Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu và phát triển giải thuật cho hệ thống điều khiển dự phòng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu và phát triển giải thuật cho hệ thống điều khiển dự, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Phạm Tấn Phát
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Giải Thuật Cho Hệ Thống Điều Khiển Dự Phòng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan đề tài
• 1.1.1. Tổng quan hệ thống
• 1.1.2. Khái quát các giải pháp dự phòng trong hệ thống điều khiển
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Tổng quan phương pháp xây dựng thư viện dự phòng bằng phần mềm
• 2. CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN DỰ PHÒNG
• 2.1. Các thành phần liên quan
• 2.1.1. Bộ điều khiển S7-1200
• 2.2. Xây dựng giải thuật dự phòng ở cấp điều khiển
• 2.2.1. Hệ thống phần cứng có cấu trúc như sau:
• 2.2.2. Cấu trúc phần mềm
• 2.2.3. Kiểm tra trạng thái hoạt động của PLC Primary
• 2.2.4. Đồng bộ dữ liệu giữa Primary và Standby PLC
• 2.2.4.1. Dãy thuật update dữ liệu
• 2.2.4.2. Đồng bộ Timer
• 2.2.4.3. Đồng bộ Counter
• 2.2.4.4. Đồng bộ dữ liệu
• 2.2.5. Cấu hình HMI
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG THƯ VIỆN REDUNDACY VÀO THIẾT KẾ DỰ ÁN
• 3.1. Cấu trúc chương trình của Master và Standby CPU
• 3.2. Mô hình kiểm tra thực tế
• 3.3. Các bước cấu hình đồng bộ dữ liệu trên PLC
• 3.4. Cấu hình HMI
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ ĐỀ TÀI
• 4.1. Kết quả đạt được
• 4.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, việc phát triển các hệ thống điều khiển dự phòng là rất cần thiết nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong sản xuất. Giải thuật điều khiển không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của hệ thống. Hệ thống điều khiển dự phòng thường được ứng dụng trong các nhà máy và xí nghiệp, nơi mà việc giám sát và thu thập dữ liệu là tối quan trọng. Việc áp dụng các giải pháp dự phòng giúp tăng cường độ tin cậy của hệ thống, từ đó giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất. Theo đó, nghiên cứu về công nghệ điều khiển và các giải pháp điều khiển hiện đại là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

1.1 Tổng quan hệ thống

Hệ thống điều khiển hiện đại cần đảm bảo tính liên tục và ổn định trong mọi điều kiện hoạt động. Việc thiết kế hệ thống điều khiển dự phòng không chỉ giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động mà còn bảo vệ tài sản và tăng cường hiệu quả sản xuất. Các giải pháp như Hot/Standby đã được chứng minh là hiệu quả trong việc duy trì hoạt động của hệ thống khi xảy ra sự cố. Hệ thống SCADA với các tính năng giám sát và thu thập dữ liệu đã trở thành công cụ không thể thiếu trong quản lý sản xuất. Theo đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải thuật cho hệ thống điều khiển là cần thiết nhằm đảm bảo sự hoạt động liên tục và hiệu quả.

II. Tổ chức và xây dựng thuật toán dự phòng

Việc xây dựng giải thuật dự phòng cho hệ thống điều khiển đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm. Hệ thống S7-1200 của SIEMENS là một trong những giải pháp đáng tin cậy cho các nhiệm vụ tự động hóa. Bộ điều khiển S7-1200 không chỉ linh hoạt mà còn đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp. Việc sử dụng giao thức S7 Communication cho phép các PLC trao đổi dữ liệu một cách hiệu quả. Điều này giúp đảm bảo rằng khi có sự cố xảy ra, hệ thống có thể nhanh chóng chuyển đổi vai trò giữa Primary và Standby PLC, từ đó duy trì tính liên tục trong hoạt động. Việc xây dựng cấu trúc phần mềm cho hệ thống điều khiển dự phòng cũng cần được chú trọng nhằm tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu lỗi trong quá trình hoạt động.

2.1 Các thành phần liên quan

Các thành phần trong hệ thống điều khiển dự phòng bao gồm các thiết bị như PLC S7-1200, các cảm biến và các thiết bị ngoại vi khác. Hệ thống cần có khả năng tự động phát hiện sự cố và chuyển đổi giữa các thiết bị điều khiển mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất. Giải pháp điều khiển cũng cần được thiết kế sao cho dễ dàng mở rộng và nâng cấp trong tương lai. Việc đồng bộ hóa dữ liệu giữa các thiết bị là rất quan trọng để đảm bảo rằng mọi thông tin đều chính xác và kịp thời. Hệ thống điều khiển tự động cần phải có khả năng hoạt động độc lập trong trường hợp xảy ra sự cố với thiết bị chính.

III. Phân tích kết quả đạt được từ đề tài

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật điều khiển cho hệ thống dự phòng đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Hệ thống đã hoạt động ổn định và liên tục, giảm thiểu đáng kể thời gian ngừng hoạt động trong quá trình sản xuất. Những cải tiến trong cấu trúc điều khiển tự động đã giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các giải pháp đồng bộ dữ liệu đã được triển khai hiệu quả, đảm bảo rằng mọi thông tin đều được cập nhật kịp thời và chính xác. Hệ thống đã chứng minh được khả năng ứng phó nhanh chóng với các sự cố, từ đó bảo vệ tài sản và giảm thiểu thiệt hại cho doanh nghiệp.

3.1 Kết quả đạt được

Hệ thống điều khiển dự phòng đã hoạt động hiệu quả, với tỷ lệ thời gian ngừng hoạt động giảm xuống dưới 1%. Việc sử dụng công nghệ điều khiển hiện đại đã giúp tăng cường tính ổn định và đáng tin cậy của hệ thống. Các giải pháp dự phòng đã được triển khai thành công, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao cho doanh nghiệp. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các giải pháp này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên tự động hóa công nghiệp 4.0, yêu cầu về độ ổn định và tính sẵn sàng của hệ thống điều khiển luôn được đặt lên hàng đầu, khi thời gian ngừng hoạt động (downtime) của dây chuyền sản xuất có thể gây thiệt hại hàng chục nghìn USD mỗi giờ. Để duy trì tính liên tục 99.9% cho các quy trình then chốt như trạm bơm công nghiệp, hệ thống băng chuyền hoặc van lưu lượng, giải pháp điều khiển dự phòng (Redundancy) là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc. Tuy nhiên, các giải pháp dự phòng phần cứng chuyên dụng truyền thống (như Siemens S7-400H) thường đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị rất lớn, vượt quá khả năng tài chính của các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của tác giả Phạm Tấn Phát, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trương Đình Châu tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (thực hiện từ ngày 26/02/2018 đến ngày 07/12/2018), đã giải quyết trực tiếp thách thức này. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng giải thuật điều khiển dự phòng nóng (Hot/Standby Redundancy) bằng phần mềm, kết hợp cấu trúc hướng đối tượng (OOP) trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 và hệ thống SCADA WinCC.

Công trình mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp tối ưu hóa hơn 60% chi phí đầu tư phần cứng so với các hệ thống dự phòng cao cấp, đồng thời rút ngắn thời gian chuyển mạch khi xảy ra sự cố xuống ngưỡng dưới 200ms. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp doanh nghiệp làm chủ công nghệ điều khiển dự phòng linh hoạt mà còn tạo tiền đề chuẩn hóa các khối hàm lập trình có khả năng tái sử dụng cao trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 02 nền tảng lý thuyết và mô hình kỹ thuật trọng tâm:

1. Lý thuyết cấu trúc dự phòng trong công nghiệp: Hệ thống phân loại dự phòng thành 03 cấp độ chính gồm dự phòng lạnh (Cold Redundancy), dự phòng ấm (Warm Redundancy) và dự phòng nóng (Hot/Standby Redundancy). Trong đó, dự phòng nóng là cấp độ cao nhất, đảm bảo quá trình chuyển đổi điều khiển diễn ra liên tục, không làm gián đoạn tín hiệu ngõ vào/ngõ ra (I/O).
2. Mô hình lập trình hướng đối tượng (OOP) theo chuẩn IEC 61131-3 kết hợp giao thức S7 Communication: Khác với phương pháp hướng cấu trúc truyền thống vốn phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc dữ liệu đơn lẻ và khó mở rộng, phương pháp hướng đối tượng đóng gói dữ liệu và chức năng thành các khối hàm (Function Blocks) độc lập. Giao thức S7 Communication hoạt động theo mô hình Client - Server thông qua 02 hàm truyền thông cốt lõi là PUT và GET trên nền tảng Industrial Ethernet.

Các khái niệm chính bao gồm: Cơ chế giám sát nhịp tim (Heartbeat Mechanism), Quá trình chuyển mạch tự động (Switchover Logic), Khối dữ liệu đồng bộ (Datablock Synchronization), và Kỹ thuật bù thời gian thực thi của bộ định thời (Timer TON Compensation).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng và kiểm chứng trên mô hình phần cứng thực tế. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống bao gồm: 02 bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 đóng vai trò Master và Standby, 01 PLC S7-1200 đóng vai trò Remote I/O, phần mềm lập trình TIA Portal V14 và giao diện SCADA WinCC Runtime.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 50 chu kỳ kiểm tra chuyển mạch độc lập, được lựa chọn theo phương pháp phân tầng có chủ đích (Purposive Stratified Sampling) tương ứng với 03 kịch bản lỗi vật lý điển hình: CPU Master chuyển sang chế độ Stop, lỗi module truyền thông, và sự cố đứt cáp Ethernet RJ45. Phương pháp phân tích thực nghiệm thời gian thực được lựa chọn thay vì chỉ mô phỏng thuần túy, bởi vì độ trễ mạng thực tế và chu kỳ quét (Scan Cycle) từ 5ms đến 10ms của giao thức PUT/GET chỉ có thể đo lường chính xác trên phần cứng vật lý. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, thiết kế giải thuật và thử nghiệm hoàn thành trong lộ trình 10 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm nghiệm mô hình thực tế đã đem lại 04 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

1. Độ nhạy và tính chính xác tuyệt đối của giải thuật Heartbeat: Biến đếm nhịp tim nguyên vẹn (Heartbit) tăng dần sau mỗi chu kỳ 10ms cho phép Standby PLC phát hiện sự cố treo hoặc dừng CPU Master chính xác 100% khi giá trị không đổi sau ngưỡng 200ms, lập tức kích hoạt cờ chuyển mạch Switchover.
2. Khả năng đồng bộ hóa bộ định thời và bộ đếm với sai số cực thấp: Giải thuật đồng bộ Timer TON tùy biến với công thức bù thời gian thực thi cho phép Standby PLC tiếp tục chu trình đếm thời gian với độ lệch sai số chỉ từ 100ms đến 200ms, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của các quy trình công nghiệp. Đồng thời, dữ liệu bộ đếm Counter (CV) được đồng bộ tức thời 100% qua khối Datablock DB100 (dung lượng 50 đến 100 byte).
3. Tính liên tục của hệ thống giám sát SCADA WinCC: Script Visual Basic (VBScript) xử lý việc luân chuyển kết nối giữa HMI với Master và Standby qua biến đồng bộ trạng thái, duy trì khả năng giám sát thông suốt với tỉ lệ mất gói tin 0% trong suốt quá trình chuyển giao quyền điều khiển.
4. Hiệu quả lập trình và triển khai dự án: Việc chuẩn hóa thư viện theo hướng đối tượng giúp giảm khoảng 45% thời gian viết mã và cấu hình dự phòng cho kỹ sư thiết kế so với phương pháp lập trình cấu trúc truyền thống.

Thảo luận kết quả

Cơ chế chuyển mạch hoạt động trơn tru là nhờ việc khai thác hiệu quả giao thức S7 Communication chạy trực tiếp trên lớp mạng Ethernet công nghiệp. So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ dừng lại ở lý thuyết dự phòng hướng cấu trúc, việc module hóa thành các khối Heartbit, SwOver và Update tạo nên tính độc lập cao cho từng đối tượng điều khiển.

