Bài giảng Hệ thống điều khiển phân tán - Chương 2: Cấu trúc hệ thống

Ch
ư
ơ
n
g
1
Hệ thống 
₫iều khiển phân tán
8/14/2006
Chương 2: Cấu trúc hệ thống
2Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Chương 2: Cấu trúc hệ thống
2.1 Cấu trúc cơ bản của một HTĐK&GS
2.2 Mô hình phân cấp chức năng
2.3 Các cấu trúc vào/ra
2.4 Các cấu trúc điều khiển
3Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
2.1 Cấu trúc cơ bảnmột HTĐK&GS
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN
ĐO LƯỜNG VÀ TRUYỀN ĐỘNG
I/O
I/O
HỆ THỐNG KỸ THUẬT
Nối qua mạng Nối thông thường
4Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Các thành phần cơ bản
ƒ Hệ thống máy tính điều khiển: Các hệ thống máy tính 
điều khiển chuyên dụng hoặc phổ thông.
ƒ Giao diện quá trình: Giao diện giữa các MTĐK với hệ
thống kỹ thuật thông qua các thiết bị đo lường và
truyền động.
ƒ Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần 
mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm 
vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
ƒ Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm 
biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống.
ƒ Hệ thống bảo vệ: Các thiết bị bảo vệ và cơ chế thực 
hiện chức năng an toàn hệ thống.
5Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
2.2 Mô hình phân cấp chức năng
HỆ THỐNG KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN GIÁM
SÁT
Giám sát, vận hành, chẩn đoán
Điều khiển cao cấp, phối hợp
Quản lý dữ liệu, lập báo cáo
ĐIỀU KHIỂN
Điều khiển, điều chỉnh,
Bảo vệ, an toàn,
Ghi chép, cảnh giới
CHẤP HÀNH & CẢM BIẾN
Đo lường, truyền động
Chấp hành, đóng/cắt
Chuyển đổi tín hiệu
ĐIỀU HÀNH
SẢN XUẤT
Điều khiển cao cấp, phối hợp
Quản lý dữ liệu, lập báo cáo
Tối ưu hoá sản xuất
Q. LÝ
CÔNG TY
Tính toán giá thành, lãi suất
Thống kê số liệu sản xuất, kinh doanh,
Xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên
Cấp
trường
Điều khiển
quá trình
Quản lý
thông tin
6Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Mục ₫ích phân cấp
ƒ Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc 
lĩnh vực công nghiệp cụ thể. Mỗi cấp có chức năng và 
đặc thù khác nhau
ƒ Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể
có các mô hình tương tự với số cấp nhiều hoặc ít hơn
ƒ Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ 
ràng. 
ƒ Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang 
tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ
nhanh nhạy, thời gian phản ứng. 
ƒ Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, 
lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn.
ƒ Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống
7Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
2.3 Cấu trúc vào/ra
I/O: input/outputA: actuator S: sensor
A S A S A S
HIỆN TRƯỜNG
MTĐK
I/O
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
A S A S A S
a) Vào/ra tích hợp
MTĐK
I/O
4-20mA
0-10V
...
4-20mA
0-10V
...
b) Vào/ra kiểu module
Î Nối dây truyền thống
Vào/ra tập trung (central I/O)
8Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Vào/ra tập trung: Ưu và nhược ₫iểm
ƒ Công việc nối dây phức tạp, chi phí cho cáp dẫn cao: số 
lượng lớn các cáp nối, cấu trúc phức tạp, công thiết kế, lắp 
đặt lớn. 
ƒ Kém tin cậy: Phương pháp truyền dẫn tín hiệu tương tự giữa 
các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng 
của nhiễu, gây ra sai số mà không có khả năng phát hiện.
ƒ Kém linh hoạt: Khó mở rộng bởi phải đi lại cáp dẫn, không 
thể lựa chọn các module vào/ra của hãng khác.
ƒ Khó chẩn đoán lỗi: Một mặt lỗi do truyền tín hiệu khó phát 
hiện ra, mặt khác lỗi do thiết bị rất khó có thể định vị và đưa 
ra kết luận chẩn đoán.
ƒ Phù hợp với các hệ thống qui mô nhỏ: Phạm vi địa lý hẹp, 
một máy tính điều khiển, số lượng vào/ra không lớn 
9Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Vào/ra phân tán (distributed I/O)
S AS A
MTĐK
Compact I/O
S A
bus trường
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
HIỆN TRƯỜNG
S A S AS A
Modular I/O
Î Ưu điểm nhiều, song vẫn còn nối dây truyền thống
Còn gọi là vào/ra từ xa (remote I/O)
10Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Vào/ra phân tán với bus trường chuẩn
ƒ Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển
xuống tới các vào/ra phân tán chỉ cần một đường truyền duy
nhất.
ƒ Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn.
ƒ Tăng độ tin cậy của hệ thống: 
– Truyền kỹ thuật số => hạn chế lỗi được hạn chế
– Nếu có lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp
bảo toàn dữ liệu của hệ bus.
ƒ Tăng độ linh hoạt của hệ thống: 
– Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị vào/ra
– Tự do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống. 
– Khả năng mở rộng dễ dàng hơn
ƒ Vào/ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần tại hiện trường
(chỉ lợi dụng ưu điểm cuối cùng)
11Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Thiết bị thường và thiết bị bus trường
D
A
D
A
µP
D
A
Sensor
MT điều khiển
Thiết bị thông thường
4-20mA
D
A
BI
µP
BI
Sensor
MT điều khiển
Thiết bị bus trường
Bus trường
bus 
interface
12Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Vào/ra trực tiếp với thiết bị bus trường
ƒ Cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt
ƒ Giảm chi phí cáp truyền, các khối vào/ra và các phụ kiện khác
ƒ Giảm kích thước tủ điều khiển
ƒ Đưa vào vận hành và khả năng chẩn đoán các thiết bị trường
qua mạng một cách dễ dàng.
ƒ Khả năng tích hợp các chức năng điều khiển tự động xuống
các thiết bị trường => trí tuệ phân tán (distributed intelligence)
MTĐK
bus trường
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
HIỆN TRƯỜNG
S AS AS AS A S AS A
13Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
2.4 Cấu trúc ₫iều khiển
Dây chuyền 1
S AS A
Dây chuyền 2
S AS A
Dây chuyền n
S AS A
MTĐK
I/O
MTĐK
I/O
MTĐK
I/O
Điều khiển cục bộ/₫iều khiển song song
14Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển song song: ưu và nhược ₫iểm
ƒ Cấu trúc cổ điển nhất
ƒ Thường được sử dụng cho các hệ thống có qui mô vừa và nhỏ, 
đặc biệt tiêu biểu trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp
(các dây chuyền song song độc lập với nhau)
ƒ Các thiết bị điều khiển được đặt tại hiện trường
ƒ Có thể sử dụng kết hợp cấu trúc vào/ra tập trung hoặc vào/ra trực
tiếp với bus trường.
ƒ Các máy tính điều khiển làm việc hoàn toàn độc lập với nhau => 
độ tin cậy cao
ƒ Hoàn toàn không có sự phối hợp giữa chúng để cùng chia sẻ giải
quyết cùng một nhiệm vụ. 
ƒ Một số môi trường công nghiệp không cho phép lắp đặt các thiết bị
điều khiển tại hiện trường.
15Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển tập trung (centralized control)
Nối dây truyền thống
A
Phân đoạn 1
S A S A S
Phân đoạn 2 Phân đoạn n
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
HIỆN TRƯỜNG
MTĐK
I/O
16Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển tập trung
Sử dụng bus trường
MTĐK
I/O
S A
I/O
S A
I/O
S A
S A S A
bus trường
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
HIỆN TRƯỜNG
17Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển tập trung: ưu và nhược ₫iểm
ƒ Độ tin cậy thấp: Tập trung chức năng điều khiển và xử
lý thông tin tại một máy tính duy nhất
ƒ Độ linh hoạt thấp: Mở rộng cũng như thay đổi một phần
trong hệ thống đòi hỏi phải dừng toàn bộ hệ thống.
ƒ Hiệu năng kém: Toàn bộ thông tin đều phải đưa về
trung tâm, chậm trễ do thời gian truyền dẫn và xử lý tập
trung
ƒ Chỉ phù hợp với các ứng dụng qui mô nhỏ
18Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển phân tán (distributed control
bus hệ thống
A
Phân đoạn 1
A A
Phân đoạn 2 Phân đoạn n
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN 
TRUNG TÂM 
HIỆN TRƯỜNG
TRẠM ĐK CỤC BỘ
S S S
MTĐK 1 MTĐK 2 MTĐK n
MTGS MTGS
19Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển phân tán: ưu ₫iểm
ƒ Phân chia chức năng điều khiển xuống các máy tính điều khiển tại
các trạm cục bộ (ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật). 
ƒ Điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển có thể diễn ra
trực tiếp hoặc thông qua các máy tính giám sát trung tâm (MTGS). 
ƒ Độ linh hoạt cao hơn hẳn so với cấu trúc tập trung. 
ƒ Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng
cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới.
ƒ Mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ
thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo
công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất.
20Chương 2: Cấu trúc hệ thống © 2006 - HMS
Điều khiển phân tán sử dụng bus trường
Phân đoạn 1
MTĐK 1
MTGS MTGS
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN 
TRUNG TÂM
HIỆN TRƯỜNG
bus hệ thống
TRẠM ĐIỀU KHIỂN 
CỤC BỘ
I/O
S A
bus trường
Phân đoạn 2
MTĐK 2
A
Phân đoạn n
MTĐK n
I/O
S A
bus trường
bus trường
S