Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (dcs)

HIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên : Đào Tuấn Anh Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh 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 HỌC VIÊN PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đào Tuấn Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC 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 1 1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động 3 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 5 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS 5 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến 5 1.2.1.2. Cấp điều khiển 7 1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy 7 1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin 7 1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS 8 1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS 10 1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của hệ DCS 10 1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động 11 1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán 17 1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán 18 1.4. Kết luận 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 39 2.3.3. Ethernet 40 2.3.4. Fourdation Fieldbus 41 2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông 44 2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng 45 2.4.2. Hệ số sử dụng đường truyền 45 2.4.3. Số lượng thông điệp không được truyền 46 2.5. Kết luận 46 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU 47 3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 47 3.1.1. Giới thiệu 47 3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ 48 3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre 49 3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.2.3. Trễ trên đường mạng, Ttx 51 3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost 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 76 3.3.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại 77 3.3.4. Nhật xét 78 3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của các thành phần trễ truyền thông 79 3.5. Kết luận 82 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC 83 4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 83 4.1.1. Hệ điều khiển servo 84 4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo 84 4.1.3. Điều khiển quá trình 85 4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85 4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 89 4.2.1. Cấu hình của mô hình 89 4.2.2. Giới thiệu mô hình 90 4.2.2.1. Cụm điều khiển 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 103 4.7. Kết luận 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều khiển. Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung đã dần thay thế các hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đã đem lại khả năng nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì. Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền 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 truyền động nhiều trục Kết luận và Kiến nghị. Tài liệu tham khảo. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô trong Khoa Điện và Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, 04.2008 Tác giả, Đào Tuấn Anh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất Hình 1-2. Mô hình điều khiển đơn giản Hình 1-3: Tổng quan phần cứng PLC Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động Hình 1-7. Cấu hình của hệ điều khiển chuyển động. Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp). Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 Hình 2-3. Định dạng của khung truy nhập mạng Ethernet Hình 2-4. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet Hình 2-5. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT 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 lấy mẫu 2.5 ms Hình 4-17. Quỹ đạo chuyển động X-Y khi mạng bão hoà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus Bảng 4-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng Bảng 4-3. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1% Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3% Bảng 4-5. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5% 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân chia thành nhiều cấp. Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hành của một hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1. 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 Workstation, PC, Servers Workstation, PC Controllers, PLC, CNC, PC Controllers, sensors, actuators Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Cấp thứ ba: Là cấp vận hành, giám sát chỉ huy và thực hiện chức năng vận hành giám sát và điều khiển chỉ huy quá trình công nghệ. Tại cấp thứ ba này thực hiện các chức năng giao diện người-máy, lưu trữ các số liệu liên quan tới sản xuất, ra các lệnh, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc cho quá trình công nghệ, máy sản xuất,…Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy trạm làm việc, các máy tính PC. Các cấp 1,2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ. Cấp thứ tư: là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,… Cấp thứ năm: là cấp quản lý công ty và nó thực hiện kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau. Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất thì các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá trình công nghệ và hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho các cấp này còn được gọi là hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ còn các cấp thứ 4 và thứ 5 thực hiện chức năng quản lý và hệ thống tự động hoá áp dụng cho hai cấp này được gọi là hệ thống tự động hoá điều hành và quản lý sản xuất. 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 yêu cầu khác nhau này không chỉ ở các cấp điều khiển khác nhau mà ngay trong một cấp của hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp thì mỗi ứng dụng, mỗi công đoạn sản xuất cũng có những yêu cầu khác nhau về trao đổi thông tin, đặc biệt là trong cấp cảm biến - chấp hành. Do vậy đỏi hỏi phải áp dụng các công nghệ khác nhau cho mỗi cấp điều khiển này. Có ba giải pháp để thực hiện việc trao đổi thông tin trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất nói chung, hệ thống điều khiển phân tán riêng là: 1. Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự (analog): Trong các hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu analog, tín hiệu số trong các thiết bị điều khiển số được chuyển đổi thành tương tự thông qua các bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC) và ngược lại tại thiết bị nhận tín hiệu được chuyển đổi từ tương tự sang số thông qua các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC). Trong hệ thống điều khiển sử dụng phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự, khi khối lượng thông tin cần trao đổi lớn sẽ dần tới tăng khối lượng dây dẫn cũng như làm giảm chất lượng điều khiển do sai số của quá trình chuyển đổi tín hiệu trong các bộ chuyển đổi ADC và DAC. 2. Điều khiển phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm. 3. Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên So với phương án điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương án sử dụng truyền thông điểm - điểm nhiều hạn chế về khả năng tích hợp, chi phí bảo trì, sửa chữa cao. Trong những thập kỷ gần đây, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã thúc đẩy việc chuyển hướng phát triển của các hệ thống điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ sang hướng điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm tận dụng những ưu điểm của phương án này. Mạng máy tính (hay mạng truyền thông kỹ thuật số) trong hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất được phân chia thành hai loại: mạng điều khiển và mạng dữ 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 khuyến khích các hãng sử dụng chuẩn Ethernet cho mạng điều khiển. + Mạng vận hành, giám sát chỉ huy: Mạng thực hiện chức năng trao đổi thông tin giữa hệ thống điều khiển và hệ thống điều hành, quản lý nhà máy để cập nhập các thông tin về tình hình sản xuất cũng như các mệnh lệnh sản xuất. Trước đây và bây giờ, chuẩn mạng thường dùng vẫn là chuẩn Ethernet. 1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS Một hệ DCS thông thường có 3 cấp và thực hiện việc liên kết với một phần của cấp quản lý và điều hành sản xuất thông qua hệ thống quản lý thông tin của cấp này để tích hợp vào các hệ thống quản lý sản xuất, quản lý thông tin và phối hợp quản lý trên diện rộng như SAP, PRM,… Đặc điểm của một cấu trúc điều khiển phân tán là việc phân bố thiết bị xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật, sử dụng các mạng truyền thông công nghiệp để kết nối và trao đổi thông tin. Sơ đồ cấu trúc tiêu biểu cho một hệ thống điều khiển phân tán như Hình 1-3. 1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến Lớp chấp hành cảm biến bao gồm các bộ vào/ra phân tán để ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối với các tín hiệu vào/ra và xử lý sơ bộ trước khi chuyển lên cấp điều khiển. Sensor có các chức năng chính là thu thập dữ liệu quá trình, có khả năng truyền thông và được cài các thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lỗi. Sensor thông minh sẽ thực hiện việc thu thập các dữ liệu về các đại lượng vật lý của quá trình cần đo như nhiệt độ, tốc độ, độ PH,… từ hiện trường, mã hoá các dữ liệu 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên này rồi truyền tới các thiết bị khác thông qua mạng truyền thông. Ngoài ra sensor thông minh còn có khả năng tự hiệu chuẩn, tự chuẩn đoán lỗi, các hỏng hóc có thể gặp phải để phát ra các cảnh báo cần thiết. 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 I/O Lưu trữ Quản lý thông tin PC PC Cấp quản lý SX mạng giám sát – chỉ huy mạng điều khiển px1 mạng điều khiển px2 Cấp vận hành, giám sát-chỉ huy OPC Trạm vận hành Trạm vận hành Trạm vận hành Controller Controller IPC Controller mạng thiết bị (bus trường) mạng thiết bị (bus trường) Smart sensor Smart actuator Smart actuator Smart sensor PLC Cấp điều khiển Cấp trường (cảm biến-chấp hành) 7 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 OPC. 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS a. Chức năng điều khiển Đây là chức năng quan trọng nhất của hệ DCS, có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ các quá trình công nghệ trong nhà máy. Chức năng điều khiển do các bộ điều khiển đảm nhận, được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển. Hình 1-4. Sơ đồ chức năng điều khiển của hệ DCS Chức năng điều khiển cơ bản: DCS thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy. Các thành phần thực hiện các chắc năng điều khiển cơ bản DCS gọi là các “khối hàm” (Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển.Việc thực hiện thiết kế chức năng điều khiển thực chất là cách kết hợp các khối hàm lại với nhau cho phù hợp. Chức năng thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: Thực hiện cho các vòng điều chỉnh phản hồi của các quá trình liên tục. Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng 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. Hầu hết các hệ DCS đều không tích hợp sẵn các chương trình điều khiển truyền thông cũng như các module truyền thông với các PLC vì hệ thống PLC trên thị trường là rất phong phú và đa dạng. Mà thay vào đó, các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn để liên kết với các hệ PLC, tuy nhiên không phải là có thể kết nối được với tất cả các PLC. Ở điểm này thì các nhà làm thiết kế hệ thống điều khiển phải nắm được để chọn thiết bị cho phù hợp và đỡ tốn kém nhất. Các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn này dưới dạng các gói phần mềm và các module phần cứng. Ví dụ để liên kết với PLC của AB SLC5, ta có gói phần mềm điều khiển truyền thông với SLC5, hay để kết nối với PLC của Siemens, ta có các gói phần mềm truyền thông với các thiết bị của Siemens. Tuy nhiên việc câu hình và truyền thông với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diễn ra 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thuận lợi, mà nếu lựa chọn không khéo, nó sẽ làm cho người làm Engineering tốn mất nhiều thời gian và công sức. Khi chúng ta định kết nối DCS của mình với một PLC của hãng nào, ta phải mua chương trình phần mềm và module phần cứng của nhà cung cấp DCS để kết nối. Vì khi chúng ta cài đặt chương trình phần mềm này vào hệ thống, nó sẽ dành một phần bộ nhớ và định dạng lại bộ nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cần giao tiếp. c. Chức năng vận hành và giám sát hệ thống (Chức năng SCADA) * Hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy * Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị * Chức năng cảnh báo quá trình * Chức năng lập báo cáo * Chức năng an toàn hệ thống (Security) 1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã bắt đầu xâm nhập vào hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. 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 a. Khái quát chung về điều khiển chuyển động Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính và vi xử lý, các hệ điều khiển chuyển động đã trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn. Với hệ điều khiển chuyển động có thể lập trình, ta có thể thay đổi vận tốc hay vị trí của cơ cấu chỉ bằng một vài dòng lệnh hoặc bằng cách chọn các thuật toán đã có sẵn trong bộ nhớ của hệ thống. Các thành phần của một hệ điều khiển chuyển động về cơ bản gồm những phần tử như Hình 1-6 ở dưới (chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc chuyển động thẳng). Hình 1-5. So sánh mô hình Fieldbus và mô hình OSI Hình 1-6. Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ điều khiển (Controller) sẽ chứa một chuỗi các lệnh được mã hoá (các lệnh để điều khiển chuyển động), khi được thực hiện nó sẽ tạo ra một loạt các xung điện hoặc tín hiệu tương tự ở đầu ra của bộ điều khiển. Các tín hiệu này sẽ được cấp cho bộ khuếch đại (Amplifier) và được nó khuyếch đại lên cho phù hợp với cơ cấu chấp hành (Actuator). Cơ cấu chấp hành thực hiển các chuyển động yêu cầu. Phần tử cuối cùng là thiết bị phản hồi (Feedback) – cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển (Controller). Nhiều hệ điều khiển chuyển động được tích hợp thành một hệ lớn. Các loại thiết bị dựa trên máy tính, như các bộ điều khiển có thể lập trình, các máy tính công nghiệp, các máy tính lớn ở xa để liên kết và điều phối các chức năng chuyển động cùng các chức năng khác. Thêm vào, giao diện hoạt động (Operator interface) để thay đổi chương trình; cung cấp các sửa đổi thời gian thực như tắt hệ thống, các thay đổi kế hoạch, …Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp thêm 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. 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Việc tạo ra quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được thực hiện trên một bục phần cứng đơn lẻ. Hình 1-8 ở trên thể hiện cấu trúc của hệ điều khiển chuyển động gồm hai hoặc nhiều trục. Các drive được sử dụng ở trên có thể là số hoặc tương tự, và có thể hoạt động ở mode vận tốc hoặc mode mô men. Phương pháp truyền thông truyền thống (dùng tín hiệu analog) này chỉ đáp ứng được những ứng dụng điều khiển chuyển động đơn giản (số trục tham gia chuyển động ít) và yêu cầu chính xác không cao. Phần này sẽ được phân tích và trình bày kỹ trong chương 4. c. Phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) trong hệ điều khiển chuyển động Với cấu hình mạng bus, người ta dùng 1 hoặc nhiều máy tính trung tâm để điều khiển các trục: Tín hiệu điều khiển có thể được gửi từ máy tính trung tâm đến từng trục một hoặc gửi tới các bộ điều khiển địa phương (local controllers), sau đó bộ điều khiển này điều khiển này mới gửi các lệnh tới các trục riêng lẻ. Máy tính trung tâm có thể là 1 chương trình phần mềm, 1 chíp vi điều khiển, hoặc PLC. * Một số mạng(bus) hay được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động: - Cấu hình truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ cao ( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos…) Ở cấu hình này, việc tạo quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được đặt ở bộ điều khiển chủ (a central host controller), tín hiện điều khiển của mô men hay tốc độ Hình 1-8. Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dạng số được gửi qua giao diện nối tiếp tốc độ cao tới các drive. Hình 1-9. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) Hạn chế của cấu hình này là sự kết nối nối tiếp giữa controller và drive cần phải tương đối nhanh. Điều này làm tăng giá thành và độ phức tạp cho cả controller lẫn drive. Một số giải pháp đang tồn tại là:  SERCOS: Giải pháp cáp quang, chạy ở tốc độ 2,4 hoặc 16Mbit/s.  