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 khiểnvới 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.
129 trang |
Chia sẻ: vietpd | Lượt xem: 1626 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn 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