Bài giảng Hệ thống PLC và DCS - Chương 5: Phần mềm điều khiển

Chia sẻ: Đinh Hồng Bộ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

148
lượt xem 38
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hệ thống PLC và DCS - Chương 5: Phần mềm điều khiển trình bày các vấn đề TGT trong các hệ thống điều khiển, lập trình theo chuẩn IEC 61131-3, phương pháp luận khối chức năng và chuẩn IEC 61499.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống PLC và DCS - Chương 5: Phần mềm điều khiển

Chương 5: Phần mềm điều khiển 5.1 Vấn đề TGT trong các hệ thống điều khiển 5.2 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 Chương 5 5.3 Phương pháp luận khối chức năng và chuẩn IEC 61499  HMS Tháng Sáu 2015 1
Nội dung liên ngành Hệ thời gian thực Chương 5 Kỹ thuật Khoa học Hệ điều khiển điều khiển máy tính PLC & DCS Công nghệ truyền thông Hệ phân tán Mạng truyền thông công nghiệp  HMS Tháng Sáu 2015 2
5.1 Vấn đề thời gian thực trong các hệ thống điều khiển  Khái niệm thời gian thực, hệ thời gian thực và xử lý thời gian thực Chương 5  Khái niệm tác vụ và vai trò của xử lý cạnh tranh trong các hệ thống điều khiển  Lập trình điều khiển thời gian thực  Hệ điều hành thời gian thực  HMS Tháng Sáu 2015 3
5.1.1 Khái niệm về hệ thời gian thực A real-time system is one in which the correctness of the system depends not only on the logical results, but also on the time at which the results are produced. Chương 5 Một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài. Hệ thống có lỗi khi thời gian yêu cầu không được thoả mãn. JOHN A. STANKOVIC ET AL.: Strategic Directions in Real-Time and Embedded Systems. ACM Computing Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996 Thời gian thực không phải là thời gian tuyệt đối Tính năng thời gian thực không đồng nghĩa với tốc độ tính toán rất nhanh  HMS Tính năng thời gian thực = tính chính xác + tính kịp Tháng Sáu 2015 thời 4
Các dạng của “tính kịp thời” Sự kiện Phản ứng Sự kiện Phản ứng T T Chương 5 ts tp Thời gian ts tp1 tp2 Thời gian a) Chính xác tại ... (t = tp) b) Trong khoảng ... (tp2  t  tp2 ) Sự kiện Phản ứng Sự kiện Phản ứng T T ts tp Thời gian ts tp Thời gian c) Chậm nhất là ... (t  tp) d) Sớm nhất là ... (t  tp)  HMS Tháng Sáu 2015 5
Đặc điểm của một hệ thời gian thực  Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời điểm không biết trước.  Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một Chương 5 cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời.  Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự kiện diễn ra.  Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng.  HMS Tháng Sáu 2015 6
Liên quan tới HTđiều khiển? Mỗi hệ thống điều khiển là một hệ thời gian thực Chất lượng điều khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, mà còn phụ thuộc vào khả năng phản ứng của hệ thống, thời điểm đọc tín hiệu đầu vào (tín hiệu đo), vào Chương 5 thời gian tính toán luật điều khiển và thời điểm đưa ra tín hiệu điều khiển Tính năng thời gian thực của một HTĐK phụ thuộc cả vào phần cứng và phần mềm và vào kiến trúc hệ thống  Phần cứng: Tốc độ tính toán của vi xử lý, tốc độ chuyển đổi DA/AD, cơ chế vào/ra, chậm trễ trong các thiết bị  Phần mềm: Thuật toán điều khiển, phương pháp lập trình, tổ chức thực hiện chương trình Tính năng TGT của một HTĐK liên quan tới tính mạng con người Phần lớn các hệ thời gian thực là các hệ thống điều  HMS khiển Tháng Sáu 2015 7
Hai dạng hệ thống điều khiển thời gian thực tiêu biểu 1. Hệ thống nhúng (Embedded Systems) – Các hệ thống điều khiển chuyên dụng, đặc chủng cho các thiết bị, máy móc đơn lẻ Chương 5 – Máy tính điều khiển là một phần không tách rời của thiết bị được điều khiển – Dựa trên nền vi xử lý, nhân thời gian thực, hệ điều hành thời gian thực – Ví dụ ứng dụng: công nghiệp hàng không-vũ trụ, robot công nghiệp, phương tiện giao thông, ... 2. Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control Systems) – Distributed Control Systems (DCS), Programmable Logic Controllers (PLC), Soft-PLCs – Các hệ thống điều khiển phân cấp, phân tán  HMS – Ứng dụng trong CN chế biến, CN chế tạo Tháng Sáu 2015 8
Xử lý thời gian thực là gì? Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó. Chương 5 Luôn liên quan với các sự kiện bên ngoài (tính phản ứng) Yêu cầu cao về hiệu suất phần mềm (tính nhanh nhạy) Đòi hỏi xử lý đồng thời nhiều tác vụ (tính đồng thời) Đòi hỏi cơ sở lý thuyết chặt chẽ phục vụ phân tích  HMS và đánh giá (tính tiền định) Tháng Sáu 2015 9
Tại sao phải nghiên cứu về xử lý thời gian thực?  Xử lý thời gian thực là nguyên lý làm việc cơ bản của mỗi bộ điều khiển, nhìn từ quan điểm tin học Chương 5  Chất lượng điều khiển và độ tin cậy của hệ thống điều khiển không chỉ phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, công nghệ phần cứng, mà còn phụ thuộc một cách tất yếu vào phương pháp xử lý thời gian thực  Chúng ta còn biết quá ít về cơ chế thực hiện các chức năng bên trong một bộ điều khiển (số)  HMS Tháng Sáu 2015 10
5.1.2 Khái niệm “tác vụ” (task) và xử lý cạnh tranh  Một quá trình tính toán cho một nhiệm vụ cụ thể, có thể được thực hiện đồng thời, ví dụ: – Các tác vụ xử lý giá trị vào/ra Chương 5 – Các tác vụ điều chỉnh – Các tác vụ điều khiển logic – Các tác vụ xử lý biến cố – ...  Một tác vụ là sự thi hành một chương trình hoặc một phần chương trình – Một chương trình chạy nhiều lần => nhiều tác vụ – Một đoạn mã chương trình (ví dụ một hàm) được gọi tuần hoàn với các chu kỳ khác nhau => nhiều tác vụ khác nhau  Multitasking (đa nhiệm): khả năng thi hành đồng thời  HMS nhiều tác vụ Tháng Sáu 2015 11
Các trạng thái của một tác vụ  Trạng thái nghỉ, chưa tồn tại (Dormant, Nonexistence): Task trong bộ nhớ nhưng hệ điều hành không quản lý.  Trạng thái sẵn sàng (Ready state): Khi Chương 5 nó có thể được điều hoạt nhưng hiện DORMANT READY đang có một Task khác có mức ưu tiên cao hơn đang được thực hiện.  Trạng thái chạy (Running state): Khi nó đang được điều khiển bởi CPU WAITING RUNNING  Trạng thái đợi (Waiting state) : Khi nó đang chờ một sự kiện xảy ra để được sẵn sàng như một sự kiện vào/ra, khi tài nguyên chung có thể sử dụng hay là khi có các ngắt thời gian.  HMS Tháng Sáu 2015 12
Chương 5 Phân loại tác vụ (IEC 61131-3) Chờ tới chu kỳ Chờ sự kiện Thời gian Sự kiện Mã thực thi Mã thực thi Mã thực thi Tác vụ mặc định Tác vụ tuần hoàn Tác vụ sự kiện Ví dụ: Ví dụ: Ví dụ: - Điều khiển logic - Điều chỉnh vòng kín - Điều khiển trình tự - Kiểm tra lỗi - Xử lý truyền thông - Xử lý sự cố  HMS Tháng Sáu 2015 13
