Tài liệu Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát cho khâu cấp nước sạch của hệ thống sản xuất beer

PHẠM THIỆN TRÍ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ***** PHẠM THIỆN TRÍ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO KHÂU CẤP NƯỚC SẠCH CỦA HỆ THỐNG SẢN XUẤT BEER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2015A Hà Nội – Năm 2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc Việt Nam trên con đƣờng công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nƣớc. Trong đó khoa học kỹ thuật là yếu tố giữ vai trò không nhỏ và việc ứng dụng những thành tựu về khoa học kỹ thuật vào ngành nghề nói chung và tự động hóa nói riêng càng rộng rãi. SCADA khâu xử lý nƣớc bên trong hệ thống vận hành và hoạt động của một nhà máy sản xuất Beer cung cấp cho chúng ta những kiến thức vô cùng hữu ích về toàn bộ quy trình, dây chuyền hoạt động cũng nhƣ một SCADA không thể thiếu trong nền công nghiệp tự động hóa đất nƣớc. Đối với các doanh nghiệp sản xuất và chế tạo thì việc nâng cao hiệu quả trong chất lƣợng sản phẩm. Việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất nhằm thỏa mãn mục tiêu trên. Hơn nữa với đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát cho khâu cấp nƣớc sạch của hệ thống sản xuất Beer” nói về một ứng dụng cụ thể, một khâu xử lý nƣớc từ công đoạn nƣớc thô cho tới nƣớc sinh hoạt, nƣớc nấu Beer… Đó hoàn toàn là nhờ vào việc áp dụng khoa học – kỹ thuật, và điển hình là hệ SCADA. Đề tài hệ SCADA cho khâu cấp nƣớc sạch giúp chúng ta hiểu hơn về SCADA, tầm quan trọng không thể thiếu trong thời đại công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày nay. Sau thời gian nghiên cứu và đƣợc sự hƣớng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và các thầy cô trong Viện Điện, cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay luận văn tốt nghiệp của em đã đƣợc hoàn thành. Nội dung luận văn bao gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về các hệ điều khiển giám sát, công nghệ sản xuất Beer và khâu xử lý nƣớc sạch Chƣơng 2: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển giám sát Chƣơng 3: Lựa chọn phần cứng PLC và thiết kế phần mềm hệ thống điều khiển giám sát Chƣơng 4: Kết luận và hƣớng phát triển Phạm Thiện Trí 1 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH Để hoàn thành đƣợc đề tài nghiên cứu này, em muốn gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng đã rất nhiệt tình hƣớng dẫn, động viên, khích lệ để em hoàn thành tốt đề tài này. Trong đề tài em có tham khảo rất nhiều bài viết cũng nhƣ tƣ liệu liên quan về hệ thống SCADA của các ban, công ty nhƣ: Tổng công ty cổ phần Bia – Rƣợu – Nƣớc giải khát Hà Nội… từ các diễn đàn trên mạng, các web công ty. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các ban, công ty. Do kiến thức còn hạn chế, thực tiễn chƣa sâu nên không tránh khỏi sai sót. Rất mong đƣợc sự đóng góp của quý thầy cô để luận văn chuyên ngành của em đƣợc hoàn thiện tốt hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Phạm Thiện Trí 2 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 DANH MỤC TÊN VIẾT TẮT .............................................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... 7 DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 8 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM, CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BEER VÀ KHÂU XỬ LÝ NƢỚC SẠCH ................................. 11 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT ................................. 11 1.1.1. SCADA .................................................................................................. 11 1.1.2. PLC ........................................................................................................ 15 1.1.2.1. Tổng quan về PLC .............................................................................. 15 1.1.2.2. Cấu trúc phần cứng của PLC .............................................................. 16 1.1.2.3. Các thành phần chính của PLC bao gồm ............................................ 17 1.1.2.4. Vòng quét của PLC ............................................................................. 19 1.1.2.5. Ngôn ngữ lập trình PLC ...................................................................... 