Tài liệu Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng PLC S71200 của Siemens’ DOC

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200..................................................2 1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát 2 1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp...............................................................2 1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp 2 1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp 3 1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA................................6 1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA 6 1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA 7 1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA 1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng 8 9 1.1.3 Mạng Ethernet........................................................................................11 1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet 11 1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet 11 1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802 12 1.1.3.4 Họ giao thức TCP/IP 13 1.2 Giới thiệu chung S7 1200 18 1.2.1 Các thông số của các dòng CPU thông dụng..........................................19 1.2.2 Các module mở rộng CPU S7 1200........................................................20 1.2.3 Trạng thái của các đèn báo tín hiệu của PLC S7-1200...........................23 1.2.4 Cách cài đặt PLC S7-1200......................................................................26 1.2.4.1 Cách cài đặt phần cứng cho CPU chính 26 1.2.4.2 Cách cài đặt module mở rộng 28 1.3 Phần mềm Tia Portal 30 1.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal............................................................30 1.3.2 Khởi tạo dự án và cấu hình.....................................................................31 1.3.3 Websever................................................................................................34 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG S7-1200................................................................................................................... 39 2.1 Đặt vấn đề và phương hướng giải quyết 39 2.1.1 Đặt vấn đề...............................................................................................39 2.1.2 Khảo sát tình trạng giao thông tại một số nút giao thông.......................40 2.1.2.1 Đồng Quốc Bình (Lạch Tray – Đồng Quốc Bình – Nguyễn Bình) 40 2.1.2.2 Ngã tư Thành Đội (Cầu Đất–Lạch Tray–Lê Lợi–Tô Hiệu ) 41 2.1.2.3 Ngã Tư Quán Mau (Lạch Tray – An Đà – Đình Đông) 41 2.1.2.4 Cầu vượt Lạch Tray (Lạch Tray – Nguyễn Văn Linh–Nguyễn Bỉnh Khiêm) 42 2.1.3 Phương hướng giải quyết phần mềm......................................................44 2.1.3.1 Nguyên tắc hoạt động 44 2.1.3.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông theo làn sóng xanh 44 2.1.3.3 Giải pháp SCADA cho Điều khiển giám sát bài toán giao thông 49 2.1.4 Phương hướng giải quyết phần cứng......................................................50 2.1.4.1 Giải pháp điều khiển đèn giao thông sử dụng IC số 50 2.1.4.2 Giải pháp điều khiển đèn giao thông với vi mạch dùng kỹ thuật VXL 50 2.2 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 2.3 Sơ đồ đấu dây 53 2.4 Lưu đồ thuật toán 55 51 2.4.1 Chương trình chính.................................................................................55 2.4.2 Chương trình con....................................................................................56 2.5 Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống đèn giao thông sử dụng S71200 57 2.5.1 Chương trình chính.................................................................................57 2.5.2 Chương trình con....................................................................................67 2.5.2.1 Chế độ tự động: 68 2.5.2.2 Chế độ bằng tay: 70 2.6 Thiết kế giao diện HMI 72 2.7 Thiết kế Webserver 77 2.7.1 Khái niệm cơ bản về Webserver.............................................................77 2.7.2 Cấu trúc chung của trang HTML............................................................78 2.7.3 Các tập lệnh AWP được hỗ trợ cho Webserver......................................79 2.7.4 Code Web...............................................................................................81 2.7.5 Cấu hình User- defined Web