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 THƠNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

ĐÀO TUẤN ANH

THÁI NGUYÊN 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 THƠNG
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




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

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 THƠNG
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




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình do tơi 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

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
LỜI NÓI ĐẦU
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ
ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
1.1. Tổng quan hệ về tự động hố q trình sản xuất và các hệ điều khiển

1
1

1.1.1. Mơ hình phân cấp của hệ thống tự động hố q 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 thơng trong hệ DCS

10

1.2.2.1. Ứng dụng mơ hình chuẩn OSI trong mơ 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
1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán

18

1.4. Kết luận

19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực

21
21

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

2.5. Kết luận

46

CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ

47

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




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 thơng

52
54

3.2. Trễ truyền thơng trong mạng Ethernet
3.2.1. Cấu hình mạng truyền thơng

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

3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trễ truyền thông

79

3.5. Kết luận

82

CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG

83

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

4.1.3. Điều khiển quá trình
4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control)

85

85

4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng
truyền thơng tƣơng tự (analog)
4.2.1. Cấu hình của mơ hình
4.2.2. Giới thiệu mơ hình

89
89
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




4.2.2.3. Resolver và Synchro

92

4.2.3. Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự trong hệ điều khiển

93

4.3. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng

95

truyền thơng Bus-CAN
4.3.1. Cấu hình mơ hình

95

4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thơng sử dụng CAN-Bus

96

4.4. Các phƣơng pháp mơ hình hố trễ trong hệ thống điều khiển

98

4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé

98

4.4.2. Mơ hình hố trễ truyền thơng dùng xích Markov

99

4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển

100

4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều

101

khiển của hệ thống truyền động nhiều trục
4.6.1. Cấu hình của mơ hình

102

4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển

103

của hệ thống
4.7. Kết luận

113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

114

TÀI LIỆU THAM KHẢO

115

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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 hố, phân tán điều khiển
với mạng truyền thơng 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 thơng 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 tốn cần
thiết cho việc mã hố/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ
truyền thơng 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 thơng 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




Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu về đặc tính trễ truyền thơng trong các mạng truyền
thơng cơng 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 thơng cơng
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 tơi trong suốt q trình làm luận văn.
Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này khơng tránh khỏi những

thiếu sót. Tơi rất mong được sự góp ý của các thầy cơ 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




DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hố q trình sản xuất
Hình 1-2. Mơ 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 mơ hình Fieldbus và mơ hình OSI
Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của mơt hệ điều khiển chuyển động
Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động.
Hình 1-8. Cấu trúc truyền thơng 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 thơng trong mơ 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




Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hồn tồn sử dụng Switch
Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào
Hình 3-6. Mơ 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 thơng 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 thơng dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động
Hình 4-8. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thơng CAN-Bus
Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thơng Bus-CAN
Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí
Hình 4-11. Kết quả mơ 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 hồ
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 hồ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 khơng có thơng 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




1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG
TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
1.1. Tổng quan hệ về tự động hố q trình sản xuất và các hệ điều khiển
1.1.1. Mơ hình phân cấp của hệ thống tự động hố 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 hố q trình
sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hành của một hệ thống tự
động hố q trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1.

5. Cấp
quản lý
cơng ty

Workstation, PC, Servers

4. Cấp quản lý
nhà máy

Workstation, PC, Servers

3. Cấp giám sát – chỉ huy
2. Cấp điều khiển

1. Cấp trường (cảm biến - chấp hành)

Workstation, PC

Controllers, PLC, CNC, PC

Controllers, sensors, actuators

Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hố q 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 q
trình cơng nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển lơgic
khả trình PLC, thiết bị điều khiển q trình cơng nghệ trong máy điều khiển số
CNC hoặc các máy tính PC cơng nghiệp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 q trình cơng 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 q trình cơng 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 q trình cơng 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 phịng cơng ty tại
nhiều thành phố và quốc gia khác nhau.
Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hố q trình sản xuất thì các cấp 1,
2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện q trình cơng nghệ và hệ thống điều khiển tự
động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hố q trình cơng
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. Mơ hình điều khiển đơn giản

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động
Mỗi cấp của hệ thống tự động hố q trình sản xuất có các u cầu về thơng
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 cơng ty thường địi 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 thơng 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 q trình cơng nghệ phức tạp thì mỗi ứng
dụng, mỗi cơng 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 hố q trình sản xuất nói chung, hệ
thống điều khiển phân tán riêng là:
1. Phương thức trao đổi thơng tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các
hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thơng 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 thơng 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 q 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 thơng kỹ thuật số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 hố q trình cơng 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 thơng kỹ thuật số) trong hệ thống tự động
hố q trình sản xuất được phân chia thành hai loại: mạng điều khiển và mạng dữ

liệu. Trong mơ hình phân cấp của hệ thống tự động hố q 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
q trình cơng 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 thơng:
+ 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. Mơ hình truyền thơng sử dụng có thể là
master/slave hoặc peer to peer.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 thơng 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 thơng 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 thơng 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 q trình, có khả năng
truyền thơng và được cài các thuật tốn tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đốn lỗi.
Sensor thơng 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

6

này rồi truyền tới các thiết bị khác thông qua mạng truyền thơng. Ngồi ra sensor
thơng minh cịn 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

Quản lý thông tin

PC

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

mạng thiết bị (bus trường)
S C A
máy sx

Controller

IPC

mạng thiết bị (bus trường)

S C A
công
đoạn sx
Smart sensor

Cấp trường
(cảm biến-chấp hành)

Trạm
I/O

Smart actuator
Smart actuator

Smart sensor

PLC

Hình 1-3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS
Ngồi ra cấp chấp hành cảm biến có thể có các PLC, các máy tính cơng
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. Thơng thường được nối với giao diện vào/ra và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 cịn 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 tốn 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 mơ tả hoạt động của tồn bộ q
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 tốn theo công
thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hố q trình,… Lớp quản lý sẽ đọc dữ
liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các bộ điều khiển thơng qua gateway
OPC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8

1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS
a. Chức năng điều khiển
Đây là chức năng quan trọng nhất của hệ DCS, có nhiệm vụ điều khiển tồn
bộ các q trình cơng nghệ trong nhà máy.
Chức năng điều khiển do các bộ điều khiển đảm nhận, được đặt tại phòng
điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển.
Chức năng điều khiển của DCS
Chức năng điều khiển cơ bản
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Chức năng truyền thơng với các hệ thống phụ

Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS
Chức năng điều khiển cơ bản: DCS thực hiện tất cả các chức năng điều
khiển cơ bản của một nhà máy. Các thành phần thực hiện các chắc năng điều khiển
cơ bản DCS gọi là các “khối hàm” (Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho
một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển.Việc thực hiện thiết kế chức năng
điều khiển thực chất là cách kết hợp các khối hàm lại với nhau cho phù hợp.
Chức năng thực hiện các thuật tốn điều chỉnh tự động: Thực hiện cho các
vịng điều chỉnh phản hồi của các quá trình liên tục. Thành phần chính tham gia vào
chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng
dữ liệu vào/ra và các khối hàm tốn học.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9

Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Thuật toán điều khiển
tuần tự được thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp
trong nhà máy. Chức năng này vừa điều khiển từng cơng đoạn độc lập đồng thời
quản lý tồn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống. Có thể sử dụng chức năng này
cho các bài toán liên động hoặc kết hợp thực hiện các cơng đoạn liên tục tồn trong
nhà máy.
Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp: DCS là hệ điều khiển ứng
dụng cho các nhà máy có quy mơ lớn, cơng nghệ liên tục và phức tạp, đỏi hỏi phải
sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm
nhiên-nguyên liệu. Các thuật toán cấp cao thường được ứng cho các nhà máy bao
gồm: thuật toán điều khiển nối tầng (cascade), thuật toán điều khiển tiền định
(feedforward), các thuật toán phân ly hệ đa biến, thuật toán điều khiển mờ, thích
nghi, nơ ron,…
b. Chức năng truyền thơng, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ - Subsytem
Trong các nhà máy lớn, bên cạnh hệ DCS, ln có các hệ PLC đảm nhận các
công việc điều khiển cho từng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước, nước
thải,…và tất cả các tham số này cũng cần phải được đưa vào hệ thống DCS chung
của toàn nhà máy để tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý.
Hầu hết các hệ DCS đều khơng tích hợp sẵn các chương trình điều khiển
truyền thơng cũng như các module truyền thơng với các PLC vì hệ thống PLC trên
thị trường là rất phong phú và đa dạng. Mà thay vào đó, các nhà cung cấp DCS
cung cấp các tuỳ chọn để liên kết với các hệ PLC, tuy nhiên khơng phải là có thể kết
nối được với tất cả các PLC. Ở điểm này thì các nhà làm thiết kế hệ thống điều

khiển phải nắm được để chọn thiết bị cho phù hợp và đỡ tốn kém nhất.
Các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn này dưới dạng các gói phần
mềm và các module phần cứng. Ví dụ để liên kết với PLC của AB SLC5, ta có gói
phần mềm điều khiển truyền thơng với SLC5, hay để kết nối với PLC của Siemens,
ta có các gói phần mềm truyền thơng với các thiết bị của Siemens. Tuy nhiên việc
câu hình và truyền thơng với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diễn ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

thuận lợi, mà nếu lựa chọn khơng khéo, nó sẽ làm cho người làm Engineering tốn
mất nhiều thời gian và cơng sức.
Khi chúng ta định kết nối DCS của mình với một PLC của hãng nào, ta phải
mua chương trình phần mềm và module phần cứng của nhà cung cấp DCS để kết
nối. Vì khi chúng ta cài đặt chương trình phần mềm này vào hệ thống, nó sẽ dành
một phần bộ nhớ và định dạng lại bộ nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cần giao
tiếp.
c. Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (Chức năng SCADA)
* Hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy
* Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị
* Chức năng cảnh báo quá trình
* Chức năng lập báo cáo
* Chức năng an toàn hệ thống (Security)
1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS
Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã
bắt đầu xâm nhập vào hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động.

Điều này đã mang lại nhiều hứa hẹn và triển vọng mới trong lĩnh vực điều khiển tự
động.
1.2.2.1. Ứng dụng mơ hình chuẩn OSI trong mơ hình bus trường của hệ DCS
Trên hình 1-5 ta thấy một số lớp trong mơ hình OSI khơng được sử dụng,
bên cạnh đó, Fieldbus lại thêm một lớp User Layer.
Các lớp truyền dẫn trong mơ hình bus trường của hệ DCS bao gồm:
* Lớp vật lý (Physical Layer): bao gồm các chuẩn về điện. Lớp này thực hiện
chuyển đổi các thông điệp số từ các lớp truyền dẫn ở trên thành tín hiệu vật lý rồi
truyền thơng qua các phương tiện truyền tin fieldbus và ngược lại.
* Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer): chứa các chương trình điều khiển
truyền thơng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

Hình 1-5. So sánh mơ hình Fieldbus và mơ hình OSI
* Lớp ứng dụng (Application Layer): truy nhập của Filedbus vào các lớp con
(Filedbus Access Sublayer), chứa các đặc tính thông điệp của Filedbus.
* Lớp người sử dụng (User Layer): cung cấp giao diện cho sự tương tác
người sử dụng với hệ thống.
1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động
a. Khái quát chung về điều khiển chuyển động
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và vi xử lý, các hệ
điều khiển chuyển động đã trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn. Với hệ điều khiển
chuyển động có thể lập trình, ta có thể thay đổi vận tốc hay vị trí của cơ cấu chỉ
bằng một vài dòng lệnh hoặc bằng cách chọn các thuật tốn đã có sẵn trong bộ nhớ

của hệ thống. Các thành phần của một hệ điều khiển chuyển động về cơ bản gồm
những phần tử như Hình 1-6 ở dưới (chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc
chuyển động thẳng).

Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của mơt hệ điều khiển chuyển động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12

Bộ điều khiển (Controller) sẽ chứa một chuỗi các lệnh được mã hoá (các
lệnh để điều khiển chuyển động), khi được thực hiện nó sẽ tạo ra một loạt các xung
điện hoặc tín hiệu tương tự ở đầu ra của bộ điều khiển. Các tín hiệu này sẽ được cấp
cho bộ khuếch đại (Amplifier) và được nó khuyếch đại lên cho phù hợp với cơ cấu
chấp hành (Actuator). Cơ cấu chấp hành thực hiển các chuyển động yêu cầu. Phần
tử cuối cùng là thiết bị phản hồi (Feedback) – cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ
điều khiển (Controller).
Nhiều hệ điều khiển chuyển động được tích hợp thành một hệ lớn. Các loại
thiết bị dựa trên máy tính, như các bộ điều khiển có thể lập trình, các máy tính cơng
nghiệp, các máy tính lớn ở xa để liên kết và điều phối các chức năng chuyển động
cùng các chức năng khác. Thêm vào, giao diện hoạt động (Operator interface) để
thay đổi chương trình; cung cấp các sửa đổi thời gian thực như tắt hệ thống, các
thay đổi kế hoạch, …Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp thêm
một số phần có cấu hình như Hình 1-7

Operator
Interface

Host

Controller

Amplifier

Actuator

Feedback

Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động.

b. Phương pháp truyền thông truyền thống trong hệ điều khiển chuyển động
Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng các bộ điều khiển
chuyển động, dựa trên PC hay một mình, cho từng trục. Giữa các trục có mối liện
hệ với nhau theo một quy luật nhất định.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên