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

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.

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.