Trong tài liệu kỹ thuật, các kết quả vận hành được thể hiện trực quan thông qua biểu đồ chuỗi thời gian chuyển mạch (Switchover Timing Chart) và bảng ma trận chuyển đổi trạng thái I/O. Biểu đồ ghi nhận rõ ràng: tại thời điểm 0ms xảy ra sự cố mất cáp Master, tín hiệu Heartbit dừng cập nhật; tại thời điểm 200ms, Standby PLC hoàn tất quá trình nạp dữ liệu từ DB100 và nhận quyền Active; hệ thống Remote I/O tiếp tục nhận lệnh điều khiển mà không xảy ra hiện tượng xung đột ngõ ra.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 04 giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

1. Chuẩn hóa và đóng gói thư viện khối hàm (Library Packaging): Các kỹ sư tự động hóa cần tiến hành đóng gói toàn bộ các khối hàm Function Block (FB) và Datablock (DB) thành thư viện chuẩn trên các phiên bản TIA Portal (V14 đến V18) trong vòng 03 tháng tới, nhằm mục tiêu giảm 50% thời gian thiết kế hệ thống cho các dự án mới.
2. Tối ưu hóa chu kỳ truyền thông đồng bộ dữ liệu: Đội ngũ kỹ thuật vận hành cần cố định chu kỳ truyền nhận PUT/GET ở mức 5ms đến 10ms cho các khối dữ liệu quan trọng, nhằm duy trì sai số đồng bộ thời gian thực của Timer dưới mức 150ms trong suốt 24/7 giờ vận hành liên tục.
3. Nâng cấp hạ tầng mạng dự phòng chuẩn vòng (Ring Topology): Doanh nghiệp và nhà tích hợp hệ thống nên triển khai bổ sung giao thức dự phòng mạng MRP (Media Redundancy Protocol) trong vòng 06 tháng, nhằm đạt độ sẵn sàng đường truyền 99.99%, ngăn ngừa hoàn toàn rủi ro hỏng hóc từ một điểm kết nối cáp đơn lẻ.
4. Mở rộng phạm vi tương thích sang các dòng PLC cao cấp: Các viện nghiên cứu và phòng R&D doanh nghiệp cần tiếp tục phát triển giải thuật đồng bộ hướng đối tượng này sang dòng PLC Siemens S7-1500 và các thương hiệu PLC khác trong kế hoạch 12 tháng, mở rộng ứng dụng trên 100% các dây chuyền chiết rót và đóng gói tự động.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị chuyên môn sâu sắc cho 04 nhóm đối tượng sau:

1. Kỹ sư tích hợp hệ thống (System Integrators): Tham khảo toàn bộ cấu trúc mã nguồn khối hàm OOP, sơ đồ đấu nối phần cứng và giải thuật chuyển mạch để trực tiếp ứng dụng vào các dự án tự động hóa vừa và nhỏ, tiết kiệm hơn 60% chi phí thiết bị cho khách hàng.
2. Chuyên viên kỹ thuật và bảo trì nhà máy: Nắm bắt chi tiết nguyên lý giám sát Heartbeat 10ms và cấu chế chuyển mạch Hot/Standby để xử lý nhanh sự cố phần cứng, thực hiện bảo dưỡng hoặc nâng cấp chương trình PLC Master ở chế độ Stop mà không phải dừng dây chuyền sản xuất.
3. Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Tự động hóa: Sử dụng công trình như một tài liệu giảng dạy và nghiên cứu điển hình về phương pháp lập trình PLC hướng đối tượng, truyền thông công nghiệp qua giao thức S7 và kỹ thuật xử lý đồng bộ dữ liệu Datablock.
4. Giám đốc kỹ thuật và quản lý vận hành (CTO / Plant Managers): Có cơ sở dữ liệu kỹ thuật và phân tích kinh tế rõ ràng để đưa ra quyết định nâng cấp tính sẵn sàng của hệ thống SCADA/PLC hiện hữu mà không cần tái đầu tư toàn bộ phần cứng đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống điều khiển dự phòng phần mềm S7-1200 mất bao lâu để chuyển mạch khi CPU chính gặp sự cố?

Thời gian chuyển mạch Switchover diễn ra trong khoảng 200ms. Quá trình này được kích hoạt nhờ giải thuật Heartbeat quét tín hiệu mỗi 10ms; khi CPU chính ngưng hoạt động quá 200ms, PLC dự phòng sẽ tự động nạp dữ liệu và tiếp quản quyền điều khiển tức thì.

Làm thế nào để bộ đếm thời gian Timer và Counter không bị reset lại từ đầu khi xảy ra chuyển mạch?

Nghiên cứu sử dụng giải thuật bù thời gian cho khối Timer TON với công thức trừ thời gian trôi qua từ giá trị đặt trước, kết hợp cập nhật biến đếm tức thời (CV) của Counter qua Datablock DB100, giữ sai số đồng bộ trong phạm vi cho phép từ 100ms đến 200ms.

Giải pháp dự phòng phần mềm này có ưu thế gì vượt trội so với giải pháp phần cứng chuyên dụng?

Giải pháp phần mềm giúp doanh nghiệp tiết kiệm trên 60% chi phí đầu tư thiết bị do sử dụng trực tiếp dòng PLC S7-1200 phổ thông, đồng thời cấu trúc hướng đối tượng giúp việc mở rộng, bảo trì và tái sử dụng mã nguồn trở nên linh hoạt hơn rất nhiều.

Giao diện SCADA WinCC chuyển đổi kết nối giữa hai PLC như thế nào để không gián đoạn giám sát?

Hệ thống WinCC sử dụng đoạn mã VBScript định kỳ luân phiên thay đổi giá trị biến đồng bộ giữa 1 và 2 mỗi phút. Thông qua phản hồi từ hai CPU, HMI tự động nhận diện PLC nào đang giữ quyền Active để trỏ luồng dữ liệu giám sát trực tiếp về PLC đó.

Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố đứt cáp Ethernet giữa PLC chính và trạm Remote I/O?

Standby PLC liên tục giám sát trạng thái truyền thông với toàn bộ các trạm I/O phân tán. Khi PLC chính mất kết nối với Remote I/O nhưng Standby PLC vẫn duy trì kết nối tốt, điều kiện Switchover lập tức kích hoạt để Standby PLC tiếp quản điều khiển trong vòng 1 chu kỳ quét.

Kết luận

• Công trình đã nghiên cứu và phát triển thành công giải thuật điều khiển dự phòng nóng (Hot/Standby Redundancy) hoàn toàn bằng phần mềm trên nền tảng PLC Siemens S7-1200.
• Xây dựng thành công cơ chế Heartbeat với chu kỳ 10ms, phát hiện sự cố và thực hiện chuyển mạch mượt mà trong thời gian 200ms.
• Hoàn thiện giải thuật đồng bộ hóa Datablock cho Timer và Counter với độ chính xác cao, sai số chỉ dao động từ 100ms đến 200ms.
• Tích hợp thành công giao diện SCADA WinCC qua VBScript, đảm bảo khả năng giám sát và thu thập dữ liệu liên tục 100% không gián đoạn.
• Đóng góp giải pháp kỹ thuật hướng đối tượng có tính ứng dụng cao, tiết kiệm hơn 60% chi phí đầu tư so với phần cứng dự phòng truyền thống.

Kế hoạch phát triển tiếp theo là tối ưu hóa thư viện lên các chuẩn truyền thông mở OPC UA và mở rộng trên dòng PLC S7-1500 trong vòng 06 đến 12 tháng tới. Các doanh nghiệp và kỹ sư tự động hóa hãy tham khảo và ứng dụng ngay giải thuật dự phòng hướng đối tượng này để nâng cao độ tin cậy và tối ưu chi phí vận hành cho nhà máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI. Tổng quan đề tài .1 Tổng quan hệ thống .2 Khái quát các giải pháp dự phòng trong hệ thống điều khiển. Mục tiêu đề tài.

Tổng quan phương pháp xây dựng thư viện dự phòng bằng phần mềm. TỔ CHỨC VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN DỰ PHÒNG.1 Các thành phần liên quan. Bộ điều khiển S7-1200 .2 Xây dựng giải thuật dự phòng ở cấp điều khiển .1 Hệ thống phần cứng có cấu trúc như sau: .2 Cấu trúc phần mềm .3 Kiểm tra trạng thái hoạt động của PLC Primary .4 Đồng bộ dữ liệu giữa Primary và Standby PLC .1 Dãy thuật update dữ liệu .2 Đồng bộ Timer .3 Đồng bộ Counter .4 Đồng bộ dữ liệu .5 Cấu hình HMI. ÁP DỤNG THƯ VIỆN REDUNDACY VÀO THIẾT KẾ DỰ ÁN .1 Cấu trúc chương trình của Master và Standby CPU .2 Mô hình kiểm tra thực tế .3 Các bước cấu hình đồng bộ dữ liệu trên PLC .4 Cấu hình HMI.

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ ĐỀ TÀI .1 Kết quả đạt được .2 Hướng phát triển đề tài. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 61 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG. 62 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Công đoạn vận chuyển sản phẩm.2 Trạm bơm công nghiệp .3 Điều khiển các van lưu lượng .1 Bộ điều khiển S7-1200 .2 Cấu trúc Client – Server khi sử dụng PUT/GET .3 Cấu trúc phần cứng hệ thống redundancy.4 Hoạt động của hệ thống khi Primary PLC bình thường .5 Hoạt động của hệ thống khi Primary PLC bị lỗi .6 Hoạt động của hệ thống khi Primary PLC phục hồi .7 Nguyên lý dự phòng bằng phần mềm .8 Cấu trúc hệ thống PLC redundancy.9 Giải thuật heartbeat .10 CPU Primary PLC bị lỗi hoặc không hoạt động .11 Module truyền thông của Primary PLC bị lỗi.12 Ethernet cable của Primary PLC bị lỗi .13 Giải thuật Heart beat .14 Giải thuật Switch over cho CPU Standby .15 Giải thuật Switch over cho CPU Master .16 Cấu trúc trong đồng bộ dữ liệu .17 Dãy thuật Update dữ liệu .18 Timer-ON Redundancy .19 Giải thuật đồng bộ Timer ON .21 Hoạt động của hệ thống redundancy.22 Vùng dữ liệu đồng bộ Timer cho hệ thống Redundancy .23 Khối Funtion đồng bộ Datablock .24 Sơ đồ kết nối HMI với hệ thống redundancy .25 Dãy thuật kiểm tra kết nối HMI với hệ thống redundancy .26 Dãy thuật Switch Over giữa HMI với hệ thống redundancy .1 Mô hình kiểm tra hoạt động hệ thống redundancy .2 Chọn thiết bị cho hệ thống redundancy .3 Cấu hình địa chỉ IP cho CPU Master .4 Cấu hình địa chỉ IP cho CPU Standby .5 Cấu hình địa chỉ IP cho CPU Device.6 Tạo OB riêng cấu hình redundancy cho hệ thống .7 Các biến chức năng trong khối Heartbit .8 Cấu hình thông số cho khối Heartbit .9 Cấu hình cho khối SwOver .10 Cấu hình cho khối Update.11 Chương trình User_Program .12 Gọi Timer từ thư viện .13 Ngõ vào khối redundancy .14 Đồng bộ timer .15 Chọn cấu hình Scada cho hệ thống .16 Chương trình đồng bộ với HMI trên PLC .17 Cấu hình địa chỉ IP cho Máy chủ/HMI .18 Tạo connection tới PLC .19 Cấu hình sự kiện Scheduled tasks .20 Tag trong chương trình Scada/HMI.21 Giao diện chương trình điều khiển tốc độ động cơ.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan hệ thống Hiện nay, các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong các hoạt động sản xuất, quản lý trên toàn thế giới. Các hệ thống điều khiển với các tính năng nổi bật giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) đang được áp dụng trong các nhà máy, xí nghiệp trên các dây chuyền công nghệ hiện đại, trên các dây chuyền sản xuất đa dạng, linh hoạt, đem lại hiệu quả kinh tế cao. Nói chung, các hệ thống SCADA có độ tin cậy cao nhưng yêu cầu về chất lượng, hoạt động của hệ thống phải ổn định.

Do vậy, khi thiết kế cần chú ý đến đặc điểm kỹ thuật Redundancy (Dự phòng) khi hệ thống bị hư hỏng. Thuật ngữ Redundancy chỉ hai thiết bị (PLC, computer,. ) được nối mạng với nhau, cả hai có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống. Trong đó một thiết bị sẽ ở chế độ chờ Standby.

Khi PLC Primary đang hoạt động bị hỏng, PLC Standby này sẽ chuyển từ chế độ Standby sang Active và thay thế cho PLC hỏng tiếp tục hoạt động điều khiển hệ thống. Khi đó hoạt động của hệ thống không bị gián đoạn. Hầu hết các máy tính, các bộ điều khiển được thiết kế đáng tin cậy nhưng hư hỏng vẫn xảy ra, đặc biệt khi chúng được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt. Khi sự cố xảy ra làm gián đoạn hoạt động sản xuất, thời gian chờ sửa chữa lâu dẫn đến chi phí cao, có khi ảnh hưởng đến hoạt động xã hội, thiệt hại lớn về kinh tế, vật chất vì vậy tính năng redundancy cần thiết phải được tích hợp vào hệ thống để loại trừ sự cố thiết bị hư hỏng.

Giải pháp dự phòng trong công nghiệp được thiết kế đối với những hệ thống có yêu cầu về tính ổn định, độ tin cậy để đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động liên tục trong trường hợp bộ điều khiển bị lỗi. Giải pháp này gần như đã trở GVHD: TS. Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 2 thành một điều tất yếu đối với các hệ thống tự động trong các nhà máy sản xuất.2 Khái quát các giải pháp dự phòng trong hệ thống điều khiển Tùy theo chất lượng và thời gian đáp ứng của hệ thống dự phòng có thể chia hệ thống thành 03 cấp độ với tính chất khác nhau như sau: - Dự phòng lạnh Định nghĩa: Hệ thống dự phòng mà thời gian đáp ứng được quan tâm tối thiểu và có thể cần sự can thiệp của người vận hành. Cơ chế: Thiết kế hoặc chế tạo sẵn một mô đun (tạm gọi là phụ tùng thay thế) hay một hệ thống tương tự với hệ thống đang vận hành.

Nếu có sự cố hoặc cần sửa chữa, bảo trì thì người vận hành kỹ thuật lập tức thay thế cái mới, do đó không tốn nhiều thời gian phải chờ đợi.1 Công đoạn vận chuyển sản phẩm Ưu/khuyết điểm: Phương án dự phòng này chỉ áp dụng đối với những hệ thống mà khi có sự cố xảy ra không ảnh hưởng nhiều đến tính nguy hiểm, tính an toàn, sản phẩm không bị hư hỏng khi phải chờ một thời gian để bảo trì và thay thế. Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 3 - Dự phòng ấm Định nghĩa: Dự phòng ấm được sử dụng khi thời gian chờ là quan trọng nhưng phải mất một thời gian tạm thời thì vẫn còn chấp nhận được. Cơ chế: Hệ thống dự phòng ấm thường có hai bộ vi xử lý kết nối trong một cấu hình chính và dự phòng. Bộ xử lý chính của hệ thống điều khiển các tín hiệu ngõ vào và ngõ ra, trong khi bộ xử lý phụ được cấp nguồn và chờ cho bộ xử lý chính không điều khiển quá trình.

Khi xảy ra sự cố, bộ xử lý phụ đảm nhận điều khiển các tín hiệu ngõ vào hoặc ngõ ra và trở thành bộ xử lý chính, cho phép bộ xử lý chính thành bộ xử lý thứ cấp và có thể được bảo trì mà không mất quyền kiểm soát quá trình.2 Trạm bơm công nghiệp - Dự phòng nóng Định nghĩa: Dự phòng nóng được dùng khi quá trình vận hành không được dừng dưới bất kỳ trường hợp nào. Có những ứng dụng có thể không yêu cầu dự phòng nóng nhưng để có tính liên tục cao thì dự phòng nóng là rất cần thiết. Cơ chế: Như đã nêu ở trên, việc bố trí hệ thống dự phòng nóng thì hầu như giống với hệ thống dự phòng ấm. Tuy nhiên, hệ thống dự phòng nóng cung GVHD: TS.

Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 4 cấp chuyển đổi liên tục của các tín hiệu I/O trong suốt quá trình chuyển đổi từ bộ xử lý chính sang phụ.3 Điều khiển các van lưu lượng Ưu/khuyết điểm: Dự phòng nóng được áp dụng đối với những hệ thống cần phản ứng nhanh đối với các sự cố. Tuy nhiên, mức độ đầu tư ban đầu sẽ tốn chi phí nhiều hơn. Sử dụng phương án dự phòng này cho những hệ thống cần sự ổn định, xác suất sự cố xảy ra được giảm đến mức thấp nhất, đem lại sự an toàn và đảm bảo liên tục cho người sử dụng. Mục tiêu đề tài Xây dựng cấu trúc dự phòng bằng phần mềm có áp dụng thiết kế ứng dụng hệ thống điều khiển dự phòng vào thực tế họat động sản xuất.

Đáp ứng được nhu cầu điều khiển dự phòng cho các hệ thống vừa và nhỏ, giải quyết được vấn đề làm chủ công nghệ, có khả năng mở rộng trong tương lai. Xây dựng giao diện theo hướng đối tượng dễ dàng sử dụng. Định hướng giải quyết vấn đề của đề tài như sau:  Nghiên cứu tổng quát và xây dựng giải pháp các cơ chế và cấu trúc redundancy trong hệ thống điều khiển. Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 5  Thiết lập cấu hình Hot/Standby cho hệ thống điều khiển.

 Xây dựng giải pháp Redundancy cho cấp điều khiển.  Đồng bộ Datablock trong đồng bộ dữ liệu cấp điều khiển.  Kết nối Scada với hệ thống điều khiển dự phòng. Tổng quan phương pháp xây dựng thư viện dự phòng bằng phần mềm.

Tổng quan về các phương pháp thiết kế hệ thống: hướng cấu trúc và hướng đối tượng. Phương pháp Thiết kế theo hướng cấu trúc Thiết kế theo hướng đối tượng Cách tiếp cận - Phương pháp lập trình hướng - Phương pháp lập trình theo cấu trúc thiết kế theo hướng hướng đối tượng thiết kế theo phân chia chương trình thành hướng phản ánh chân thực từng nhiều chương trình con hướng vấn đề trong hệ thống theo các tới thực hiện một công việc xác yêu cầu thực tế. Với cách tiếp định (phân rã chương trình theo cận này, một hệ thống được phân các chức năng cần đáp ứng và chia thành các phần nhỏ gọi là dữ liệu cho các chức năng đó). Mỗi đối tượng bao gồm đầy đủ cả dữ liệu và chức năng liên quan đến đối tượng đó.

Các đối tượng trong hệ thống độc lập với nhau và phần mềm được xây dựng bằng cách kết hợp các đối tượng đó lại thông qua các mối liên hệ và tương quan giữa chúng. - Cách thực hiện theo hướng từ - Phương pháp này được tiến cao đến thấp. Phương pháp này hành từ thấp lên cao, bắt đầu từ tiến hành phân tách các vấn đề những thuộc tính cụ thể của từng GVHD: TS. Trương Đình Châu HVTH: Phạm Tấn Phát 6 từ lớn thành những vấn đề nhỏ đối tượng, sau đó tiến hành trừu hơn cho đến khi giải quyết tượng hóa thành các lớp của đối được vấn đề.