pages........................................................82 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG......................................85 3.1 Mô hình thực nghiệm 85 3.2 Kết quả mô phỏng 86 3.3 Kết quả thiết kế Web 3.4 Đánh giá tổng quan 88 87 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất xí nghiệp 3 Hình 1.2 Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA 8 Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của SCADA 9 Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát Hình 1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 10 14 Hình 1.6 CPU S7 1200 – 1214C 19 Hình 1.7 Hình ảnh của CPU S7-1200 19 Hình 1.8 Hình ảnh của các module kết nối qua network 21 Hình 1.9 Hình ảnh của các module mở rộng SMS, GPRS, Wifi Hình 1.10 Không gian cần thiết khi cài đặt PLC 23 27 Hình 1.11 Giao diện của phần mềm Tia Portal 31 Hình 1.12 Tạo New project 32 Hình 1.13 Cấu hình cho thiết bị 32 Hình 1.14 Chọn loại CPU cho PLC S7-1200 33 Hình 1.15 Giao diện làm việc mới của Tia Portal Hình 1.16 Kiểm tra IP của PC 33 34 Hình 1.17 Cài đặt IP cho PLC S7-1200 34 Hinh 1.18 Trang chủ của S7- 1200 35 Hình 1.19 Trang Identification trên Web Sever 35 Hình 1.20 Trang Diagnastic Bufer trên Web Sever 36 Hình 1.21 Trang Module Information trên Web Sever Hình 1.22 Trang Communication trên Web Server 37 Hình 1.23 Trang Variable Status trên Web Server 37 36 Hình 1.24 Trang Data Logs trên Web Server 38 Hình 1.25 Trang web của người dùng 38 Hình 2.1 Phân cấp chức năng của hệ SCADA 39 Hình 2.2 Nút tham gia giao thông Đồng Quốc Bình 40 Hình 2.3 Nút giao thông ngã tư Thành Đội 41 Hình 2.4 Phương tiện tham gia giao thông tại nút giao thông Quán Mau Hình 2.5 Hình ảnh nút giao thông tại cầu vượt Lạch Tray 42 43 Hình 2.6 Sơ đồ các các nút giao thông từ ngã tư Thành Đội đến cầu Rào 43 Hình 2.7 Chu kỳ 1 thời gian đèn sáng tại Ngã tư Lạch Tray và Đồng Quốc Bình 47 Hình 2.8 Chu kỳ 2 đèn sáng tại Ngã tư Lạch Tray và Đồng Quốc Bình Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống 49 Hình 2.10 Cấu trúc giám sát hệ thống 51 Hình 2.11 Hub loại S105 52 Hình 2.12 Dây cáp CAT 5e 52 Hình 2.13 CPU S7-1200 1214C AC/DC/Relay Hình 2.14 Đèn Led 220V-AM 52 Hình 2.15 Nút ấn PR-25L-2 52 Hình 2.16 Aptomat BKN C20 53 52 Hình 2.17 Sơ đồ đấu dây Error! Bookmark not defined. Hình 2.18 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 55 Hình 2.19 Lưu đồ thuật toán chế độ chạy tự động 56 Hình 2.20 Lưu đồ thuật toán chế độ chạy bằng tay 57 Hình 2.21 Tập hợp hình ảnh chương trình OB1 67 Hình 2.22 Tập hợp hình ảnh chương trình chạy chế độ tự động 70 Hình 2.23 Tập hợp hình ảnh chương trình chạy chế độ bằng tay 72 Hình 2.24 Tạo đường liên kết giữa WinCC Professional với PLC1 72 Hình 2.25 Tạo kết nối giữa WinCC Professional với PLC 1 73 Hình 2.26 Kết nối 1 WinCC với 2 PLC 73 Hình 2.27 Tạo Screen_1 73 Hình 2.28 Cửa sổ liên kết Screen_ 1 với Screen _2 74 Hình 2.29 Tạo Tag ngoại 74 Hình 2.30 Tạo thuộc tính cho nút ấn Start 75 Hình 2.31 Thiết lập hiệu ứng điều khiển cho nút ấn Start Hình 2.32 Tạo thuộc tính cho đèn Hình 2.33 Hiệu ứng của đèn 75 76 76 Hình 2.34 Tạo hình ảnh trang trí cho WinCC 77 Hình 2.35 Phần mềm viết code Web 78 Hình 2.36 Cấu trúc cơ bản của một trang HTML 78 Hình 2.37 Viết code cho trang web đơn giản 79 Hình 2.38 Kết quả khi truy cập 79 Hình 2.39 Code Web 81 Hình 2.40 Đặc tính của CPU S7-1200 82 Hình 2.41 Kích hoạt tính năng Websever trên S7- 1200 82 48 Hình 2.42 Thiết lập User- defined Web pages 83 Hình 2.43 lập trình lệnh WWW 83 Hình 2.44 Truy cập vào Web chuẩn của PLC 83 Hình 2. 45 Trang chủ của Siemens 84 Hình 2. 46 Trang Web người dùng 84 Hình 3.1 Mô hình thực nghiệm 85 Hình 3.2 Kết quả mô phỏng PLC_1 86 Hình 3.3 Kết quả mô phỏng PLC_2 87 Hình 3.4 Kết quả thiết kế Web cho PLC_1 87 Hình 3.5 Kết quả thiết kế Web cho PLC_2 88 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật của CPU 1211C/ 1212C/ 1214C Bảng 1.2: Bảng thông số tín hiệu của các module 19 21 Bảng 1.3: Bảng thông số tín hiệu 22 Bảng 1.4: Bảng thông số tín hiệu Module 22 Bảng 1.5: Bảng tóm tắt chức năng của đèn 24 Bảng 1.6: Bảng miêu tả chức năng khi đèn sáng Bảng 1.7: Cách gắn CPU lên giá đỡ 25 27 Bảng 1.8: Cách cài đặt các module SB, CB, BB Bảng 1.9: Cách cài đặt module mở rộng SM 28 28 Bảng 1.10: Cách cài đặt module mở rộng CM và CP 29 Bảng 1.11: Cách lắp đặt module mở rộng SMS 30 Bảng 1.12: Hình ảnh cài đặt Sim Card cho CPU 30 Bảng 2.1: Thời gian chênh lệch giữa các ngã tư 46 Bảng 2.2: Bảng tính thời gian đèn hướng 1 (trục đường chính Lạch Tray) 48 Bảng 2.3: Khai báo địa chỉ 57 Bảng 2.4: Địa chỉ chương trình hàm FB 67 Lời cảm ơn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Trải qua 4 năm học dưới mái trường đại học, một khoảng thời gian mà em và các bạn trong nhóm lớp Tự động hóa 2 được gặp gỡ và học tập với các thầy cô giáo. Những người vô cùng tâm huyết, tận tụy với nghề đã truyền thụ những kiến thức thật quý giá và bổ ích cho tất cả chúng em. Vì vậy lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn toàn bộ những giảng viên đã truyền đạt kiến thức cho chúng em trong những năm qua. Tiếp theo chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến cô Tống Thị Lý, người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian làm đồ án. Chúng em xin chân thành cảm ơn cô. Cuối cùng, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn các bạn bè của chúng em nhiệt tình giúp đỡ để hoàn thành đồ án tốt hơn. CHÚNG EM XIN TRÂN THÀNH CẢM ƠN! Hà Nội, Ngày…..tháng …..năm 2016 Nhóm thực hiện Tự Động Hóa 2_K7 Lời nói đầu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU ---o0o--- T rong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ ra tăng không ngừng về các loại phương tiện giao thông. Sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy ra rất thường xuyên.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông thông suốt và sử dụng đèn điều khiển giao thông ở những ngã tư những nơi giao nhau của các làn đường là một giải pháp. Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ khác nhau. Nhưng với những ưu điểm vượt trội của PLC S7-1200 như: giá thành rẻ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt, nên ở đây chúng em đã chọn hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programmble Logic Control) với ngôn ngữ lập trình của S7-1200 cùng nhu cầu thực tế và những ham muốn hiểu biết về về lĩnh vực này, chúng em xin chọn đề tài làm đồ án tốt nghiệp về “ Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng PLC S7-1200 của Siemens’’. Mục tiêu của quá trình thực hiện đồ án là tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu - điều khiển - giám sát, PLC S7-1200 và quan trọng nhất là những ứng dụng thực tế của PLC trong cuộc sống. 1 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SỬ DỤNG PLC S7 1200 1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát 1.1.1 Mạng truyền thông công nghiệp 1.1.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông công nghiệp Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, đòi hỏi phải có sự cải tiến và áp dụng công nghệ mới vào trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Một trong những giải pháp tốt nhất, đó là áp dụng quy trình tự động hóa vào sản xuất. Các dây truyền không hoạt động độc lập mà cần có sự liên kết với nhau tạo nên một mô hình thống nhất. Sự kết nối các thiết bị công nghiệp đó với nhau tạo thành một hệ thống mạng gọi là mạng truyền thông công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Do đặc thù của các ngành công nghiệp mà tạo ra nhiều loại mạng truyền thông khác nhau. Mặt khác, mạng truyền thông công nghiệp cũng có đặc thù riêng, có thể phân biệt chúng với mạng thông tin quảng đại thông qua một số khía cạnh sau: - Về phạm vi hoạt động - Độ tin cậy khi truyền Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp: - Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp vì trong hệ thống, số lượng lớn các thiết bị thuộc chủng loại khác nhau, nhà sản xuất khác nhau được ghép nối với nhau qua một đường truyền - Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường truyền duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên liệu và công lắp đặt. - Nhờ kĩ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó sai lệch mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng phát hiện lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có - Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống. Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế các thiết bị, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ cũng dễ dàng hơn 2 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm 1.1.1.2 Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp PC: Personal Computer HIS: Human interface station FCS: Field Control Station S: Sensor A: Actuator PC PC P Fast ethernet Quản lý kinh tế PC PC PC PC PC PC Ethernet Quản lý kỹ thuật HIS HI HIS HI SS HIS HIS HIS HIS System bus Điều khiển & giám sát FCS FCS FCS FCS FCS FCS Fielbus Điều khiển Cấp hiện trường FCS FCS A S A S Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất xí nghiệp Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus - Bus trường, bus thiết bị: Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. 