Hệ thống điều khiển phân tán - DCS

[tran_hieu0983]

Một điểm mốc đáng nhớ là năm 1962, khi Hãng Imperial Chemical Industries (ICI) của Anh lần đầu tiên đưa ra giải pháp điều khiển số trực tiếp (Direct Digital Control, DDC). Với sự phát triển của kỹ thuật máy tính số mini trên cơ sở tranzito và lý thuyết điều khiển, giải pháp DDC được nói nhiều tới trong những năm 1965-1975. Thực chất, đây là giải pháp điều khiển tập trung, kém hiệu quả về mặt kinh tế và kém tin cậy về mặt kỹ thuật. Trong khi đầu tư cho mỗi máy tính điều khiển vào cỡ 100.000 đôla Mỹ, hầu hết các hệ thống DDC thời đó đều phải trang bị giải pháp dự phòng tương tự, gây tốn kém và lãng phí.

Trong khi DDC chỉ có vai trò trong các ngành công nghiệp chế biến, thì sự ra đời của Thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình - PLC (Programable Logic Controller) góp phần quan trọng trong tự động hoá các xí nghiệp chế tạo, lắp ráp. PLC thực chất là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển rơ le cứng, do Modicon và Morley lần đầu tiên đưa ra vào năm 1968. Đến nay, số lượng chủng loại PLC có mặt trên thị trường đa dạng đến mức khó có thể bao quát. Với PLC, ta có thể một hệ thống điều khiển có cấu trúc tập trung cũng như phân tán tuỳ theo quy mô của ứng dụng.

Một hướng phát triển quan trọng từ giải pháp DDC là các hệ điều khiển phân tán tích hợp (Distributed Control System, DCS). DCS là một giải pháp điều khiển và giám sát có cấu trúc phân cấp và phân tán, được cung cấp trọn gói từ một nhà sản xuất, được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp chế biến. Trạm điều khiển trong một hệ DCS là các máy tính chuyên dụng trong điều khiển quá trình, có cấu trúc module, khả năng xử lý số thực lớn. Tương tự như PLC, các trạm điều khiển DCS cũng cho phép lập trình và thay đổi chương trình một cách rất linh hoạt bằng các công cụ phần mềm mạnh. Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do Honeywell đưa ra vào năm 1975. Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục được phát triển và tiến hoá, nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không còn được gắn cái tên DCS.

DCS là một giải pháp điều khiển phân tán, tuy nhiên không phải bất cứ giải pháp điều khiển phân tán nào cũng là DCS. Ta hoàn toàn có thể xây dựng các hệ thống tự động hoá có cấu trúc phân tán dựa trên nền DCS, PLC, IPC… Cũng phải nói rằng, đôi khi cũng khó có sự phân biệt rạch ròi giữa các loại thiết bị điều khiển nói trên. Ví dụ, một giải pháp DCS có thể sử dụng PLC (PLC-based DCS) hoặc IPC (PC-based DCS) cho các trạm điều khiển của nó. Do có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính, các thiết bị điều khiển ngày càng giống nhau hơn về bản chất. Một khái niệm được dùng rộng rãi gần đây là hệ điều khiển lai (hybrid control system), trong đó mỗi trạm điều khiển có thể mang dáng dấp của một DCS kinh điển, một PLC hoặc một IPC hiện đại. Sự phát triển các giải pháp điều khiển đương nhiên cũng không chỉ dừng ở đó. Xu thế sử dụng bus trường và các thiết bị trường thông minh tích hợp chức năng điều khiển cơ sở đã tạo ra các giải pháp điều khiển hoàn toàn mới. Và khi không biết phải gọi tên giải pháp đó chính xác là gì, người ta sẽ dùng các khái niệm chung chung như hệ thống tự động hoá quá trình (Process Automation System), hệ thống tự động hoá xí nghiệp (Factory Automation System) hoặc hệ thống tự động hoá kỹ thuật số (Digital Automation System). Dưới đây chúng ta bàn tới một vài xu thế tiêu biểu trong tiến trình phát triển này.

[tran_hieu0983]

Bus trường
Bus trường (Fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị cấp trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiện trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vào/ra phân tán (Distributed I/O). Các thiết bị cảm biến (Sensor) hoặc cơ cấu chấp hành (Actuator) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/ cảm biến.

Trong hơn một thập kỷ qua, công nghệ bus trường đã làm thay đổi tư duy về thiết kế và lựa chọn các giải pháp tự động hoá. ứng dụng tiến bộ của các hệ thống bus trường trong các giải pháp tự động hoá cho phép giảm đáng kể chi phí đầu tư cho cấp truyền, công thiết kế, phát triển, đưa vào vận hành và bảo trì hệ thống. Hơn thế nữa, công nghệ bus trường cùng với các tiến bộ trong trong kỹ thuật vi xử lý đã mở ra khả năng ứng dụng hoàn toàn mới, đó là ghép nối các cảm biến và cơ cấu chấp hành với thiết bị điều khiển mà không cần sử dụng các khối vào/ra. Hầu hết các thiết bị đo hoặc các van tỉ lệ sử dụng trong công nghiệp ngày nay là các thiết bị thông minh, được nhúng các vi xử lý để thực hiện một số công việc tại chỗ như lọc nhiễu, tuyến tính hoá, chỉnh định thang đo, đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái v.v…

Trí tuệ nhân tạo phân tán
Các hệ thống cần được điều khiển ngày càng quy mô lớn và mức độ phức tạp hơn, rất nhiều hệ thống thể hiện tính bất định và mô hình thay đổi, đòi hỏi phải có sự phân chia thành các hệ thống con để có thể làm chủ. Các hệ thống con này có một nhiệm vụ riêng và phải có sự hợp tác với nhau trong việc giải quyết nhiệm vụ chung của toàn hệ thống. Vì thế, kiến trúc phần mềm điều khiển và giám sát trong hệ thống cũng phải có tính chất như vậy, có nghĩa là phải được phân tán thành các phần mềm tương đối độc lập, nhưng có khả năng hợp tác cho một mục đích chung của hệ thống. Thêm vào đó, các phần mềm này phải có khả năng thay thế con người trong điều khiển hệ thống với các thông số luôn biến động. Yêu cầu đó dẫn đến phải xây dựng được một phần mềm có tính tự động điều khiển, thích nghi với sự biến động của môi trường hoạt động, và có khả năng tương tác với những hướng nghiên cứu mới, hứa hẹn nhiều kết quả khả quan. Trong nhiều năm gần đây, agent (tác tử) và multi-agent (đa tác tử) được coi là các công nghệ trọng tâm của trí tuệ nhân tạo phân tán, thu hút được sự quan tâm của đông đảo giới nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thông tin.

Thuật ngữ Intelligent Agent (tác tử thông minh) được phát sinh đầu tiên trong hai lĩnh vực: Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligent-Al) và Lập trình phân tán (Distributed Progamming). Hai lĩnh vực này sau đó kết hợp lại với nhau và trở thành Trí tuệ nhân tạo phân tán - DAI (Distributed Artificial Intelligent). Ý tưởng về tác tử thông minh xuất hiện đầu tiên từ giữa năm 1950, nhưng không có sự phát triển nào kể từ đó. Phải tới những năm đầu của thập kỷ 90, khi có sự phát triển mang tính đột phá trong lĩnh vực Internet thì cùng với quan điểm lập trình hướng đối tượng, công nghệ tác tử mới thực sự được chú ý phát triển.

Tác tử là một thực thể phần mềm thông minh, có khả năng chủ động hoạt động với nhiệm vụ xác định để đạt được các mục tiêu đã đề ra. Đáng lưu ý là trong thực tế không có định nghĩa nào cho khái niệm agent được chấp nhận một cách thống nhất. Hầu như người ta chỉ có thể nhất trí rằng tự chủ (autonomy) là trọng tâm trong khái niệm tác tử. Có thể nói, chính vì đứng trên quan điểm ứng dụng khác nhau nên mỗi nhà nghiên cứu tìm cách đưa ra một định nghĩa thích hợp nhất với lĩnh vực ứng dụng cụ thể.

Trong thực tế cũng có nhiều quan điểm phân loại tác tử khác nhau. Ví dụ, một số tác giả phân biệt tác tử thông minh, tác tử di động với tác tử thông thường.

[tran_hieu0983]

Có thể nói, tác tử có những đặc điểm chính như sau:
* Thông minh và tự chủ: Các tác tử tự kiểm soát và chịu trách nhiệm về những quyết định và hành vi của mình, chủ động trong các hoạt động mà không cần đợi những tác động từ ngoài vào.
* Khả năng học: Tồn tại trong một môi trường động, các tác tử phải có khả năng học để có thể thích nghi và giải quyết nhữgn vấn đề nảy sinh.
* Khả năng giao tiếp: Giao tiếp giữa các tác tử, và giữa tác tử với con người.
* Khả năng hợp tác: Giao tiếp với các tác tử khác và với con người nhằm giải quyết những vấn đề phức tạp mà một tác tử không thể thực hiện.
* Tính di động: Một tác tử có thể di chuyển qua hệ thống, từ khu vực này đến khu vực khác nhằm thu thập dữ liệu.

Tuy nhiên, trong các đặc tính trên, chỉ đặc tính thứ nhất và thứ hai được coi là cốt lõi, còn các đặc tính khác chỉ là tiêu biểu trong các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng giao tiếp và phối hợp và hoạt động là hai đặc tính trong một hệ đa tác tử. Hay khả năng di chuyển là một đặc tính tiêu biểu trong các ứng dụng Internet, tuy không thực sự cần thiết trong nhiều hệ thống ứng dụng khác.

Các tác tử có thể thiết kế theo mô hình tác tử đơn hoặc đa tác tử. Tác tử đơn không có nghĩa là chỉ có duy nhất một tác tử hoạt động trong một hệ thống. Hệ thống có thể có nhiều tác tử nhưng một tác tử đơn không nhận biết các tác tử khác để cùng tương tác, mà nó chỉ coi các tác tử khác là một phần của môi trường xung quanh. Ngược lại, các tác tử trong một hệ đa tác tử công nhận lẫn nhau và có sự tương tác. Một hệ thống đa tác tử có thể phân chia một nhiệm vụ để nhiều tác tử cùng phối hợp giải quyết. Điều này rất có ý nghĩa trong một hệ thống điều khiển phân tán. Một sự khác nhau giữa các tác tử đơn và hệ đa tác tử là trong hệ đa tác tử, các tác tử khác nhau đều có thể tác động đến “môi trường” và thay đổi điều kiện “môi trường” làm việc của các tác tử khác.

Có nhiều lý do để sử dụng hệ đa tác tử. Ví dụ, trong một hệ thống bao gồm nhiều nhóm khác nhau có nhiệm vụ khác nhau thì phải thực hiện bằng nhiều tác tử khác nhau. Hệ đa tác tử cho phép xử lý song song nhiều quá trình, tăng tốc hệ thống. Đồng thời việc lập trình trở nên đơn giản hơn. Những hệ thống phân tán một cách tự nhiên như các hệ thống lưới cảm biến, các hệ thống điều hành sản xuất, các hệ thống điều khiển giao thông - vận tải, các hệ thống robot do thám sẽ rất phù hợp với các giải pháp hệ đa tác tử nếu chỉ nhằm một trong số các mục đích: mở rộng tính mođun, tăng tốc độ, tính tin cậy, tính linh động hay đơn thuần chỉ là phân tán hoá hệ thống tập trung. Tóm lại, giải pháp tác tử là một giải pháp mạnh nhưng không phải luôn phù hợp với bất kỳ trường hợp nào.

Nguồn: Advanced Manufacturing, 3/2005

[cuongvcs]

Dear All
Thấy bác hiếu nói về hệ thống DCS nên mình củng muốn góp một chút ít tài liệu cho các bạn nghiên cứu .
tài liệu này là tài liệu sưu tầm nay chia sẽ với mọi ngưới.
http://www.mediafire.com/?xoeri5dz57fyku1
chúc mọi người vui vẻ.

[phongnhatdo]

cám ơn pác.
tài liệu rất hay và cụ thể .

[thangngo88]

thank you very much

[roosevelt91]

co ai co tai lieu ve DCS của hang ROCKWELL ko vay,post len cho minh voi,dang can gap.thank

[hieufbivn]

Tài liệu hay quá ! Thanks a lot ! =d>

[cuongvcs]

co ai co tai lieu ve DCS của hang ROCKWELL ko vay,post len cho minh voi,dang can gap.thank

Hệ thống DCS của Rockwell Automation là PlantPAx Process Automation.
bạn có thể tìm thêm thông tin tại đây.
http://literature.rockwellautomation...%20-%20English
Good luck.

[tqh12a1]

Chào các anh, em đag có bài tập về phần các hệ thống điều khiển trong nhà máy nhiệt điện nhưg em ko tìm đc tài liệu để làm phần này, mog mọi ng có thể giúp đỡ.
Đề của em là so sánh các hệ thống điều khiển phổ biến hiện nay => khá là chug chug nên em nghĩ sẽ là so sánh các hệ thống đk DCS trog nhà máy nhiệt điện do các hãg sx khác nhau => khôg biết có chíh xác ko nữa .
Cảm ơn các a trc.