Xác Định Kiến Trúc hệ Thống Công Nghệ Thông Tin

Trong ngành kỹ thuật tự động hóa, “Things” là lĩnh vực của các kỹ sư cổ điển. Họ thiết kế các hệ thống nhúng hoặc lập trình PLC (Bộ điều khiển Logic Lập trình) để điều khiển các máy móc có độ phức tạp cao cho các quy trình sản xuất.

Kiến trúc hệ thống của họ nhằm mục đích tối đa hóa độ tin cậy và thường sử dụng mức giảm tối đa. Cho phép thực hiện các công việc có nhiệm vụ giống nhau lặp đi lặp lại một cách đáng tin cậy mà không cần sự tương tác của con người.

Cái gọi là HMIs (giao diện người-máy) cho phép con người giám sát, theo dõi hệ thống, cũng như là điều chỉnh các giá trị của quy trình nhưng không phải là các thuật toán điều khiển của trung tâm.

Mạch logic đơn giản. Đèn LED sáng nếu cả hai nút được nhấn.

Ban đầu, máy tính vật lý được thực hiện bằng cách kết hợp các cổng logic nhị phân. Giống như mô hình mạch ở trên, chúng ta có hai công tắc (có thể xem là cảm biến nhị phân giống như lưới che ánh sáng). Nếu cả hai công tắc đều đóng, đầu ra sẽ bật đèn LED sáng. Đó là cách giám sát chuỗi chuyển mạch bằng các cổng logic. Cùng tìm hiểu một “logic xung nhịp” hoạt động theo chu kỳ như hình bên dưới. 

Mô phỏng về logic xung nhịp

Một PLC hoạt động giống như một logic xung nhịp logic. Hàng loạt các cổng được kết nối với nhau (đầu ra đến đầu vào) bằng chương trình PLC làm cho bộ điều khiển trở nên linh hoạt (trong các PLC đời đầu thực chất là một mảng các khối logic – trong khi ngày nay nhiệm vụ đó do CPU thực hiện).

Nhưng trong nhân xử lý luôn hoạt động theo chu kỳ: Nhận ảnh chụp nhanh của tất cả các đầu vào, sau đó thực hiện tính toán bằng các phép toán nhị phân trên các thông tin đó, cuối cùng thiết lập tất cả các đầu ra. Qua đó cho thấy các hoạt động logic phụ thuộc các đầu vào và xác định trạng thái nội bộ bên trong (trong mạch logic được gọi là “Flip-Flops”) trước khi PLC thực hiện các phép tính nhị phân. Sau đó, các kết quả sau khi được xử lý sẽ lưu vào bộ nhớ đệm một lần nữa trước khi tất cả các đầu ra được chuyển đổi cùng một lúc. 

Hoạt động theo chu kỳ của PLC 

Bất kỳ một chuỗi nào cũng cần phải có một xung nhịp. Tốc độ của xung nhịp thực ra là một tốc độ lấy mẫu theo như Nyquist đã chứng minh bằng toán học, chúng ta có thể phát hiện ra những tính hiệu đáng tin cậy khi tốc độ của nó lớn hơn gấp đôi tốc độ lấy mẫu.

Lấy ví dụ về logic xung nhịp ở trên: Nếu một vật chuyển động qua cả hai chùm sáng, kết quả tạo ra một chuỗi “00 – 01 – 11 – 10 – 00” hoặc “00 – 10 – 11 – 01 – 00” phù thuộc vào hướng chuyển đổi. Thời gian xung nhịp phải ngắn hơn một nửa thời gian giữa hai trạng thái để xác định được chuỗi.

Việc lấy mẫu của hai lưới cản ánh sáng tại những thời điểm khác nhau sẽ vô cùng phức tạp,có thể nói là bất khả thi. Để tính toán được tốc độ xung nhịp tối thiểu, chúng ta phải dự đoán được các tín hiệu lấy mẫu đồng thời.

CE Shannon đã đưa ra một thuật ngữ “tần số Nyquist” trong lý thuyết về tín hiệu của mình khi ông làm việc trên các hệ thống thời gian rời rạc, nghe thì có vẻ khá phức tạp, nhưng khi nhìn vào một tín hiệu kỹ thuật số, thì nó sẽ trở nên dễ hiểu.

