3. Cấu trúc và thiết bị mạng
3.5. Chuẩn giao thức TCP/IP
Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một bộ giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet. TCP/IP đã xâm nhập vào rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau. Trong đó có cả mạng máy tính cục bộ và truyền thông công nghiệp, cùng với xu hướng phát triển của mạng Ethernet hiện nay, TCP/IP sẽ chiếm một trong những vai trò quan trọng hàng đầu trong công nghệ bus trong tương lai. Kiến trúc giao thức TCP/IP và đối chiếu với mô hình OSI được mô tả trên hình sau: Lớp ứng dụng Lớp biểu diễn dữ liệu Lớp kiểm soát nối Lớp ứng dụng TELNET FTP SNMP SMTP DNS Lớp vận chuyển Lớp vận chuyển TCP UDP Lớp mạng Lớp Internet
ICMP IP ARP RARP
Lớp liên kết dữ liệu Lớp truy nhập mạng
Lớp vật lý Lớp vật lý
4. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát. 4.1 Cấu trúc tập trung – Concentrated Architechure. 4.1 Cấu trúc tập trung – Concentrated Architechure.
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ trên Hình 2.5. Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển các quá trình con. Các bộ cảm biến và chấp hành được nối trực tiếp, điểm đến điểm (point to point) với máy tình điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ ra của nó.
Hình 2.5: Cấu trúc điều khiển tập trung
Mỗi bộ cảm biến được nối với một cổng vào và một thiết bị chấp hành được nối với cổng ra bằng một dây nối riêng biệt. Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ quá trình xử lý thông tin, dữ liệu vào một thiết bị điều khiển duy nhất.
Một cấu trúc tập trung như vậy thường thích hợp cho tự động hoá các loại máy móc, các thiết bị vừa và nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Tuy nhiên cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:
Công việc nối dây phức tạp giá thành cao.
Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn khi thiết bị đầu cuối tăng lên.
Độ tin cậy hệ thống kém do phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất. Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống, có thể dùng thêm một máy tính dự phòng giống hệ máy tính chính. Nhưng vấn đề của giải pháp này là vấn đề giá thành cao. Còn nhược điềm thứ nhất có thể được khắc phục bằng một mạng dẫn chung gọi là bus trường (fieldbus) thay cho dây nối trược tiếp và phân tán một phần trí tuệ xuống cấp chấp hành. Đây chính là xuất phát điểm cho con đường dẫn đến cấu trúc phân tán.
Qúa trình con 1
A S
Qúa trình con 2 Qúa trình con 3 S A
Máy tính điều khiển
I/O I/O I/O
A S
Ranh giới phòng điều khiển
A : Actuator (chấp hành) S : Sensor (cảm biến)
Các máy tính điều khiển được kết nối với nhau và với máy tính phối hợp qua mạng được gọi là bus xử lý. Chú ý sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và bus xử lý không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được xử dụng mà ở mục đich sử dụng – hay nói cách khác là ở các thiết bị được kết nối. Khi nói tới bus xử lý, ta nghĩ trước hết đến mạng kết nối các thiết bị thông tin ở cấp điều khiển (ở đây chính là các máy tính điều khiển) với nhau hoặc với các thiết bị trên cấp điều hành. Trong khi đó khái niệm bus trường thường được dùng chỉ mạng kết nối các thiết bị gần với quá trình kỹ thuật – tức các thiết bị ở cấp chấp hành và có thể ở cả cấp điều khiển. Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được sử dụng được dùng cho cả hai mục đích này.
4.2Cấu trúc phân tán
Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân tán chức năng xử lý thông tin, chức năng điều khiển theo chiều rộng cũng như theo chiều sâu kết hợp với xử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp nối dây và bằng điện thông thường. Bên cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào /ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, người ta còn đưa các máy tính điều khiển nhỏ (như các bộ điều chỉnh, vi điều khiển) xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật.
Hình 2.5 là một ví dụ tiêu biểu của một hệ thống điều khiển phân tán dùng giải pháp hỗn hợp được chia làm khu vực:
•Trung tâm điều hành quá trình bao gồm các trạm công nghệ ES (Engineering Station), trạm thao tác OS (operation station) và trạm phục vụ SS (Server Station).
•Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển như PLC, máy tính công nghiệp IPC và các máy tính phối hợp được nối với nhau và nối lên trung tâm điều hành quá trình qua bus xử lý (thường dùng Ethernet).
•Khu vực gần với quá trình kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như các bộ vi điều khiển MC (micro controller) hay các bộ điều khiển thu gọn (compact controller), các cụm vào /ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến và chấp hành được nối lên trung tâm điều khiển qua bus trường (ví dụ Profibus, Foundation fieldbus...).
Trong thực tế, tuỳ theo tính chất ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấu trúc phân tán có thể đơn giản hoá hoặc mở rộng hơn. Rõ ràng cấu trúc phân tán được thể hiện ở những điểm sau:
• Tiết kiệm dây nối và cổng nối dây nhờ mạng truyền thông.
• Hiệu suất cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống cấp dưới.
• Độ linh hoạt cao, tính năng mở trong việc mở rộng hệ thống, mua sắm và thay thế thiết bị, nâng cấp và cải tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng. Chính từ các yêu cầu bức thiết từ phía người xử dụng là phải giảm giá thành trong khi các tính năng kỹ thuật phải đảm bảo, cộng với các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin đó đóng vai trò quyết định trong sự chuyển hướng các giải pháp điều khiển tự động sang dạng có cấu trúc phân tán.
Sơ đồ cấu trúc hệ thống DCS như sau:
Hình 2.6:Cấu trúc tiêu biểu của hệđiều khiển phân tán DCS
Trạm thao tác OS Trạm kESỹ thuật Trạm phSSục vụ Máy tính điều khiển Máy tính điều khiển Máy tính phối Hợp Máy tính điều khiển I/O A S Qúa trình con 1 Máy tính điều khiển I/O A S Qúa trình con 2 A S Qúa trình con 3 Trung tâm điều hành Trung tâm điều khiển Bus xửlý Bus trường
5. Hệ thống điều khiển phân tán DCS
5.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán DCS :
Hệ thống điều khiển phân tán được hiểu như là hệ thống dựa trên các phần cứng và phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyền thông tin tốc độ cao, các module được phân tán và tổ chức theo một cấu trúc nhất định với một chức năng nhiệm vụ riêng. Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao này cho phép nghép nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác như PLC, các máy tính điều khiển giám sát.
Giống như tên gọi về hệ thống điều khiển giám sát (Distributed Control System) các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống để thay cho việc xử lý tập trung trên một máy tính đơn lẻ. Nhờ đó hiệu năng tổng thể của hệ thống được nâng cao. Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiển hoạt động độc lập và điều khiển từng bộ phận chuyên dụng của hệ thống điều khiển. Hơn nữa trong hệ thống có một vài trạm điều hành để giám sát các dữ liệu trong các trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người vận hành thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng.
Đây là một mô tả mở rộng về một hệ thống DCS nhưng mô tả này cũng phù hợp với một hệ thống gồm các PLC và các PC với các phần mềm giám sát vận hành. Điều này dẫn ta tới một định nghĩa quan trọng thứ hai của hệ thống DCS. Một hệ thống DCS là một hệ thống tích hợp đầy đủ với một hệ cơ sở dữ liệu toàn cục. Không giống như các hệ thống dựa trên PLC, ta không thể xử dụng các bộ điều khiển khác nhau và các trạm điều hành từ những nhà cung cấp khác nhau rồi kết hợp chúng lại với nhau. Một hệ thống DCS là một hệ thống hoàn chỉnh, trong đó việc truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các bộ phận sẽ không được thể hiện đối với người dùng. Ngoài ra, nếu một điểm (hoặc khối chức năng) được tạo ra trong bộ thì sau đó, toàn bộ hệ thống sẽ nhận biết nó. Tức là không cần phải tạo một cơ sở dữ liệu riêng trong trạm điều hành để phù hợp với dữ liệu trong các bộ điều khiển vì thông tin đã được tự động tạo ra trong toàn bộ hệ thống.
