Gói phần rời rạc: gói phần rời rạc bao gồm tập hợp vị trí Q và tập dịch chuyển trạng thái A của Automate lai. Những gói này cũng bao gồm máy trạng thái
để nó tự tạo ra sự tiến trình với các gói khác như là các gói giao diện bên trong và các gói IGCB và để xử lý sự kiện phát sinh bên trong.
Gói phần liên tục: gói phần liên tục đặc tả các thực thi bởi các phần tử liên tục của HDS. Tiến trình của phần tử liên tục được thực hiện bởi các mẫu đồng bộ
(RendezVous-Semaphore) [5]. Gói phần liên tục cũng có một máy trạng thái để tạo nên tiến trình riêng với các gói như là gói IGCB và gói giao diện bên trong.
Gói IGCB: gói IGCB bao gồm dòng liên tục cụ thể của hệ thống điều khiển phát triển tại mọi thời điểm đưa ra trong Automate lai, ký hiệu là F. Mỗi dòng tương
52
ứng với một trạng thái của Automate lai này. Gói IGCB có một máy trạng thái để
tạo nên tiến trình riêng với các gói khác như là gói các phần rời rạc và gói giao diện bên ngoài. Trong tiến trình này gói IGCB thay đổi các tín hiệu theo chu kỳ.
Gói giao diện bên trong: gói giao diên bên trong sinh ra các sự kiện bên trong của HDS, từđó gói phần rời rạc đó có thể tạo nên tiến trình riêng theo những sự kiện đó. Nó có một máy trạng thái để tạo nên tiến trình riêng với các gói khác như là gói phần liên tục và gói phần rời rạc.
Gói giao diện bên ngoài: gói giao diện bên ngoài là gói trung gian dùng để
nhận và gửi các sự kiện rời rạc và tín hiệu tuần hoàn giữa hệ thống phát triển và các hệ thống tương tác giữa chúng. Gói giao diện bên ngoài có một máy trạng thái để
tạo nên tiến trình riêng với các gói khác như là gói phần rời rạc và gói IGCB. 3.3.5Kiểm tra mô hình thiết kế
Hiện nay không có tại các công cụ chuẩn nào dùng cho quá trình kiểm tra trực tiếp sự cộng tác các gói, nhưng có các phần mềm ứng dụng như là phần mềm kiểm tra “Rational Real-Time Test” [23]; nó có thể kiểm tra một tập hợp chuỗi đầu vào và
đối tượng đã xác định đểđảm bảo sự hoạt động của HDS phát triển.
Hơn nữa, chúng ta có thể sử dụng công cụ “B STERIA” [9] thư viện đối tượng B, nó có thể dùng để hỗ trợ tính tái sử dụng và để áp dụng cho các yêu cầu kiểm tra của các hệ thống phát triển. Cũng có các công cụ HYTECH [11] để kiểm tra mô hình phân tích với Automate lai của HDS.
3.3.6Nguyên tắc tái sử dụng các gói
Tính tái sử dụng rất quan trọng để phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp, bởi vì nó có thể làm giảm về mặt thời gian và giảm giá thành. Chúng ta thấy các khung nhìn tái sử dụng khác nhau trong sự phát triển của HDS công nghiệp [16], [19], [24] như là:
- Khung nhìn tái sử dụng dựa trên cơ chếảo của các đối tượng, các lớp hoặc lớp phân cấp.
53
- Khung nhìn tái sử dụng dựa trên sự cộng tác các gói. Ví dụ, máy trạng thái tổng quan của gói chính được xác định, các điều kiện ràng buộc trong công nghiệp có thểđược thích ứng để phát triển ứng dụng trong công nghiệp.
Để cụ thể hóa, chúng ta có thể đưa ra nguyên tắc để tái sử dụng các gói hợp tác của một HDS công nghiệp đã phát triển trong áp dụng mới, được thể hiện
ở bảng sau:
Bảng 3.1 Nguyên tắc tái sử dụng của các gói.
Các gói của hệ thống động lực lai công nghiệp
Mô tả đặc trưng
Gói phần rời rạc
Phần đặc trưng gói của các phần rời rạc được thực hiện bằng việc thêm vào hoặc loại bỏ các vị trí mà được mô tả ở tiến trình trạng thái của máy trạng thái. Cổng và giao thức của gói này giữ nguyên cùng mức độ tổng quan cho ứng dụng HDS công nghiệp khác nhau.
