Luận văn: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

278
lượt xem 88
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều khiển. Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) ĐÀO TUẤN ANH THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên : Đào Tuấn Anh Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -----------o0o----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên: Đào Tuấn Anh Lớp: CH-K8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS. TS. Bùi Quốc Khánh Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất 1 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động 3 5 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS 5 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến 5 1.2.1.2. Cấp điều khiển 7 1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy 7 1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin 7 1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS 8 1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS 10 1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của 10 hệ DCS 1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động 11 1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động 17 phân tán 18 1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán 19 1.4. Kết luận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
21 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 21 2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 2.1.1. Hệ thời gian thực 21 2.1.2. Điều khiển thời gian thực 23 26 2.2. Giao thức mạng 2.2.1. Phương pháp CSMA/CD 28 2.2.2. Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing) 31 2.2.3. Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 34 36 2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 2.3.1. PROFIBUS 36 2.3.1.1. PROFIBUS DP 37 2.3.1.2. PROFIBUS PA 38 2.3.1.3. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) 39 2.3.2. CAN 39 2.3.3. Ethernet 40 2.3.4. Fourdation Fieldbus 41 44 2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông 2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng 45 2.4.2. Hệ số sử dụng đường truyền 45 2.4.3. Số lượng thông điệp không được truyền 46 46 2.5. Kết luận 47 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU 47 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 3.1.1. Giới thiệu 47 3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ 48 3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre 49 3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, Ttx 51 3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost 52 3.1.2.5. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông 52 54 3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet 3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông 54 3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 58 3.2.3. LAN Switch 60 3.2.4. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 62 3.2.5. Nhận xét 74 75 3.3. Trễ truyền thông trong mạng CAN 3.3.1. Phát hiện lỗi và xử lý lỗi trong mạng CAN 75 3.3.2. Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN 76 3.3.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại 77 3.3.4. Nhật xét 78 79 3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trễ truyền thông 82 3.5. Kết luận 83 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC 83 4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 4.1.1. Hệ điều khiển servo 84 4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo 84 85 4.1.3. Điều khiển quá trình 4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85 89 4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 4.2.1. Cấu hình của mô hình 89 4.2.2. Giới thiệu mô hình 90 4.2.2.1. Cụm điều khiển 90 4.2.2.2. Encoder 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.2.3. Resolver và Synchro 92 4.2.3. Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự trong hệ điều khiển 93 95 4.3. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông Bus-CAN 4.3.1. Cấu hình mô hình 95 4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus 96 98 4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé 98 4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov 99 100 4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển 101 4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục 4.6.1. Cấu hình của mô hình 102 4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển 103 của hệ thống 113 4.7. Kết luận 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều khiển. Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung đã dần thay thế các hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đã đem lại khả năng nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì. Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền thông giữa các sensor, các cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia xẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông sẽ lớn và mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt là khi hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Để đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển là cần thiết. Đề tài “Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán” được lựa chọn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về đặc tính trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền động nói riêng. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Nội dung luận văn với các đề mục và nội dung như sau : Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Mở đầu Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông trong hệ điều khiển phân tán Chương 2: Giao thức mạng và các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển truyền động nhiều trục Kết luận và Kiến nghị. Tài liệu tham khảo. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô trong Khoa Điện và Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, 04.2008 Tác giả, Đào Tuấn Anh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản Hình 1-3: Tổng quan phần cứng PLC Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động. Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp). Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 Hình 2-3. Định dạng của khung truy nhập mạng Ethernet Hình 2-4. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet Hình 2-5. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT Hình 2-6. Định dạng khung truy nhập mạng CAN Hình 2-7. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Hình 2-8. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Hình 2-9. Cấu hình Multi-Master trong PROFIBUS Hình 2-10. Mạng Foundation Fieldbus H1 Hình 2-11. Mạng H1/HSE Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI Hình 3-2. Lược đồ thời gian của quá trình truyền tin trên mạng Hình 3-3. Cấu hình mạng Ethernet truyền thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào Hình 3-6. Mô hình hoạt động của LAN Switch Hình 4-1. Sai lệch quỹ đạo chuyển động Hình 4-2. Cấu trúc điều khiển liên kết chéo Hình 4-3. Cấu hình truyền thông của hệ điều khiển truyền động nhiều trục Hình 4-4. Encoder thẳng Hình 4-5. Vạch vị trí Hình 4-6. Cấu tạo Synchro, resolver Hình 4-7. Cấu hình truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động Hình 4-8. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí Hình 4-11. Kết quả mô phỏng khảo sát ITAE với các tần số lấy mẫu khác nhau Hình 4-12. Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp sự kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms) Hình 4-13. Sai lệch quỹ đạo chuyển động Hình 4-14. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 4ms Hình 4-15: Quỹ đạo chuyển động X-Y ở trạng thái chưa bão hoà Hình 4-16. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms Hình 4-17. Quỹ đạo chuyển động X-Y khi mạng bão hoà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus Bảng 4-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng Bảng 4-3. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1% Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3% Bảng 4-5. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5% Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành nhiều cấp. Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hành của một hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1. 5. Cấp Workstation, PC, Servers quản lý công ty 4. Cấp quản lý Workstation, PC, Servers nhà máy Workstation, PC 3. Cấp giám sát – chỉ huy Controllers, PLC, CNC, PC 2. Cấp điều khiển Controllers, sensors, actuators 1. Cấp trường (cảm biến - chấp hành) Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất Đặc điểm của các cấp này như sau: Cấp thứ nhất: Là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường.Nó thực hiện kết nối các bộ điều khiển, cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Cấp thứ hai: là cấp điều khiển (phân xưởng) thực hiện việc điều khiển các quá trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển lôgic khả trình PLC, thiết bị điều khiển quá trình công nghệ trong máy điều khiển số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2 Cấp thứ ba: Là cấp vận hành, giám sát chỉ huy và thực hiện chức năng vận hành giám sát và điều khiển chỉ huy quá trình công nghệ. Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người-máy, lưu trữ các số liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất,…Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các cấp 1,2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ. Cấp thứ tư: là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,… Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng quản lý và hệ thống tự động hoá áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hoá điều hành và quản lý sản xuất. Cơ cấu chấp hành Thiết bị đo Bộ điều khiển Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động Mỗi cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất có các yêu cầu về thông tin cần xử lý và trao đổi thông tin khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp như trên Hình 1-1 thì ở cấp càng cao lượng thông tin yêu cầu xử lý và trao đổi càng lớn nhưng tần suất và yêu cầu về tính thời gian thực giảm dần. Ở mỗi cấp thường có nhu cầu trao đổi thông tin theo hai hướng: trao đổi thông tin với cấp trên và trao đổi thông tin với cấp dưới. Cấp quản lý công ty thường đòi hỏi kết nối truyền tin với những gói dữ liệu kích thước lớn, trên khoảng cách lớn và thường sử dụng công nghệ mạng diện rộng (WAN). Cấp quản lý nhà máy và cấp giám sát - chỉ huy thường sử dụng mạng Ethernet với giao thức TCP/IP (mạng cục bộ - LAN). Cấp điều khiển và cấp cảm biến - chấp hành đòi hỏi tính thời gian thực và tần suất trao đổi thông tin lớn. Các yêu cầu khác nhau này không chỉ ở các cấp điều khiển khác nhau mà ngay trong một cấp của hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp thì mỗi ứng dụng, mỗi công đoạn sản xuất cũng có những yêu cầu khác nhau về trao đổi thông tin, đặc biệt là trong cấp cảm biến - chấp hành. Do vậy đỏi hỏi phải áp dụng các công nghệ khác nhau cho mỗi cấp điều khiển này. Có ba giải pháp để thực hiện việc trao đổi thông tin trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất nói chung, hệ thống điều khiển phân tán riêng là: 1. Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu analog, tín hiệu số trong các thiết bị điều khiển số được chuyển đổi thành tương tự thông qua các bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC) và ngược lại tại thiết bị nhận tín hiệu được chuyển đổi từ tương tự sang số thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC). Trong hệ thống điều khiển sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự, khi khối lượng thông tin cần trao đổi lớn sẽ dần tới tăng khối lượng dây dẫn cũng như làm giảm chất lượng điều khiển do sai số của quá trình chuyển đổi tín hiệu trong các bộ chuyển đổi ADC và DAC. 2. Điều khiển phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm. 3. Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4 So với phương án điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương án sử dụng truyền thông điểm - điểm nhiều hạn chế về khả năng tích hợp, chi phí bảo trì, sửa chữa cao. Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã thúc đẩy việc chuyển hướng phát triển của các hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ sang hướng điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm tận dụng những ưu điểm của phương án này. Mạng máy tính (hay mạng truyền thông kỹ thuật số) trong hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất được phân chia thành hai loại: mạng điều khiển và mạng dữ liệu. Trong mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất hiện đại, hệ thống mạng máy tính sử dụng cho cấp quản lý công ty (cấp 5), cấp quản lý và điều hành nhà máy (cấp 4) và một phần của cấp giám sát – chỉ huy mạng dữ liệu. Mạng máy tính sử dụng cho cấp cảm biến – chấp hành (cấp trường), cấp điều khiển quá trình công nghệ (cấp điều khiển) và cấp điều khiển giám sát là mạng điều khiển. Mạng dữ liệu có đặc điểm là các gói dữ liệu có kích thước lớn, tần suất truyền tin nhỏ. Yêu cầu đối với các hệ thống mạng sử dụng cho mạng dữ liệu là khoảng cách truyền tin lớn, tốc độ dữ liệu phải cao để có thể truyền các gói tin có kích thước lớn. So với mạng dữ liệu thì mạng điều khiển có sự khác biệt cơ bản là mạng điều khiển có khả năng đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng có đòi hỏi khắt khe về thời gian xử lý. Tương ứng với các lớp, các cấp độ trong hệ thống điều khiển phân tán, ta có các mạng truyền thông: + Mạng thiết bị: Mạng thiết bị hay còn là bus trường bao gồm mạng truyền thông giữa bộ điều khiển với các vào/ra phân tán, truyền thông giữa bộ điều khiển với PLC hoặc các bộ điều khiển cấp dưới điều khiển máy sản xuất hoặc công đoạn sản xuất độc lập tương đối. Hệ thống mạng này thường sử dụng các chuẩn mạng DeviceNet, Profibus, Foundation Fieldbus. Mô hình truyền thông sử dụng có thể là master/slave hoặc peer to peer. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5 + Mạng điều khiển: Mạng này thực hiện chức năng liên kết các bộ điều khiển với nhau và với trạm vận hành. Trước đây (và một số hệ thống hiện nay) mạng điều khiển thường dùng giao thức Token Passing, chuẩn mạng là chuẩn kín, riêng của nhà cung cấp, các bộ điều khiển của các nhà cung cấp khác thường không thể kết nối vào chuẩn mạng này. Ngày nay, khi tốc độ và dung lượng đường truyền của mạng Ethernet ngày càng được nâng cao, các vấn đề hạn chế của mạng này cũng dần được giải quyết thoả đáng, xu thế mở và tạo thuận lợi cho khách hàng đã khuyến khích các hãng sử dụng chuẩn Ethernet cho mạng điều khiển. + Mạng vận hành, giám sát chỉ huy: Mạng thực hiện chức năng trao đổi thông tin giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điều hành, quản lý nhà máy để cập nhập các thông tin về tình hình sản xuất cũng như các mệnh lệnh sản xuất. Trước đây và bây giờ, chuẩn mạng thường dùng vẫn là chuẩn Ethernet. 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS Một hệ DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc liên kết với một phần của cấp quản lý và điều hành sản xuất thông qua hệ thống quản lý thông tin của cấp này để tích hợp vào các hệ thống quản lý sản xuất, quản lý thông tin và phối hợp quản lý trên diện rộng như SAP, PRM,… Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân bố thiết bị xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử dụng các mạng truyền thông công nghiệp để kết nối và trao đổi thông tin. Sơ đồ cấu trúc tiêu biểu cho một hệ thống điều khiển phân tán như Hình 1-3. 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến Lớp chấp hành cảm biến bao gồm các bộ vào/ra phân tán để ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý sơ bộ trước khi chuyển lên cấp điều khiển. Sensor có các chức năng chính là thu thập dữ liệu quá trình, có khả năng truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lỗi. Sensor thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dữ liệu về các đại lượng vật lý của quá trình cần đo như nhiệt độ, tốc độ, độ PH,… từ hiện trường, mã hoá các dữ liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6 này rồi truyền tới các thiết bị khác thông qua mạng truyền thông. Ngoài ra sensor thông minh còn có khả năng tự hiệu chuẩn, tự chuẩn đoán lỗi, các hỏng hóc có thể gặp phải để phát ra các cảnh báo cần thiết. Cấp quản lý SX Lưu trữ PC PC Quản lý thông tin mạng giám sát – chỉ huy Cấp vận hành, giám sát-chỉ huy OPC Trạm vận hành Trạm vận hành Trạm vận hành mạng điều khiển px2 mạng điều khiển px1 Cấp điều khiển Controller Controller Controller IPC mạng thiết bị (bus trường) mạng thiết bị (bus trường) Cấp trường SC A SC A Trạm (cảm biến-chấp hành) máy sx công I/O đoạn sx Smart actuator PLC Smart sensor Smart sensor Smart actuator Hình 1-3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thể có các PLC, các máy tính công nghiệp điều khiển máy sản xuất hoặc một công đoạn sản xuất tương đối độc lập. Cấp chấp hành cảm biến cung cấp các giao diện sau: * Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tương tự (như áp suất, nhiệt độ, ..) và các vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyển mạch, liên động,..). * Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuẩn Bus trường như: Foundation Fieldbus, Profibus, HART. Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin trực tiếp với bộ điều khiển trên một đường truyền thông số duy nhất. * Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua một số card giao diện truyền thông. Thông thường được nối với giao diện vào/ra và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7 trong một số trường hợp có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển. Các PLC kết nối với hệ DCS được gọi là các Subsystems. 1.2.1.2. Cấp điều khiển Cấp điều khiển bao gồm các bộ điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển của toàn nhà máy. Bên cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năng truyền thông với cấp cảm biến chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào sau đó xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điều khiển và gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị chấp hành ở cấp cảm biến chấp hành. Các bộ điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều khiển. 1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy Cấp vận hành, giám sát chỉ huy bao gồm các trạm vận hành, cung cấp giao diện cho người vận hành với quá trình. Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình một cách sinh động và trực quan. 1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin Hệ thống quá lý thông tin là một phần trong cấp điều hành và quản lý sản xuất. Hệ thống này bao gồm 3 lớp con: Lớp Gateway: dựa trên chuẩn OPC (OLE for Process Control), cho phép tất cả các máy tính đều có thể kết nối với các hệ DCS có hỗ trợ OPC. Lớp gateway phục vụ việc trao đổi dữ liệu với các bộ điều khiển của phân xưởng, công đoạn khác. Lớp Database: Đọc dữ liệu từ các bộ điều khiển thông qua Gateway OPC và lưu trữ dưới một định dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle,… Lớp Management: Lớp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới mạng các templates bao gồm: lập báo cáo, quản lý theo mẻ, tính toán theo công thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá trình,… Lớp quản lý sẽ đọc dữ liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các bộ điều khiển thông qua gateway OPC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn