Bản thuyết minh Luận án tốt nghiệp: Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3

BẢN THUYẾT MINH LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP (Bao gồm cả những phát triển mới nhất so với luận án tốt nghiệp cũ) ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG GÓI PHẦN MỀM SFC CHO ĐIỀU KHIỂN TRÌNH TỰ THEO CHUẨN IEC 61131-3 Tác giả : Nghiêm Xuân Trường Đơn vị : Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 i MỤC LỤC 1 XUẤT XỨ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.......................................................... 1 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................... 4 2.1 Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 4 2.2 Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 6 2.2.1 Phương pháp phân tích, thiết kế và lập trình hướng đối tượng....... 6 2.2.2 Sử dụng mẫu thiết kế.................................................................... 7 2.2.3 Tìm hiểu các sản phẩm tương tự đã có.......................................... 8 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC................................... 9 3.1 Chương trình chạy (Runtime Engine – RTE)....................................... 10 3.2 Công cụ phát triển trực quan (Visual Engineering Tools) ................... 12 3.2.1 Cơ chế lưu trữ và trao đổi dữ liệu................................................ 12 3.2.2 Trao đổi thông tin giữa các thành phần trong gói phần mềm....... 14 3.2.3 Giao diện đồ họa chuẩn, dễ sử dụng, tính thông tin cao.............. 14 3.2.4 Soạn thảo biểu đồ SFC................................................................ 16 3.2.5 Hỗ trợ các biểu thức logic điều kiện............................................. 17 3.2.6 Cơ chế kiểm tra lỗi và thông báo lỗi có tính tương tác cao ........... 18 3.2.7 Dịch, nạp xuống, thực thi và quan sát sự thực thi chương trình điều khiển trên chương trình chạy.................................................................... 19 3.3 Các module phần mềm mô phỏng đối tượng điều khiển trình tự........ 20 3.3.1 Mô phỏng đối tượng lò phản ứng hóa học.................................... 21 3.3.2 Mô phỏng đối tượng máy giặt....................................................... 23 4 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................... 25 Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 1 1 XUẤT XỨ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Điều khiển trình tự là một mảng quan trọng và có vai trò không nhỏ trong điều khiển tự động. Có thể gặp rất nhiều ví dụ về điều khiển trình tự trong công nghiệp, trong dân dụng cũng như trong nhiều lĩnh vực khác. Các hệ thống trạm trộn, lò phản ứng, một dây chuyền sản xuất xi măng hay một máy giặt là các ví dụ khá điển hình cho điều khiển trình tự. Đặc biệt trong công nghiệp, điều khiển trình tự thường giữ vai trò chính điều khiển các công đoạn, các quá trình theo trình tự trong một dây chuyền sản xuất. Kể từ sau sự xuất hiện của các PLC và các hệ DCS đầu tiên, các ngôn ngữ lập trình điều khiển như LAD, FBD, IL,… đã trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Đây là những ngôn ngữ lập trình điều khiển mạnh, được hỗ trợ rất hoàn chỉnh trong hầu hết các hệ thống PLC và DCS hiện nay và đã được chuẩn hóa trong tiêu chuẩn IEC 61131-3. Tuy nhiên các ngôn ngữ này lại tỏ ra không phù hợp cho lập trình điều khiển trình tự bởi những lý do sau: o Khó hình dung, thiếu trực quan: các đoạn mã điều khiển trình tự viết bằng các ngôn ngữ lập trình này thường thiếu trực quan, khó hình dung. Dường như không có một sự liên hệ rõ ràng giữa các đoạn mã lệnh với các giai đoạn trong trình tự điều khiển. o Do khó hình dung và thiếu trực quan nên việc lập trình điều khiển trình tự sử dụng các ngôn ngữ này sẽ gặp nhiều khó khăn, phức tạp. Ngoài ra, việc phân tích, tìm hiểu hệ thống cũng trở nên không đơn giản. o Dễ mắc lỗi, khó phát hiện và sửa lỗi: đây là hệ quả tất yếu của những khó khăn trên. Việc kiểm tra, phát hiện nguyên nhân và sửa lỗi thường khó khăn và tốn kém nhiều thời gian, công sức. o Kém linh hoạt, khó mở rộng: khi cần thêm, bớt hay sửa đổi một công đoạn nào đó, dù đơn giản, người lập trình cũng có thể gặp nhiều khó khăn, phải sửa lại không ít mã chương trình và có thể lại mắc những lỗi nào đó. Nguyên nhân cơ bản của các khó khăn trên là do bản chất của các ngôn ngữ lập trình này không phù hợp để mô tả các hệ thống hoạt động theo trình tự. Ngôn ngữ lập trình SFC, một trong các ngôn ngữ lập trình được qui định trong chuẩn IEC 61131-3, tỏ ra rất thích hợp cho điều khiển trình tự. Dựa trên cơ sở mạng Petri và Grafcet, ngôn ngữ SFC được xây dựng phục vụ cho việc mô tả và lập trình điều khiển các hệ thống hoạt động theo trình tự. Grafcet là một công cụ Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 2 mạnh, được xây dựng từ những yêu cầu rất thực tế trong quá trình sử dụng và lập trình các thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC): o Yêu cầu mô tả trình tự các trạng thái của một hệ thống sự kiện rời rạc với một số lượng rất lớn các trạng thái. o Hỗ trợ khả năng hoạt động song song. o Chỉ mô tả những thay đổi, những hành động thực sự được thực hiện khi có những thay đổi ở đầu vào và che đi tất cả những gì không thay đổi. Điều này làm giảm độ phức tạp của hệ thống và rất hữu ích khi cần tìm hiểu, phân tích hay mô tả những hệ thống lớn, phức tạp. Ngôn ngữ SFC là sự cụ thể hóa của Grafcet, có tính đến các yếu tố kĩ thuật và chức năng điều khiển, và đã được chuẩn hóa. Trong chuẩn IEC 61131-3, SFC không được gọi là một ngôn ngữ lập trình mà là một phương pháp mô tả và tổ chức các chương trình điều khiển. Tuy nhiên, trong thực tế, SFC vẫn thường được gọi và được coi như một ngôn ngữ lập trình điều khiển, cũng giống như các ngôn ngữ lập trình LAD, FBD,… Để quen thuộc và tránh gây khó khăn cho người đọc, tài liệu này sẽ sử dụng cách gọi “ngôn ngữ lập trình SFC”. Ngôn ngữ SFC đã được sử dụng trong một số hệ thống PLC và DCS hiện nay như các sản phẩm của Siemens, Emerson, Honeywell,… Tuy nhiên, bên cạnh giá thành cao và những hạn chế do vấn đề bản quyền, các sản phẩm phần mềm của các hãng này thường đòi hỏi phải đi kèm với các thiết bị phần cứng của chính hãng. Nói cách khác, để lập trình cho các thiết bị điều khiển của hãng thì phải sử dụng các phần mềm của hãng, và ngược lại phần mềm của hãng cũng chỉ dùng được hoặc chỉ phát huy hiệu quả tốt nhất trên những phần cứng của hãng. Điều này gây những hạn chế nhất định khi ứng dụng và gây khó khăn cho công tác nghiên cứu, giảng dạy. Bên cạnh đó, một số hệ thống thực hiện ngôn ngữ lập trình SFC không hoàn chỉnh và thiếu nhiều tính năng đã được qui định trong chuẩn. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và thử nghiệm chế tạo các thiết bị điều khiển dựa trên nền vi xử lý đang được thúc đẩy khá mạnh mẽ ở Việt Nam. Tuy nhiên, có một thực tế là các sản phẩm phần mềm của Việt Nam sử dụng cho các thiết bị này lại rất hạn chế và ít được chú ý phát triển. Hầu như chỉ có các phần mềm nhỏ, lẻ, đơn giản và chủ yếu phục vụ cho một mục đích sử dụng hẹp nào đó. Thực tế trên đặt ra khá cấp bách nhu cầu về các phần mềm của Việt Nam phục vụ cho lập trình điều khiển, có thể sử dụng trong nghiên cứu giảng dạy và trong Xây dựng gói phần mềm SFC cho điều khiển trình tự theo chuẩn IEC 61131-3 3 công nghiệp. Đó cũng chính là mục đích và động lực để đồ án tốt nghiệp này được thực hiện. Mục tiêu đặt ra đối với đồ án Mục tiêu bước đầu đặt ra là xây dựng một gói phần mềm bao gồm ba phần chính: o Chương trình chạy (Runtime Engine - RTE) thực thi các chương trình điều khiển trên các bộ điều khiển mà không cần biên dịch. Chương trình điều khiển được xây dựng dưới dạng cấu hình, sử dụng một ngôn ngữ trung gian với định dạng riêng, đảm bảo tính khả chuyển và không phụ thuộc nền tảng. Trước mắt, các bộ điều khiển được lựa chọn hỗ trợ là các máy tính cá nhân công nghiệp (ví dụ như PC/104), chạy trên nền hệ điều hành Windows NT. o Công cụ phát triển trực quan (Visual Engineering Tool - VET) cho phép lập trình điều khiển một cách trực quan bằng phương pháp kéo – thả và khai báo đặt cấu hình cũng như hỗ trợ theo dõi quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển theo từng bước. Ngôn ngữ lập trình được hỗ trợ đầu tiên là SFC. Các ngôn ngữ lập trình khác sẽ dần được thực hiện trong thời gian tới. o Các module phần mềm mô phỏng đối tượng điều khiển trình tự là công cụ rất hữu ích phục vụ cho công tác học tập, giảng dạy, thí nghiệm. Hai đối tượng điều khiển trình tự được mô phỏng là lò phản ứng và máy giặt. ... - tailieumienphi.vn