bài giảng hệ thống điều khiển phân tán

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.
© 2002, Hoàng Minh Sn

5
2
CU TRÚC CÁC H THNG IU
KHIN VÀ GIÁM SÁT
2.1
Cu trúc và các thành phn c bn
Các thành phn c bn ca mt h thng điu khin và giám sát quá trình đc
minh ha trên Hình 2-1. Các cm bin và c cu chp hành đóng vai trò là giao din
gia các thit b điu khin vi quá trình k thut. Trong khi đó, h thng điu
khin giám sát đóng vai trò giao din gia ngi vn hành và máy. Các thit b có
th đc ghép ni trc tip đim-đim, hoc thông qua mng truyn thông.
Hình 2-1: Các thành phn c bn ca mt h thng điu khin và
giám sát
Tùy theo loi cm bin, tín hiu ca chúng đa ra có th là tín hiu nh phân, tín
hiu s hay tín hiu tng t theo các chun đin hc thông dng khác nhau
(1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ). Trc khi có th x lý trong máy tính s,
các tín hiu đo cn đc chuyn đi, thích ng vi chun giao din vào/ra ca máy
tính. Bên cnh đó, ta cng cn các bin pháp cách ly đin hc đ tránh s nh
hng xu ln nhau gia các thit b. ó chính là các chc nng ca các module
vào/ra (I/O).
Tóm li, mt h thng điu khin và giám sát bao gm các thành phn chc
nng chính sau đây:
NI network interface
(giao din mng)
I/O input/output
(vào/ra)
ni trc tip

ni qua mng
H thng điu khin giám sát
Thit b điu khin t đng
Cm bin và chp hành
I/O
I/O
NI
NI
NI
NI
Quá trình k thut
NI
NI
© 2002, Hoàng Minh Sn

6
• Giao din quá trình: Các cm bin và c cu chp hành, ghép ni vào/ra,
chuyn đi tín hiu.
• Thit b điu khin t đng: Các thit b điu khin nh các b điu khin
chuyên dng, b điu khin kh trình PLC (programmable logic controller),
thit b điu chnh s đn l (compact digital controller) và máy tính cá
nhân cùng vi các phn mm điu khin tng ng.
• H thng điu khin giám sát: Các thit b và phn mm giao din ngi
máy, các trm k thut, các trm vn hành, giám sát và điu khin cao cp.
• H thng truyn thông: Ghép ni đim-đim, bus cm bin/chp hành, bus
trng, bus h thng.
• H thng bo v, c ch thc hin chc nng an toàn.
2.2
Mô hình phân cp

 có mt cái nhìn tng quát v mt h thng điu khin và giám sát công
nghip, các mô hình phân cp hình chóp thng đc dùng. Thc ra, có nhiu cách
phân cp và gi tên khác nhau, tùy thuc lnh vc ng dng và qui mô h thng. Mô
hình tng quát đc minh ha trên Hình 2-2 đnh ngha các cp theo chc nng,
không ph thuc lnh vc công nghip c th.
Tuy nhiên, ranh gii gia các cp không phi bao gi cng rõ ràng. Trong các
ngành công nghip ch bin (Process Industry), phn di ca cp điu khin (bao
gm điu khin máy móc, thit b đn l) và cp chp hành thng đc gi chung
là cp trng, phn còn li ca cp điu khin và cp điu khin giám sát đc gi
chung là cp điu khin quá trình.
Càng  nhng cp di thì các chc nng càng mang tính cht c bn hn và đòi
hi yêu cu cao hn v đ nhanh nhy, thi gian phn ng. Mt chc nng  cp
trên đc thc hin da trên các chc nng cp di, tuy không đòi hi thi gian
phn ng nhanh nh  cp di, nhng ngc li lng thông tin cn trao đi và
x lý li ln hn nhiu. Thông thng, ngi ta ch coi ba cp di thuc phm vi
ca mt h thng điu khin và giám sát. Tuy nhiên, biu th hai cp trên cùng
(qun lý công ty và điu hành sn xut) trên giúp ta hiu thêm mt mô hình lý
tng cho cu trúc chc nng tng th cho các công ty sn xut công nghip.
© 2002, Hoàng Minh Sn

