Bài ging
H thng điu khin
phân tán

Lecture Notes
Distributed Control Systems

- PHN 1 -

TS. Hoàng Minh Sn
B MÔN IU KHIN T NG, KHOA IN
I HC BÁCH KHOA HÀ NI

MC LC
1 NHP MÔN 1
1.1 Phm vi đ cp 1
1.2 Ni dung chng trình 1
1.3 Yêu cu kin thc c s 1
1.4 Phng pháp hc và đánh giá kt qu 2
1.5 Tng quan các gii pháp điu khin 2
1.5.1 c trng các lnh vc ng dng điu khin 2
1.5.2 Các h thng điu khin công nghip 3
1.5.3 H điu khin phân tán 4
2 CU TRÚC CÁC H THNG IU KHIN VÀ GIÁM SÁT 5
2.1 Cu trúc và các thành phn c bn 5
2.2 Mô hình phân cp 6
2.2.1 Cp chp hành 7
2.2.2 Cp điu khin 7
2.2.3 Cp điu khin giám sát 8
2.3 Cu trúc điu khin 8
2.3.1 iu khin tp trung 8

5.2.1 Ngôn ng mô hình hóa thng nht UML 34
5.2.2 Mu thit k 35
5.2.3 Phn mm khung 35
5.3 Phn mm thành phn 36
5.4 i tng phân tán 37
6 KIN TRÚC I TNG PHÂN TÁN 39
6.1 Yêu cu chung 39
6.2 Các mu thit k 39
6.3 Gii thiu chun CORBA 40
6.4 Gii thiu chun COM/DCOM 41
6.4.1 Giao din 42
6.4.2 i tng COM 43
6.4.3 Giao tip gia client và object 45
6.4.4 Ngôn ng mô t giao din 47
6.4.5 Mô hình đi tng thành phn phân tán DCOM 47
7 CÁC MÔ HÌNH NG DNG IU KHIN PHÂN TÁN 49
7.1 IEC-61131 49
7.1.1 Mô hình phn mm 49
7.1.2 Mô hình giao tip 50
7.2 IEC-61499 52
7.2.1 Mô hình h thng 52
7.2.2 Mô hình thit b 53
7.2.3 Mô hình tài nguyên 53
7.2.4 Mô hình ng dng 55
7.2.5 Mô hình khi chc nng 55
7.2.6 Mô hình phân tán 57
7.2.7 Mô hình qun lý 58
7.2.8 Mô hình trng thái hot đng 58
7.3 IDA 59
8 MT S CHUN GIAO TIP CÔNG NGHIP 60

Hình 3-1: Cu hình c bn mt h điu khin phân tán 13
Hình 3-2: M s hình nh t điu khin DCS 16
Hình 3-3: Các phng pháp b trí trm vn hành 17
Hình 3-4: Cu hình tiêu biu mt h điu khin phân tán hin đi 19
Hình 3-5: Các thành phn chc nng chính ca mt PLC 22
Hình 5-1: Mô hình hóa mt h thng điu khin s dng UML 35
Hình 6-1: Các mu thit k giao tip gia client và đi tng server 40
Hình 6-2: Cu trúc mô hình CORBA 41
Hình 6-3: Mô hình mt đi tng COM 43
Hình 6-4: S thc thi con tr giao din 44
Hình 6-5: Giao tip gia đi tng và khách hàng 46
Hình 6-6: Giao tip gia hai đi tng 46
Hình 6-7: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên cùng quá trình 46
Hình 6-8: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên hai quá trình khác nhau
47
Hình 6-9: Giao tip gia đi tng và khách hàng trên hai máy khác nhau vi
DCOM 48
Hình 7-1: Giao tip bên trong chng trình 50
Hình 7-2: Giao tip gia các chng trình trong cùng mt cu hình bng bin
toàn cc 50
Hình 7-3: Giao tip qua khi chc nng 51
Hình 7-4: Giao tip qua đng dn truy cp 51
Hình 7-5: Mô hình h thng theo IEC 61499 52
Hình 7-6: Mô hình thit b theo IEC 61499 (ví d thit b 2 trong Hình 7-5 53
Hình 7-7: Mô hình tài nguyên 54
Hình 7-8: Mô hình ng dng 55
Hình 7-9: Mô hình khi chc nng 56
Hình 8.1: Mô hình giao tip mng theo IEC 61131-5 64
Hình 8.2: Kin trúc s lc ca OPC 67
Hình 8.3: Kin trúc Client/Server trong OPC 68

phn
• Các h thng điu khin phân tán truyn thng (DCS): Cu trúc h thng, các
thành phn h thng, phng pháp phát trin h thng, gii thiu mt s h
DCS tiêu biu.
• Các h thng điu khin phân tán trên nn PLC (PLC-based DCS)
• Các h thng điu khin phân tán trên nn PC (PC-based DCS)
• H thng điu khin giám sát và thu thp d liu (SCADA): Cu trúc h
thng, công c phn mm, thit k giao din ngi-máy
• Các chun giao tip công nghip: MMS, OPC, XML
• Các hng nghiên cu và ng dng.
1.3
Yêu cu kin thc c s
Phn ln ni dung các bài ging mang tính cht tng hp, liên môn, giành cho
sinh viên nm cui. Bên cnh các môn c s chuyên ngành, yêu cu hc viên phi
nm vng kin thc c bn trong các môn hc sau:
© 2002, Hoàng Minh Sn

2
• iu khin s
• Mng truyn thông công nghip
• K thut lp trình C++ (hng đi tng)
Bên cnh bài ging, phn ln các tài liu tham kho cho môn hc đc tp hp
trong mt đa CD đ các hc viên có th t sao chép.
1.4
Phng pháp hc và đánh giá kt qu
Bài ging H thng điu khin phân tán đc xây dng cho 4 hc trình (48 tit),
trong đó:
• 36 tit bài ging
• 4 tit thc hành và tho lun trên PTN (hai bui)
• 8 tit tiu lun (vit, trình bày và tho lun)

• iu khin các h thng giao thông, vn ti: c thù là các bài toán điu
khin logic, điu khin s kin ri rc. Các thit b đc dùng là PLC, DCS,
PC, µP, µC,
• iu khin các h thng phân phi nng lng (du khí, gas, đin): Kt hp
gia các bài toán điu khin quá trình vi điu khin s kin ri rc, điu
khin logic, s dng PLC, DCS, IPC,
• T đng hóa tòa nhà: Rle, PLC, µp, µC,
• iu khin và giám sát các h thng quc phòng: IPC, µP, µC, DSP và các
thit b đc chng khác.
• iu khin và giám sát các h thng thy li, môi trng: PLC, IPC,
•
1.5.2
Các h thng điu khin công nghip
Chng trình hc đt trng tâm vào các gii pháp điu khin công nghip, chia
làm hai lnh vc ng dng c bn:
• Công nghip ch bin, khai thác (Process Industry): Du khí, hóa du, hóa
m phm, dc phm, xi mng, giy,
• Công nghip ch to, lp ráp (Manufactoring Industry): Công nghip ôtô,
máy công c, công nghip đin t, vi đin t, thit b dân dng,
Hình 1-1: Lch s phát trin các gii pháp điu khin
IU KHIN LIÊN TC/TRÌNH T IU KHIN RI RC/LOGIC
Các b điu khin c
B điu khin PID khí nén
(1920-1930)
B điu khin PID đin t
(1940-1950)
Direct Digital Controller DDC
(K tp trung, 1965-1975)
Compact Digital
Controller

thích hp ng dng phng pháp điu khin phân tán.
© 2002, Hoàng Minh Sn

5
2
CU TRÚC CÁC H THNG IU
KHIN VÀ GIÁM SÁT
2.1
Cu trúc và các thành phn c bn
Các thành phn c bn ca mt h thng điu khin và giám sát quá trình đc
minh ha trên Hình 2-1. Các cm bin và c cu chp hành đóng vai trò là giao din
gia các thit b điu khin vi quá trình k thut. Trong khi đó, h thng điu
khin giám sát đóng vai trò giao din gia ngi vn hành và máy. Các thit b có
th đc ghép ni trc tip đim-đim, hoc thông qua mng truyn thông.
Hình 2-1: Các thành phn c bn ca mt h thng điu khin và
giám sát
Tùy theo loi cm bin, tín hiu ca chúng đa ra có th là tín hiu nh phân, tín
hiu s hay tín hiu tng t theo các chun đin hc thông dng khác nhau
(1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ). Trc khi có th x lý trong máy tính s,
các tín hiu đo cn đc chuyn đi, thích ng vi chun giao din vào/ra ca máy
tính. Bên cnh đó, ta cng cn các bin pháp cách ly đin hc đ tránh s nh
hng xu ln nhau gia các thit b. ó chính là các chc nng ca các module
vào/ra (I/O).
Tóm li, mt h thng điu khin và giám sát bao gm các thành phn chc
nng chính sau đây:
NI network interface
(giao din mng)
I/O input/output
(vào/ra)
ni trc tip

 có mt cái nhìn tng quát v mt h thng điu khin và giám sát công
nghip, các mô hình phân cp hình chóp thng đc dùng. Thc ra, có nhiu cách
phân cp và gi tên khác nhau, tùy thuc lnh vc ng dng và qui mô h thng. Mô
hình tng quát đc minh ha trên Hình 2-2 đnh ngha các cp theo chc nng,
không ph thuc lnh vc công nghip c th.
Tuy nhiên, ranh gii gia các cp không phi bao gi cng rõ ràng. Trong các
ngành công nghip ch bin (Process Industry), phn di ca cp điu khin (bao
gm điu khin máy móc, thit b đn l) và cp chp hành thng đc gi chung
là cp trng, phn còn li ca cp điu khin và cp điu khin giám sát đc gi
chung là cp điu khin quá trình.
Càng  nhng cp di thì các chc nng càng mang tính cht c bn hn và đòi
hi yêu cu cao hn v đ nhanh nhy, thi gian phn ng. Mt chc nng  cp
trên đc thc hin da trên các chc nng cp di, tuy không đòi hi thi gian
phn ng nhanh nh  cp di, nhng ngc li lng thông tin cn trao đi và
x lý li ln hn nhiu. Thông thng, ngi ta ch coi ba cp di thuc phm vi
ca mt h thng điu khin và giám sát. Tuy nhiên, biu th hai cp trên cùng
(qun lý công ty và điu hành sn xut) trên giúp ta hiu thêm mt mô hình lý
tng cho cu trúc chc nng tng th cho các công ty sn xut công nghip.
© 2002, Hoàng Minh Sn

7
Hình 2-2: Mô hình phân cp chc nng ca mt h thng điu khin
và giám sát
2.2.1
Cp chp hành
Các chc nng chính ca cp chp hành là đo lng, truyn đng và chuyn đi
tín hiu trong trng hp cn thit. Thc t, đa s các thit b cm bin (sensor)
hay c cu chp hành (actuator) cng có phn điu khin riêng cho vic thc hin
đo lng/truyn đng đc chính xác và nhanh nhy. Các thit b thông minh
1

o lng, truyn đng,
chuyn đi tín hiu
ánh giá kt qu, lp k hoch sn
xut, bo dng máy móc,
tính toán ti u hoá sn xut
Tính toán giá thành, lãi sut
thng kê s liu sn xut, kinh doanh,
x lý đn đt hàng, k hoch tài nguyên
Cp trng
Cp điu
khin quá
trình
© 2002, Hoàng Minh Sn

8
2.2.3
Cp điu khin giám sát
Cp điu khin giám sát có chc nng giám sát và vn hành mt quá trình k
thut. Khi đa s các chc nng nh đo lng, điu khin, điu chnh, bo toàn h
thng đc các cp c s thc hin, thì nhim v ca cp điu khin giám sát là h
tr ngi s dng trong vic cài đt ng dng, thao tác, theo dõi, giám sát vn hành
và x lý nhng tình hung bt thng. Ngoài ra, trong mt s trng hp, cp này
còn thc hin các bài toán điu khin cao cp nh điu khin phi hp, điu khin
trình t và điu khin theo công thc (ví d trong ch bin dc phm, hoá cht).
Khác vi các cp di, vic thc hin các chc nng  cp điu khin giám sát
thng không đòi hi phng tin, thit b phn cng đc bit ngoài các máy tính
thông thng (máy tính cá nhân, máy trm, máy ch, termimal, ).
Nh ta s thy, phân cp chc nng nh trên s tin li cho vic thit k h
thng và la chn thit b. Trong thc t ng dng, s phân cp chc nng có th
khác mt chút so vi trình bày  đây, tùy thuc vào mc đ t đng hoá và cu trúc

thành mt ln cho máy tính điu khin. im đáng chú ý  đây là s tp trung toàn
b “trí tu”, tc chc nng x lý thông tin trong mt thit b điu khin duy nht.
Tuy nhiên, cu trúc này bc l nhng hn ch sau:
• Công vic ni dây phc tp, giá thành cao
• Vic m rng h thng gp khó khn
•  tin cy kém.
2.3.2
iu khin tp trung vi vào/ra phân tán
Cu trúc vào/ra tp trung vi cách ghép ni đim-đim th hin mt nhc
đim c bn là s lng ln các cáp ni, dn đn giá thành cao cho dây dn và công
thit k, lp đt. Mt hn ch khác na là phng pháp truyn dn tín hiu thông
thng gia các thit b trng và thit b điu khin d chu nh hng ca nhiu,
gây ra sai s ln. Vn đ này đc khc phc bng phng pháp dùng bus trng
nh đã nêu trong phn trc. Hình 2-4 minh ha mt cu hình mng đn gin. 
đây các module vào/ra đc đy xung cp trng gn k vi các cm bin và c
cu chp hành, vì vy đc gi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoc
vào/ra t xa (Remote I/O). Mt cách ghép ni khác là s dng các cm bin và c
cu chp hành thông minh (màu xám trên hình v), có kh nng ni mng trc tip
không cn thông qua các module vào/ra. Bên cnh kh nng x lý giao thc truyn
thông, các thit b này còn đm nhim mt s chc nng x lý ti ch nh lc nhiu,
chnh đnh thang đo, t đt ch đ, đim làm vic, chn đoán trng thái,v.v Trong
nhiu trng hp, các thit b có th đm nhim c nhim v điu khin đn gin.
A
Phân đon 1
S
A S
A S
Phân đon 2
Phân đon n
MTK