Quản lý tác vụ tuần hoàn void OldTask(void *pdata) { while(1){ // user codes Chương 5 // ... OSTimeDly(nTick); } } void NewTask(void *pdata) { while(1){ // user codes // ... OSWaitPeriod(); } }  HMS Tháng Sáu 2015 14
Các hình thức xử lý đồng thời  Xử lý song song: Các tác vụ (task) được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý  Xử lý cạnh tranh: Nhiều tác vụ chia sẻ thời gian của Chương 5 một bộ xử lý.  Xử lý phân tán: Mỗi (nhóm) tác vụ được thực hiện riêng trên một máy tính (trường hợp đặc biệt của xử lý song song). Xử lý cạnh tranh là hình thức quan trọng nhất trong các hệ thống điều khiển (có thể kết hợp với xử lý  HMS phân tán) Tháng Sáu 2015 15
Xử lý cạnh tranh  Các vấn đề: Chương 5 – Tổ chức, lập lịch phân chia tài nguyên cho các tác vụ – Giao tiếp giữa các tác vụ – Đồng bộ hóa giữa các tác vụ  HMS Tháng Sáu 2015 16
Phương pháp lập lịch  Cơ chế lập lịch – Lập lệnh tĩnh: thứ tự thực hiện các tác vụ được xác định trước khi hệ thống đi vào hoạt động. – Lập lệnh động: thứ tự thực hiện các tác vụ được xác định trong khi hệ thống đang hoạt động. Chương 5  Sách lược lập lịch – FIFO: đến trước sẽ được thực hiện trước. – Mức ưu tiên cố định/động: các tác vụ được đặt các mức ưu tiên cố định hoặc có thể thay đổi nếu cần. – Preemptive: chen hàng, chọn một tác vụ để thực hiện trước các tác vụ khác. – Non-preemptive: không chen hàng, các tác vụ được thực hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng.  Thuật toán lập lịch – Rate monotonic: càng thường xuyên càng được ưu tiên. – Deadline monotonic: càng gấp càng được ưu tiên.  HMS – Least laxity: tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng (deadline) càng lớn càng được ưu tiên. Tháng Sáu 2015 17
Các vấn đề thời gian trong các hệ điều khiển phân tán  Không đồng bộ trong các chu kỳ hoạt động của các Controller thiết bị Tc Chương 5  Đặc tính khác nhau của các hệ bus  Thời gian trễ bất định  Chù kỳ trích mẫu biến thiên Tbus Tin Bus trường Tout I/O I/O Tio I/O I/O Tsd Tad Sensor Sensor Ts Ta Actuator Actuator  HMS Tháng Sáu 2015 18
5.1.3 Hệ điều hành thời gian thực  Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trình ứng dụng xử lý thời gian thực  Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp (PLC, Chương 5 DCS,...) đều hoạt động trên nền một hệ điều hành thời gian thực (RTOS, Real-time Operating System)  Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ thời gian thực  Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ đa nhiệm (multitasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc/và xử lý song song.  HMS Tháng Sáu 2015 19
Các nhiệm vụ chính của hệ điều hành thời gian thực trong một bộ điều khiển  Nạp chương trình, hỗ trợ thử nghiệm, gỡ rối chương trình Chương 5  Quản lý dữ liệu vào/ra và quản lý truyền thông – Giúp các chương trình ứng dụng dễ dàng truy cập dữ liệu mà không cần quan tâm tới cơ chế phần cứng cụ thể  Quản lý tác vụ: – Lập lịch: Phân chia thời gian CPU cho thi hành các tác vụ khác nhau (trong xử lý cạnh tranh) – Hỗ trợ đồng bộ hóa quá trình: Giúp các tác vụ chia sẻ tài nguyên sử dụng chung (bộ nhớ, cổng vào/ra,..) – Hỗ trợ giao tiếp liên quá trình: Giúp các tác vụ thực hiện giao tiếp, trao đổi dữ liệu hoặc phối hợp hoạt động  HMS  Các chức năng kiểm tra, chẩn đoán lỗi Tháng Sáu 2015 20