Bài giảng Hệ thống điều khển phân tán - Hoàng Minh Sơn

48 trang huongle 3620

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ thống điều khển phân tán - Hoàng Minh Sơn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_he_thong_dieu_khen_phan_tan_hoang_minh_son.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống điều khển phân tán - Hoàng Minh Sơn

HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN PHÂN TÁN Lecture Notes (Chưa cập nhật từ 8/2003) TS. Hoàng Minh Sơn BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, KHOA ĐIỆN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
MỤC LỤC 1 NHẬP MÔN 5 1.1 Phạm vi đề cập 5 1.2 Nội dung chương trình 5 1.3 Yêu cầu kiến thức cơ sở 5 1.4 Tổng quan các giải pháp điều khiển 6 1.4.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển 6 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 6 2 CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 8 2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản 8 2.2 Mô hình phân cấp 9 2.2.1 Cấp chấp hành 10 2.2.2 Cấp điều khiển 10 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát 10 2.3 Cấu trúc điều khiển 11 2.3.1 Điều khiển tập trung 11 2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 12 2.3.3 Điều khiển phân tán 12 2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 13 3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 15 3.1 Cấu hình cơ bản 15 3.1.1 Trạm điều khiển cục bộ 15 3.1.2 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa 17 3.1.3 Trạm vận hành 18 3.1.4 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển 19 3.1.5 Bus hệ thống 20 3.2 Phân loại các hệ DCS 21 3.2.1 Các hệ DCS truyền thống 21 3.2.2 Các hệ DCS trên nền PLC 22 3.2.3 Các hệ DCS trên nền PC 25 3.3 Các vấn đề kỹ thuật 26 4 XỬ LÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬ LÝ PHÂN TÁN 27 4.1 Một số khái niệm cơ bản 27 4.1.1 Hệ thống thời gian thực 27 4.1.2 Xử lý thời gian thực 27 4.1.3 Hệ điều hành thời gian thực 28 4.1.4 Xử lý phân tán 29 4.2 Các kiến trúc xử lý phân tán 30 4.3 Cơ chế giao tiếp 31 4.4 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán 32
2 4.4.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra 32 4.4.2 Đồng bộ hóa thời gian 32 5 CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 33 5.1 Lập trình hướng đối tượng 33 5.2 Phân tích và thiết kế hướng đối tượng 33 5.2.1 Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML 34 5.2.2 Mẫu thiết kế 35 5.2.3 Phần mềm khung 35 5.3 Phần mềm thành phần 36 5.4 Đối tượng phân tán 37 6 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN 38 6.1 Yêu cầu chung 38 6.2 Các mẫu thiết kế 38 6.3 Giới thiệu chuẩn CORBA 39 6.4 Giới thiệu chuẩn COM/DCOM 40 6.4.1 Giao diện 41 6.4.2 Đối tượng COM 41 6.4.3 Giao tiếp giữa client và object 44 6.4.4 Ngôn ngữ mô tả giao diện 46 6.4.5 Mô hình đối tượng thành phần phân tán DCOM 46 7 CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 48 7.1 IEC-61131 48 7.1.1 Mô hình phần mềm 48 7.1.2 Mô hình giao tiếp 49 7.2 IEC-61499 51 7.2.1 Mô hình hệ thống 51 7.2.2 Mô hình thiết bị 52 7.2.3 Mô hình tài nguyên 52 7.2.4 Mô hình ứng dụng 53 7.2.5 Mô hình khối chức năng 54 7.2.6 Mô hình phân tán 56 7.2.7 Mô hình quản lý 56 7.2.8 Mô hình trạng thái hoạt động 56 8 MỘT SỐ CHUẨN GIAO TIẾP CÔNG NGHIỆP 58 8.1 MMS 58 8.2 IEC-61131-5 60 8.2.1 Mô hình giao tiếp mạng 60 8.2.2 Dịch vụ giao tiếp 61 8.2.3 Các khối chức năng giao tiếp 62 8.3 OPC 63 8.3.1 Tổng quan về kiến trúc OPC 63 © 2005, Hoàng Minh Sơn
3 8.3.2 OPC Custom Interfaces 65 8.3.3 OPC Automation Interface 66 8.4 Ngôn ngữ đánh dấu khả mở XML 67 8.4.1 Giới thiệu chung 67 8.4.2 Ứng dụng XML trong phần mềm khung iPC 68 9 MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 70 9.1 Các phương pháp mô tả đồ họa 70 9.2 Lưu đồ P&ID 71 9.2.1 Chuẩn ISA S5.1 71 9.2.2 Chuẩn ISA S5.3 75 9.3 Mô hình hóa hướng đối tượng 77 10 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 78 10.1 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 78 10.1.1 Kiểu dữ liệu 79 10.1.2 Tổ chức chương trình 81 10.1.3 Ngôn ngữ FBD 83 10.1.4 Ngôn ngữ ST 84 10.1.5 Ngôn ngữ SFC 85 10.2 Lập trình với ngôn ngữ bậc cao 85 11 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 87 11.1 Giới thiệu chung về các hệ điều khiển giám sát 87 11.1.1 Các thành phần chức năng cơ bản 88 11.1.2 Công cụ phần mềm SCADA/HMI 89 11.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống 91 11.3 Thiết kế giao diện người-máy 92 11.3.1 Yêu cầu chung 92 11.3.2 Các phương pháp giao tiếp người-máy 92 11.3.3 Thiết kế cấu trúc màn hình 92 11.3.4 Các nguyên tắc thiết kế 93 12 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 94 12.1 Đặt vấn đề 94 12.2 Cơ chế dự phòng 94 12.3 Cơ chế an toàn 95 12.4 Cơ chế khởi động lại sau sự cố 95 12.5 Bảo mật 95 12.6 Bảo trì 95 13 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 97 13.1 Đánh giá và lựa chọn các sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 97 13.1.1 Phạm vi chức năng 97 13.1.2 Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần 97 13.1.3 Tính năng mở 97 © 2005, Hoàng Minh Sơn
4 13.1.4 Phát triển hệ thống 97 13.1.5 Độ tin cậy và tính sẵn sàng 98 13.1.6 Giá thành, chi phí 98 13.2 So sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với các giải pháp khác 98 14 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 100 14.1 PCS7 của Siemens 100 14.2 PlantScape của Honeywell 100 14.3 DeltaV của Fisher Rosermount 100 14.4 Centum CS1000/CS3000 của Yokogawa 100 14.5 AdvantOCS của ABB 100 15 MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 101 15.1 Trí tuệ nhân tạo phân tán 101 15.2 Điều khiển và giám sát các hệ thống giao thông 102 15.2.1 Đặt vấn đề 102 15.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông bằng công nghệ Agent 102 15.3 Điều khiển và giám sát các hệ thống sản xuất và cung cấp điện 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 © 2005, Hoàng Minh Sơn
5 1 NHẬP MÔN 1.1 Phạm vi đề cập Phạm vi đề cập của môn Hệ thống ₫iều khiển phân tán là các hệ thống tự động hoá hiện đại có cấu trúc phân tán trong công nghiệp cũng như trong nhiều lĩnh vực khác. Môn học được xây dựng trên cơ sở ứng dụng các tiến bộ mới nhất của kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyền thông công nghiệp, công nghệ phần mềm vào trong các hệ thống điều khiển và giám sát. Mục đích của môn học cho sinh viên làm quen với cấu trúc và các thiết bị phần cứng cũng như các thành phần phần mềm của các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại, nắm được các nguyên tắc và phương pháp cơ bản cho hướng giải quyết những bài toán thường được đặt ra trong thực tế như thiết kế cấu trúc hệ thống, tích hợp hệ thống, đưa vào vận hành và chẩn đoán hệ thống. Bên cạnh đó, môn học đưa ra các hướng nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mới, tạo cơ sở cho các sinh viên muốn tiếp tục học và nghiên cứu ở các bậc sau đại học. 1.2 Nội dung chương trình Nội dung bài giảng bao gồm các chủ đề chính sau: • Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát: Mô hình phân cấp, các thành phần chức năng cơ bản, mô tả hệ thống • Cơ sở tin học: Xử lý phân tán, công nghệ hướng đối tượng, phần mềm thành phần • Các hệ thống điều khiển phân tán truyền thống (DCS): Cấu trúc hệ thống, các thành phần hệ thống, phương pháp phát triển hệ thống, giới thiệu một số hệ DCS tiêu biểu. • Các hệ thống điều khiển phân tán trên nền PLC (PLC-based DCS) • Các hệ thống điều khiển phân tán trên nền PC (PC-based DCS) • Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA): Cấu trúc hệ thống, công cụ phần mềm, thiết kế giao diện người-máy • Các chuẩn giao tiếp công nghiệp: MMS, OPC, XML • Các hướng nghiên cứu và ứng dụng. 1.3 Yêu cầu kiến thức cơ sở Phần lớn nội dung các bài giảng mang tính chất tổng hợp, liên môn, giành cho sinh viên năm cuối. Bên cạnh các môn cơ sở chuyên ngành, yêu cầu học viên phải nắm vững kiến thức cơ bản trong các môn học sau: • Điều khiển số • Mạng truyền thông công nghiệp • Kỹ thuật lập trình C++ (hướng đối tượng) © 2005, Hoàng Minh Sơn
6 1.4 Tổng quan các giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển Khi xây dựng một giải pháp điều khiển, ta phải quan tâm tới qui mô và đặc thù của lĩnh vực ứng dụng. Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu và các giải pháp điều khiển đặc thù tương ứng được tóm tắt dưới đây. • Điều khiển các thiết bị và máy móc đơn lẻ (công nghiệp và gia dụng): Các máy móc, thiết bị được sản xuất hàng loạt, vì vậy yêu cầu đầu tư cho giải pháp điều khiển phải thật tiết kiệm (chương trình nhỏ, tốn ít bộ nhớ). Các bài toán điều khiển có thể rất khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển phản hồi, điều khiển chuyển động, điều khiển mờ, Các giải pháp điều khiển tiêu biểu là điều khiển nhúng (μP, μC), CNC, PLC, • Tự động hóa công nghiệp, được chia ra hai lĩnh vực: • Công nghiệp chế biến, khai thác: Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển quá trình (process control), điều khiển trình tự (sequence control), bên cạnh điều khiển logic. Các thiết bị được dùng phổ biến là PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controllers. • Công nghiệp chế tạo, lắp ráp: Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển sự kiện rời rạc. Các thiết bị được dùng chủ yếu là PLC, CNC, PC. Nay các hệ DCS cũng tìm được một số ứng dụng trong lĩnh vực này. • Điều khiển các hệ thống giao thông, vận tải: Đặc thù là các bài toán điều khiển logic, điều khiển sự kiện rời rạc. Các thiết bị được dùng là PLC, DCS, PC, μP, μC, • Điều khiển các hệ thống phân phối năng lượng (dầu khí, gas, điện): Kết hợp giữa các bài toán điều khiển quá trình với điều khiển sự kiện rời rạc, điều khiển logic, sử dụng PLC, DCS, IPC, • Tự động hóa tòa nhà: Rơle, PLC, μp, μC, • Điều khiển và giám sát các hệ thống quốc phòng: IPC, μP, μC, DSP và các thiết bị đặc chủng khác. • Điều khiển và giám sát các hệ thống thủy lợi, môi trường: PLC, IPC, • 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp Chương trình học đặt trọng tâm vào các giải pháp điều khiển công nghiệp, chia làm hai lĩnh vực ứng dụng cơ bản: • Công nghiệp chế biến, khai thác (Process Industry): Dầu khí, hóa dầu, hóa mỹ phẩm, dược phẩm, xi măng, giấy, • Công nghiệp chế tạo, lắp ráp (Manufactoring Industry): Công nghiệp ôtô, máy công cụ, công nghiệp điện tử, vi điện tử, thiết bị dân dụng, © 2005, Hoàng Minh Sơn
7 TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP (Công nghiệp chế biến, khai thác) (Công nghiệp chế tạo, lắp ráp) Các bộ điều chỉnh cư Các thiết bị cơ khí Thiết bị điều chỉnh PID khí Rõle điện – cơ, nén (1920-1930) (1920) Các mạch logic lập trình cứng Thiết bị điều chỉnh PID (PLD, 1960) điện tử (1940-1950) Điều khiển số trực tiếp Thiết bị điều khiển (DDC, 1965-1975) khả trình (PLC, 1970) Bộ điều chỉnh số gọn Hệ ĐKPT tích hợp (CDC, 1980) (DCS, 1975) PC công nghiệp (IPC) PLC-based DCS PC-104, CompactPCI, SBC PLC mềm (PC-based Control) (Soft-PLC, 1996) PC-based DCS Hệ điều khiển lai Hệ điều khiển trường (FCS, 2000) Hình 1-1: Lịch sử phát triển các giải pháp ₫iều khiển © 2005, Hoàng Minh Sơn
8 2 CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình được minh họa trên Hình 2-1. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Trong khi đó, hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy. Các thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông. Hệ thống điều khiển giám sát NI NI Thiết bị điều khiển tự động NI I/O NI nối trực tiếp NI nối qua mạng I/O NI network interface NI (giao diện mạng) Cảm biến và chấp hành I/O input/output (vào/ra) Quá trình kỹ thuật Hình 2-1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ₫iều khiển và giám sát Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ). Trước khi có thể xử lý trong máy tính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính. Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị. Đó chính là các chức năng của các module vào/ra (I/O). Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây: • Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu. © 2005, Hoàng Minh Sơn
9 • Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng. • Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp. • Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống. • Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn. 2.2 Mô hình phân cấp Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp. Tính toán giá thành, lãi suất thống kê số liệu sản xuất, kinh doanh, QL xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên công ty Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản Điều hành xuất, bảo dưỡng máy móc, sản xuất tính toán tối ưu hoá sản xuất Giám sát, vận hành, Điều khiển cao cấp, Điều khiển giám sát Lập báo cáo Cấp điều khiển quá Điều khiển, điều chỉnh, trình bảo vệ, an toàn ghi chép tường trình Điều khiển Đo lường, truyền động, Cấp trường chuyển đổi tín hiệu Chấp hành Quá trình kỹ thuật Hình 2-2: Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống ₫iều khiển và giám sát © 2005, Hoàng Minh Sơn
10 2.2.1 Cấp chấp hành Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh1 cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin, trước khi đưa lên cấp điều khiển. 2.2.2 Cấp điều khiển Nhiệm vụ chính của cấp ₫iều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành. Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính. 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, ). Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm, ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết. Ngược lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi. 1 Một thiết bị được gọi là thông minh, khi nó có khả năng xử lý thông tin. Thực tế, mỗi thiết bị thông minh phải có ít nhất một bộ vi xử lý riêng. © 2005, Hoàng Minh Sơn
11 2.3 Cấu trúc điều khiển Biến thể của cấu trúc cơ bản trên Hình 2-1 tìm thấy trong các giải pháp thực tế khác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vị trí các máy tính quá trình và phụ kiện được lựa chọn. Căn cứ vào đó, ta có thể phân biệt giữa cấu trúc điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân tán, cấu trúc vào/ra tập trung và cấu trúc vào/ra phân tán. 2.3.1 Điều khiển tập trung Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system) được minh họa trên Hình 2-3. Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật. Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình. Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thông thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ra của nó. Cách bố trí vào/ra tại máy tính điều khiển như vậy cũng được gọi là vào/ra tập trung (central I/O). MTĐK Phòng điều khiển trung tâm I/O Hiện trường A S A S A S Phân đoạn 1 Phân đoạn 2 Phân đoạn n I/O: input/output A: actuator S: sensor Hình 2-3: Cấu trúc ₫iều khiển tập trung với vào/ra tập trung Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975. Ngày nay, cấu trúc tập trung trên đây thường thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa qui mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau: • Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao • Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn • Độ tin cậy kém. © 2005, Hoàng Minh Sơn
12 2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược điểm cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế, lắp đặt. Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số lớn. Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường như đã nêu trong phần trước. Hình 2-4 minh họa một cấu hình mạng đơn giản. Ở đây các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, vì vậy được gọi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O). Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh (màu xám trên hình vẽ), có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra. Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều khiển đơn giản. MTĐK Phòng ĐK trung tâm bus trường Hiện trường I/O I/O I/O S A S A S A S A S A Hình 2-4: Cấu trúc ₫iều khiển tập trung với vào/ra phân tán Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau: • Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây • Giảm kích thước hộp điều khiển • Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản • Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản • Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng) • Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống. 2.3.3 Điều khiển phân tán Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữa của hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau. Để khắc © 2005, Hoàng Minh Sơn
13 phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như Hình 2-5 minh họa. PHÒNG ĐIỀU MTGS KHIỂN TRUNG TÂM MTGS bus hệ thống MTĐK MTĐK PHÒNG ĐIỀU MTĐK 1 2 KHIỂN CỤC BỘ n A S A S A S HIỆN TRƯỜNG Phân đoạn 1 Phân đoạn 2 Phân đoạn n Hình 2-5: Cấu trúc ₫iều khiển phân tán với vào/ra tập trung Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển/phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển. Trong phần lớn các trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống. Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ ₫iều khiển phân tán (HĐKPT). Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung. Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất. 2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán Lưu ý rằng Hình 2-5 chỉ minh họa cách ghép nối điểm-điểm giữa một máy tính điều khiển với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung. Tuy nhiên, ta cũng có thể sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vào/ra phân tán như trên Hình 2-6. Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại © 2005, Hoàng Minh Sơn
14 phòng điều khiển trung tâm hoặc tại các phòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và khả năng kéo dài của bus trường. Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại. Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh tế cũng đóng vai trò quan trọng. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin, chức năng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề cho kiến trúc “trí tuệ phân tán” (distributed intelligence) trong tương lai. MTGS MTGS bus hệ thống PHÒNG ĐIỀU KHIỂN MTĐK n TRUNG TÂM MTĐK 1 MTĐK 2 PHÒNG ĐIỀU bus trường bus trường KHIỂN CỤC BỘ bus trường I/O I/O I/O S A S A S A HIỆN TRƯỜNG Phân đoạn 1 Phân đoạn 2 Phân đoạn n Hình 2-6: Cấu trúc ₫iều khiển phân tán với vào/ra phân tán © 2005, Hoàng Minh Sơn
15 3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 3.1 Cấu hình cơ bản Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán được minh họa trên Hình 3-1, bao gồm các thành phần sau: • Các trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn được gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá trình (process station, PS). • Các trạm vận hành (operator station, OS) • Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) và các công cụ phát triển • Hệ thống truyền thông (field bus, system bus). MáyPC tính phòng thí Factory LAN Operator Operator Engineering Station Station Station System bus Local Control Local Control Station Station Remote I/O Station PROCESS Hình 3-1: Cấu hình cơ bản một hệ ₫iều khiển phân tán Đây là cấu hình tối thiểu, các cấu hình cụ thể có thể chứa các thành phần khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng, 3.1.1 Trạm điều khiển cục bộ Thông thường, các trạm điều khiển cục bộ được xây dựng theo cấu trúc module. Các thành phần chính bao gồm: • Bộ cung cấp nguồn, thông thường có dự phòng • Khối xử lý trung tâm (CPU), có thể lựa chọn loại có dự phòng © 2005, Hoàng Minh Sơn
16 • Giao diện với bus hệ thống, thông thường cũng có dự phòng • Giao diện với bus trường nếu sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán • Các module vào/ra số cũng như tương tự, đặc biệt là các module vào/ra an toàn cháy nổ Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được nối với CPU thông qua bus nội bộ đằng sau giá đỡ (backplane-bus). Chính vì vậy, các module này cũng phải do nhà sản xuất cung cấp kèm theo CPU. Trong các hệ thống điều khiển quá trình, một trạm điều khiển cục bộ cũng thường được cài đặt giao diện HART và các module ghép nối phụ kiện khác. Các thiết bị này được lắp đặt trong tủ điều khiển cùng với các linh kiện hỗ trợ khác như hàng kẹp đấu dây, các bộ chuyển đổi tín hiệu (transducers), các khối đầu cuối (terminal blocka), Các tủ điều khiển thường được đặt trong phòng điều khiển/phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện trường. Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ đảm nhiệm bao gồm: • Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ đậm đặc, ). Hầu hết các mạch vòng đơn được điều khiển trên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiển tầng. Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mô hình (model-based control), điều khiển thích nghi, • Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control) • Điều khiển logic • Thực hiện các công thức (recipe control). • Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệ thống • Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với trạm vận hành • Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báo động. Chính vì đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đại đa số các trạm điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi (error checking and correcting, ECC), cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng. Một điều quan trọng là một trạm điều khiển cục bộ phải có khả năng đảm bảo tiếp tục thực hiện các chức năng nói trên trong trường hợp trạm vận hành hoặc đường truyền bus hệ thống có sự cố. Các máy tính điều khiển có thể là máy tính đặc chủng của nhà cung cấp (vendor-specific controller), PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp. Dựa trên cơ sở này có thể phân loại các hệ thống điều khiển phân tán có mặt hiện nay trên thị trường thành các hệ các hệ truyền thống (sau đây gọi là DCS truyền thống), các hệ trên nền PLC (PLC-based DCS) và các hệ trên nền PC (PC-based DCS). © 2005, Hoàng Minh Sơn
17 Bất kể chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về mặt kỹ thuật được đặt ra cho một trạm điều khiển cục bộ là: • Tính năng thời thực • Độ tin cậy và tính sẵn sàng • Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp • Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic). 3.1.2 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station) và một số thiết bị trường thông minh. Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp. Bên cạnh đó, đối với môi trường dễ cháy nổ còn các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp truyền, Các loại bus trường được hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I. Trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ thì Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất. Một trạm vào/ra từ xa thực chất có cấu trúc không khác lắm so với một trạm điều khiển cục bộ, duy chỉ thiếu khối xử lý trung tâm cho chức năng điều khiển. Thông thường, các trạm vào/ra từ xa được đặt rất gần với quá trình kỹ thuật, vì thế tiết kiệm nhiều cáp truyền và đơn giản hóa cấu trúc hệ thống. Trạm vào/ra từ xa cũng có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, tuy nhiên như vậy không lợi dụng được ưu điểm của cấu trúc này. Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại bus trường qui định. Tuy nhiên, để có thể khai thác tối đa khả năng các công cụ phần mềm tích hợp và đảm bảo tương thích hoàn toàn giữa các thành phần trong một hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp an toàn nhất. Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật thông qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có giao diện bus trường. Qua đó có thể đơn giản hóa cấu trúc hệ thống hơn nữa, tiết kiệm tiết kiệm chỗ trong tủ điều khiển và nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do tận dụng được khả năng xử lý thông tin của các thiết bị trường. Trên Hình 3-4 là hình ảnh một số tủ điều khiển DCS. Hình bên trái là một trạm PCS7 (Siemens) với bộ điều khiển lắp đặt cùng các module vào/ra phân tán. Hình giữa minh họa một trạm vào/ra từ xa lắp độc lập. Tủ điều khiển bên phải minh họa trạm điều khiển cục bộ DeltaV (Fisher-Rosermount) sử dụng giải pháp Foundation Fieldbus (không cần các module các vào/ra). © 2005, Hoàng Minh Sơn
18 Hình 3-2: Mộ số hình ảnh tủ ₫iều khiển DCS 3.1.3 Trạm vận hành Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng. Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức năng của các trạm khác. Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có: • Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ) • Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển) • Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp • Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ) • Xử lý các sự kiện, sự cố • Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu • Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống • Hỗ trợ lập báo cáo tự động Khác với các trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản phẩm thương mại thông dụng như máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền WindowsNT/2000, hoặc các máy tính trạm chạy trên nền UNIX. Cùng với các màn hình màu lớn (thường là 19inch) với độ phân giải cao để theo dõi quá trình sản xuất, một trạm vận hành hiện đại bao giờ cũng có các © 2005, Hoàng Minh Sơn
19 thiết bị thao tác chuẩn như bàn phím và chuột. Một trạm vận hành có thể bố trí theo kiểu một người sử dụng (một hoặc nhiều màn hình), hoặc nhiều người sử dụng với với nhiều Terminals (Hình 3-3). Các phần mềm trên trạm vận hành bao giờ cũng đi kèm đồng bộ với hệ thống, song thường hỗ trợ các chuẩn phần mềm và chuẩn giao tiếp công nghiệp như TCP/IP, DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding), ODBC (Open Data Base Connection), OPC (OLE for Process Control). Operator Terminals Engineering Station Operator Station Terminals bus System bus Controller Hình 3-3: Các phương pháp bố trí trạm vận hành Đặc điểm tiêu biểu của các trạm vận hành hiện đại là sử dụng kỹ thuật giao diện người-máy kiểu đa cửa sổ với các phần tử giao diện chuẩn. Tuy nhiên, việc thiết kế các màn hình giao diện công nghiệp khác với các giao diện ứng dụng văn phòng, đòi hỏi kiến thức tổng hợp về quá trình công nghệ, mỹ thuật công nghiệp, tâm lý học công nghiệp và công nghệ phần mềm. Vấn đề này sẽ được đề cập chi tiết sau. 3.1.4 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường. Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối các khối chức năng có sẵn trong thư viện. Cũng như các trạm vận hành, thiết bị sử dụng thông thường là các máy tính cá nhân (công nghiệp) chạy trên nền Windows95/98/NT/2000 hoặc UNIX. Một số đặc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trên trạm kỹ thuật là: • Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống • Công việc phát triển (Engineering) không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ © 2005, Hoàng Minh Sơn
20 • Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là sơ đồ khối hàm (FBD-Function Block Diagram, hoặc CFC-Continuous Function Chart) và biểu đồ tiến trình (SFC-Sequential Function Chart), tương tự IEC61131-3 FBD () và SFC • Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song • Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, ) Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung cấp các thư viện khối hàm chuyên dụng. Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung cấp phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mô phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn. Trong một số hệ thống, người ta không phân biệt giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuật, mà sử dụng một bàn phím có khóa chuyển qua lại giữa hai chế độ vận hành và phát triển. 3.1.5 Bus hệ thống Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với các trạm vận hành và trạm kỹ thuật. Trong đa số các hệ thống ứng dụng, người ta lựa chọn cấu hình có dự phòng cho bus hệ thống. Thêm nữa, để cải thiện tính năng thời gian thực, nhiều khi một mạng riêng biệt (có thể có cả dự phòng) được sử dụng để ghép nối các trạm điều khiển cục bộ (bus ₫iều khiển, control bus). Giải pháp mạng có thể đặc chủng của riêng công ty, hoặc dựa trên một mạng chuẩn quốc tế. Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là Ethernet, Profibus-FMS và ControlNet. Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn, vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao. Tính năng thời gian thực cũng là một yêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm ngặt như với bus trường. Thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi 0,1s trở lên. Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu không có đột biến lớn. Vì vậy đối với mạng Ethernet, tính bất định của phương pháp truy nhập bus CSMA/CD thường không phải là vấn đề gây lo nghĩ. Hình 3-4 minh họa cấu hình tiêu biểu của một hệ điều khiển phân tán hiện đại. Bên cạnh các thành phần đã mô tả, một cấu hình tiêu biểu thường có thêm một số trạm server, máy tính phân tích, máy in, một số bộ điều khiển cục bộ chuyên dụng, © 2005, Hoàng Minh Sơn
21 Factory LAB Server OS OS ES SS SYSTEM BUS Control Control Control Station 1 Station 2 Station n FIELDBUS I/O Controller Motor Control S A S A Center S I/O Controller A S A S A I/O Controller I/O S A S A S A Phân đoạn 1 Phân đoạn 2 Phân đoạn n Hình 3-4: Cấu hình tiêu biểu một hệ ₫iều khiển phân tán hiện ₫ại 3.2 Phân loại các hệ DCS 3.2.1 Các hệ DCS truyền thống Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng của nhà sản xuất. Các hệ cũ thường đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp, các bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp PLC cho các bài toán điều khiển logic và điều khiển trình tự. Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự và điều khiển logic (hybrid controller). © 2005, Hoàng Minh Sơn
22 Để hỗ trợ các bài toán điều khiển quá trình diễn ra đồng thời, khối xử lý trung tâm được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực, đa nhiệm - hoặc của riêng nhà sản xuất phát triển hoặc một sản phẩm thông dụng như pSOS, TSOS, VRTX, Chu kỳ thời gian nhỏ nhất thực hiện các mạch vòng điều khiển thường nằm trong khoảng 10-100ms, trong trường hợp đặc biệt (ví dụ cho nhà máy điện) có thể tới 1ms. Một số sản phẩm tiêu biểu cùng với tên trạm điều khiển cục bộ được liệt kê dưới đây: • AdvantOCS (ABB): Advant Controller, hệ điều hành riêng • Freelance 2000 (ABB): D-PS hợc D-FC, hệ điều hành pSOS • Symphonie (ABB): Melody, hệ điều hành pSOS • DeltaV (Fisher-Rosermount): Visual Controller, hệ điều hành TSOS • I/A Series (Foxboro): CP60, hệ điều hành VRTX • PlantScape (Honeywell): PlantScape Controller, hệ điều hành riêng • Centum CS1000/CS3000 (Yokogawa): PFCx-E, AFS10x/AFS20x, hệ điều hành ORKID 3.2.2 Các hệ DCS trên nền PLC Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968. Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, hai công ty độc lập là Allen Bradley và Bedford Associates (sau này là Modicon) đã đưa ra trình bày các sản phẩm đầu tiên. Các thiết bị này chỉ xử lý được một tập lệnh logic cơ bản, 128 điểm vào/ra (1 bit) và 1kByte bộ nhớ. Lúc đầu, cái tên programmable controller, viết tắt là PC, được sử dụng rộng rãi. Trong khi đó, programmable logic controller hay PLC là thương hiệu đăng ký của công ty Allen Bradley. Sau này, khi máy tính cá nhân trở nên phổ biến thì từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn. Vì vậy từ đây về sau ta sẽ dùng khái niệm thiết bị ₫iều khiển khả trình nhưng với từ viết tắt là PLC. Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theo chu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng, PLC nhanh chóng thu hút sự chú ý trong giới chuyên ngành. Vào thời điểm các máy tính điều khiển chuyên dụng và không chuyên dụng đều có kích cỡ rất lớn và giá thành rất cao, thì việc sử dụng PLC là giải pháp lý tưởng để thay thế các mạch logic tổ hợp và tuần tự trong điều khiển các quá trình gián đoạn. Cho đến nay, danh mục các chủng loại PLC có mặt trên thị trường thật phong phú đến mức khó có thể bao quát. Chúng không những khác nhau ở công suất làm việc của bộ xử lý trung tâm, ở dung lượng bộ nhớ và ở số lượng các cổng vào/ra, mà còn ở các đặc tính chức năng như cấu trúc linh hoạt, © 2005, Hoàng Minh Sơn
23 phương pháp lập trình và khả năng nối mạng. Trừ một số loại nhỏ dùng trong các ứng dụng đơn giản, hầu hết các PLC hiện đại đều không dừng lại ở việc thực hiện các phép tính logic đơn giản, mà còn có khả năng làm việc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, thậm chí cả các thuật toán điều khiển phản hồi như điều khiển nhiều điểm, PID và điều khiển mờ. Các bộ đếm, bộ định thời và một số hàm toán học thông dụng thuộc phạm vi chức năng chuẩn của một PLC. Việc sử dụng PLC vì vậy không chỉ dừng lại ở các quá trình gián đoạn, mà nay đã rất phổ biến đối với điều khiển các quá trình liên tục như trong công nghiệp chế biến, khai thác, công nghệ môi trường v.v Một số hệ DCS trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Process Logix (Rockwell), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens), Thực chất, ngày nay đa số các PLC vừa có thể sử dụng cho bài toán điều khiển logic và điều khiển quá trình. Tuy nhiên, các PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phân tán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại (ví dụ SFC). Cấu trúc phần cứng Hình 3-5 minh họa các thành phần chức năng chính của một hệ thống thiết bị điều khiển khả trình và quan hệ tương tác giữa chúng. Về cơ bản, một PLC cũng có các thành phần giống như một máy vi tính thông thường, đó là vi xử lý, các bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chương trình, giao diện vào/ra và cung cấp nguồn. Tuy nhiên, một điểm khác cơ bản là các thành phần giao diện người-máy như màn hình, bàn phím và chuột không được trang bị ở đây. Việc lập trình vì vậy phải được thực hiện gián tiếp bằng một máy tính riêng biệt, ghép nối với CPU thông qua giao diện thiết bị lập trình (thường là một cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 hoặc RS-485). Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU) bao gồm một hoặc nhiều vi xử lý, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ làm việc, đồng hồ nhịp và giao diện với thiết bị lập trình, được liên kết với nhau thông qua một hệ bus nội bộ. Nhiệm vụ chính của CPU là quản lý các cổng vào/ra, xử lý thông tin, thực hiện các thuật toán điều khiển. Bộ nhớ chương trình thường có dạng EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory) hoặc EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), chứa hệ điều hành và mã chương trình ứng dụng. Dữ liệu vào/ra cũng như các dữ liệu tính toán khác được lưu trong bộ nhớ làm việc RAM (Random Access Memory). Đồng hồ nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình theo chu kỳ, thông thường trong khoảng từ 0,01giây tới 1000 phút. Các thành phần vào/ra (input/ouput, I/O) đóng vai trò là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật. Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly galvanic giữa các thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU. Các thành phần vào/ra được liên kết với CPU thông qua một hệ bus nội bộ hoặc qua một hệ bus trường (xem chương 3). © 2005, Hoàng Minh Sơn
24 Bộ cung cấp nguồn (power supply, PS) có vai trò biến đổi và ổn định nguồn nuôi (thông thường 5V) cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110V, 220V, ) hoặc một chiều (12V, 24V, ). Bên cạnh các thành phần chính nêu trên, một hệ thống PLC có thể có các thành phần chức năng khác như ghép nối mở rộng, điều khiển chuyên dụng và xử lý truyền thông. CPU Vi xử lý Đồng hồ Giao diện ố nhịp lập trình ố n ể o và ra s đ và vàp s và vàp u khi ự ự u ề i ệ Bộ nhớ Bộ nhớ đ ng t (AI, DI) ng t chương trình làm việc u (AO, DO) (AO, DO) ệ ươ ươ Tín hi Ra t Tín hi Vào t Nguồn nuôi (PS) Hình 3-5: Các thành phần chức năng chính của một PLC Thiết kế module và thiết kế gọn Tùy theo sự phân chia chức năng trên các thành phần thiết bị, ta có thể phân biệt giữa các PLC có thiết kế module và các PLC có thiết kế gọn. Trong một PLC có thiết kế gọn, tất cả các chức năng được tích hợp gọn trong một thiết bị. Thông thường, loại PLC này có sẵn một số cổng vào/ra cố định. Một số cũng được tích hợp giao diện truyền thông cho một loại bus trường. Tuy nhiên, một số ít loại có cấu trúc gọn vẫn cho phép tăng số lượng cổng vào/ra hoặc bổ sung giao diện mạng bằng các module mở rộng đặc biệt. PLC có cấu trúc gọn thích hợp với các bài toán đơn giản. Đối với các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, ta cần sử dụng các PLC có thiết kế module bởi độ linh hoạt cao. Ở đây, hầu hết mỗi thành phần chức năng được thực hiện bởi một module phần cứng riêng biệt, được lắp đặt trên một hoặc nhiều giá đỡ. Bên cạnh các thành phần cơ bản là CPU, nguồn và các module vào/ra, một PLC còn có thể chứa các module chức năng, các module ghép nối và module truyền thông. Hệ bus nội bộ được sử dụng để ghép nối các module mở rộng với CPU thường được gọi là bus mặt sau (backplane bus). Các module chức năng (function module, FM) được sử dụng để thực hiện một số nhiệm vụ điều khiển riêng, ví dụ module điều khiển PID, module điều khiển động cơ bước, module cân, Các module này hoạt động tương đối độc lập với CPU, tuy nhiên có thể trao đổi dữ liệu quá trình và dữ liệu tham số thông qua bus nội bộ và các hàm hoặc khối hàm giao tiếp hệ thống. © 2005, Hoàng Minh Sơn
25 Các module ghép nối (interface module, IM) được sử dụng trong việc mở rộng hệ thống khi số lượng các module lớn, không đủ chỗ trên một giá đỡ. Thông thường, mỗi giá đỡ cần có một module nguồn riêng bên cạnh module ghép nối. Thông qua các module ghép nối, một CPU có thể quản lý tất cả các module trên các giá đỡ. Số lượng và chủng loại các module cho phép trên một giá đỡ cũng như số lượng tổng cộng phụ thuộc vào khả năng quản lý của loại CPU cụ thể. Các module truyền thông (communication module, CM) có vai trò là giao diện mạng, được sử dụng để ghép nối nhiều PLC với nhau, với các thiết bị trường và với máy tính giám sát. Các module truyền thông đảm nhiệm xử lý giao thức một cách độc lập với CPU. Tuy nhiên trong một số trường hợp, bộ xử lý trung tâm cũng được tích hợp sẵn giao diện mạng cho một hệ bus trường thông dụng. 3.2.3 Các hệ DCS trên nền PC Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển không những được bàn tới rộng rãi, mà đã trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đây. Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình (PLC) và các bộ điều khiển DCS đặc chủng thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng, mà còn ở khía cạnh kinh tế. Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công nghệ bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong điều khiển công nghiệp. DCS trên nền PC là một hướng giải pháp tương đối mới, mới có một số sản phẩm trên thị trường như PCS7 (Siemens, giải pháp Slot-PLC), 4Control (Softing), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management) Hướng giải pháp này thể hiện nhiều ưu điểm về mặt giá thành, hiệu năng tính toán và tính năng mở. Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao diện bus hệ thống. Trong giải pháp điều khiển dùng máy tính cá nhân thì một vấn đề thường rất được quan tâm là độ tin cậy của máy tính. Một phần ta có thể yên tâm bởi với cấu trúc vào/ra phân tán, máy tính điều khiển được đặt trong phòng điều khiển trung tâm với điều kiện môi trường làm việc tốt. Mặt khác, trên thị trường cũng đã có rất nhiều loại máy tính cá nhân công nghiệp, đảm bảo độ tin cậy cao không kém một PLC. Một khi máy tính chỉ được cài đặt hệ điều hành và phần mềm điều khiển thì khả năng gây lỗi do phần mềm cũng sẽ được giảm thiểu. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về tính sẵn sàng, độ tin cậy của hệ thống, ta cần có một giải pháp dự phòng thích hợp. Giải pháp đơn giản và tiết kiệm nhất là “dự phòng lạnh”, có nghĩa là trong trường hợp có sự cố tại © 2005, Hoàng Minh Sơn
26 máy tính điều khiển xảy ra ta chỉ cần thay thế một máy mới với cấu hình và các phần mềm đã được cài đặt giống hệt máy chính. Song giải pháp tốt hơn là sử dụng một cấu hình dự phòng nóng. 3.3 Các vấn đề kỹ thuật Các vấn đề kỹ thuật dưới đây đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu về các hệ điều khiển phân tán, sẽ được đề cập chi tiết trong các phần sau. • Kiến trúc xử lý phân tán (distributed processing): Cấu trúc phân tán về mặt vật lý (địa lý) dẫn đến phân tán về mặt xử lý thông tin. Xử lý phân tán là một khái niệm vay mượn từ lĩnh vực tin học. Xử lý phân tán khác với xử lý cục bộ và khác với xử lý nối mạng ở tính thống nhất, xuyên suốt trong việc xây dựng ứng dụng và trao đổi dữ liệu giữa các trạm. • Tính năng thời gian thực (real-time): Tính năng của một hệ thống luôn sẵn sàng phản ứng với các sự kiện bên ngoài và đưa ra đáp ứng một cách đúng đắn và kịp thời. Với kiến trúc xử lý phân tán, việc đáp ứng tính năng thời gian thực được cải thiện bởi khả năng xử lý thông tin tại chỗ. Song cũng nhiều vấn đề được đặt ra trong việc giao tiếp giữa các thành phần (real-time interprocess communication), trong đó vấn đề giao thức mạng đóng một vai trò quan trọng. • Tính sẵn sàng (availability) và độ tin cậy (reliability): Một đặc điểm nổi bật so với các hướng giải pháp khác là tính sẵn sàng cao thông qua khả năng dự phòng tích hợp, có thể lựa chọn dự phòng cho từng thành phần. Tính sẵn sàng, phương pháp giao tiếp số, kiến trúc xử lý phân tán, phần mềm đóng gói, phần cứng chuẩn hóa công nghiệp, độ tích hợp cao giữa các thành phần phần cứng và phần mềm là các yếu tố giúp cho các hệ thống điều khiển phân tán có độ tin cậy cao. • Hỗ trợ chuẩn (standard support): Thực ra, đây không phải là đặc điểm tiêu biểu của các hệ DCS truyền thống. Nhưng đây là một yêu cầu không thể thiếu được trong các hệ DCS mới. Đặc biệt, sự tương thích với các chuẩn công nghiệp là tiền đề cho tính năng mở, cho khả năng tương tác với các thiết bị của các hãng thứ ba. • Công cụ phần mềm (software tools): Việc xây dựng các ứng dụng điều khiển được hỗ trợ bởi các công cụ “lập trình” hoặc “cấu hình” rất mạnh và các thư viện phần mềm đóng gói chuẩn, dựa theo các chuẩn quốc tế. Các công cụ phần mềm điều khiển giám sát cũng được tích hợp và sử dụng chung một cơ sở dữ liệu trong hệ thống. Khác với các giải pháp điều khiển đơn lẻ như PLC hoặc PC, ta không phải sử dụng một công cụ riêng, xây dựng riêng giao diện người-máy (HMI) và các chức năng SCADA khác. Quá trình tạo giao diện người- máy, tạo hệ thống cảnh báo, tạo công thức điều khiển, nằm trong việc phát triển ứng dụng, đi đôi với việc xây dựng chương trình điều khiển cấp thấp. © 2005, Hoàng Minh Sơn
27 4 XỬ LÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬ LÝ PHÂN TÁN 4.1 Một số khái niệm cơ bản 4.1.1 Hệ thống thời gian thực Một hệ thống 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. Một hệ thống thời gian thực có các đặc điểm tiêu biểu sau: • Tính bị động: 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 cách nhanh chóng để có thể đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời. • 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. Tuy tính nhanh nhạy là một đặc điểm tiêu biểu, nhưng một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có đáp ứng thật nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. Có thể nói, tất các các hệ thống điều khiển là các hệ thống thời gian thực. Ngược lại, một số lớn các hệ thống thời gian thực là các hệ thống điều khiển. Một bộ điều khiển phải đưa ra được tín hiệu điều khiển kịp thời sau một thời gian nhận được tín hiệu đo để đưa quá trình kỹ thuật về trạng thái mong muốn. Một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tin một cách tin cậy và kịp thời đối với các yêu cầu của các đối tác truyền thông. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán không chỉ phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của từng thành phần trong hệ thống, mà còn phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó. 4.1.2 Xử lý thời gian thực 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. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng có các đặc điểm tiêu biểu nêu trên như tính bị động, tính nhanh nhạy và tính tiền định. Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc, một hệ thống xử lý thời gian thực sử dụng các quá trình tính toán đồng thời. Quá trình tính toán là một tiến trình thực hiện một hoặc một phần chương trình tuần tự do hệ điều hành quản lý trên một máy tính, có thể tồn tại đồng thời với các quá trình khác kể cả trong thời gian thực hiện lệnh và thời gian xếp hàng chờ đợi thực hiện. Quá trình tính toán được chia thành hai loại: © 2005, Hoàng Minh Sơn
28 • Quá trình nặng cân (process): là quá trình tính toán có không gian địa chỉ riêng. • Quá trình nhẹ cân (thread): là quá trình không có không gian địa chỉ riêng. Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời: • Xử lý cạnh tranh: Nhiều quá trình tính toán chia sẻ thời gian xử lý thông tin của một bộ xử lý. • Xử lý song song: Các quá trình tính toán được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý của một máy tính. • Xử lý phân tán: Mỗi quá trình tính toán được thực hiện riêng trên một máy tính. Trong các hệ thống điều khiển, khái niệm task cũng hay được sử dụng bên cạnh quá trình tính toán. Có thể nói, task là một nhiệm vụ xử lý thông tin trong hệ thống, có thể thực hiện theo cơ chế tuần hoàn (periodic task) hoặc theo sự kiện (event task). Ví dụ, một task thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều mạch vòng kín có chu kỳ trích mẫu giống nhau. Hoặc, một task có thể thực hiện nhiệm vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra. Task có thể thực hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quá trình tính toán khác nhau. 4.1.3 Hệ điều hành thời gian thực Các trạm điều khiển trong một hệ điều khiển phân tán bao giờ cũng hoạt động dựa trên nền một 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. Bản thân hệ điều hành thời gian thực cũng là một hệ thời gian thực theo đúng nghĩa của nó, vì vậy cũng có các đặc điểm tiêu biểu đã đề cập. Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ đa nhiệm (multi-tasking), hỗ trợ xử lý cạnh trạnh hoặc/và xử lý song song. Lập lịch, đồng bộ hóa quá trình và giao tiếp liên quá trình là các khái niệm quan trọng trong một hệ điều hành thời gian thực. Phương pháp lập lịch (Scheduling) Việc lập lịch thực hiện cho các task có thể được thực hiện theo hai cách: • Lập lệnh tĩnh: thứ tự thực hiện các quá trình tính toán không thay đổi mà được xác đình trước. • Lập lệnh ₫ộng: hệ điều hành xác định lệnh trước hoặc sau khi quá trình tính toán đã bắt đầu. Tuy nhiên, ta cần có một sách lược lập lệnh (strategy) để áp dụng đối với từng tình huống cụ thể. Có thể chọn một trong những cách sau: • FIFO (First In First Out): một tiến trình đến trước sẽ được thực hiện trước. • Mức ưu tiên cố ₫ịnh/₫ộng: tại cùng một thời điểm, các tiến trình được đặt các mức ưu tiên cố định hoặc có thể thay đổi nếu cần. © 2005, Hoàng Minh Sơn
29 • Preemptive: còn gọi là chen hàng, tức là chọn một tiến trình để thực hiện trước các tiến trình khác. • Non - Preemptive: không chen hàng. Các tiến trình được thực hiện bình thường dựa trên mức ưu tiên của chúng. Việc tính mức ưu tiên của mỗi tiến trình được thực hiện theo một trong số các thuật toán lập lịch sau: • Rate monotonic: càng thường xuyên càng được ưu tiên. • Deadline monotonic: càng gấp càng được ưu tiên. • Least laxity: tỷ lệ thời gian tính toán/thời hạn cuối cùng(deadline) càng lớn càng được ưu tiên. Đồng bộ hoá quá trình Khi các quá trình tính toán cùng sử dụng một tài nguyên loại trừ lẫn nhau như một vùng nhớ, cổng vào/ra, hoặc chúng phụ thuộc lẫn vào nhau ví dụ quá trình 1 chờ kết quả của quá trình 2 sẽ rất dễ dẫn đến tình trạng tắc nghẽn (Deadlock), hay tạo ra một tình huống chạy ₫ua (Race Condition). Do vậy việc đồng bộ hoá các quá trình là điều cần thiết. Có thể thực hiện việc này theo các phương pháp sau: • Mutex (Mutual exclusion) • Critical Section • Semaphone • Monitor Giao tiếp liên quá trình Giao tiếp liên quá trình là giao tiếp giữa các quá trình tính toán thuộc cùng một hệ điều hành trên một máy. Có hai loại: • Giữa các Thread thuộc cùng một Process: sử dụng các biến toàn cục. • Giữa các Process khác nhau hoặc giữa các Thread thuộc các Process khác nhau: sử dụng các phương pháp như shared memory, slot, pipes, mailbox, files 4.1.4 Xử lý phân tán Xử lý phân tán giúp nâng cao năng lực xử lý thông tin của một hệ thống, góp phần cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ thống. Phân biệt các khái niệm: • Xử lý cục bộ - ứng dụng đơn độc • Xử lý cạnh tranh - ứng dụng đa nhiệm • Xử lý tập trung - ứng dụng tập trung • Xử lý nối mạng - ứng dụng mạng • Xử lý phân tán - ứng dụng phân tán © 2005, Hoàng Minh Sơn
30 Cần phân biệt rõ giữa ứng dụng mạng và ứng dụng phân tán. Trong một ứng dụng mạng, các chương trình trên mỗi trạm tồn tại hoàn toàn độc lập với nhau và việc giao tiếp giữa chúng được thực hiện qua cơ chế “hiện” (explicit communication). Web là một ứng dụng mạng tiêu biểu. Trong một ứng dụng phân tán, các chương trình trên các trạm hợp tác chặt chẽ với nhau thông qua cơ chế giao tiếp ngầm (implicit communication) để cùng thực hiện một nhiệm vụ tổng thể của hệ thống. Chức năng điều khiển trong một hệ điều khiển phân tán được thực hiện dưới dạng một ứng dụng phân tán. Các vấn đề của xử lý phân tán • Phân chia và phối hợp nhiệm vụ • Giao tiếp giữa các trạm • Đồng bộ hóa các quá trình xử lý phân tán • Dự phòng, khắc phục lỗi 4.2 Các kiến trúc xử lý phân tán Kiến trúc Master/Slave • Các chức năng xử lý thông tin được phân chia trên nhiều trạm tớ • Một trạm chủ phối hợp hoạt động của nhiều trạm tớ • Các trạm tớ có vai trò, nhiệm vụ tương tự như nhau (tuy với các đối tượng khác nhau) • Các trạm tớ có thể giao tiếp trực tiếp, hoặc không • Ví dụ tiêu biểu: Ứng dụng điều khiển sử dụng bus trường, trạm điều khiển là trạm chủ, các vào/ra từ xa hoặc thiết bị trường là các trạm tớ. Kiến trúc Client/Server • Chức năng xử lý thông tin được phân chia thành hai phần khác nhau, phần sử dụng chung cho nhiều bài toán được thực hiện trên các server, phần riêng thực hiện trên từng client. • Giữa các client không cần thiết có giao tiếp trực tiếp • Vai trò chủ động trong giao tiếp thuộc về client • Ví dụ tiêu biểu: Trong cấp điều khiển giám sát, có thể sử dụng một trạm chủ cho việc thu thập và quản lý, lưu trữ dữ liệu và cảnh giới báo động, các trạm vận hành là thực hiện giao diện người-máy với vai trò là client. Kiến trúc bình ₫ẳng • Các trạm có vai trò bình đẳng, phối hợp hoạt động trực tiếp với nhau không qua trung gian • Ví dụ tiêu biểu: Trong cấp điều khiển, các trạm điều khiển cục bộ phân chia thực hiện chức năng điều khiển cho cả dây chuyền sản xuất. Kiến trúc tự trị • Các trạm có vai trò bình đẳng, có thể hoạt động tương đối độc lập nhưng sự phối hợp hoạt động tạo hiệu quả cao nhất. • Ví dụ tiêu biểu: Kiến trúc điều khiển thông minh các hệ thống đèn tín hiệu giao thông. © 2005, Hoàng Minh Sơn
31 4.3 Cơ chế giao tiếp Dữ liệu toàn cục (Global Data) • Giống như một vùng nhớ chung • Mỗi trạm đều chứa một ảnh của bảng dữ liệu toàn cục, trong đó có toàn bộ dữ liệu cần trao đổi của tất cả các trạm khác • Mỗi trạm gửi phần dữ liệu của nó tới tất cả các trạm, mỗi trạm tự cập nhật ảnh của bảng dữ liệu toàn cục • Đơn giản, tiền định nhưng kém hiệu quả • Áp dụng cho lượng dữ liệu nhỏ, tuần hoàn, thích hợp trong kiến trúc bình đẳng (ví dụ giữa các trạm điều khiển). Hỏi tuần tự (Polling, Scanning) • Một trạm đóng vai trò Master • Cơ chế hỏi/đáp tuần tự • Đơn giản, tiền định, hiệu quả cao • Áp dụng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn, thích hợp trong kiến trúc Master/Slave Tay ₫ôi (Peer-To-Peer) • Hình thức có liên kết hoặc không liên kết, cấu hình trước hoặc không cấu hình trước, có xác nhận hoặc không xác nhận, có yêu cầu hoặc không có yêu cầu • Linh hoạt nhưng thủ tục có thể phức tạp • Áp dụng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn hoặc không tuần hoàn, thích hợp cho tất cả các kiến trúc khác nhau. Chào/₫ặt hàng (Subscriber/Publisher) • Nội dung thông báo được một trạm chủ chào và các trạm client đặt theo cơ chế tuần hoàn hoặc theo sự kiện • Thông báo chỉ được gửi tới các trạm đặt (có thể gửi riêng hoặc gửi đồng loạt) • Linh hoạt, tiền định, hiệu suất cao • Áp dụng cho trao đổi dữ liệu tuần hoàn hoặc không tuần hoàn, thích hợp cho kiến trúc Client/Server hoặc kiến trúc bình đẳng. Hộp thư (Mailbox) • Các trạm sử dụng một môi trường trung gian như files, một cơ sở dữ liệu hoặc một chương trình server khác để ghi và đọc dữ liệu • Mỗi bức thư mang dữ liệu và mã căn cước (nội dung thư hoặc/và người nhận) • Gửi và nhận thư có thể diễn ra tại bất cứ thời điểm nào • Linh hoạt nhưng kém hiệu quả, khó đảm bảo tính năng thời gian thực • Áp dụng cho trao đổi dữ liệu có tính chất ít quan trọng, thích hợp cho kiến trúc Client/Server hoặc kiến trúc tự trị. © 2005, Hoàng Minh Sơn
32 4.4 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán 4.4.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vào/ra Cấu trúc vào/ra phân tán sử dụng bus trường làm nảy sinh một vấn đề chưa được xét tới trong lý thuyết điều khiển số. Đó là sự không đồng bộ của các tín hiệu vào/ra do thời gian trễ từng kênh khác nhau, khó xác định. Có hai cách giải quyết sau: • Đặt cấu hình bus và chọn chu kỳ điều khiển sao cho chu kỳ bus nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ điều khiển để có thể bỏ qua thời gian trễ từng kênh khác nhau. • Sử dụng loại bus trường có hỗ trợ đồng bộ hóa các đầu vào/ra, ví dụ Profibus-DP. Ví dụ, các lệnh dưới đây được sử dụng trong Profibus-DP để đồng bộ hóa các đầu vào/ra: • FREEZE: hi nhận được lệnh này, các DP-Slave sẽ nhận dữ liệu đầu ra gửi từ DP-Master và sau đó sẽ không nhận dữ liệu đầu ra gửi từ DP- Master nữa cho đến khi kết thúc lệnh FREEZE. • UNFREEZE: Lệnh này làm kết thúc lệnh FREEZE . Các DP-Slave sẽ tiếp tục nhận dữ liệu đầu ra gửi từ DP-Master. • SYNC: Khi nhận được lệnh này,tất c hoặc một vài DP-Slave sẽ gửi dữ liệu tới DP-Master và sau đó DP-Master sẽ không nhận dữ liệu đầu vào gửi từ DP-Slave nữa cho đến khi kết thúc lệnh SYNC. • UNSYNC: Lệnh này làm ngừng lệnh SYNC. DP-Master sẽ tiếp tục nhận dữ liệu đầu vào gửi từ các DP-Slave. 4.4.2 Đồng bộ hóa thời gian Giữa các trạm điều khiển cục bộ và các trạm vận hành cần có một sự đồng bộ hóa thời gian một cách chặt chẽ, vì đây là vấn đề liên quan hệ trọng tới tính chính xác và độ tin cậy của các thông tin điều khiển, vận hành, thông báo báo động. Để đồng bộ hoá thời gian trong một hệ điều khiển phân tán, một trạm vận hành có thể được chọn làm qui chiếu, tất cả các trạm khác nối với bus hệ thống được đồng bộ hoá thời gian theo trạm này thông qua các thông báo gửi đồng lọat. Trong một số hệ thống mạng có hỗ trợ trực tiếp việc đồng bộ hóa thời gian, người ta có thể chọn một thiết bị đặc chủng (time master) phục vụ mục đích này. Ta có thể định nghĩa 2 trạm vận hành làm qui chiếu nhưng tại một thời điểm chỉ có một trạm mang tín hiệu đồng bộ hoá, nếu trạm đó bị lỗi thì trạm còn lại tự động hoạt động. Trong công nghiệp chế biến, khoảng thời gian chênh lệch cho phép giữa các trạm thường ở trong phạm vi +/-5ms. Các thông báo thời gian cần gửi đồng loạt theo chu kỳ tối đa 1 phút. © 2005, Hoàng Minh Sơn
33 5 CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 5.1 Lập trình hướng đối tượng Lập trình hướng đối tượng được coi là phương pháp lập trình chuẩn hiện nay bởi nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp cổ điển. Mục tiêu mà lập trình hướng đối tượng đặt ra là: • Đơn giản hoá việc xây dựng và sử dụng các thư viện • Cho phép dùng lại mã. Nếu hàm thư viện không phù hợp với yêu cầu của người lập trình thì người lập trình có khả năng sửa đổi dễ dàng mà không cần tìm hiển ngọn nguồn, không cần phải có mã nguồn của hàm đó trong tay. Mã sinh ra từ thực nghiệm dễ dàng được dùng lại trong mã chính thức. Nói khác đi, người lập trình có điều kiện để thoải mái sáng tạo. • Cải thiện khả năng bảo trì của mã, mã phải dễ hiểu, dễ sửa đổi. Trên thực tế, việc biên soạn tài liệu bao giờ cũng đi sau khá xa so với mã được viết ra. • Cho phép tạo ra chương trình dễ mở rộng. Có thể thêm chức năng cho chương trình mà không ảnh hưởng dây chuyền đến mã đã viết. Mã đang có là mồ hôi, là tiền bạc, không thể trả giá đắt cho mỗi chức năng thêm vào. Lập trình hướng đối tượng phải được thực hiện thông qua một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Để đạt được các mục tiêu trên, mọi ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng đều thể hiện ba khái niệm: đóng gói (encapsulation, packaging), đa hình (polymorphism) và thừa kế (inheritance). Các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng thông dụng là C++, Java, Ada 5.2 Phân tích và thiết kế hướng đối tượng Theo dòng phát triển của công nghệ công tin, phương pháp lập trình đã tiến hoá từ lập trình không có cấu trúc lên lập trình có cấu trúc và tới nay là lập trình hướng đối tượng. Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm cũng đi theo các bước tiến hoá này. Trước đây, người ta phân tích, thiết kế phần mềm theo kiểu hướng thủ tục (procedure-oriented) hoặc hướng dữ liệu (data- oriented). Theo phương pháp này, phần mềm cần xây dựng được chia thành giải thuật và cấu trúc dữ liệu. Trong quá trình phân tích, giải thuật được phân chia thành các giải thuật con đơn giản hơn, cấu trúc dữ liệu lớn được chia thành những cấu trúc nhỏ hơn. Quá trình tương tự cũng được tiến hành trong quá trình thiết kế. Phương pháp phân tích, thiết kế hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu có ưu điểm đơn giản, nhanh chóng tạo ra kết quả (do tiến hành theo kiểu từ trên xuống) nhưng kết quả tạo ra không phản ánh bản chất của thể giới thực dẫn © 2005, Hoàng Minh Sơn
34 đến cứng nhắc, khó thay đổi khi yêu cầu đặt ra thay đổi, khó mở rộng khi hệ thống phát triển. Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm tiên tiến hiện nay là hướng đối tượng (object-oriented), trong đó khối cơ bản để xây dựng nên phần mềm là ₫ối tượng hay lớp. Nói một cách đơn giản, đối tượng là sự phản ánh thế giới tự nhiên xung quanh. Ví dụ nếu trong hệ thống điều khiển có các thiết bị vào/ra số/tương tự như AI, AO, DI, DO thì trong phần mềm cũng có các lớp AI, AO, DI, DO ; trong hệ thống điều khiển có khâu điều khiển PID thì trong phần mềm cũng có lớp PID, Trong các hệ thống điều khiển, các đối tượng có thể đại diện các thành phần hệ thống như: • Các thuật toán điều khiển • Xử lý sự kiện và báo động • Xử lý mệnh lệnh • Quan sát và chẩn đoán • Cấu hình vào/ra • Mô phỏng • Thông tin thiết kế Việc trừu tượng hoá thế giới tự nhiên thành các lớp đối tượng như vậy được gọi là mô hình hoá hướng đối tượng. Dựa trên mô hình đối tượng thu được, phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng sẽ bổ sung thêm các liên kết và lớp đối tượng mới, tinh chỉnh lại, để tạo ra một mô hình đối tượng chi tiết của phần mềm. Cuối cùng, người lập trình sử dụng một ngôn ngữ lập trình nào đó (không nhất thiết phải là ngôn ngữ hướng đối tượng) thể hiện mô hình đối tượng chi tiết thành mã nguồn. Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanh tốn ít công sức, mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng được như mã lệnh hay bản thiết kế. 5.2.1 Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML Để phục vụ cho công việc mô hình hoá vốn là cốt lõi của phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng, ngôn ngữ UML (unified modeling language) được sử dụng rộng rãi. UML - một chuẩn quốc tế được quản lý bởi tổ chức OMG (object management group) - là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực quan hóa, đặc tả, xây dựng và tư liệu hóa hệ thống thiên về phần mềm. UML đem lại cho người sử dụng phương pháp chuẩn để viết bản thiết kế hệ thống bao trùm từ những thứ cụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, các thành phần phần mềm có thể tái sử dụng, cho đến những yếu tố trừu tượng như chức năng của toàn bộ hệ thống. Vì lý do này, ngôn ngữ UML không chỉ được sử dụng để mô tả, xây dựng kiến trúc và thiết kế của các hệ thống phần mềm, mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ thống kỹ © 2005, Hoàng Minh Sơn
35 thuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói riêng. Trên Hình 5-1 là một biểu đồ lớp UML, minh họa đơn giản các lớp đối tượng và quan hệ của chúng trong một hệ thống điều khiển. > actuator sensor Controller Sensor Actuator 1 controller sensors valves Thermometer ControlSystem Valve * 1 1 1 plant Plant > > PT2 Hình 5-1: Mô hình hóa một hệ thống ₫iều khiển sử dụng UML Có thể nói, UML là một ngôn ngữ mô hình hóa rất mạnh, đa năng. Tài liệu về UML có rất nhiều, ví dụ [1][2]. 5.2.2 Mẫu thiết kế Mẫu thiết kế là sự hình thức hoá của cách tiếp cận tới một vấn đề thường gặp trong ngữ cảnh cụ thể. Mỗi mẫu thiết kế mô tả một giải pháp cho một vấn đề thiết kế cụ thể trong một ngữ cảnh xác định. Giải pháp này đã được chứng minh là hợp lý, sử dụng nhiều lần đem lại kết quả tốt và do đó được trừu tượng hoá thành một mẫu. Nói một cách ngắn gọn, mẫu thiết kế là kinh nghiệm thiết kế đúc kết lại. Bằng cách dùng các mẫu thiết kế, người thiết kế không khải thiết kế hệ thống của mình từ đầu mà sử dụng lại kinh nghiệm đã có từ trước, dẫn đến chất lượng thiết kế tốt hơn, tăng tính tái sử dụng của bản thiết kế. Một số mẫu thiết kế tiêu biểu là Abstract factory, Iterator, Prototype, Singleton và Template method. Để xây dựng các hệ thống phân tán hiện đại, người ta sử dụng các mẫu thiết kế như Proxy, Broker, Marshaling/Unmarshaling, Adapter và Interface Mapping. Một tác phẩm được coi là kinh điển viết về đề tài này là [3]. 5.2.3 Phần mềm khung Phần mềm khung là một dạng phần mềm bao gồm thư viện và các mẫu thiết kế giúp người sử dụng dễ dàng tạo các chương trình ứng dụng bằng cách bổ sung các phần mã ứng dụng cụ thể vào các khung có sẵn. Điểm khác nhau giữa một phần mềm khung với một thư viện lớp hay một thư viện hàm đơn thuần là: © 2005, Hoàng Minh Sơn
36 • Một thư viện chỉ là một tập hợp của các lớp hay hàm hoàn chỉnh phục vụ một mục đích ứng dụng nào đó. Mã của một thư viện lớp hay hàm được chương trình ứng dụng chủ động gọi. • Một phần mềm khung chứa một số lớp chưa hoàn chỉnh, tức chưa sử dụng tạo thể nghiệm được ngay (lớp trừu tượng), mà bắt buộc phải dẫn xuất và bổ sung mã ứng dụng cụ thể. Việc xây dựng một chương trình ứng dụng phải tuân theo các mẫu thiết kế có sẵn. Không những chương trình ứng dụng gọi mã trong phần mềm khung, mà mã trong phần mềm khung cũng chủ động gọi mã ứng dụng. Có thể so sánh một phần mềm khung như một khung nhà bê tông đã được đúc sẵn theo một thiết kế, người thi công cần bổ sung các phần tường bao, tường ngăn, cửa sổ theo thiết kế đó, sử dụng các thư viện là các viên gạch, cánh cửa, tấm vách ngăn làm sẵn. Một số ví dụ phần mềm khung tiêu biểu là MFC (Microsoft Foundation Class), Microsoft’s COM (Component Object Model), Borland’s VCL (Vitual Component Library). 5.3 Phần mềm thành phần Phần mềm thành phần (component software) là một hướng đi mới, phát triển trên cơ sở phương pháp lập trình hướng đối tượng. Lập trình hướng đối tượng cho phép sử dụng lại phần mềm (dưới dạng các class) vào giai đoạn biên dịch (compile-time), trong khi phần mềm thành phần cho phép sử dụng lại phần mềm (dưới dạng các component) vào cả giai đoạn biên dịch và giai đoạn chạy (run-time). Do vậy, theo tư tưởng phần mềm thành phần, ngôn ngữ lập trình cũng như “lớp” là thứ yếu, giao diện mới là quan trọng. Nói như vậy tức là một thành phần phần mềm (component) là các phần mềm có thể được viết ở các ngôn ngữ khác nhau, đã được hoàn chỉnh, biên dịch và đóng gói, có các giao diện chuẩn để có thể sử dụng thuận tiện, linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau mà không cần biên dịch lại. Thậm chí trong một số trường hợp, việc sử dụng các thành phần phần mềm có sẵn không đòi hỏi lập trình. Ví dụ người soạn thảo một văn bản có thể sử dụng kết hợp các thành phần phần mềm có sẵn như trình soạn thảo công thức, vẽ đồ thị, mà cảm tưởng như tất cả đều nằm trong chương trình soạn thảo văn bản. Một số ví dụ mô hình phần mềm thành phần tiêu biểu là: • Delphi VC • JavaBeans • Visual Basic VBX • ActiveX-Controls Có thể nói, hầu hết các hệ thống phát triển ứng dụng trong các hệ điều khiển phân tán hiện nay thực hiện triệt để tư tưởng hướng đối tượng và phần © 2005, Hoàng Minh Sơn
37 mềm thành phần. Tư tưởng sử dụng khối hàm, các khối đồ họa, các khối chương trình trong nhiều hệ thống là những ví dụ tiêu biểu. 5.4 Đối tượng phân tán Đối tượng phân tán cũng là một hướng phát triển tự nhiên từ phương pháp luận hướng đối tượng, bên cạnh phần mềm thành phần. Trong khi phần mềm thành phần quan tâm tới việc đóng gói các đối tượng để có thể sử dụng lại một cách thuận tiện, thì đối tượng phân tán tập trung vào vấn đề kiến trúc các đối tượng có khả năng giao tiếp một cách trong suốt trên các nền và hệ thống mạng khác nhau (giao tiếp ngầm). Cũng giống như phần mềm thành phần, một đối tượng phân tán có thể thực hiện ở một ngôn ngữ bất kỳ, nhưng nó phải có các giao diện theo một chuẩn nào đó để có thể hợp tác với nhau liên quá trình và xuyên mạng một cách đơn giản như hai đối tượng trong một chương trình. Nói như vậy, một đối tượng phân tán cũng được sử dụng khi đã biên dịch, đóng gói hoàn chỉnh dưới dạng một server. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng có thể vẫn đòi hỏi phải lập trình phía client (một đối tượng phân tán hoặc một chương trình ứng dụng thông thường). Ngày nay, đối tượng phân tán và phần mềm thành phần đã gặp nhau ở nhiều điểm, ví dụ trong công nghệ COM/DCOM/ActiveX. Nói tóm lại, một đối tượng phân tán là một đối tượng phần mềm trong một hệ thống phân tán, có thể được sử dụng bởi các chương trình ứng dụng hoặc các đối tượng khác thuộc cùng một quá trình tính toán, thuộc một quá trình tính toán khác hoặc thuộc một trạm khác trong mạng theo một phương thức thống nhất thông qua giao tiếp ngầm (không để ý tới giao thức truyền thông cụ thể, trong suốt với hệ điều hành, kiến trúc phần cứng và hệ thống mạng). Một đối tượng phân tán có các thuộc tính có thể truy cập được từ xa, có các phép toán có thể gọi được từ xa. Mỗi đối tượng phân tán (distributed object) - bất kể dạng thực hiện, nền triển khai và vị trí cài đặt - đều có căn cước phân biệt và có thể được sử dụng như các đối tượng nội trình (in-process object). Lợi thế quyết định ở đây là việc tạo dựng một ứng dụng phân tán được thực hiện ở mức trừu tượng cao hơn so với kiểu lập trình mạng cổ điển, nhờ vậy trên nguyên tắc không khác biệt so với tạo dựng một ứng dụng đơn độc (stand-alone application). Để đạt được điều đó, ta cần sự hỗ trợ hữu hiệu của một phần mềm khung (framework). Hiện nay có hai mô hình chuẩn cho những công trình khung đó là DCOM và CORBA. CORBA cho phép sử dụng một cách rộng rãi và linh hoạt hơn, trong khi DCOM hiện nay hầu như chỉ sử dụng được trên các hệ Microsoft Windows (95, 98, NT, 2000). © 2005, Hoàng Minh Sơn
38 6 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN Một kiến trúc đối tượng phân tán định nghĩa mô hình các đối tượng phân tán, mô hình giao tiếp và chuẩn giao tiếp giữa các đối tượng phân tán. 6.1 Yêu cầu chung Một kiến trúc đối tượng phân tán tạo điều kiện cho việc lập trình ở một mức trừu tượng cao hơn so với phương pháp hướng đối tượng cổ điển. Cụ thể, điểm khác biệt so với lập trình hướng đối tượng cổ điển nằm ở “tính trong suốt phân tán” (distribution transparency), thể hiện qua các đặc tính sau: • Trong suốt vị trí: Một client không cần biết rằng đối tượng server nằm trong cùng một quá trình tính toán, thuộc một quá trình tính toán khác trên cùng một trạm hoặc trên một trạm khác, cách sử dụng đối tượng server là thống nhất. Ngược lại cũng vậy. • Trong suốt thể hiện: Client không cần quan tâm tới việc đối tượng server được thể hiện bằng ngôn ngữ lập trình nào và bằng phương pháp nào, mà chỉ cần quan tâm tới giao diện để có thể sử dụng. • Trong suốt nền: Một client không cần biết rằng đối tượng server nằm trên hệ điều hành nào, trên nền máy tính kiến trúc ra sao. • Trong suốt truyền thông: Mã thực hiện client và các đối tượng server không liên quan tới mạng truyền thông và giao thức truyền thông cụ thể· 6.2 Các mẫu thiết kế Để đáp ứng các yêu cầu trên, người ta thường áp dụng các mẫu thiết kế sau đây: • Proxy: Một đối tượng đại diện cho server bên phía client, để client có thể sử dụng đối tượng server đơn giản như với một đối tượng nội trình (ví dụ thông qua con trỏ). • Broker: Bộ phận che dấu chi tiết về cơ chế truyền thông cụ thể, tạo điều kiện cho client/proxy và server giao tiếp với nhau mà không phụ thuộc vào nền và hệ thống truyền thông bên dưới. Broker có mặt cả bên client và server. • Adapter: Đối tượng trung gian, có vai trò thích ứng giao diện giữa broker và server, tạo điều kiện cho việc phát triển server một cách độc lập, cũng như sử dụng các server có sẵn (chưa tuân theo kiến trúc đối tượng phân tán). • Marshaling/Unmarshaling: Cơ chế thực hiện mã hóa và đóng gói các lời gọi hàm bên client thành các bức điện tương ứng với cơ chế truyền thông cấp thấp, cũng mở gói và giải mã các bức điện thành lời gọi hàm chi tiết bên đối tượng server. Các phương thức tương tự cũng được thực hiện để © 2005, Hoàng Minh Sơn
39 chuyển kết quả từ server trở lại client. Các nhiệm vụ này do proxy, server hoặc/và adapter đảm nhiệm. • Interface Mapping: Giải quyết vấn đề trong suốt thể hiện bằng cách mô tả các giao diện bằng một ngôn ngữ độc lập IDL (Interface Description Language) và cho phép ánh xạ sang thực hiện bằng một ngôn ngữ cụ thể. Process A Process B 5: op( ) 1: op ( ) 4: upcall( ) client proxy adapter server 2: marshal ( ) 3: dispatch( ) broker_A IPC broker_B Hình 6-1: Các mẫu thiết kế giao tiếp giữa client và ₫ối tượng server 6.3 Giới thiệu chuẩn CORBA Chuẩn CORBA [4] do tổ chức OMG (Object Management Group) quản lý và phát triển. Đây là hiệp hội lớn nhất của các nhà phát triển, sản xuất và ứng dụng phần mềm trên thế giới, hiện nay có gần 1.000 thành viên. Chuẩn CORBA đưa ra một kiến trúc đối tượng phân tán cùng với các đặc tả ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, nhiều nền khác nhau và nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau. Vì tính trung lập của nó, CORBA được hỗ trợ rất rộng rãi, đặc biệt trong các hệ thống thông tin thương mại, phần mềm giao dịch kinh doanh và dịch vụ viễn thông. Tuy nhiên, cũng do tính độc lập của nó dẫn đến nhiều lý do mà CORBA không thực sự mạnh ở các hệ thống ứng qui mô vừa và nhỏ. Hình 6-2 minh họa cấu trúc mô hình CORBA, trong đó bộ phận trừu tượng trung gian mang tên Object Request Broker (ORB) giữ vai trò quan trọng nhất (broker). ORB cho phép khách hàng (client) sử dụng dịch vụ của đối tượng phục vụ (server) mà không cần biết cụ thể dạng thực hiện, nền triển khai và vị trí cài đặt của đối tượng phục vụ. Kiến trúc ở đây được thực hiện theo các mẫu thiết kế đã trình bày trong phần trước. © 2005, Hoàng Minh Sơn
40 Client Object Implementation Dynamic IDL ORB Static IDL Dynamic Object Invocation Stubs Interface Skeleton Skeleton Adapter Object Request Broker Core Hình 6-2: Cấu trúc mô hình CORBA 6.4 Giới thiệu chuẩn COM/DCOM COM (Component Object Model) là một mô hình đối tượng thành phần, một mô hình cơ sở cho nhiều công nghệ phần mềm quan trọng của hãng Microsoft. COM định nghĩa chuẩn nhị phân và đặc tả kết nối cho việc tương tác giữa các thành phần của một phần mềm với một thành phần khác trên cùng một quá trình tính toán, trên nhiều quá trình khác nhau hay trên các máy tính riêng biệt. Hãng Microsoft cũng hy vọng một ngày không xa COM cũng được sử dụng phổ biến trên các nền phần cứng và hệ điều hành khác nhau. COM là một mô hình lập trình cơ sở ₫ối tượng thiết kế để nâng cao sự tương tác giữa các thành phần phần mềm, nghĩa là, cho phép hai hoặc nhiều ứng dụng hay các thành phần dễ dàng giao tiếp với nhau cho dù chúng được viết bởi nhiều người khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau, bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau thậm chí chạy trên các máy tính khác nhau, không hay cài đặt cùng một hệ điều hành. Để thực hiện điều này, COM định nghĩa và thực thi các kỹ thuật cho phép các ứng dụng kết nối với nhau như các ₫ối tượng phần mềm. Nói cách khác, COM đưa ra một mô hình tương tác mà qua đó một khách hàng (client) có thể kết nối với các nhà cung cấp dịch vụ (object) đó một cách thuận tiện. Với COM, các ứng dụng kết nối với nhau và với hệ thống qua các tập hợp của các lời gọi hàm - xem như là các phương thức hay những hàm thành viên, còn gọi là giao diện. Theo cách tư duy COM, một giao diện là một “quy ước” kiểu mạnh giữa các thành phần phần mềm nhằm cung cấp những liên quan dù nhỏ nhưng hữu dụng tập các thao tác liên quan danh nghĩa. Một đối tượng được định nghĩa phù hợp với COM là một sự thể hiện đặc biệt của đối tượng. Một đối tượng COM giống như một đối tượng C++ nhưng khác ở chỗ một client không truy nhập trực tiếp vào đối tượng COM mà sẽ qua các giao diện mà đối tượng cung cấp. © 2005, Hoàng Minh Sơn
41 6.4.1 Giao diện Cách duy nhất để truy cập dữ liệu hoặc tác động lên một đối tượng COM là thông qua giao diện của nó. Một giao diện thực chất là một nhóm các hàm có sẵn liên quan với nhau. Có thể so sánh một giao diện với một lớp cơ sở trừu tượng chỉ gồm các hàm thuần ảo trong ngôn ngữ C++. Giao diện định nghĩa cú pháp các hàm thành viên, gọi là các phương thức (methods), kiểu trả về, số lượng và các kiểu tham số. Một giao diện không qui định cụ thể các phương thức đó được thực hiện như thế nào. Thực chất việc thể hiện giao diện là sử dụng con trỏ truy nhập vào một mảng các con trỏ khác và các con trỏ này trỏ tới các hàm của giao diện. Thông thường, tên của giao diện được bắt đầu bằng chữ cái I, ví dụ như IUnknown, IData Định danh thật của giao diện thể hiện ở chỉ danh GUID của nó, còn tên chỉ để thuận tiện cho việc lập trình và hệ thống COM sẽ sử dụng các chỉ danh này khi thao tác trên giao diện. Thêm vào đó, khi giao diện có tên hoặc kiểu cụ thể và tên của các hàm thành viên, nó chỉ định nghĩa làm thế nào một client có thể sử dụng giao diện đó và những đáp ứng mong đợi từ đối tượng qua giao diện đó. Ví dụ, giao diện IStack với hai hàm thành viên PUSH và POP chỉ định nghĩa những thông số và kiểu trả về của hai hàm này và những gì chúng được mong đợi thực hiện từ client. Có thể nói, giao diện là phương tiện để đối tượng đưa ra những dịch vụ của nó. Có bốn điểm quan trọng về giao diện mà ta cần biết: • Một giao diện không phải là một lớp theo định nghĩa lớp thông thường bởi một lớp có thể được thể hiện qua một đối tượng còn một giao diện thì không bởi nó không kèm theo sự thực thi. • Một giao diện không phải là một ₫ối tượng bởi một giao diện chỉ đơn thuần là một nhóm các hàm liên quan và là chuẩn nhị phân mà qua đó client và object có thể giao tiếp với nhau. Còn đối tượng thì có thể thực thi trên nhiều ngôn ngữ với nhiều thể hiện của trạng thái bên trong, và do đó nó có thể cung cấp con trỏ đến các hàm thành viên của giao diện. • Giao diện có kiểu mạnh: Mỗi một giao diện đều có một định danh riêng nên ngăn chặn được khả năng xung đột có thể xảy ra đối với các tên ta đặt cho giao diện. Điều này tăng thêm tính bền vững cho chương trình. • Các giao diện ₫ược phân biệt rõ ràng: Mọi sự thay đổi như thêm hoặc xoá hàm thành viên, thay đổi ngữ nghĩa đều dẫn tới hình thành một giao diện mới và được gán một định danh mới. Do đó giao diện mới và cũ không thể xung đột với nhau cho dù mọi sự thay đổi chỉ đơn thuần là về ngữ nghĩa. 6.4.2 Đối tượng COM Một đối tượng COM có thể được lập trình bằng một ngôn ngữ thông dụng như C, C++ hoặc VB. Một đối tượng có thể cung cấp nhiều giao diện. Tất cả © 2005, Hoàng Minh Sơn
42 các đối tượng COM đều có một giao diện cơ bản là IUnknown. Đây là giao diện cơ sở cho tất cả các giao diện khác trong COM mà mọi đối tượng phải hỗ trợ. Bên cạnh đó, đối tượng cũng có khả năng thực thi nhiều giao diện khác. Các đối tượng với nhiều giao diện có thể cung cấp các con trỏ truy nhập vào nhiều bảng chứa các hàm. Các con trỏ này có thể gọi được con trỏ giao diện. Trong COM, giao diện là một bảng các con trỏ ( giống như vtable trong C++) vào các hàm được thực hiện bởi đối tượng. IUnknown A Đối tượng Các giao diện khác B Hình 6-3: Mô hình một ₫ối tượng COM Trong thực tế, một con trỏ trỏ đến một giao diện là một con trỏ tới một con trỏ trỏ tới bảng các con trỏ vào các hàm thành viên. Tuy nhiên, để tránh cách diễn đạt quanh co này khi nói về giao diện người ta thường sử dụng thuật ngữ con trỏ giao diện để thay thế. Khi đó sự thực thi giao diện đơn giản là dùng con trỏ trỏ tới mảng các con trỏ tới các hàm. Hình 6-4 sau minh họa cho điều này. Giao diện IUnknown Như đã trình bày ở trên, mọi đối tượng COM, không có sự loại trừ, đều hỗ trợ giao diện IUnknown. Giao diện này có ba phương thức AddRef(), Release() và QueryInterface(). Tất cả các giao diện khác đều dẫn xuất từ giao diện IUnknown và đều có các con trỏ đến các phương thức này. Hai phương thức đầu tính toán số đếm tham chiếu để điều khiển thời gian sống của đối tượng. Khi đối tượng được tạo lần đầu, ta cần gọi phương thức AddRef() của đối tượng để tăng số đếm. Khi không còn cần tới đối tượng, ta gọi phương thức Release() để giảm số đếm tham chiếu. Khi người dùng cuối cùng gọi phương thức Release(), số đếm giảm về 0 thì đối tượng sẽ tự huỷ. © 2005, Hoàng Minh Sơn
43 Function1( ) { Interface Pointer } Interface Function Table pointer Pointer to Function1 Function2( ) { Pointer to Function2 } Pointer to Function3 Function3( ) { } Hình 6-4: Sự thực thi con trỏ giao diện Ta có thể thấy rõ vấn đề hơn qua sự thực thi đơn giản hai phương thức IUnknown::AddRef() và IUnknown::Release() dưới đây: //tăng biến thành viên chứa số đếm tham chiếu ULONG IUnknown::AddRef() { return ++m_RefCount; } //giảm biến chứa số đếm tham chiếu, nếu bằng 0 thì huỷ đối tượng ULONG IUnknown::Release() { m_RefCout; if (m_RefCount == 0) { delete this; return 0; } return m_RefCount; } Khi ta có một con trỏ đến đối tượng thì thực chất, những gì ta có chỉ là một con trỏ đến một trong số các giao diện của nó, còn đó là giao diện nào thì lại phụ thuộc vào cách mà ta có con trỏ đó. Từ con trỏ vào một giao diện, ta có thể truy cập được con trỏ vào các giao diện khác mà đối tượng hỗ trợ. Đối tượng có thể hoặc không hỗ trợ giao diện mà ta quan tâm, nhưng mọi đối tượng đều được đảm bảo hỗ trợ giao diện Iunknown nên ta có thể yêu cầu các giao diện khác qua phương thức IUnknow::QueryInterface(). Các giao diện được định danh bởi các IIDs (Interface IDs) ví dụ như IID_IUnknown của giao diện IUnknown. Khi ta gọi phương thức QueryInterface(), ta gửi IID của giao diện mà ta cần cho nó và một con trỏ đến tham số đầu ra. Nếu đối tượng hỗ trợ giao diện yêu cầu, nó sẽ trả lại đoạn mã báo thành công S_OK (định nghĩa là 0) và đặt vào tham số đầu ra mà ta cung cấp con trỏ đến giao diện yêu cầu. Nếu đối tượng không hỗ trợ giao diện này nó báo lỗi và đặt tham số đầu ra là NULL. Ta xét một sự thực thi đơn giản sau: HRESULT IUnknown::QueryInterface (REFIID riid , LPVOID * ppv) { //kiểm tra IID xem đối tượng có hỗ trợ giao diện yêu cầu không, © 2005, Hoàng Minh Sơn
44 //nếu hỗ trợ ta tăng số đếm tham chiếu, đưa vào biến đầu ra cung cấp // một con trỏ đến giao diện, và báo rằng đã thành công if (riid == IDD_IUnknow) { AddRef(); *ppv = (LPVOID) this; return S_OK; } //nếu không hỗ trợ giao diện ta đặt biến đầu ra cung cấp là NULL và // trả về một mã thông báo lỗi else { *ppv = NULL; return E_NOINTERFACE; } } Quan hệ giữa ₫ối tượng và các giao diện • Các client chỉ kết nối qua con trỏ tới các giao diện. Khi một client truy nhập vào một đối tượng, client chỉ đơn thuần thông qua con trỏ giao diện. Con trỏ giấu đi nội dung của thao tác bên trong, ta không thể thấy chi tiết về đối tượng mà chỉ có thể thấy thông tin về trạng thái của chúng. • Đối tượng có thể thực thi nhiều giao diện. Một lớp thực thi đối tượng có thể thực thi nhiều giao diện, ví dụ qua phương pháp đa thừa kế. 6.4.3 Giao tiếp giữa client và object Cách thức của sự giao tiếp Trước khi sử dụng một đối tượng COM trong một ứng dụng, ta cần khởi tạo cơ chế COM trong ứng dụng bằng lời gọi CoInitialize( ) và sau đó tạo đối tượng COM mong muốn. Client kết nối với object thông qua con trỏ giao diện và không bao giờ truy nhập trực tiếp vào object. Khi cần sử dụng dịch vụ nào đó của đối tượng, client hiểu rằng nó cần có con trỏ đến một hay nhiều giao diện của đối tượng. Để tạo một đối tượng COM và nhận một con trỏ vào giao diện, ta có thể gọi một trong hai hàm CoCreateInstance() hoặc CoCreateInstanceEx() với các tham số xác định đối tượng. Client Object Application Interface Pointer Hình 6-5: Giao tiếp giữa ₫ối tượng và khách hàng Trong một số trường hợp, bản thân client sẽ đóng vai trò một object và cung cấp cho các đối tượng khác những chức năng gọi các sự kiện hoặc đưa ra các dịch vụ của nó. Lúc này client là một đối tượng thực thi còn object là một khách hàng. © 2005, Hoàng Minh Sơn
45 Application Object Object Application Hình 6-6: Giao tiếp giữa hai ₫ối tượng Giao tiếp trên cùng một quá trình tính toán Khi client và đối tượng COM cùng nằm trên một quá trình tính toán thì client sẽ kết nối trực tiếp với object qua con trỏ giao diện. Quá trình client server client object Hình 6-7: Giao tiếp giữa ₫ối tượng và khách hàng trên cùng quá trình Giao tiếp liên quá trình Nếu client và object không cùng nằm trên một không gian địa chỉ hay nằm trên các máy tính khác nhau thì COM sẽ thiết lập một đối tượng đại diện (proxy) bên phía client và một đối tượng gốc (stub) bên phía object. Proxy và stub sẽ kết nối với nhau qua kênh giao tiếp (channel). Khi đó, client sẽ thực hiện lời gọi dịch vụ trong không gian địa chỉ của nó tức là giao tiếp trực tiếp với proxy. Proxy sẽ thu thập (marshal) các thông số, gửi chúng đến stub qua kênh giao tiếp. Stub thực hiện lời gọi đến đối tượng dịch vụ, đóng gói kết quả và đưa về cho proxy. Quá trình client Quá trình dịch vụ cục bộ hay từ xa server Proxy server client proxy Stub object COM Engine Hình 6-8: Giao tiếp giữa ₫ối tượng và khách hàng trên hai quá trình khác nhau © 2005, Hoàng Minh Sơn
46 6.4.4 Ngôn ngữ mô tả giao diện IDL (Interface Description Language) là một ngôn ngữ kiểu mạnh dùng để mô tả giao diện của đối tượng COM, độc lập với ngôn ngữ lập trình. Cú pháp của ngôn ngữ này không phức tạp so với một ngồn ngữ lập trình. Khi xây dựng một đối tượng COM, ta cần mô tả các phương thức của giao diện bằng cách sử dụng ngôn ngữ này. Sau khi tạp xong file mô tả giao diện này, ta cần lưu nó ở dạng *.idl để chương trình dịch có thể hiểu được. Chương trình dịch (IDL-Compiler) sẽ dịch sang một ngôn ngữ lập trình, ví dụ C++. Khi đó một giao diện sẽ được chuyển sang thực hiện bằng một cấu trúc thích hợp trong ngôn ngữ lập trình, ví dụ một lớp thuần ảo trong C++. 6.4.5 Mô hình đối tượng thành phần phân tán DCOM DCOM (Distributed COM) mở rộng COM cho việc giao tiếp giữa các đối tượng phân tán, thuộc các chương trình chạy trên nhiều máy tính khác nhau trên mạng LAN, WAN hay Internet. Với DCOM, các ứng dụng có thể phân tán trên nhiều vị trí đem lại sự thuận lợi cho chính ứng dụng. Ngày nay khi người ta nói tới COM là cũng thường bao hàm DCOM trong đó. DCOM là một công nghệ lý tưởng cho những ứng dụng nhiều tầng lớp bởi vì nó cho phép những thành phần ActiveX làm việc ngang qua mạng. Nhiều người có thể phát triển thêm cùng một thành phần mà không cần phải lo lắng về lập trình mạng, tính tương thích hệ thống hoặc sự hợp nhất của những thành phần xây dựng từ những ngôn ngữ khác nhau. Nó dẫn tới hạ thấp giá thành và làm giảm sự phức tạp của việc phân tán các ứng dụng thành phần. Client Proxy Stub Component Security Security CoCreateInstance() DCE RPC DCE RPC Provider Provider Protocol Stack Protocol Stack COM CoCreateInstance() Runtime (Remote) Activation SCM SCM DCOM network- protocol Hình 6-9: Giao tiếp giữa ₫ối tượng và khách hàng trên hai máy khác nhau với DCOM © 2005, Hoàng Minh Sơn
47 Khi các đối tượng ở trên các máy tính khác nhau, DCOM đơn giản thực hiện sự thay thế truyền thông liên quá trình cục bộ bởi giao thức mạng. Hình dưới đây minh họa rõ nét cách thức giao tiếp giữa các đối tượng nằm trên hai máy tính khác nhau. Thư viện COM Run-Time cung cấp những dịch vụ hướng đối tượng tới khách hàng và thành phần muốn giao tiếp với nhau đồng thời sử dụng RPC và nhà cung cấp an toàn để tạo chuẩn nối mạng đóng gói tuân theo giao thức truyền thông cho DCOM. Một ứng dụng client có thể tạo một đối tượng trên một máy tính khác qua hàm API CoCreateInstance(). Ta xét một ví dụ đơn giản sau: HRESUL hr = CoCreateInstance( CLSID_CData, // định danh lớp của đối tượng yêu cầu NULL, CLSCTX_REMOTE_SERVER, // dịch vụ từ xa được yêu cầu &si); // tham số đầu ra để chứa con trỏ giao diện © 2005, Hoàng Minh Sơn