20 1.1.2.6. Các dòng PLC của Siemens ................................................................ 20 1.1.2.7. PLC S7-300 ......................................................................................... 21 1.2. TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BEER VÀ HỆ THỐNG CẤP NƢỚC SẠCH ......................................................................................... 23 1.2.1. Sơ lƣợc quy trình sản xuất Beer ............................................................ 23 1.2.1.1. Thành phần .......................................................................................... 23 1.2.1.2. Quy trình sản xuất ............................................................................... 25 Phạm Thiện Trí 3 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH 1.2.2. Hê ̣ điề u khiể n giám sát cấ p nƣớc........................................................... 26 1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................ 27 Chƣơng 2 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT28 2.1. YÊU CẦU CHUNG VỀ THIẾT KẾ ........................................................ 28 2.2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ............................................................................ 29 2.3. TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC, LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ...................................................................... 31 2.3.1. Tìm hiểu công nghệ xử lý nƣớc............................................................. 31 2.3.1.1. Giới thiệu chung về nƣớc .................................................................... 31 2.3.1.2. Xử lý nƣớc sinh hoạt ........................................................................... 31 2.3.1.3. Xử lý nƣớc nấu .................................................................................... 35 2.3.1.4. Xử lý nƣớc mềm.................................................................................. 39 2.3.2. Lựa chọn thiết bị .................................................................................... 40 2.3.2.1. Cảm biến mực nƣớc............................................................................ 40 2.3.2.2. Cảm biến lƣu lƣợng ............................................................................ 41 2.3.2.3. Cảm biến áp suất ................................................................................ 43 2.3.2.4. Lựa chọn về động cơ điện – mạch động lực điều khiển..................... 44 2.3.2.5. Lựa chọn biến tần ............................................................................... 46 2.3.2.6. Bảng thống kê số đầu vào số, đầu ra số và tín hiệu analog ................ 51 2.4. PHƢƠNG PHÁP ĐẤU NỐI CHO CÁC THIẾT BỊ ................................ 56 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................ 57 Chƣơng 3 – LỰA CHỌN PHẦN CỨNG PLC VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT ............................................................... 58 Phạm Thiện Trí 4 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH 3.1. LỰA CHỌN PLC ..................................................................................... 58 3.2. VIẾT CHƢƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG ............................................ 62 3.3. KẾT NỐI PHẦN CỨNG .......................................................................... 66 3.4. THIẾT LẬP WINCC ................................................................................ 67 3.4.1. Trang giao diện khởi tạo........................................................................ 67 3.4.2. Màn hình tổng quan ............................................................................... 68 3.4.3. Giám sát mức các bể nƣớc thô, nƣớc sạch, bể trung gian 1,2 và bể Axit ......................................................................................................................... 69 3.4.4. Giám sát trạng thái của các bơm ........................................................... 70 3.4.5. Giám sát chế độ của quạt khử CO2 số 1, 2 ........................................... 70 3.4.6. Giám sát trạng thái của các Valve điện ................................................. 71 3.4.7. Giám sát mức bình Axit ........................................................................ 