Hệ thống điều khiển phân tán trước kia thường phát triển trong môi trường xử lý hoá chất, trong khi đó các hệ thống dựa trên PLC phát triển trong lĩnh vực điện tử. Trong khi các PLC phát triển từ logic relay thì các hệ thống DCS phát triển từ các bộ điều chỉnh tương tự. Khả năng xử lý các dữ liệu tương tự và chạy các trình tự phức tạp là thế mạnh cơ bản của hệ thống DCS , trong khi xử lý logic loại relay –
tương tự như một PLC thì tốc độ xử lý chậm hơn PLC rất nhiều. Trong khi một PLC có thể xử lý logic relay trong khoảng mili giây, tốc độ quét của một trạm điều khiển của hệ DCS thường 200 -:- 500 ms. Tốc độ quét này đủ nhanh đối với hầu hết các điều khiển tương tự và trên thực tế bộ xử lý đó có thể xử dụng một lượng đáng kể dữ liệu tương tự trong khi quét.
Một đặc điểm nổi bật của hệ thống DCS là việc là việc xử dụng tagnames. Trong các hệ thống PLC-based, thường dùng các địa chỉ hệ thống đối với dữ liệu tham chiếu. Một tagname là tên do người thiết kế hệ thống định nghĩa cho một đối tượng, áp dụng cho tất cả các khối chức năng và các điểm I/O trong các bộ điều khiển. Do đó, một điểm có thể được truy cập từ bất cứ đâu trong hệ thống thông qua tagname của nó.
5.2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiển DCS:
• Cấu trúc đặc trưng của hệ thống DCS gồm có 4 lớp :
Bus hệ thống(Ethernet)
Bus điều khiển(Token passing)
Hình 2.7: Mô hình phân lớp hệ DCS.
5.2.1 Lớp I/O
Các bộ vào ra của hệ thống được xử lý ở lớp I/O bằng một trong ba cách sau:
+ I/O bằng mạch điện tử: Cơ sở dữ liệu Hlý thông tin ệ thống quản Trạm vận hành Bộđiều
khiển trường khiBểộn trđiườều ng
Field I/O Field I/O Field I/O Field I/O
Lớp quản lý Trạm vận hành Trạm vận hành Lớp vận hành Giám sát Lớp điều khiển Lớp I/O Bộđiều
Các I/O dạng tương tự ( như các bộ đo áp suất, van điều chỉnh v v..) và dạng số (Các relay và các bộ chuyển mạch) có thể được thực hiện bằng các panel mạch điện tử trực tiếp từ hiện trường. Panel giao diện I/O có một loạt các card giao diện để đưa vào xử lý các dạng tín hiệu vào /ra.
+ I/O fieldbus:
Có nhiều dạng fieldbus, Profibus và Hart. Những loại này cho phép các sensor và các cơ cấu chấp hành có thể được kết nối với giao diện I/O thông qua một mạng số đơn để trao đổi các thông số quá trình và các thông số trạng thái thiết bị.
+ Giao tiếp với PLC:
Các PLC có thể được nối với hệ thống DCS bằng vài dạng card giao diện truyền thông, thường là trong panel giao diện I/O, hoặc đơn giản bằng cách nối trực tiếp đến mạng điều khiển thông qua module truyềng thông với PLC.
5.2.2 Lớp điều khiển:
Đây là nơi tập trung tất cả các chức năng điều khiển.Các bộ điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O.đọc dữ liệu vào, xử lý các chức năng điều khiển và gửi các tín hiệu ra.Các trạm điều khiển được hoạt động độc lập với nhau nên nếu xảy ra sự cố một trạm sẽ không ảnh hưởng đến trạm khác.Đồng thời một trạm điều khiển có thể trao đổi dữ liệu dễ dàng với một trạm khác khi xử dụng phương pháp truyền thông ngang hàng “ peer to peer” trong mạng điều khiển.