phn ln các trng hp, các máy tính điu khin đc ni mng vi nhau và vi
mt hoc nhiu máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus h thng. Gii pháp
này dn đn các h thng có cu trúc điu khin phân tán, hay đc gi là các h
điu khin phân tán (HKPT).

MTK
I/O
S
A

I/O
S
A

I/O
S
A
S A S A
bus trng
Phòng K trung tâm
Hin trng
© 2002, Hoàng Minh Sn

11

Hình 2-5: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra tp trung
u th ca cu trúc điu khin phân tán không ch dng li  đ linh hot cao
hn so vi cu trúc tp trung. Hiu nng cng nh đ tin cy tng th ca h thng
đc nâng cao nh s phân tán chc nng xung các cp di. Vic phân tán chc
nng x lý thông tin và phi hp điu khin có s giám sát t các trm vn hành

MTK n

MTGS MTGS
PHÒNG I

U KHI

N
TRUNG TÂM
HIN TRNG
PHÒNG IU
KHIN CC B
© 2002, Hoàng Minh Sn

12
Hình 2-6: Cu trúc điu khin phân tán vi vào/ra phân tán

Phân đon 1
MTK 1
MTGS MTGS
PHÒNG IU KHIN
TRUNG T
Â
M
HIN TRNG
bus h
thng
PHÒNG IU
KHIN CC B
I/O

• Các trm vn hành (operator station, OS)
• Trm k thut (engineering station, ES) và các công c phát trin
• H thng truyn thông (field bus, system bus).
ây là cu hình ti thiu, các cu hình c th có th cha các thành phn khác
nh trm vào/ra t xa (remote I/O station), các b điu khin chuyên dng,
Hình 3-1: Cu hình c bn mt h điu khin phân tán
Máy tính
phòng thí
Local Control
Station
Local Control
Station
Operator
Station
Engineering
Station
Operator
Station
PC
PROCESS
Factory LAN
System bus
Remote
I/O Station
© 2002, Hoàng Minh Sn

14
3.1.1
Trm điu khin cc b
Thông thng, các trm điu khin cc b đc xây dng theo cu trúc module.

trm vn hành
• Nhn bit các trng hp vt ngng giá tr và to các thông báo báo đng.
Chính vì đây là thành phn quan trng nht trong h thng, đi đa s các trm
điu khin cc b có tính nng kim tra và sa li (error checking and correcting,
ECC), cng nh cho phép la chn cu hình d phòng. Mt điu quan trng là mt
© 2002, Hoàng Minh Sn

15
trm điu khin cc b phi có kh nng đm bo tip tc thc hin các chc nng
nói trên trong trng hp trm vn hành hoc đng truyn bus h thng có s c.
Các máy tính điu khin có th là máy tính đc chng ca nhà cung cp
(vendor-specific controller), PLC hoc máy tính cá nhân công nghip. Da trên c
s này có th phân loi các h thng điu khin phân tán có mt hin nay trên th
trng thành các h các h truyn thng (sau đây gi là DCS truyn thng), các h
trên nn PLC (PLC-based DCS) và các h trên nn PC (PC-based DCS).
Bt k chng loi thit b nào đc s dng, các yêu cu quan trng nht v mt
k thut đc đt ra cho mt trm điu khin cc b là:
• Tính nng thi thc
•  tin cy và tính sn sàng
• Lp trình thun tin, cho phép s dng/cài đt các thut toán cao cp
• Kh nng điu khin lai (liên tc, trình t và logic).
3.1.2
Bus trng và các trm vào/ra t xa
Khi s dng cu trúc vào/ra phân tán, các trm điu khin cc b s đc b
sung các module giao din bus đ ni vi các trm vào/ra t xa (remote I/O
station) và mt s thit b trng thông minh. Các yêu cu chung đt ra vi bus
trng là tính nng thi gian thc, mc đ đn gin và giá thành thp. Bên cnh
đó, đi vi môi trng d cháy n còn các yêu cu k thut đc bit khác v chun
truyn dn, tính nng đin hc ca các linh kin mng, cáp truyn, Các loi bus
trng đc h tr mnh nht là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và

trm vn hành có th hot đng song song, đc lp vi nhau.  tin cho vic vn
hành h thng, ngi ta thng sp xp mi trm vn hành tng ng vi mt
phân đon hoc mt phân xng. Tuy nhiên, các phn mm chy trên tt c các
trm hoàn toàn ging nhau, vì th trong trng hp cn thit mi trm đu có th
thay th chc nng ca các trm khác.
Các chc nng tiêu biu ca mt trm vn hành gm có:
• Hin th các hình nh chun (hình nh tng quan, hình nh nhóm, hình nh
tng mch vòng, hình nh điu khin trình t, các đ th thi gian thc và đ
th quá kh)
© 2002, Hoàng Minh Sn

1
7
• Hin th các hình nh đ ha t do (lu đ công ngh, các phím điu khin)
• H tr vn hành h thng qua các công c thao tác tiêu biu, các h thng
hng dn ch đo và hng dn tr giúp
• To và qun lý các công thc điu khin (cho điu khin m)
• X lý các s kin, s c
• X lý, lu tr và qun lý d liu
• Chn đoán h thng, h tr ngi vn hành và bo trì h thng
• H tr lp báo cáo t đng
Khác vi các trm điu khin, hu ht các h DCS hin đi đu s dng các sn
phm thng mi thông dng nh máy tính cá nhân (công nghip) chy trên nn
WindowsNT/2000, hoc các máy tính trm chy trên nn UNIX. Cùng vi các màn
hình màu ln (thng là 19inch) vi đ phân gii cao đ theo dõi quá trình sn
xut, mt trm vn hành hin đi bao gi cng có các thit b thao tác chun nh
bàn phím và chut. Mt trm vn hành có th b trí theo kiu mt ngi s dng
(mt hoc nhiu màn hình), hoc nhiu ngi s dng vi vi nhiu Terminals
(Hình 3-3).
Hình 3-3: Các phng pháp b trí trm vn hành

• Các công c phát trin đc tích hp sn trong h thng
• Công vic phát trin (Engineering) không yêu cu có phn cng DCS ti ch
• Các ngôn ng lp trình thông dng là s đ khi hàm (FBD-Function Block
Diagram, hoc CFC-Continuous Function Chart) và biu đ tin trình (SFC-
Sequential Function Chart), tng t IEC61131-3 FBD () và SFC
• Mt d án có th do nhiu ngi cùng phi hp phát trin song song
• Giao din vi các h thng cp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )
 vic phát trin h thng phn mm đc thun li, các nhà sn xut cung
cp các th vin khi hàm chuyên dng. Bên cnh đó, nhiu nhà sn xut cng
cung cp phn mm mô phng đ ngi phát trin h thng có th to các đu
vào/ra mô phng, giúp cho vic phát trin phn mm đc chc chn, an toàn hn.
Trong mt s h thng, ngi ta không phân bit gia trm vn hành và trm k
thut, mà s dng mt bàn phím có khóa chuyn qua li gia hai ch đ vn hành
và phát trin.
3.1.5
Bus h thng
Bus h thng có chc nng ni mng các trm điu khin cc b vi nhau và vi
các trm vn hành và trm k thut. Trong đa s các h thng ng dng, ngi ta
la chn cu hình có d phòng cho bus h thng. Thêm na, đ ci thin tính nng
thi gian thc, nhiu khi mt mng riêng bit (có th có c d phòng) đc s dng
đ ghép ni các trm điu khin cc b (bus điu khin, control bus). Gii pháp
mng có th đc chng ca riêng công ty, hoc da trên mt mng chun quc t.
Các h thng mng đc s dng nhiu nht là Ethernet, Profibus-FMS và
ControlNet.
c đim ca vic trao đi thông tin qua bus h thng là lu lng thông tin
ln, vì vy tc đ đng truyn phi tng đi cao. Tính nng thi gian thc cng
là mt yêu cu đc đt ra (nht là đi vi bus điu khin), tuy nhiên không
nghiêm ngt nh vi bus trng. Thi gian phn ng thng ch yêu cu nm trong
© 2002, Hoàng Minh Sn


I/O
S
A

I/O
S
A

Controller
S
A
Motor
Control
Center
I/O
S
A

LAB
Factory
Server
OS
SS
SYSTEM BUS
Control
Station 2
Control
Station n