ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_____o0o_____

PHẠM PHÚ THỌ

ĐỀ TÀI

TỔ CHỨC, LẬP TRÌNH VÀ ĐÁNH
GIÁ TÍNH REDUNDANCY TRONG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA CẤP
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến Sĩ Trương Đình Châu
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:....................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:....................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SỸ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ….tháng ……. năm 20…...


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 20 . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên:

PHẠM PHÚ THỌ

Giới tính : Nam

/ Nữ

Ngày, tháng, năm sinh :

04-01-1980

Nơi sinh: BẾN TRE

Chun ngành :


TỰ ĐỘNG HĨA

Khố (Năm trúng tuyển) :

2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:
TỔ CHỨC, LẬP TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH REDUNDANCY
TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA CẤP
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Tìm hiểu các cơ chế, cấu trúc và nguyên lý dự phòng trong hệ thống
điều khiển tự động. Xây dựng và sử dụng các công nghệ truyền thông
công nghiệp: mạng MPI, Profibus, Ethernet.
• Xây dựng cơ chế, cấu trúc liên kết mạng và giải thuật lập trình phần
mềm để dự phịng cho: I/O Device và I/O Server.
• Tìm hiểu công nghệ, giải pháp cho điều khiển/giám sát hầm giao
thơng, mơ hình hố hầm giao thơng nhân tạo. Đánh giá các tính năng
dự phịng trên mơ hình này.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22-06-2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-11-2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ Trương Đình Châu

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
--------------oOo-------------Trước tiên, xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết lòng
động viên về tinh thần lẫn vật chất của các thành viên trong gia đình trong suốt thời
gian qua.
Đồng thời cảm ơn thầy Trương Đình Châu đã gợi mỡ, quan tâm và tạo thuận lợi cho
bản thân học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến:
-

Thầy Trần Văn Hải, Hiệu Trưởng của trường, nơi học viên đang công tác đã
tạo điều kiện về thời gian, hỗ trợ học phí cũng như các điều kiện thuận lợi
khác đễ học viên hồn thành chương trình cao học này.

Ngồi ra, học viên cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất cả những thầy cơ đã trực tiếp
giảng dạy trong suốt khố học, những đồng nghiệp đã chia sẽ khó khăn, những
người bạn đã quan tâm, động viên và luôn giữ mối liên lạc tốt trong quá trình học
tập và rèn luyện vừa qua.


TĨM TẮT
----------oOo--------Luận văn đề cập q trình xây dựng và kiểm chứng tính dự phịng cho I/O
Device và I/O Server. Các hãng sản xuất thiết bị tự động hoá đưa ra các giải pháp là
dự phòng phần cứng và dự phịng phần mềm, đồng thời đưa ra các cấu hình liên kết
mạng và gói phần mềm đi kèm.
Học viên đã xây dựng cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Device dựa
trên các công nghệ truyền thông công nghiệp của hãng Siemens như MPI, Profibus,
Ethernet. Thiết lập giải thuật lập trình phần mềm, cơ chế xác định lỗi, cơ chế đồng

bộ hố dữ liệu và cơ chế dự phịng cho CPU chính. Xây dựng cấu trúc liên kết
mạng dự phòng cho I/O Server qua mạng LAN, khai báo cấu hình phần cứng, cấu
hình giao tiếp với các I/O Device.
Xây dựng mơ hình mơ phỏng hầm giao thơng, kiểm chứng và đánh giá các
tính dự phịng cho I/O Device và I/O Server trên các đối tượng điều khiển dạng số
và tương tự. Đối với các hàm điều khiển liên tục và tốc độ cao cần có thiết bị để thử
nghiệm, đánh giá để xây dựng giải thuật dự phòng tốt hơn, tín hiệu điều khiển sẽ
liên tục, đáp ứng yêu cầu về tốc độ của hệ thống. Khi đó, các cấu trúc dự phịng này
sẽ hữu ích hơn, ứng dụng nhiều hơn trong lĩnh vực tự động hoá.


ABSTRACT
----------oOo---------

The topic discussed the process of building and verified backup computer
for I/O Device and I/O Server. Manufactures equipment automation solutions offer
a backup hardware and backup software, and make networking configuration and
software packages included.
Students have built structures that link the network to reserve I/O Device
based on communication technology industry as the Siemens MPI, Profibus,
Ethernet. Setting up the software algorithms and mechanisms identified errors, the
mechanism of data synchronization and backup mechanism for the main CPU.
Structured network link redundancy for I/O Server through the LAN, declare
hardware configuration, the configuration interface for I/O Device.
Build simulation models traffic tunnels, verify and assess the reserve
calculation for I/O Device and I/O Server on the subjects of digital and analog
control. For continuous control functions and high-speed equipment needed to test
and evaluate algorithms to build a better backup, control signals will continue to
meet the speed requirements of the system. Meanwhile, the reserve structure will
more useful, more applications in the field of automation.



MỤC LỤC
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
1.1.

Tính cấp thiết của luận văn ...................................................................... 1

1.2.

Các cơ chế và cấu trúc dự phòng ............................................................... 2
1.2.1. Dự phòng cho I/O Server ............................................................... 2
1.2.2. Dự phòng cho đường dẫn dữ liệu ................................................... 4
1.2.3. Dự phòng cho I/O Device .............................................................. 5
1.2.4. Dự phòng cho mạng LAN .............................................................. 6

1.3.

Xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Server và I/O Device cho giải pháp
hầm giao thông ......................................................................................... 7
1.3.1. Nhiệm vụ của luận văn ................................................................... 7
1.3.2. Những vấn đề khó khăn ................................................................. 7
1.3.3. Phạm vi thực hiện .......................................................................... 8
1.3.4. Dự kiến các lĩnh vực ứng dụng của đề tài ....................................... 8
1.3.5. Bố cục và nội dung của luận văn .................................................... 9

Chương 2: Kỹ thuật Redundancy trong tự động hố
2.1.

Các kỹ thuật dự phịng ............................................................................. 11

2.1.1. Dự phịng lạnh ............................................................................... 11
2.1.2. Dự phịng ấm ................................................................................. 12
2.1.3. Dự phịng nóng .............................................................................. 13

2.2.

Kỹ thuật dự phòng của các hãng sản xuất thiết bị tự động hoá .................. 14
2.2.1. Hệ thống dự phòng của hãng Schneider ......................................... 14


2.2.2. Hệ thống dự phòng của hãng Omron............................................... 23
2.2.3. Hệ thống dự phòng của hãng Allen Bradley .................................. 25
2.2.4. Hệ thống dự phòng của hãng Mitsubishi ........................................ 28
2.2.5. Hệ thống dự phịng của hãng Siemens ............................................ 31
2.3.

Mạng truyền thơng cơng nghiệp Simatic Net ............................................ 35
2.3.1. Mạng MPI ...................................................................................... 35
2.3.2. Mạng Profibus ............................................................................... 36
2.3.3. Mạng Ethernet ............................................................................... 38

2.4.

Kết luận ....................................................................................................

Chương 3: Tổ chức, xây dựng cấu trúc dự phòng
3.1.

Xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Device ............................................ 39
3.1.1. Giải thuật lập trình phần mềm ........................................................ 39

3.1.2. Cấu trúc liên kết mạng dự phòng của hãng Siemens........................ 40
3.1.3. Các khối OB báo lỗi trong PLC S7-300 và S7-400 ......................... 43
3.1.4. Xây dựng cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Device ............ 44
3.1.5. Xây dựng cơ chế xác định lỗi bằng phần mềm ............................... 45
3.1.6. Truyền thông giữa các khối CPU ................................................... 47
3.1.7. Xây dựng cơ chế đồng bộ hoá dữ liệu ............................................ 52
3.1.8. Tóm lược q trình xây dựng cơ chế dự phòng cho I/O Device ...... 53

3.2.

Xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Server ............................................. 54
3.2.1. Cấu trúc liên kết mạng dự phòng cho I/O Server ............................ 54
3.2.2. Khai báo cấu hình giao tiếp dữ liệu OPC ........................................ 55
3.2.3. Khai báo cấu hình I/O Server ở chế độ thường trực ........................ 56


3.2.4. Khai báo cấu hình mạng LAN ........................................................ 56
3.2.5. Tóm lược q trình xây dựng cơ chế dự phịng cho I/O Server ....... 57

Chương 4: Đánh giá tính dự phịng trên mơ hình hầm
giao thơng
4.1.

Giới thiệu về các đường hầm giao thông .................................................. 58
4.1.1. Nhu cầu về giao thông .................................................................... 58
4.1.2. Các đặc tính kỹ thuật của hầm giao thơng nhân tạo ........................ 59

4.2.

Ý tưởng xây dựng giải pháp và thực hiện ................................................. 61

4.2.1. Hệ thống chiếu sáng ....................................................................... 63
4.2.2. Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng .................................................... 63
4.2.3. Hệ thống thơng gió ......................................................................... 64
4.2.4. Hệ thống SCADA .......................................................................... 66
4.2.5. Mơ hình phần cứng hồn chỉnh ...................................................... 68

4.3.

Kết luận .................................................................................................... 69

Chương 5: Kết luận
5.1. Kết quả thử nghiệm và phân tích .............................................................. 70
5.1.1 Kết quả thử nghiệm ...................................................................... 70
5.1.2 Nhận xét và phân tích kết quả đạt được ......................................... 70
Ưu điểm ....................................................................................... 70
Nhược điểm ................................................................................. 70
5.2. Kết quả đạt được và ý nghĩa ..................................................................... 71
5.3

Hướng phát triển ....................................................................................... 71

5.4

Kết luận .................................................................................................... 72


Tài liệu tham khảo ............................................................................... 73
Phụ lục ......................................................................................................... 74
Lý Lịch trích ngang ...................................................................................... 82


Danh mục các hàm, ký hiệu, từ viết tắt
• Ký hiệu
• Từ viết tắt
-

LAN: Local Area Network

-

SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

-

PLC: Programmable Logic Controller

-

TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol

-

RTC: Real Time Clock

-

FPT: File Transfer Protocol

-

HTTP: HyperText Transfer Protocol


-

ISO/OSI: International Standardization Organisation/ Open System
Interconnection.

-

Mạng MPI: multi point interface

-

AS-I: Actuator Sensor Interface

-

OPC: OLE for Process Control

-

RJ45: Registered Jack 45

-

Profibus - DP: Decentralize Periphery - fast data exchange

-

Profibus - PA: Process Automation - intrinsically safe environment


-

Profibus - FMS: Fieldbus Message Specification - peer to peer communication

-

OLE: Object Linking and Embedding


CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1

TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN
Với sự phát triển của xã hội ngày nay các hệ thống tự động hóa trong
cơng nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống con người nhiều hơn. Vì vậy,
để đáp ứng nhu cầu điều khiển ngày càng cao về chất lượng, ổn định hệ thống
là rất quan trọng. Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu, các hệ
thống điều khiển đa cấp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp
trên tồn thế giới. Kiểm soát, giám sát và điều khiển được cải tiến, cung cấp
các tính năng cơ bản nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất. Nói chung các
hệ thống SCADA đáng tin cậy cao. Tuy nhiên, xét trên một khía cạnh thiết kế
thường bỏ qua đặc điểm kỹ thuật là redundancy (dự phịng) [7].
Hoặc, nói một cách đơn giản: những gì xảy ra khi hệ thống bị hư hỏng?
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. Nếu một hoặc tất cả các phần tử quan trọng trong hệ thống không hoạt
động, thời gian chờ sửa chữa lâu dẫn đến chi phí cao, tính năng redundancy
phải được tích hợp vào hệ thống để loại trừ sự cố thiết bị hư hỏng [2].

Các hệ thống điều khiển đa cấp với các tính năng nổi bật đang được áp
dụng trong các nhà máy, xí nghiệp trên các dây chuyền cơng nghệ hiện đại,
trên các dây chuyền sản xuất đa dạng, linh hoạt đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Ví dụ trong các nhà máy lọc dầu, trong các hệ thống đường dẫn dầu nếu có sự
cố xảy ra gây thiệt hại rất nhiều về tài sản, mức độ đáp ứng cho thị trường bị
ảnh hưởng nghiệm trọng, có thể gây thiệt hại cho nền kinh tế. Trong các ngành
chế biến và bảo quản thuỷ sản, nếu chất lượng và vệ sinh an tồn thực phẩm
được đặt lên hàng đầu thì các hệ thống cấp đông và giữ lạnh phải được duy trì
hoạt động ổn định. Trong ngành thuỷ điện cung cấp điện năng cho sử dụng dân
dụng và công nghiệp. Trong các đường hầm giao thông nhân tạo, các hệ thống
thông gió, hệ thống kiểm sốt nồng độ khí carbon monoxide phải được tự động
giám sát và kiểm tra nghiêm ngặt, các thiết bị điều khiển phải được thiết kế với
chất lượng cao đồng thời phải tích hợp phương án dự phịng để đảm bảo hệ
thống ln hoạt động ổn định nhất, nếu có sự cố xảy ra khơng những gây thiệt
hại rất lớn về tài sản thậm chí cịn có cả tính mạng con người. Vì vậy, nghiên
cứu các cơng nghệ ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là
nghiên cứu xây dựng kỹ thuật dự phòng (redundancy) cho hệ thống điều
khiển tự động là rất cần thiết nhằm đem lại một hệ thống điều khiển hoàn
chỉnh, hoạt động ổn định, giảm thiểu thời gian chờ sửa chữa các thiết bị hư
hỏng.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

1/82


Hầm giao thông nhân tạo được sử dụng rộng rãi trên thế giới, ở Việt
Nam đã đưa vào sử dụng hầm Hải Vân, tuy nhiên mức độ ô nhiễm rất cao (bài

báo đăng ngày …). Ngày nay, đường hầm với lưu lượng lớn của xe lưu thông,
đôi khi di chuyển với tốc độ nhanh. Trong môi trường hạn hẹp của một đoạn
đường hầm, ngay cả một sự cố nhỏ có thể gây thảm hoạ chết người, mức độ
thảm hoạ thậm chí nhanh hơn trên đường cao tốc. Vì lý do này, phải cung cấp
thông tin kịp thời, các hệ thống điều khiển phải chính xác và hoạt động với độ
tin cậy, ổn định cao. Ở đây, tác giả chọn mô hình là hầm giao thơng nhân tạo
nhằm tìm hiểu các công nghệ áp dụng trong hệ thống giám sát, điều khiển,
đặt biệt là hệ thống dự phòng cho các phần tử chính. Nhằm đem lại sự an
tồn, tiện ích cho người lưu thơng qua các hầm giao thơng. Có nhiều cách tiếp
cận, phụ thuộc vào loại thiết bị khác nhau được cung cấp trong hệ thống. Tuỳ
mức độ, nhu cầu an toàn cho hệ thống mà chúng ta cần xây dựng cấu các cấu
trúc dự phòng phù hợp.

1.2

CÁC CƠ CHẾ VÀ CẤU TRÚC DỰ PHỊNG

1.2.1 Dự phịng cho I/O Server
Nhiệm vụ của server:
-

Thu thập dữ liệu và truyền thông tin tới các PLC.

-

Để thu thập dữ liệu, các server được kết nối với PLC thông qua
mạng công nghiệp.

-


Các server cung cấp thông tin xử lý đến các client và điều khiển q
trình xử lý.
Hiển thị ứng
dụng
`

Hiển thị ứng
dụng
`

LAN

I/O Server
(chính)

I/O Server
(dự phịng)

Hình 1.2.a: cấu trúc dự phịng cho I/O Server
Hệ thống gồm 2 máy server được kết nối với nhau và điều khiển các máy
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

2/82


Client. Nếu một trong hai máy server bị hư hỏng hoặc gặp phải sự cố, thì tất cả
các máy Client sẽ tự động chuyển đổi từ máy server bị hỏng sang máy server
còn lại. Kết quả là tất cả các máy client vẫn luôn luôn hoạt động và được điều

khiển bởi máy Server. Máy tính với I/O Server cịn lại sẽ đảm nhiệm tất cả điều
khiển không ảnh hưởng gián đoạn lên hệ thống. Khi được phục hồi, hệ thống tự
động trả lại điều khiển cho server chính và chắc rằng dữ liệu khơng bị mất.

Hình 1.2.b: cấu trúc dự phịng cho I/O Server trong hệ thống đa cấp

Hình 1.2.c: Phân tích cấu trúc Redundancy

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

3/82


Trong suốt quá trình hoạt động dữ liệu xử lý được tiến hành song song
trên hai server. Mỗi server xử lý kết nối và đồng bộ hóa cho nhau. Dữ liệu xử
lý và các thông tin được gửi từ PLC tới cả hai redundant server.
Cả hai server tính tốn và làm việc một cách độc lập và được đồng bộ
hóa cho nhau, nếu một trong hai server bị hỏng, thì server còn lại sẽ đảm nhiệm
vai trò điều khiển. Giao tiếp giữa hai redundant server thông qua terminal bus.
Chẳng hạn như là một mạng LAN sử dụng giao thức TCP/IP hoặc NetBEUI.
Server hỏng: Nếu một server hỏng, cái còn lại sẽ tiếp tục nhận và xử lý
dữ liệu từ PLC. Tất cả các máy client sẽ chuyển từ server bị hỏng sang
redundant partner server. Sau khi chuyển đổi hệ thống hoạt động bình thường
trở lại.

1.2.2 Dự phịng cho đường dẫn dữ liệu
Dự phòng cho đường dẫn dữ liệu là một hình thức của dự phịng liên
quan đến xác định đường dẫn dữ liệu giữa I/O Server và kết nối với I/O

Devices. Bằng cách cung cấp một đường dẫn dữ liệu thứ 2 (song song với
đưòng thứ 1), hiệu quả chắc chắn là nếu đường dẫn tới I/O Device hỏng, đường
dẫn thứ 2 có thể được sử dụng.

Hình 1.3.a: Cấu trúc dự phịng cho đường dẫn dữ liệu.
Hoặc có thể dùng dự phòng cho đường dẫn trên mạng như sau, trong trường
hợp này, I/O Device luôn được vận hành tốt nếu I/O Server hoặc đường truyền
thông bị lỗi.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

4/82


LAN

I/O Server
(chính)

`

I/O Server
(dự phịng)

`

Đường dẫn
dữ liệu chính


Đường dẫn dữ liệu
dự phịng

I/O device

Hình 1.3.b: Cấu trúc dự phịng cho cả đường dẫn và I/O Server.

1.2.3 Dự phòng cho I/O Device
Nếu I/O Device được cung cấp theo dạng truyền thông peer-to-peer, cấu trúc
redundancy có thể được thiết kế bằng cách dùng gấp đơi I/O Device như sau:

Hình 1.4: Cấu trúc dự phịng cho cả hệ thống.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

5/82


Thuật ngữ Redundancy trong PLC cũng giống như trong máy tính, hai
PLC được nối mạng với nhau, cả hai có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động
của hệ thống, tuy nhiên một PLC sẽ chờ ở chế độ STANDBY, khi PLC còn lại
bị hỏng, PLC này sẽ chuyển từ chế độ STANDBY sang Active và thay thế cho
PLC hỏng tiếp tục hoạt động điều khiển hệ thống.

1.2.4 Dự phòng cho mạng LAN
Một mạng LAN thứ 2 (local Area Network) để chắc chắn rằng hệ thống hoạt
động ổn định khi mạng LAN chính bị hỏng.


Hình 1.5: Cấu trúc dự phịng cho mạng LAN.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

6/82


1.3

XÂY DỰNG CẤU TRÚC DỰ PHÒNG I/O DEVICE VÀ I/O SERVER
CHO GIẢI PHÁP HẦM GIAO THÔNG

1.3.1 Nhiệm vụ của luận văn
• Tìm hiểu các cơ chế, cấu trúc và ngun lý dự phịng trong hệ thống điều
khiển tự động.
• Xây dựng và sử dụng các công nghệ truyền thông công nghiệp: mạng MPI,
Profibus, Ethernet.
• Xây dựng cơ chế, cấu trúc liên kết mạng và giải thuật lập trình phần mềm
để dự phịng cho:
o I/O Server
o I/O Device
• Tìm hiểu cơng nghệ, giải pháp cho điều khiển/giám sát hầm giao thông, mơ
hình hố hầm giao thơng nhân tạo. Đánh giá các tính năng dự phịng trên
mơ hình này.

1.3.2 Các vấn đề khó khăn
Khó khăn về phương pháp (cách tiếp cận) :

Để dự phịng cho hệ thống tự động hố, các hãng sản xuất thường thiết
kế 02 cách đó là dự phịng bằng phần mềm và dự phòng bằng phần cứng. Dự
phòng bằng phần cứng là thiết bị khi sản xuất đã tích hợp sẵn tính năng này, chỉ
cần khai báo trong khi cài đặt phần cứng là hoàn thành. Tuy nhiên, các thiết bị
này rất đắt tiền. Còn dự phòng bằng phần mềm là khi thiết kế cấu hình phải
theo đúng quy định về phần cứng của nhà sản xuất và phải mua các các gói
phần mềm đi kèm riêng. Vì vậy, nếu muốn sử dụng gói này thì phải thay đổi
cấu hình phần cứng cho phù hợp dẫn tới khó khăn trong nghiên cứu và thực
hiện.

Khó khăn về tốc độ thực thi và phần cứng của hệ thống:
Việc lựa chọn cách giải quyết sao cho đạt kết quả yêu cầu đặt ra và phù
hợp với thiết bị hiện có. Tuy nhiên, do thiết bị còn hạn chế cho nên việc thiết
kế chưa được tối ưu, tốc độ truyền thơng cịn chậm và chưa đồng nhất với nhau
chỉ mới đáp ứng được vấn đề cơ chế và vận hành. Các thiết bị dùng cho hầm
giao thông nhân tạo chưa đúng với u cầu thực tế, chỉ đáp ứng về mơ hình mô
phỏng, chẳng hạn là phải dùng một biến trở để chỉnh điện áp thay đổi để mô
phỏng thay thế cảm biến đo nồng độ carbon monoxide.
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

7/82


Giải quyết khó khăn:
Từ những khó khăn trên, học viên lựa chọn các thiết bị hiện có tại phịng
thí nghiệm của đơn vị đang cơng tác. Thiết kế cấu hình dự phòng với cấu trúc
liên kết bằng 03 kiểu truyền thông khác nhau: MPI, Profibus, Ethernet và sử
dụng các cảm biến, các đèn LED hiện có để xây dựng mơ hình mơ phổng.

Đồng thời, xây dựng cơ chế dự phịng bằng mềm và lập trình phần mềm cho
tính năng này.

1.3.3 Phạm vi thực hiện
-

Về lý thuyết: các cơ chế và cấu trúc dự phòng của các hãng sản xuất thiết bị
tự động hố, các kỹ thuật mạng truyền thơng cơng nghiệp của hãng
Siemens.

-

Về ứng dụng: xây dựng cấu hình dự phòng cho I/O Device và I/O Server
trong hệ thống điều khiển.

-

Điều kiện thực hiện: có các bộ PLC S7-300 với CPU 315-2DP, 02 mô đun
Ethernet, 01 mô đun vào ra số, 01 mô đun vào ra tương tự, 01 biến tần.

-

Đối tượng: mơ hình hầm giao thơng nhân tạo.

1.3.4 Dự kiến các lĩnh vực ứng dụng của đề tài
Qua kết quả tìm hiểu và nghiên cứu, tác giả đã tìm hiểu tổng quát các cơ chế và
cấu trúc Redundancy trong hệ thống điều khiển đa cấp. Đặc biệt tổ chức, lập
trình và đánh giá tính:
• Redundancy cho I/O Server dùng phần mềm Vijeo Citect của
hãng Schneider.

• Redundancy cho I/O Device dùng PLC S7-300 của hãng
Siemens.
Kết quả của luận văn có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí
nghiệp cần tính ổn định, cần tính hoạt động liên tục như:
• Nhà máy lọc dầu
• Nhà máy điện,
• Nhà máy nước,
• Các trạm phát tín hiệu thơng tin liên lạc,
• Các nhà máy đơng lạnh và bảo quản thực phẩm, thuỷ sản, …
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

8/82


Đặc biệt, với một số giải pháp và công nghệ có thể áp dụng vào giám sát và
điều khiển cho đường hầm giao thơng nhân tạo như:
• Hệ thống chiếu sáng.
• Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng.
• Hệ thống thơng gió.
• Hệ thống kiểm sốt nồng độ khí carbon monoxide, lưu trữ và
cảnh báo.
• Hệ thống đếm và lưu trữ lưu lượng xe lưu thông.

1.3.5 Bố cục và nội dung của luận văn
Với nhiệm vụ thực hiện luận văn trên, bố cục của luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Giới thiệu khái quát một số cơ chế và cấu trúc của tính Redundancy
trong hệ thống điều khiển đa cấp, dự kiến các lĩnh vực ứng dụng của đề tài

trong thực tế, mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ đề tài, phạm vi thực hiện và nội
dung tóm lược của luận văn.
Chương 2: Kỹ thuật redundancy trong tự động hố
Các khái niệm về dự phịng, các cơng nghệ dự phòng của các hãng sản
xuất thiết bị tự động hố. Tìm hiểu, khai báo và sử dụng cơng nghệ mạng
truyền thông công nghiệp Simatic Net như: mạng MPI, Profibus, Ethernet.
Chương 3: Tổ chức xây dựng cấu trúc dự phòng cho I/O Device và I/O Server
Xây dựng giải thuật lập trình phần mềm, cơ chế phát hiện lỗi của CPU
Chính, giải thuật đồng bộ hoá dữ liệu giữa 02 CPU. Xây dựng cấu trúc liên kết
mạng dự phòng cho:
o I/O Server
o I/O Device
Chương 4: Đánh giá tính dự phịng trên mơ hình hâm giao thơng
Phân tích các giải pháp cơng nghệ cho hầm giao thơng nhân tạo, xây dựng mơ
hình hầm giao thông với các chức năng:
Hệ thống chiếu sáng
Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