7
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
2.2.1
Cp chp hành
Các chc nng chính ca cp chp hành là đo lng, truyn đng và chuyn đi
tín hiu trong trng hp cn thit. Thc t, đa s các thit b cm bin (sensor)
hay c cu chp hành (actuator) cng có phn điu khin riêng cho vic thc hin
đo lng/truyn đng đc chính xác và nhanh nhy. Các thit b thông minh
1

cng có th đm nhn vic x lý thô thông tin, trc khi đa lên cp điu khin.
2.2.2
Cp điu khin
Nhim v chính ca cp điu khin là nhn thông tin t các cm bin, x lý các
thông tin đó theo mt thut toán nht đnh và truyn đt li kt qu xung các c
cu chp hành. Khi còn điu khin th công, nhim v đó đc ngi đng máy
trc tip đm nhim qua vic theo dõi các công c đo lng, s dng kin thc và
kinh nghim đ thc hin nhng thao tác cn thit nh n nút đóng/m van, điu
chnh cn gt, núm xoay v.v Trong mt h thng điu khin t đng hin đi, vic
thc hin th công nhng nhim v đó đc thay th bng máy tính.


1
Mt thit b đc gi là thông minh, khi nó có kh nng x lý thông tin. Thc t, mi thit
b thông minh phi có ít nht mt b vi x lý riêng.
QL
công ty
iu hành
sn xut
iu khin
iu khin giám sát
Chp hành
Quá trình k thut
Giám sát, vn hành,
iu khin cao cp,
Lp báo cáo
iu khin, điu chnh,
bo v, an toàn
ghi chép tng trình

o lng, truyn đng,
chuyn đi tín hiu
ánh giá kt qu, lp k hoch sn
xut, bo dng máy móc,
tính toán ti u hoá sn xut
Tính toán giá thành, lãi sut
thng kê s liu sn xut, kinh doanh,
x lý đn đt hàng, k hoch tài nguyên
Cp trng
Cp điu
khin quá
trình
© 2002, Hoàng Minh Sn

8
2.2.3
Cp điu khin giám sát
Cp điu khin giám sát có chc nng giám sát và vn hành mt quá trình k
thut. Khi đa s các chc nng nh đo lng, điu khin, điu chnh, bo toàn h
thng đc các cp c s thc hin, thì nhim v ca cp điu khin giám sát là h
tr ngi s dng trong vic cài đt ng dng, thao tác, theo dõi, giám sát vn hành
và x lý nhng tình hung bt thng. Ngoài ra, trong mt s trng hp, cp này
còn thc hin các bài toán điu khin cao cp nh điu khin phi hp, điu khin
trình t và điu khin theo công thc (ví d trong ch bin dc phm, hoá cht).
Khác vi các cp di, vic thc hin các chc nng  cp điu khin giám sát
thng không đòi hi phng tin, thit b phn cng đc bit ngoài các máy tính
thông thng (máy tính cá nhân, máy trm, máy ch, termimal, ).
Nh ta s thy, phân cp chc nng nh trên s tin li cho vic thit k h
thng và la chn thit b. Trong thc t ng dng, s phân cp chc nng có th
khác mt chút so vi trình bày  đây, tùy thuc vào mc đ t đng hoá và cu trúc

h thng c th. Trong nhng trng hp ng dng đn gin nh điu khin trang
thit b dân dng (máy git, máy lnh, điu hòa đ m, ), s phân chia nhiu cp
có th hoàn toàn không cn thit. Ngc li, trong t đng hóa mt nhà máy ln
hin đi nh đin nguyên t, sn xut xi mng, lc du, ta có th chia nh hn na
các cp chc nng đ tin theo dõi.
2.3
Cu trúc điu khin
Bin th c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 điu khin cng nh  s phân b v trí các máy
tính quá trình và ph kin đc la chn. Cn c vào đó, ta có th phân bit gia
cu trúc điu khin tp trung và cu trúc đi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 điu khin tp trung (centralized control system)
đc minh ha trên Hình 2-3. Mt máy tính duy nht đc dùng đ điu khin
toàn b quá trình k thut. Máy tính điu khin  đây (MTK) có th là các b điu
khin s trc tip (DDC), máy tính ln, máy tính cá nhân hoc các thit b điu
khin kh trình. Trong điu khin công nghip, máy tính điu khin tp trung
thông thng đc đt ti phòng điu khin trung tâm, cách xa hin trng. Các
thit b cm bin và c cu chp hành đc ni trc tip, đim-đim vi máy tính
điu khin trung tâm qua các cng vào/ra ca nó. Cách b trí vào/ra ti máy tính
điu khin nh vy cng đc gi là vào/ra tp trung (central I/O).
© 2002, Hoàng Minh Sn

9
Hình 2-3: Cu trúc điu khin tp trung vi vào/ra tp trung
ây là cu trúc điu khin tiêu biu trong nhng nm 1965-1975. Ngày nay, cu
trúc tp trung trên đây thng thích hp cho các ng dng t đng hóa qui mô va
và nh, điu khin các loi máy móc và thit b bi s đn gin, d thc hin và giá

thành mt ln cho máy tính điu khin. im đáng chú ý  đây là s tp trung toàn
b “trí tu”, tc chc nng x lý thông tin trong mt thit b điu khin duy nht.
Tuy nhiên, cu trúc này bc l nhng hn ch sau:
• Công vic ni dây phc tp, giá thành cao
• Vic m rng h thng gp khó khn
•  tin cy kém.
2.3.2
iu khin tp trung vi vào/ra phân tán
Cu trúc vào/ra tp trung vi cách ghép ni đim-đim th hin mt nhc
đim c bn là s lng ln các cáp ni, dn đn giá thành cao cho dây dn và công
thit k, lp đt. Mt hn ch khác na là phng pháp truyn dn tín hiu thông
thng gia các thit b trng và thit b điu khin d chu nh hng ca nhiu,
gây ra sai s ln. Vn đ này đc khc phc bng phng pháp dùng bus trng
nh đã nêu trong phn trc. Hình 2-4 minh ha mt cu hình mng đn gin. 
đây các module vào/ra đc đy xung cp trng gn k vi các cm bin và c
cu chp hành, vì vy đc gi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoc
vào/ra t xa (Remote I/O). Mt cách ghép ni khác là s dng các cm bin và c
cu chp hành thông minh (màu xám trên hình v), có kh nng ni mng trc tip
không cn thông qua các module vào/ra. Bên cnh kh nng x lý giao thc truyn
thông, các thit b này còn đm nhim mt s chc nng x lý ti ch nh lc nhiu,
chnh đnh thang đo, t đt ch đ, đim làm vic, chn đoán trng thái,v.v Trong
nhiu trng hp, các thit b có th đm nhim c nhim v điu khin đn gin.
A
Phân đon 1
S
A S
A S
Phân đon 2
Phân đon n
MTK

I/O
I/O: input/output A: actuator S: senso
r

Phòng điu khin trung tâm
Hin trng
© 2002, Hoàng Minh Sn

10
Hình 2-4: Cu trúc điu khin tp trung vi vào/ra phân tán
S dng bus trng và cu trúc vào/ra phân tán mang li các u đim sau:
• Tit kim dây dn và công đi dây, ni dây
• Gim kích thc hp điu khin
• Tng đ linh hot h thng nh s dng các thit b có giao din chun và
kh nng ghép ni đn gin
• Thit k và bo trì d dàng nh cu trúc đn gin
• Kh nng chn đoán tt hn (các thit b hng đc phát hin d dàng)
• Tng đ tin cy ca toàn h thng.
2.3.3
iu 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 b ti nhiu v trí cách xa nhau.  khc phc s ph thuc vào
mt máy tính trung tâm trong cu trúc tp trung và tng tính linh hot ca h
thng, ta có th điu khin mi phân đon bng mt hoc mt s máy tính cc b,
nh Hình 2-5 minh ha.
Các máy tính điu khin cc b thng đc đt ri rác ti các phòng điu
khin/phòng đin ca tng phân đon, phân xng,  v trí không xa vi quá trình
k thut. Các phân đon có liên h tng tác vi nhau, vì vy đ điu khin quá
trình tng hp cn có s điu khin phi hp gia các máy tính điu khin. Trong

phn ln các trng hp, các máy tính điu khin đc ni mng vi nhau và vi
mt hoc nhiu máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus h thng. Gii pháp
này dn đn các h thng có cu trúc điu khin phân tán, hay đc gi là các h
điu khin phân tán (HKPT).

MTK
I/O
S
A

I/O
S
A

I/O
S
A
S A S A
bus trng
Phòng K trung tâm
Hin trng
© 2002, Hoàng Minh Sn

11

Hình 2-5: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra tp trung
u th ca cu trúc điu khin phân tán không ch dng li  đ linh hot cao
hn so vi cu trúc tp trung. Hiu nng cng nh đ tin cy tng th ca h thng
đ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 đi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, điu khin trình t, điu khin theo công thc và ghép ni vi cp
đi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 minh ha cách ghép ni đim-đim gia mt máy tính
điu khin vi các cm bin và c cu chp hành, s dng vào/ra tp trung. Tuy
nhiên, ta cng có th s dng bus trng đ thc hin cu trúc vào/ra phân tán nh
trên Hình 2-6. Khi đó, máy tính điu khin có th đt ti phòng điu khin trung
tâm hoc ti các phòng đi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 đi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 thng điu
khin và giám sát hin đi. Bên cnh đ tin cy cao, tính nng m và đ linh hot
cao thì yu t kinh t cng đóng vai trò quan trng. Vic phân tán chc nng x lý
thông tin, chc nng điu khin theo b rng cng nh theo chiu sâu là tin đ cho
kin trúc “trí tu phân tán” (distributed intelligence) trong tng lai.
bus h
thn
g

A
Phân đon 1
S
A S
A S
Phân đon 2
Phân đon n
MTK 1
MTK 2

MTK n

MTGS MTGS
PHÒNG I

U KHI

N
TRUNG TÂM
HIN TRNG
PHÒNG IU
KHIN CC B
© 2002, Hoàng Minh Sn

12
Hình 2-6: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra phân tán

Phân đon 1
MTK 1
MTGS MTGS
PHÒNG IU KHIN
TRUNG T
Â
M
HIN TRNG
bus h
thng
PHÒNG IU
KHIN CC B
I/O

S
A

bus trng
Phân đon 2
MTK 2
I/O
S
A
Phân đon n
MTK n
I/O
S
A

bus trng
bus trng
© 2002, Hoàng Minh Sn

13
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 điu khin phân tán đc minh ha trên Hình 3-1, bao
gm các thành phn sau:
• Các trm điu khin cc b (local control station, LCS), đôi khi còn đc gi
là các khi điu khin cc b (local control unit, LCU) hoc các trm quá
trình (process station, PS).

• Các trm vn hành (operator station, OS)
• Trm k thut (engineering station, ES) và các công c phát trin
• H thng truyn thông (field bus, system bus).
ây là cu hình ti thiu, các cu hình c th có th cha các thành phn khác
nh trm vào/ra t xa (remote I/O station), các b điu khin chuyên dng,
Hình 3-1: Cu hình c bn mt h điu khin phân tán
Máy tính
phòng thí
Local Control
Station
Local Control
Station
Operator
Station
Engineering
Station
Operator
Station
PC
PROCESS
Factory LAN
System bus
Remote
I/O Station
© 2002, Hoàng Minh Sn

14
3.1.1
Trm điu khin cc b
Thông thng, các trm điu khin cc b đc xây dng theo cu trúc module.

Các thành phn chính bao gm:
• B cung cp ngun, thông thng có d phòng
• Khi x lý trung tâm (CPU), có th la chn loi có d phòng
• Giao din vi bus h thng, thông thng cng có d phòng
• Giao din vi bus trng nu s dng cu trúc vào/ra phân tán
• Các module vào/ra s cng nh tng t, đc bit là các module vào/ra an
toàn cháy n
Trong cu trúc vào/ra tp trung, các module vào/ra đc ni vi CPU thông qua
bus ni b đng sau giá đ (backplane-bus). Chính vì vy, các module này cng
phi do nhà sn xut cung cp kèm theo CPU.
Trong các h thng điu khin quá trình, mt trm điu khin cc b cng
thng đc cài đt giao din HART và các module ghép ni ph kin khác. Các
thit b này đc lp đt trong t điu khin cùng vi các linh kin h tr khác nh
hàng kp đu dây, các b chuyn đi tín hiu (transducers), các khi đu cui
(terminal blocka), Các t điu khin thng đc đt trong phòng điu
khin/phòng đin  bên cnh phòng điu khin trung tâm hoc ri rác gn khu vc
hin trng.
Các chc nng do trm điu khin cc b đm nhim bao gm:
• iu khin quá trình (process control): iu khin các mch vòng kín (nhit
đ, áp sut, lu lng, đ pH, đ đm đc, ). Hu ht các mch vòng đn
đc điu khin trên c s lut PID, gii quyt bài toán điu khin điu
chnh, điu khin t l, điu khin tng. Các h thng hin đi cho phép điu
khin m, điu khin da mô hình (model-based control), điu khin thích
nghi,
• iu khin trình t (sequential control, sequence control)
• iu khin logic
• Thc hin các công thc (recipe control).
• t các tín hiu đu ra v trng thái an toàn trong trng hp có s c h
thng
• Lu tr tm thi các tín hiu quá trình trong trng hp mt liên lc vi

trm vn hành
• Nhn bit các trng hp vt ngng giá tr và to các thông báo báo đng.
Chính vì đây là thành phn quan trng nht trong h thng, đi đa s các trm
điu khin cc b có tính nng kim tra và sa li (error checking and correcting,
ECC), cng nh cho phép la chn cu hình d phòng. Mt điu quan trng là mt
© 2002, Hoàng Minh Sn

15
trm điu khin cc b phi có kh nng đm bo tip tc thc hin các chc nng
nói trên trong trng hp trm vn hành hoc đng truyn bus h thng có s c.
Các máy tính điu khin có th là máy tính đc chng ca nhà cung cp
(vendor-specific controller), PLC hoc máy tính cá nhân công nghip. Da trên c
s này có th phân loi các h thng điu khin phân tán có mt hin nay trên th
trng thành các h các h truyn thng (sau đây gi là DCS truyn thng), các h
trên nn PLC (PLC-based DCS) và các h trên nn PC (PC-based DCS).
Bt k chng loi thit b nào đc s dng, các yêu cu quan trng nht v mt
k thut đc đt ra cho mt trm điu khin cc b là:
• Tính nng thi thc
•  tin cy và tính sn sàng
• Lp trình thun tin, cho phép s dng/cài đt các thut toán cao cp
• Kh nng điu khin lai (liên tc, trình t và logic).
3.1.2
Bus trng và các trm vào/ra t xa
Khi s dng cu trúc vào/ra phân tán, các trm điu khin cc b s đc b
sung các module giao din bus đ ni vi các trm vào/ra t xa (remote I/O
station) và mt s thit b trng thông minh. Các yêu cu chung đt ra vi bus
trng là tính nng thi gian thc, mc đ đn gin và giá thành thp. Bên cnh
đó, đi vi môi trng d cháy n còn các yêu cu k thut đc bit khác v chun
truyn dn, tính nng đin hc ca các linh kin mng, cáp truyn, Các loi bus
trng đc h tr mnh nht là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và

AS-I. Trong môi trng đòi hi an toàn cháy n thì Profibus-PA và Foundation
Fieldbus H1 là hai h đc s dng ph bin nht.
Mt trm vào/ra t xa thc cht có cu trúc không khác lm so vi mt trm
điu khin cc b, duy ch thiu khi x lý trung tâm cho chc nng điu khin.
Thông thng, các trm vào/ra t xa đc đt rt gn vi quá trình k thut, vì th
tit kim nhiu cáp truyn và đn gin hóa cu trúc h thng. Trm vào/ra t xa
cng có th đt cùng v trí vi trm điu khin cc b, tuy nhiên nh vy không li
dng đc u đim ca cu trúc này.
Khác vi cu trúc vào/ra tp trung, cu trúc vào/ra phân tán cho phép s dng
các trm vào/ra t xa ca các nhà cung cp khác vi điu kin có h tr loi bus
trng qui đnh. Tuy nhiên, đ có th khai thác ti đa kh nng các công c phn
mm tích hp và đm bo tng thích hoàn toàn gia các thành phn trong mt h
DCS, vic dùng trn sn phm ca mt hãng vn là gii pháp an toàn nht.
Bên cnh phng pháp ghép ni thit b điu khin vi quá trình k thut thông
qua các module vào/ra, ta có th s dng các cm bin hoc c cu chp hành có
© 2002, Hoàng Minh Sn

16
giao din bus trng. Qua đó có th đn gin hóa cu trúc h thng hn na, tit
kim tit kim ch trong t điu khin và nâng cao tính nng thi gian thc ca h
thng do tn dng đc kh nng x lý thông tin ca các thit b trng.
Hình 3-2: M s hình nh t điu khin DCS
Trên Hình 3-4 là hình nh mt s t điu khin DCS. Hình bên trái là mt trm
PCS7 (Siemens) vi b điu khin lp đt cùng các module vào/ra phân tán. Hình
gia minh ha mt trm vào/ra t xa lp đc lp. T điu khin bên phi minh ha
trm điu khin cc b DeltaV (Fisher-Rosermount) s dng gii pháp Foundation
Fieldbus (không cn các module các vào/ra).
3.1.3
Trm vn hành
Trm vn hành và trm k thut đc đt ti phòng điu khin trung tâm. Các

trm vn hành có th hot đng song song, đc lp vi nhau.  tin cho vic vn
hành h thng, ngi ta thng sp xp mi trm vn hành tng ng vi mt
phân đon hoc mt phân xng. Tuy nhiên, các phn mm chy trên tt c các
trm hoàn toàn ging nhau, vì th trong trng hp cn thit mi trm đu có th
thay th chc nng ca các trm khác.
Các chc nng tiêu biu ca mt trm vn hành gm có:
• Hin th các hình nh chun (hình nh tng quan, hình nh nhóm, hình nh
tng mch vòng, hình nh điu khin trình t, các đ th thi gian thc và đ
th quá kh)
© 2002, Hoàng Minh Sn

1
7
• Hin th các hình nh đ ha t do (lu đ công ngh, các phím điu khin)
• H tr vn hành h thng qua các công c thao tác tiêu biu, các h thng
hng dn ch đo và hng dn tr giúp
• To và qun lý các công thc điu khin (cho điu khin m)
• X lý các s kin, s c
• X lý, lu tr và qun lý d liu
• Chn đoán h thng, h tr ngi vn hành và bo trì h thng
• H tr lp báo cáo t đng
Khác vi các trm điu khin, hu ht các h DCS hin đi đu s dng các sn
phm thng mi thông dng nh máy tính cá nhân (công nghip) chy trên nn
WindowsNT/2000, hoc các máy tính trm chy trên nn UNIX. Cùng vi các màn
hình màu ln (thng là 19inch) vi đ phân gii cao đ theo dõi quá trình sn
xut, mt trm vn hành hin đi bao gi cng có các thit b thao tác chun nh
bàn phím và chut. Mt trm vn hành có th b trí theo kiu mt ngi s dng
(mt hoc nhiu màn hình), hoc nhiu ngi s dng vi vi nhiu Terminals
(Hình 3-3).
Hình 3-3: Các phng pháp b trí trm vn hành

Các phn mm trên trm vn hành bao gi cng đi kèm đng b vi h thng,
song thng h tr các chun phn mm và chun giao tip công nghip nh
TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding),
ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control).
c đim tiêu biu ca các trm vn hành hin đi là s dng k thut giao din
ngi-máy kiu đa ca s vi các phn t giao din chun. Tuy nhiên, vic thit k
các màn hình giao din công nghip khác vi các giao din ng dng vn phòng, đòi
hi kin thc tng hp v quá trình công ngh, m thut công nghip, tâm lý hc
công nghip và công ngh phn mm. Vn đ này s đc đ cp chi tit sau.
Operator Terminals
Terminals bus
System bus
Operator
Station
Engineering
Station
Controller
© 2002, Hoàng Minh Sn

18
3.1.4
Trm k thut và các công c phát trin
Trm k thut là ni cài đt các công c phát trin, cho phép đt cu hình cho h
thng, to và theo dõi các chng trình ng dng điu khin và giao din ngi
máy, đt cu hình và tham s hóa các thit b trng. Vic to ng dng điu khin
hu ht đc thc hin theo phng pháp khai báo, đt tham s và ghép ni các
khi chc nng có sn trong th vin. Cng nh các trm vn hành, thit b s dng
thông thng là các máy tính cá nhân (công nghip) chy trên nn
Windows95/98/NT/2000 hoc UNIX.
Mt s đc tính tiêu biu ca các công c phát trin trên trm k thut là:

• Các công c phát trin đc tích hp sn trong h thng
• Công vic phát trin (Engineering) không yêu cu có phn cng DCS ti ch
• Các ngôn ng lp trình thông dng là s đ khi hàm (FBD-Function Block
Diagram, hoc CFC-Continuous Function Chart) và biu đ tin trình (SFC-
Sequential Function Chart), tng t IEC61131-3 FBD () và SFC
• Mt d án có th do nhiu ngi cùng phi hp phát trin song song
• Giao din vi các h thng cp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )
 vic phát trin h thng phn mm đc thun li, các nhà sn xut cung
cp các th vin khi hàm chuyên dng. Bên cnh đó, nhiu nhà sn xut cng
cung cp phn mm mô phng đ ngi phát trin h thng có th to các đu
vào/ra mô phng, giúp cho vic phát trin phn mm đc chc chn, an toàn hn.
Trong mt s h thng, ngi ta không phân bit gia trm vn hành và trm k
thut, mà s dng mt bàn phím có khóa chuyn qua li gia hai ch đ vn hành
và phát trin.
3.1.5
Bus h thng
Bus h thng có chc nng ni mng các trm điu khin cc b vi nhau và vi
các trm vn hành và trm k thut. Trong đa s các h thng ng dng, ngi ta
la chn cu hình có d phòng cho bus h thng. Thêm na, đ ci thin tính nng
thi gian thc, nhiu khi mt mng riêng bit (có th có c d phòng) đc s dng
đ ghép ni các trm điu khin cc b (bus điu khin, control bus). Gii pháp
mng có th đc chng ca riêng công ty, hoc da trên mt mng chun quc t.
Các h thng mng đc s dng nhiu nht là Ethernet, Profibus-FMS và
ControlNet.
c đim ca vic trao đi thông tin qua bus h thng là lu lng thông tin
ln, vì vy tc đ đng truyn phi tng đi cao. Tính nng thi gian thc cng
là mt yêu cu đc đt ra (nht là đi vi bus điu khin), tuy nhiên không
nghiêm ngt nh vi bus trng. Thi gian phn ng thng ch yêu cu nm trong
© 2002, Hoàng Minh Sn

19
phm vi 0,1s tr lên. S lng trm tham gia thng không ln và nhu cu trao đi
d liu không có đt bin ln. Vì vy đi vi mng Ethernet, tính bt đnh ca
phng pháp truy nhp bus CSMA/CD thng không phi là vn đ gây lo ngh.
Hình 3-4 minh ha cu hình tiêu biu ca mt h điu khin phân tán hin đi.
Bên cnh các thành phn đã 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 điu khin cc b chuyên
dng,
Hình 3-4: Cu hình tiêu biu mt h điu khin phân tán hin đi
Phân đon 1
Phân đon 2
Phân đon n
Control
Station 1
OS
ES
I/O
S
A

Controller
S
A
Controller
S
A
S
A

FIELDBUS

I/O
S
A

I/O
S
A

Controller
S
A
Motor
Control
Center
I/O
S
A

LAB
Factory
Server
OS
SS
SYSTEM BUS
Control
Station 2
Control
Station n