Gói phần liên tục
Gói của phần liên tục được thực hiện bởi sự thêm vào hoặc loại bỏ phần tử liên tục cụ thể. Xuất phát từ các phần tử liên tục thêm vào hoặc loại bỏ, các trạng thái cũng được thêm vào hoặc loại bỏ trong máy trạng thái của gói này. Những cổng và giao thức của gói này giữ
nguyên cùng mức độ tổng quan cho ứng dụng HDS công nghiệp khác nhau.
Gói IGCB
Đặc trưng của gói IGCB thể hiện ứng xử liên tục toàn cục tức thời mới, được hình thành bởi cấu trúc phần tử
liên tục mới trong gói phần liên tục. Bước nhảy (Jump) xuất hiện trong giá trị ban đầu của mỗi ứng xử liên tục phải được đồng nhất hóa. Máy trạng thái và các cổng của gói này giữ nguyên cùng mức độ tổng quan cho các
54
giao thức cho gói, các thông điệp của nó có thể được xác định từ các trạng thái thêm vào hoặc loại bỏ của gói phần rời rạc.
Gói giao diện bên ngoài
Gói giao diện bên ngoài được cụ thể hóa bởi sự thêm hoặc loại bỏ các sự kiện đầu vào hoặc đầu ra. Tiếp theo, chúng ta ta thêm hoặc bớt những sự kiện này trong giao thức của gói. Máy trạng thái và các cổng của những gói này giữ nguyên cùng mức độ tổng quan cho các ứng dụng HDS công nghiệp khác nhau.
Gói giao diện bên trong
Đặc trưng của gói giao diện bên trong được tiến hành bởi thêm vào hoặc loại bỏ các đại lượng bất biến mới và
điều kiện mới. Máy trạng thái và các cổng của những gói này giữ nguyên cùng mức độ tổng quan cho ứng dụng HDS công nghiệp khác nhau.
Sơ đồ cấu trúc gói được giới thiệu Hình 3.6 trên thể hiện sự kết nối giữa các gói chính được thực thi bởi các cổng và giao thức. Những kết nối này giữ nguyên cùng mức độ chung cho ứng dụng HDS công nghiệp khác nhau.
3.3.7Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp để thực thi HDS công nghiệp
Để tiến hành triển khai một HDS, chúng ta có thể sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như là: B, C++, Java, LabVIEW, IEC1131, IEC61499.v.v… nhằm thực thi mô hình thiết kế của nó. Nhưng chúng ta quan tâm đến qui trình thực thi một HDS công nghiệp; do đó, chúng ta có thể lựa chọn một ngôn ngữ công nghiệp như là: IEC1131 và IEC61499 [2], [3] để thực thi mô hình thiết kế của HDS này. Trong giới hạn luận văn, chúng tôi chỉ đề cập đến mô hình hóa, phân tích, thiết kế và mô phỏng các HDS công nghiệp không đề cập tới bước triển khai mô hình HDS thực tế. Một số kết quả ví dụ của phương pháp này có thể tham khảo trong [16], [23], [27].
55
Chương tiếp theo, chúng tôi sẽ áp dụng toàn bộ lý thuyết được trình bày ở
trên để mô hình hóa, phân tích, thiết kế và mô phỏng đối với một hệ thống động lực lai công nghiệp cụ thể.
56
Chương 4- ÁP DỤNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ĐIỆN TỬ THỦY LỰC VỚI REALTIME UML
Có rất nhiều nơi trên thế giới, mạng lưới cung cấp điện quốc gia rất xa với vùng dân cư sinh sống, trong đó có Việt Nam. Các nhà máy thủy điện nhỏđược xây dựng để đảm bảo cuộc sống dân sinh những vùng xa xôi này. Chất lượng của các nhà máy thủy điện nhỏ theo các chỉ số: sựổn định và chính xác của tần số, ổn định
điện áp trong quá trình hoạt động và cung cấp năng lượng tốt của nhà máy thủy điện nhỏ. Chúng tôi áp dụng phương pháp được mô tả trong các mục trước đểđưa ra mô hình phân tích, thiết kế và mô phỏng cho hệ thống “Điều tốc Điện tử - Thủy lực” EHG (Electro-Hydraulic Governor). Hệ thống này cho phép tần số máy phát điện
ổn định cho trạm thủy điện có công suất thấp hơn 10.000 kW. Hệ thống này đã
được phát triển bởi nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách Khoa vào thập kỷ 90 của thế kỷ 20. Hệ thống đã được phát triển với công nghệ liên tục (Analog technology). Vì vậy, trong luận văn này chúng tôi không đặc tả chi tiết các chức năng của EHG; chức năng chính của EHG như sau:
- Cho phép ổn định tần số của máy phát điện khi tải thay đổi,
- Đóng nhanh trạm thủy điện trong các trường hợp nguy hiểm (ví dụ: quá tải, lồng tốc, các sự cố của các hệ thống con trong trạm thủy điện v.v…),
- Hòa đồng bộ với EHG khác để phân chia khả năng chịu tải khi nguồn tiêu thụ lớn.
Với chức năng hoạt động của EHG, ta thấy rằng EHG là một hệ thống động lực lai công nghiệp. Hơn thế nữa, EHG bao gồm các sự kiện bên ngoài như là nối hoặc không kết nối với hệ thống tiêu thụ điện năng và các sự kiện bên trong được
định rõ bằng các thành phần như là bộ giới hạn (Limiter) của phần điều khiển.
Chúng ta áp dụng phương pháp luận đã được mô tả trong chương 3 để phân tích, thiết kế và mô phỏng EHG:
57
- Xác định sơ đồ khối chức năng mở rộng của EHG; thêm vào bộ giới hạn để
cải thiện chất lượng của hệ thống này trong hai trường hợp: trường hợp hòa
đồng bộ EHG và trường hợp EHG hoạt động độc lập,
- Xác định Automate lai của EHG,
- Xác định gói điều khiển chính của EHG kèm theo cổng và các giao thức. Việc mô phỏng chất lượng điều chỉnh EHG có thể chọn công cụ Matlab- Simulink để thực hiện kèm theo các luật chuyển đổi từ bản thiết kế sang các thành phần mô phỏng của công cụ này.
4.1 Mô hình phân tích của EHG
4.1.1 Mô hình trường hợp sử dụng của EHG
- Các tác nhân (Actors) tham gia vào EHG bao gồm: hệ thống đo lường thiết bị điện (EMS - Electric Measurement System), hệ thống tiêu thụ điện năng (ECS - Electric Consumtion System) và người bảo trì hệ thống (Maintainer);
- Các trường hợp sử dụng của EHG bao gồm: vận hành (Drive), an toàn (Security), bảo trì (Maintain) và cấu hình (Configure).
Mô hình trường hợp sử dụng của EHG được giới thiệu theo Hình 4.1 sau:
58
4.1.2Ứng xửđộng của các trường hợp sử dụng
Các ứng xử trong trường hợp sử dụng “Cấu hình” thể hiện trong Hình 4.2:
Hình 4.2 Sơđồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “Cấu hình”
59
Một trong các trường hợp sử dụng quan trọng nhất trong EHG là “Vận hành”, những ứng xử của trường hợp sử dụng này được giới thiệu trong các Hình 4.4 và Hình 4.5 sau:
Hình 4.4 Sơđồ diễn tiến của trường hợp sử dụng: “Vận hành” – trong trường hợp: EHG không kết nối với ECS
Hình 4.5 Sơđồ diễn tiến của trường hợp sử dụng: “Vận hành” – trong trường hợp: EHG không kết nối với ECS
60
Hình 4.6 Máy trạng thái của trường hợp sử dụng: “Vận hành”
- Các ứng xử trong trường hợp sử dụng là “Bảo trì” được thể hiện Hình 4.7:
Hình 4.7 Sơđồ diễn tiến trường hợp sử dụng: “Bảo trì”
- Các ứng xử trong trường hợp sử dụng trường hợp sử dụng: “An toàn” được thể hiện trong các hình vẽ sau:
61
Hình 4.8 Sơđồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “An toàn” – trong trường hợp: EHG bị quá tải
Hình 4.9 Sơđồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “An toàn” – trong trường hợp: EMS bị lỗi
62
Hình 4.10 Sơ đồ diễn tiến trong trường hợp sử dụng: “An toàn”– trong trường hợp: EHG bị lỗi
Hình 4.11 Máy trạng thái của trường hợp sử dụng: “An toàn”– trong trường hợp: khi EHG bị lỗi
Máy trạng thái của EHG là tập hợp của tất cả máy trạng thái cục bộ đã được xác định trong các trường hợp của hệ thống này, được giới thiệu ở Hình 4.12.
63
Hình 4.12 Máy trạng thái toàn cục của EHG 4.1.3Sơđồ khối chức năng của EHG
Chúng ta áp dụng sơ đồ khối chức năng mở rộng Hình 4.13 để thực hiện các hoạt động trong máy trạng thái của EHG [26].
64
Chúng ta đưa thêm vào phần tử bão hòa gọi là bộ giới hạn (Limiter) trước bộ điều chỉnh (PID) trong sơ đồ chức năng mở rộng của EHG để:
- Giới hạn quá độ của chuyển tiếp tần số,
- Giảm thời gian đáp ứng của điều khiển, khi một sự kiện tác động tới EHG. Các trường hợp sử dụng của trạng thái bão hòa này như sau:
- Nếu Se S+, thì trạng thái bão hòa giữ nguyên ngưỡng trên Ss = S+;
- Nếu Se S-, thì trạng thái bão hòa giữ nguyên ngưỡng dưới Ss = S-;
- Nếu S- < Se < S+, thì trạng thái bão hòa giữ nguyên giữa Ss = Se
Trong đó: Se và Ss, là các biến đầu vào/đầu ra của trạng thái bão hòa; S- và S+ là ngưỡng của trạng thái bão hòa, S+ = 0,6, S- = -0,6.
Từ các điều kiện của trạng thái bão hòa, chúng ta đưa ra máy trạng thái với các sự kiện được kết nối để tiến hành các hoạt động chuyển đổi của bộ giới hạn.
Hình 4.14 Máy trạng thái của bộ giới hạn Trong đó:
- Sm được đưa vào, nếu S- < Se < S+;
- Sh được đưa vào, nếu Se S+;
- Sb được đưa vào, nếu Se S-;
Sm, Sb, Sh, là các sự kiện tổng quan bên trong của EHG; chúng ta sẽ chỉ rõ các sự kiện đó bằng đại lượng bất biến (Invariant) và điều kiện Guard của Automate lai của EHG.
65
Máy trạng thái này được thêm vào song song với máy trạng thái của trường hợp sử dụng , trường hợp sử dụng hướng theo các trạng thái hoạt động của EHG. Do vậy, máy trạng thái toàn cục hoàn thiện của EHG được thể hiện trong Hình 4.15:
Hình 4.15 Máy trạng thái toàn cục hoàn thiện của EHG, khi các sự kiện bên trong
được kết nối
Từ những đặc điểm của mỗi khối chức năng, chúng ta có thể chuyển đổi giữa toán tử Z và Laplace [26]. Sơ đồ hàm truyền đạt với toán tử Z của EHG được thể
hiện trong Hình 4.16. Các thông số cụ thể của hệ thống này được tham khảo bởi nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách Khoa trước
66 Hình 4.16 Sơđồ hàm truyền đạt của EHG Trong đó : T T T K B qG G G 2. T T T T A qG qG G . 2 2 T T T K B qM M M 2. A T T T T M qM qM 2 2. 2 2 2 1 2 4TT TT T Av 2 2 1 2 8TT T Bv 2 2 2 1 2 4TT TT T Cv
T: chu kỳ lấy mẫu của mô hình toàn cục EHG, KM: hệ số khuyếch đại của động cơ DC, TqM: thời gian quán tính của động cơ DC, KG: hệ số khuyếch đại của máy phát điện, TqG: thời gian quán tính của máy phát điện, Kv: hệ số khuyếch đại của van servo, T1: hằng số thời gian van servo thứ nhất,
67 T2: hằng số thời gian van servo thứ hai, TiC: thời gian tích phân của xylanh, TTB: hằng số thời gian của tuabin, Kp: hệ số khuyếch đại bộ PID, Ti: thời gian tích phân bộ PID, Td: thời gian đạo hàm bộ PID,
K(E): hàm số giới hạn của bộ giới hạn, Ko: hệ số khuyếch đại chính của EHG, Uo: tín hiệu đặt,
KSS1: hệ số phản hồi van servo, KSS2: hệ số phản hồi của xylanh. 4.1.4Automate lai của hệ thống EHG
Chúng ta thấy rằng trường hợp sử dụng “Vận hành” là một trường hợp hoạt
động chính của EHG. Máy trạng thái của trường hợp sử dụng này được dùng để xác
định các trạng thái và các đại lượng bất biến trong Automate lai của EHG. Mỗi trạng thái tương đương với vị trí của Automate lai. Sơđồ chức năng mở rộng tạo ra