Giáo trình Hệ thống điều khiển phân tán

MỤC LỤC 1 NHẬP MÔN 51.1 Phạm vi đềcập 51.2 Nội dung chương trình 51.3 Yêu cầu kiến thức cơsở51.4 Tổng quan các giải pháp điều khiển 61.4.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển 61.4.2 Các hệthống điều khiển công nghiệp 62 CẤU TRÚC CÁC HỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 82.1 Cấu trúc và các thành phần cơbản 82.2 Mô hình phân cấp 92.2.1 Cấp chấp hành 102.2.2 Cấp điều khiển 102.2.3 Cấp điều khiển giám sát 102.3 Cấu trúc điều khiển 112.3.1 Điều khiển tập trung 112.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 122.3.3 Điều khiển phân tán 122.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 133 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 153.1 Cấu hình cơbản 153.1.1 Trạm điều khiển cục bộ153.1.2 Bus trường và các trạm vào/ra từxa 173.1.3 Trạm vận hành 183.1.4 Trạm kỹthuật và các công cụphát triển 193.1.5 Bus hệthống 203.2 Phân loại các hệDCS 213.2.1 Các hệDCS truyền thống 213.2.2 Các hệDCS trên nền PLC 223.2.3 Các hệDCS trên nền PC 253.3 Các vấn đềkỹthuật 264 XỬLÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬLÝ PHÂN TÁN 274.1 Một sốkhái niệm cơbản 274.1.1 Hệthống thời gian thực 274.1.2 Xửlý thời gian thực 274.1.3 Hệ điều hành thời gian thực 284.1.4 Xửlý phân tán 294.2 Các kiến trúc xửlý phân tán 304.3 Cơchếgiao tiếp 314.4 Đồng bộhóa trong xửlý phân tán 32 4.4.1 Đồng bộhóa các tín hiệu vào/ra 324.4.2 Đồng bộhóa thời gian 325 CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 335.1 Lập trình hướng đối tượng 335.2 Phân tích và thiết kếhướng đối tượng 335.2.1 Ngôn ngữmô hình hóa thống nhất UML 345.2.2 Mẫu thiết kế355.2.3 Phần mềm khung 355.3 Phần mềm thành phần 365.4 Đối tượng phân tán 376 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN 386.1 Yêu cầu chung 386.2 Các mẫu thiết kế386.3 Giới thiệu chuẩn CORBA 396.4 Giới thiệu chuẩn COM/DCOM 406.4.1 Giao diện 416.4.2 Đối tượng COM 416.4.3 Giao tiếp giữa client và object 446.4.4 Ngôn ngữmô tảgiao diện 466.4.5 Mô hình đối tượng thành phần phân tán DCOM 467 CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 487.1 IEC-61131 487.1.1 Mô hình phần mềm 487.1.2 Mô hình giao tiếp 497.2 IEC-61499 517.2.1 Mô hình hệthống 517.2.2 Mô hình thiết bị527.2.3 Mô hình tài nguyên 527.2.4 Mô hình ứng dụng 537.2.5 Mô hình khối chức năng 547.2.6 Mô hình phân tán 567.2.7 Mô hình quản lý 567.2.8 Mô hình trạng thái hoạt động 568 MỘT SỐCHUẨN GIAO TIẾP CÔNG NGHIỆP 588.1 MMS 588.2 IEC-61131-5 608.2.1 Mô hình giao tiếp mạng 608.2.2 Dịch vụgiao tiếp 618.2.3 Các khối chức năng giao tiếp 628.3 OPC 638.3.1 Tổng quan vềkiến trúc OPC 63 8.3.2 OPC Custom Interfaces 658.3.3 OPC Automation Interface 668.4 Ngôn ngữ đánh dấu khảmởXML 678.4.1 Giới thiệu chung 678.4.2 Ứng dụng XML trong phần mềm khung iPC 689 MÔ TẢHỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 709.1 Các phương pháp mô tả đồhọa 709.2 Lưu đồP&ID 719.2.1 Chuẩn ISA S5.1 719.2.2 Chuẩn ISA S5.3 759.3 Mô hình hóa hướng đối tượng 7710 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 7810.1 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 7810.1.1 Kiểu dữliệu 7910.1.2 Tổchức chương trình 8110.1.3 Ngôn ngữFBD 8310.1.4 Ngôn ngữST 8410.1.5 Ngôn ngữSFC 8510.2 Lập trình với ngôn ngữbậc cao 8511 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 8711.1 Giới thiệu chung vềcác hệ điều khiển giám sát 8711.1.1 Các thành phần chức năng cơbản 8811.1.2 Công cụphần mềm SCADA/HMI 8911.2 Xây dựng cấu trúc hệthống 9111.3 Thiết kếgiao diện người-máy 9211.3.1 Yêu cầu chung 9211.3.2 Các phương pháp giao tiếp người-máy 9211.3.3 Thiết kếcấu trúc màn hình 9211.3.4 Các nguyên tắc thiết kế9312 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘTIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 9412.1 Đặt vấn đề9412.2 Cơchếdựphòng 9412.3 Cơchếan toàn 9512.4 Cơchếkhởi động lại sau sựcố9512.5 Bảo mật 9512.6 Bảo trì 9513 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 9713.1 Đánh giá và lựa chọn các sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 9713.1.1 Phạm vi chức năng 9713.1.2 Cấu trúc hệthống và các thiết bịthành phần 9713.1.3 Tính năng mở97 13.1.4 Phát triển hệthống 9713.1.5 Độtin cậy và tính sẵn sàng 9813.1.6 Giá thành, chi phí 9813.2 So sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với các giải pháp khác 9814 GIỚI THIỆU MỘT SỐHỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 10014.1 PCS7 của Siemens 10014.2 PlantScape của Honeywell 10014.3 DeltaV của Fisher Rosermount 10014.4 Centum CS1000/CS3000 của Yokogawa 10014.5 AdvantOCS của ABB 10015 MỘT SỐHƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 10115.1 Trí tuệnhân tạo phân tán 10115.2 Điều khiển và giám sát các hệthống giao thông 10215.2.1 Đặt vấn đề10215.2.2 Mô hình hệthống điều khiển đèn tín hiệu giao thông bằng công nghệAgent 10215.3 Điều khiển và giám sát các hệthống sản xuất và cung cấp điện 104TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

MỤC LỤC

1 NHẬP MÔN 5

1.1 Phạm vi đềcập 5

1.2 Nội dung chương trình 5

1.3 Yêu cầu kiến thức cơsở5

1.4 Tổng quan các giải pháp điều khiển 6

1.4.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển 6

1.4.2 Các hệthống điều khiển công nghiệp 6

2 CẤU TRÚC CÁC HỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 8

2.1 Cấu trúc và các thành phần cơbản 8

2.2 Mô hình phân cấp 9

2.2.1 Cấp chấp hành 10

2.2.2 Cấp điều khiển 10

2.2.3 Cấp điều khiển giám sát 10

2.3 Cấu trúc điều khiển 11

2.3.1 Điều khiển tập trung 11

2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 12

2.3.3 Điều khiển phân tán 12

2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 13

3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 15

3.1 Cấu hình cơbản 15

3.1.1 Trạm điều khiển cục bộ15

3.1.2 Bus trường và các trạm vào/ra từxa 17

3.1.3 Trạm vận hành 18

3.1.4 Trạm kỹthuật và các công cụphát triển 19

3.1.5 Bus hệthống 20

3.2 Phân loại các hệDCS 21

3.2.1 Các hệDCS truyền thống 21

3.2.2 Các hệDCS trên nền PLC 22

3.2.3 Các hệDCS trên nền PC 25

3.3 Các vấn đềkỹthuật 26

4 XỬLÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬLÝ PHÂN TÁN 27

4.1 Một sốkhái niệm cơbản 27

4.1.1 Hệthống thời gian thực 27

4.1.2 Xửlý thời gian thực 27

4.1.3 Hệ điều hành thời gian thực 28

4.1.4 Xửlý phân tán 29

4.2 Các kiến trúc xửlý phân tán 30

4.3 Cơchếgiao tiếp 31

4.4 Đồng bộhóa trong xửlý phân tán 32

4.4.1 Đồng bộhóa các tín hiệu vào/ra 32

4.4.2 Đồng bộhóa thời gian 32

5 CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 33

5.1 Lập trình hướng đối tượng 33

5.2 Phân tích và thiết kếhướng đối tượng 33

5.2.1 Ngôn ngữmô hình hóa thống nhất UML 34

5.2.2 Mẫu thiết kế35

5.2.3 Phần mềm khung 35

5.3 Phần mềm thành phần 36

5.4 Đối tượng phân tán 37

6 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN 38

6.1 Yêu cầu chung 38

6.2 Các mẫu thiết kế38

6.3 Giới thiệu chuẩn CORBA 39

6.4 Giới thiệu chuẩn COM/DCOM 40

6.4.1 Giao diện 41

6.4.2 Đối tượng COM 41

6.4.3 Giao tiếp giữa client và object 44

6.4.4 Ngôn ngữmô tảgiao diện 46

6.4.5 Mô hình đối tượng thành phần phân tán DCOM 46

7 CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 48

7.1 IEC-61131 48

7.1.1 Mô hình phần mềm 48

7.1.2 Mô hình giao tiếp 49

7.2 IEC-61499 51

7.2.1 Mô hình hệthống 51

7.2.2 Mô hình thiết bị52

7.2.3 Mô hình tài nguyên 52

7.2.4 Mô hình ứng dụng 53

7.2.5 Mô hình khối chức năng 54

7.2.6 Mô hình phân tán 56

7.2.7 Mô hình quản lý 56

7.2.8 Mô hình trạng thái hoạt động 56

8 MỘT SỐCHUẨN GIAO TIẾP CÔNG NGHIỆP 58

8.1 MMS 58

8.2 IEC-61131-5 60