72 3.4.8. Giám sát trạng thái và chế độ của bình trao đổi ION1 và ION2 ........... 72 3.4.9. Chế độ vận hành của hệ thống............................................................... 73 3.4.10. Thông tin cụm bơm trung gian ............................................................ 74 3.4.11. Mô phỏng WinCC ............................................................................... 75 3.5. KẾT QUẢ ................................................................................................. 79 Chƣơng 4 - KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 87 4.1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 87 4.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 88 Phạm Thiện Trí 5 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH DANH MỤC TÊN VIẾT TẮT STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Tên viết tắt SCADA MTU RTU CPU TCP/IP OSI PLC WAN LAN IOS MMI HDC GW APPS OPC VDU GIS MPI DP PA FDL FMS FBD SFC IL ST CAN AS-I Phạm Thiện Trí Chú thích Supervisory Control And Data Acquisition Master Terminal Unit Remote Terminal Unit Central Processing Unit Transmission Control Protocol and Internet Protocol Open Systems Interconnection Programmable Logic Controller Wide Area Network Local Area Network Input Output System Man Machine Interface Historical for Data Collection Storage Gateway for Inter-LAN Comunication Aplication Calculation and Processing Module OLE for Process Control Video Display Unit Geographic Information System Message Passing Interface Distributed I/O Process Actumation Fieldbus Data Link Fieldbus Message Specification Function Block Diagram Sequential Function Chart Instruction List Structured Text Controller Area Network Actuator Sensor Interface 6 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thống kê tín hiệu đầu vào số của hệ thống xử lý nƣớc Bảng 2.2. Thống kê tín hiệu đầu ra số của hệ thống xử lý nƣớc Bảng 2.3. Thống kê tín hiệu analog của hệ thống xử lý nƣớc Bảng 3.1. Bảng thống kê số lƣợng CPU và các Module Bảng 3.2. Bảng trạng thái các van, bơm Bảng 3.3. Bảng trạng thái của quạt Bảng 3.4. Bảng thống kê các vavle bình trao đổi ION Bảng 3.5. Bảng thông tin vận hành bình trao đổi ION Phạm Thiện Trí 7 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các dòng PLC của Siemens Hình 1.2. Cấu trúc phần cứng của PLC Hình 1.3. Cấu hình loại Fixed I/O Hình 1.4. Cấu hình loại Modular I/O Hình 1.5. Local và Remote I/O Hình 1.6. Vòng quét chƣơng trình của PLC Hình 1.7. Mô ̣t số đă ̣c tiń h PLC S7-300 Hình 1.8. Sơ đồ quy trình sản xuất Beer Hình 2.1. Các cấp thiết bị hệ SCADA Hình 2.2. Phƣơng pháp truyền thông hệ điều khiển giám sát Hình 2.3. Sơ đồ quá trình xử lý nƣớc sinh hoạt Hình 2.4. Sơ đồ quá trình xử lý nƣớc nấu Hình 2.5. Sơ đồ quá trình xử lý nƣớc mềm Hình 2.6. Sơ đồ đấu nối cảm biến báo mực nƣớc LMT 121 Hình 2.7. Cảm biến báo mực nƣớc LMT 121 Hình 2.8. Cảm biến lƣu lƣợng Hình 2.9. Mạch cảm biến và sơ đồ đấu nối Hình 2.10. Bộ hiển thị lƣu lƣợng MAG 5000 Hình 2.11. Cảm biến áp suất Hình 2.12. Động cơ điện ba pha ABB Hình 2.13. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ xoay chiều 3 pha Hình 2.14. Mạch động lực khởi động sao – tam giác Hình 2.15. Sơ đồ tổng quát của biến tần Hình 2.16. Biến tần FC 302 Hình 2.17. Sơ đồ mạch biến tần FC302 Hình 2.18. Sơ đồ đấu nối biến tần FC 302 Hình 2.19. Giao diện vào ra cho các thiết bị Phạm Thiện Trí 8 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH Hình 3.1. Project mới Hình 3.2. Đặt tên cho Project mới Hình 3.3. Chèn SIMATIC 300 Station Hình 3.4. SIMATIC 300 Station Hình 3.5. Cấu hình phần cứng PLC cho hệ thống xử lý nƣớc Hình 3.6. Lƣu đồ khâu xử lý nƣớc sạch Hình 3.7. Lƣu đồ thuật toán công đoạn xử lý nƣớc nấu Hình 3.8. Lƣu đồ thuật toán của công đoạn xử lý nƣớc mềm Hình 3.9. Giao diện lập trình PLC S7-300 Hình 3.10. Giao diện Project trong PLC S7-300 Hình 3.11. Lập trình điều khiển bơm dạng LAD Hình 3.12. Lập trình tín hiệu analog dạng STL Hình 3.13. Sơ đồ một số loại truyền thông trong công nghiệp Hình 3.14. Cổng PROFIBUS của PLC S7 300 Hình 3.15. Màn hình khởi tạo Hình 3.16. Trang màn hình tổng quan hệ thống Hình 3.17. Bể nƣớc nấu Hình 3.18. Bình axit Hình 3.19. Bình trao đổi ION1 và ION2 Hình 3.20. Vị trí bơm trung gian Hình 3.21. Lƣu lƣợng nƣớc nấu Hình 3.22. Giao diện chính WinCC Hình 3.23. Giao diện màn hình chính Hình 3.24. Hệ thống xử lý nƣớc mềm Hình 3.25. Giao diện tổng quan hệ thống xử lý nƣớc Hình 3.26. Hệ thống nƣớc sạch Hình 3.27. Hệ thống xử lý nƣớc nấu Hình 3.28. Hệ thống xử lý nƣớc mềm Hình 3.29. Project khâu xử lý nƣớc Hình 3.30. Màn hình khởi tạo hệ thống giám sát khâu cấp nƣớc sạch Phạm Thiện Trí 9 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH Hình 3.31. Màn hình tổng quanhệ thống giám sát khâu cấp nƣớc sạch Hình 3.32. Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nƣớc sạch Hình 3.33. Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nƣớc nấu Hình 3.34. Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nƣớc mềm Hình 3.35. Màn hình cài đặt thông số Phạm Thiện Trí 10 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM, CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BEER VÀ KHÂU XỬ LÝ NƢỚC SẠCH 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 1.1.1. SCADA 1.1.1.1. Khái Niệm SCADA là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Ngƣời vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông. Nói cách khác, SCADA thƣờng đƣợc dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính đƣợc thiết kế để thực hiện các chức năng sau: * Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến. * Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập đƣợc. * Hiển thị các dữ liệu thu thập đƣợc và kết quả đã xử lý. * Nhận các lệnh từ ngƣời điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy. * Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác. 1.1.1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ SCADA Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông. 1.1.1.2.1. MTU MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thƣờng là một hệ máy tính công nghiệp. MTU giao tiếp với ngƣời điều hành và RTU thông qua khối truyền thông. Ngoài ra MTU còn đƣợc kết nối với các thiết bị ngoại vi nhƣ monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông. Nhiệm vụ của MTU bao gồm: * Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ ngƣời điều hành. * Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU. * Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng nhƣ trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho ngƣời điều hành giám sát và điều khiển. * Lƣu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác. 1.1.1.2.2. RTU RTU thu nhận thông tin từ xa, thƣờng đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu Phạm Thiện Trí 11 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH và thông tin từ các thiết bị hiện trƣờng nhƣ các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho ngƣời điều hành biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trƣờng. Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu. Thông thƣờng các RTU lƣu giữ thông tin thu thập đƣợc trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hƣớng của MTU. 1.1.1.2.3. Truyền thông Truyền thông là khái niệm dùng để chỉ sự trao đổi thông tin giữa các đối tƣợng với nhau, giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng: Là các thiết bị kết nối nhƣ modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến, các trạm lặp (trong trƣờng hợp truyền đi xa). Phần mềm: Đó là các giao thức truyền thông, các ngôn ngữ lập trình đƣợc dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau. CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông. Các giao thức có thể là giao thức mở nhƣ TCP/IP hoặc các giao thức riêng. Những luồng thông tin đƣợc tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI đƣợc sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức. Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này đƣợc biên dịch và đƣợc CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ. 1.1.1.3. Hệ thống SCADA hiện đại Cùng với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin. Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông nhƣ mạng PROFIBUS, WAN, LAN và cả mạng Internet. Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet. Mặt khác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ. Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệ Phạm Thiện Trí 12 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH thống SCADA. 1.1.1.4. Cấu trúc hệ thống Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới đƣợc xây dựng theo cấu trúc phân bố, trong đó máy chủ đƣợc phân bố trên một số các bộ xử lý đƣợc nối với nhau thông qua mạng cục bộ. Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất định nhƣ: Thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một số bộ xử lý dùng để dự phòng. Hệ thống đƣợc thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client – Server. * IOS: Module các ngõ vào ra dữ liệu. * MMI: Module giao tiếp giữa ngƣời và máy. * HDC: Module lƣu trữ dữ liệu thu thập đƣợc trong quá khứ. * GW: Cổng giao tiếp cho mạng LAN. * APPS: Module tính toán và xử lý ứng dụng. 1.1.1.5. Các đặc tính chính của hệ thống Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau: * Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển. * Có hệ thống lƣu trữ dữ liệu và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu. * Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện. * Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP. * Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp. * Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác. * Khả năng tích hợp tín hiệu Video động. * Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng nhƣ giữa các Server và Client. 1.1.1.6. Đặc điểm về giao tiếp giữa ngƣời và máy Về phần giao tiếp giữa ngƣời và máy, các hệ thống SCADA ngày nay đƣợc trang bị các khối hiển thị hình ảnh VDU, hiển thị đầy đủ hình ảnh đồ họa của các quá trình. Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và bàn phím, các nút điều khiển đƣợc thay thế bằng các biểu tƣợng trên màn hình. Chúng đƣợc tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tƣợng trên màn hình đối với các màn hình cảm ứng. Các thiết bị đó giúp cho ngƣời điều hành có khả năng: Phạm Thiện Trí 13 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH * Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị. * Nhanh chóng xem đƣợc chi tiết các thông tin đƣợc cập nhật. * Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống. * Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng nhƣ nhận biết dữ liệu (Ví dụ: Các màu khác nhau cho các trạng thái khác nhau). - Ngoài ra các VDU chạy trên môi trƣờng Windows hay Windows-X còn giúp điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, truy cập đƣợc các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặccác dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau. - Về các RTU, không còn là những thiết bị thụ động nữa mà chúng làm nhiệm vụ thu thập và lƣu giữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển đƣợc thực hiện tại các RTU. Nhiều loại thiết bị có thể đƣợc nối vào các RTU nhƣ: PLC, máy đo lƣu lƣợng, thiết bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa. Các RTU có thể đƣợc kết nối theo kiểu phân bố hoặc kiểu phân cấp. Dữ liệu của các RTU đƣợc xử lý tại trạm chủ. - Về cơ sở dữ liệu: Các dữ liệu đƣợc lƣu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa đƣợc tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng nhƣ các cảnh báo. Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng đƣợc phân bố. Cơ sở dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin và hệ thống thông tin địa lý GIS. Ngoài ra, các dữ liệu có thể đƣợc bảo mật bằng các password. 1.1.1.7. Các ứng dụng của hệ SCADA Ngày nay hệ thống SCADA đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp. Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau: * Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nƣớc giải khát.  Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các cảng, sân bay.  Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí.  Hệ thống SCADA cho nhà máy nƣớc, xử lý chất thải, các kho xăng dầu.  Hệ thống SCADA cho hệ trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác.thống phân phối lƣới điện.  