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
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MC LC
Trang
TRANG PH BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MC LC

DANH MC HÌNH VẼ

DANH MC 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

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


49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, T
tx

51
3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, T
post

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

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

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

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


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

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

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 điều
khiển thường dùng giao thức Token Passing, chuẩn mạng là chuẩn kín, riêng của
nhà cung cấp, các bộ điều khiển của các nhà cung cấp khác thường không thể kết
nối vào chuẩn mạng này. Ngày nay, khi tốc độ và dung lượng đường truyền của
mạng Ethernet ngày càng được nâng cao, các vấn đề hạn chế của mạng này cũng
dần được giải quyết thoả đáng, xu thế mở và tạo thuận lợi cho khách hàng đã

Hình 1-3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống DCS
Ngoài ra cấp chấp hành cảm biến có thể có các PLC, các máy tính công
nghiệp điều khiển máy sản xuất hoặc một công đoạn sản xuất tương đối độc lập.
Cấp chấp hành cảm biến cung cấp các giao diện sau:
* Giao diện kết nối trực tiếp với các vào/ra tương tự (như áp suất, nhiệt độ, )
và các vào/ra số (như tín hiệu rơ le và các tín hiệu chuyển mạch, liên động, ).
* Giao diện Bus trường: cung cấp các giao diện với chuẩn Bus trường như:
Foundation Fieldbus, Profibus, HART. Cho phép các bộ biến đổi và cơ cấu chấp
hành trao đổi thông tin trực tiếp với bộ điều khiển trên một đường truyền thông số
duy nhất.
* Giao diện kết nối với PLC: PLC có thể được nối vào hệ DCS thông qua
một số card giao diện truyền thông. Thông thường được nối với giao diện vào/ra và
S C A
máy sx
S C A
công
đoạn sx
Trạm


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
trong một số trường hợp có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển. Các PLC kết nối
với hệ DCS được gọi là các Subsystems.
1.2.1.2. Cấp điều khiển
Cấp điều khiển bao gồm các bộ điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng
điều khiển của toàn nhà máy.
Bên cạnh đó cấp điều khiển còn phải thực hiện chức năng truyền thông với
cấp cảm biến chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào sau đó xử lý tín hiệu, thực hiện
các thuật toán điều khiển và gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị
chấp hành ở cấp cảm biến chấp hành. Các bộ điều khiển có thể đọc, trao đổi dữ liệu
với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều khiển.
1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy
Cấp vận hành, giám sát chỉ huy bao gồm các trạm vận hành, cung cấp giao
diện cho người vận hành với quá trình.
Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá
trình một cách sinh động và trực quan.
1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin
Hệ thống quá lý thông tin là một phần trong cấp điều hành và quản lý sản
xuất. Hệ thống này bao gồm 3 lớp con:
Lớp Gateway: dựa trên chuẩn OPC (OLE for Process Control), cho phép tất
cả các máy tính đều có thể kết nối với các hệ DCS có hỗ trợ OPC. Lớp gateway
phục vụ việc trao đổi dữ liệu với các bộ điều khiển của phân xưởng, công đoạn
khác.
Lớp Database: Đọc dữ liệu từ các bộ điều khiển thông qua Gateway OPC và
lưu trữ dưới một định dạng dữ liệu chuẩn như MS SQL, Oracle,…
Lớp Management: Lớp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng dưới
mạng các templates bao gồm: lập báo cáo, quản lý theo mẻ, tính toán theo công
thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá quá trình,… Lớp quản lý sẽ đọc dữ
liệu từ lớp Database và trao đổi thông tin với các bộ điều khiển thông qua gateway

dữ liệu vào/ra và các khối hàm toán học.
Chức năng điều khiển của DCS
Chức năng điều khiển cơ bản
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Thực hiện thuật toán điều chỉnh tự động
Chức năng truyền thông với các hệ thống phụ
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Thuật toán điều khiển
tuần tự được thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp
trong nhà máy. Chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độc lập đồng thời
quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống. Có thể sử dụng chức năng này
cho các bài toán liên động hoặc kết hợp thực hiện các công đoạn liên tục toàn trong
nhà máy.
Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp: DCS là hệ điều khiển ứng
dụng cho các nhà máy có quy mô lớn, công nghệ liên tục và phức tạp, đỏi hỏi phải
sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu và tiết kiệm
nhiên-nguyên liệu. Các thuật toán cấp cao thường được ứng cho các nhà máy bao
gồm: thuật toán điều khiển nối tầng (cascade), thuật toán điều khiển tiền định
(feedforward), các thuật toán phân ly hệ đa biến, thuật toán điều khiển mờ, thích
nghi, nơ ron,…
b. Chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ - Subsytem
Trong các nhà máy lớn, bên cạnh hệ DCS, luôn có các hệ PLC đảm nhận các
công việc điều khiển cho từng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước, nước
thải,…và tất cả các tham số này cũng cần phải được đưa vào hệ thống DCS chung
của toàn nhà máy để tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý.

Điều này đã mang lại nhiều hứa hẹn và triển vọng mới trong lĩnh vực điều khiển tự
động.
1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS
Trên hình 1-5 ta thấy một số lớp trong mô hình OSI không được sử dụng,
bên cạnh đó, Fieldbus lại thêm một lớp User Layer.
Các lớp truyền dẫn trong mô hình bus trường của hệ DCS bao gồm:
* Lớp vật lý (Physical Layer): bao gồm các chuẩn về điện. Lớp này thực hiện
chuyển đổi các thông điệp số từ các lớp truyền dẫn ở trên thành tín hiệu vật lý rồi
truyền thông qua các phương tiện truyền tin fieldbus và ngược lại.
* Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer): chứa các chương trình điều khiển
truyền thông.

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

* Lớp ứng dụng (Application Layer): truy nhập của Filedbus vào các lớp con
(Filedbus Access Sublayer), chứa các đặc tính thông điệp của Filedbus.
* Lớp người sử dụng (User Layer): cung cấp giao diện cho sự tương tác
người sử dụng với hệ thống.
1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động

một số phần có cấu hình như Hình 1-7
Operator
Interface
Host
Controller Amplifier
Actuator Feedback
b. Phương pháp truyền thông truyền thống trong hệ điều khiển chuyển động
Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng các bộ điều khiển
chuyển động, dựa trên PC hay một mình, cho từng trục. Giữa các trục có mối liện
hệ với nhau theo một quy luật nhất định. Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động.

Trích đoạn Trễ truyền thông trong trườnghợp truyền lạ Đánh giá ảnh hưởng của các thành phần trễ truyền thông Cụm điều khiển Đánh giá phƣơng pháp truyền thông tƣơng tự trong hệ điều khiển Đánh giá phƣơng pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus

---