9/82


Hệ thống thơng gió
Hệ thống SCADA
Đánh giá kết quả thực nghiệm trên từng hệ thống của mơ hình hầm giao thơng.
Chương 5: Kết luận
Phân tích, đánh giá các kết quả đã thực hiện được. Rút ra những vấn đề

chưa thực hiện được của luận văn và hướng phát triển của đề tài.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

10/82


CHƯƠNG 2:

KỸ THUẬT
REDUNDANCY TRONG TỰ ĐỘNG HOÁ
2.1

CÁC KỸ THUẬT DỰ PHÒNG
Redundancy là một thuật ngữ chuyên ngành mà chúng ta hay gọi là sự
dự phịng, nó được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều trong
nghành công nghiệp máy tính, mạng và các thiết bị khả lập PLC. Như vậy
muốn thiết bị có thể Redundancy thì trước hết chúng ta phải tạo liên kết mạng
cho chúng. Dự phòng cho hệ thống tự động có thể được thực hiện thơng qua 03
phương pháp: dự phịng lạnh, dự phịng ấm và dự phịng nóng.

2.1.1 Dự phịng lạnh:
• Định nghĩa: Là sự 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 sẳn một mô đun, một chi tiết (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 khơng tốn nhiều thời gian phả chờ đợi.

• Ví dụ áp dụng: Điều khiển hai băng tải bằng hai bảng điều khiển riêng biệt.
Nếu một băng tải không hoạt động, người vận hành có thể dùng băng tải
cịn lại để tiếp tục hoạt động của hệ thống. Trong ví dụ này, sự hư hỏng của
băng tải thứ nhất có thể dẫn đến sự tích lũy của sản phẩm, tuy nhiên tùy
theo yêu cầu mà có thể chấp nhận được.

Hình 2.1: cơng đoạn vận chuyển sản phẩm
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

11/82


• Ưu/khuyết điểm: Phương án dự phòng này chỉ áp dụng đối với những hệ
thống mà khi có sự cố xảy ra khơng ảnh hưởng nhiều đến tính nguy hiểm,
tính an tồn, sản phẩm khơng bị hư hỏng khi phải chờ một thời gian để bảo
trì và thay thế. Tuy nhiên, khi thời gian là quan trọng thì dự phịng ấm hoặc
nóng là phương án lựa chọn tốt hơn.

2.1.2 Dự phịng ấm
• Định nghĩa: Dự phịng ấm được sử dụng khi thời gian chờ là quan trọng
nhưng phải mất một thời gian tạm thời thì vẫn cịn chấp nhận được. Trong
tình huống này, một bơm tạm thời có thể được mong đợi. Trong suốt quá
trình bơm, các van, động cơ và các thiết bị khác có thể dừng tạm thời, và
các cảm biến có thể khơng phản hồi tín hiệu về PLC trong suốt q trình
hoạt động liên tục.
• Cơ chế: Hệ thống dự phịng ấm thường có hai bộ vi xử lý kết nối trong một
cấu hình chính và dự phịng. Bộ xử lý chính của hệ thống điều khiển các tín
hiệu ngỏ vào và ngỏ ra, trong khi bộ xử lý phụ được cấp nguồn và chờ cho

bộ xử lý chính khơng điều khiển q trình. Khi xảy ra sự cố, bộ xử lý phụ
đảm nhận điều khiển các tín hiệu ngỏ vào/ngỏ 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 khơng mất quyền kiểm sốt q trình.
Trong q trình vận hành bình thường, bộ xử lý chính cung cấp định
kỳ để cập nhật cho bộ xử lý chờ. Những thông tin cập nhật thường được xảy
ra vào cuối của mỗi vịng qt chương trình và có thể chỉ liên quan của một
phần dữ liệu tại bất kỳ thời gian nào. Do đó, khi q trình chuyển đổi xảy
ra, bộ xử lý phụ có thể làm việc với dữ liệu khơng đầy đủ tại vì nó mất một
vài chu kỳ qt chương trình để bắt kịp quá trình chuyển đổi. Điều đó góp
phần khơng liên tục trong q trình chuyển đổi giữa các bộ xử lý trong q
trình điều khiển.
• Ví dụ áp dụng:

Hình 2.2: các trạm bơm
LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

12/82


• Ưu/khuyết điểm: Từ một khía cạnh phần cứng, hệ thống dự phịng ấm và
nóng hầu như giống hệt nhau, và có thể dễ dàng nhầm lẫn khi nhìn vào dữ
liệu cung cấp của các nhà nhà sản xuất.

2.1.3 Dự phịng nóng
• Định nghĩa: Dự phịng nóng được dùng khi q trình vận hành khơng được
dừng dưới bất kỳ trường hợp nào. Có những ứng dụng có thể khơng u cầu
dự phịng nóng nhưng để có tính liên tục cao thì dự phịng nóng là rất cần

thiết.
• Cơ chế: Như đã nêu ở trên, việc bố trí hệ thống dự phịng nóng thì hầu như
giống với hệ thống dự phịng ấm. Tuy nhiên, hệ thống dự phịng nóng cung
cấp chun đổi liên tục của các tín hiệu I/O trong suốt q trình chuyển đổi
từ bộ xử lý chính sang phụ.
• Ví dụ áp dụng:

Hình 2.3: các van điều khiển lưu lượng
• Ưu/khuyết điểm: Dự phịng 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 thiết sự ổn định, xác suất xảy ra hư hỏng có thể giảm đến mức thấp
nhất. Đem lại sự an toàn và đảm bảo lien tục cho người sử dụng.

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

13/82


2.2

KỸ THUẬT DỰ PHÒNG CỦA CÁC HÃNG SẢN XUẤT THIẾT BỊ TỰ
ĐỘNG HỐ

2.2.1 Hệ thống dự phịng của hãng Schneider
Modicon Premium
“chính”


Modicon Premium
“dự phịng”

“CPU Sysc” link

Hình 2.4.a: kết nối giữa hai CPU
Hệ thống dự phòng được giới thiệu bởi hãng Schneider, hệ thống vận hành tự
động này dựa trên PLC Modicon Premium. Với tính năng phát hiện các sự cố
trong các trường hợp sau:
Bộ xử lý trung tâm và chức năng truyền thông.
Tất cả các phần lien quan đến hệ thống I/O.
Cấu trúc này dựa trên nguyên lý dự phòng “Primary/Stanby” với đầy đủ tính
năng dự phịng của bộ xử lý trung tâm và các chức năng truyền thông, được
dùng chia sẽ I/O trên mạng Ethernet Modbus/TCP, đường kết nối Modbus.
Ví dụ các khu vực áp dụng:
Quản lý kỹ thuật tập trung của các khu công cộng (đường hầm
giao thông, sân bay, các tín hiệu điều khiển,…)
Điều khiển/giám sát xử lý nước thải hoặc các trạm cung cấp
nước.
Quản lý kỹ thuật điện năng.
Hệ thống thuỷ điện.
.v/v, …
Nguyên tắc:
Tại hệ thống điều khiển trung tâm, có hai Modicon Premium được gọi là
“Primary” PLC và “Stanby” PLC. Cấu hình phần cứng và phần mềm phụ thuộc
vào các module trên mỗi thanh ray. Chủng loại của hai vi xử lý (TSX H57 24M
và TSX H57 44M) được thiết kế đặc biệt cho cấu trúc dự phịng nóng với phần
mềm Unity Pro (phiên bản cao hơn 3.1). Cấu hình vi xử lý hai nhân được kết
LUẬN VĂN CAO HỌC


Trang:

14/82


hợp với chức năng của một CPU và vi xử lý phối hợp cho dự phòng cùng một
thời điểm.
Với bộ “Primary” PLC:
o Thực hiện chương trình ứng dụng và quản lý I/O, gồm các phần:
Thiết bị trường trên mạng Ethernet được quản lý bởi kỹ thuật
quét I/O.
Thiết bị trường trên các đường kết nối Modbus.
Cảm biến và các cơ cấu chấp hành kết nối với các module
Premium I/O trên bus X với cấu hình thanh ray đơn.
o Bảo vệ chuyển dữ liệu an tồn thơng qua đường kết nối “CPU Sync”
đến “Stanby” PLC tại bắt đầu mỗi chu kỳ quét.

Hình 2.4.b: cấu trúc liên kết mạng đặc trưng

LUẬN VĂN CAO HỌC

Trang:

15/82