HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN PHÂN TÁN - CHƯƠNG 7 ppt

© 2005, Hoàng Minh Sơn
48
7 CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN
TÁN
7.1 IEC-61131
IEC (International Electrotechnical Commission) là một tổ chức toàn cầu bao
gồm các hội đồng ở các quốc gia. Mục tiêu của tổ chức này là thúc đẩy công
việc chuẩn hoá trong lĩnh vực điện và điện tử.
IEC 61131 là tiêu chuẩn về bộ điểu khiển khả trình PLC và các thiết bị
ngoại vi đi kèm với nó. Chuẩn IEC 61131 bao gồm 9 phần, trong đó các phần
1 đến 5 là quan trọng nhất:
• Phần 1 (General Information):
Đưa ra các định nghĩa chung và các đặc
tính chức năng tiêu biểu cho mỗi hệ thống điều khiển sử dụng PLC, ví
dụ cơ chế thực hiện tuần hoàn, ảnh quá trình, thiết bị lập trình và giao
diện người-máy.
• Phần 2 (Equipment requirements): Đặt ra các yêu cầu điện học, cơ học và
chức năng cho các thiết bị; định nghĩa phương pháp kiểm tra và thử
nghiệm các kiể
u thiết bị tương ứng. Các yêu cầu được định nghĩa là
nhiệt độ, độ ẩm, cung cấp nguồn, độ kháng nhiễu, phạm vi tín hiệu logic
và sức bền cơ học của các thiết bị.
• Phần 3 (Programming languages): Định nghĩa các ngôn ngữ lập trình cho
các thiết bị điều khiển khả trình. Ngoài ba ngôn ngữ kinh điển là biểu đồ
hình thang (Ladder Diagram, LD), biểu đồ khối chứ
c năng (Function Block
Diagram, FBD) và liệt kê lệnh (Instruction List, IL), và một ngôn ngữ bậc
cao kiểu văn bản có cấu trúc (Structured Text, ST) thì một phương pháp
lập trình đồ họa phục vụ biểu diễn các thuật toán điều khiển trình tự là
SFC (Sequential Function Chart) cũng đã được chuẩn hóa.

• Phần 4 (Guidelines for users): Đưa ra các nguyên tắc chỉ đạo cho người
sử dụng trong các quá trình của một dự án, từ phân tích hệ th
ống cho
tới lựa chọn thiết bị, vận hành và bảo trì hệ thống.
• Phần 5 (Communication): Đề cập tới phương pháp truyền thông giữa các
PLC cũng như giữa PLC và một thiết bị khác trên cơ sở các khối hàm
chuẩn. Các dịch vụ truyền thông này mở rộng chuẩn ISO/IEC 9506-1/2,
thực chất là một tập con trong các dịch vụ được qui định trong MMS.
7.1.1 Mô hình phần mềm
Mỗi PLC tại một thời điểm bất kỳ chỉ có một cấu hình (configuration) nào
đó. Một cấu hình bao gồm một hay nhiều tài nguyên (resource) bên trong đặc
trưng cho khả năng xử lý tín hiệu của PLC. Mỗi tài nguyên bao gồm ít nhất
một chương trình (program) hoạt động dưới sự điều khiển của tác vụ (task).
Chương trình được xây dựng nên từ các khối chức nă
ng (function block) hoặc
các yếu tố ngôn ngữ khác (có cả thảy 5 ngôn ngữ lập trình được định nghĩa

© 2005, Hoàng Minh Sơn
49
trong phần này). Các biến toàn cục (global variable) và lối truy cập (access
path) là những cơ chế giao tiếp trong chương trình và giữa các tài nguyên với
nhau.

Hình 7-1: Mô hình phần mềm theo IEC 61131-3
7.1.2 Mô hình giao tiếp
Như biểu diễn trong Hình 7-2, giá trị của biến có thể được truyền trực tiếp
trong nội bộ chương trình bằng cách kết nối đầu ra của đơn vị ngôn ngữ này
tới đầu vào của đơn vị ngôn ngữ khác. Mối liên kết này được biểu diễn một
cách trực quan trong các ngôn ngữ đồ họa hoặc ẩn trong các ngôn ngữ văn
bản.

Hình 7-2: Giao tiếp bên trong chương trình
Giá trị của biến cũng có thể được truyền giữa các chương trình trong cùng
một cấu hình thông qua biến toàn cục kiểu như biến x biểu diễn trong Hình
7-3. Biến này được khai báo là EXTERNAL đối với tất cả các chương trình sử
dụng nó.

CONFIGURATION
RESOURCE
TASK TASK
PROGRAM
PROGRAM
FB FB
RESOURCE
TASK TASK
PROGRAM
PROGRAM
FB FB
GLOBAL and DIRECTLY REPRESENTED VARIABLES
and INSTANCE-SPECIFIC INITIALIZATIONS
ACCESS PATHS
Execution control path
Variable access paths
FB
Function block
Variable
or
Communication function (See IEC 1131-5)
FB1 FB2
ab

© 2005, Hoàng Minh Sơn
50
PROGRAM A
FB_X
a
FB1
PROGRAM B
FB_Y
b
FB2
x
x
VAR_GLOBAL
x: BOOL;
END_VAR
VAR_EXTERNAL
x: BOOL;
END_VAR
VAR_EXTERNAL
x: BOOL;
END_VAR
CONFIGURATION C

Hình 7-3: Giao tiếp giữa các chương trình trong cùng một cấu hình
bằng biến toàn cục
Hình 7-4 biểu diễn cách giao tiếp đa năng nhất thông qua khối chức năng
giao tiếp. Chi tiết về loại khối chức năng này được mô tả trong IEC 61131-5, ở
đây chỉ lưu ý rằng, sử dụng khối chức năng truyền thông, giá trị của biến có
thể được truyền giữa các bộ phận của chương trình, giữa các chương trình
trong cùng một cấu hình hay trong các cấu hình khác nhau, thậm chí giữa

ch
ương trình chạy trong PLC với các hệ thống khác không phải PLC.


Hình 7-4: Giao tiếp qua khối chức năng
Sau cùng, bộ điều khiển khả trình và hệ thống không phải PLC có thể
truyền dữ liệu qua lại thông qua lối truy cập như biểu diễn trong Hình 7-5, sử
dụng các cơ chế định nghĩa trong IEC 61131-5.


PROGRAM
FB
_
FB1
CONFIGURATION C
SEND
send
a
SD1
FB_
b
FB2
CONFIGURATION D
RCV
rcv1
RD1
PROGRAM

â 2005, Hong Minh Sn
51

Hỡnh 7-5: Giao tip qua ng dn truy cp
7.2 IEC-61499
IEC 61499 l tiờu chun liờn quan n vic s dng cỏc khi chc nng vi
t cỏch l cỏc module phn mm trong h thng o lng - iu khin phõn
tỏn. ng t quan im hng i tng, mi khi chc nng c coi l
mt i tng phõn tỏn vi mt chc nng trong h thng. Chun IEC 61499
bao gm 3 phn trong ú phn 1 l quan trng nht. IEC 61499-1 nh ngh
a
kin trỳc chung ca h thng o lng - iu khin, ú khi chc nng
úng vai trũ ct lừi, di dng cỏc mụ hỡnh tham kho. Cú tt c 8 mụ hỡnh
c nh ngha nh trỡnh by di õy.
7.2.1 Mụ hỡnh h thng
Chun IEC mụ t h thng o lng - iu khin quỏ trỡnh cụng nghip
dng mt tp hp cỏc thit b kt ni li v liờn lc vi nhau thụng qua mt
hay nhiu mng truyn thụng nh trong Hỡnh 7-6 di õy. Cỏc mng ny cú
th c t chc theo th bc.
Hỡnh 7-6: Mụ hỡnh h thng theo IEC 61499
PROGRAM A
FB_X
FB1
a
Z
VAR_ACCESS
CSX: P1.Z : REAL READ_ONLY;
PROGRAM B
FB_Y
b
FB2
CONFIGURATION C
CONFIGURATION D

READ
TO_FB2
RD1
'CSX' VAR_1
P1

Hệ thống mạng truyền thông
Quá trình kỹ thuật
Thiết bị 2 Thiết bị 3 Thiết bị 4Thiết bị 1
ứng dụng
A

ứng dụng C
ứng dụng B

â 2005, Hong Minh Sn
52
Mi chc nng c thc hin bi h thng o lng - iu khin c
mụ hỡnh húa bng mt ng dng nh trong hỡnh v trờn. Mt ng dng cú th
nm trong mt thit b duy nht, nh ng dng C trong hỡnh v, hoc phõn
tỏn trờn mt s thit b, nh cỏc ng dng A v B. Vớ d, mt ng dng cú th

cha mt hay nhiu vũng iu khin trong ú vic ly mu u vo c thc
hin bi mt thit b, tớnh toỏn iu khin c thc hin bi thit b khỏc
cũn vic chuyn i u ra li c tin hnh bi thit b th ba.
7.2.2 Mụ hỡnh thit b
Nh biu din trong Hỡnh 7-7, mi thit b cha trong nú ớt nht mt giao
din, ngoi ra cú th cú hoc khụng cha cỏc ti nguyờn v mng khi chc
nng.
Hỡnh 7-7: Mụ hỡnh thit b theo IEC 61499 (vớ d thit b 2 trong Hỡnh

7-6.
Giao din quỏ trỡnh l mt thnh phn ca thit b cú nhim v ỏnh x gia
cp iu khin bờn di (thit b o tng t, thit b vo/ra phõn tỏn, ) v
cỏc ti nguyờn bờn trong thit b. Thụng tin trao i gia cp iu khin bờn
di v cỏc ti nguyờn th hin di dng lung d liu v s kin.
Giao din truyn thụng cng l mt thnh phn ca thit b
cú nhim v
ỏnh x gia mng truyn thụng phớa trờn v cỏc ti nguyờn bờn trong thit b.
Cỏc dch v cung cp bi giao din ny bao gm :
Biu din cỏc thụng tin truyn ti ti nguyờn thnh dng d liu v s
kin
Cung cp cỏc dch v khỏc h tr vic lp trỡnh, t cu hỡnh, dũ li,

7.2.3 Mụ hỡnh ti nguyờn
Chun IEC coi ti nguyờn l mt n v chc nng, cha trong mt thit b
vn cú quyn c lp iu khin hnh vi ca mỡnh. Ti nguyờn cú th c

Liên kết truyền thông
Ti nguyên
X
Quá trình kỹ thuật
Ti nguyên ZTi nguyên Y
ứng dụng C
ứng dụng C
ứng dụng
A
Ranh giới thiết bị
Giao diện truyền thông
Giao diện quá trình
Luồng dữ liệu v sự kiện

â 2005, Hong Minh Sn
53
to ra, t cu hỡnh, th hin bng tham s, khi ng, xúa, m khụng
nh hng n cỏc ti nguyờn khỏc bờn trong thit b.
Chc nng ca ti nguyờn l nhn d liu v/hoc s kin t giao din
truyn thụng hoc giao din quỏ trỡnh, x lý d liu/s kin ú ri gi tr li
d liu/s kin ti giao din truyn thụng/quỏ trỡnh theo yờu cu ca
ng
dng s dng ti nguyờn.

Hỡnh 7-8: Mụ hỡnh ti nguyờn
Nh trong , ti nguyờn c mụ hỡnh húa bao gm cỏc thnh phn sau :
Mt hoc nhiu ng dng cc b (hay thnh phn cc b ca mt ng
dng phõn tỏn). Cỏc bin v s kin c qun lý trong phn ny cỏc
bin u vo, bin u ra, s kin u vo, s kin u ra ca cỏc khi
chc nng thc hin phộp toỏn cn cho ng dng.
Thnh phn ỏnh x quỏ trỡnh
cú nhim v ỏnh x d liu v s kin gia
ng dng v giao din quỏ trỡnh. Nh biu din trong hỡnh, iu ny
c thc hin bi cỏc khi chc nng phc v giao tip. Khi chc
nng phc v giao tip cng l khi chc nng thụng thng nhng
c chuyờn bit húa cho nhim v ny.
Thnh phn ỏnh x truyn thụng cú nhim v ỏnh x
d liu v s kin
gia ng dng v giao din truyn thụng. Nh biu din trong hỡnh, iu
ny cng c thc hin bi cỏc khi chc nng phc v giao tip.
B phn lp lch cú nhim v iu khin s thc thi ca cỏc khi hm
bờn trong ng dng cng nh dũng d liu truyn gia chỳng tuõn theo
nhng yờu cu v thi gian v trỡnh t quyt nh bi s xut hin ca

cỏc s kin, liờn kt gia cỏc khi hm v thụng tin khỏc nh chu k v
mc u tiờn.
7.2.4 Mụ hỡnh ng dng
Mi ng dng c mụ hỡnh húa dng mt mng cỏc khi chc nng
(function block network). Mng ny c cu thnh t cỏc nỳt mng l cỏc

ứ
ng dụng cục bộ
(
ho
ặ
c phần c
ụ
c b
ộ
của ứn
g
d
ụ
n
g
phân tán
á
nh xạ truyền thông
Giao diện truyền thông
Giao diện quá trình
á
nh xạ quá trình
Dữ liệu
S

ự
kiện
Thuật
toán
Các hm dịch vụ
Khối chức
năng giao
diện dịch vụ
Khối chức
năng giao
diện dịch vụ

© 2005, Hoàng Minh Sơn
54
khối chức năng và liên kết giữa các nút mạng là liên kết dữ liệu (data
connections) và liên kết sự kiện (event connections).
Một ứng dụng có thể được phân tán trên nhiều tài nguyên thuộc một hay
nhiều thiết bị. Mỗi tài nguyên sử dụng các mối liên hệ nhân quả chỉ ra bởi
ứng dụng để quyết định phản ứng thích hợp đối với các sự kiện phát sinh từ
giao diện truyền thông, giao diện quá trình, từ trong bản thân chính tài
nguyên đó hoặc từ tài nguyên khác. Các phản ứng này bao gồm :
• Sự lập lịch và thực thi thuật toán (bên trong tài nguyên)
• Việc thay đổi các biến
• Sản sinh các tín hiệu
• Tương tác với giao diện truyền thông và giao diện quá trình
Ứng dụng được định nghĩa bằng cách chỉ ra mối liên hệ giữa các khối chức
năng chứa bên trong nó như minh họa trong hình vẽ, c
ụ thể là chỉ ra luồng sự
kiện (event flow) và luồng dữ liệu (data flow). Chính luồng sự kiện là cái quyết
định việc lập lịch và thực thi của mỗi tài nguyên bên trong ứng dụng.

Hình 7-9: Mô hình ứng dụng
7.2.5 Mô hình khối chức năng
Mỗi khối chức năng thực ra là một biến thể hiện (function block instance)
của một kiểu khối chức năng nào đó (function block type) cũng tương tự như
mỗi đối tượng là một biến thể hiện của một lớp nào đó.
Các đặc tính của khối chức năng:
• Tên biến (là tên của chính khối chức năng đó) và tên kiểu (là tên của
kiể
u khối chức năng mà nó thuộc)
• Một tập các đầu vào sự kiện, dùng để nhận các sự kiện đến từ các liên
kết sự kiện với bên ngoài. Chính các sự kiện đầu vào sẽ ảnh hưởng tới
việc thực thi thuật toán bên trong khối chức năng.
• Một tập các đầu ra sự kiện, dùng để đẩy các sự kiện ra các liên kết sự
kiện với bên ngoài tùy thuộ
c và sự thực thi của thuật toán và một số yếu
tố khác
• Một tập các đầu vào dữ liệu, chúng được ánh xạ tới các biến đầu vào
tương ứng

Luång sù kiÖn
Luång d÷ liÖu
∗ ∗

∗


â 2005, Hong Minh Sn
55
Mt tp cỏc u ra d liu, chỳng c ỏnh x ti cỏc bin u ra
tng ng

D liu ni b, chỳng c ỏnh x ti tp cỏc bin ni b
Cỏc c trng v chc nng, c xỏc nh bng cỏch kt hp gia d
liu ni b vi thut toỏn ca khi ch
c

Hỡnh 7-10: Mụ hỡnh khi chc nng
Thut toỏn bờn trong khi hm, v nguyờn tc, khụng nhỡn thy c t
bờn ngoi, tr phi c ngi cung cp khi hm mụ t theo mt cỏch no ú.
Thờm na, khi hm cú th cha bờn trong nú cỏc bin ni b hay cỏc thụng
tin v trng thỏi tn ti khụng i gia nhng ln gi thut toỏn ca khi
hm nhng chỳng cng khụng truy cp c t bờn ngoi.
Mi kiu khi chc nng l mt yu t ph
n mm ch rừ c tớnh ca tt c
cỏc bin th hin thuc kiu ú, bao gm :
Tờn kiu
S lng, tờn, tờn kiu v trt t ca cỏc u vo s kin v u ra s
kin
S lng, tờn, kiu d liu v trt t ca cỏc bin u vo, bin u ra
v bin ni b
c t kiu kh
i chc nng ngoi phn chung k trờn cũn cú thờm phn
nh ngha chc nng c trng ca khi ph thuc vo loi khi c th. Cú
c thy 3 loi khi chc nng :
Khi chc nng c bn l n v chc nng nh nht, khụng th phõn
chia hn c na
Khi chc nng kt hp (Siờu kh
i) l loi khi chc nng hp thnh t
nhiu khi chc nng khỏc nh hn
Khi chc nng dch v giao tip l loi khi chc nng cung cp cỏc
dch v giao din gia cỏc khi chc nng khỏc vi nhau hoc gia ti

(Lập lịch, ánh xạ truyền thông, ánh xạ quá trình)
Thuật toán
(che giấu)
Tên ki
ể
u
Dữ liệu nội bộ
(che giấu)
Năng lực ti nguyên
Đ
ầu ra dữ liệu
Đ
ầu vo dữ liệu
Đ
ầu ra sự kiện
Đ
ầu vo sự kiện
Tên khối
Điều khiển
thực hiện
(che giấu)
Luồng sự kiện
Luồng sự kiện
Luồng dữ liệu
Luồng dữ liệu

© 2005, Hoàng Minh Sơn
56
nguyên và mạng truyền thông và giữa tài nguyên và quá trình công

nghệ được điều khiển.
Đối với kiểu khối chức năng cơ bản, chức năng đặc trưng của nó được diễn
đạt bằng cách mô tả thuật toán bên trong khối đó hoạt động dựa trên giá trị
của các biến đầu vào, biến đầu ra, biến nội bộ để tạo ra giá trị mới cho các
biến
đầu ra và biến nội bộ như thế nào, cũng như mối liên hệ giữa sự khởi
động, thực thi và kết thúc của thuật toán với sự xuất hiện của các sự kiện tại
đầu vào và sự kiện đầu ra của khối.
Đối với kiểu khối chức năng kết hợp, đặc tả kiểu còn bao gồm các liên kết
dữ liệu và liên kết sự kiện gi
ữa những khối chức năng thành phần bên trong
khối chức năng kết hợp.
Đối với kiểu khối chức năng phục vụ giao tiếp, chức năng đặc trưng được
mô tả bằng cách ánh xạ các dịch vụ cơ bản mà nó cung cấp thành các đầu
vào sự kiện, đầu ra sự kiện, đầu vào dữ liệu, đầu ra dữ liệu của nó.
7.2.6 Mô hình phân tán
Một ứng dụng cụ thể được phân tán bằng cách phân bố các khối chức năng
của nó vào các tài nguyên khác nhau nằm trên một hay nhiều thiết bị. Bởi vì
chi tiết bên trong khối chức năng là không nhìn thấy được đối với ứng dụng
sử dụng nó cho nên khối chức năng phi là đơn vị nhỏ nhất không phân chia
được đối với sự phân tán này. Nghĩa là, không thể chia nhỏ khối chức năng
hơn n
ữa để phân tán trên nhiều tài nguyên; các thành phần chứa bên trong
khối chức năng phải nằm trên cùng một tài nguyên.
Các mối liên hệ về chức năng giữa các khối chức năng không được phép bị
ảnh hưởng bởi sự phân tán. Tuy nhiên, so với ứng dụng tập trung, các yếu tố
về thời gian và độ tin cậy của chức năng truyền thông có ảnh hưởng đáng kể
tới các yếu tố về thờ
i gian và độ tin cậy của toàn ứng dụng phân tán.
7.2.7 Mô hình quản lý

Việc quản lý các tài nguyên bên trong một thiết bị được mô hình theo một
trong hai cách
• Trong thiết bị, có một tài nguyên được tạo riêng để qun lý tất c những cái
còn lại. Nó cung cấp một tập các dịch vụ qun lý cho các tài nguyên khác
dùng chung.
• Mỗi tài nguyên có một bộ phận qun lý của riêng mình. Nói cách khác,
các dịch vụ qun lý được phân tán ra khắp tất c các tài nguyên bên trong
thiết bị.
7.2.8 Mô hình trạng thái hoạt động
Bất kỳ hệ thống nào cũng được thiết kế, bàn giao công việc, đưa vào vận
hành, duy trì bảo dưỡng và cuối cùng sau khi hoàn thành nhiệm vụ - được
hủy bỏ. Điều này được mô hình hóa bằng cái gọi là vòng ₫ời của hệ thống.

© 2005, Hoàng Minh Sơn
57
Đến lượt mình, các đơn vị chức năng cấu thành nên hệ thống như thiết bị,
tài nguyên, ứng dụng mỗi cái cũng có vòng đời riêng của mình.
Để hỗ trợ cho đơn vị chức năng tại mỗi thời điểm trong vòng đời của nó, các
hành động khác nhau phải được thực hiện. Để phân biệt xem hành động nào
có thể thực hiện và để duy trì tính toàn vẹn của đơ
n vị chức năng, các trạng
thái hoạt động phải được định nghĩa, ví dụ “Đang hoạt động”, “Có thể cấu
hình”, “Đã nạp”, “Đã dừng”,
Mỗi trạng thái hoạt động của một đơn vị chức năng chỉ rõ hành động nào
được chấp nhận và hành vi mong muốn tương ứng.
Hệ thống có thể được tổ chức theo cách một khối chức năng nào
đó có thể
sở hữu hoặc nhận được quyền thay đổi trạng thái của khối chức năng khác.
Một đặc điểm nổi bật của IEC 61499 là nó yêu cầu các công cụ phần mềm
tuân theo chuẩn phải có khả năng trao đổi thông tin với nhau. Cụ thể là IEC

61499-2 yêu cầu nhà sản xuất thiết bị phần cứng hay thư viện phần mềm
phải cung cấp đủ thông tin cần thi
ết cho việc sử dụng sản phẩm của họ một
cách hiệu quả trong khi vẫn đảm bảo quyền sở hữu trí tuệ. Điều này được
thực hiện bằng cách sử dụng ngôn ngữ XML. IEC 61499-2 định nghĩa một tập
các thẻ (tag) và cấu trúc tài liệu XML chuẩn, dựa vào đó nhà sản xuất mô tả
sản phẩm của mình. Tuân theo một tập thẻ chung, các sản phẩm có thể
làm
việc trực tiếp với nhau (interoperability).