Tổ chức, lập trình và đánh giá tính (redundancy trong hệ thống điều khiển đa cấp)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _o0o _ PHẠM PHÚ THỌ ĐỀ TÀI TỔ CHỨC, LẬP TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH REDUNDANCY TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA CẤP CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA LUẬN VĂN THẠC SỸ Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Tiến Sĩ Trương Đình Châu (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sỹ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ….tháng …… năm 20… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM PHÚ THỌ Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 04-01-1980 Nơi sinh: BẾN TRE Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HĨA Khố (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: TỔ CHỨC, LẬP TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH REDUNDANCY TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA CẤP 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Tìm hiểu chế, cấu trúc nguyên lý dự phòng hệ thống điều khiển tự động Xây dựng sử dụng công nghệ truyền thông công nghiệp: mạng MPI, Profibus, Ethernet • Xây dựng chế, cấu trúc liên kết mạng giải thuật lập trình phần mềm để dự phịng cho: I/O Device I/O Server • Tìm hiểu cơng nghệ, giải pháp cho điều khiển/giám sát hầm giao thông, mơ hình hố hầm giao thơng nhân tạo Đánh giá tính dự phịng mơ hình 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22-06-2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-11-2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ Trương Đình Châu Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN oOo -Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện hết lòng động viên tinh thần lẫn vật chất thành viên gia đình suốt thời gian qua Đồng thời cảm ơn thầy Trương Đình Châu gợi mỡ, quan tâm tạo thuận lợi cho thân học viên suốt thời gian thực đề tài tốt nghiệp Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến: - Thầy Trần Văn Hải, Hiệu Trưởng trường, nơi học viên công tác tạo điều kiện thời gian, hỗ trợ học phí điều kiện thuận lợi khác đễ học viên hoàn thành chương trình cao học Ngồi ra, học viên xin gởi lời cảm ơn đến tất thầy trực tiếp giảng dạy suốt khố học, đồng nghiệp chia khó khăn, người bạn quan tâm, động viên giữ mối liên lạc tốt trình học tập rèn luyện vừa qua TÓM TẮT oOo Luận văn đề cập q trình xây dựng kiểm chứng tính dự phịng cho I/O Device I/O Server Các hãng sản xuất thiết bị tự động hoá đưa giải pháp dự phòng phần cứng dự phòng phần mềm, đồng thời đưa cấu hình liên kết mạng gói phần mềm kèm Học viên xây dựng cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Device dựa công nghệ truyền thông công nghiệp hãng Siemens MPI, Profibus, Ethernet Thiết lập giải thuật lập trình phần mềm, chế xác định lỗi, chế đồng hoá liệu chế dự phịng cho CPU Xây dựng cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Server qua mạng LAN, khai báo cấu hình phần cứng, cấu hình giao tiếp với I/O Device Xây dựng mơ hình mơ hầm giao thơng, kiểm chứng đánh giá tính dự phòng cho I/O Device I/O Server đối tượng điều khiển dạng số tương tự Đối với hàm điều khiển liên tục tốc độ cao cần có thiết bị để thử nghiệm, đánh giá để xây dựng giải thuật dự phịng tốt hơn, tín hiệu điều khiển liên tục, đáp ứng yêu cầu tốc độ hệ thống Khi đó, cấu trúc dự phịng hữu ích hơn, ứng dụng nhiều lĩnh vực tự động hoá ABSTRACT oOo - The topic discussed the process of building and verified backup computer for I/O Device and I/O Server Manufactures equipment automation solutions offer a backup hardware and backup software, and make networking configuration and software packages included Students have built structures that link the network to reserve I/O Device based on communication technology industry as the Siemens MPI, Profibus, Ethernet Setting up the software algorithms and mechanisms identified errors, the mechanism of data synchronization and backup mechanism for the main CPU Structured network link redundancy for I/O Server through the LAN, declare hardware configuration, the configuration interface for I/O Device Build simulation models traffic tunnels, verify and assess the reserve calculation for I/O Device and I/O Server on the subjects of digital and analog control For continuous control functions and high-speed equipment needed to test and evaluate algorithms to build a better backup, control signals will continue to meet the speed requirements of the system Meanwhile, the reserve structure will more useful, more applications in the field of automation MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu tổng quan 1.1 Tính cấp thiết luận văn 1.2 Các chế cấu trúc dự phòng 1.2.1 Dự phòng cho I/O Server 1.2.2 Dự phòng cho đường dẫn liệu 1.2.3 Dự phòng cho I/O Device 1.2.4 Dự phòng cho mạng LAN 1.3 Xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Server I/O Device cho giải pháp hầm giao thông 1.3.1 Nhiệm vụ luận văn 1.3.2 Những vấn đề khó khăn 1.3.3 Phạm vi thực 1.3.4 Dự kiến lĩnh vực ứng dụng đề tài 1.3.5 Bố cục nội dung luận văn Chương 2: Kỹ thuật Redundancy tự động hố 2.1 Các kỹ thuật dự phịng 11 2.1.1 Dự phòng lạnh 11 2.1.2 Dự phòng ấm 12 2.1.3 Dự phịng nóng 13 2.2 Kỹ thuật dự phòng hãng sản xuất thiết bị tự động hố 14 2.2.1 Hệ thống dự phịng hãng Schneider 14 2.2.2 Hệ thống dự phòng hãng Omron 23 2.2.3 Hệ thống dự phòng hãng Allen Bradley 25 2.2.4 Hệ thống dự phòng hãng Mitsubishi 28 2.2.5 Hệ thống dự phòng hãng Siemens 31 2.3 Mạng truyền thông công nghiệp Simatic Net 35 2.3.1 Mạng MPI 35 2.3.2 Mạng Profibus 36 2.3.3 Mạng Ethernet 38 2.4 Kết luận Chương 3: Tổ chức, xây dựng cấu trúc dự phòng 3.1 Xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Device 39 3.1.1 Giải thuật lập trình phần mềm 39 3.1.2 Cấu trúc liên kết mạng dự phòng hãng Siemens 40 3.1.3 Các khối OB báo lỗi PLC S7-300 S7-400 43 3.1.4 Xây dựng cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Device 44 3.1.5 Xây dựng chế xác định lỗi phần mềm 45 3.1.6 Truyền thông khối CPU 47 3.1.7 Xây dựng chế đồng hoá liệu 52 3.1.8 Tóm lược q trình xây dựng chế dự phòng cho I/O Device 53 3.2 Xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Server 54 3.2.1 Cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Server 54 3.2.2 Khai báo cấu hình giao tiếp liệu OPC 55 3.2.3 Khai báo cấu hình I/O Server chế độ thường trực 56 3.2.4 Khai báo cấu hình mạng LAN 56 3.2.5 Tóm lược q trình xây dựng chế dự phịng cho I/O Server 57 Chương 4: Đánh giá tính dự phịng mơ hình hầm giao thơng 4.1 Giới thiệu đường hầm giao thông 58 4.1.1 Nhu cầu giao thông 58 4.1.2 Các đặc tính kỹ thuật hầm giao thơng nhân