Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)

H

TH NG

ĐI U KH N PHÂN TÁN
Lecture Notes

Distributed Control Systems

TS. Hồng Minh S n
B

MƠN ĐI U KHI N T

Đ NG, KHOA ĐI N

Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I


M CL C
1

NH P MÔN
1.1 Ph m vi đ c p
1.2 N i dung ch ng trình
1.3 Yêu c u ki n th c c s
1.4 T ng quan các gi i pháp đi u khi n
1.4.1
Đ c tr ng các l nh v c ng d ng đi u khi n
1.4.2
Các h th ng đi u khi n công nghi p

1.4.3
H đi u khi n phân tán

2

C U TRÚC CÁC H TH NG ĐI U KHI N VÀ GIÁM SÁT
2.1 C u trúc và các thành ph n c b n
2.2 Mơ hình phân c p
2.2.1
C p ch p hành
2.2.2
C p đi u khi n
2.2.3
C p đi u khi n giám sát
2.3 C u trúc đi u khi n
2.3.1
Đi u khi n t p trung
2.3.2
Đi u khi n t p trung v i vào/ra phân tán
2.3.3
Đi u khi n phân tán
2.3.4
Đi u khi n phân tán v i vào/ra phân tán

5
5
6
7
7
8

8
8
9
10
11

3

CÁC THÀNH PH N C A M T H ĐI U KHI N PHÂN TÁN
3.1 C u hình c b n
3.1.1
Tr m đi u khi n c c b
3.1.2
Bus tr ng và các tr m vào/ra t xa
3.1.3
Tr m v n hành
3.1.4
Tr m k thu t và các công c phát tri n
3.1.5
Bus h th ng
3.2 Phân lo i
3.2.1
Các h DCS truy n th ng
3.2.2
Các h DCS trên n n PLC
3.2.3
Các h DCS trên n n PC
3.3 Các v n đ k thu t

13

13
14
15
17
18
19
21
21
21
25
26

4

X LÝ
4.1 M
4.1.1
4.1.2
4.1.3

28
28
28
28
29

TH
ts
H
X

H

I GIAN TH C VÀ X LÝ PHÂN TÁN
khái ni m c b n
th ng th i gian th c
lý th i gian th c
đi u hành th i gian th c

1
1
1
2
2
2
3
3


4.1.4
X lý phân tán
4.2 Các ki n trúc x lý phân tán
4.3 C ch giao ti p
4.4 Đ ng b hóa trong x lý phân tán
4.4.1
Đ ng b hóa các tín hi u vào/ra
4.4.2
Đ ng b hóa th i gian

31
31

32
34
34
34

5

CƠNG NGH Đ I T
NG TRONG ĐI U KHI N PHÂN TÁN
5.1 L p trình h ng đ i t ng
5.2 Phân tích và thi t k h ng đ i t ng
5.2.1
Ngơn ng mơ hình hóa th ng nh t UML
5.2.2
M u thi t k
5.2.3
Ph n m m khung
5.3 Ph n m m thành ph n
5.4 Đ i t ng phân tán

36
36
36
38
38
39
39
40

6

KI N TRÚC Đ I T
NG PHÂN TÁN
6.1 Yêu c u chung
6.2 Các m u thi t k
6.3 Gi i thi u chu n CORBA
6.4 Gi i thi u chu n COM/DCOM
6.4.1
Giao di n
6.4.2
Đ i t ng COM
6.4.3
Giao ti p gi a client và object
6.4.4
Ngôn ng mô t giao di n
6.4.5
Mơ hình đ i t ng thành ph n phân tán DCOM

42
42
42
43
44
45
46
49
51
51

7

CÁC MƠ HÌNH NG D NG ĐI U KHI N PHÂN TÁN
7.1 IEC-61131
7.1.1
Mơ hình ph n m m
7.1.2
Mơ hình giao ti p
7.2 IEC-61499
7.2.1
Mơ hình h th ng
7.2.2
Mơ hình thi t b
7.2.3
Mơ hình tài ngun
7.2.4
Mơ hình ng d ng
7.2.5
Mơ hình kh i ch c n ng
7.2.6
Mơ hình phân tán
7.2.7
Mơ hình qu n lý
7.2.8
Mơ hình tr ng thái ho t đ ng

53
53
54
55
56

57
58
58
60
61
63
63
63

8

M TS

CHU N GIAO TI P CÔNG NGHI P

65


9

8.1 MMS
8.2 IEC-61131-5
8.2.1
Mơ hình giao ti p m ng
8.2.2
D ch v giao ti p
8.2.3
Các kh i ch c n ng giao ti p
8.3 OPC
8.3.1

T ng quan v ki n trúc OPC
8.3.2
OPC Custom Interfaces
8.3.3
OPC Automation Interface
8.4 Ngôn ng đánh d u kh m XML
8.4.1
Gi i thi u chung
8.4.2
ng d ng XML trong ph n m m khung iPC

65
69
69
69
70
72
72
75
76
77
77
78

MÔ T H TH NG ĐI U KHI N PHÂN TÁN
9.1 Các ph ng pháp mô t đ h a
9.2 L u đ P&ID
9.2.1
Chu n ISA S5.1
9.2.2

Chu n ISA S5.3
9.3 Mơ hình hóa h ng đ i t ng

81
81
82
82
87
88

10
L P TRÌNH ĐI U KHI N PHÂN TÁN
10.1
L p trình theo chu n IEC 61131-3
10.1.1
Ki u d li u
10.1.2
T ch c ch ng trình
10.1.3
Ngơn ng FBD
10.1.4
Ngơn ng ST
10.1.5
Ngơn ng SFC
10.2
L p trình v i ngơn ng b c cao

89
89
90

92
95
96
97
98

11
CH C N NG ĐI U KHI N GIÁM SÁT
11.1
Gi i thi u chung v các h đi u khi n giám sát
11.1.1
Các thành ph n ch c n ng c b n
11.1.2
Công c ph n m m SCADA/HMI
11.2
Xây d ng c u trúc h th ng
11.3
Thi t k giao di n ng i-máy
11.3.1
Yêu c u chung
11.3.2
Các ph ng pháp giao ti p ng i-máy
11.3.3
Thi t k c u trúc màn hình
11.3.4
Các nguyên t c thi t k

99
99
100

101
104
104
105
105
105
106

12
TÍNH S N SÀNG VÀ Đ
12.1
Đ tv nđ

107
107

TIN C Y C A CÁC H

ĐKPT


12.2
12.3
12.4
12.5
12.6

C
C
C

B
B

ch d phịng
ch an tồn
ch kh i đ ng l i sau s c
om t
o trì

107
108
108
108
108

13
ĐÁNH GIÁ VÀ L A CH N GI I PHÁP ĐI U KHI N PHÂN TÁN
110
13.1
Đánh giá và l a ch n các s n ph m DCS tích h p tr n v n
110
13.1.1
Ph m vi ch c n ng
110
13.1.2
C u trúc h th ng và các thi t b thành ph n
110
13.1.3
Tính n ng m
110

13.1.4
Phát tri n h th ng
111
13.1.5
Đ tin c y và tính s n sàng
111
13.1.6
Giá thành, chi phí
111
13.2
So sánh gi i pháp DCS tích h p tr n v n v i các gi i pháp khác
112
14
GI
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5

I THI U M T S H ĐI U KHI N PHÂN TÁN TIÊU BI U
PCS7 c a Siemens
PlantScape c a Honeywell
DeltaV c a Fisher Rosermount
Centum CS1000/CS3000 c a Yokogawa
AdvantOCS c a ABB

113
113
113

113
113
113

15
M TS H
NG NGHIÊN C U VÀ NG D NG
114
15.1
Trí tu nhân t o phân tán
114
15.2
Đi u khi n và giám sát các h th ng giao thơng
115
15.2.1
Đ tv nđ
115
15.2.2
Mơ hình h th ng đi u khi n đèn tín hi u giao thông b ng công
ngh Agent
116
15.3
Đi u khi n và giám sát các h th ng s n xu t và cung c p đi n 117
TÀI LI U THAM KH O

119


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: Mơ hình phân c p ch c n ng c a m t h th ng đi u khi n và
giám sát7
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

Hình 3-4:

C u hình tiêu bi u m t h đi u khi n phân tán hi n đ i .......... 20

Hình 3-5:

Các thành ph n ch c n ng chính c a m t PLC ........................ 24

Hình 5-1:

Mơ hình hóa m t h th ng đi u khi n s d ng UML................ 38

Hình 6-1:

Các m u thi t k giao ti p gi a client và đ i t

Hình 6-2:

C u trúc mơ hình CORBA........................................................ 44

Hình 6-3:

Mơ hình m t đ i t

Hình 6-4:

S th c thi con tr giao di n.................................................... 47

Hình 6-5:

Giao ti p gi a đ i t

Hình 6-6:

Giao ti p gi a hai đ i t

Hình 6-7:

Giao ti p gi a đ i t

ng và khách hàng trên cùng quá trình .... 50

Hình 6-8:
nhau

Giao ti p gi a đ i t
51

ng và khách hàng trên hai q trình khác

ng pháp b trí tr m v n hành.................................... 18

ng server ........ 43

ng COM.................................................... 46
ng và khách hàng.................................... 49
ng ..................................................... 50

Hình 6-9: Giao ti p gi a đ i t ng và khách hàng trên hai máy khác nhau
v i DCOM ............................................................................................. 52
Hình 7-1:

Mơ hình ph n m m theo IEC 61131-3 ..................................... 54

Hình 7-2:

Giao ti p bên trong ch

ng trình ............................................. 55

Hình 7-3: Giao ti p gi a các ch ng trình trong cùng m t c u hình b ng
bi n tồn c c ........................................................................................ 55
Hình 7-4:

Giao ti p qua kh i ch c n ng .................................................. 56

Hình 7-5:

Giao ti p qua đ

ng d n truy c p ............................................ 56

Hình 7-6:

Mơ hình h th ng theo IEC 61499 ........................................... 57

Hình 7-7:

Mơ hình thi t b theo IEC 61499 (ví d thi t b 2 trong Hình 7-6.
58

Hình 7-8:

Mơ hình tài ngun .................................................................. 59

Hình 7-9:

Mơ hình ng d ng.................................................................... 60

Hình 7-10: Mơ hình kh i ch c n ng .......................................................... 61
Hình 8.1:

Mơ hình giao ti p m ng theo IEC 61131-5 ............................... 69

Hình 8.2:

Ki n trúc s l

Hình 8.3:

Ki n trúc Client/Server trong OPC............................................ 74

Hình 8.4:

OPC Custom Interfaces ............................................................ 75

Hình 8.5:

Mơ hình phát tri n iPC ............................................................ 78

c c a OPC ....................................................... 73

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) ........................................................................ 86
Hình 10-1: Minh h a m t s ngơn ng l p trình PLC................................. 89
Hình 10-2:

Khai báo và s d ng m t hàm .............................................. 93

Hình 10-3:

Khai báo hàm n p ch ng và hàm thơng th

Hình 10-4:

Khai báo và s d ng m t kh i ch c n ng ............................. 94

ng .................... 94

Hình 10-5: M t ví d SFC đ n gi n ........................................................... 98

Hình 11-1: Các thành ph n ph n m m trong m t h SCADA................... 101


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 hố 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 mơn 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, mơn 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: Mơ 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.

© 2002, Hồng Minh S n

1


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 mơn, 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 mơn h c sau:
• Đi u khi n s
• M ng truy n thơng cơng 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
h p trong m t đ a CD đ các h c viên có th t sao chép.

ct p

1.4 T ng quan các gi i pháp đi u khi n

1.4.1

Đ 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.
• Đi 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 tốn 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 i u khi n nhỳng (àP, àC),
CNC, PLC,...
ã T ng hóa cơng nghi p, đ c chia ra hai l nh v c:
• Cơng 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.
• Cơng 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 b đ c dùng ch y u là PLC, CNC, PC. Nay các h DCS c ng tìm
đ cm ts
ng d ng trong l nh v c này.
• Đi u khi n các h th ng giao thông, v n t i: Đ 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,...

© 2002, Hồng Minh S n

2


• Đi 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 ng húa tũa nh: R le, PLC, àp, àC,...
ã Đi u khi n và giám sát các h th ng qu c phịng: IPC, µP, µC, DSP và
các thi t b đ c ch ng khác.
• Đi u khi n và giám sát các h th ng th y l i, mơi tr ng: PLC, IPC, ...
• ...

1.4.2

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:
• Cơng 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, ...
• Cơng 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,...
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)

Các h đi u khi n c

B đi u khi n PID đi n t
(1940-1950)

R le đi n

Programmable Logic
Controller (PLC), 1970

Direct Digital Controller DDC
( K t p trung, 1965-1975)
Compact Digital
Controller

DCS

PLC-based DCS
PC-based DCS

DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS

Hình 1-1: L ch s phát tri n các gi i pháp đi u khi n

1.4.3

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
© 2002, Hồng Minh S n

3


q 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 tồn 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 qt, có th áp d ng ngồi các ng d ng
cơng 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, Hồng Minh S n

4


2

C U TRÚC CÁC H
VÀ GIÁM SÁT

TH NG ĐI U KHI N

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 trị
là giao di n gi a các thi t b đi u khi n v i q 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.
H th ng đi u khi n giám sát
NI

Thi t b đi u khi n t đ ng
NI

I/O

NI
NI

n i tr c ti p
n i qua m ng

NI
I/O
NI
C m bi n và ch p hành

NI

I/O

network interface
(giao di n m ng)
input/output
(vào/ra)

Quá trình k thu t

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 . Đó chính là
các ch c n ng c a các module vào/ra (I/O).
© 2002, Hồng Minh S n

5


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:
• 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 tồn.

2.2 Mơ hình phân c p
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 khơng
địi 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 mơ 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, Hồng Minh S n

6


Tính tốn 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
ánh giá k t qu , l p k ho ch s n
xu t, b o d ng máy móc,
tính tốn t i u hoá s n xu t
Giám sát, v n hành,
i u khi n cao c p,
L p báo cáo

QL
công ty
i u hành
s n xu t

i u khi n giám sát
C p đi u
khi n quá
trình

i u khi n, đi u ch nh,
b o v , an toàn
ghi chép t ng trình

i u khi n

o l ng, truy n đ ng,
chuy n đ i tín hi u

Ch p hành

C p tr

ng

Q trình k thu t
Hình 2-2: Mơ 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 thơng minh1 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 tốn nh t đ nh và truy n đ t l i k t qu
xu ng các c c u ch p hành. Khi cịn đi u khi n th cơng, 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
1

M t thi t b đ

c g i là thông minh, khi nó có kh n ng x lý thơng tin. Th c t , m i

thi t b thông minh ph i có ít nh t m t b vi x lý riêng.

© 2002, Hồng Minh S n

7


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
thay th b ng máy tính.

2.2.3

c

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. Ngồi ra, trong
m t s tr ng h p, c p này cịn th c hi n các bài tốn 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 cơng 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 khơng địi h i ph ng
ti n, thi t b ph n c ng đ c bi t ngồi các máy tính thơng 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 hồn tồn 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 q 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

Đi 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 tồn b q trình k thu t. Máy tính đi u khi n đây (MTĐK) 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 cơng nghi p, máy

© 2002, Hồng Minh S n

8


tính đi u khi n t p trung thơng 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).
MT K

Phòng đi u khi n trung tâm

I/O

Hi n tr

A

ng

S

Phân đo n 1

A

S

Phân đo n 2
I/O: input/output A: actuator

Hình 2-3:

A

S

Phân đo n n
S: sensor

C u trúc đi u khi n t p trung v i vào/ra t p trung

Đây 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 mơ 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. Đi m đáng
chú ý đây là s t p trung tồn 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:
• Cơng 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
• Đ tin c y kém.

2.3.2

Đi 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 thơng 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
© 2002, Hồng Minh S n

9


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 thơng 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 thơng, các thi t
b này cịn 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.

MT K
Phòng

bus tr

ng

Hi n tr

I/O

I/O

S

A

K trung tâm

S

I/O

A

S

S

A

ng
S

A

A

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 đốn 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

Đi u khi n phân tán

Trong đa s các ng d ng có qui mơ 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. Đ 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.

© 2002, Hồng Minh S n

10

PHÒNG I U KHI N
TRUNG TÂM

MTGS

MTGS

bus h
th ng

MT K 1

A

MT K 2

S

A

A

S
HI N TR

Phân đo n 1

Hình 2-5:

Phân đo n 2

MT K n

PHÒNG I U
KHI N C C B

S

NG
Phân đo n n

C u trúc đi u khi n phân tán v i vào/ra t p trung

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 khơng xa v i q
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 (HĐKPT).
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

Đi 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
© 2002, Hồng Minh S n

11


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 thơng 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 trị 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.

MTGS

MTGS

bus h
th ng
PHÒNG I U KHI N

TRUNG TÂM

MT K 1
bus tr

ng

MT K 2
bus tr

I/O

S

MT K n

ng

PHÒNG I U
KHI N C C B

bus tr
I/O

I/O

A

Phân đo n 1

S

ng

A

Phân đo n 2

S
HI N TR

A

NG
Phân đo n n

Hình 2-6: C u trúc đi u khi n phân tán v i vào/ra phân tán

© 2002, Hồng Minh S n

12


3

CÁC THÀNH PH N C A M T H
KHI N PHÂN TÁN

ĐI U

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), đơi khi cịn
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 cơng c phát tri n
• H th ng truy n thơng (field bus, system bus).

Máy
PCtính
phịng thí
Factory LAN

Operator
Station

Operator
Station

Engineering
Station
System bus

Local Control
Station

Local Control
Station

Remote
I/O Station
PROCESS

Hình 3-1: C u hình c b n m t h đi u khi n phân tán

© 2002, Hồng Minh S n

13


Đây 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,...

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, thơng th ng có d phịng
• Kh i x lý trung tâm (CPU), có th l a ch n lo i có d phịng
• Giao di n v i bus h th ng, thông th ng c ng có d phịng
• 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:
• Đi u khi n q trình (process control): Đi u khi n các m ch vịng 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 mơ hình (model-based
control), đi u khi n thích nghi, ...
• Đi u khi n trình t (sequential control, sequence control)
• Đi u khi n logic
• Th c hi n các cơng th c (recipe control).
• Đ t các tín hi u đ u ra v tr ng thái an tồn trong tr ng h p có s c
h th ng
• L u tr t m th i các tín hi u q trình trong tr ng h p m t liên l c
v i tr m v n hành
© 2002, Hồng Minh S n

14


• Nh n bi t các tr
đ ng.

ng h p v

t ng

ng giá tr và t o các thông báo báo

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 phịng. M t đi u
quan tr ng là m t 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 cơng 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
v m
•
•
•
•

t k ch ng lo i thi t b nào đ c s d ng, các yêu c u quan tr ng nh t
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
Đ 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 mơi tr ng d cháy n cịn 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 ProfibusDP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong mơi tr ng địi h i an
tồn 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 khơng 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
© 2002, Hồng Minh S n

15


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
cơng c ph n m m tích h p và đ m b o t ng thích hồn tồn 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
thơng 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 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.
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).

Hình 3-2: M s hình nh t đi u khi n DCS

© 2002, Hồng Minh S n

16


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. Đ 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 vịng, hình nh đi u khi n trình t , các đ th th i gian
th c và đ th q kh )
• 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 đốn 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 thơng 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).
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).

© 2002, Hồng Minh S n

17


Operator Terminals
Engineering
Station
Operator
Station

Terminals bus

System bus

Controller

Hình 3-3: Các ph

ng pháp b trí tr m v n hành

Đ 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 q trình cơng ngh , m
thu t cơng 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.

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 thơng 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 cơng c phát tri n đ c tích h p s n trong h th ng
• Cơng vi c phát tri n (Engineering) khơng yêu c u có ph n c ng DCS
t i ch
• Các ngơn ng l p trình thơng 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,...)
© 2002, Hồng Minh S n

18