3 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến. Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chéo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường. Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham số hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS,ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây. - Bus hệ thống, bus điều khiển: Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (System bus) hay bus quá trình (Process bus). Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các 4 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này. Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm mili giây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắt khe. Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP. - Mạng xí nghiệp: Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ...). Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới 5 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. - Mạng công ty: Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v.v... Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai. 1.1.2 Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA 1.1.2.1 Định nghĩa và phân loại hệ thống SCADA SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ thống giao diện người máy HMI Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện HMI để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ. Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ truyền thống như vậy thì hệ truyền thông 6 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP và phần cứng đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiêt kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống Phân loại hệ thống SCADA Các hệ thống SCADA được phân bố theo chức năng: - Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận giám sát. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị. Do tính đơn giản nên giá thành thấp. - Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực: hệ thống SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất. Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống. Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời. Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất cả máy móc. - Hệ thống SCADA độc lập: hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ xử lý. Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc. Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết. - Hệ thống SCADA mạng: hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý. Các máy tính được nối mạng với nhau. Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất. Qua mạng truyền thông, hệ thống được nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa. 1.1.2.2 Cấu trúc chung của hệ SCADA 7 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.2 Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Còn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các thiêt bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm- điểm (point to point) hoặc qua mạng truyền thông…  Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm: - Giao diện quá trình: gồm các cảm biến, thiết đo, thiết bị chuyển đổi, cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra và chuyển đổi tín hiệu - Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển PLC, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm tương ứng - Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các thiết bị, phần mềm giao diện HMI, các trạm kỹ thuật, 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 1.1.2.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của hệ thống SCADA 8 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm điều khiển giám sát của SCADA Cơ sở dữ liệu quá trình có chức năng quản lý và lưu trữ : - Dữ liệu quá trình - Dữ liệu tình trạng hệ thống - Dữ liệu quá khứ - Dữ liệu cảnh báo - Dữ liệu vận hành Giao diện người máy (HMI) có chức năng : - Hiển thị các thiết bị, máy móc - Hiển thị các giá trị quá trình, các hình ảnh động minh họa, các phím điều khiển - Hiển thị và can thiệp chi tiết vào quá trình điều khiển các tham số, tình trạng báo động - Hiển thị các quá trình theo thời gian thực Chức năng cảnh báo báo động - Phát hiện tình trạng cảnh báo, báo động tại các trạm vận hành hoặc trạm chủ - Gửi cảnh báo, báo động theo phạm vi hệ thống, trạm được quyền can thiệp hoặc tính ưu tiên cấp thiết - Lưu trữ cảnh báo, báo động - Hiển thị cảnh báo /báo động theo:  Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết  Sắp xếp theo thời gian xảy ra  Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo động  Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhâp nháy Xác nhận cảnh báo/báo động: theo quyền người sử dụng hoặc xác nhận theo nhóm Xóa cảnh báo/báo động 1.1.2.4 Mô hình phân cấp chức năng 9 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năng như hình vẽ minh họa dưới đây: Hình 1.4 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hóa của hệ thống điều khiển và giám sát người ta thường sử dụng mô hình như trên. Với loại mô hình này các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên. Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, 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 ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Việc phân cấp chức năng sẽ thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô hình phân cấp chức năng: - Cấp trường: các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động 10 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển. - Cấp điều khiển: nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút mở/ đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay... Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay gọi chung là cấp trường (Fieid level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật. - Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm 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. Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường. 1.1.3 Mạng Ethernet 1.1.3.1 Khái niệm về Ethernet Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thực chất, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giao thức được sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có thể thực hiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sở Ethernet. High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation chính là một trong tám hệ bus trường được chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158. 1.1.3.2 Các thành phần và đặc tính kỹ thuật của Ethernet - Một mạng Ethernet gồm 3 thành phần :  Data terminal equiment(DTE): các thiết bị truyền và nhận dữ liệu DTEs thường là PC, file sever, Print sever,… 11 CHƯƠNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Data Communication Equipment(DCE): các thiết bị kết nối mạng cho phép nhận và chuyển khung trên mạng. DCE có thể là các thiết bị độc lập như Repeter( không quá 4 Repeter), Switch, router hoặc các khối giao tiếp thông tin như card mạng, Modem,…  Interconnecting media: Cáp có thể dài nhất là 500m và ngắn nhất là 2,5m. Có thể sử dụng cáp xoắn đôi, cáp đồng trục mỏng, cáp đồng trục dày, cáp sợi quang - Các đặc tính kĩ thuật của mạng Ethernet:  Cấu hình truyền thông: có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền dùng cáp đồng trục, tuy nhiên mỗi thành phần của nó có thể là cấu trúc start (star-wired bus). Tín hiệu truyền trên mạng được mã hóa theo kiểu đồng bộ.  Quy cách kỹ thuật 802.3  Vận tốc truyền : 10Mbps, 100Mbps,…10Gbps  Loại cáp: cáp đồng trục mảnh, cáp đồng trục dày, cáp xoắn đôi, cáp sợi quang  Chiều dài tối đa của một cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến này có thể được kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng cách lớn nhất cho phép giữa 2 nút là 2.8km  Sử dụng tín hiệu băng tần cơ bản, truy xuất tuyến hoặc tuyến token(token bus), giao thức là CSMA/CD) - Ngày nay khái niệm ethernet thường được sử dụng để chỉ một mạng LAN CSMA/CD, phù hợp với tiêu chuẩn 802.3, đặc điểm:  Hoạt động ở mức liên kết dữ liệu  Theo nguyên tắc CSMA/CD cảm biến sóng mang có phát hiện đụng độ  Thành phần chính:  Phần cứng mạng: các thiết bị nối mạng  Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền  Khung Ethernet: đơn vị truyền dữ liệu trên mạng 1.1.3.3 Chuẩn IEEE 802 IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN (Metropolitan Area Network). Cụ thể hơn, các chuẩn IEEE 802 được giới hạn cho các mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng. (Khác với các mạng này, dữ liệu trong 12