Research and development for redundancy control system

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 BÁCH 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 HCM ngày 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………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc 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 cấu trúc dự phịng 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 cấu trúc redundancy hệ thống điều khiển Thiết lập cấu hình Hot/Standby cho hệ thống điều khiển Xây dựng giải pháp Redundancy cho cấp 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 HCM, ngày tháng 12 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA….……… i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gởi đến Thầy TS Trương Đình Châu lời cảm ơn chân thành sâu sắc 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 q trình thực đề tài Đồng thời, xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa nói chung khoa Điện – Điện Tử nói riêng dạy dỗ tơi suốt thời gian qua Những lời giảng Thầy Cô trang bị cho tơi 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 chất lượng, ổn định hệ thống 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 cấp tính nâng cao hiệu suất sản xuất Vì vậy, nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống 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 vấn đề sau: + Tìm hiểu khái niệm dự phịng (Redundancy) cấp điều khiển Tìm hiểu chế, cấu trúc, nguyên lý dự phòng cấp điều khiển + Xây dựng cấu trúc dự phòng Hot/Standby cho cấp điều khiển + Xây dựng cấu trúc đồng liệu nhằm giảm thời gian lập trình người thiết kế + Xây dựng dãy thuật kết nối WINCC với hệ thống redundancy iii LỜI CAM ĐOAN Tơi 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 cơng bố hình thức trước Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại học Bách Khoa TP HCM không liên quan đến vi phạm (nếu có) tác quyền, quyền tơi gây q 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 cấp điều khiển 2.2.1 Hệ thống phần cứng có cấu trúc sau: 2.2.2 Cấu 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 57 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 công nghiệp Hình 1.3 Điều khiển van lưu lượng Hình 2.1 Bộ điều khiển S7-1200 Hình 2.2 Cấu trúc Client – Server sử dụng PUT/GET Hình 2.3 Cấu 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 phịng phần mềm 14 Hình 2.8 Cấu 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 thông Primary PLC bị lỗi 19 Hình 2.12 Ethernet cable Primary PLC bị lỗi 20 Hình 2.13 Giải thuật Heart beat 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 Cấu 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 IP cho CPU Master 44 Hình 3.4 Cấu hình địa IP cho CPU Standby 44 Hình 3.5 Cấu hình địa IP 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 Cấu 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 cấu hình Scada cho hệ thống 52 Hình 3.16 Chương trình đồng với HMI PLC 53 Hình 3.17 Cấu hình địa IP cho Máy chủ/HMI 53 Hình 3.18 Tạo connection tới PLC 54 Hình 3.19 Cấu 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 48 Hình 3.9 Cấu hình cho khối SwOver - Ngõ vào, khối SwOver: o StatusDevice: trạng thái CPU device lấy từ ngõ Funtion Hearbit o StatusRedunPLC: trạng thái CPU Standby lấy 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 Hình 3.10 Cấu hình cho khối Update  Chương trình ứng dụng soạn thảo Funtion User_Program đặt OB1: Hình 3.11 Chương trình User_Program GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 50  Funtion User_Program: viết chương trình chuẩn thơng thường Trong trường hợp cần đồng Timer, Counter sử dụng Timer, Counter đặt thư viện hỗ trợ: Ví dụ: Kiểm tra đồng liệu PLC Master Standby PLC Tạo chương trình User_Program: Điều khiển luân phiên đèn LED ngõ PLC Sử dụng Timer hỗ trợ đồng liệu Chương trình PLC viết bình thường, khác không sử dụng Timer chuẩn nhà sản xuất mà sử dụng Timer hỗ trợ Redundancy Hình 3.12 Gọi Timer từ thư viện Timer gọi từ thư viện Redundancy tạo block data Để thời gian timer đồng cần thực bước sau: Trong OB123 Redundancy tạo khối RedundancyFB có ngõ vào DBTimer, DBcounter cần đồng liệu: GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 51 Hình 3.13 Ngõ vào khối redundancy  Ngõ vào RedundancyFB vùng DB TON Timer T1: Hình 3.14 Đồng timer * Làm tương tự bước cho Stanby PLC GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 52 3.4 Cấu hình HMI HMI SCADA cần kết nối với hệ thống điều khiển dự phịng để đọc thơng tin từ CPU thơng tin cần thiết lúc Để cấu hình cho HMI cần sử dụng funtion thư viện viết trước khối chức master standby  Yêu cầu: Hệ thống scada phải sử dụng Wincc advanced/ Comport  Tạo máy trạm/HMI cách kéo thả từ danh mục phần cứng Trong ví dụ ta chọn PC station Không kết nối với PLC địa tương đối: Hình 3.15 Chọn cấu hình Scada cho hệ thống GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 53  Mở thư viện MASTER HMI Redundancy blocks, kéo funtion MST_HMI_sync vào khối OB1 chương trình Hình 3.16 Chương trình đồng với HMI PLC Làm tương tự với Standby PLC  Chọn CPU master Standby/ compile Nếu khơng có lỗi xảy lưu lại dự án dowload chương trình xuống thiết bị  Cấu hình địa IP PROFINET interface[X1]: 192.168.0.11, chọn đỉa khác phải mạng với CPU Master Standby Hình 3.17 Cấu hình địa IP cho Máy chủ/HMI GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 54  Mở mục Connections PC thêm vào connection: o MASTER_CONN o STANDBY_CONN o dummyConnection 192.168.0.1 192.168.0.2 192.168.0.99 Địa dummConnection địa tồn thực mạng, chọn khác dummyConnection có vai trị kết nối trung gian chuyển đổi liên kết MASTER_CONN STANDBY_CONN Hình 3.18 Tạo connection tới PLC  Trong project Scada/HMI, chọn Scheduled tasks tạo task có tên check_connection Thiết lập thơng số chu kỳ quét 1phút Trong tab Events tạo Funtion hình bên dưới: GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 55 Hình 3.19 Cấu hình kiện Scheduled tasks * Đến ta cấu hình đồng liệu cho hệ thống redundancy PLC HMI  Để tạo tag HMI có chức chuyển đổi kết nối tới CPU ta làm sau: Trong chương trình User_Program ta có đồng counter PLC Master Standby Trên Scada/HMI muốn theo dõi giá trị Counter ta tạo tag tag kết nối với connection tạo trên: hệ thống làm việc tag liên kết với dummyconnection chuyển đổi liên kết tag liên kết với MASTER_CONN STANDBY_CONN để lấy liệu từ PLC thực hiên chương trình User_program GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 56 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 Hình 3.21 Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động 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 vấn đề hệ thống redundancy tốn kiểm tra điều kiện switch over toán đồng liệu  Phương pháp cấu 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 phịng 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 nhiều - Về tính ổn định: Hệ thống hoạt động tương đối ổn định đạt kết tốt nhiên vấn đề phụ thuộc nhiều truyền thông làm ảnh hưởng đến độ ổn định, xác hệ thống redundancy Như trình bày phần trước, theo cấu 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 q 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 thông 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 được…vv 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 giải pháp I/O device redundancy phần mềm - Tính Time Critical: Là tiêu chuẩn để đánh giá chất 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 xuất, tính Time Critical đạt tốt cấp rendundant controller, thời gian switch over khoảng 100ms, với thời gian giải pháp redundancy cấp 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