Bài giảng Hệ thống điều khiển phân tán - Chương 5: Kiến trúc PC-Based Control

©2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
C
h
ư
ơ
n
g
1
C
h
ư
ơ
n
g
1
Hệ thống 
₫iều khiển phân tán
8/27/2005
Chương 5: Kiến trúc PC-based 
Control
2©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control
5.1 Tại sao sử dụng giải pháp PC
5.2 Các vấn đề cơ bản của giải pháp PC
5.3 Cấu hình cơ bản một hệ PC-based Control
Các loại giải pháp khác nhau
5.4 Hệ điều khiển phân tán trên nền PC
5.5 Các điểm mấu chốt trong kiến trúc PC-based 
Control
3©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
ƒ Hiệu năng tính toán cao với giá thành thấp, chu kỳ điều
khiển có thể xuống tới 1ms
ƒ Kiến trúc máy tính phổ thông, quen thuộc
ƒ Tính năng mở
– Hệ điều hành thông dụng
– Nối mạng đơn giản
– Lập trình tự do, công cụ lập trình mạnh
– Sử dụng các thành phần chuẩn (off-the-shelf components) => 
component-based system (khác với integrated system)
ƒ Có thể kết hợp các chức năng điều khiển cơ sở, điều
khiển cao cấp và vận hành-giám sát (all-in-one system), 
ƒ Dễ dàng ghép nối với các ứng dụng cấp trên
ƒ Độ tin cậy ngày càng được cải thiện
ƒ Ghép nối vào/ra đơn giản qua bus trường
5.1 Tại sao sử dụng giải pháp IPC?
4©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Thị trường PC-based Control ở châu Âu
(Theo Computerzeitung 5/1998 )
165.3
345
665.4
78.7
0
100
200
300
400
500
600
700
1998 2000 2002 2004
D
o
a
n
h
s
ố
d
ự
b
á
o
(
T
r
i
ệ
u
U
S
D
)
5©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Các phạmvi ứng dụng tiêu biểu
ƒ Các dây chuyền chế tạo, lắp ráp, đóng bao:
– Thay thế giải pháp PLC truyền thống => Slot-PLC, Soft-PLC
– Kết hợp chức năng điều khiển và vận hành-giám sát tại chỗ
– Độ tin cậy không phải là vấn đề đáng lo ngại
ƒ Điều khiển chuyển động:
– Thay thế giải pháp CNC truyền thống => Soft-CNC
– Điều khiển tay máy
ƒ Điều khiển một nhóm thiết bị, máy móc đơn lẻ
ƒ Điều khiển quá trình: công nghệ thực phẩm, dược
phẩm, xử lý nước sạch, nước thải, CN bán dẫn,...
ƒ SCADA
Ö Khả năng xử lý nhanh, hỗn hợp, linh hoạt, dễ tích
hợp HMI và các chức năng cao cấp
6©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
5.2 Các vấn ₫ề cơ bản của giải pháp PC
ƒ Nâng cao độ tin cậy: 
– Sử dụng các chủng loại PC công nghiệp hoặc ít ra phải là PC có
thương hiệu tin cậy
– Nếu có thể, nên sử dụng FlashROM thay cho đĩa cứng
– Cần hệ điều hành tốt, hoạt động ổn định
– Loại trừ hoàn toàn các chương trình ứng dụng khác
– Cần giải pháp dự phòng nóng trong trường hợp cần thiết
ƒ Đảm bảo tính năng thời gian thực:
– Hệ điều hành thời gian thực hoặc ít ra là HĐH đa nhiệm có đáp
ứng phần cơ bản về tính năng thời gian thực (quan trọng nhất: 
chu kỳ điều khiển và độ rung, jitter)
ƒ Lập trình thuận tiện
– Nếu dùng ngôn ngữ bậc cao: cần thư viện mạnh, dễ sử dụng
– Tốt hơn hết: công cụ lập trình trực quan + phần mềm khung
7©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
5.3 Cấu hình cơ bản
MTĐK
Bus trường, bus thiết bị
A S A S
A S A S
I/O I/O
Desktop-PC 
PC-104 
CompactPCI
Single Board Computer
 Bắt buộc sử dụng vào/ra từ xa hoặc thiết bị bus trường
8©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Slot-PLC, Embedded PLC
ƒ PC + PLC dưới dạng một card ISA/PCI
ƒ PLC cho điều khiển, PC cho lập trình & vận hành-
giám sát
ƒ PLC hoạt động độc lập, chỉ sử dụng nguồn cấp từ PC
ƒ PLC được cài đặt hệ điều hành TGT
ƒ Lập trình hoàn toàn tương tự như cho PLC thông
thường
ƒ Giao tiếp PC PLC đơn giản qua bus PCI/ISA
ƒ Ưu điểm: gọn nhẹ, tương đối tin cậy
ƒ Nhược điểm: 
– Chưa lợi dụng được thế mạnh thực sự của PC
– Ít có sự lựa chọn các khối vào/ra
9©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Cấu trúc phần cứng Slot-PLC
CPU Multiport-
Memory
RAM
EPROM Powersupply
Bus
driver
CPU RAM
I n
t e
r f a
c e
s
PC
Slot-PLC
Monitor
Keyboard
Serial
Parallel
Field bus
PC Bus
Power
supply
A I/OS I/O
10
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Mô hình phầnmềmSlot-PLC
PC BIOS + ISA/PCI Interface
PC Operating System
(WinNT, Win200, Linux,...) 
