bài giảng hệ thống điều khiển phân tán

88 337 0
bài giảng hệ thống điều khiển phân tán

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Bài ging H thng điu khin phân tán Lecture Notes Distributed Control Systems - PHN 1 - TS. Hoàng Minh Sn B MÔN IU KHIN T NG, KHOA IN I HC BÁCH KHOA HÀ NI MC LC 1 NHP MÔN 1 1.1 Phm vi đ cp 1 1.2 Ni dung chng trình 1 1.3 Yêu cu kin thc c s 1 1.4 Phng pháp hc và đánh giá kt qu 2 1.5 Tng quan các gii pháp điu khin 2 1.5.1 c trng các lnh vc ng dng điu khin 2 1.5.2 Các h thng điu khin công nghip 3 1.5.3 H điu khin phân tán 4 2 CU TRÚC CÁC H THNG IU KHIN VÀ GIÁM SÁT 5 2.1 Cu trúc và các thành phn c bn 5 2.2 Mô hình phân cp 6 2.2.1 Cp chp hành 7 2.2.2 Cp điu khin 7 2.2.3 Cp điu khin giám sát 8 2.3 Cu trúc điu khin 8 2.3.1 iu khin tp trung 8 2.3.2 iu khin tp trung vi vào/ra phân tán 9 2.3.3 iu khin phân tán 10 2.3.4 iu khin phân tán vi vào/ra phân tán 11 3 CÁC THÀNH PHN CA MT H IU KHIN PHÂN TÁN 13 3.1 Cu hình c bn 13 3.1.1 Trm điu khin cc b 14 3.1.2 Bus trng và các trm vào/ra t xa 15 3.1.3 Trm vn hành 16 3.1.4 Trm k thut và các công c phát trin 18 3.1.5 Bus h thng 18 3.2 Phân loi 20 3.2.1 Các h DCS truyn thng 20 3.2.2 Các h DCS trên nn PLC 20 3.2.3 Các h DCS trên nn PC 23 3.3 Các vn đ k thut 24 4 X LÝ THI GIAN THC VÀ X LÝ PHÂN TÁN 26 4.1 Mt s khái nim c bn 26 4.1.1 H thng thi gian thc 26 4.1.2 X lý thi gian thc 26 4.1.3 H điu hành thi gian thc 27 4.1.4 X lý phân tán 29 4.2 Các kin trúc x lý phân tán 29 4.3 C ch giao tip 30 4.4 ng b hóa trong x lý phân tán 31 4.4.1 ng b hóa các tín hiu vào/ra 31 4.4.2 ng b hóa thi gian 32 5 CÔNG NGH I TNG TRONG IU KHIN PHÂN TÁN 33 5.1 Lp trình hng đi tng 33 5.2 Phân tích và thit k hng đi tng 33 5.2.1 Ngôn ng mô hình hóa thng nht UML 34 5.2.2 Mu thit k 35 5.2.3 Phn mm khung 35 5.3 Phn mm thành phn 36 5.4 i tng phân tán 37 6 KIN TRÚC I TNG PHÂN TÁN 39 6.1 Yêu cu chung 39 6.2 Các mu thit k 39 6.3 Gii thiu chun CORBA 40 6.4 Gii thiu chun COM/DCOM 41 6.4.1 Giao din 42 6.4.2 i tng COM 43 6.4.3 Giao tip gia client và object 45 6.4.4 Ngôn ng mô t giao din 47 6.4.5 Mô hình đi tng thành phn phân tán DCOM 47 7 CÁC MÔ HÌNH NG DNG IU KHIN PHÂN TÁN 49 7.1 IEC-61131 49 7.1.1 Mô hình phn mm 49 7.1.2 Mô hình giao tip 50 7.2 IEC-61499 52 7.2.1 Mô hình h thng 52 7.2.2 Mô hình thit b 53 7.2.3 Mô hình tài nguyên 53 7.2.4 Mô hình ng dng 55 7.2.5 Mô hình khi chc nng 55 7.2.6 Mô hình phân tán 57 7.2.7 Mô hình qun lý 58 7.2.8 Mô hình trng thái hot đng 58 7.3 IDA 59 8 MT S CHUN GIAO TIP CÔNG NGHIP 60 8.1 MMS 60 8.2 IEC-61131-5 63 8.2.1 Mô hình giao tip mng 63 8.2.2 Dch v giao tip 64 8.2.3 Các khi chc nng giao tip 65 8.3 OPC 66 8.3.1 Tng quan v kin trúc OPC 66 8.3.2 OPC Custom Interfaces 69 8.3.3 OPC Automation Interface 70 8.4 Ngôn ng đánh du kh m XML 70 8.4.1 Gii thiu chung 70 8.4.2 ng dng XML trong phn mm khung iPC 71 9 MÔ T H THNG IU KHIN PHÂN TÁN 74 9.1 Các phng pháp mô t đ ha 74 9.2 Lu đ P&ID 75 9.2.1 Chun ISA S5.1 75 9.2.2 Chun ISA S5.3 79 9.3 Mô hình hóa hng đi tng 81 Tài liu tham kho 82 DANH MC HÌNH V Hình 1-1: Lch s phát trin các gii pháp điu khin 3 Hình 2-1: Các thành phn c bn ca