Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của trễ truyền thông trong các hệ điều khiển phân tán
MỤC LỤC
GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 1. Hệ thời gian thực
Quá trình tính toán là một tiến trình thực hiện một hoặc một phần chương trình tuần tự do hệ điều hành quản lý trên một máy tính, có thể tồn tại đồng thời với các quá trình khác kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ đợi thực hiện. Sẽ rất nguy hại khi trong một nhà máy điện nguyên tử hay trong một nhà máy lọc dầu, nếu thuật toán điều khiển mặc dù rất hiện đại nhưng bộ điều khiển không có khả năng đưa ra kết quả đáp ứng kịp thời vào những thời điểm trích mẫu, hay khi không đưa ra được các quyết định dừng khẩn cấp một cách kịp thời trong những tình huống bất thường.
Giao thức mạng
Khi đó thay vì phải sử dụng nhiều sensor hoặc phát triển một thuật toán riêng để truyền thông tin này tới các thiết bị cần thiết như trong các hệ thống truyền thông điểm - điểm ta chỉ sử dụng một sensor nối mạng và sử dụng chế độ truyền thông phát hành/thuê bao để truyền thông tin tới các thiết bị cần thiết cũng được nối mạng. Ưu điểm của mạng CAN là cho phép thiết lập mức ưu tiên thông qua trường phân xử.Các thông điệp có mức ưu tiên cao hơn luôn giành được quyền truy nhập mạng khi phân xử và do vậy các thông điệp có quyền ưu tiên cao hơn có trễ truyền thông ít tính bất định hơn và có sự đảm bảo truyền tin cao hơn.
Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 1. PROFIBUS
Foundation Fieldbus trở thành chuẩn quốc tế và xu hướng phát triển của các hệ thống tự động hoá là sử dụng Fourdation Fieldbus, ta có thể kết nối trong cùng hệ thống điều khiển các thiết bị điều khiển, đo lường và chấp hành của nhiều nhà sản xuất khác nhau một cách dễ dàng. Foundation Fieldbus sử dụng kết hợp cả phương thức truyền đồng bộ (truyền theo chu kỳ, cứ đến một thời điểm định trước, hệ thống sẽ đọc dữ liệu từ các thiết bị) và truyền không đồng bộ (truyền theo yêu cầu, hình thức này chỉ truyền dữ liệu khi có điều kiện xảy ra, phù hợp cho các tín hiệu cảnh báo có tính bất định và mức độ ưu tiên cao).
Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông
Hiệu suất của hệ thống mạng là tỷ số giữa tổng thời gian truyền (Ttx) và thời gian trễ tổng cộng dùng để truyền thông điệp (bao gồm thời gian đợi, thời gian truyền, thời gian xử lý..). Hệ số sử dụng mạng là tỷ số giữa tổng thời gian sử dụng để truyền dữ liệu và thời gian chạy tổng cộng của hệ thống mạng hoặc là tỷ số của thời gian truyền thông điệp và chu kỳ truyền thông của tất cả các thiết bị.
NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU
Thời gian trễ trong truyền thông 1. Giới thiệu
Tpre là thời gian cần thiết để thực hiện các tính toán, mã hoá dữ liệu cần thiết trước khi truyền dữ liệu như thời gian tính toán kích thước dữ liệu, phân chia dữ liệu, tính toàn mã kiểm tra, mã hoá dữ liệu,… Đối với các hệ thống có hệ xử lý truyền thông riêng thì thời gian này thường là hằng số hoặc có thể bỏ qua còn đối với các hệ thống sử dụng chung hệ xử lý cho cả tính toán điều khiển và truyền thông thì thời gian tiền xử lý này còn bao gồm cả thời gian đợi CPU thực hiện các tác vụ khác. Cũng giống như trễ tiền xử lý trên nút truyền, nếu hệ thống có hệ xử lý truyền thông riêng thì thời gian này thường là hằng số hoặc có thể bỏ qua còn đối với các hệ thống sử dụng chung hệ xử lý cho cả tính toán điều khiển và truyền thông thì thời gian tiền xử lý còn bao gồm cả thời gian chờ đợi CPU thực hiện các tác vụ khác và Tpost thường không thể bỏ qua được.
Trễ truyền thông trong mạng Ethernet
Thời gian đợi trước khi quay trở lại tiếp tục truyền tin sẽ có ba khả năng: lệnh tạm dừng được tạo ra sau khi bộ đệm đầu ra đầy, lệnh tạm dừng được tạo ra trước khi bộ đệm đấu ra đầy nhưng trong khi đang đợi quay trở lại truyền tin thì bộ đệm đầy và tốc độ xử lý của Switch thay đổi và cuối cùng là lệnh tạm dừng được tạo ra và việc đợi quay trở lại truyền tin kết thúc trước khi bộ đệm đầu ra đầy. Tương tự như các trường hợp trên, T2 chỉ phụ thuộc vào tốc độ đầu vào Switch và được tính như công thức (3.21). Để tính được T3 ta phải tính số lượng khung truyền tin trong bộ đệm đầu vào tại thời điểm thông điệp tới. Ta xác định số lượng khung truyền tin trong bộ đệm đầu vào trong hai tình huống:. i) Bộ đệm đầu ra đầy trước khi bộ đệm đầu vào đạt ngưỡng cao (TOBF <Th). 0 T , nIB là số lượng khung truyền tin trong bộ đệm đầu vào và i là số thứ tự lần ttạm dừng và truyền tin trở lại hiện tại. ii) Bộ đệm đầu ra sau khi bộ đệm đầu vào đạt ngưỡng cao (TOBF >Th).
Trễ truyền thông trong mạng CAN
Theo hoạt động của phương truy nhập mạng CSMA/AMP (xem mục 2.2) thì thời gian đợi giành quyền truyền tin của một nút mạng bất kỳ bao gồm việc đợi nút mạng đang truyền tin kết thúc việc truyền tin và thời gian đợi tất cả các nút mạng có mức ưu tiên cao hơn hoàn tất việc truyền tin [21]. Cũng giống như trường hợp mạng Ethernet, hệ thống mạng trong các trạng thái như vậy có thể bị bão hoà và chiều dài hàng đợi có thể tăng hoặc giảm do ảnh hưởng của các thành phần trễ khác và dẫn tới sự thay đổi nhảy bước của trễ truyền thông.
Đánh giá ảnh hưởng của các thành phần trễ truyền thông
Nếu xảy ra tình trạng Tcom.d > Ts thì có nghĩa là tín hiệu từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành phải mất nhiều hơn một chu kỳ lấy mẫu do đó tín hiệu điều khiển tại mỗi bước không đến được cơ cấu chấp hành đúng thời điểm cần. Trường hợp này có thể là không xảy ra thường xuyên nhưng nó sẽ được tích luỹ dần dần dẫn đến kết quả là làm cho hệ thống bị mất tính năng thời gian thực, giảm hiệu quả, chất lượng của hệ thống và có thể làm hệ thống mất ổn định.
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC
Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí
Hệ thống điều khiển quá trình trong hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí nhận tín hiệu từ các sensor đầu vào (như vị trí, lực, nhiệt độ,…) để điều khiển các quá trình khác nhau như điều khiển quá trình trước và sau công đoạn gia công, bù nhiệt độ, điều khiển lực theo yêu cầu công nghệ, bù biên dạng dao cắt, điều khiển giảm tiếng ồn trong máy công cụ,…. Vì chúng hoạt động bằng cách thay đổi lượng đặt đầu vào của bộ điều khiển servo (hoặc là trực tiếp hoặc là gián tiếp thông qua bộ nội suy quỹ đạo) nên chu kỳ trích mẫu của các mạch vòng điều khiển quá trình thích nghi thường bằng hoặc lớn hơn chu kỳ trích mẫu của bộ điều khiển servo nhưng không bao giờ nhỏ hơn.
Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tương tự (analog)
Khối điều khiển máy (MCU) là đầu não trung tâm của máy CNC nó bao gồm: một máy tính có nhiệm vụ điều khiển chung các hoạt động của máy, giao tiếp với người sử dụng, nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí và thực hiện các thuật toán nội suy, so sánh và đưa ra các lệnh điều khiển, hiệu chỉnh vị trí gia công; các bộ điều khiển khả trình PLC làm nhiệm vụ điều khiển các chức năng tuần tự của máy. Nếu khởi động lại máy sau khi có điện trở lại thì các trục toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn (Reference Mark) nó sẽ phát ra một tín hiệu, tín hiệu này được truyền đến hệ CNC lúc đó hệ điều khiển mới xác định được tọa độ của nó đồng thời hiển thị giá trị tọa độ thực tế lên màn hình.
Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông Bus-CAN
- Truyền thông từ các trục thành phần lên CNC bao gồm: các tín hiệu phản hồi là các tín hiệu vị trí được lấy từ encoder, resolver,…, các giá trị phản hồi tốc độ, các thông số mômen, gia tốc, quá tải, quá dòng… được truyền từ các servo driver đưa lên CNC. Do yêu cầu về tính thời gian thực của các hệ thống truyền động nhiều trục, đặc biệt là các hệ truyền động robots và CNC, giao diện giữa bộ điều khiển nhiều trục và các bộ điều khiển truyền động thành phần hiện nay dùng tín hiệu tương tự.
Các phương pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 1. Phương pháp xấp xỉ Padé
Xem xét trong khoảng thời gian giữa các lần truyền tin ta có thể thấy sự thay đổi tải mạng hay chiều dài của hàng đợi là quá trình chậm và do vậy trễ truyền thông giữa các lần truyền không hoàn toàn là ngẫu nhiên và độc lập với nhau dẫn tới trễ trong các mạch vòng điều khiển cũng có tính chất như vậy. Trong mạng có thiết lập chế độ ưu tiên thì trễ của các thông điệp truyền bởi nút mạng có mức ưu tiên cao sẽ tăng theo từng bậc (chỉ chuyển tới trạng thái liền kề) còn ở những nút mạng ưu tiên thấp có thể tăng nhiều bậc (có thể chuyển tới các trạng thái không liền kề).
Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển
Trễ trong hệ thống trích mẫu bao gồm trễ do sự hữu hạn của tần số lấy mẫu và các chậm trễ khác. Băng thông của hệ thống điều khiển, fbwlà tần số tối đa mà đầu ra của hệ thống còn bám được theo tín hiệu đầu vào hình sin với sai số cho phép.
Phân tích sự ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục
Như vậy ngay cả khi hệ thống mạng được thiết kế đảm bảo yêu cầu thì trong chế độ hoạt động bình thường của các hệ thống sử dụng mạng truyền thông thì hiện tượng bão hoà mạng vẫn có thể xuất hiện tạm thời (thoáng qua) và gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển một cách đột ngột và tạm thời. Để đánh giá sự sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp hệ thống làm việc với các tần số lấy mẫu khác nhau trên Hình 4-13 ta thấy rằng khi mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện thì ngay cả ở những chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới mức mà hệ thống có chất lượng điều khiển tốt nhất thì vẫn xuất hiện các điểm mà sai lệch quỹ đạo lớn.
