Đề tài Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (dcs)

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 hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông 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 thông 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 toán cần thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý tr uyền thông. Trễ truyền thông 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 thông 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.

pdf129 trang | Chia sẻ: ttlbattu | Lượt xem: 1994 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (dcs), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 THÔNG 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 THÔNG 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 THÔNG 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 công trình do tôi 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 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất 1 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động 3 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 5 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 thông trong hệ DCS 10 1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS 10 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 phân tán 17 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 21 2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 21 2.1.1. Hệ thời gian thực 21 2.1.2. Điều khiển thời gian thực 23 2.2. Giao thức mạng 26 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 2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 36 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 2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông 44 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 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU 47 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 47 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 thông 52 3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet 54 3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông 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 3.3. Trễ truyền thông trong mạng CAN 75 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 TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC 83 4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 83 4.1.1. Hệ điều khiển servo 84 4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo 84 4.1.3. Điều khiển quá trình 85 4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85 4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 89 4.2.1. Cấu hình của mô hình 89 4.2.2. Giới thiệu mô hình 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 truyền thông Bus-CAN 95 4.3.1. Cấu hình mô hình 95 4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus 96 4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 98 4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé 98 4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông 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 khiển của hệ thống truyền động nhiều trục 101 4.6.1. Cấu hình của mô hình 102 4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống 103 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 hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông 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 thông 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 toán cần thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông 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 thông 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 thông trong các mạng truyền thông công 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 thông công 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 tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô 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 hoá quá trình sản xuất Hình 1-2. Mô 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 mô hình Fieldbus và mô hình OSI Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động. Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông 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 thông trong mô 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 hoàn toàn sử dụng Switch Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào Hình 3-6. Mô 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 thông 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 thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động Hình 4-8. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí Hình 4-11. Kết quả mô 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 hoà 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 hoà 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 không có thông 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% 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá 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 hoá quá trình sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hành của một hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1. 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 quá trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển lôgic khả trình PLC, thiết bị điều khiển quá trình công nghệ trong máy điều khiển số CNC hoặc các máy tính PC công nghiệp. 1. Cấp trường (cảm biến - chấp hành) 2. Cấp điều khiển 3. Cấp giám sát – chỉ huy 4. Cấp quản lý nhà máy 5. Cấp quản lý công ty Workstation, PC, Servers Workstation, PC, Servers Workstation, PC Controllers, PLC, CNC, PC Controllers, sensors, actuators Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 quá trình công 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 quá trình công 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 quá trình công 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 phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hoá quá trình công 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. Thiết bị đo Cơ cấu chấp hành Bộ điều khiển Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động Mỗi cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất có các yêu cầu về thông 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 công ty thường đòi 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 thông 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 quá trình công nghệ phức tạp thì mỗi ứng dụng, mỗi công 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 hoá quá trình sản xuất nói chung, hệ thống điều khiển phân tán riêng là: 1. Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thông 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 thông 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 quá 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 thông kỹ thuật số. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 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 hoá quá trình công 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 thông kỹ thuật số) trong hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất được phân chia thành hai loại: mạng điều khiển và mạng dữ liệu. Trong mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá 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 quá trình công 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 thông: + 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. Mô hình truyền thông sử dụng có thể là master/slave hoặc peer to peer. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên + 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
Tài liệu liên quan