mt h thng điu khin và giám sát 5 Hình 2-2: Mô hình phân cp chc nng ca mt h thng điu khin và giám sát 7 Hình 2-3: Cu trúc điu khin tp trung vi vào/ra tp trung 9 Hình 2-4: Cu trúc điu khin tp trung vi vào/ra phân tán 10 Hình 2-5: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra tp trung 11 Hình 2-6: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra phân tán 12 Hình 3-1: Cu hình c bn mt h điu khin phân tán 13 Hình 3-2: M s hình nh t điu khin DCS 16 Hình 3-3: Các phng pháp b trí trm vn hành 17 Hình 3-4: Cu hình tiêu biu mt h điu khin phân tán hin đi 19 Hình 3-5: Các thành phn chc nng chính ca mt PLC 22 Hình 5-1: Mô hình hóa mt h thng điu khin s dng UML 35 Hình 6-1: Các mu thit k giao tip gia client và đi tng server 40 Hình 6-2: Cu trúc mô hình CORBA 41 Hình 6-3: Mô hình mt đi tng COM 43 Hình 6-4: S thc thi con tr giao din 44 Hình 6-5: Giao tip gia đi tng và khách hàng 46 Hình 6-6: Giao tip gia hai đi tng 46 Hình 6-7: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên cùng quá trình 46 Hình 6-8: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên hai quá trình khác nhau 47 Hình 6-9: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên hai máy khác nhau vi DCOM 48 Hình 7-1: Giao tip bên trong chng trình 50 Hình 7-2: Giao tip gia các chng trình trong cùng mt cu hình bng bin toàn cc 50 Hình 7-3: Giao tip qua khi chc nng 51 Hình 7-4: Giao tip qua đng dn truy cp 51 Hình 7-5: Mô hình h thng theo IEC 61499 52 Hình 7-6: Mô hình thit b theo IEC 61499 (ví d thit b 2 trong Hình 7-5 53 Hình 7-7: Mô hình tài nguyên 54 Hình 7-8: Mô hình ng dng 55 Hình 7-9: Mô hình khi chc nng 56 Hình 8.1: Mô hình giao tip mng theo IEC 61131-5 64 Hình 8.2: Kin trúc s lc ca OPC 67 Hình 8.3: Kin trúc Client/Server trong OPC 68 Hình 8.3: OPC Custom Interfaces 69 Hình 8.4: Mô hình phát trin iPC 72 Hình 9.1: Lu đ chi tit mt vòng điu khin áp sut (bên trái) và lu đ đn gin hóa (bên phi) 79 © 2002, Hoàng Minh Sn 1 1 NHP MÔN 1.1 Phm vi đ cp Phm vi đ cp ca môn H thng điu khin phân tán là các h thng t đng hoá hin đi có cu trúc phân tán trong công nghip cng nh trong nhiu lnh vc khác. Môn hc đc xây dng trên c s ng dng các tin b mi nht ca k thut điu khin, k thut truyn thông công nghip, công ngh phn mm vào trong các h thng điu khin và giám sát. Mc đích ca môn hc cho sinh viên làm quen vi cu trúc và các thit b phn cng cng nh các thành phn phn mm ca các h thng điu khin và giám sát hin đi, nm đc các nguyên tc và phng pháp c bn cho hng gii quyt nhng bài toán thng đc đt ra trong thc t nh thit k cu trúc h thng, tích hp h thng, đa vào vn hành và chn đoán h thng. Bên cnh đó, môn hc đa ra các hng nghiên cu lý thuyt và ng dng mi, to c s cho các sinh viên mun tip tc hc và nghiên cu  các bc sau đi hc. 1.2 Ni dung chng trình Ni dung bài ging bao gm các ch đ chính sau: • Cu trúc các h thng điu khin và giám sát: Mô hình phân cp, các thành phn chc nng c bn, mô t h thng • C s tin hc: X lý phân tán, công ngh hng đi tng, phn mm thành phn • Các h thng điu khin phân tán truyn thng (DCS): Cu trúc h thng, các thành phn h thng, phng pháp phát trin h thng, gii thiu mt s h DCS tiêu biu. • Các h thng điu khin phân tán trên nn PLC (PLC-based DCS) • Các h thng điu khin phân tán trên nn PC (PC-based DCS) • H thng điu khin giám sát và thu thp d liu (SCADA): Cu trúc h thng, công c phn mm, thit k giao din ngi-máy • Các chun giao tip công nghip: MMS, OPC, XML • Các hng nghiên cu và ng dng. 1.3 Yêu cu kin thc c s Phn ln ni dung các bài ging mang tính cht tng hp, liên môn, giành cho sinh viên nm cui. Bên cnh các môn c s chuyên ngành, yêu cu hc viên phi nm vng kin thc c bn trong các môn hc sau: © 2002, Hoàng Minh Sn 2 • iu khin s • Mng truyn thông công nghip • K thut lp trình C++ (hng đi tng) Bên cnh bài ging, phn ln các tài liu tham kho cho môn hc đc tp hp trong mt đa CD đ các hc viên có th t sao chép. 1.4 Phng pháp hc và đánh giá kt qu Bài ging H thng điu khin phân tán đc xây dng cho 4 hc trình (48 tit), trong đó: • 36 tit bài ging • 4 tit thc hành và tho lun trên PTN (hai bui) • 8 tit tiu lun (vit, trình bày và tho lun) Khuyn khích hình thc tho lun ti ch, vit và thuyt minh tiu lun theo mt đ tài t chn. im các bài tiu lun đc đánh giá tính “bonus” cho đim thi hc k. K thi hc k đc tin hành di hình thc trc nghim, không cho phép s dng tài liu. 1.5 Tng quan các gii pháp điu khin 1.5.1 c trng các lnh vc ng dng điu khin Khi xây dng mt gii pháp điu khin, ta phi quan tâm ti qui mô và đc thù ca lnh vc ng dng. Mt vài lnh vc ng dng tiêu biu và các gii pháp điu khin đc thù tng ng đc tóm tt di đây. • iu khin các thit b và máy móc đn l (công nghip và gia dng): Các máy móc, thit b đc sn xut hàng lot, vì vy yêu cu đu t cho gii pháp điu khin phi tht tit kim (chng trình nh, tn ít b nh). Các bài toán điu khin có th rt khác nhau, t điu khin logic ti điu khin phn hi, điu khin chuyn đng, điu khin m,… Các gii pháp điu khin tiêu biu là điu khin nhúng (µP, µC), CNC, PLC, • T đng hóa công nghip, đc chia ra hai lnh vc: - Công nghip ch bin, khai thác: Các bài toán điu khin tiêu biu là điu khin quá trình (process control), điu khin trình t (sequence control), bên cnh điu khin logic. Các thit b đc dùng ph bin là PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controllers. - Công nghip ch to, lp ráp: Các bài toán điu khin tiêu biu là điu khin logic, điu khin chuyn đng, điu khin s kin ri rc. Các thit © 2002, Hoàng Minh Sn 3 b đc dùng ch yu là PLC, CNC, PC. Nay các h DCS cng tìm đc mt s ng dng trong lnh vc này. • iu khin các h thng giao thông, vn ti: c thù là các bài toán điu khin logic, điu khin s kin ri rc. Các thit b đc dùng là PLC, DCS, PC, µP, µC, • iu khin các h thng phân phi nng lng (du khí, gas, đin): Kt hp gia các bài toán điu khin quá trình vi điu khin s kin ri rc, điu khin logic, s dng PLC, DCS, IPC, • T đng hóa tòa nhà: Rle, PLC, µp, µC, • iu khin và giám sát các h thng quc phòng: IPC, µP, µC, DSP và các thit b đc chng khác. • iu khin và giám sát các h thng thy li, môi trng: PLC, IPC, • 1.5.2 Các h thng điu khin công nghip Chng trình hc đt trng tâm vào các gii pháp điu khin công nghip, chia làm hai lnh vc ng dng c bn: • Công nghip ch bin, khai thác (Process Industry): Du khí, hóa du, hóa m phm, dc phm, xi mng, giy, • Công nghip ch to, lp ráp (Manufactoring Industry): Công nghip ôtô, máy công c, công nghip đin t, vi đin t, thit b dân dng, Hình 1-1: Lch s phát trin các gii pháp điu khin IU KHIN LIÊN TC/TRÌNH T IU KHIN RI RC/LOGIC Các b điu khin c B điu khin PID khí nén (1920-1930) B điu khin PID đin t (1940-1950) Direct Digital Controller DDC (K tp trung, 1965-1975) Compact Digital Controller DCS PLC-based DCS PC-based DCS DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS Các h điu khin c Programmable Logic Controller ( PLC ) , 1970 Rle đin © 2002, Hoàng Minh Sn 4 1.5.3 H điu khin phân tán H điu khin phân tán (Distributed Control System, DCS) là mt khái nim xut x t các ngành công nghip ch bin, ch các h thng điu khin quá trình tích hp trn vn ca mt nhà sn xut. Ngày nay, khái nim DCS đc hiu vi ngha rng hn nhiu, đ ch tt c các h thng điu khin tích hp toàn din có cu trúc điu khin phân tán. Vì th, ng dng các h điu khin phân tán không nhng ph bin trong công nghip ch bin, mà còn lan rng sang các lnh vc khác. Các h DCS ngày nay chim khong 12% th phn trong c th trng t đng hóa. Kin trúc và các gii pháp điu khin công nghip cng đc áp dng rng rãi trong các lnh vc ng dng khác. Vì th, các ni dung đ cp trong chng trình cng mang tính tng quát, có th áp dng ngoài các ng dng công nghip. Ví d, các h thng điu khin và giám sát h thng giao thông, vn ti (đng b, đng st hoc hàng không) hoc h thng phân phi nng lng cng đu là các lnh vc thích hp ng dng phng pháp điu khin phân tán. [...]... v n k thu t d i ây óng vai trò c bi t quan tr ng khi nghiên c u v các h i u khi n phân tán, s c c p chi ti t trong các ph n sau Ki n trúc x lý phân tán (distributed processing): C u trúc phân tán v m t v t lý ( a lý) d n n phân tán v m t x lý thông tin X lý phân tán là m t khái ni m vay m n t l nh v c tin h c X lý phân tán khác v i x lý c c b và khác v i x lý n i m ng tính th ng nh t, xuyên su t trong... t ng th c a h th ng Ch c n ng i u khi n trong m t h i u khi n phân tán c th c hi n d i d ng m t ng d ng phân tán Các v n c a x lý phân tán Phân chia và ph i h p nhi m v Giao ti p gi a các tr m ng b hóa các quá trình x lý phân tán D phòng, kh c ph c l i 4.2 Các ki n trúc x lý phân tán Ki n trúc Master/Slave Các ch c n ng x lý thông tin c phân chia trên nhi u tr m t M t tr m ch ph i h p ho t ng c a nhi... lý phân tán X lý phân tán giúp nâng cao n ng l c x lý thông tin c a m t h th ng, góp ph n c i thi n tính n ng th i gian th c, nâng cao tin c y và tính linh ho t c a h th ng Phân bi t các khái ni m: X lý c c b - ng d ng n c X lý c nh tranh - ng d ng a nhi m X lý t p trung - ng d ng t p trung X lý n i m ng - ng d ng m ng X lý phân tán - ng d ng phân tán C n phân bi t rõ gi a ng d ng m ng và ng d ng phân. .. có c u trúc i u khi n phân tán, hay c g i là các h i u khi n phân tán (H KPT) © 2002, Hoàng Minh S n 10 PHÒNG I U KHI N TRUNG TÂM MTGS MTGS bus h th ng MT K 1 A S MT K 2 A A S HI N TR Phân o n 1 MT K n PHÒNG I U KHI N C C B S NG Phân o n 2 Phân o n n Hình 2-5: C u trúc i u khi n phân tán v i vào/ra t p trung u th c a c u trúc i u khi n phân tán không ch d ng l i linh ho t cao h n so v i c u trúc t p... PHÒNG I U KHI N C C B bus tr I/O I/O A S S A HI N TR Phân o n 1 ng A NG Phân o n 2 Phân o n n Hình 2-6: C u trúc i u khi n phân tán v i vào/ra phân tán © 2002, Hoàng Minh S n 12 3 CÁC THÀNH PH N C A M T H I U KHI N PHÂN TÁN 3.1 C u hình c b n C u hình c b n m t h i u khi n phân tán c minh h a trên Hình 3-1, bao g m các thành ph n sau: Các tr m i u khi n c c b (local control station, LCS), ôi khi còn... a h th ng c nâng cao nh s phân tán ch c n ng xu ng các c p d i Vi c phân tán ch c n ng x lý thông tin và ph i h p i u khi n có s giám sát t các tr m v n hành trung tâm m ra các kh n ng ng d ng m i, tích h p tr n v n trong h th ng nh l p trình cao c p, i u khi n trình t , i u khi n theo công th c và ghép n i v i c p i u hành s n xu t 2.3.4 i u khi n phân tán v i vào/ra phân tán L u ý r ng Hình 2-5 ch... a c u trúc c b n trên Hình 2-1 tìm th y trong các gi i pháp th c t khác nhau s phân b ch c n ng i u khi n c ng nh s phân b v trí các máy tính quá trình và ph ki n c l a ch n C n c vào ó, ta có th phân bi t gi a c u trúc i u khi n t p trung và c u trúc i u khi n phân tán, c u trúc vào/ra t p trung và c u trúc vào/ra phân tán 2.3.1 i u khi n t p trung C u trúc tiêu bi u c a m t h i u khi n t p trung... quan tr ng Vi c phân tán ch c n ng x lý thông tin, ch c n ng i u khi n theo b r ng c ng nh theo chi u sâu là ti n cho ki n trúc “trí tu phân tán (distributed intelligence) trong t ng lai © 2002, Hoàng Minh S n 11 MTGS MTGS bus h th ng PHÒNG I U KHI N TRUNG TÂM MT K 1 bus tr ng MT K 2 bus tr I/O S MT K n ng PHÒNG I U KHI N C C B bus tr I/O I/O A S S A HI N TR Phân o n 1 ng A NG Phân o n 2 Phân o n n Hình... n phân tán hi n i Bên c nh các thành ph n ã mô t , m t c u hình tiêu bi u th ng có thêm m t s tr m server, máy tính phân tích, máy in, m t s b i u khi n c c b chuyên d ng, Factory Server LAB OS ES OS SS SYSTEM BUS Control Station 1 Control Station n Control Station 2 FIELDBUS I/O S Controller A S A A S A I/O Controller I/O S A Controller I/O S S Motor Control Center A Phân o n 1 S A Phân o n n Phân. .. trung Tuy nhiên, ta c ng có th s d ng bus tr ng th c hi n c u trúc vào/ra phân tán nh trên Hình 2-6 Khi ó, máy tính i u khi n có th t t i phòng i u khi n trung tâm ho c t i các phòng i u khi n c c b , tùy theo qui mô c a h th ng và kh n ng kéo dài c a bus tr ng Gi i pháp s d ng các h i u khi n phân tán v i c u trúc vào/ra phân tán và các thi t b tr ng thông minh chính là xu h ng trong xây d ng các h . khin tp trung vi vào/ra phân tán 9 2.3.3 iu khin phân tán 10 2.3.4 iu khin phân tán vi vào/ra phân tán 11 3 CÁC THÀNH PHN CA MT H IU KHIN PHÂN TÁN 13 3.1 Cu hình c bn. 2-5: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra tp trung 11 Hình 2-6: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra phân tán 12 Hình 3-1: Cu hình c bn mt h điu khin phân tán 13 Hình 3-2: M s. khin phân tán Trong đa s các ng dng có qui mô va và ln, phân tán là tính cht c ha ca h thng. Mt dây chuyn sn xut thng đc phân chia thành nhiu phân đon, có th đc phân

Ngày đăng: 23/12/2014, 11:59

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan