Hệ thống ₫iều khiển phân tán-Chương 5: Kiến trúc PC-based pot

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 1Chương 1
Hệ thống
₫iềukhiểnphân tán
8/27/2005
Chương 5: Kiến trúc PC-based
Control
2
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
5.1 Tạisaosử dụng giải pháp PC
5.2 Các vấn đề cơ bản của giải pháp PC
5.3 Cấu hình cơ bảnmột hệ PC-based Control
Các loạigiải pháp khác nhau
5.4 Hệ điều khiển phân tán trên nền PC
5.5 Các điểmmấuchốt trong kiến trúc PC-based
Control
3
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
 Hiệunăng tính toán cao với giá thành thấp, chu kỳđiều
khiểncóthể xuống tới1ms
 Kiếntrúcmáytínhphổ thông, quen thuộc
 Tính năng mở
–Hệđiều hành thông dụng
–Nốimạng đơn giản
–Lậptrìnhtự do, công cụ lậptrìnhmạnh
–Sử dụng các thành phầnchuẩn(off-the-shelf components) =>

component-based system (khác với integrated system)
 Có thể kếthợpcácchứcnăng điềukhiển cơ sở, điều
khiểncaocấpvàvận hành-giám sát (all-in-one system),
 Dễ dàng ghép nốivớicácứng dụng cấptrên
 Độ tin cậyngàycàngđượccảithiện
 Ghép nối vào/ra đơn giản qua bus trường
5.1 Tại sao sử dụng giải pháp IPC?
4
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Thị trường PC-based Control ở châu Âu
(Theo
Computerzeitung 5/1998
)
165.3
345
665.4
78.7
0
100
200
300
400
500
600
700
1998 2000 2002 2004
Doanh số dự báo (Triệu USD)
5

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Các phạmvi ứng dụng tiêu biểu
 Các dây chuyềnchế tạo, lắpráp, đóng bao:
– Thay thế giải pháp PLC truyềnthống => Slot-PLC, Soft-PLC
–Kếthợpchứcnăng điềukhiểnvàvận hành-giám sát tạichỗ
– Độ tin cậy không phảilàvấn đề đáng lo ngại
 Điềukhiển chuyển động:
– Thay thế giải pháp CNC truyềnthống => Soft-CNC
– Điềukhiểntaymáy
 Điềukhiểnmột nhóm thiếtbị, máy móc đơn lẻ
 Điềukhiển quá trình: công nghệ thựcphẩm, dược
phẩm, xử lý nướcsạch, nướcthải, CN bán dẫn,
 SCADA
Ö Khả năng xử lý nhanh, hỗnhợp, linh hoạt, dễ tích
hợp HMI và các chứcnăng cao cấp
6
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
5.2 Các vấn ₫ề cơ bản củagiảiphápPC
 Nâng cao độ tin cậy:
–Sử dụng các chủng loại PC công nghiệphoặcítraphảilàPC có
thương hiệutin cậy
–Nếucóthể, nên sử dụng FlashROM thay cho đĩacứng
–Cầnhệđiều hành tốt, hoạt động ổn định
–Loạitrừ hoàn toàn các chương trình ứng dụng khác
–Cầngiải pháp dự phòng nóng trong trường hợpcầnthiết
 Đảmbảotínhnăng thờigianthực:

–Hệđiều hành thờigianthựchoặcítralà HĐH đa nhiệmcóđáp
ứng phần cơ bảnvề tính năng thờigianthực (quan trọng nhất:
chu kỳđiềukhiểnvà độ rung, jitter)
 Lậptrìnhthuậntiện
–Nếu dùng ngôn ngữ bậc cao: cầnthư việnmạnh, dễ sử dụng
–Tốthơnhết: công cụ lậptrìnhtrực quan + phầnmềm khung
7
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
5.3 Cấuhìnhcơ bản
MTĐK
Bus trường, bus thiếtbị
A S A S
A S A S
I/O I/O
Desktop-PC
PC-104
CompactPCI
Single Board Computer
 Bắtbuộcsử dụng vào/ra từ xa hoặcthiếtbị bus trường
8
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Slot-PLC, Embedded PLC
 PC + PLC dướidạng một card ISA/PCI
 PLC cho điềukhiển, PC cho lậptrình& vận hành-
giám sát
 PLC hoạt động độclập, chỉ sử dụng nguồncấptừ PC

 PLC đượccàiđặthệđiều hành TGT
 Lập trình hoàn toàn tương tự như cho PLC thông
thường
 Giao tiếp PC <=> PLC đơn giản qua bus PCI/ISA
 Ưu điểm: gọnnhẹ, tương đốitin cậy
 Nhược điểm:
–Chưalợidụng đượcthế mạnh thựcsự củaPC
–Ítcósự lựachọncáckhối vào/ra
9
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Cấutrúcphầncứng Slot-PLC
CPU
Multiport-
Memory
RAM
EPROM
Power
supply
Bus
driver
CPU RAM
I
n
t
e
r
f
a

c
e
s
PC
Slot-PLC
Monitor
Keyboard
Serial
Parallel
Field bus
PC Bus
Power
supply
A
I/O
S I/O
10
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Mô hình phầnmềmSlot-PLC
PC BIOS + ISA/PCI Interface
PC Operating System
(WinNT, Win200, Linux, )
PLC
Program
SCADA/HMI
Application
Công cụ lậptrìnhPLC
Công cụ SCADA/HMI

PLC
Operating System
ISA/PCI Interface
Ví dụ sảnphẩm:
– Phoenix Contact: PC WORX (sử dụng Interbus)
– Siemens: WinAC, Component-based Automation
11
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Soft-PLC, SoftLogic
 PC thựchiệnvớivaitrònhư mộtPLC
 Yêu cầuphầnmềmchạy(PLC runtime engine)
 Mô hình lập trình hoàn toàn tương tự như cho PLC
thông thường
 Có thể tích hợpchứcnăng ĐK cao cấp, vận hành-
giám sát
 Ưu điểm: gọnnhẹ, rẻ
 Nhược điểm: độ tin cậyphụ thuộcvàoPC
12
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Mô hình phầnmềm Soft-PLC
BIOS
Operating System
(WinNT, WinCE, VxWorks, QNX, RTLinux, )
Runtime Engine
Task Manager
I/O Manager

Library Runtime
Soft PLC
Application
SCADA/HMI
Application
Công cụ lậptrìnhPLC
Công cụ SCADA/HMI
Ví dụ sảnphẩm:
– Softing: 4Control (nhiềuloại bus trường)
– Siemens: WinLC
13
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Mô hình giảipháptự do
MTĐK
Bus trường, bus thiếtbị
A S A S
A S A S
I/O I/O
Công cụ lậptrìnhphổ thông
(với C/C++, Java, Delphi )
+ Phầnmềmgiaodiệnbus
MTGS
LAN
Công cụ lậptrìnhphổ thông
hoặcchuyểndụng
+ Phầnmềmgiaotiếp
14
© 2004, HOÀNG MINH SƠN

Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Mô hình giao tiếp qua COM và OPC
SCADA/HMI
(VB, Delphi, )
Giao diện
COM
PM Điềukhiển
(C, C++, )
SCADA
(WinCC)
PM Điềukhiển
(C, C++, )
SCADA
(iFIX)
OPC
Server
Giao diện COM thông thường:
Hiệusuấtcao
Khótíchhợp các công cụ chuyên dụng
Giao diệnOPC:
Hiệusuấtkhácao
Đanăng
15
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
5.4 Hệ ₫iều khiển phân tán trên nền PC
Field bus
Ethernet

I/O I/O
A S A S
ĐK
ĐK
ĐK
I/O I/O
Data Server
OS
ES
SS

IF
THEN
OS

Mạng Cty
Internet
16
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Máy tính ₫iềukhiển
 Cấuhìnhphầncứng tiêu biểu:
– CPU: Pentium XX, RAM: > 64 MB
– Không cần màn hình
– Đĩacứng hoặcFlashROM
–Giaodiện bus trường (DP, FF, DeviceNet, )
–GiaodiệnLAN
 Cấuhìnhphầnmềmtiêubiểu
–Hệđiều hành: WinCE/NT/2000, VxWorks, QNX, RTLinux

– Control Runtime: Quảnlýtácvụ, vào/ra, chẩn đoán, thư viện
chứcnăng,
–Phầnmềmgiaotiếp: COM/OPC Server
 Phương pháp lậptrình
–Côngcụ chuyên dụng theo IEC 61131-3
–Cóthể sử dụng bổ sung: C/C++, Java,
17
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Trạmvậnhành/Trạmkỹ thuật
 Cấuhìnhphầncứng tiêu biểu:
– CPU: Pentium IV, RAM: > 256 MB
– Màn hình 21" (x 2) cho OS và 19" cho ES
– Dung lượng ổ cứng: > 40GB
–Giaodiện Fast Ethernet
 Cấuhìnhphầnmềmtiêubiểu
–Hệđiều hành: NT/2000/XP
– SCADA Runtime
– COM/OPC Client
– ĐốivớiES: Côngcụ lập trình, công cụ SCADA,
 Phương pháp tạo ứng dụng
–Côngcụ SCADA/HMI chuyên dụng, độclập
–Cóthể sử dụng bổ sung: C/C++, Java,
18
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
Dự phòng máy tính ₫iềukhiển
Bus trường

Ethernet-TCP/IP
DCOM
Tích cực/
Dự phòng
Tích cực/
Dự phòng
ĐKĐK
19
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
5.5 Các ₫iểmm
ấ
uchốtcủaki
ế
ntrúc
PC-based Control
 Kiếntrúchệ thống:
–Mở, xây dựng trên cơ sở các thành phầnchuẩnhóa, off-the-
shelf-components
– Điềukhiển phânt tán hoặctập trung đều phù hợp
–Chứcnăng điềukhiểnchủ yếutrênPC
–Giaotiếp qua các chuẩn công nghiệp
 Phát triểnhệ thống: Thông thường riêng biệtchotừng
phần(trừ giải pháp PC-based DCS)
 Giao diện quá trình:
–Chủ yếudựa trên công nghệ bus trường (vào/ra từ xa hoặcsử
dụng trựctiếpthiếtbị bus trường
–VớiPC cócấu trúc module (ví dụ PC-104) có thể sử dụng
vào/ra tập trung cho ứng dụng qui mô nhỏ

20
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
© 2005 - HMS
DCS, PLC hay PC?
DCS PLC PC
Qui mô ứng dụng vừa/lớnvừa/nhỏ vừa/nhỏ
Thời gian >100ms > 20ms > 1ms
Điềukhiểnliêntụcrờirạclai
Tính sẵn sàng ++ + +/o
Giá thành cao vừaphảivừaphải
Phát triển++++/++
Tính năng mở oo++
Chủđộng o + ++