5.2.3 Lớp điều hành:
Các trạm điều hành cung cấp một giao diện đồ hoạ với các chức năng và các dữ liệu trong bộ điều khiển và trong quá trình xử lý thông qua các đồ thị, lưu trữ thông tin theo các file dữ kiện và các biểu đồ (History Trend), các báo cáo....
5.2.4 Lớp thông tin quản lý:
Tất cả các thông tin ở mức độ cao, không cần với việc điều khiển thời gian thực nhưng là cần thiết đối với việc quản lý quá trình lâu dài được xử lý trong lớp quản lý. Lớp này gồm 3 lớp nhỏ:
• Gateway - để đọc dữ liệu từ các trạm điều khiển;
• Cơ sở dữ liệu- để giữ và lưu lại dữ liệu từ phân tích trước;
• Quản lý - để xử lý thông tin trong cơ sở dữ liệu.
Trước kia mỗi nhà cung cấp có giao thức truyền thông độc quyền để cho phép máy chủ truy cập dữ liệu từ các trạm điều khiển. Hiện nay Microsoft cùng vơi một số nhà cung cấp chính đã phát triển một mục tiêu chuẩn liên lạc gọi là OPC. OPC là OLE cho điều khiển quá trình và cho phép máy chủ nào cũng có thể kết nối tới DCS bất kỳ. Chuẩn OPC có thể đặt trong trạm điều hành hoặc trong một máy tính độc lập.
Lớp cơ sở dữ liệu:
Dữ liệu của hệ thống DCS phải được lưu trữ và có một số bộ cơ sở dữ liệu (Database package) được thiết kế cho mục đích này. Chúng gồm Exaquantum (một sản phẩm của Yokogawa) và PI (một sản phẩm độc lập). Nhưng package này đọc dữ liệu thông qua cổng OPC và lưu dữ liệu dưới dạng format cơ sở dữ liệu chuẩn. Exaquantum dùng Server SQL của Microsoft tương thích với hầu hết các package quản lý. Ngoài ra chúng còn cung cấp các chức năng khác như lưu trữ dữ liệu trên đĩa, nén dữ liệu, báo cáo cơ bản các chức năng hiển thị.
Lớp quản lý:
Có một loạt các package khác nhau sắn có,cung cấp các thông tin khác nhau cho người dùng. Nó gồm báo cáo chi tiết, điều khiển khối, và công thức, quản lý nguồn máy,quản lý cảnh báo, tối ưu hoá máy v.v.. chúng truy cập dữ liệu từ cơ sở dữ liệu lưu nhưng có thể ghi trực tiếp tới các trạm điều khiển thông qua OPC.
5.3 Các mô hình mạng trong hệ thống điều khiển phân tán
Kết hợp với các lớp như trên là các mạng máy tính để liên kết các lớp với nhau.Mạng trao đổi rộng rãi với các lớp như sau:
• Mạng I/O – Bus I/O từ xa, Fieldbus, truyền thông PLC;
• Mạng điều khiển – nối các bộ điều khiển và các trạm điều hành;
• Mạng diện rộng của nhà máy- nơi chứa hầu hết các thông tin quản lý;
5.3.1 Mạng diện rộng của nhà máy
Tất cả các thông tin quản lý đều có sẵn trên mạng thông tin quản lý hoặc mạng diện rộng được trao đổi trên mạng Ethernet.
Nhà cung cấp Hệ thống
Yokogawa Yokogawa CS1000/3000
AB Advant OCS ABB
Fisher and Porter System 6
Emerson Fisher Provox, Delta V
Bảng 2.1 Một số hệ thống DCS tiêu biểu
5.3.2 Nhận xét về hệ thống điều khiển phân tán DCS
Khả năng quản lý các đầu vào /ra analog rất tốt. Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hoặc các thuật toàn điều khiển hiện đại: Nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS).
Khả năng truyền thông : Hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến