Đề tài Xây dựng gói phần mềm sfc cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131 - 3

...................... 1 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................... 4 2.1 Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 4 2.2 Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 6 2.2.1 Phương pháp phân tích, thiết kế và lập trình hướng đối tượng....... 6 2.2.2 Sử dụng mẫu thiết kế .................................................................... 7 2.2.3 Tìm hiểu các sản phẩm tương tự đã có .......................................... 8 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC................................... 9 3.1 Chương trình chạy (Runtime Engine – RTE)....................................... 10 3.2 Công cụ phát triển trực quan (Visual Engineering Tools) ................... 12 3.2.1 Cơ chế lưu trữ và trao đổi dữ liệu................................................ 12 3.2.2 Trao đổi thông tin giữa các thành phần trong gói phần mềm....... 14 3.2.3 Giao diện đồ họa chuẩn, dễ sử dụng, tính thông tin cao .............. 14 3.2.4 Soạn thảo biểu đồ SFC................................................................ 16 3.2.5 Hỗ trợ các biểu thức logic điều kiện............................................. 17 3.2.6 Cơ chế kiểm tra lỗi và thông báo lỗi có tính tương tác cao ........... 18 3.2.7 Dịch, nạp xuống, thực thi và quan sát sự thực thi chương trình điều khiển trên chương trình chạy.................................................................... 19 3.3 Các module phần mềm mô phỏng đối tượng điều khiển trình tự........ 20 3.3.1 Mô phỏng đối tượng lò phản ứng hóa học.................................... 21 3.3.2 Mô phỏng đối tượng máy giặt....................................................... 23 4 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................... 25 Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 1 1 XUẤT XỨ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Điều khiển trình tự là một mảng quan trọng và có vai trò không nhỏ trong điều khiển tự động. Có thể gặp rất nhiều ví dụ về điều khiển trình tự trong công nghiệp, trong dân dụng cũng như trong nhiều lĩnh vực khác. Các hệ thống trạm trộn, lò phản ứng, một dây chuyền sản xuất xi măng hay một máy giặt là các ví dụ khá điển hình cho điều khiển trình tự. Đặc biệt trong công nghiệp, điều khiển trình tự thường giữ vai trò chính điều khiển các công đoạn, các quá trình theo trình tự trong một dây chuyền sản xuất. Kể từ sau sự xuất hiện của các PLC và các hệ DCS đầu tiên, các ngôn ngữ lập trình điều khiển như LAD, FBD, IL, đã trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Đây là những ngôn ngữ lập trình điều khiển mạnh, được hỗ trợ rất hoàn chỉnh trong hầu hết các hệ thống PLC và DCS hiện nay và đã được chuẩn hóa trong tiêu chuẩn IEC 61131-3. Tuy nhiên các ngôn ngữ này lại tỏ ra không phù hợp cho lập trình điều khiển trình tự bởi những lý do sau: o Khó hình dung, thiếu trực quan: các đoạn mã điều khiển trình tự viết bằng các ngôn ngữ lập trình này thường thiếu trực quan, khó hình dung. Dường như không có một sự liên hệ rõ ràng giữa các đoạn mã lệnh với các giai đoạn trong trình tự điều khiển. o Do khó hình dung và thiếu trực quan nên việc lập trình điều khiển trình tự sử dụng các ngôn ngữ này sẽ gặp nhiều khó khăn, phức tạp. Ngoài ra, việc phân tích, tìm hiểu hệ thống cũng trở nên không đơn giản. o Dễ mắc lỗi, khó phát hiện và sửa lỗi: đây là hệ quả tất yếu của những khó khăn trên. Việc kiểm tra, phát hiện nguyên nhân và sửa lỗi thường khó khăn và tốn kém nhiều thời gian, công sức. o Kém linh hoạt, khó mở rộng: khi cần thêm, bớt hay sửa đổi một công đoạn nào đó, dù đơn giản, người lập trình cũng có thể gặp nhiều khó khăn, phải sửa lại không ít mã chương trình và có thể lại mắc những lỗi nào đó. Nguyên nhân cơ bản của các khó khăn trên là do bản chất của các ngôn ngữ lập trình này không phù hợp để mô tả các hệ thống hoạt động theo trình tự. Ngôn ngữ lập trình SFC, một trong các ngôn ngữ lập trình được qui định trong chuẩn IEC 61131-3, tỏ ra rất thích hợp cho điều khiển trình tự. Dựa trên cơ sở mạng Petri và Grafcet, ngôn ngữ SFC được xây dựng phục vụ cho việc mô tả và lập trình điều khiển các hệ thống hoạt động theo trình tự. Grafcet là một công cụ Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 2 mạnh, được xây dựng từ những yêu cầu rất thực tế trong quá trình sử dụng và lập trình các thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC): o Yêu cầu mô tả trình tự các trạng thái của một hệ thống sự kiện rời rạc với một số lượng rất lớn các trạng thái. o Hỗ trợ khả năng hoạt động song song. o Chỉ mô tả những thay đổi, những hành động thực sự được thực hiện khi có những thay đổi ở đầu vào và che đi tất cả những gì không thay đổi. Điều này làm giảm độ phức tạp của hệ thống và rất hữu ích khi cần tìm hiểu, phân tích hay mô tả những hệ thống lớn, phức tạp. Ngôn ngữ SFC là sự cụ thể hóa của Grafcet, có tính đến các yếu tố kĩ thuật và chức năng điều khiển, và đã được chuẩn hóa. Trong chuẩn IEC 61131-3, SFC không được gọi là một ngôn ngữ lập trình mà là một phương pháp mô tả và tổ chức các chương trình điều khiển. Tuy nhiên, trong thực tế, SFC vẫn thường được gọi và được coi như một ngôn ngữ lập trình điều khiển, cũng giống như các ngôn ngữ lập trình LAD, FBD, Để quen thuộc và tránh gây khó khăn cho người đọc, tài liệu này sẽ sử dụng cách gọi “ngôn ngữ lập trình SFC”. Ngôn ngữ SFC đã được sử dụng trong một số hệ thống PLC và DCS hiện nay như các sản phẩm của Siemens, Emerson, Honeywell, Tuy nhiên, bên cạnh giá thành cao và những hạn chế do vấn đề bản quyền, các sản phẩm phần mềm của các hãng này thường đòi hỏi phải đi kèm với các thiết bị phần cứng của chính hãng. Nói cách khác, để lập trình cho các thiết bị điều khiển của hãng thì phải sử dụng các phần mềm của hãng, và ngược lại phần mềm của hãng cũng chỉ dùng được hoặc chỉ phát huy hiệu quả tốt nhất trên những phần cứng của hãng. Điều này gây những hạn chế nhất định khi ứng dụng và gây khó khăn cho công tác nghiên cứu, giảng dạy. Bên cạnh đó, một số hệ thống thực hiện ngôn ngữ lập trình SFC không hoàn chỉnh và thiếu nhiều tính năng đã được qui định trong chuẩn. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và thử nghiệm chế tạo các thiết bị điều khiển dựa trên nền vi xử lý đang được thúc đẩy khá mạnh mẽ ở Việt Nam. Tuy nhiên, có một thực tế là các sản phẩm phần mềm của Việt Nam sử dụng cho các thiết bị này lại rất hạn chế và ít được chú ý phát triển. Hầu như chỉ có các phần mềm nhỏ, lẻ, đơn giản và chủ yếu phục vụ cho một mục đích sử dụng hẹp nào đó. Thực tế trên đặt ra khá cấp bách nhu cầu về các phần mềm của Việt Nam phục vụ cho lập trình điều khiển, có thể sử dụng trong nghiên cứu giảng dạy và trong Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 3 công nghiệp. Đó cũng chính là mục đích và động lực để đồ án tốt nghiệp này được thực hiện. Mục tiêu đặt ra đối với đồ án Mục tiêu bước đầu đặt ra là xây dựng một gói phần mềm bao gồm ba phần chính: o Chương trình chạy (Runtime Engine - RTE) thực thi các chương trình điều khiển trên các bộ điều khiển mà không cần biên dịch. Chương trình điều khiển được xây dựng dưới dạng cấu hình, sử dụng một ngôn ngữ trung gian với định dạng riêng, đảm bảo tính khả chuyển và không phụ thuộc nền tảng. Trước mắt, các bộ điều khiển được lựa chọn hỗ trợ là các máy tính cá nhân công nghiệp (ví dụ như PC/104), chạy trên nền hệ điều hành Windows NT. o Công cụ phát triển trực quan (Visual Engineering Tool - VET) cho phép lập trình điều khiển một cách trực quan bằng phương pháp kéo – thả và khai báo đặt cấu hình cũng như hỗ trợ theo dõi quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển theo từng bước. Ngôn ngữ lập trình được hỗ trợ đầu tiên là SFC. Các ngôn ngữ lập trình khác sẽ dần được thực hiện trong thời gian tới. o Các module phần mềm mô phỏng đối tượng điều khiển trình tự là công cụ rất hữu ích phục vụ cho công tác học tập, giảng dạy, thí nghiệm. Hai đối tượng điều khiển trình tự được mô phỏng là lò phản ứng và máy giặt. Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 4 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết Trong xu thế toàn cầu hóa và sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của khoa học công nghệ, các chuẩn quốc tế có vai trò ngày càng quan trọng. Việc tuân theo các chuẩn quốc tế sẽ giúp cho sản phẩm có tính linh hoạt và tương thích cao hơn, khả năng ứng dụng trong thực tế tốt hơn đồng thời có tính sẵn sàng cao đối với sự phát triển và thay đổi trong tương lai. Thực tế, việc hỗ trợ và tuân theo các chuẩn quốc tế đã trở thành một yêu cầu bắt buộc đối với các sản phẩm tự động hóa, vốn được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp cũng như nhiều lĩnh vực quan trọng khác. Không nằm ngoài qui luật đó, đồ án tốt nghiệp này được thực hiện trên cơ sở chuẩn IEC 61131-3 (từ nay gọi tắt là chuẩn). IEC 61131 là tiêu chuẩn về bộ điều khiển khả trình PLC và các thiết bị ngoại vi đi kèm, gồm 9 phần. Phần 3 của chuẩn này (gọi tắt là IEC 61131-3) định nghĩa các ngôn ngữ lập trình cho các thiết bị điều khiển khả trình, bao gồm: biểu đồ hình thang (Ladder Diagram, LD), biểu đồ khối chức năng (Function Block Diagram, FBD), liệt kê lệnh (Instruction List, IL), ngôn ngữ kiểu văn bản có cấu trúc (Structured Text, ST), và phương pháp lập trình đồ họa SFC (Sequential Function Chart) để biểu diễn các thuật toán điều khiển trình tự. Bên cạnh việc định nghĩa các ngôn ngữ lập trình, IEC 61131-3 còn đưa ra mô hình phần mềm, mô hình giao tiếp và mô hình lập trình cùng những thành phần quan trọng của chúng như chương trình (Program), khối chức năng (Function Block), hàm (Function), tác vụ (Task), Một hệ thống sự kiện rời rạc (discrete-event system) là một hệ thống bao gồm một số hữu hạn các trạng thái (state) và sự chuyển tiếp (transition) từ một trạng thái này sang một trạng thái khác của hệ thống được quyết định bởi các sự kiện (event). Các sự kiện này không xác định trước về thời điểm xuất hiện. Một ví dụ đơn giản và điển hình của hệ thống sự kiện rời rạc là một chiếc đèn điện. Một đèn điện chỉ có hai trạng thái là bật và tắt. Việc chuyển đổi giữa hai trạng thái này được quyết định bởi sự kiện bật/tắt công tắc điện. Bài toán điều khiển trình tự là một trường hợp của hệ thống sự kiện rời rạc, trong đó có sự phối hợp của điều khiển logic và điều khiển quá trình. Trong bài toán điều khiển trình tự, điều được quan tâm hàng đầu là trình tự và sự thực hiện của các quá trình chứ không phải là việc điều khiển từng quá trình cụ thể. SFC là một phương pháp biểu diễn các thuật toán điều khiển trình tự, đặc biệt tiện dụng khi mô tả hoạt động của một hệ thống điều khiển quá trình phức tạp. SFC được xây dựng trên cơ sở mạng Petri và chuẩn IEC 848 Grafcet với một số thay đổi nhất định cho phù hợp với chức năng điều khiển. SFC tỏ ra phù hợp nhất cho lập trình điều khiển trình tự với các ưu điểm sau: Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 5 o Có sự tương ứng và giống với biểu đồ quá trình hoạt động của hệ thống. o Dễ dàng chuyển từ sơ đồ công nghệ hay mô tả quá trình hoạt động của hệ thống sang SFC. o Lập trình trực quan, đơn giản. o Thuận lợi cho phân tích, tìm hiểu hệ thống. o Hạn chế khả năng mắc lỗi. Dễ dàng tìm và phát hiện các lỗi nếu có. o Linh hoạt, dễ dàng thêm, bớt hay sửa đổi quá trình hoạt động. Các yếu tố cơ bản của SFC là bước (Step), chuyển tiếp (Transition) và hành động (Action). Bước: diễn tả một trạng thái mà tại đó, ứng xử của hệ thống được xác định trước bởi các hành động gắn Step1 Step0 với bước đó. Một bước có thể tích cực (active) hoặc không tích cực (inactive). Tại một thời điểm bất kì, Bước thường Bước bắt đầu trạng thái của hệ thống được xác định bởi tập hợp các bước tích cực và các giá trị biến nội tại và biến ra. Mỗi mạng SFC chỉ có chính xác duy nhất một bước bắt đầu (initial step), xác định trạng thái ban đầu của hệ thống. Một bước được thể hiện dạng đồ họa bằng một khối hình chữ nhật, có một đầu vào và một đầu ra. Bước bắt đầu được biểu diễn bằng một hình chữ nhật với đường bao là nét đôi (xem hình bên). Chuyển tiếp: thể hiện một điều kiện chuyển trạng thái của hệ thống, từ một hay nhiều bước phía trước xuống một hay nhiều bước phía sau. Mỗi chuyển tiếp được gắn với một điều kiện chuyển ChuyÓn tiÕp tiếp (transition condition) mà giá trị logic của nó sẽ điều khiển sự thực hiện của quá trình chuyển tiếp. Các bước phải được nối với nhau thông qua các chuyển tiếp. Có ba loại chuyển tiếp được qui định trong chuẩn là: chuyển tiếp đơn giản, chuyển tiếp phân nhánh cạnh tranh, chuyển tiếp phân nhánh song song. Hành động: là tập hợp các luật ứng xử của Step1 N Q0.0 hệ thống được thực hiện khi bước mà nó C¸c khèi T1 D Q0.1 hμnh ®éng gắn với được tích cực. Một hành động có thể T#1s đơn giản chỉ là một biến Bool (Bool Action), Hμnh ®éng cũng có thể là một đoạn chương trình viết Qualifier cña bằng một trong các ngôn ngữ lập trình đã khèi hμnh ®éng định nghĩa trong chuẩn. Các hành động không gắn trực tiếp với các bước mà gián tiếp thông qua các khối hành động (Action Block). Một khối hành động chỉ gắn với một hành động duy nhất và một bước duy nhất. Mỗi khối hành động có một cờ (qualifier) xác định cách thức hoạt động của nó. Bảng dưới đây tóm tắt ý nghĩa của các cờ đã được qui định trong chuẩn. Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 6 Cờ Ý nghĩa Cờ Ý nghĩa Trống Giống như N P Xung N Không lưu trữ SD Lưu trữ và trễ thời gian R Xoá DS Trễ thời gian và lưu trữ S Lưu trữ (đặt) SL Lưu trữ và giới hạn thời gian L Giới hạn về thời gian P1 Sườn lên D Trễ thời gian P0 Sườn xuống Luật chuyển tiếp: quá trình chuyển tiếp sẽ xảy ra khi tất cả các bước phía trước nó tích cực và điều kiện chuyển tiếp được thoả mãn. Quá trình chuyển tiếp diễn ra theo trình tự sau: o Tất cả các bước ở phía trước chuyển tiếp và nối trực tiếp với chuyển tiếp đồng thời mất tích cực. o Tất cả các bước ở phía sau chuyển tiếp và nối trực tiếp với chuyển tiếp đồng thời được tích cực. o Sau khi đã được tích cực đồng thời, các bước ở phía sau chuyển tiếp sẽ hoạt động độc lập với nhau. Xem ví dụ ở phần 3.3.1 để có hình dung cụ thể hơn về SFC. 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đúng đắn, khoa học là điều kiện tiên quyết để có thể đạt được những kết quả tốt trong nghiên cứu khoa học. Các phương pháp nghiên cứu chính đã được sử dụng khi thực hiện đồ án này là: 2.2.1 Phương pháp phân tích, thiết kế và lập trình hướng đối tượng Đây là một phương pháp mạnh và rất hiệu quả trong thiết kế và xây dựng phần mềm. Phương pháp này nhìn hệ thống, nhìn sự việc, vấn đề theo quan điểm đối tượng, trong đó giữ vai trò cơ bản và trung tâm là đối tượng. Một hệ thống được coi như một tập hợp các đối tượng cũng như quan hệ giữa các đối tượng đó. Phương pháp này cho ta một cái nhìn đúng đắn hơn, chính xác hơn về thế giới thực, cho phép mô tả hệ thống đúng như nó tồn tại trong thực tế và không bị phụ thuộc vào cách mô tả, cách hoạt động của máy tính. Sử dụng phương pháp phân tích, thiết kế và lập trình hướng đối tượng giúp tăng tính linh hoạt, độ ổn định, khả năng mở rộng và sử dụng lại của phần mềm, đồng thời giảm chi phí và tăng hiệu quả công việc. Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 7 So với các phương pháp khác, đặc biệt là phương pháp thiết kế cấu trúc, phương pháp phân tích, thiết kế hướng đối tượng có những ưu điểm sau: o Đảm bảo sự tương ứng giữa mô hình phân tích và mô hình thiết kế: với phương pháp cổ điển, mặc dù cùng là của một hệ thống nhưng mô hình phân tích và mô hình thiết kế không có sự tương ứng cao, do đó việc chuyển đổi qua lại giữa hai mô hình gặp nhiều khó khăn. Kết quả là nếu hệ thống có những thay đổi thì việc thực hiện lại quá trình phân tích và thiết kế sẽ phức tạp và khó khăn. Với thiết kế hướng đối tượng, giữa hai mô hình gần như có sự tương đồng nên ít gặp phải những khó khăn trên. o Tăng tính trừu tượng của bài toán: mô hình hướng đối tượng duy trì mối liên hệ chặt chẽ giữa dữ liệu và các thao tác (operation) trên dữ liệu trong một thực thể thống nhất. Điều này phản ảnh đúng bản chất của thế giới thực, do đó phương pháp phân tích, thiết kế hướng đối tượng đạt được tính trừu tượng bài toán cao hơn. o Tăng được tính ổn định trước những thay đổi. o Tăng tính sử dụng lại. o Tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng dễ dàng. o Độ tin cậy và an toàn cao. o Hỗ trợ khả năng hoạt động song song: bản chất của các đối tượng là tồn tại và hoạt động độc lập, có tương tác với môi trường. Do đó, trừ khi có sự chỉ định đặc biệt, các đối tượng luôn hoạt động song song. Trong đồ án này, ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất (UML – Unified Modelling Language) được sử dụng phục vụ cho việc phân tích, thiết kế và mô tả hệ thống phần mềm. 2.2.2 Sử dụng mẫu thiết kế Mẫu thiết kế là sự hình thức hóa của cách tiếp cận một vấn đề thường gặp trong một ngữ cảnh cụ thể. Mỗi mẫu thiết kế là một giải pháp cho một vấn đề thiết kế cụ thể trong một ngữ cảnh xác định. Giải pháp được đưa ra đã được chứng minh là đúng, được sử dụng nhiều lần đem lại kết quả tốt và do đó được trừu tượng hóa thành một mẫu. Mẫu thiết kế chính là kinh nghiệm thiết kế được đúc kết lại thành mẫu chuẩn mực. Sử dụng mẫu thiết kế, người thiết kế không phải thiết kế hệ thống từ đầu, không phải giải quyết lại những bài toán đã được giải quyết mà sử dụng các kinh nghiệm, tri thức và kết quả đã có từ trước. Điều này làm cho chất lượng thiết kế tốt hơn, tăng tính sử dụng của bản thiết kế và tạo điều kiện cho người thiết kế tập trung vào sáng tạo những cái mới. Việc thiết kế những phần mềm hướng đối tượng có khả năng sử dụng lại không đơn giản. Thiết kế cần tập trung vào vấn đề cụ thể nhưng cũng phải đủ tổng quát để phục vụ cho những yêu cầu và các vấn đề cần giải quyết trong tương lai. Trong quá trình thiết kế, những giải pháp tốt sẽ được người thiết kế sử dụng lại nhiều lần Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 8 và xây dựng thành các mẫu. Những mẫu này giúp tạo ra những thiết kế hướng đối tượng mềm dẻo, uyển chuyển và có khả năng sử dụng lại. Một số mẫu thiết kế đã được sử dụng có hiệu quả trong quá trình thiết kế và thực hiện các phần mềm trong đồ án này là: Interpreter, Abstract Factory, Chain of Responsibility, 2.2.3 Tìm hiểu các sản phẩm tương tự đã có Trong thực tế đã có nhiều sản phẩm tương tự như các phần mềm thực hiện trong đồ án này tồn tại trên thị trường. Hầu hết các sản phẩm này là của các công ty, các hãng lớn và có uy tín như Siemens, Emerson, Honeywell, ABB, Đây là những sản phẩm rất hoàn chỉnh, đã được sử dụng, kiểm nghiệm và công nhận trong thực tế. Việc tham khảo và tìm hiểu kĩ các sản phẩm này đem lại nhiều lợi ích cho quá trình thực hiện đồ án này như: o Tìm hiểu những đặc điểm chung của các sản phẩm này. Mặc dù có thể không được qui định thành chuẩn nhưng giữa các sản phẩm bao này giờ cũng tồn tại những điểm chung về giao diện, cách thức hoạt động, tính năng, Việc tuân theo những điểm chung này sẽ giúp cho sản phẩm tạo ra quen thuộc với người sử dụng hơn và dễ được chấp nhận hơn. o Tìm hiểu những ưu, nhược điểm của từng sản phẩm. Rút kinh nghiệm từ những điều này, sản phẩm tạo ra sẽ có thể có được nhiều ưu điểm và hạn chế được các nhược điểm. Trước khi thực hiện đồ án này, các sản phẩm sau đã được tìm hiểu: Centum CS-3000 của Yokogawa, DeltaV của Emerson Process Management. Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 9 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Quá trình thực hiện đồ án này bao gồm các giai đoạn sau: o Nghiên cứu, tìm hiểu kĩ nội dung của chuẩn IEC 61131-3. o Tìm hiểu một số sản phẩm tương tự đã có mặt trên thị trường. o Phân tích và thiết kế cấu trúc tổng quát và chi tiết của gói phần mềm. Phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng được sử dụng trong giai đoạn này với sự trợ giúp của ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML. o Lập trình và xây dựng gói phần mềm theo thiết kế đã có. Ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng C++ được sử dụng chủ yếu. Sản phẩm của đồ án là một gói phần mềm bao gồm ba thành phần chính: o Chương trình chạy (Runtime engine, RTE). o Công cụ phát triển trực quan (Visual Engineering Tools, VET). o Các module phần mềm mô phỏng đối tượng điều khiển trình tự. Mối quan hệ giữa các thành phần trong gói phần mềm được thể hiện trong sơ đồ dưới đây. Công cụ phát triển trực quan Mô phỏng và quan sát (Visual Engineering Tools) (Simulator and Supervisor) Chương trình Trạng thái Trạng thái hoạt Tín hiệu vào điều khiển hoạt động động, tín hiệu ra Chương trình điều khiển Không phụ thuộc nền tảng Chương trình chạy (Runtime Engine) Phụ thuộc nền tảng Hình dưới đây biểu diễn vị trí và vai trò của các thành phần phần mềm nói trên khi được cài đặt trong một hệ thống điều khiển phân tán điển hình. Trong sơ đồ này, chương trình chạy được cài đặt trên các bộ điều khiển dựa trên nền vi xử lý (ví dụ như PC/104, ), sử dụng hệ điều hành thời gian thực. Cài đặt trên trạm kĩ thuật (Engineering Station) là phần mềm công cụ phát triển trực quan và các module phần mềm mô phỏng, sử dụng hệ điều hành Windows NT/2000/XP. Các phần mềm này có thể giao tiếp, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng (ví dụ như mạng Ethernet). Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 10 Visual Engineering Tools Simulator (+ Simulator) Windows NT. 2000, XP Windows NT. 2000, XP Engineering Station Configuration Data Runtime Engine Runtime Engine Runtime Engine RTOS RTOS RTOS Controller (PC/104) Controller (iPC) Controller (μC-based) I/O I/O I/O Process Phần dưới đây sẽ trình bày tóm tắt về từng thành phần trong gói phần mềm – sản phẩm của đồ án. 3.1 Chương trình chạy (Runtime Engine – RTE) Chương trình chạy là phần mềm chạy trên các bộ điều khiển như các máy tính cá nhân công nghiệp (iPC), các bộ điều khiển dựa trên nền vi xử lý, Nhiệm vụ chính của chương trình chạy là thực thi chương trình điều khiển do người sử dụng tạo ra và nạp xuống và thực hiện giao tiếp với các thiết bị vào/ra. Một yêu cầu quan trọng đặt ra đối với gói phần mềm nói chung và với chương trình chạy nói riêng là việc lập trình điều khiển không cần trình biên dịch và chương trình điều khiển tạo ra phải có tính khả chuyển cao, nghĩa là không phụ thuộc vào nền tảng (phần cứng và hệ điều hành) cụ thể. Nói cách khác, chương trình điều khiển sau khi tạo ra có thể thực hiện trên các bộ điều khiển khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau mà không cần phải thay đổi gì. Để thực hiện được yêu cầu này, chương trình điều khiển nạp xuống được xây dựng dưới dạng cấu hình và được mô tả bằng một ngôn ngữ trung gian do tác giả tự xây dựng, với một cấu trúc định dạng (format) riêng, không phụ thuộc vào một nền tảng thực thi cụ thể nào. Được lập trình sử dụng ngôn ngữ lập trình ANSI C++ và hạn chế tối đa việc sử dụng các thư viện lập trình ngoài, chương trình chạy có tính khả chuyển khá cao và có thể dễ dàng được biên dịch và thực thi trên các nền tảng khác nhau. Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 11 Cấu trúc của chương trình chạy được mô tả trong hình dưới. Không gian thực thi Cấu hình Đối Đối tượng tượng Stream Tạo liên kết Đối Trình nạp cấu hình tượng Tạo đối tượng Phần cốt lõi (core) Các kiểu đối tượng, vào/ra, các dịch vụ hệ thống, xử lý lỗi, Phần cốt lõi là thành phần nền tảng của toàn bộ chương trình chạy, thực hiện các chức năng cơ bản và quan trọng nhất như các dịch vụ hệ thống (dịch vụ thời gian, xử lý cạnh tranh, xử lý lỗi, ), giao diện vào/ra, hệ thống các kiểu đối tượng, Trình nạp cấu hình thực hiện chức năng đọc các mô tả trong cấu hình, tiến hành phân tích, kiểm tra và tạo ra các đối tượng cụ thể cũng như thiết lập quan hệ giữa các đối tượng đó. Không gian thực thi bao gồm toàn bộ các đối tượng, cũng như quan hệ giữa chúng, được tạo ra trong quá trình nạp cấu hình. Chính các đối tượng và quan hệ trong không gian thực thi sẽ tạo thành chương trình điều khiển thực sự có khả năng thực thi. Toàn bộ quá trình thực thi được thực hiện bằng các lời gọi hàm (trực tiếp hay thông qua con trỏ) với sự hỗ trợ và điều hành của phần cốt lõi, nhờ đó vẫn đảm bảo được tốc độ thực thi tốt mặc dù không lập trình với mã máy trực tiếp. Chương trình chạy đã thực hiện có những đặc điểm chính sau. 1. Tính năng thời gian và độ ổn định tốt. 2. Hỗ trợ chuẩn IEC 61131-3: • Hỗ trợ các kiểu dữ liệu thông dụng bao gồm kiểu logic (BOOL), kiểu số nguyên (INTEGER) và kiểu số thực (REAL). Hỗ trợ các kiểu dữ liệu tổng quát – một tính năng nâng cao cho phép sử dụng dễ dàng cùng một đoạn mã lệnh chương trình với các kiểu dữ liệu khác nhau. • Thực hiện hai kiểu tác vụ là tác vụ tuần hoàn (periodic task) và tác vụ theo sự kiện (event task). • Thực hiện khá hoàn chỉnh ngôn ngữ SFC. • Sẵn sàng hỗ trợ thực hiện các ngôn ngữ lập trình khác (FBD, ST, ). Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 12 3. Mô tả chương trình điều khiển theo kiểu cấu hình, sử dụng một ngôn ngữ trung gian với cấu trúc định dạng riêng. Chương trình điều khiển không phụ thuộc nền tảng thực thi. 4. Cơ chế hỗ trợ nhiều loại hệ thống vào/ra khác nhau: vào/ra tập trung, vào/ra phân tán. 5. Hỗ trợ giám sát, kiểm tra quá trình thực thi chương trình điều khiển một cách chi tiết. Tính năng này rất hữu ích cho quá trình thử nghiệm và sửa lỗi chương trình điều khiển. 6. Tính khả chuyển tốt, dễ dàng thực hiện trên các nền tảng phần cứng và hệ điều hành khác nhau. Hiện tại, một phiên bản chương trình chạy dạng COM Server cho Win32 đã được xây dựng, sử dụng công nghệ (D)COM cho phép hoạt động phối hợp trên mạng. Giao tiếp COM đơn giản, dễ sử dụng, đặc biệt là với Visual Basic. 7. Linh hoạt, dễ phát triển và mở rộng. 3.2 Công cụ phát triển trực quan (Visual Engineering Tools) Công cụ phát triển trực quan (VET) là thành phần phần mềm quan trọng, lớn nhất và phức tạp nhất trong gói phần mềm. Đây là một công cụ lập trình trực quan, cho phép người sử dụng lập trình theo kiểu đặt cấu hình rất dễ dàng, đơn giản và tiện lợi. Thao tác chủ yếu trong quá trình lập trình điều khiển sử dụng VET là các thao tác kéo - thả, đặt thông số, mô tả cấu hình, Sau khi lập trình xong, phần mềm cho phép xây dựng (build) tạo ra chương trình điều khiển và có thể tải trực tiếp xuống chương trình chạy để thực thi. Bên cạnh chức năng hỗ trợ lập trình điều khiển, phần mềm cũng cho phép quan sát, theo dõi quá trình thực thi chương trình điều khiển với giao diện đồ họa trực quan, giúp dễ dàng kiểm tra, phát hiện và sửa lỗi. 3.2.1 Cơ chế lưu trữ và trao đổi dữ liệu Cũng giống như các phần mềm tương tự Project (dự án) Global Variables (các biến toàn cục) VET khác, phần mềm sử dụng khái niệm Memory Variables (các biến bộ nhớ) dự án (project). Bên trong dự án là dữ liệu IO Variables (các biến vào ra) về cấu hình hệ thống, các module chương Control Modules (các module điều khiển) trình điều khiển cùng nhiều dữ liệu liên SFC Modules (các module SFC) quan khác. Hình bên trình bày sơ lược về Local Variables (các biến cục bộ) cấu trúc dạng cây của một dự án. Cấu trúc Steps (các bước) cây này cũng được sử dụng trong giao diện Transitions (các chuyển tiếp) đồ họa của phần mềm giúp người sử dụng Tasks (các tác vụ) dễ dàng truy cập và thao tác với các phần Periodic Tasks (các tác vụ theo chu kỳ) Event Tasks (các tác vụ theo sự kiện) khác nhau của dự án. IO Modules (các module vào ra) Slaves (các slave) Slots (các slot) Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 13 Cơ chế lưu trữ dữ liệu trong phần mềm này dựa trên một số tiêu chí sau: o Khả năng trao đổi thông tin cao. Trong một hệ thống có thể có nhiều phần mềm khác nhau cùng được sử dụng và phối hợp hoạt động. Việc trao đổi thông tin giữa các phần mềm này vì thế rất cần thiết. Nếu các phần mềm này không có khả năng hiểu lẫn nhau, không thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau mà phải thông qua quá trình chuyển đổi phức tạp hay thậm chí không thể trao đổi thông tin thì hoạt động của hệ thống sẽ phức tạp và kém hiệu quả. Đặc biệt người sử dụng sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình vận hành hệ thống. Việc tuân theo các chuẩn quốc tế về lưu trữ và trao đổi dữ liệu là điều kiện quan trọng để đảm bảo yêu cầu về khả năng trao đổi thông tin cao. Hiện nay, xu thế chung của các phần mềm là sử dụng một cấu trúc lưu trữ dữ liệu thống nhất là XML để lưu trữ và trao đổi thông tin. Một số chuẩn như IEC 61499 còn qui định phải sử dụng XML. o Cấu trúc lưu trữ phải không quá phức tạp nhưng chặt chẽ, hiệu quả. o Tính linh hoạt, khả năng phát triển và mở rộng cao. Đây là một yêu cầu cần thiết để đảm bảo sự mở rộng và phát triển lâu dài của phần mềm, nhất là trong giai đoạn ban đầu. Với những tiêu chí đề ra ở trên thì ngôn ngữ XML tỏ ra thích hợp nhất. XML (Extensible Markup Language) là một tập con và là một phiên bản đơn giản hóa của ngôn ngữ SGML (Standard Generelized Markup Language) – một chuẩn quốc tế về một loại siêu ngôn ngữ có khả năng tạo ra các loại siêu ngôn ngữ đánh dấu khác. XML là một ngôn ngữ đánh dấu cho các tài liệu chứa đựng thông tin đã được cấu trúc hóa. Điểm đặc biệt là XML có tính linh hoạt, khả năng tùy biến và mở rộng cao nhờ cho phép người dùng t