Ngoài ra, hệ thống SCADA còn đƣợc ứng dụng để giám sát và điều khiển trong các Phạm Thiện Trí 14 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH nhà máy hạt nhân. 1.1.2. PLC 1.1.2.1. Tổng quan về PLC Bộ điều khiển PLC hiện đƣợc đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển công nghiệp, dễ dàng lập trình để thực hiện các chứ năng điều khiển, làm giảm thiểu việc nối dây phẩn cứng nhƣ các mạch điều khiển bằng rơle. Ban đầu PLC xuất hiện để thay thế các hệ thống điều khiển bằng PLC, sau đó với sự phát triển của công nghệ PLC đã đƣợc ứng dụng trong các ứng dụng phức tạp, không chỉ ở các ứng dụng đóng/ mở mà còn thực hiện các chức năng về thời gian, đếm, tính toán, so sánh và xử lý các tín hiệu tƣơng tự. Một số sản phẩm PLC của hãng Siemens đƣợc thể hiện qua hình 1.1. Hình 1.1. Các dòng PLC của Siemens Các ƣu điểm của PLC bao gồm: * Giảm việc nối dây phần cứng: So sánh với hệ thống rơle đƣợc thiết kế để làm một chức năng riêng biệt thì PLC chỉ quan tâm tới đầu vào/ đầu ra, các chức năng điều khiển đƣợc thực hiện bằng lập trình thì cấu trúc một bộ điều khiển PLC sẽ đơn giản và dễ thực hiện hơn rất nhiều, nhất là trong những bài toán cần thay đổi yêu cầu điều khiển. Phạm Thiện Trí 15 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH * Tăng độ ổn định của hệ thống: Chƣơng trình điều khiển của PLC đƣợc viết, kiểm tra và dễ dàng đổ xuống các PLC khác nhau. Chính vì chƣơng trình nằm trong bộ nhớ nên sẽ không xảy ra các lỗi logic do nối dây. * Khả năng linh hoạt cao: Chƣơng trình điều khiển của PLC dễ dàng đƣợc viết và chỉnh sửa theo yêu cầu. * Tổng chi phí giảm: Nếu chỉ so sánh giá thành PLC và rơle thì PLC có giá thành cao hơn, tuy nhiên trong một hệ thống điều khiển phức tạp thì hệ thống điều khiển bằng PLC có giá cạnh tranh hơn rất nhiều so với hệ thống bằng rơ le do giảm thiểu số lƣợng rơ le, tủ đấu nối, dây điện, chi phí nhân công lắp đặt, sửa chữa, vận hành. * Khả năng truyền thông cao: PLC hiện nay dễ dàng truyền thông với các hệ thống máy tính, hệ thống điều khiển SCADA, DCS thông qua các giao thức Ethernet, Profibus, RS232,… * Thời gian đáp ứng nhanh: Tốc độ đáp ứng của bộ điều khiển bằng PLC hiện nay có thể ở thời gian thực, và ứng dụng thậm chí đƣợc dùng cho các hệ thống DCS. * Dễ dàng chuẩn đoán, sửa chữa: PLC có thể đƣợc thiết kế để có các chức năng chuẩn đoán, ghi dữ liệu để giúp cho việc chỉnh sửa phần cứng, phần mềm đƣợc thực hiện mà không phải dừng hệ thống. 1.1.2.2. Cấu trúc phần cứng của PLC Cấu trúc phần cứng của PLC đƣợc thể hiện qua hình 1.2 Hình 1.2. Cấu trúc phần cứng của PLC Phạm Thiện Trí 16 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH 1.1.2.3. Các thành phần chính của PLC bao gồm * Nguồn cung cấp: Thƣờng nguồn PLC sẽ biến điện xoay chiều thành điện một chiều 24V cung cấp cho các moduel của hệ thống hoạt động. * Bộ điều khiển CPU: Mỗi dòng PLC sẽ có rất nhiều loại CPU khác nhau để phù hợp với các tính chất và ứng dụng trong bài toán điều khiển công nghiệp * Các module đầu vào ra I/O: Có hai loại là Fixed I/O (Đƣợc thể hiện qua hình 1.3) tức là các I/O này đi kèm luôn với CPU và không thể tách rời ra khỏi CPU đƣợc. Ƣu điểm của loại này đó là nhỏ gọn, giá thành rẻ tuy nhiên lại thiếu độ linh hoạt đối với các ứng dụng cần sự thay đổi I/O hoặc khi I/O bị hỏng thì phải thay luôn cả bộ CPU. Một dạng nữa của I/O là loại Modular I/O (Đƣợc thể hiện qua hình 1.4), loại này I/O đƣợc tách riêng biệt thành các module và có thể đƣợc tháp lắp dễ dàng với khả năng linh hoạt rất cao. Hiện nay đa số các loại PLC đƣợc chế tạo theo dạng này để phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong công nghiệp. Các I/O cũng có thể đƣợc phân chia theo kiểu Local I/O khi I/O nằm cùng Rack với CPU hoặc Remote I/O khi I/O không nằm cùng Rack với CPU mà đƣợc liên hệ bằng các module truyền thông. Các Local I/O và Remote I/O đƣợc thể hiện qua hình 1.5 Phạm Thiện Trí 17 Khóa 2015-2017 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH Kết nối đầu vào Khối xử lý Kết nối đầu ra Hình 1.3. Cấu hình loại Fixed I/O Module trƣợt vào rack Hình 1.4. Cấu hình loại Modular I/O Phạm Thiện Trí 18 Khóa 2015-2017 Đầu ra Nguồn Đầu vào Luận văn Thạc sĩ KTĐK&TĐH Đầu ra Đầu vào KhốI xử lý Nguồn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Truyền thông ĐK on/off Start - Stop Bơm Cảm biến Hình 1.5. Local và Remote I/O * Dựa vào số lƣợng I/O ngƣời ta cũng phân chia PLC thành các loại: Cỡ nano với số lƣợng I/O từ 15 I/O trở xuống, cỡ nhỏ từ 15 đến 128 I/O, cỡ trung bình từ 128 đến 512 I/O và cỡ lớn với số lƣợng I/O trên 512 I/O. 1.1.2.4. Vòng quét của PLC PLC hoạt động theo vòng quét (Scan Cycle): Bắt đầu vòng quét sẽ đọc các tín hiệu đầu vào, lƣu vào bộ nhớ đệm, sau đó thực hiện chƣơng trình, chẩn đoán lỗi thực hiện truyền thông rồi mới đƣa các tín hiệu đầu ra. Vòng quét chƣơng trình của PLC đƣợc thể hiện qua hình 1.6 Hình 1.6. Vòng quét chương trình của PLC Phạm Thiện Trí 19 Khóa 2015-2017