Tổ chức, lập trình và đánh giá tính redundancy trong hệ thống điều khiển đa cấp

hàm DP cơ sở cho phép đặt trạng thái làm việc cho hệ thống, phản ứng của hệ thống đối với một lỗi xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu của trạm chủ (ví dụ khi một trạm tớ có sự cố) được xác định bằng tham số cấu hình “auto-clear”. Nếu tham số này được chọn đặt, trạm chủ sẽ đặt đầu ra cho tất cả các trạm tớ của nó về trạng thái an toàn trong trường hợp một trạm tớ có sự cố, sau đó trạm chủ sẽ tự chuyển về trạng thái CLEAR. Nếu tham số này không được đặt, trạm chủ sẽ vẫn tiếp tục giữ ở trạng thái OPERATE. 2.3.3 Mạng Ethernet IE (industrial Ethernet)_mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên một phạm vi rộng. Các bộ xử lý truyền thông dung trong mạng luôn kiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng không. Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi tín hiệu đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừng ngay lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên. Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP (Transmissin Control Protocol / Internet Protocol). Phương pháp thâm nhập đường dẫn CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion) thì các thành viên trong mạng Ethernet công nghiệp đều bình đẳng với nhau. Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO trên TCP thì các trạm không phải của SIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernet công nghiệp là mạng truyền thông mở. Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp: • Chuẩn truyền thông: IEEE 802.3 • Số lượng trạm tối đa 1024. • Phương pháp thâm nhập đường dẫn CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion). • Môi trường truyền thông: dây dẫn dùng cáp đồng, cáp đôi dây xoắn, cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo). • Kiểu nối: đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn. • Dịch vụ truyền thông : S7-FunctionISO-TransportISO-on-TCP. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 39/82 CHƯƠNG 3: TỔ CHỨC, XÂY DỰNG CẤU TRÚC DỰ PHÒNG 3.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC DỰ PHÒNG CHO I/O DEVICE I/O Device là thiết bị điều khiển trung tâm, nó thực hiện quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành, tuỳ thuộc vào các chức năng được thiết kế bên trong. Ngày nay, đa số các I/O Device đều được thiết kế với bộ vi xử lý bên trong hay còn gọi là CPU và chức năng điều khiển được thiết kế bằng cách lập trình bằng phần mềm. Các I/O Device này dùng trong ngành tự động hoá được gọi là PLC. Vì tất cả các tín hiệu điều khiển, các cảm biến, các cơ cấu chấp hành đều kết nối về I/O Device này và chương trình điều khiển hoạt động của hệ thống đều nằm ở đây. Cho nên, trạm này có thể được gọi là “khối ốc”, là trung tâm và là đầu não điều khiển hoạt động của hệ thống. Nếu, có sự cố hư hỏng xảy ra ở đây thì toàn bộ hệ thống bị tê liệt hoàn toàn. Vì vậy, để đảm bảo hệ thống tự động hoá hoạt động ổn định, thông suốt thì xây dựng một khối dự phòng (redundancy) cho I/O Device này là rất cần thiết. Có nghĩa là thiết kế thêm một PLC trạm chủ dự phòng cho PLC trạm chủ đang hoạt động. Hai PLC này đều phải tuyền thông được với các mô đun I/O và truyền thông đồng bộ với nhau để trao đổi thông tin liên tục. Do thiết bị hiện có là của hãng Siemens và cũng không được đầy đủ để thực hiện được cấu hình theo sự hướng dẫn của nhà sản xuất. Tác giả đã tìm hiểu và thiết lập cấu hình riêng nhằm đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Cho nên bài báo cáo chỉ tập trung vào thiết bị của hãng Siemens và kết quả thực hiện được. 3.1.1 Giải thuật lập trình phần mềm Xây dựng giải thuật cơ chế lập trình phần mềm cho CPU chính và CPU dự phòng như sau: - CPU chính và CPU dự phòng cùng đọc thông tin tín hiệu ở ngỏ vào và xử lý chương trình ứng dụng. - CPU chính gởi thông tin trạng thái đến CPU dự phòng đồng thời phân tích trạng thái của CPU dự phòng và ngược lại. - Trao đổi dữ liệu với nhau để đồng nhất dữ liệu. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 40/82 - CPU chính ra lệnh xuất tín hiệu sang ngỏ ra còn CPU dự phòng thì không. CPU dự phòng chỉ xuất tín hiệu sang ngỏ ra chỉ khi CPU chính bị lỗi. - CPU chính giành quyền kiểm soát trở lại khi được bảo trì và khởi động. Đọc thông tin tín hiệu ngỏ vào Xử lý chương trình ứng dụng Phân tích thông tin trạng thái từ CPU dự phòng Gửi thông tin trạng thái đến CPU dự phòng Đọc thông tin tín hiệu ngỏ vào Xử lý chương trình ứng dụng Không xuất tín hiệu sang ngỏ ra Phân tích thông tin trạng thái từ CPU chính Gửi thông tin trạng thái đến CPU chính CPU chính CPU dự phòng Trao đổi dữ liệu với CPU dự phòng Trao đổi dữ liệu với CPU chính Xuất tín hiệu sang ngỏ ra Hình 3.1: giải thuật lập trình phần mềm Để các CPU có thể trao đổi dữ liệu với nhau, các CPU này phải được kết nối bằng các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp, hãng Siemens đề xuất cấu hình liên kết mạng như sau: LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 41/82 3.1.2 Cấu trúc liên kết mạng dự phòng của hãng Siemens Các cấu trúc liên kết mạng kiểu mẫu của hãng Siemens Hình 3.2: cấu trúc liên kết mạng dùng CPU S7-300 Đây là kết cấu phần cứng tối thiểu trong thiết kế hệ thống dự phòng cho I/O Device, trong đó đường kết nối giữa 02 trạm để liên kết dữ liệu backup được thực hiện qua các chuẩn truyền thông MPI. Đây là chuẩn truyền thông có tốc độ truyền thấp, sự chuyển đổi điều khiển giữa hai CPU và tốc độ truyền dữ liệu rất thấp. Điều đó có thể làm ảnh hưởng đến sự liên tục của quá trình điều khiển. Để có tốc độ truyền nhanh hơn, người ta sử dụng chuẩn truyền thông qua mạng Profibus. Hoặc cần tốc độ nhanh và lượng dữ liệu truyền thông lớn, người ta sử dụng chuẩn truyền thông qua mạng Ethernet. Với các cấu hình phần cứng được yêu cầu của hãng Siemens, người lập trình được sử dụng các khối thư viện hỗ trợ. Với các khối này, rất dễ dàng trong việc lập trình và khai báo cấu trúc dự phòng. Tuy nhiên sẽ rất tốn kém vì giá thành để mua các khối này rất cao. Đây là cơ chế dự phòng phần mềm (Software Redundancy) được hỗ trợ bởi các khối FC, FB được xây dựng bởi Siemens. Người sử dụng phải thiết kế phần cứng theo quy định và chi phí mua bản quyền phần mềm rất cao. Trong đó, các khối và chức năng như sau: LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 42/82 FC 100 ‘SWR_START’ FC 100 ‘SWR_START’ được dùng để cho giá trị ban đầu vào 02 trạm. Cơ bản, khối này xác định với chức năng: - Vùng phạm vi của ngỏ ra, vùng địa chỉ của bit bộ nhớ, vùng khối dữ liệu, các khối dữ liệu, và vùng của DB tức thời, cho các bộ đếm/bộ định thời được dùng trong chương trình ứng dụng bản sao lưu dự phòng; mỗi vùng được cấp một dãy liên tục. - Chi tiết về truyền thông và phạm vi cục bộ. - Ba khối dữ liệu, mà các khối của phần mềm tạo bản sao lưu dự phòng yêu cầu cho việc chứa dữ liệu ban đầu, phải được gọi bởi khối khởi động OB 100. FC 102 ‘SWR_DIAG’ với chức năng: - FC 102 phải được gọi bởi OB chuẩn đoán lỗi (OB 86). - FC 102 ‘SWR_DIAG’ makes chắc rằng theo lỗi của DP slave, tự động chuyển đổi thiết bị từ master sang reserve. FB 101 ‘SWR_ZYK’ với chức năng: - FB 101 ‘SWR_ZYK’ phải được gọi trước và sau chương trình ứng dụng bản sao lưu dự phòng. - FB 101 ‘SWR_ZYK’ được dùng để bắt đầu chuyển đổi dữ liệu từ master sang reserve. Qua quá trình nghiên cứu và tham khảo các tài liệu hướng dẫn, để xây dựng được cấu trúc dự phòng theo đề xuất của hãng Siemens, đòi hỏi người sử dụng phải có các thiết bị phần cứng phù hợp mà còn phải mua bản quyền phần mềm tương ứng. Do điều kiện thiết bị hiện có, tác giả đề xuất xây dựng cấu hình phần cứng và hướng nghiên cứu để giải quyết vấn đề như sau: - Đầu tiên, tìm hiểu các khối OB báo lỗi cho PLC S7-300 và S7- 400. - Thứ hai, xây dựng cấu hình phần cứng theo các thiết bị hiện có. - Thứ ba, thiết lập giải thuật và lập trình khai báo tính dự phòng. - Thứ tư, đánh giá ứng dụng trên mô hình thực. - Thứ năm, rút ra kết luận. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 43/82 3.1.3 Các khối OB báo lỗi trong PLC S7-300 và S7-400 Khối OB 80 “Time Error Organization Block” Mô tả: Đây là khối tổ chức báo lỗi thời gian. Hệ thống vận hành sẽ gọi OB80 khi có một lỗi xảy ra khi thực hiện OB. Các lỗi bao gồm: thực hiện chu kỳ thời gian, Khối OB 81 “Power Supply Error Organization Block” Mô tả: Đây là khối tổ chức báo lỗi nguồn cung cấp. Hệ thống vận hành sẽ gọi OB81 khi có các lỗi xảy ra liên quan đến nguồn cung cấp (chỉ có trên S7-400) hoặc trên bộ pin. Khối OB 82 “Diagnostic Interrupt Organization Block” Mô tả: Nếu module với khả năng chuẩn đoán lỗi và đã được cài đặt ngắt để chuẩn đoán lỗi, nó xuất ra yêu cầu chuẩn đoán lỗi ngắt đến CPU. Hệ thống vận hành sẽ gọi OB82. Khối OB 83 “Insert / Remove Module Interrupt Organization Block” Mô tả: CPU vận hành hệ thống sẽ gọi OB83 trong các tình huống sau: - Sau khi lắp đặt/lấy ra các module thiết lặp. - Sau khi thay đổi thông số của module bởi STEP7 và nạp các thông số đó xuống CPU trong suốt quá trình RUN. Khối OB 84 “CPU Hardware Fault Organization Block” Mô tả: Đây là khối tổ chức báo lỗi khi có sự cố xảy ra trên phần cứng của CPU. Khi có sự cố hoặc lỗi xảy ra trên phần cứng, hệ thống sẽ gọi OB 84 ngay lập tức. Khối OB 86 “Rack Failure Organization Block” Mô tả: Hệ thống vận hành của CPU sẽ gọi OB86 khi lỗi xảy ra trên các ET mở rộng, tại DP master hoặc trạm mà được dò tìm bởi các mô đun phân tán I/O. Khối OB 87 “Communication Error Organization Block” Mô tả: Hệ thống vận hành của CPU sẽ gọi OB87 khi có sự cố xảy ra liên quan đến truyền thông. Khối OB 121 “Programming Error Organization Block” Mô tả: hệ thống vận hành của CPU sẽ gọi OB121 khi có lỗi xảy ra liên quan đến quá trình xử lý của chương trình. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 44/82 Qua quá trình tìm hiểu và thử nghiệm hoạt động của các OB báo lỗi, tác giả nhận thấy các OB này chỉ báo lỗi trực tiếp các lỗi xảy ra liên quan đối với CPU. Người sử dụng phải thiết lập và lập trình để xử lý các tín hiệu thông báo này tuỳ theo yêu cầu sử dụng. Tuy nhiên, đối với PLC S7-300 không được hỗ trợ đầy đủ các khối OB này. Vì vậy, theo hướng nghiên cứu của đề tài và thiết bị hiện có, tác giả chỉ sử dụng các khối OB để kiểm tra lỗi của CPU chính là OB86, OB87 và OB121. 3.1.4 Xây dựng cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Device Kết nối các mô đun vào ra CPU dự phòng CPU chính Truyền thông giữa CPU chính và CPU dự phòng Hình 3.3: sơ đồ khối cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Device Khối KẾT NỐI I/O: chỉ có nhiệm vụ truyền thông với với các trạm điều khiển, dùng để kết nối với các mô đun I/O, bao gồm mô đun tín hiệu số 16 ngỏ vào/ 16 ngỏ ra và mô đun tín hiệu tương tự 4 ngỏ vào/ 2 ngỏ ra. Khối CPU CHÍNH: đây là khối điều khiển trung tâm, chứa chương trình điều khiển, đây là trạm có chức năng quản lý toàn bộ hoạt động của hệ thống, giám sát các điều kiện tương ứng bên ngoài bằng các tín hiệu cảm biến kết nối với các mô đun ngỏ vào và quyết định thực hiện các cơ cấu chấp hành kết nối với các mô đun ngỏ ra. Khối CPU DỰ PHÒNG: khi khối CPU CHÍNH gập sự cố, khối này sẽ thực hiện quyết định điều khiển toàn bộ hệ thống như là khối CPU CHÍNH ban đầu. Vì vậy, khối này vẫn chứa chương trình điều khiển, vẫn giám sát theo dõi hoạt động hệ thống nhưng không ra quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành và chỉ ra quyết định điều khiển khi nào nó là khối điều khiển trung tâm. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 45/82 Hai khối CPU CHÍNH và CPU DỰ PHÒNG được liên kết với nhau, hai khối này phải liên tục trao đổi thông tin và phân tích trạng thái của nhau để phối hợp điều khiển với các tín hiệu ngỏ vào và ngỏ ra. Khối CPU CHÍNH đảm nhận điều khiển các cơ cấu chấp hành, khối CPU DỰ PHÒNG để để đảm nhận điều khiển khi CPU CHÍNH bị hư hỏng hay gập các sự cố được thiết lập. 3.1.5 Xây dựng cơ chế xác định lỗi bằng phần mềm Xây dựng cơ chế xác định CPU chính hư hỏng, bao gồm các trạng thái lỗi như sau: CPU chuyển sang trạng thái STOP: các lỗi bất kỳ nào xảy ra gây CPU chuyển sang trạng thái STOP. Khai báo ngắt OB35 với chu kỳ thời gian cố định là 50ms, trong khối này, cho phép 1 bit sáng tắt liên tục khi CPU ở trạng thái hoạt động, khi CPU này dừng thì bit này sẽ ở một trạng thái bền (tức trạng thái 0 hoặc 1). Các trạng thái này được truyền qua mạng đến CPU dự phòng để được kiểm tra. Tuỳ theo trạng thái của bit này mà CPU dự phòng xem xét CPU chính có bị chuyển sang trạng thái STOP hay không và ra quyết định thực hiện giành quyền kiểm soát và điều khiển. Gửi tín hiệu X1 = on/off Nhận tín hiệu Y1 = X1 X1=on/off M1 = 0 (CPU chính đang RUN) M1 = 1 (CPU chính đang STOP) CPU chính CPU dự phòng Y N Hình 3.4: giải thuật xác định CPU chính ở trạng thái STOP LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 46/82 Khi CPU chính đã được bảo trì và khởi động trở lại thì: - CPU chính giành quyền kiểm soát trở lại hoặc - CPU chính trở thành CPU dự phòng Quá trình này được thiết lập tuỳ thuộc vào các hãng sản xuất thiết bị và chương trình phần mềm quy định. Ơ đây, tác giả chọn giải pháp lập trình phần mềm và chọn giải thuật là CPU chính giành quyền kiểm soát trở lại. CPU chính bị lỗi phần mềm: do người lập trình hay sự cố liên quan đến các khối dữ liệu, các chương trình con, các khối tổ chức bị lỗi được phát hiện bởi khối OB121. Khi có một trong các sự cố lỗi liên quan đến phần mềm, CPU sẽ tổ chức ngắt và gọi khối OB121, trong đó sẽ gửi thông tin thanh ghi đến CPU dự phòng. Lúc này, CPU dự phòng sẽ kiểm soát và điều khiển quá trình. Khi sự cố được khắc phục, CPU chính được khởi động trở lại tức chuyển từ chế độ STOP sang RUN thì CPU dự phòng trả lại quyền điều khiển cho CPU chính. Một số đặc điểm của OB121: Hệ thống vận hành sẽ gọi OB121 khi chương trình bị lỗi xảy ra khi: địa chỉ các bộ định thời không tồn tại, hoặc gọi khối mà không được nạp hay bị lỗi do bộ nhớ. Nếu OB121 không được lập trình thì hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái STOP nếu có một trong các lỗi trên xảy ra. CPU chính bị lỗi giao tiếp I/O: khi CPU chính không nhận được tín hiệu truyền thông từ các mô đun vào ra, lỗi xảy ra tại các cổng giao tiếp DP, hoặc lỗi do bị đứt đường truyền từ CPU chính đến KHỐI KẾT NỐI VÀO/RA. Khi có một trong các lỗi này xảy ra, CPU sẽ tổ chức ngắt và gọi khối OB86, trong khối này sẽ lập trình gửi thông tin thanh ghi đến CPU dự phòng, quá trình thực hiện tiếp tục tương tự như CPU chính bị lỗi phần mềm. Một số đặc điểm của OB86: Hệ thống vận hành của CPU sẽ gọi OB86 khi có lỗi ở các thanh ray mở rộng, hệ thống DP chính, hoặc tại trạm được quản lý bởi CPU chính (qua mạng Profibus DP và Profinet I.O) cả hai tình huống khi hệ thống bị lỗi hay khi đã được bảo trì. Nếu OB86 không được lập trình thì hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái STOP nếu có một trong các lỗi trên xảy ra. Lập trình cho CPU chính các OB86 và OB121, ở trạng thái bình thường thì X2 và X3 ở mức logic 0. Khi gập các sự cố liên quan đến lỗi phần mềm hoặc lỗi về giao tiếp I/O, CPU chính sẽ gọi các OB này. Trong các OB này, thực hiện tác động X2 hoặc X3 lên mức logic 1 và truyền đến CPU dự phòng qua mạng MPI. CPU dự phòng dựa vào các tín hiệu này mà xác định CPU chính bị lỗi hay không và đó là lỗi thuộc về lĩnh vực nào. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 47/82 CPU chính CPU dự phòng Gửi tín hiệu X2, X3 Nhận tín hiệu Y2 = X2 Y3 = X3 Y2 = 1 Y3 = 1 CPU chính bị lỗi phần mềm lập trình CPU chính bị lỗi giao tiếp I/O YY CPU chính không có lỗi NN Hình 3.5: giải thuật xác định lỗi của CPU chính 3.1.6 Truyền thông giữa các khối CPU Để các khối CPU được truyền thông và trao đổi dữ liệu với nhau, tác giả xây dựng các mối liên kết mạng dựa trên các thiết bị hiện có và dùng phần mềm Simatic Step7 Manager để khai báo phần cứng và khai báo cấu hình các cấu trúc liên kết mạng. Với các Subnet được cung cấp bởi hãng Siemens, truyền thông giữa các CPU được thực hiện thông qua ba cách như sau: - Truyền thông qua mạng MPI - Truyền thông qua mạng Profibus - Truyền thông qua mạng Ethernet Với chuẩn truyền thông MPI, đây là chuẩn truyền thông với tốc độ chậm và dung lượng dữ liệu truyền nhỏ. Với chuẩn Profibus thì tốc độ và dung lượng truyền tương đối lớn, nhưng với chuẩn Ethernet thì tốc độ truyền và dung lượng lớn nhất. Vì giới hạn về phần cứng và thiết bị hiện có, tác giả chọn giải pháp truyền thông như sau: LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 48/82 Hình 3.6: cấu trúc liên kết mạng dùng PLC S7-300 Giữa CPU CHÍNH và CPU DỰ PHÒNG chọn chuẩn truyền thông Ethernet, với nhiệm vụ chính là: - Gửi thông tin trạng thái từ CPU CHÍNH sang CPU DỰ PHÒNG và ngược lại. - Đồng bộ hoá dữ liệu giữa hai CPU. Khai báo cấu hình giao tiếp: Hình 3.7: khai báo cấu hình giao tiếp dữ liệu giữa 02 mô đun LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 49/82 Lập trình dùng các khối truyền và nhận dữ liệu: truyền thông qua mô đun Ethernet được chia thành các khối nhỏ, các khối này được khai báo cấu hình trong phần cứng và được phân biệt với nhau bằng các ID. PLC S7-300 được khai báo tối đa là 16 ID khác nhau. Sơ đồ kết nối dây truyền thông giữa 02 mô đun Ethernet. 1 TD + 2 TD - 3 RD + 4 5 6 RD - 7 8 TD + 1 TD - 2 RD + 3 4 5 RD - 6 7 8 Cam Cam Xanh lục Xanh lục Xanh Xanh Nâu Nâu Cam/trắng Cam/trắng Xanh/trắng Xanh/trắng Xanh lục/trắng Xanh lục/trắng Nâu/trắng Nâu/trắng Hình 3.8: nối cáp chéo Để truyền thông giữa các mô đun với nhau, dùng các hàm truyền và nhận dữ liệu như sau: Khối FC5 AG_SEND Khối FC này đặt dữ liệu vào mô đun Ethernet CP để truyền theo cấu hình kết nối. Vùng dữ liệu được chọn gửi đi có thể là vùng của bộ nhớ hoặc khối dữ liệu, chức năng báo lỗi chỉ báo các trạng thái của quá trình truyền thông. A M 30.0 = L 0.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L0.0 ID :=2 LADDR :=W#16#100 SEND :=QW4 LEN :=2 DONE :=M20.1 ERROR :=M20.2 STATUS:=MW22 NOP 0 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 50/82 Khối FC6 AG_RECV Khối FC này có chức năng nhận dữ liệu từ mô đun Ethernet CP dựa trên cấu hình kết nối. Vùng dữ liệu được chọn nhận có thể là vùng của bộ nhớ hoặc khối dữ liệu, chức năng báo lỗi chỉ báo các trạng thái của quá trình truyền thông. CALL "AG_RECV" ID :=1 LADDR :=W#16#100 RECV :=IW4 NDR :=M10.0 ERROR :=M10.1 STATUS:=MW12 LEN :=MW14 NOP 0 Giữa CPU CHÍNH và KẾT NỐI I/O chọn chuẩn truyền thông Profibus, với nhiệm vụ chính là: - Nhận thông tin từ tín hiệu ngỏ vào - Xuất tín hiệu sang ngỏ ra theo chương trình điều khiển Cấu hình địa chỉ giao tiếp dữ liệu: Hình 3.9: vùng địa chỉ giao tiếp dữ liệu giữa master-slave LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 51/82 Sơ đồ kết nối truyền thông qua Profibus: Hình 3.10: chuẩn RS485 Giữa CPU DỰ PHÒNG và KẾT NỐI I/O chọn chuẩn truyền thông MPI, với nhiệm vụ chính là: - Nhận thông tin từ tín hiệu ngỏ vào - Xuất tín hiệu sang ngỏ ra theo chương trình điều khiển. (Chỉ thực hiện nhiệm vụ này chỉ khi trạm này đã có quyền kiểm soát điều khiển). Hình 3.11: khai báo các khối GD truyền thông MPI Trong mỗi khối GD, khai báo được 1 vùng dữ liệu gửi đi và các vùng khác là nơi nhận. Sơ đồ kết nối truyền thông qua MPI: LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 52/82 Hình 3.12: chuẩn RS485 3.1.7 Xây dựng cơ chế đồng bộ hoá dữ liệu Để hệ thống hoạt động liên tục, dữ liệu phải được cập nhật và đồng bộ hoá với nhau giữa 02 CPU chính và CPU dự phòng. Dữ liệu được cập nhật trên cả 02 CPU ở trạng thái bình thường Cập nhập dữ liệu mới Phân tích trạng thái đối tác Gửi thông tín đến đối tác Tốt Bị lỗi Được bảo trì và khởi động lại Gửi dữ liệu liên tục cho đối tác Hình 3.13: giản đồ cập nhật dữ liệu giữa 02 CPU Dữ liệu được cập nhật trên cả 02 CPU ở trạng thái bình thường. Khi một trong 02 CPU bị hư hỏng hoặc xảy ra lỗi thì CPU còn lại gửi dữ liệu liên tục cho đối LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 53/82 tác cho đến khi đối tác đã nhận được đầy đủ dữ liệu thì mới tiếp tục điều khiển quá trình. Lúc này, quá trình điều khiển mới được xảy ra liên tục và nhất quán. 3.1.8 Tóm lược quá trình xây dựng cơ chế dự phòng cho I/O Device Quá trình xây dựng cơ chế dự phòng cho I/O Device tập trung các nội dung cụ thể như sau: - Thiết kế cấu trúc liên kết mạng giữa các CPU. - Tín hiệu ngỏ vào/ra được truyền thông từ mô đun KẾT NỐi I/O đến CPU chính bằng chuẩn Profibus và đến CPU Dự phòng bằng chuẩn MPI. - CPU Chính và CPU Dự phòng trao đổi dữ liệu và phân tích trạng thái của nhau bằng mạng Ethernet. - Xây dựng giải thuật lập trình phần mềm để dự phòng cho CPU chính. - Xây dựng cơ chế xác định lỗi của CPU chính và cơ chế đồng bộ hoá dữ liệu giữa 02 CPU. Mô hình kết nối giữa các CPU được thực hiện hoàn chỉnh như sau: Hình 3.14: phân bố các thiết bị LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 54/82 3.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC DỰ PHÒNG CHO I/O SERVER I/O Server là bộ thu thập dữ liệu trung tâm, kết nối với các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU, hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC có chức năng giao tiếp với cơ cấu chấp hành. I/O Server thường là được đặt ở phòng điều khiển và giám sát trung tâm, tại đây người vận hành có thể quan sát toàn bộ hoạt động của các thiết bị hệ thống. Giúp người vận hành nhanh chóng tìm ra các sự cố khi xảy ra lỗi. Nó còn là nơi cung cấp thông tin cho các máy tính Client, các máy tính này có thể truy suất dữ liệu, in ấn, truyền thông, lưu trữ,…, và có thể gửi thông tin qua mạng Internet, nếu I/O Server này bị hỏng thì toàn bộ các Client cũng bị tê liệt theo. Vì vậy, I/O Server là một trong các thiết bị rất quan trọng trong hệ thống điều khiển đa cấp, là bộ thu thập dữ liệu trung tâm. Vì vậy, xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Server là rất cần thiết, một I/O Server thứ hai để dự phòng và thay thế cho I/O Server chính, nó làm cho hệ thống hoạt động liên tục và ổn định. 3.2.1 Cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Server Hình 3.15: dự phòng cho I/O Server LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 55/82 I/O Server được tác giả sử dụng là các máy tính với phần mềm SCADA là Vijeo Citect. Tác giả dùng phần mềm Kepware khai báo cấu hình giao tiếp OPC để truyền thông dữ liệu giữa I/O Server và I/O Device. 3.2.2 Khai báo cấu hình giao tiếp dữ liệu OPC Học viên dùng phần mềm Kepware để khai báo cấu hình giao tiếp OPC trên I/O Server để truyền thông dữ liệu với CPU Chính và CPU Dự phòng. Hình 3.1.6: khai báo giao tiếp Kepware Trong kênh này có hai thiết bị đó là CPU Chính có địa chỉ MPI là 2 và CPU Dự phòng có địa chỉ MPI là 7. Cả hai CPU đều gửi dữ liệu trực tiếp về máy tính. Các biến này lần lượt khai báo trong bảng biến của phần mềm Vijeo Citect. Hình 3.1.7: khai báo biến trong Vijeo Citect LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 56/82 3.2.3 Khai báo cấu hình I/O Server chế độ thường trực Hình 3.1.8: khai báo ở chế độ Primary Đối với máy tính được chọn làm I/O Server Chính, trong công cụ I/O Devices, khai báo chế độ khởi động là Primary. Chương trình Vijeo Citect được thiết kế trong I/O Server chính được chép và dán vào máy tính được chọn làm I/O Server dự phòng. Không cần phải thiết kế lại. Sau đó, khai báo với chế độ là Standby. 3.2.4 Khai báo cấu hình mạng LAN Để các máy tính giao tiếp với nhau, khai báo mạng LAN ở chế độ truyền thông dạng TCP/IP. Trong đó, một máy tính có chức năng là “Server and Display Client” và một máy tính còn lại có chức năng là “Manager Client”. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 57/82 Hình 3.1.9: khai báo mạng LAN 3.2.5 Tóm lược quá trình xây dựng cơ chế dự phòng cho I/O Server Trong quá trình xây dựng cơ chế dự phòng cho I/O Server, học viên chỉ thực hiện tìm hiểu các cấu trúc liên kết và xây dựng được cấu hình liên kết mạng dự phòng cho I/O Server (hình 3.1.5), còn các công đoạn khác là thực hiện khai báo trong phần mềm và thử nghiệm kết quả. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 58/82 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ TÍNH DỰ PHÒNG TRÊN MÔ HÌNH HẦM GIAO THÔNG 4.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC ĐƯỜNG HẦM GIAO THÔNG 4.1.1 Nhu cầu về giao thông Do nhu cầu về giao thông ngày càng cao, để tiết kiệm chi phí đi qua các đường vòng, người ta thiết kế các đường hầm xuyên qua núi, sông, biển nhằm thuận tiện trong việc đi lại. Các đường hầm này, do con người tạo ra gọi tắt là đường hầm giao thông nhân tạo hay còn được gọi là đường hầm giao thông. Ví dụ minh hoạ một số đường hầm giao thông nhân tạo như sau: Hình 4.1.a Hình 4.1.b Hình 4.1.c Hình 4.1.d LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 59/82 Hình 3.3.1.a: hầm giao thông Hải Vân – Việt Nam Hình 3.3.1.b: hầm giao thông ở Paris-Pháp Hình 3.3.1.c: hầm giao thông ở New York – Mỹ Hình 3.3.1.d: hầm ở Selatin,Thổ Nhĩ Kỳ 4.1.2 Các đặc tính kỹ thuật của hầm giao thông nhân tạo Tính an toàn là trên hết Đường hầm cung cấp một liên kết giao thông quan trọng cho các đường chính và đường cao tốc, an toàn luôn luôn là chủ đề trung tâm cho hệ thống kiểm soát đường hầm. Đường hầm hiện nay có rất nhiều mối nguy hiểm cho người lái xe do thực tế rất hay kẹt xe, và rất khó để mở rộng khi lưu lượng tham gia giao thông tăng dần theo thời gian. So với các tuyến đường mở, tai nạn trong các đường hầm có thể dẩn đến hậu quả nghiêm trọng. Bản chất hạn chế của đường hầm là rất khó di chuyển xe bị hư, và sơ cứu nạn nhân. Tắc nghẽn, và các sự cố như hoả hoạn, hoặc vượt quá giới hạn carbon monoxide phải được phát hiện và xử lý một cách kịp thời. Mô tả hệ thống Hình 4.2: giải pháp điều khiển giao thông đường hầm Hệ thống điều khiển đường hầm được quản lý từ một phòng điều khiển tập trung, các hệ thống con phải được thiết lập hoàn chỉnh và phải được tích hợp vào hệ thống thống nhất để quản lý đường hầm có hiệu quả. Kiểm soát toàn diện của từng hệ thống con bao gồm: LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 60/82 - Điều khiển nguồn điện cung cấp cho đường hầm. - Điều khiển tín hiệu đèn giao thông. - Điều khiển tự động thông gió và chiếu sáng. - Hệ thống khẩn cấp và hệ thống phát thanh. - Phát hiện cháy và bảo vệ hệ thống: thu thập dữ liệu phát hiện lửa và điều khiển hệ thống chữa cháy, kiểm soát nước tích luỹ và phân phối. - Đo nồng độ ô nhiễm không khí: thu thập dữ liệu để giám sát, và nồng độ khí carbon monoxide trong đường hầm. Ví dụ tham khảo về giải pháp kỹ thuật cho hệ thống đường hầm Cung cấp nguồn điện Hệ thống SCADA Điều khiển đèn giao thông Gọi khẩn cấp và báo cháy Chiếu sáng Thông gió Radio CCTV LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 61/82 4.2 Ý TƯỞNG XÂY DỰNG GIẢI PHÁP VÀ THỰC HIỆN Do đặc điểm kỹ thuật đang nghiên cứu và thực hiện, tác giả chỉ đề cập đến các giải pháp có liên quan đến ngành học, đó là: hệ thống chiếu sáng, hệ thống đèn tín hiệu giao thông, hệ thống thông gió và hệ thống SCADA cho hầm giao thông. Học viên thiết kế mô hình giả lập cho hầm giao thông với một số cơ cấu đặc trưng để thử nghiệm tính dự phòng cho I/O Device. Hình 4.3: các cơ cấu dàn trải mô phỏng hầm giao thông Sơ đồ mạch đấu dây tín hiệu vào mô đun ngỏ vào 24V OUT 0V 24V OUT 0V 24 VDC 0 VDC Hình 4.4: sơ đồ mạch tín hiệu ngỏ vào LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 62/82 Sơ đồ mạch đấu dây tín hiệu từ mô đun ngỏ ra Q 4 .0 Q 4 .1 Q 4 .2 Q 4 .3 Q 4 .4 Q 4 .5 Hình 4.5: sơ đồ mạch tín hiệu ngỏ ra Sơ đồ đấu dây cho biến tần – quạt thông gió 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 +10V 0V AIN+ AIN- AO+ AO- DI1 DI2 DI3 24 V O V P+ N-RL-B RL-C Analog input Analog output Relay output USS Hình 4.6: sơ đồ đấu dây cho biến tần LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 63/82 4.2.1 Hệ thống chiếu sáng Trong đường hầm, hệ thống chiếu sáng hoạt động liên tục 24/24 giờ. Ánh sáng được xác định bằng các cảm biến số, các cảm biến này được đặt theo từng đoạn đường hầm để giám sát. Nếu một đoạn đường hầm nào đó bị thiếu ánh sáng, cảm biến tương ứng sẽ báo tín hiệu. Lúc này, hệ thống điều khiển sẽ cảnh báo sự cố này và thông báo tại máy tính điều khiển trung tâm cho biết chính xác vị trí đoạn đường hầm đó.
Thử nghiệm: Trong mô hình, học viên chỉ lắp đặt các đèn LED để giả lập các đèn chiếu sáng. Không dùng cảm biến đo cường độ sáng, chỉ thử nghiệm giả lập sự cố lỗi liên quan đến CPU chính và sự hoạt động các đèn LED. Học viên lập trình cho CPU chính điều khiển các đèn LED này sáng liên tục trong khi lập trình cho CPU dự phòng điều khiển các đèn LED này sáng/tắt với chu kỳ 1 giây, nhằm quan sát đèn LED này do CPU nào điều khiển.  Khi cả 02 CPU ở trạng thái bình thường thì đèn LED sáng liên tục, chứng tỏ CPU chính đang điều khiển.  Khi CPU chính bị chuyển sang trạng thái STOP các đèn LED sáng tắt với chu kỳ 1 giây, chứng tỏ là CPU dự phòng đang kiểm soát quá trình điều khiển.  Khi CPU chính được bảo trì và chuyển sang trạng thái RUN thì các đèn LED sáng liên tục, chứng tỏ CPU dự phòng đã trao quyền điều khiển trả lại cho CPU chính.
Kết luận:  Cả 02 CPU chính và dự phòng đều thực hiện đúng theo cơ chế lập trình phần mềm và phối hợp điều khiển các đèn LED đúng theo yêu cầu đặt ra. 4.2.2 Hệ thống đèn tín hiệu giao thông Các đèn tín hiệu giao thông nhằm chỉ dẫn hướng đi của làn xe, cho phép hoặc ngăn cản xe thông qua đường hầm. Để tránh trình trạng quá tải hay kẹt xe xảy ra trong đường hầm, dùng cảm biến để phát hiện xe vào và ra khỏi đường hầm, và xác định số xe còn trong đường hầm. Nếu số xe còn trong đường hầm ít hơn quy định thì đèn xanh sáng, nếu số xe gần đạt số xe tối đa cho phép thì đèn vàng sáng, nếu số xe bằng số xe cho phép thì đèn đỏ sáng. Số xe cho phép này được chọn tuỳ theo dung lượng chứa của đường hầm. Số xe quy định trong đường hầm có thể cài đặt từ máy tính phòng điều khiển trung tâm. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 64/82
Thử nghiệm: Chương trình ở CPU chính và dự phòng giống nhau. Học viên dùng 03 đèn LED, khi sáng mỗi đèn chỉ thị một màu là đỏ, xanh, vàng để mô phỏng cho 03 đèn tín hiệu giao thông. Quy định số xe tối đa cho phép trong đường hầm là 7, khi đó nếu số xe từ 0 đến 5 đèn xanh sáng, là 6 đèn vàng sáng, là 7 đèn đỏ sáng.  Khi cả 02 CPU ở trạng thái bình thường, đèn xanh sáng, tác động cảm biến ở ngỏ vào/ra thì đèn vàng sáng ở số 6 và đèn đỏ sáng ở số 7.  Cho lần lượt từng đèn sáng (giả sử đèn xanh đang sáng) và chuyển CPU chính sang trạng thái STOP, tác động vào cảm biến để thay đổi số xe đếm được (đèn vàng sáng).  Chuyển CPU chính sang trạng thái RUN, lúc này đèn vàng sáng. Thử nghiệm các đèn khác cho kết quả tương tự.
Kết luận:  Các đèn xanh, đỏ, vàng hoạt động không thay đổi khi điều khiển là CPU chính hay CPU dự phòng.  Dữ liệu là số xe hiện có trong hầm được đếm liên tục, không bị gián đoạn khi CPU chính bị lỗi và khi CPU chính được bảo trì và khởi động lại, dữ liệu này được cập nhật trước khi CPU chính xử lý quá trình điều khiển. Đo đó, quá trình điều khiển được thực hiện liên tục. 4.2.3 Hệ thống thông gió Hệ thống này nhằm làm thông thoáng, cung cấp không khí trong lành vào đường hầm và thảy không khí ô nhiễm ra khỏi đường hầm. Để dò nồng độ ô nhiễm không khí, ta dùng các cảm biến đo nồng độ các chất khí gas cụ thể như: carbon dioxide (CO2), Alcohal, carbon monoxide (CO), … ví dụ cảm biến MG7, MG881: Hình 4.7: cảm biến đo nồng độ carbon monoxide LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 65/82 Cảm biến này được dùng để đo nồng độ khí carbon monoxide với dãy ứng dụng như: đo chất lượng không khí, cảnh báo khói thuốc, ngành mỏ, hệ thống cảnh báo trong hầm giao thông nhân tạo, trong nhà kín,…với các đặc tính kỹ thuật sau: Dãy đo: 10 – 10,000 ppm Thời gian đáp ứng: < 60s Nhiệt độ làm việc: -200 đến 700 C Độ ẩm không khí: 65% Nguồn cung cấp: 5 VDC Điện áp ngỏ ra: 0 -50 mV Để thông gió cho đường hầm, ta thường dùng các quạt công suất lớn để thổi hoặc hút, các quạt này có thể được đặt nối tiếp với nhau. Tuy nhiên, nếu đặt ở tốc độ chạy tối đa thì tiêu tốn lượng điện năng cao. Vì vậy, các quạt này thường được điều khiển thông qua biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt cho phù hợp. Khi độ ô nhiễm thấp thì quạt ở tốc độ chậm, khi độ ô nhiễm tăng thì tốc quạt tăng theo góp phần tiết kiệm lượng điện năng khi lưu lượng xe thông qua đường hầm ít hoặc nồng độ ô nhiễm thấp.
Thử nghiệm: Học viên dùng một biến trở để chỉnh điện áp thay đổi từ 0 đến 10V để giả lập cảm biến đo nồng độ ô nhiễm trong đường hầm. Một động cơ điện 03 phase có gắn quạt, tốc độ động cơ được điều khiển bằng biến tần, cài đặt tín hiệu điều khiển từ mô đun analog của khối KẾT NỐI I/O. Chương trình ở 02 CPU giống nhau.  Khởi động cho động cơ hoạt động và thay đổi tần số cài đặt bằng biến trở, tốc độ động cơ thay đổi theo. Khi CPU chính chuyển sang trạng thái STOP, động cơ vẫn giữ nguyên tốc độ và thay đổi khi chỉnh biến trở.  Khi CPU chính chuyển sang trạng thái RUN, tốc độ động cơ giữ nguyên tại tốc độ mới, tốc độ động cơ không bị ảnh hưởng.
Kết luận:  Tốc độ động cơ không bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển đổi từ CPU chính sang CPU dự phòng và ngược lại.  Dữ liệu là thông số đo tốc độ động cơ được cập nhật liên tục do đó không bị CPU chính vẫn đảm bảo quá trình điều khiển liên tục. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 66/82 4.2.4 Hệ thống SCADA Hệ thống SCADA nhằm giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu của các thông số trong đường hầm. Người vận hành ở phòng điều khiển trung tâm hoặc các phòng chức năng khác tuỳ theo cấp độ mà có thể: o Giám sát các thông số như: số xe hiện có trong đường hầm, nồng độ ô nhiễm đang ở mức độ nào: mức bình thường, mức cảnh báo thấp, mức cảnh báo cao, mức báo động,…, đoạn đường hầm ánh sáng đầy đủ, giám sát các đồ thị vẽ nồng độ ô nhiễm, lưu trữ dữ liệu. o Cài đặt số xe quy định cho phép lưu thông vào đường hầm, o Điều khiển tốc độ quạt thông gió, các đèn chiếu sáng, các đèn tín hiệu giao thông,… Trong hệ thống này, tác giả xây dựng cấu trúc dự phòng (redundancy) cho các phần tử quan trọng trong hệ thống là: o Dự phòng cho I/O Device. o Dự phòng cho I/O Server. Xây dựng giao diện trên máy tính để giám sát và điều khiển và thu thập dữ liệu của hệ thống: Hình 4.8: Giao diện giám sát và điều khiển
Truy suất dữ liệu: Vì trên giao diện giám sát và điều khiển này, một đối tượng chỉ hiển thị đặc trưng cho một biến (tag) nhưng I/O Server phải chọn một trong hai biến được gửi về từ CPU Chính và CPU Dự phòng. Học viên xây dựng bằng LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 67/82 cách cho hiển thị trùng lên cùng một hình ảnh tuỳ theo trạng thái của từng CPU. Đối với dữ liệu tương tự cần vẽ đồ thị học viên xây dựng cơ chế riêng đễ truy suất dữ liệu như sau: Kiểm tra trạng thái CPU Chính X1 = 1 I/O Server nhận dữ liệu từ CPU Chính Bắt đầu I/O Server nhận dữ liệu từ CPU Phụ Kiểm tra trạng thái CPU Chính từ CPU Phụ Y1 = 1 I/O Server nhận dữ liệu từ CPU Chính Yes No No Yes Hình 4.9: cơ chế truy suất dữ liệu của I/O Server
Thử nghiệm:  Xây dựng giao diện giám sát trên máy tính để thử nghiệm các cơ cấu chấp hành từ phần cứng và vẽ đồ thị giám sát tốc độ động cơ hoạt động.  Thực hiện các thao tác thử nghiệm giống như các phần trên và quan sát trên máy tính.  Nhận thấy: các đèn chiếu sáng và đèn giao thông hoạt động đúng theo phần cứng không phụ thuộc vào CPU Chính hay CPU Dự phòng đang hoạt động. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 68/82 Đồ thị vẽ tốc độ động cơ: Hình 4.10: đồ thị vẽ tốc độ động cơ
Thử nghiệm:  Điều khiển tốc độ động cơ thay đổi bằng biến trở, hình vẽ biểu diễn bằng màu đen. Đồ thị màu xanh là tốc độ động cơ được truy suất từ CPU Chính, màu đỏ là tốc độ động cơ được thực hiện qua hệ thống dự phòng.  Khi hệ thống bình thường thì tốc động cơ (màu xanh) bám theo biến trở (màu đen). Khi CPU Chính gập sự cố thì server không thể điều khiển và truy suất được dữ liệu. Do đó, đồ thị màu xanh đứng yên hoặc chuyển về 0.  Đồ thị màu đỏ vẫn duy trì bám theo tín hiệu màu đen mặc dù CPU ở trạng thái bình thường hay xảy ra sự cố.
Kết luận:  Dữ liệu được truy suất liên lục, không bị gián đoạn, không phụ thuộc vào CPU Chính hay CPU Dự phòng. 4.2.5 Mô hình phần cứng hoàn chỉnh - Dùng các đèn Led để mô phỏng các đèn chiếu sáng và các đèn Led có màu xanh, đỏ, vàng để mô phỏng các đèn tín hiệu giao thông. - Dùng 02 cảm biến sợi quang gắn ở hai vị trí là ngỏ vào và ngỏ ra để đếm số lượng xe trong đường hầm. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 69/82 - Dùng động cơ AC 3 phase để vận hành quạt thông gió, tốc độ động cơ được điều khiển bằng biến tần. - Một biến trở để chỉnh điện áp thay đổi từ 0 đến 10 VDC, tín hiệu này dùng để giả lập cảm biến đo nồng độ ô nhiễm trong đường hầm. - Một tín hiệu số để giả lập sự cố liên quan đến phần mềm lập trình. - CPU chính được chuyển sang trạng thái STOP bằng cách gạt công tắc điều khiển trên CPU. - Lỗi truyền thông I/O được thực hiện bằng cách tháo dây cáp kết nối Profibus tại cổng DP. 4.3 KẾT LUẬN Học viên đã xây dựng được mô hình để thử nghiệm tính năng dự phòng cho I/O Device, bao gồm: - Tín hiệu điều khiển dạng ON/OFF trực tiếp. - Tín hiệu điều khiển dạng ON/OFF phụ thuộc vào thông số dữ liệu. - Tín hiệu điều khiển dạng tương tự. Qua các thử nghiệm này, học viên nhận thấy: - Các đối tượng điều khiển này vẫn hoạt động liên tục và không bị gián đoạn khi chuyển điều khiển từ CPU chính sang CPU dự phòng và ngược lại. - Dữ liệu được cập nhật khi một trong hai CPU đã được bảo trì và khởi động trở lại, không gây ảnh hưởng lên quá trình điều khiển. - Chưa thử nghiệm với các tín hiệu có tần số cao như đếm xung từ encoder hay phát xung điều khiển động cơ bước, động cơ servor cho nên chưa đánh giá được các yếu tố này. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 70/82 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 5.1.1 Kết quả thử nghiệm Trong điều kiện hoạt động bình thường, khi CPU chính bị lỗi ở một trong các tình huống sau: - Bất kỳ lỗi nào mà gây cho CPU chính chuyển sang trạng thái STOP. - Lỗi liên quan đến phần mềm lập trình. - Lỗi liên quan đến giao tiếp I/O. Lúc này, CPU dự phòng sẽ đảm nhận và thay thế CPU chính điều khiển quá trình. Khi CPU chính đã được bảo trì và được phép hoạt động trở lại, CPU chính sẽ đảm nhận quá trình điều khiển như lúc ban đầu. 5.1.2 Nhận xét và phân tích kết quả đạt được 5.1.2.1 Ưu điểm: - Mô hình hệ thống hoạt động khá tốt ở điều kiện thử nghiệm cho phép. - Các thiết bị lập trình PLC có cổng giao tiếp mạng đều có thể sử dụng giải thuật này, không phụ thuộc vào hãng sản xuất thiết bị. - Với kết quả đạt được có thể phát triển, mở rộng thêm và áp dụng vào thực tế. - Giá thành thấp, không tốn chi phí cao khi phải đầu tư các thiết bị có tính năng dự phòng phần cứng hay phải mua gói dự phòng phần mềm. 5.1.2.2 Nhược điểm: Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế và thiết bị thí nghiệm không đầy đủ cho nên hệ thống còn có các nhược điểm cũng như thiếu sót sau đây: - Chưa áp dụng hết các tình huống gây ra lỗi ở CPU chính và chưa áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu cho quạt thông gió. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 71/82 - Thiết kế mạng chưa hợp lý, tốc độ truyền từ I/O về CPU chính là 1.5 Mbps (tối đa là 12 Mbps) trong khi đó từ I/O đến CPU dự phòng là 187.5 Kbps. - Giải thuật phân tích CPU chính còn hạn chế do chưa xâm nhập vào được thanh ghi hệ thống của CPU. - Chưa thực hiện đầy đủ, ghi nhận, thống kê các trường hợp cũng như các tình huống phát sinh. 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ Ý NGHĨA Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và thực hiện đề tài trong thời gian cho phép với những thiết bị, công cụ hỗ trợ, học viên đã hoàn thành hệ thống dự phòng cho I/O Device và I/O Server cho giải pháp hầm giao thông nhân tạo với các kết quả cụ thể như sau:  Xây dựng giải thuật lập trình phần mềm để dự phòng cho CPU chính mà không phụ thuộc vào phần cứng hay gói phần mềm của nhà sản xuất.  Là cơ hội tốt qua đó học viên đã có những tìm hiểu thêm về các cơ chế dự phòng của các hãng sản xuất thiết bị tự động hoá, xây dựng và lập trình trao đổi dữ liệu giữa các CPU bằng các chuẩn truyền thông công nghiệp của Siemens như: mạng MPI, Profibus, Ethernet.  Học viên đã có kiến thức cơ bản về giải pháp điều khiển cho hầm giao thông nhân tạo, đường giao thông này đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới.  Với kiến thức đạt được và sẽ nghiên cứu thêm, học viên có thể áp dụng vào xây dựng mô hình và biên soạn tài liệu giảng dạy tại trường mà học viên đang công tác. 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Có những tín hiệu với tần số cao như tín hiệu xung từ các bộ mã hoá vòng xoay, các tín hiệu điều chế xung tốc độ cao, vì vậy quá trình chuyển đổi điều khiển giữa 02 CPU cần thực hiện nhanh chóng và không làm gián đoạn quá trình điều khiển. Thực hiện và thử nghiệm tính năng này góp phần cho hệ thống hoàn chỉnh hơn. Tìm hiểu và xây dựng thêm các cơ chế xác định lỗi của CPU chính như: lỗi phần cứng, lỗi thẻ nhớ, lỗi nguồn cung cấp, lỗi truyền thông, lỗi bộ nhớ nội, lỗi ngắt, lỗi thay thế các mô đun I/O,… LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 72/82 Xâm nhập vào được hệ thống sẽ xác định được trạng thái của CPU, lúc này CPU dự phòng sẽ nhanh chóng biết được trạng thái của đối tác và quá trình chuyển đổi điều khiển giữa 02 CPU xảy ra nhanh hơn. Xây dựng giải thuật lưu trữ dữ liệu trên PLC theo thời gian thực nhằm sử dụng cho các quá trình điều khiển cần sử dụng dữ liệu trước đó. Đây là một hướng phát triển rất lý thú khi nghiên cứu và đưa vào ứng dụng. 5.4 KẾT LUẬN Đề tài sử dụng các thiết bị lập trình PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, các tính năng dự phòng hầu hết do nhà sản xuất chế tạo là phần cứng và phần mềm. Tuy nhiên, tiếp cận và xây dựng cơ chế lập trình riêng này chính là dịp nhờ đó học viên có thể trực tiếp tìm hiểu thực tế qua những khó khăn, thử thách. Qua đó, bản thân đã tích luỹ nhiều kinh nghiệm cụ thể, đây cũng là cơ hội cho bản thân học viên áp dụng và kiểm tra lại những kiến thức đã thu nhận được qua quá trình học tập đồng thời được học hỏi và tìm hiểu thêm những kiến thức mới. Đó cũng là nền tảng để có thể tự tiếp tục các hoạt động nghiên cứu hữu ích và thiết thực hơn trong thời gian kế tiếp. Theo nhận định của học viên, thì đây là một lĩnh vực hay, thú vị, có nhiều ứng dụng trong thực tế và hiện vẫn còn nhiều vấn đề cần hoàn thiện. Vì thời gian hạn chế và thiết bị chưa đồng bộ, đầy đủ cho nên đề tài vẫn chưa trọn vẹn về nội dung, điều này chắc chắn không tránh khỏi sai sót và nhầm lẫn. Xin Quý thầy cô và bạn học viên tham khảo thông cảm, mong rằng những ai hứng thú với hướng nghiên cứu này có thể chia sẽ với học viên và tiếp tục tìm hiểu, phát triển thêm nhằm hoàn thiện hơn và góp phần tạo ra sản phẩm hữu ích trong cuộc sống. Đó cũng là cách thực hiện một trong những mục tiêu và ích lợi của ngành học này. Lời cuối cùng của học viên là xin chân thành cảm ơn đến tất cả các thầy cô, các anh/chị và các bạn đã giúp đỡ tôi hoàn thành quyển luận văn này và quan tâm theo dõi trong suốt quá trình thực hiện. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 73/82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Sara Falamaki, “Disk IO Redundancy in CitectSCADA “, B.Sc Computer Science, Technical Paper, December 2006. [2]. Manual, “Citect Scada Networks”, Cietct Pty Ltd, 3 Fitzsimmons Lane Gordon NSW 2072 Australia, www.citect.com [3]. Manual, “Software Redundancy for SIMATIC S7-300 and S7-400”, Siemens AG. [4]. Ph.D Joe St Sauver, “SCADA Security”, University of Oregon Computing Center. [5]. Steve Mackay; Edwin Wright; Deon Reynders; John Park, “Practical Industrial Data Networks - Design, Installation and Troubleshooting.”, all with IDC Technologies, Perth, Australia. [6]. David Bailey; And Edwin Wright, “Practical ACADA for Industry”, Beng, Bailey and Associates, Perth, Australia. Mipenz, BSc(Hons), BSc(Elec Eng), IDC Technologies, Perth, Australia. [7]. “Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system.” Communication Technologies, Inc. 14151 Newbrook Drive, Suite 400 Chantilly, Virginia 20151. LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 74/82 PHỤ LỤC A. Chương trình điều khiển nạp cho khối CPU Chính. //Chương trình chính // Điều khiển chiếu sáng AN M 0.0 = "chieu_sang" CALL "xuat_chinh" // Điều khiển quạt thông gió CALL "quat_thong_gio" //Gởi trạng thái đi CALL "Gui_qua_phu_trang_thai" //Nhận data từ CPU dự phòng CALL "AG_RECV" ID :=2 LADDR :=W#16#100 RECV :=MW32 NDR :=M40.0 ERROR :=M40.1 STATUS:=MW42 LEN :=MW46 CALL "AG_RECV" ID :=4 LADDR :=W#16#100 RECV :=MW50 NDR :=M52.0 ERROR :=M52.1 STATUS:=MW54 LEN :=MW56 //phân tích trạng thái CPU dự phòng O( A M 50.0 L S5T#100MS SD T 1 A T 1 ) O( AN M 50.0 L S5T#100MS SD T 2 A T 2 ) LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 75/82 = "trang thai" //Gửi dữ liệu đến CPU dự phòng A "trang thai" = L 20.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L20.0 ID :=3 LADDR :=W#16#100 SEND :=MW32 LEN :=2 DONE :=M60.1 ERROR :=M60.2 STATUS:=MW62 //Trong khối OB35 AN M 2.0 = M 2.0 //Trong khối OB100 AN M 0.2 S M 0.1 R M 40.2 //Trong khối FC10 L QW 0 T "ngo ra" L QW 14 T "analog_out" NOP 0 //Trong khối FC11 AN M 20.0 = L 0.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L0.0 ID :=1 LADDR :=W#16#100 SEND :=MW2 LEN :=2 DONE :=M20.1 ERROR :=M20.2 STATUS:=MW22 //Trong khối FC19_đếm xe vào.ra A "xe_vao" LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 76/82 FP M 30.0 AN "do" JNB _001 L MW 32 L 1 +I T MW 32 _001: A "xe_ra" FP M 30.1 AN M 30.2 JNB _002 L MW 32 L 1 -I T MW 32 _002: NOP 0 L MW 32 L 5 <=I = "vang" A( L MW 32 L 6 >=I ) A( L MW 32 L 6 <=I ) = "xanh" L MW 32 L 7 ==I = "do" L MW 32 L 0 ==I = M 30.2 //trong khối FC20 L "bien_tro" T "analog_out" L "dong_bien_tan" T MW 1000 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 77/82 B. Chương trình điều khiển nạp cho khối CPU Dự phòng. //Điều khiển đèn chiếu sáng AN I 0.7 A M 0.5 = Q 0.3 //Nhận data từ khối vao.ra CALL "Nhan_ve" NOP 0 //Xuất ra khi biết được CPU chính error A "trang_thai" JNB _001 CALL "xuat_ra" _001: NOP 0 //Nhận thanh ghi trạng thái từ chính CALL "Nhan_tu_chinh_trang_thai" NOP 0 //Gọi chương trình con phân tích chính CALL "phan_tich" NOP 0 //Gọi chương trình con đếm xe. CALL "dem_xe_vao_ra" NOP 0 //Gửi data khi nhận bit trạng thái A "trang_thai" = L 20.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L20.0 ID :=2 LADDR :=W#16#100 SEND :=MW32 LEN :=2 DONE :=M40.1 ERROR :=M40.2 STATUS:=MW42 NOP 0 //Gửi thông tin đến CPU chính AN M 60.0 = L 20.0 BLD 103 CALL "AG_SEND" ACT :=L20.0 ID :=4 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 78/82 LADDR :=W#16#100 SEND :=MW50 LEN :=2 DONE :=M60.1 ERROR :=M60.2 STATUS:=MW62 NOP 0 //Nhận data từ chính CALL "AG_RECV" ID :=3 LADDR :=W#16#100 RECV :=MW32 NDR :=M70.0 ERROR :=M70.1 STATUS:=MW72 LEN :=MW74 NOP 0 //Gọi chương trình dk quạt thông gió CALL "quat_thong_gio" NOP 0 //Chương trình trong OB35 AN M 50.0 = M 50.0 //Trong FC10 L MW 10 T IW 0 NOP 0 //Trong FC11 L QW 0 T MW 16 NOP 0 //Trong FC12 CALL "AG_RECV" ID :=1 LADDR :=W#16#100 RECV :=MW20 NDR :=M22.0 ERROR :=M22.1 STATUS:=MW24 LEN :=MW26 NOP 0 O( A M 20.0 L S5T#100MS LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 79/82 SD T 1 NOP 0 NOP 0 NOP 0 A T 1 ) O( AN M 20.0 L S5T#100MS SD T 2 NOP 0 NOP 0 NOP 0 A T 2 ) = "trang_thai" //Trong FC13; đếm xe vào_ra. A I 0.6 FP M 30.0 AN Q 0.0 JNB _001 L MW 32 L 1 +I T MW 32 _001: NOP 0 A I 0.7 FP M 30.1 AN M 30.2 JNB _002 L MW 32 L 1 -I T MW 32 _002: NOP 0 L MW 32 L 5 <=I = Q 0.2 A( L MW 32 L 6 >=I ) LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 80/82 A( L MW 32 L 6 <=I ) = Q 0.1 L MW 32 L 7 ==I = Q 0.0 L MW 32 L 0 ==I = M 30.2 //Trong FC20; quat thông gió. L "dong_bien_tan" T MW 1000 NOP 0 L "bien_tro" T "analog_out" NOP 0 C. Chương trình nạp cho khối kết nối vào/ra (mục đích chính là truyền và nhận dữ liệu từ CPU Chính và CPU Dự phòng). //Trong chương trình chính CALL "in_for_chinh" NOP 0 A( AN M 1.0 L S5T#100MS SD T 3 NOP 0 NOP 0 NOP 0 A T 3 ) JNB _001 CALL "nhan_chinh" _001: NOP 0 CALL "gui qua phu" NOP 0 A M 1.0 JNB _002 CALL "nhan_phu" LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 81/82 _002: NOP 0 //Trong chương trình FC10_Gửi tín hiệu input về chính. L IW 0 T QW 4 NOP 0 L PIW 272 T QW 6 NOP 0 L PIW 274 T QW 8 NOP 0 //Trong chương trình FC11_Nhận output từ chính. L IW 10 T QW 0 NOP 0 L IW 12 T PQW 272 NOP 0 //Trong chương trình FC12_ Gửi tín hiệu input về phụ. L IW 0 T MW 10 NOP 0 L PIW 272 T MW 12 NOP 0 L PIW 274 T MW 14 NOP 0 //Trong chương trình FC13_ Nhận output từ phụ. L MW 16 T QW 0 NOP 0 L MW 18 T PQW 272 NOP 0 LUẬN VĂN CAO HỌC Trang: 82/82 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ------------------------------------------- Họ và tên: PHẠM PHÚ THỌ Phái: Nam Ngày sinh: 04 – 01 – 1980 Nơi sinh: tỉnh Bến Tre Địa chỉ liên lạc: 1E/9, Bình Đông, P14, Q8, TP.HCM, Việt Nam. Địa chỉ email: phutho.pham@gmail.com; ĐT: 098 3 398 372 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 9/1998 – 9/2002: Sinh viên khoa Vật Lý, chuyên ngành Điện tử, hệ chính quy, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP.HCM. Luận văn tốt nghiệp: “Điều khiển hệ tự động hoá công nghiệp dùng PLC”, điểm 9,5. Tổng điểm tích luỹ: 7,17 điểm. 9/2006 – nay: Học viên cao học khoa Điện – Điện tử, chuyên ngành Tự động hoá, hệ chính quy, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 9/2002 – nay: Giáo viên Trường Trung cấp nghề Kỹ thuật Công nghệ Hùng Vương. (Q5, TP.HCM)