích hợp hệ thống, đưa vào vận hành chẩn đốn hệ thống Bên cạnh đó, mơn học đưa hướng nghiên cứu lý thuyết ứng dụng mới, tạo sở cho sinh viên muốn tiếp tục học nghiên cứu bậc sau đại học 1.2 Nội dung chương trình Nội dung giảng bao gồm chủ đề sau: • Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát: Mơ hình phân cấp, thành phần chức bản, mô tả hệ thống • Cơ sở tin học: Xử lý phân tán, công nghệ hướng đối tượng, phần mềm thành phần • Các hệ thống điều khiển phân tán truyền thống (DCS): Cấu trúc hệ thống, thành phần hệ thống, phương pháp phát triển hệ thống, giới thiệu số hệ DCS tiêu biểu • Các hệ thống điều khiển phân tán PLC (PLC-based DCS) • Các hệ thống điều khiển phân tán PC (PC-based DCS) • Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu (SCADA): Cấu trúc hệ thống, công cụ phần mềm, thiết kế giao diện người-máy • Các chuẩn giao tiếp cơng nghiệp: MMS, OPC, XML • Các hướng nghiên cứu ứng dụng 1.3 Yêu cầu kiến thức sở Phần lớn nội dung giảng mang tính chất tổng hợp, liên mơn, giành cho sinh viên năm cuối Bên cạnh môn sở chuyên ngành, yêu cầu học viên phải nắm vững kiến thức mơn học sau: • Điều khiển số • Mạng truyền thông công nghiệp • Kỹ thuật lập trình C++ (hướng đối tượng) © 2005, Hồng Minh Sơn 1.4 Tổng quan giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng lĩnh vực ứng dụng điều khiển Khi xây dựng giải pháp điều khiển, ta phải quan tâm tới qui mô đặc thù lĩnh vực ứng dụng Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu giải pháp điều khiển đặc thù tương ứng tóm tắt • Điều khiển thiết bị máy móc đơn lẻ (cơng nghiệp gia dụng): Các máy móc, thiết bị sản xuất hàng loạt, yêu cầu đầu tư cho giải pháp điều khiển phải thật tiết kiệm (chương trình nhỏ, tốn nhớ) Các tốn điều khiển khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển phản hồi, điều khiển chuyển động, điều khiển mờ,… Các giải pháp điều khiển tiêu biểu điều khiển nhúng (μP, μC), CNC, PLC, • Tự động hóa cơng nghiệp, chia hai lĩnh vực: • Cơng nghiệp chế biến, khai thác: Các toán điều khiển tiêu biểu điều khiển trình (process control), điều khiển trình tự (sequence control), bên cạnh điều khiển logic Các thiết bị dùng phổ biến PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controllers • Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp: Các toán điều khiển tiêu biểu điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển kiện rời rạc Các thiết bị dùng chủ yếu PLC, CNC, PC Nay hệ DCS tìm số ứng dụng lĩnh vực • Điều khiển hệ thống giao thông, vận tải: Đặc thù toán điều khiển logic, điều khiển kiện rời rạc Các thiết bị dùng PLC, DCS, PC, μP, μC, • Điều khiển hệ thống phân phối lượng (dầu khí, gas, điện): Kết hợp tốn điều khiển q trình với điều khiển kiện rời rạc, điều khiển logic, sử dụng PLC, DCS, IPC, • Tự động hóa tịa nhà: Rơle, PLC, μp, μC, • Điều khiển giám sát hệ thống quốc phòng: IPC, μP, μC, DSP thiết bị đặc chủng khác • Điều khiển giám sát hệ thống thủy lợi, môi trường: PLC, IPC, • 1.4.2 Các hệ thống điều khiển cơng nghiệp Chương trình học đặt trọng tâm vào giải pháp điều khiển công nghiệp, chia làm hai lĩnh vực ứng dụng bản: • Cơng nghiệp chế biến, khai thác (Process Industry): Dầu khí, hóa dầu, hóa mỹ phẩm, dược phẩm, xi măng, giấy, • Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp (Manufactoring Industry): Công nghiệp ôtô, máy công cụ, công nghiệp điện tử, vi điện tử, thiết bị dân dụng, © 2005, Hồng Minh Sơn TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH (Cơng nghiệp chế biến, khai thác) TỰ ĐỘNG HĨA XÍ NGHIỆP (Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp) Các điều chỉnh cư Các thiết bị khí Thiết bị điều chỉnh PID khí nén (1920-1930) Rõle điện – cơ, (1920) Thiết bị điều chỉnh PID điện tử (1940-1950) Điều khiển số trực tiếp (DDC, 1965-1975) Bộ điều chỉnh số gọn (CDC, 1980) Các mạch logic lập trình cứng (PLD, 