Giả sử chúng ta có một sóng vuông chuyển đổi giữa hai giá trị kỹ thuật số “0” và “1”. Các thiết bị không thể nhận tín hiệu đó liên tục mà cần xác định giá trị thực (lấy mẫu theo chu kỳ). Hãy quan sát vào dòng thời gian của tín hiệu và điểm mẫu, chúng ta sẽ dễ dàng nhìn thấy cần lấy mẫu ít nhất hai lần trong một chu kỳ sóng vuông để xác định chắc chắn hai trạng thái của sóng vuông. Vì vậy tần số lấy mẫu (tốc độ lấy mẫu) phải gấp hai lần tần số tín hiệu.

Nói cách khác: Tần số tín hiệu cao nhất có thể xử lý một cách chính xác là bằng một nửa tần số lấy mẫu. Tần số tín hiệu cao nhất được đầu vào tiếp nhận cho hệ thống được gọi là “tần số Nyquist”.

Trong quá trình lấy mẫu, trước khi chuyển đổi đồng thời các giá trị đầu ra thì hệ thống phải thực hiện các tính toán trên các giá trị đầu vào đã được đệm và kết quả sẽ được lưu vào bộ đệm cho đến khi tính toán kết thúc, đảm bảo cho hệ thống có khả năng dự đoán với độ chính xác cao. Sau đó, bộ điều khiển nhúng sử dụng FSM (máy trạng thái hữu hạn) để tiếp nhận.

Mỗi chu kỳ của FSM sẽ bắt đầu với một trạng thái xác định và phù thuộc vào trạng thái tín hiệu mà nó có thể chuyển đổi sang một trạng thái khác. Để một bộ điều khiển có thể dự đoán được và hoạt động với độ tin cậy cao thì tại thời điểm thiết kế, chúng ta cần xác định các trạng thái mà nó có khả năng làm được cũng như là các quy tắc chuyển đổi trạng thái.

EN 61131 là một trong những trung tâm tiêu chuẩn tuân theo mô hình trên và để xác định các trạng thái của các bộ điều khiển trong ngành công nghiệp tự động hóa. Nó cũng xác định các ngôn ngữ lập trình như: Biểu đồ bậc thang (LD); Biểu đồ khối chức năng (FBD); Biểu đồ chức năng tuần tự (SFC) hoặc Danh sách lệnh (IL) phản ánh nguồn gốc lịch sử của công nghệ PLC.

Chương trình PLC trong LD (trái) và FDB (phải)

Để kết nối với các đám mây có nghĩa là chúng ta phải bước vào một thế giới mới với các mục đích và quy tắc khác nhau: Một là cơ sở dữ liệu để lưu trữ và truy xuất hàng loạt dữ liệu thu thập một cách hiệu quả, hai là giao diện người dùng chủ yếu là các ứng dụng dựa trên PC với GUI tương tác cao.

Tương tác giữa dữ liệu và con người là cơ sở của CNTT cổ điển, còn tương tác giữa cảm biến và cơ cấu truyền động là lĩnh vực của bộ điều khiển trong tự động hóa. Do đó, kiến ​​trúc hệ thống của CNTT thường được tối ưu hóa để đạt hiệu quả tối đa, khả năng tái sử dụng, đảm bảo sự thoải mái khi sử dụng. 

Khi làm việc với một hệ thống có khả năng ít dự đoán thì hệ thống đó có nhiều quy trình độc lập và không đồng bộ. Trong quá trình thiết kế, chúng ta có thể biết và cân nhắc các trạng thái mà chúng có khả năng thực hiện được.

Mặt khác, do khả năng mở rộng các hệ thống gần như không bị giới hạn khi làm việc với lượng dữ liệu lớn. Theo nhiều cách, chúng dần dần giống chúng ta hơn: đa tác vụ, tương tác cao, giao tiếp thân thiện và thích ứng.

Không có gì ngạc nhiên khi CNTT hiện nay có khả năng tương tác với con người (GUI). Cũng như các hệ thống có thể giao tiếp với nhau, sử dụng các phương thức thống kê để tính toán xác suất và áp dụng cho máy có thể học hỏi như AI (trí tuệ nhân tạo).

B2bmart.vn vừa giới thiệu đến bạn đọc một số thông tin về kiến trúc hệ thống CNTT. Hi vọng qua bài đọc trên sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn và có thể áp dụng chúng vào công việc của mình.