IEEE 1394 (a.k.a FireWire): Cáp đồng hoặc cáp quang chạy ở tốc độ 200 đến 400Mbit/s.  100BaseT, 10BaseT (a.k.a Ethernet): Giải pháp cáp đồng, chạy ở tốc độ 10Mbit/s tới 100Mbit/s . Giao thức giao tiếp được sử dụng cho các giải pháp trên thì khác nhau (có thể mở hoặc được giữ bản quyền của nhà sản xuất). Nếu tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm trong khoảng: 5 – 10kHz, nghĩa là tín hiệu điều khiển của vận tốc hoặc mô men được gửi sau những khoảng thời gian là 200 đến 100 s. Điều quan trọng là ta phải duy trì sự đồng bộ giữa các trục, nghĩa là phải giảm thiểu trễ trong truyền thông tới mức nhỏ nhất. Bảng 1-1 chứa các thông số kỹ thuật của một số loại bus hay sử dụng trong các hệ điều khiển chuyển động. 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên SynqNet Ethernet (TCP/IP) SERCOS FireWire IEEE 1394 CAN Max. Inter- Node Distance 100m 100m 40m 4.4m 40m Min. Cycle Time / Latency < 25µs 1.2ms 250µs 125 .. 250µs 1ms BandWidth 200Mbit/s 100Mbit/s 16Mbit/s 400Mbit/s 1Mbit/s Transfer Mode Full- Duplex Half- Duplex Half- Duplex Half- Duplex Half- Duplex Max. Jitter < 1µs 20µs 1µs <1µs 1..120µs Need of Switches/ Hubs No Yes No No No Max.Number of Nodes 254 No Limit 254 63 2032 Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật của một số loại bus Ở bảng trên, thời gian trễ (chu kỳ thời gian) được tính bằng: thời gian cần thiết để nhận tín hiệu phản hồi + thời gian thực hiện tính toán + thời gian truyền dữ liệu mới đi (được tính cho mạng gồm có 4 trục). Jitter được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi bắt đầu kích thích cho đến khi bắt đầu có đáp ứng (phụ thuộc vào độ chính xác của đồng hồ hệ thống, thiết kế phần cứng ).  SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos: Tốc độ truyền dữ liệu của mạng Sercos là nhỏ nhất (16Mbit/s), tốc độ truyền của FireWire (IEEE1394) có thể lên tới 400Mbit/s, tốc độ truyền của SynqNet tối đa là 200Mbit/s, còn tốc độ truyền của Ethernet trong khoảng từ 10Mbit/s tới 100Mbit/s. Những loại bus này thường được ứng dụng trong những hệ điều khiển chuyển động yêu cầu tính đồng bộ chặt chẽ, tốc độ truyền dữ liệu cao.  CAN: CAN bus được ứng dụng vào hệ điều khiển chuyển động do dễ sử 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dụng, ổn định cao. CAN-bus chậm hơn Ethernet, SynqNet, FireWire, Sercos và nhanh hơn RS 485.  RS 485 – bus gần giống với RS422 và RS232, nó thường được sử dụng để truyền thông giữa các module chuyển động khi hệ điều khiển chuyển động yêu cầu sự đồng bộ không chặt chẽ và tính ổn định không cao. Khi khoảng thời gian giữa các lần gửi tín hiệu tốc độ khoảng >1ms (nghĩa là tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm khoảng <1KHz, thì ta có thể sử dụng mạng CAN - Cấu hình truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc độ thấp (CAN, RS485…). Một giải pháp khác phù hợp với nhiều ứng dụng là chuyển mạch vòng vị trí xuống drive số như Hình 1-10. Ở giải pháp này bộ điều khiển (controller) gửi tín hiệu điều khiển là vị trí xuống các drive, việc này sẽ được thực hiện ở tốc độ thấp (tối thiểu là thấp hơn tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí). Do đó giao diện nối tiếp tốc độ thấp giữa controller và drive có thể sử dụng. Hình 1-10. Cấu hình mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp). Để giảm hơn tốc độ cập nhật của lệnh điều khiển vị trí, drive có thể thực hiện nội suy bậc cao hơn. Điều này có nghĩa là drive bây giờ thực hiện cả việc tính toán quỹ đạo và chứa cả mạch vòng vị trí. Khi đó bộ điều khiển chủ chia quỹ đạo cần chuyển động thành các đoạn, và gửi các đoạn nhỏ này xuống các drive. Các drive sẽ thực hiện nội suy bậc cao hơn theo điểm cuối của các đoạn nhỏ. Về thực chất, điều 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên này có nghĩa là chức năng tạo ra quỹ đạo đã được chia sẻ giữa host controller và các drive. Khi dùng mạng (bus) để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động thì một số vấn đề ta phải quan tâm là vấn đề thời gian trễ trong truyền thông 1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán Điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động cho ra đời các hệ thống truyền động mới - truyền động phân tán. Hệ thống truyền động phân tán ra đời sẽ dần thay thế các hệ thống truyền động cán thép, xeo giấy, các hệ thống truyền động CNC và robots truyền thống. Có thể phân chia các hệ truyền động nhiều trục thành các nhóm chính sau: * Truyền động nhiều trục điều khiển vị trí: truyền động robots, truyền động máy CNC… * Hệ truyền động nhiều trục đồng tốc độ: truyền động cán thép, truyền động xeo giấy,…. * Hệ truyền động nhiều trục phối hợp cả điều khiển vị trí và đồng tốc: Hệ truyền động dạng này sử dụng trong các công nghệ phức tạp. Sử dụng giải pháp điều khiển phân tán và mạng truyền thông số cho ứng dụng truyền động nhiều trục sẽ cho ta một cấu trúc mới của các hệ điều khiển truyền động nhiều trục được gọi là hệ điều khiển truyền động phân tán hay gọi tắt là hệ truyền động phân tán. Tài nguyên tính toán của hệ điều khiển truyền động phân tán là các hệ xử lý của bộ điều khiển trung tâm và các hệ xử lý của các bộ điều khiển truyền động mỗi trục. Giao diện giữa bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển truyền động mỗi trục sử dụng mạng truyền thông số. Mạng truyền thông số được sử dụng để truyền cả các tín hiệu logic, các tín hiệu đo lường và tín hiệu điều khiển giữa các hệ xử lý trong toàn hệ thống. Tuy nhiên các hệ điều khiển truyền động nhiều trục là các hệ thống điều khiển đòi hỏi khắt khe về thời gian thực. Sự chậm trễ của các tín hiệu do sử dụng mạng truyền thông số làm suy giảm chất lượng điều khiển của các hệ điều khiển 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên truyền động phân tán và trong nhiều ứng dụng nó không đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Cho tới nay, trễ truyền thông chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế sự phát triển của các hệ điều khiển truyển động phân tán. Việc nghiên cứu đặc tính và đánh giá ảnh hưởng của trễ truyền thông sẽ được nghiên cứu trong các phần tiếp theo của luận văn. 1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp đều có yêu cầu thời gian thực. Hệ thống điều khiển phân tán do vậy cũng phải đáp ứng yêu cầu này khi sử dụng để điều khiển các quá trình công nghệ. Điều có nghĩa yêu cầu đối với các đại lượng điều khiển của hệ điều khiển phải bao gồm cả giá trị điều khiển và thời gian đưa ra giá trị đó hay nói cách khác hệ thống điều khiển phải đáp ứng được cả yêu cầu về chính xác của đại lượng điều khiển và độ trễ điều khiển. Trễ điều khiển là khoảng thời gian giữa thời điểm lấy mẫu và thời điểm tác động của cơ cấu chấp hành tương ứng. Trễ điều khiển trong các mạch vòng điều khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiển phân tán bao gồm các thành phần sau:  Trễ trong các cơ cấu đo lường giữa thời điểm thu thập các đại lượng phản hồi và thời điểm truyền các giá trị này, sp ;  Trễ truyền thông từ các cơ cấu đo lường tới bộ điều khiển, scc;  Trễ tính toán điều khiển trong controller, cp  Trễ truyền thông từ controller tới các cơ cấu chấp hành giữa thời điểm nhận được lệnh và thời điểm bắt đầu tác động thực tế, ap. Ta có thể nhận thấy ngoài các chậm trễ do quá trình tính toán thực hiện các luật điều khiển và đo lường của các bộ điều khiển số thông thường còn có các chậm trễ của quá trình truyền thông gây ra. Sơ đồ mạch vòng điều khiển điển hình của hệ điều khiển phân tán như hình 1-11. 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong trạng thái bão hoà và nghẽn mạng tạm thời của hệ thống mạng tới chất lượng điều khiển sẽ được đề cập trong luận văn. 1.4. Kết luận Cùng với sự phát triển của các hệ thống tính toán và xử lý công nghiệp, hệ điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật số đã làm cho các hệ thống truyền thông công nghiệp không ngừng được phát triển và các chuẩn truyền thông khác nhau đã ra đời để đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin giữa các hệ thống con, các bộ xử lý trong một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) thay thế cho phương án truyền thông tương tự (analog).... Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số thay thế cho phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền thống xuất hiện trở ngại mới cho việc điều khiển đó là trễ truyền thông các giữa các cơ cấu đo, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia sẻ 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 Regulator (Trễ tính toán trong controller Trễ truyền thông giữa các controller và cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành Và đối tượng điều khiển Trễ truyền thông giữa sensor và controller Đo và lấy mẫu (trễ trong cơ cấu đo) W(k) Controller v(k) u(t) y(t) Hình 1-11. Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông làm hạn chế khả năng ứng dụng của các mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng công nghiệp có yêu cầu khắt khe về đáp ứng thời gian thực và là trở ngại chính cho sự phát triển của các hệ thống điều khiển phân tán. Trong khuôn khổ của luận văn này, nguyên nhân, đặc tính của trễ truyền thông và phân tích ảnh hưởng của nó tới chất lượng điều khiển được nghiên cứu. 21 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 2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 2.1.1. Hệ thời gian thực Có rất nhiều định nghĩa về một hệ thống thời gian thực, tất cả chúng đều xoay quanh vấn đề thời gian mà hệ thống phải trả lời khi nhận được các thông tin đầu vào. Hệ thời gian thực (Real-Time System) là một hệ thống đòi hỏi phải phản ứng lại các kích thích của môi trường trong những khoảng thời gian được quy định bởi môi trường. Định nghĩa trên đã bao hàm một miền rất rộng các hệ thống, tuy nhiên giá trị của việc trả lời các tác vụ đúng hạn thời gian của các hệ thống là không như nhau, có những hệ thống nếu hạn chót về thời gian trả lời các tác vụ là không đạt được thì có thể dẫn tới cả một thảm hoạ như các hệ thống báo hiệu đường sắt, hệ thồng điều khiển bay, hệ thống điều khiển phản ứng hạt nhân…, nhưng lại có những hệ thống khi hạn chót bị bỏ qua nó vẫn hoạt động bình thường, tất nhiên hiệu suất sẽ không đạt như mong muốn chẳng hạn như hệ thống chuyển mạch điện thoại… Một hệ thời gian thực được gọi là mềm (Soft Real-Time System) nếu kết quả của việc hệ thống không đáp ứng đúng thời gian yêu cầu là không nguy hại. Hạn chót mà hệ thống cần đáp ứng gọi là Soft deadline. Một hệ thời gian thực được gọi là cứng (Hard Real-Time System) nếu kết quả của việc hệ thống không đáp ứng đúng thời gian yêu cầu là rất nguy hiểm có thể dẫn tới thảm hoạ. Hạn chót mà hệ thống cần đáp ứng gọi là Hard deadline. Như vậy, một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả, hệ thống có lỗi khi yêu cầu về thời gian không được thoả mãn. Tính thời gian thực là khả năng đáp kịp thời và chính xác. Và ta hoàn toàn có thể 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên định nghĩa như thế nào là kịp thời theo bốn yêu cầu khác nhau, như minh họa trên hình 2.1. Hình 2-1. Các dạng của tính kịp thời Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm tiêu biểu sau: * Tính bị động: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm thường không biết trước. Ví dụ, sự vượt ngưỡng của một giá trị đo, sự thay đổi trạng thái của một thiết bị quá trình phải dẫn đến các phản ứng trong bộ điều khiển. * Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời. Tuy tính nhanh nhạy là một đặc điểm tiêu biểu, nhưng một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có đáp ứng thật nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. * Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra. Có thể, cùng một lúc một bộ điều khiển được yêu cầu thực hiện nhiều vòng điều chỉnh, giám sát ngưỡng giá trị nhiều đầu vào, cảnh giới trạng thái làm việc của một số động cơ. * Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng. Nếu một bộ điều khiển phải xử lý đồng thời nhiều nhiệm vụ, ta phải tham gia quyết định được về trình tự thực hiện các công việc và đánh giá được thời gian xử lý mỗi công việc. Như vậy 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên người sử dụng mới có cơ sở để đánh giá về khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống. 2.1.2. Điều khiển thời gian thực Có thể nói, tất các các hệ thống điều khiển là hệ thời gian thực. Ngược lại, một số lớn các hệ thống thời gian thực là các hệ thống điều khiển. Không có hệ thống điều khiển nào có thể hoạt động bình thường nếu như nó không đáp ứng được các yêu cầu về thời gian, bất kể là hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng hay điều khiển chuyển động. Một bộ điều khiển phải đưa ra được tín hiệu điều khiển kịp thời sau một thời gian nhận được tín hiệu đo để đưa quá trình kỹ thuật về trạng thái mong muốn. Một mạng truyền thông trong một hệ thống điều khiển có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tin một cách tin cậy và kịp thời đối với các yêu cầu của các bộ điều khiển, các thiết bị vào/ra, các thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán không chỉ phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của từng thành phần trong hệ thống, mà còn phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó. Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng có các đặc điểm tiêu biểu nêu trên như tính bị động, tính nhanh nhạy, tính đồng thời và tính tiền định. Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc, một hệ thống xử lý thời gian thực sử dụng các quá trình tính toán đồng thời. Quá trình tính toán là một tiến trình thực hiện một hoặc một phần chương trình tuần tự do hệ điều hành quản lý trên một máy tính, có thể tồn tại đồng thời với các quá trình khác kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ đợi thực hiện. Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời: * Xử lý cạnh tranh: Nhiều quá trình tính toán chia sẻ thời gian xử lý thông tin của một bộ xử lý. 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Xử lý song song: Các quá trình tính toán được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý của một máy tính. * Xử lý phân tán: Mỗi quá trình tính toán được thực hiện riêng trên một máy tính. Trong các hình thức trên đây thì hình thức xử lý cạnh tranh có vai trò chủ chốt. Mặc dù hệ thống điều khiển có thể có nhiều trạm, và mỗi trạm có thể là một hệ đa vi xử lý, số lượng các quá trình tính toán cần thực hiện thường bao giờ cũng lớn hơn số lượng vi xử lý. Trong khi một vi xử lý không thể thực hiện song song nhiều lệnh, nó phải phân chia thời gian để thực hiện xen kẽ nhiều nhiệm vụ khác nhau theo thứ tự tùy theo mức ưu tiên và phương pháp lập lịch. Trong các hệ thống điều khiển, khái niệm tác vụ (task) cũng hay được sử dụng bên cạnh quá trình tính toán. Có thể nói, tác vụ là một nhiệm vụ xử lý thông tin trong hệ thống, có thể thực hiện theo cơ chế tuần hoàn (periodic task) hoặc theo sự kiện (event task). Các dạng tác vụ qui định trong chuẩn IEC 61131-3 (Programmable Controllers – Part3: Programming Languages) được minh họa trên hình 2-2. Ví dụ, một tác vụ thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều mạch vòng kín có chu kỳ trích mẫu giống nhau. Hoặc, một tác vụ có thể thực hiện nhiệm vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra. Tác vụ có thể thực hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quá trình tính toán khác nhau Hình 2-2. Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để tổ chức việc thực hiện các tác vụ được hiệu quả, một hệ điều hành thời gian thực cần các phương pháp lập lịch. Trước hết, cơ chế lập lịch thực hiện cho các tác vụ có thể được thực hiện theo hai cách: * Lập lịnh tĩnh: thứ tự thực hiện các tác vụ không thay đổi mà được xác định trước khi hệ thống đi vào hoạt động. * Lập lịnh động: hệ điều hành xác định lịnh sau khi hệ thống đã đi vào hoạt động. Sau khi xác định được cơ chế lập lịch, hệ điều hành cần sử dụng một sách lược lập lịnh (strategy) để áp dụng đối với từng tình huống cụ thể. Có thể chọn một trong những cách sau: * FIFO (First In First Out): một tác vụ đến trước sẽ được thực hiện trước. * Mức ưu tiên cố định/động: tại cùng một thời điểm, các tác vụ được đặt các mức ưu tiên cố định hoặc có thể thay đổi nếu cần. * Preemptive: còn gọi là sách lược chen hàng, tức là chọn một tác vụ để thực hiện trước các tác vụ khác. * Non-preemptive: còn gọi sách lược không chen hàng. Các tiến trình được thực hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng. Việc tính mức ưu tiên của mỗi tiến trình được thực hiện theo một trong số các thuật toán sau: * Rate monotonic: tác vụ nào càng diễn ra thường xuyên càng được ưu tiên. * Deadline monotonic: tác vụ nào càng gấp, có thời hạn cuối càng sớm càng được ưu tiên. * Least laxity: tác vụ nào có tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng(deadline) càng lớn càng được ưu tiên. Trong thực tế, yêu cầu về tính thời gian thực đối với mỗi ứng dụng điều khiển cũng có các đặc thù khác nhau, mức độ ngặt nghèo khác nhau. Ví dụ, các hệ thống điều khiển nhúng thường được ứng dụng với các sản phẩm chế tạo hàng loạt, chi phí phần cứng cho từng sản phẩm cần được giảm thiểu, vì vậy dung lượng bộ nhớ cũng như hiệu năng vi xử lý thường thấp. Hơn nữa, điều khiển nhúng lại là giải 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên pháp đặc thù trong các ứng dụng nhanh, tiêu biểu là điều khiển chuyển động, dẫn đến các yêu cầu ngặt nghèo hơn về hiệu suất phần mềm. Trong khi đó, các hệ điều khiển công nghiệp như PLC hoặc DCS đặt ra yêu cầu cao về khả năng lập trình và đưa vào vận hành thuận tiện cho các bài toán lớn. Các hệ thống ứng dụng PLC và DCS cũng thường chậm hơn (ví dụ trong điều khiển các quá trình công nghệ) Nhưng như vậy không có nghĩa là các giải pháp PLC hoặc DCS không phải là các hệ thời gian thực. Sẽ rất nguy hại khi trong một nhà máy điện nguyên tử hay trong một nhà máy lọc dầu, nếu thuật toán điều khiển mặc dù rất hiện đại nhưng bộ điều khiển không có khả năng đưa ra kết quả đáp ứng kịp thời vào những thời điểm trích mẫu, hay khi không đưa ra được các quyết định dừng khẩn cấp một cách kịp thời trong những tình huống bất thường. 2.2. Giao thức mạng Để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng khác nhau trong những năm vừa qua nhiều giao thức mạng đã được đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuẩn mạng truyền thông công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết trong số chúng đều được xây dựng dựa trên chuẩn mô hình 7 lớp ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems Interconnection) và sử dụng cùng dạng lược đồ địa chỉ đầu/cuối. Ví dụ: Giao thức truyền của mạng CAN (Control Area Network) thêm vào 44 bits (với định dạng chuẩn) để ấn định các thông tin liên quan đảm bảo việc truyền chính xác và hiệu quả [1], [3]. Ngoài việc điền chính xác địa chỉ cho mỗi thông điệp, giao thức truyền còn phải định rõ quy tắc truyền để đảm bảo việc truyền chính xác và tránh xung đột. Trên cơ sở giao thức truyền đã lựa chọn, hệ thống mạng có thể hỗ trợ một số mô hình truyền thông khác nhau như mô hình khách hàng/hệ phục vụ (Client/Server), mô hình chủ/tớ (Master/Slave) và mô hình phát hành/thuê bao (Publisher/Subscriber) để đáp ứng các yêu cầu truyền thông khác nhau. Những mô hình truyền thông như vậy cho phép thông tin chứa tại một thiệt bị hoặc ứng dụng 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên bất kỳ có thể dễ dàng chia sử cho các thiết bị hoặc ứng dụng khác mà không cần phải trang bị thêm thiết bị phần cứng cũng như bổ xung các thuật toán truyền tin như trong các hệ điều khiển sử dụng phương pháp truyền thông điểm - điểm truyền thống. Có thể hình dung ưu điểm này trong ví dụ về giá trị của một đại lượng vật lý cần phải đo và truyền tới một số thiết bị trong hệ điều khiển. Khi đó thay vì phải sử dụng nhiều sensor hoặc phát triển một thuật toán riêng để truyền thông tin này tới các thiết bị cần thiết như trong các hệ thống truyền thông điểm - điểm ta chỉ sử dụng một sensor nối mạng và sử dụng chế độ truyền thông phát hành/thuê bao để truyền thông tin tới các thiết bị cần thiết cũng được nối mạng. Mô hình truyền thông master/salve có thực hiện truyền thông theo các phương pháp kết nối hồi đáp tuần tự (Poll), hỏi đáp đồng thời (Strobe), kết nối nhiều người nhận (Multicast) hoặc là kết nối chu kỳ. Phương pháp hỏi đáp tuần tự và phương pháp hỏi đáp đồng thời thường được sử dụng cho mạng hiện trường và mạng điều khiển. Trong phương pháp hỏi đáp tuần tự trạm master sẽ gửi yêu cầu tới lần lượt từng trạm slave cần lấy thông tin cà các trạm slave sẽ thực hiện việc lấy mẫu hoặc lấy dữ liệu lưu giữ trong bộ đếm để gửi cho trạm master theo yêu cầu. Khác với phương pháp hỏi đáp tuần tự, ở phương pháp hỏi đáp đồng thời trạm master gửi yêu cầu tới tất cả các trạm slave và các trạm slave khi nhận được yêu cầu sẽ ngay lập tức trả lời. Trong trường hợp này các trạm slave sẽ gửi về trạm master các giá trị đo (hoặc dữ liệu quá trình) tại cùng thời điểm nhưng việc truyền dữ liệu lên mạng sẽ được dàn xếp bởi giao thức truyền thông sử dụng. Điểm khác biệt cơ bản của hệ thống truyền thông sử dụng mạng so với phương pháp truyền thông điểm - điểm là sử dụng chung phương tiện truyền thông để truyền tin. Phần chính của giao thức truyền thông là điều khiển truy nhập mạng. Nhiều phương pháp truy nhập mạng đã được phát triển như CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), phương pháp chuyển thẻ bài (token passing), phương pháp CSMA/AMP (Carrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority), phương pháp FDMA và phương pháp TDMA. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong khuôn khổ của luận 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên văn này ta sẽ phân tích ba loại mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với ba phương pháp truy nhập mạng điển hình là CSMA/CD, token passing và CSMA/AMP. 2.2.1. Phƣơng pháp CSMA/CD Phương pháp truy nhập mạng được sử dụng trong hệ thống mạng nổi tiếng là Ethernet được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.3 và khi nói tới Ethernet người ta cũng đồng thời ám chỉ tới phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD. Phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD quy định mỗi nút mạng phải theo dõi thường xuyên trước khi thực hiện việc truyền tin. Khi phát hiện đường truyền trở nên sẵn sàng cho việc truyền tin thì lập tức thực hiện việc truyền tin. Một khả năng có thể xảy ra là có hai hoặc nhiều nút mạng cùng thực hiện truyền tin và nó sẽ sảy ra xung đột và các nút mạng thực hiện truyền tin sẽ phát hiện xung đột này. Nếu phát hiện ra xung đột các nút mạng sẽ lập tức ngừng việc truyền tin và đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện việc truyền lại. Khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên này được tạo ra bởi thuật toán chờ hàm mũ nhị phân (BEB-binary exponential backoff) và điều này làm cho trễ truyền thông tạo bởi phương pháp điều khiển truy nhập mạng CSMA/CD mang tính bất định [9], [10]. Thuật toán BEB được thực hiện như sau: thời gian đợi được chọn ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 tới (2i-1) lần khoảng thời gian tối thiểu để truyền lại. Ở đây i được chọn bằng số lần xảy ra xung đột được phát hiện bởi nút mạng đó nếu nó nhỏ hơn 10 hoặc được chọn bằng 10 nếu số lần xảy ra xung đột phát hiện được lớn hơn 10, có nghĩa là mức trên được giới hạn ở 1023. Sau 16 lần xung đột thì sẽ báo lỗi. Định dạng của khung truy nhập mạng (MAC frame) theo [9], [10] như trên Hình 2-3. Trên khung truy nhập này ta có thể nhận thấy Ethernet đã thêm vào 26 bytes thông tin điều khiển truyền thông. Gói dữ liệu có kích thước tối thiểu là 46bytes và tối đa là 1500bytes. Sở dĩ phải quy định kích thước tối thiểu cho gói dữ liệu là do khung truy nhập mạng bị quy định kích thước tối thiểu tính từ địa chỉ đích tới 29 Số ._.ọn cấu hình truyền thông và bộ điều khiển tương ứng mà vẫn đảm bảo được tính thời gian thực cũng như tính ổn định của hệ thống. Trong phạm vi luận văn này sẽ nghiên cứu việc dùng truyền thông CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động. Trên cơ sở đó, phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí. Vấn đề cần quan tâm khi sử dụng mạng CAN-bus cho hệ truyền động này là ảnh hưởng của trạng thái bão hoà của mạng truyền thông đến chất lượng hệ thống và qua đó thấy được sự ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu Ts đến thời gian trễ. 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 4.4.1. Phƣơng pháp xấp xỉ Padé Trong trường hợp đơn giản nhất ta có thể giả thiết rằng trễ trong hệ thống điều khiển phân tán là hằng số và khi đó ta có thể sử dụng các công cụ phân tích thiết kế với hệ thống điều khiển có trễ như phương pháp đồ thị Bode, phương pháp sơ đồ Nyquist. Khi chúng ta coi trễ truyền thông là hằng số ta có thể gần đúng hệ thống như hệ có trễ thông thường và có thể áp dụng bộ điều khiển dự báo Smith (Smith-predictor) để điều khiển hệ thống [5]. Khi không cần độ chính xác cao trong việc phân tích hệ thống ta có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ Padé. Phương pháp xấp xỉ Padé gần đúng thành phần trễ e-s trong hàm truyền đối tượng có trễ bằng đa thức )( )( )( sQ sP sG  . Về bản chất thì đây là một dạng của khai triển chuỗi Taylo. Bậc của P(s) và Q(s) là như nhau và P(s) = Q(-s) để đảm bảo đặc tính truyền đạt của hệ thống, có nghĩa là G(w)=1. Trên Bảng 4-1 là ba bậc đầu tiên của xấp xỉ Padé. Bảng 4-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) Bậc Xấp xỉ Padé n = 1 2 1 2 1   s s   n = 2 12 )( 2 1 12 )( 2 1 2 2   s s s s   n = 3 120 )( 12 )( 2 1 120 )( 12 )( 2 1 32 32   ss s ss s   99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov Trong chương 3 ta đã phân tích đặc điểm của trễ truyền thông và cho thấy trễ truyền thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền thông hay tải của đường mạng, cụ thể hơn là phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi các thông điệp cần truyền. Xem xét trong khoảng thời gian giữa các lần truyền tin ta có thể thấy sự thay đổi tải mạng hay chiều dài của hàng đợi là quá trình chậm và do vậy trễ truyền thông giữa các lần truyền không hoàn toàn là ngẫu nhiên và độc lập với nhau dẫn tới trễ trong các mạch vòng điều khiển cũng có tính chất như vậy. Kết quả phân tích cho thấy trễ trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số có thể có một số hữu hạn các trạng thái và ta có thể mô hình hoá quá trình chuyển trạng thái của trễ như là quá trình Markov [19]. Gọi trạng thái của trễ truyền thông tại thời điểm k là sk và nhận ngẫu nhiên các giá trị trong tập S = {1, 2, 3…s}. Theo [3], [7] và [17] xác xuất để trạng thái của trễ truyền thông chuyển từ trạng thái i sang trại thái j là:  isjsPq kkij  1 (4.5) Trong đó: 0  i, j  s; 0  qij  1 và   j ijq 1 Ma trận chuyển trạng thái của xích Markov như sau:              ssss s s s qqq qqq qqq P 10 11110 00100 .... ... ... (4.6) Tuỳ thuộc vào đặc điểm và tính chất của mạng truyền thông ta sẽ có đặc điểm của quá trình chuyển trạng thái khác nhau. Trong mạng có thiết lập chế độ ưu tiên thì trễ của các thông điệp truyền bởi nút mạng có mức ưu tiên cao sẽ tăng theo từng bậc (chỉ chuyển tới trạng thái liền kề) còn ở những nút mạng ưu tiên thấp có thể tăng nhiều bậc (có thể chuyển tới các trạng thái không liền kề). Quá trình giảm cũng như vậy, nếu không thiết lập chế độ bỏ qua các thông điệp cũ và các gói tin lỗi thì quá trình giảm của trễ sẽ theo từng bậc còn khi thiết lập chế độ bỏ qua các thông 100 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên điệp cũ và các gói tin lỗi thì quá trình giảm có thể giảm nhiều bậc. Ví dụ trễ đang ở trạng thái 2, nếu tăng giảm từng bậc thì nó có thể chuyển sang trạng thái 1 hoặc 3 và không thể chuyển sang trạng thái 4 hay nói cách khác q23, q21  0 còn q24 = 0. Gọi xác suất của trạng thái Markov là i ta có: i(k) = P(sk = i) (4.7) Và như vậy ta có vector phân bố trạng thái như sau: (k) = [1(k) 2(k) … s(k)] (4.8) Phân bố xác suất của trạng thái sk có thể tính bằng phương pháp đệ quy như sau:  (k + 1) = (k)P (0) = 0 4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển Hai tiêu chuẩn thường được sử dụng để đánh giá thiết kế hệ thống điều khiển là tiêu chuẩn tích phân bình thương sai lệch (ISE) và tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE). Công thức tính toán các tiêu chuẩn này như sau [1]: 0 2 ft t ISE e dt  (4.9) 0 ft t ITAE t e dt  (4.10) Ở đây t0 và tf là các thời điểm đầu và cuối của quá trình khảo sát và e là sai lệch giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo đặt. Tiêu chuẩn ISE đánh giá sai lệch ở mọi thời điểm là như nhau trong khi ITAE đánh giá các sai lệch sau nặng hơn các sai lệch ban đầu. Các hệ thống điều khiển ngày nay thường dùng điều khiển số. Trong hệ thống điều khiển số để xác định được tần số lấy mẫu tốt nhất đảm bảo được sự ổn định của hệ thống và chất lượng điều khiển ta cần phải xác định được độ dự trữ pha và băng thông hệ điều khiển. 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các thành phần trễ trong hệ thống sẽ làm tăng thêm độ trễ pha của hệ thống. Trễ trong hệ thống trích mẫu bao gồm trễ do sự hữu hạn của tần số lấy mẫu và các chậm trễ khác. Sự trễ pha do sự hữu hạn của tần số lấy mẫu gọi là sự trễ pha do lượng tử hoá (s) còn d là trễ pha do sự chậm trễ. Theo [15] các trễ pha này có thể được tính toán như sau: 2 s s fT  (4.11) dd fT (4.12) Ts là chu kỳ lấy mẫu, Td là trễ. Băng thông của hệ thống điều khiển, bwf là tần số tối đa mà đầu ra của hệ thống còn bám được theo tín hiệu đầu vào hình sin với sai số cho phép. Một cách diễn đạt khác, băng thông của hệ thống điều khiển là tần số của tín hiệu vào mà tại đó đầu ra của hệ thống suy giảm 3dB (hay là đầu ra bằng 0.707 lần đầu vào) [15]. Để đảm bảo chất lượng điều khiển tần số lấy mẫu, sf của hệ thống phải đảm bảo yêu cầu sau: 4020  bwf f (4.13) 4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục Do yêu cầu về tính thời gian thực của các hệ thống truyền động nhiều trục, đặc biệt là các hệ truyền động robots và CNC, giao diện giữa bộ điều khiển nhiều trục và các bộ điều khiển truyền động thành phần hiện nay dùng tín hiệu tương tự. Nếu dùng truyền thông kỹ thuật số trong các hệ truyền động nhiều trục sẽ khắc phục được nhược điểm của kỹ thuật tương tự, nâng cao độ chính xác và tốc độ làm việc của hệ thống. Tuy nhiên, sẽ xuất hiện một số vấn đề cần phải được nghiên cứu như độ trễ truyền thông, lỗi truyền thông, vấn đề đồng bộ hóa hoạt động hệ thống, vv... 102 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.6.1. Cấu hình của mô hình Board DS1103 (có giao diện CAN) cắm vào khe ISA của máy tính sẽ gửi tín hiệu điều khiển qua mạng CAN xuống các Drive IDM640 (có giao diện CAN) để điều khiển 3 động cơ đồng bộ như hình vẽ. Mạch vòng vị trí được đưa lên Board DS1103 nên tín hiệu được gửi qua mạng CAN xuống các Drive IDM640 là các giá trị vận tốc tham chiếu. Thông số tốc độ cập nhật của mạch vòng tốc độ/ mômen tương ứng sẽ là 1KHz/10KHz. Tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí sẽ được thay đổi bằng việc thay đổi chu kỳ lấy mẫu (bước tính trên mô hình Simulink). Ví dụ: Nếu ta chọn chu kỳ lấy mẫu Ts = 10ms thì cứ sau mỗi 10ms tín hiệu tham chiếu vận tốc lại được gửi từ DS1103 qua mạng CAN xuống các Drive. Chúng ta xem xét sơ đồ cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí sử dụng truyền thông mạng CAN sử dụng luật điều khiển PD cho bộ điều khiển vị trí của các trục. Hình 4-10 Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN 103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.6.2. Phân tích ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống Từ hình 4-2 và hình 4-10, chúng ta sẽ tiến hành phân tích, đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dựa trên các kết quả đã được khảo sát trên mô hình mô phỏng. Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống bằng tiêu chuẩn ITEA với các tần số lấy mẫu khác nhau trong các trường hợp sau: - Mạng không sử dụng để truyền các thông tin sự kiện; - Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.01, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes; - Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.03, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes; - N ộ i su y q u ỹ đ ạo PD Cx Cy Servo Controller Servo Controller Servo Motor Servo Motor + + + Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo chuyển động + - - + Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí C A N B u s Controller 104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.05, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes. Sử dụng quỹ đạo chuyển động đặt là đường tròn, đường kính 200mm. Kích thước của thông điệp đo lường và điều khiển là 8 bytes ta có thể tính được chiều dài của khung truy nhập theo là: Tframe = Nstuff + Nc + 8 N data Tbit (4.14) Nstuff là số bít nhồi, lấy giá trị từ 0 tới 14 bít, Nc là số bít điều khiển lấy giá trị 47 trong CAN 2.0A và 65 với CAN 2.0B. Với tốc độ truyền 500kbps ta có Tbit= 2µs và do vậy chiều dài khung truy nhập sẽ là từ 222  s tới 250 s . Trong hệ truyền động 2 trục ta cần thiết phải truyền 04 giá trị đo lường và điều khiển nên thời gian truyền thông trong một chu kỳ yêu cầu từ 888 s tới 1000 s . Nếu thời gian cần thiết cho việc tính toán điều khiển trong trường hợp xấu nhất là 150 s thì chu kỳ điều khiển nhỏ nhất có thể lựa chọn để hệ thống còn đảm bảo được yêu cầu kết thúc quá trình tính toán và truyền tin trong chu kỳ là 1,15 ms. Vì các thông tin sự kiện có tính ngẫu nhiên, nên phải qua nhiều lần thí nghiệm ứng với mỗi chu kỳ lấy mẫu, mỗi lần làm thí nghiệm sẽ thu được một giá trị ITAE sau đó tính ra giá trị ITAE trung bình theo công thức sau: 10 10 1   k kITAE ITAE (4.15) Qua 10 lần thí nghiệm, với kết quả thu được trên các bảng 4-2, bảng 4-3, bảng 4-4 và bảng 4-5 như sau [4]: 105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 1,4 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 1,6 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 1,8 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 2 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 4 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 6 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 8 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 10 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 12 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 14 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 16 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 18 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 20 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 Bảng 4-3. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 49,1 49,1 49,1 24,6 19,8 49,1 55,4 49,1 49,1 49,1 44,36 1,8 17,72 17,72 27,85 17,72 29,82 17,72 17,72 17,72 17,20 17,72 19,89 2 0,0785 0,0785 0,0789 0,0787 0,0808 0,0783 0,0783 0,0765 0,0782 0,0761 0,0782 4 0,1535 0,1518 0,1518 0,1516 0,1517 0,1518 0,1518 0,1515 0,1518 0,1518 0,1519 6 0,2507 0,2500 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 0,2516 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 8 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 10 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 12 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 18 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 20 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 106 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 168,60 168,60 168,60 168,60 145,74 98,86 168,60 196,80 168,60 157,45 161,05 1,8 59,59 59,59 59,59 82,72 59,59 59,59 59,59 51,45 59,59 59,59 61,10 2 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 4 0,1746 0,1737 0,1734 0,1734 0,1734 0,1742 0,1734 0,1734 0,1734 0,1734 0,1736 6 0,2605 0,2635 0,2605 0,2605 0,2622 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2610 8 0,3510 0,3510 0,3752 0,3510 0,3510 0,3510 0,3621 0,3510 0,3510 0,3510 0,3545 10 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 12 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 18 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 20 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 Bảng 4-5. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 Mất ổn định 1,8 59,70 65,42 59,70 64,85 59,70 59,70 78,96 59,70 59,70 59,70 62,71 2 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 4 0,1832 0,1881 0,1832 0,1845 0,1832 0,1832 0,1869 0,1832 0,1874 0,1832 0,1846 6 0,2732 0,2780 0,2732 0,2732 0,2792 0,2780 0,2732 0,2794 0,2732 0,2732 0,2754 8 0,3692 0,3692 0,3752 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3704 10 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 12 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 18 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 20 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 107 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Qua kết quả khảo sát ta thấy, trong cả hai trường hợp mạng không có thông điệp sự kiện hay có thông điệp sự kiện với các xác suất xuất hiện thông điệp khác nhau, khi ta thay đổi chu kỳ trích mẫu – Ts thì kết quả của độ sai lệch vị trí (được đánh giá theo tiêu chuẩn ITAE) cũng khác nhau. Từ bảng kết quả ta vẽ ước lượng được đồ thị thể hiện liên hệ giữa giá trị sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn ITAE với thời gian lấy mẫu Ts để so sánh và đánh giá quy luật về ảnh hưởng của trễ truyền thông với các chu kỳ lấy mẫu khác nhau ta có Hình 4-11. Kết quả thu được trên hình 4-11 cho thấy ở những tần số lấy mẫu thấp chất lượng điều khiển ít có sự khác biệt giữa các trường hợp mạng không có thông điệp sự kiện và mạng có thông điệp sự kiện. Nhìn trên đồ thị ta thấy, khi tần số lấy mẫu tăng lên, giá trị sai lệch điều khiển giảm, điều đó cho thấy khi tần số lấy mẫu tăng lên chất lượng điều khiển cũng tăng lên như trường hợp hệ thống điều khiển số không có trễ thông thường. Hình 4-11. Kết quả mô phỏng khảo sát ITAE với các tần số lấy mẫu khác nhau 108 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông số có trễ truyền thông thêm vào làm tăng trễ của hệ thống điều khiển và do vậy nó làm thu hẹp vùng có thể lựa chọn của chu kỳ lấy mẫu so với hệ điều khiển số thông thường (không sử dụng mạng truyền thông). Trong hệ điều khiển số thông thường khi chu kỳ lấy mẫu giảm tới giới hạn trễ tính toán của thiết bị điều khiển thì diễn ra hiện tượng suy giảm chất lượng điều khiển đột ngột tới mức mất ổn định. Ở đây hiện tượng cũng diễn ra tương tự nhưng chất lượng điều khiển suy giảm ở ngay cả chu kỳ lấy mẫu lớn hơn giới hạn tạo bởi tổng trễ truyền thông và trễ tính toán. Qua kết quả khảo sát trên đồ thị ta nhận thấy khi mạng có xác suất xuất hiện thông điệp bằng 0,03 và 0,05 thì chất lượng điều khiển tăng dần theo tần số lấy mẫu, tuy nhiên lại nhanh chóng đạt tới ngưỡng bão hoà khi tần số lấy mẫu tăng. Còn đối với mạng có xác suất xuất hiện thông điệp bằng 0,01 thì ngưỡng bão hoà của hệ thống lớn hơn. Như vậy điểm suy giảm của chu kỳ lấy mẫu sẽ càng lớn khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện càng lớn. Nguyên nhân chính là do khi tăng tần số lấy mẫu sẽ làm tăng lưu lượng truyền thông, tăng băng thông sử dụng và khi tới ngưỡng bão hoà của hệ thống mạng nó làm tăng trễ truyền thông dẫn tới sự suy giảm chất lượng điều khiển. Với xác suất xuất hiện các thông điệp sự kiện càng lớn thì băng thông yêu cầu càng lớn và mạng càng nhanh đi vào trạng thái bão hoà. Chúng ta xem xét sai lệch quỹ đạo chuyển động trên hình 4-12 với hệ thống có chu kỳ lấy mẫu 2,5 ms và mạng có xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0,03: Hình 4-12. Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp sự kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms) 109 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ta nhận thấy hệ thống mạng có 3 điểm sai lệch quỹ đạo đó là các trạng thái quá tải tạm thời do tại các thời điểm đó lưu lượng truyền thông tăng làm trễ truyền thông và trễ tính toán của các thiết bị điều khiển. Như vậy ngay cả khi hệ thống mạng được thiết kế đảm bảo yêu cầu thì trong chế độ hoạt động bình thường của các hệ thống sử dụng mạng truyền thông thì hiện tượng bão hoà mạng vẫn có thể xuất hiện tạm thời (thoáng qua) và gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển một cách đột ngột và tạm thời. Nguyên nhân của hiện tượng này là do tính ngẫu nhiên của các thông tin sự kiện khác truyền trên mạng hoặc do ảnh hưởng của nhiễu dẫn tới lỗi truyền thông. Khi việc truyền thông bị lỗi, cơ chế phát hiện và xử lý lỗi trong các hệ thống mạng sẽ loại bỏ các thông điệp bị lỗi. Giải pháp phổ biến sử dụng trong kỹ thuật truyền tin là thực hiện truyền lại các thông điệp bị phát hiện là lỗi và điều này làm tăng trễ truyền thông và lưu lượng truyền thông dẫn tới hệ thống mạng có thể bị bão hoà tạm thời. Điều này cũng cho ta thấy trễ trong truyền thông thay đổi theo thời gian (do tính ngẫu nhiên của các nguyên nhân gây ra trễ trong truyền thông như đã phân tích ở chương 3). Để đánh giá sự sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp hệ thống làm việc với các tần số lấy mẫu khác nhau trên Hình 4-13 ta thấy rằng khi mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện thì ngay cả ở những chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới mức mà hệ thống có chất lượng điều khiển tốt nhất thì vẫn xuất hiện các điểm mà sai lệch quỹ đạo lớn. Đó là tại các điểm mà trễ truyền thông tăng cao đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn hay nói cách khác khi đó hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng tạm thời. Những điểm peak của sai lệch này sẽ dẫn tới phế phẩm hoặc thậm chí gây ra tác động của hệ thống bảo vệ làm dừng sản xuất. Có thể nhận thấy rằng ở những kỳ lấy mẫu lớn tồn tại sai lệch quỹ đạo lớn và ít có sự khác nhau giữa trường hợp mạng không sử dụng để truyền thông điệp sự kiện (trễ gần là hằng số) và trường hợp mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện (trễ mang tính bất định). 110 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sai lệch này ổn định và giảm khi chu kỳ lấy mẫu giảm nhưng chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ thì càng có sự khác biệt giữa trường hợp có thông điệp sự kiện và không có thông điệp sự kiện. Cụ thể là khi mạng có thông điệp sự kiện thì chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ tần suất xuất hiện các điểm có sai lệch quỹ đạo lớn sẽ càng lớn làm cho chất lượng điều khiển của nó kém hơn so với khi không có thông điệp sự kiện. Chất lượng điều khiển thấp khi chu kỳ lấy mẫu lớn là do sai lệch tạo bởi chu kỳ lấy mẫu còn khi chu kỳ lấy mẫu tiến tới giới hạn bão hoà chất lượng điều khiển giảm là do tần suất nghẽn mạng tạm thời tăng lên. Với mô hình điều khiển truyền động dùng truyền thông CAN-Bus như hình 4-9 và sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động hai trục XY điều khiển vị trí như hình 4-10. Thông tin sự kiện được giả lập bằng việc truyền thông tin điều khiển của trục thứ ba. Theo [4] kết quả khảo sát thu được để đánh giá sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp chu kỳ lấy mẫu bằng 4ms như hình 4-14. Hình 4-13. Sai lệch quỹ đạo chuyển động 111 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Quỹ đạo chuyển động X-Y là đường tròn với chu kỳ lấy mẫu 4ms ở trạng thái chưa bão hoà thu được như hình 4-15. Tại chu kỳ lấy mẫu 4ms chất lượng điều khiển tương đối tốt, sự sai lệch quỹ đạo nhỏ. Tuy nhiên khi trục thứ ba thực hiện việc truyền thông cùng thời điểm với việc truyền thông của một trong hai trục XY nói cách khác là có sự nghẽn mạng do thông điệp truyền bởi trục thứ 3 gây nên có thể làm cho hệ thống trở nên mất ổn định hoặc có sai lệch quỹ đạo lớn mặc dù trước đó nó vẫn làm việc tốt. 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 112 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chúng ta tiếp tục xem xét tại chu kỳ lấy mẫu bằng 2,5ms, khi đó thu được đồ thị mô tả sai lệch quỹ đạo chuyển động, như hình 4-16, và hình ảnh quỹ đạo chuyển động hình 4-17. Như vậy tại các chu kỳ lấy mẫu nhỏ hơn (2,5 ms) sai lệch điều khiển mạng lớn do rơi vào trạng thái bão hoà, quỹ đạo chuyển động của hai trục X-Y không còn bám theo đúng quỹ đạo đặt. Nguyên nhân của hiện tượng này là ngoài việc truyền các thông tin có tính chất chu kỳ hệ thống mạng còn sử dụng để truyền các thông tin sự kiện, không có tính chất chu kỳ. Sự xuất hiện mang tính ngẫu nhiên của các thông tin sự kiện làm tăng tức thời lưu lượng truyền tin dẫn tới sự gia tăng của thời Hình 4-16. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms Hình 4-17. Quỹ đạo chuyển động X-Y khi mạng bão hoà 113 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên gian đợi giành quyền truyền tin Tblock và trễ truyền thông sẽ tăng lên. Đặc biệt khi lưu lượng truyền tin tăng lên nó sẽ làm tăng hệ số sử dụng mạng tới mức 100% đồng thời tăng chiều dài hàng đợi dẫn tới làm tăng thời gian đợi trong hàng đợi Tqueue. Khi đó hệ thống mạng sẽ rơi vào trạng thái bão hoà. Trong trạng thái bão hoà, trễ truyền thông sẽ tăng lên và có thể vượt qua khoảng trễ cho phép của ứng dụng và ta gọi trạng thái của hệ thống mạng trong trường hợp này là trạng thái “nghẽn mạng”. Chất lượng điều khiển của hệ thống đã bị suy giảm mạnh dẫn tới mất ổn định khi mạng truyền thông đi vào trạng thái bão hoà. 4.7. Kết luận Trong chương này đã tiến hành nghiên cứu và phân tích hưởng của trễ tuyền thông tới chất lượng điều khiển trong hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí sử dụng mạng CAN dựa theo kết quả nghiên cứu [4] đã được khảo sát mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm. Kết quả cho thấy trễ truyền thông làm suy giảm chất lượng điều khiển trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông, đặc biệt trong các trạng thái nghẽn mạng và nghẽn mạng tạm thời. Chất lượng điều khiển suy giảm mạnh khi hệ thống mạng truyền thông đi vào trạng thái bão hoà (hay nghẽn mạng). Qua phân tích cũng cho thấy ảnh hưởng của hiện tượng nghẽn mạng tạm thời (bão hoà ngắn hạn) của mạng truyền thông làm suy giảm đột ngột chất lượng điều khiển, có thể gây phế phẩm hoặc hiện tượng ngừng hoạt động của thống. Chính điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng của hệ thống điều khiển sử dụng mạng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nói chung, trong các hệ điều khiển truyền thông nói riêng. 114 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Việc nghiên cứu đặc tính, phân tích và đánh giá mức độ ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán có sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm mục đích nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển. Ứng dụng truyền thông số (dùng bus) để thay cho truyền thông analog (dùng dây dẫn) đã chứng tỏ rõ những tính năng vượt trội như: lượng thông tin trao đổi lớn (có thể truyền theo hai chiều), khả năng chống nhiễu cao, cấu trúc nối dây đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu trúc của hệ chuyển động, và đặc biệt là tăng tính thời gian thực cũng như độ chính xác của hệ thống điều khiển. Để khai thác được tối đa những ưu điểm của phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) thì việc nghiên cứu và khảo sát đặc tính của trễ truyền thông đối với từng loại mạng là rất cần thiết. Trễ truyền thông và tính bất định của nó là tồn tại khách quan của các mạng truyền thông số và nó làm suy giảm chất lượng điều khiển trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số. Dựa vào những thông số đo được trong phần mô phỏng và thực nghiệm đã được nghiên cứu để đánh giá hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí khi dùng truyền thông bằng mạng CAN-bus, ta có thể thấy khi mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng và nghẽn mạng tạm thời đã làm tăng trễ truyền thông gây ra suy giảm chất lượng điều khiển. Kiến nghị Từ các kết quả nghiên cứu của luận văn cho thấy để có thể nâng cao chất lượng điều khiển, ngoài việc nghiên cứu tạo ra các cấu hình, các phương thức truyền thông mới, các luật điều khiển ... thì việc giảm tần suất xảy ra sự cố do tác động của trễ truyền thông sẽ mở rộng khả năng ứng dụng mạng truyền thông kỹ thuật số và điều khiển phân tán cho các ứng dụng điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Thời gian trễ truyền thông cũng có ảnh hưởng đến việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu vì nó có ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng hệ thống. Do vậy việc tối ưu thời gian lấy mẫu là cần thiết. 115 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện. NXB Khoa học kỹ thuật. [2] Hoàng Minh Sơn (2007), Mạng truyền thông công nghiệp, In lần thứ tư, NXB Khoa học kỹ thuật. [3] Pugatrep-Bản dịch Tiếng Việt (1997), Lý thuyết hàm ngẫu nhiên, , NXB thống kê. [4] Phạm Quang Đăng (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa HN, Hà nội. [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Duy Bình, Phạm Quang Đăng, Phạm Hồng Sơn (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng - Tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Tiếng Anh [6] Astrom Karl J.,Bjorn Wittenmark (1990), Computer Controlled Systems (1990), Theory and Design, Second Edition. Prentice-Hall. [7] Barnes J. Wesley (1994), Statistical Analysis for Engineers and Scientists: A Computer-Based Approach, McGraw-Hill International Editions. [8] Boukas El-Kebir, Zi-Kuan Liu (2002), Deterministic and Stochastic Time Delay Systems, Birkhauser Boston. [9] Bosteel Jan, Coordinated Multi-Axis Motion Control via CAN bus, [10] Bushnell Linda G.(2001), Networds and Control. IEEE Control System Magazine. [11] CiA, CAN Specification 2.0 Part A, [12] CiA, CAN Specification 2.0 Part B, 116 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên [13] Cruz Rene L. (1991), A calculus for Network Delay, Part I: Network Elements in Isolation, IEEE Transaction on Information Theory. [14] Cruz Rene L.(1991), A calculus for Network Delay, Part II: Network Analysis, IEEE Transaction on Information Theory. [15] Franklin Gene F., J. David Powell, Michael Workman (1990), Digital Control of Dynamic Systems, Second Edition, Addsion – Wesley. [16] IEEE Standards (2002), IEEE Std 802.3-2002 part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collission Detection (CAMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification, The Institute of Electrical and Electronics Engineer. [17] Leon-Garcia Alberto (1994), Probability and Random Processes for Electrical Engineering, Second Edition. PEARSON Addision Wesley. [18] Li Lian Feng, James Moyne, Dawn Tilbury (2001), Performance Evaluation of Control Networks: Ethernet, ControlNet and DeviceNet, IEEE Control Systems Magazine. [19] Nilsson Johan (1998), Real-Time Control System with Delays, PhD thesis, Departerment of Automatic Control , Lund Institute of Technology. [20] Tanenbaun Andrew S.(2003), Computer Networks, Fourth Edition, Pearson Education – Prentice Hall PTR. [21] Tindell K. (1994), Analysis of Hard Real-Time Communication, YCS222, Dept. of Computer Science, University of York. ._.