1960) Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, 1970) Hệ ĐKPT tích hợp (DCS, 1975) PC công nghiệp (IPC) PC-104, CompactPCI, SBC (PC-based Control) PLC-based DCS PLC mềm (Soft-PLC, 1996) PC-based DCS Hệ điều khiển lai Hệ điều khiển trường (FCS, 2000) Hình 1-1: Lịch sử phát triển giải pháp ₫iều khiển © 2005, Hoàng Minh Sơn CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 2.1 Cấu trúc thành phần Các thành phần hệ thống điều khiển giám sát trình minh họa Hình 2-1 Các cảm biến cấu chấp hành đóng vai trị giao diện thiết bị điều khiển với trình kỹ thuật Trong đó, hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trị giao diện người vận hành máy Các thiết bị ghép nối trực tiếp điểm-điểm, thông qua mạng truyền thông Hệ thống điều khiển giám sát NI Thiết bị điều khiển tự động NI I/O I/O NI NI nối trực tiếp nối qua mạng NI NI Cảm biến chấp hành NI I/O network interface (giao diện mạng) input/output (vào/ra) Quá trình kỹ thuật Hình 2-1: Các thành phần hệ thống ₫iều khiển giám sát Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu chúng đưa tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo chuẩn điện học thơng dụng khác (1 10V, 5V, 20mA, 20mA, v.v ) Trước xử lý máy tính số, tín hiệu đo cần chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra máy tính Bên cạnh đó, ta cần biện pháp cách ly điện học để tránh ảnh hưởng xấu lẫn thiết bị Đó chức module vào/ra (I/O) Tóm lại, hệ thống điều khiển giám sát bao gồm thành phần chức sau đây: • Giao diện trình: Các cảm biến cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu © 2005, Hồng Minh Sơn • Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển điều khiển chuyên dụng, điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) máy tính cá nhân với phần mềm điều khiển tương ứng • Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị phần mềm giao diện người máy, trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát điều khiển cao cấp • Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống • Hệ thống bảo vệ, chế thực chức an tồn 2.2 Mơ hình phân cấp Càng cấp chức mang tính chất địi hỏi yêu cầu cao độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức cấp thực dựa chức cấp dưới, khơng địi hỏi thời gian phản ứng nhanh cấp dưới, ngược lại lượng thông tin cần trao đổi xử lý lại lớn nhiều Thông thường, người ta coi ba cấp thuộc phạm vi hệ thống điều khiển giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp (quản lý công ty điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mơ hình lý tưởng cho cấu trúc chức tổng thể cho công ty sản xuất công nghiệp Tính tốn giá thành, lãi suất thống kê số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản xuất, bảo dưỡng máy móc, tính tốn tối ưu hoá sản xuất Giám sát, vận hành, Điều khiển cao cấp, Lập báo cáo Điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ, an tồn ghi chép tường trình Đo lường, truyền động, chuyển đổi tín hiệu QL cơng ty Điều hành sản xuất Điều khiển giám sát Cấp điều khiển trình Điều khiển Cấp trường Chấp hành Quá trình kỹ thuật Hình 2-2: Mơ hình phân cấp chức hệ thống ₫iều khiển giám sát © 2005, Hoàng Minh Sơn 10 2.2.1 Cấp chấp hành Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Thực tế, đa số thiết bị cảm biến (sensor) hay cấu chấp hành (actuator) có phần điều khiển riêng cho việc thực đo lường/truyền động xác nhanh nhạy Các thiết bị thơng minh1 đảm nhận việc xử lý thơ thông tin, trước đưa lên cấp điều khiển 2.2.2 Cấp điều khiển Nhiệm vụ cấp ₫iều khiển nhận thông tin từ cảm biến, xử lý thơng tin theo thuật tốn định truyền đạt lại kết xuống cấu chấp hành Khi cịn điều khiển thủ cơng, nhiệm vụ người đứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi công cụ đo lường, sử dụng kiến thức kinh nghiệm để thực thao tác cần thiết ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v Trong hệ thống điều khiển tự