8.2.1 Mô hình giao tiếp mạng 60

8.2.2 Dịch vụgiao tiếp 61

8.2.3 Các khối chức năng giao tiếp 62

8.3 OPC 63

8.3.1 Tổng quan vềkiến trúc OPC 63

8.3.2 OPC Custom Interfaces 65

8.3.3 OPC Automation Interface 66

8.4 Ngôn ngữ đánh dấu khảmởXML 67

8.4.1 Giới thiệu chung 67

8.4.2 Ứng dụng XML trong phần mềm khung iPC 68

9 MÔ TẢHỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 70

9.1 Các phương pháp mô tả đồhọa 70

9.2 Lưu đồP&ID 71

9.2.1 Chuẩn ISA S5.1 71

9.2.2 Chuẩn ISA S5.3 75

9.3 Mô hình hóa hướng đối tượng 77

10 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 78

10.1 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 78

10.1.1 Kiểu dữliệu 79

10.1.2 Tổchức chương trình 81

10.1.3 Ngôn ngữFBD 83

10.1.4 Ngôn ngữST 84

10.1.5 Ngôn ngữSFC 85

10.2 Lập trình với ngôn ngữbậc cao 85

11 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 87

11.1 Giới thiệu chung vềcác hệ điều khiển giám sát 87

11.1.1 Các thành phần chức năng cơbản 88

11.1.2 Công cụphần mềm SCADA/HMI 89

11.2 Xây dựng cấu trúc hệthống 91

11.3 Thiết kếgiao diện người-máy 92

11.3.1 Yêu cầu chung 92

11.3.2 Các phương pháp giao tiếp người-máy 92

11.3.3 Thiết kếcấu trúc màn hình 92

11.3.4 Các nguyên tắc thiết kế93

12 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘTIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 94

12.1 Đặt vấn đề94

12.2 Cơchếdựphòng 94

12.3 Cơchếan toàn 95

12.4 Cơchếkhởi động lại sau sựcố95

12.5 Bảo mật 95

12.6 Bảo trì 95

13 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 97

13.1 Đánh giá và lựa chọn các sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 97

13.1.1 Phạm vi chức năng 97

13.1.2 Cấu trúc hệthống và các thiết bịthành phần 97

13.1.3 Tính năng mở97

13.1.4 Phát triển hệthống 97

13.1.5 Độtin cậy và tính sẵn sàng 98

13.1.6 Giá thành, chi phí 98

13.2 So sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với các giải pháp khác 98

14 GIỚI THIỆU MỘT SỐHỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 100

14.1 PCS7 của Siemens 100

14.2 PlantScape của Honeywell 100

14.3 DeltaV của Fisher Rosermount 100

14.4 Centum CS1000/CS3000 của Yokogawa 100

14.5 AdvantOCS của ABB 100

15 MỘT SỐHƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 101

15.1 Trí tuệnhân tạo phân tán 101

15.2 Điều khiển và giám sát các hệthống giao thông 102

15.2.1 Đặt vấn đề102

15.2.2 Mô hình hệthống điều khiển đèn tín hiệu giao thông bằng công

nghệAgent 102

15.3 Điều khiển và giám sát các hệthống sản xuất và cung cấp điện 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105