PLC
Program
SCADA/HMI
Application
Công cụ lập trình PLC
Công cụ SCADA/HMI
PLC 
Operating System
ISA/PCI Interface
Ví dụ sản phẩm:
– Phoenix Contact: PC WORX (sử dụng Interbus)
– Siemens: WinAC, Component-based Automation
11
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Soft-PLC, SoftLogic
ƒ PC thực hiện với vai trò như một PLC
ƒ Yêu cầu phần mềm chạy (PLC runtime engine)
ƒ Mô hình lập trình hoàn toàn tương tự như cho PLC 
thông thường
ƒ Có thể tích hợp chức năng ĐK cao cấp, vận hành-
giám sát
ƒ Ưu điểm: gọn nhẹ, rẻ
ƒ Nhược điểm: độ tin cậy phụ thuộc vào PC
12
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Mô hình phầnmềmSoft-PLC
BIOS
Operating System
(WinNT, WinCE, VxWorks, QNX, RTLinux,..) 
Runtime Engine
Task Manager I/O Manager
Library Runtime
Soft PLC
Application
SCADA/HMI
Application
Công cụ lập trình PLC
Công cụ SCADA/HMI
Ví dụ sản phẩm:
– Softing: 4Control (nhiều loại bus trường)
– Siemens: WinLC
13
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Mô hình giải pháp tự do
MTĐK
Bus trường, bus thiết bị
A S A S
A S A S
I/O I/O
Công cụ lập trình phổ thông
(với C/C++, Java, Delphi..)
+ Phần mềm giao diện bus
MTGS
LAN
Công cụ lập trình phổ thông
hoặc chuyển dụng
+ Phần mềm giao tiếp
14
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Mô hình giao tiếp qua COM và OPC
SCADA/HMI
(VB, Delphi,...)
Giao diện
COM
PM Điều khiển
(C, C++,...)
SCADA
(WinCC)
PM Điều khiển
(C, C++,...)
SCADA 
(iFIX)
OPC 
Server
Giao diện COM thông thường:
Hiệu suất cao
Khó tích hợp các công cụ chuyên dụng
Giao diện OPC:
Hiệu suất khá cao
Đa năng
15
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
5.4 Hệ ₫iều khiển phân tán trên nền PC
Field bus
Ethernet
I/O I/O A S A S
ĐK ĐK ĐK
I/O I/O
Data Server
OS ES SS
IF...
THEN...
OS
Mạng Cty
Internet
16
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Máy tính ₫iều khiển
ƒ Cấu hình phần cứng tiêu biểu:
– CPU: Pentium XX, RAM: > 64 MB
– Không cần màn hình
– Đĩa cứng hoặc FlashROM
– Giao diện bus trường (DP, FF, DeviceNet,...) 
– Giao diện LAN
ƒ Cấu hình phần mềm tiêu biểu
– Hệ điều hành: WinCE/NT/2000, VxWorks, QNX, RTLinux
– Control Runtime: Quản lý tác vụ, vào/ra, chẩn đoán, thư viện
chức năng,...
– Phần mềm giao tiếp: COM/OPC Server
ƒ Phương pháp lập trình
– Công cụ chuyên dụng theo IEC 61131-3
– Có thể sử dụng bổ sung: C/C++, Java,..
17
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Trạmvận hành/Trạmkỹ thuật
ƒ Cấu hình phần cứng tiêu biểu:
– CPU: Pentium IV, RAM: > 256 MB
– Màn hình 21" (x 2) cho OS và 19" cho ES
– Dung lượng ổ cứng: > 40GB 
– Giao diện Fast Ethernet
ƒ Cấu hình phần mềm tiêu biểu
– Hệ điều hành: NT/2000/XP
– SCADA Runtime
– COM/OPC Client
– Đối với ES: Công cụ lập trình, công cụ SCADA,...
ƒ Phương pháp tạo ứng dụng
– Công cụ SCADA/HMI chuyên dụng, độc lập
– Có thể sử dụng bổ sung: C/C++, Java,..
18
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
Dự phòngmáy tính ₫iều khiển
Bus trường
Ethernet-TCP/IP
DCOM
Tích cực/
Dự phòng
Tích cực/
Dự phòngĐKĐK
19
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
5.5 Các ₫iểmmấu chốt của kiến trúc
PC-based Control
ƒ Kiến trúc hệ thống:
– Mở, xây dựng trên cơ sở các thành phần chuẩn hóa, off-the-
shelf-components
– Điều khiển phânt tán hoặc tập trung đều phù hợp
– Chức năng điều khiển chủ yếu trên PC
– Giao tiếp qua các chuẩn công nghiệp
ƒ Phát triển hệ thống: Thông thường riêng biệt cho từng
phần (trừ giải pháp PC-based DCS)
ƒ Giao diện quá trình: 
– Chủ yếu dựa trên công nghệ bus trường (vào/ra từ xa hoặc sử
dụng trực tiếp thiết bị bus trường
– Với PC có cấu trúc module (ví dụ PC-104) có thể sử dụng
vào/ra tập trung cho ứng dụng qui mô nhỏ
20
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
Chương 5: Kiến trúc PC-based Control © 2005 - HMS
DCS, PLC hay PC?
DCS PLC PC
Qui mô ứng dụng vừa/lớn vừa/nhỏ vừa/nhỏ
Thời gian >100ms > 20ms > 1ms
Điều khiển liên tục rời rạc lai
Tính sẵn sàng ++ + +/o
Giá thành cao vừa phải vừa phải
Phát triển ++ + +/++
Tính năng mở o o ++
Chủ động o + ++