động đại, việc thực thủ cơng nhiệm vụ thay máy tính 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát Cấp điều khiển giám sát có chức giám sát vận hành trình kỹ thuật Khi đa số chức đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống cấp sở thực hiện, nhiệm vụ cấp điều khiển giám sát hỗ trợ người sử dụng việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành xử lý tình bất thường Ngồi ra, số trường hợp, cấp thực toán điều khiển cao cấp điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự điều khiển theo cơng thức (ví dụ chế biến dược phẩm, hố chất) Khác với cấp dưới, việc thực chức cấp điều khiển giám sát thường khơng địi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt máy tính thơng thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, ) Như ta thấy, phân cấp chức tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, phân cấp chức khác chút so với trình bày đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá cấu trúc hệ thống cụ thể Trong trường hợp ứng dụng đơn giản điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm, ), phân chia nhiều cấp hồn tồn khơng cần thiết Ngược lại, tự động hóa nhà máy lớn đại điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta chia nhỏ cấp chức để tiện theo dõi Một thiết bị gọi thơng minh, có khả xử lý thông tin Thực tế, thiết bị thơng minh phải có vi xử lý riêng © 2005, Hồng Minh Sơn 11 2.3 Cấu trúc điều khiển Biến thể cấu trúc Hình 2-1 tìm thấy giải pháp thực tế khác phân bố chức điều khiển phân bố vị trí máy tính q trình phụ kiện lựa chọn Căn vào đó, ta phân biệt cấu trúc điều khiển tập trung cấu trúc điều khiển phân tán, cấu trúc vào/ra tập trung cấu trúc vào/ra phân tán 2.3.1 Điều khiển tập trung Cấu trúc tiêu biểu hệ điều khiển tập trung (centralized control system) minh họa Hình 2-3 Một máy tính dùng để điều khiển tồn q trình kỹ thuật Máy tính điều khiển (MTĐK) điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân thiết bị điều khiển khả trình Trong điều khiển cơng nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thơng thường đặt phịng điều khiển trung tâm, cách xa trường Các thiết bị cảm biến cấu chấp hành nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển trung tâm qua cổng vào/ra Cách bố trí vào/ra máy tính điều khiển gọi vào/ra tập trung (central I/O) MTĐK Phòng điều khiển trung tâm I/O Hiện trường A S Phân đoạn A A S Phân đoạn n Phân đoạn I/O: input/output S A: actuator S: sensor Hình 2-3: Cấu trúc ₫iều khiển tập trung với vào/ra tập trung Đây cấu trúc điều khiển tiêu biểu năm 1965-1975 Ngày nay, cấu trúc tập trung thường thích hợp cho ứng dụng tự động hóa qui mơ vừa nhỏ, điều khiển loại máy móc thiết bị đơn giản, dễ thực giá thành lần cho máy tính điều khiển Điểm đáng ý tập trung tồn “trí tuệ”, tức chức xử lý thông tin thiết bị điều khiển Tuy nhiên, cấu trúc bộc lộ hạn chế sau: • Cơng việc nối dây phức tạp, giá thành cao • Việc mở rộng hệ thng gp khú khn ã tin cy kộm â 2005, Hoàng Minh Sơn 12 2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể nhược điểm số lượng lớn cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn công thiết kế, lắp đặt Một hạn chế khác phương pháp truyền dẫn tín hiệu thơng thường thiết bị trường thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng nhiễu, gây sai số lớn Vấn đề khắc phục phương pháp dùng bus trường nêu phần trước Hình 2-4 minh họa cấu hình mạng đơn giản Ở module vào/ra đẩy xuống cấp trường gần kề với cảm biến cấu chấp hành, gọi vào/ra phân tán (Distributed I/O) vào/ra từ xa (Remote I/O) Một cách ghép nối khác sử dụng cảm biến cấu chấp hành thông minh (màu xám hình vẽ), có khả nối mạng trực tiếp không cần thông qua module vào/ra Bên cạnh khả xử lý giao thức truyền thông, thiết bị đảm nhiệm số chức xử lý chỗ lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v Trong nhiều trường hợp, thiết bị đảm