tạo 59 4.2 Ý tưởng xây dựng giải pháp thực 61 4.2.1 Hệ thống chiếu sáng 63 4.2.2 Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng 63 4.2.3 Hệ thống thơng gió 64 4.2.4 Hệ thống SCADA 66 4.2.5 Mơ hình phần cứng hồn chỉnh 68 4.3 Kết luận 69 Chương 5: Kết luận 5.1 Kết thử nghiệm phân tích 70 5.1.1 Kết thử nghiệm 70 5.1.2 Nhận xét phân tích kết đạt 70 Ưu điểm 70 Nhược điểm 70 5.2 Kết đạt ý nghĩa 71 5.3 Hướng phát triển 71 5.4 Kết luận 72 Tài liệu tham khảo 73 Phụ lục 74 Lý Lịch trích ngang 82 Danh mục hàm, ký hiệu, từ viết tắt • Ký hiệu • Từ viết tắt - LAN: Local Area Network - SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition - PLC: Programmable Logic Controller - TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol - RTC: Real Time Clock - FPT: File Transfer Protocol - HTTP: HyperText Transfer Protocol - ISO/OSI: International Standardization Organisation/ Open System Interconnection - Mạng MPI: multi point interface - AS-I: Actuator Sensor Interface - OPC: OLE for Process Control - RJ45: Registered Jack 45 - Profibus - DP: Decentralize Periphery - fast data exchange - Profibus - PA: Process Automation - intrinsically safe environment - Profibus - FMS: Fieldbus Message Specification - peer to peer communication - OLE: Object Linking and Embedding Đồ thị vẽ tốc độ động cơ: Hình 4.10: đồ thị vẽ tốc độ động Thử nghiệm: Điều khiển tốc độ động thay đổi biến trở, hình vẽ biểu diễn màu đen Đồ thị màu xanh tốc độ động truy suất từ CPU Chính, màu đỏ tốc độ động thực qua hệ thống dự phịng Khi hệ thống bình thường tốc động (màu xanh) bám theo biến trở (màu đen) Khi CPU Chính gập cố server khơng thể điều khiển truy suất liệu Do đó, đồ thị màu xanh đứng yên chuyển Đồ thị màu đỏ trì bám theo tín hiệu màu đen CPU trạng thái bình thường hay xảy cố Kết luận: Dữ liệu truy suất liên lục, không bị gián đoạn, không phụ thuộc vào CPU Chính hay CPU Dự phịng 4.2.5 Mơ hình phần cứng hoàn chỉnh - Dùng đèn Led để mô đèn chiếu sáng đèn Led có màu xanh, đỏ, vàng để mơ đèn tín hiệu giao thơng - Dùng 02 cảm biến sợi quang gắn hai vị trí ngỏ vào ngỏ để đếm số lượng xe đường hầm LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 68/82 4.3 - Dùng động AC phase để vận hành quạt thơng gió, tốc độ động điều khiển biến tần - Một biến trở để chỉnh điện áp thay đổi từ đến 10 VDC, tín hiệu dùng để giả lập cảm biến đo nồng độ ô nhiễm đường hầm - Một tín hiệu số để giả lập cố liên quan đến phần mềm lập trình - CPU chuyển sang trạng thái STOP cách gạt công tắc điều khiển CPU - Lỗi truyền thông I/O thực cách tháo dây cáp kết nối Profibus cổng DP KẾT LUẬN Học viên xây dựng mơ hình để thử nghiệm tính dự phịng cho I/O Device, bao gồm: - Tín hiệu điều khiển dạng ON/OFF trực tiếp - Tín hiệu điều khiển dạng ON/OFF phụ thuộc vào thông số liệu - Tín hiệu điều khiển dạng tương tự Qua thử nghiệm này, học viên nhận thấy: - Các đối tượng điều khiển hoạt động liên tục không bị gián đoạn chuyển điều khiển từ CPU sang CPU dự phịng ngược lại - Dữ liệu cập nhật hai CPU bảo trì khởi động trở lại, khơng gây ảnh hưởng lên trình điều khiển - Chưa thử nghiệm với tín hiệu có tần số cao đếm xung từ encoder hay phát xung điều khiển động bước, động servor chưa đánh giá yếu tố LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 69/82 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 5.1.1 Kết thử nghiệm Trong điều kiện hoạt động bình thường, CPU bị lỗi tình sau: - Bất kỳ lỗi mà gây cho CPU chuyển sang trạng thái STOP - Lỗi liên quan đến phần mềm lập trình - Lỗi liên quan đến giao tiếp I/O Lúc này, CPU dự phòng đảm nhận thay CPU điều khiển q trình Khi CPU bảo trì phép hoạt động trở lại, CPU đảm nhận q trình điều khiển lúc ban đầu 5.1.2 Nhận xét phân tích kết đạt 5.1.2.1 Ưu điểm: - Mơ hình hệ thống hoạt động tốt điều kiện thử nghiệm cho phép - Các thiết bị lập trình PLC có cổng giao tiếp mạng sử dụng giải thuật này, không phụ thuộc vào hãng sản xuất thiết bị - Với kết đạt phát triển, mở rộng thêm áp dụng vào thực tế - Giá thành thấp, khơng tốn chi phí cao phải đầu tư thiết bị có tính dự phịng phần cứng hay phải mua gói dự phịng phần mềm 5.1.2.2 Nhược điểm: Do thời gian nghiên cứu cịn hạn chế thiết bị thí nghiệm khơng đầy đủ hệ thống cịn có nhược điểm thiếu sót sau đây: - Chưa áp dụng hết tình gây lỗi CPU chưa áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu cho quạt thơng gió LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 70/82 5.2 - Thiết kế mạng chưa hợp lý, tốc độ truyền từ I/O CPU 1.5 Mbps (tối đa 12 Mbps) từ I/O đến CPU dự phòng 187.5 Kbps - Giải thuật phân tích CPU cịn hạn chế chưa xâm nhập vào ghi hệ thống CPU - Chưa thực đầy đủ, ghi nhận, thống kê trường hợp tình phát sinh KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ Ý NGHĨA Qua trình nghiên cứu, thử nghiệm thực đề tài thời gian cho phép với thiết bị, công cụ hỗ trợ, học viên hồn thành hệ thống dự phịng cho I/O Device I/O Server cho giải pháp hầm giao thông nhân tạo với kết cụ thể sau: Xây dựng giải thuật lập trình phần mềm để dự phịng cho CPU mà khơng phụ thuộc vào phần cứng hay gói phần mềm nhà sản xuất Là hội tốt qua học viên có tìm hiểu thêm chế dự phịng hãng sản xuất thiết bị tự động hoá, xây dựng lập trình trao đổi liệu CPU chuẩn truyền thông công nghiệp Siemens như: mạng MPI, Profibus, Ethernet Học viên có kiến thức giải pháp điều khiển cho hầm giao thông nhân tạo, đường giao thông sử dụng phổ biến Việt Nam giới Với kiến thức đạt nghiên cứu thêm, học viên áp dụng vào xây dựng mơ hình biên soạn tài liệu giảng dạy trường mà học viên công tác 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Có tín hiệu với tần số cao tín hiệu xung từ mã hố vịng xoay, tín hiệu điều chế xung tốc độ cao, trình chuyển đổi điều khiển 02 CPU cần thực nhanh chóng khơng làm gián đoạn trình điều khiển Thực thử nghiệm tính góp phần cho hệ thống hồn chỉnh Tìm hiểu xây dựng thêm chế xác định lỗi CPU như: lỗi phần cứng, lỗi thẻ nhớ, lỗi nguồn cung cấp, lỗi truyền thông, lỗi nhớ nội, lỗi ngắt, lỗi thay mô đun I/O,… LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 71/82 Xâm nhập vào hệ thống xác định trạng thái CPU, lúc CPU dự phòng nhanh chóng biết trạng thái đối tác trình chuyển đổi điều khiển 02 CPU xảy nhanh Xây dựng giải thuật lưu trữ liệu PLC theo thời gian thực nhằm sử dụng cho trình điều khiển cần sử dụng liệu trước Đây hướng phát triển lý thú nghiên cứu đưa vào ứng dụng 5.4 KẾT LUẬN Đề tài sử dụng thiết bị lập trình PLC sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, tính dự phịng hầu hết nhà sản xuất chế tạo phần cứng phần mềm Tuy nhiên, tiếp cận xây dựng chế lập trình riêng dịp nhờ học viên trực tiếp tìm hiểu thực tế qua khó khăn, thử thách Qua đó, thân tích luỹ nhiều kinh nghiệm cụ thể, hội cho thân học viên áp dụng kiểm tra lại kiến thức thu nhận qua trình học tập đồng thời học hỏi tìm hiểu thêm kiến thức Đó tảng để tự tiếp tục hoạt động nghiên cứu hữu ích thiết thực thời gian Theo nhận định học viên, lĩnh vực hay, thú vị, có nhiều ứng dụng thực tế nhiều vấn đề cần hồn thiện Vì thời gian hạn chế thiết bị chưa đồng bộ, đầy đủ đề tài chưa trọn vẹn nội dung, điều chắn khơng tránh khỏi sai sót nhầm lẫn Xin Quý thầy cô bạn học viên tham khảo thông cảm, mong hứng thú với hướng nghiên cứu chia với học viên tiếp tục tìm hiểu, phát triển thêm nhằm hồn thiện góp phần tạo sản phẩm hữu ích sống Đó cách thực mục tiêu ích lợi ngành học Lời cuối học viên xin chân thành cảm ơn đến tất thầy cô, anh/chị bạn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn quan tâm theo dõi suốt trình thực LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 72/82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sara Falamaki, “Disk IO Redundancy in CitectSCADA “, B.Sc Computer Science, Technical Paper, December 2006 [2] Manual, “Citect Scada Networks”, Cietct Pty Ltd, Fitzsimmons Lane Gordon NSW 2072 Australia, www.citect.com [3] Manual, “Software Redundancy for SIMATIC S7-300 and S7-400”, Siemens AG [4] Ph.D Joe St Sauver, “SCADA Security”, University of Oregon Computing Center [5] Steve Mackay; Edwin Wright; Deon Reynders; John Park, “Practical Industrial Data Networks - Design, Installation and Troubleshooting.”, all with IDC Technologies, Perth, Australia [6] David Bailey; And Edwin Wright, “Practical ACADA for Industry”, Beng, Bailey and Associates, Perth, Australia Mipenz, BSc(Hons), BSc(Elec Eng), IDC Technologies, Perth, Australia [7] “Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system.” Communication Technologies, Inc 14151 Newbrook Drive, Suite 400 Chantilly, Virginia 20151 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 73/82 PHỤ LỤC A Chương trình điều khiển nạp cho khối CPU Chính //Chương trình // Điều khiển chiếu sáng AN M 0.0 = "chieu_sang" CALL "xuat_chinh" // Điều khiển quạt thơng gió CALL "quat_thong_gio" //Gởi trạng thái CALL "Gui_qua_phu_trang_thai" //Nhận data từ CPU dự phòng CALL "AG_RECV" ID :=2 LADDR :=W#16#100 RECV :=MW32 NDR :=M40.0 ERROR :=M40.1 STATUS:=MW42 LEN :=MW46 CALL "AG_RECV" ID :=4 LADDR :=W#16#100 RECV :=MW50 NDR :=M52.0 ERROR :=M52.1 STATUS:=MW54 LEN :=MW56 //phân tích trạng thái CPU dự phịng O( A M 50.0 L S5T#100MS SD T A T ) O( AN M 50.0 L S5T#100MS SD T A T ) LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 74/82 = "trang thai" //Gửi liệu đến CPU dự phòng A "trang thai" = L 20.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L20.0 ID :=3 LADDR :=W#16#100 SEND :=MW32 LEN :=2 DONE :=M60.1 ERROR :=M60.2 STATUS:=MW62 //Trong khối OB35 AN M 2.0 = M 2.0 //Trong khối OB100 AN M 0.2 S M 0.1 R M 40.2 //Trong khối FC10 L QW T "ngo ra" L QW 14 T "analog_out" NOP //Trong khối FC11 AN M 20.0 = L 0.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L0.0 ID :=1 LADDR :=W#16#100 SEND :=MW2 LEN :=2 DONE :=M20.1 ERROR :=M20.2 STATUS:=MW22 //Trong khối FC19_đếm xe vào.ra A LUẬN VĂN CAO HỌC "xe_vao" Trang: 75/82 FP M 30.0 AN "do" JNB _001 L MW 32 L +I T MW 32 _001: A "xe_ra" FP M 30.1 AN M 30.2 JNB _002 L MW 32 L -I T MW 32 _002: NOP L MW 32 L =I ) A( L MW 32 L