nhiệm nhiệm vụ điều khiển đơn giản MTĐK Phòng ĐK trung tâm bus trường Hiện trường I/O I/O S A Hình 2-4: S S I/O A S A S A A Cấu trúc ₫iều khiển tập trung với vào/ra phân tán Sử dụng bus trường cấu trúc vào/ra phân tán mang lại ưu điểm sau: • Tiết kiệm dây dẫn cơng dây, nối dây • Giảm kích thước hộp điều khiển • Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng thiết bị có giao diện chuẩn khả ghép nối đơn giản • Thiết kế bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản • Khả chẩn đoán tốt (các thiết bị hỏng phát dễ dàng) • Tăng độ tin cậy tồn hệ thống 2.3.3 Điều khiển phân tán Trong đa số ứng dụng có qui mơ vừa lớn, phân tán tính chất cố hữa hệ thống Một dây chuyền sản xuất thường phân chia thành nhiều phân đoạn, phân bố nhiều vị trí cách xa Để khắc © 2005, Hồng Minh Sơn 13 phục phụ thuộc vào máy tính trung tâm cấu trúc tập trung tăng tính linh hoạt hệ thống, ta điều khiển phân đoạn máy tính cục bộ, Hình 2-5 minh họa MTGS PHỊNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM MTGS bus hệ thống MTĐK A S MTĐK A MTĐK n PHÒNG ĐIỀU KHIỂN CỤC BỘ A S S HIỆN TRƯỜNG Phân đoạn Phân đoạn n Phân đoạn Hình 2-5: Cấu trúc ₫iều khiển phân tán với vào/ra tập trung Các máy tính điều khiển cục thường đặt rải rác phòng điều khiển/phòng điện phân đoạn, phân xưởng, vị trí khơng xa với q trình kỹ thuật Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, để điều khiển trình tổng hợp cần có điều khiển phối hợp máy tính điều khiển Trong phần lớn trường hợp, máy tính điều khiển nối mạng với với nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp dẫn đến hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay gọi hệ ₫iều khiển phân tán (HĐKPT) Ưu cấu trúc điều khiển phân tán không dừng lại độ linh hoạt cao so với cấu trúc tập trung Hiệu độ tin cậy tổng thể hệ thống nâng cao nhờ phân tán chức xuống cấp Việc phân tán chức xử lý thông tin phối hợp điều khiển có giám sát từ trạm vận hành trung tâm mở khả ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn hệ thống lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức ghép nối với cấp điều hành sản xuất 2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán Lưu ý Hình 2-5 minh họa cách ghép nối điểm-điểm máy tính điều khiển với cảm biến cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung Tuy nhiên, ta sử dụng bus trường để thực cấu trúc vào/ra phân tán Hình 2-6 Khi đó, máy tính điều khiển đặt © 2005, Hồng Minh Sơn 14 phòng điều khiển trung tâm phịng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mơ hệ thống khả kéo dài bus trường Giải pháp sử dụng hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán thiết bị trường thơng minh xu hướng xây dựng hệ thống điều khiển giám sát đại Bên cạnh độ tin cậy cao, tính mở độ linh hoạt cao yếu tố kinh tế đóng vai trị quan trọng Việc phân tán chức xử lý thông tin, chức điều khiển theo bề rộng theo chiều sâu tiền đề cho kiến trúc “trí tuệ phân tán” (distributed intelligence) tương lai MTGS MTGS bus hệ thống PHÒNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM MTĐK bus trường MTĐK bus trường I/O S PHÒNG ĐIỀU KHIỂN CỤC BỘ bus trường I/O I/O A Phân đoạn Hình 2-6: MTĐK n S A S A HIỆN TRƯỜNG Phân đoạn n Phân đoạn Cấu trúc ₫iều khiển phân tán với vào/ra phân tán © 2005, Hồng Minh Sơn 15 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 3.1 Cấu hình Cấu hình hệ điều khiển phân tán minh họa Hình 3-1, bao gồm thành phần sau: • Các trạm điều khiển cục (local control station, LCS), đơi cịn gọi khối điều khiển cục (local control unit, LCU) trạm trình (process station, PS) • Các trạm vận hành (operator station, OS) • Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) công cụ phát triển • Hệ thống truyền thơng (field bus, system bus) Máy PCtính phịng thí Factory LAN Operator Station Operator Station Engineering Station System bus Local Control Station Local Control Station Remote I/O Station PROCESS Hình 3-1: Cấu hình hệ ₫iều khiển phân tán Đây cấu hình tối thiểu, cấu hình cụ thể chứa thành phần khác trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), điều khiển chuyên dụng, 3.1.1 Trạm điều khiển cục Thông thường, trạm điều khiển cục xây dựng theo cấu trúc module Các thành phần bao gồm: • Bộ cung cấp nguồn, thơng thường có dự phịng • Khối xử lý trung tâm (CPU), lựa chọn loại có dự phũng â 2005, Hong Minh Sn 16 ã Giao din với bus hệ thống, thơng thường có dự phịng • Giao diện với bus trường sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán • Các module vào/ra số tương tự, đặc biệt module vào/ra an toàn cháy nổ Trong cấu trúc vào/ra tập trung, module vào/ra nối với CPU thông qua bus nội đằng sau giá đỡ (backplane-bus) Chính vậy, module phải nhà sản xuất cung cấp kèm theo CPU Trong hệ thống điều khiển trình, trạm điều khiển cục thường cài đặt giao diện HART module ghép nối phụ kiện khác Các thiết bị lắp đặt tủ điều khiển với linh kiện hỗ trợ khác hàng kẹp đấu dây, chuyển đổi tín hiệu (transducers), khối đầu cuối (terminal blocka), Các tủ điều khiển thường đặt phòng điều khiển/phòng điện bên cạnh phòng điều khiển trung tâm rải rác gần khu vực trường Các chức trạm điều khiển cục đảm nhiệm bao gồm: • Điều khiển q trình (process control): Điều khiển mạch vịng kín (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc, ) Hầu hết mạch vòng đơn điều khiển sở luật PID, giải toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiển tầng Các hệ thống đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mô hình (model-based control), điều khiển thích nghi, • Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control) • Điều khiển logic • Thực cơng thức (recipe control) • Đặt tín hiệu đầu trạng thái an tồn trường hợp có cố hệ thống • Lưu trữ tạm thời tín hiệu q trình trường hợp liên lạc với trạm vận hành • Nhận biết trường hợp vượt ngưỡng giá trị tạo thơng báo báo động Chính thành phần quan trọng hệ thống, đại đa số trạm điều khiển cục có tính kiểm tra sửa lỗi (error checking and correcting, ECC), cho phép lựa chọn cấu hình dự phịng Một điều quan trọng trạm điều khiển cục phải có khả đảm bảo tiếp tục thực chức nói trường hợp trạm vận hành đường truyền bus hệ thống có cố Các máy tính điều khiển máy tính đặc chủng nhà cung cấp (vendor-specific controller), PLC máy tính cá nhân cơng nghiệp Dựa sở phân loại hệ thống điều khiển phân tán có mặt thị trường thành hệ hệ truyền thống (sau gọi DCS truyền thống), hệ PLC (PLC-based DCS) hệ PC (PC-based DCS) © 2005, Hoàng Minh Sơn 17 Bất kể chủng loại thiết bị sử dụng, yêu cầu quan trọng mặt kỹ thuật đặt cho trạm điều khiển cục là: • Tính thời thực • Độ tin cậy tính sẵn sàng • Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt thuật tốn cao cấp • Khả điều khiển lai (liên tục, trình tự logic) 3.1.2 Bus trường trạm vào/ra từ xa Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, trạm điều khiển cục bổ sung module giao diện bus để nối với trạm vào/ra từ xa (remote I/O station) số thiết bị trường thông minh Các yêu cầu chung đặt với bus trường tính thời gian thực, mức độ đơn giản giá thành thấp Bên cạnh đó, mơi trường dễ cháy nổ yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác chuẩn truyền dẫn, tính điện học linh kiện mạng, cáp truyền, Các loại bus trường hỗ trợ mạnh Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet AS-I Trong mơi trường địi hỏi an tồn cháy nổ Profibus-PA Foundation Fieldbus H1 hai hệ sử dụng phổ biến Một trạm vào/ra từ xa thực chất có cấu trúc khơng khác so với trạm điều khiển cục bộ, thiếu khối xử lý trung tâm cho chức điều khiển Thông thường, trạm vào/ra từ xa đặt gần với trình kỹ thuật, tiết kiệm nhiều cáp truyền đơn giản hóa cấu trúc hệ thống Trạm vào/ra từ xa đặt vị trí với trạm điều khiển cục bộ, nhiên không lợi dụng ưu điểm cấu trúc Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng trạm vào/ra từ xa nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại bus trường qui định Tuy nhiên, để khai thác tối đa khả cơng cụ phần mềm tích hợp đảm bảo tương thích hồn tồn thành phần hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm hãng giải pháp an toàn Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với trình kỹ thuật thơng qua module vào/ra, ta sử dụng cảm biến cấu chấp hành có giao diện bus trường Qua đơn giản hóa cấu trúc hệ thống nữa, tiết kiệm tiết kiệm chỗ tủ điều khiển nâng cao tính thời gian thực hệ thống tận dụng khả xử lý thông tin thiết bị trường Trên Hình 3-4 hình ảnh số tủ điều khiển DCS Hình bên trái trạm PCS7 (Siemens) với điều khiển lắp đặt module vào/ra phân tán Hình minh họa trạm vào/ra từ xa lắp độc lập Tủ điều khiển bên phải minh họa trạm điều khiển cục DeltaV (Fisher-Rosermount) sử dụng giải pháp Foundation Fieldbus (không cần module vào/ra) © 2005, Hồng Minh Sơn 18 Hình 3-2: 3.1.3 Mộ số hình ảnh tủ ₫iều khiển DCS Trạm vận hành Trạm vận hành trạm kỹ thuật đặt phòng điều khiển trung tâm Các trạm vận hành hoạt động song song, độc lập với Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường xếp trạm vận hành tương ứng với phân đoạn phân xưởng Tuy nhiên, phần mềm chạy tất trạm hồn tồn giống nhau, trường hợp cần thiết trạm thay chức trạm khác Các chức tiêu biểu trạm vận hành gồm có: • Hiển thị hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh mạch vịng, hình ảnh điều khiển trình tự, đồ thị thời gian thực đồ thị q khứ) • Hiển thị hình ảnh đồ họa tự (lưu đồ cơng nghệ, phím điều khiển) • Hỗ trợ vận hành hệ thống qua công cụ thao tác tiêu biểu, hệ thống hướng dẫn đạo hướng dẫn trợ giúp • Tạo quản lý công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ) • Xử lý kiện, cố • Xử lý, lưu trữ quản lý liệu • Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành bảo trì hệ thống • Hỗ trợ lập báo cáo tự động Khác với trạm điều khiển, hầu hết hệ DCS đại sử dụng sản phẩm thương mại thơng dụng máy tính cá nhân (cơng nghiệp) chạy WindowsNT/2000, máy tính trạm chạy UNIX Cùng với hình màu lớn (thường 19inch) với độ phân giải cao để theo dõi trình sản xuất, trạm vận hành đại có © 2005, Hoàng Minh Sơn 19 thiết bị thao tác chuẩn bàn phím chuột Một trạm vận hành bố trí theo kiểu người sử dụng (một nhiều hình), nhiều người sử dụng với với nhiều Terminals (Hình 3-3) Các phần mềm trạm vận hành kèm đồng với hệ thống, song thường hỗ trợ chuẩn phần mềm chuẩn giao tiếp công nghiệp TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding), ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control) Operator Terminals Engineering Station Operator Station Terminals bus System bus Controller Hình 3-3: Các phương pháp bố trí trạm vận hành Đặc điểm tiêu biểu trạm vận hành đại sử dụng kỹ thuật giao diện người-máy kiểu đa cửa sổ với phần tử giao diện chuẩn Tuy nhiên, việc thiết kế hình giao diện cơng nghiệp khác với giao diện ứng dụng văn phòng, đòi hỏi kiến thức tổng hợp q trình cơng nghệ, mỹ thuật công nghiệp, tâm lý học công nghiệp công nghệ phần mềm Vấn đề đề cập chi tiết sau 3.1.4 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển Trạm kỹ thuật nơi cài đặt cơng cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo theo dõi chương trình ứng dụng điều khiển giao diện người máy, đặt cấu hình tham số hóa thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết thực theo phương pháp khai báo, đặt tham số ghép nối khối chức có sẵn thư viện Cũng trạm vận hành, thiết bị sử dụng thơng thường máy tính cá nhân (cơng nghiệp) chạy Windows95/98/NT/2000 UNIX Một số đặc tính tiêu biểu cơng cụ phát triển trạm kỹ thuật là: • Các cơng cụ phát triển tích hợp sẵn hệ thống • Cơng việc phát triển (Engineering) khơng u cầu có phần cứng DCS chỗ © 2005, Hồng Minh Sơn