LỜI CẢM ƠN Báo cáo Tiểu luận là tiền đề nhằm trang bị cho sinh viên những kĩ năng nghiên cứu, những kiến thức cơ bản và quan trọng về chuyên ngành Kỹ Thuật Điện nói chung và về lĩnh vực Tự Động Hóa PL.
Trang 1LỜI CẢM ƠN
Báo cáo Tiểu luận là tiền đề nhằm trang bị cho sinh viên những kĩ năng nghiên cứu,những kiến thức cơ bản và quan trọng về chuyên ngành Kỹ Thuật Điện nói chung và
về lĩnh vực Tự Động Hóa - PLC nói riêng trước khi ra trường và đi làm sau này
Đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Điện tử – Viễn thôngtrường Đại Học Sài Gòn, đặc biệt các thầy cô chuyên ngành Điện Công Nghiệp đã tậntình chỉ dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gianngồi trên giảng đường làm nền tảng cho việc thực hiện dự án của chúng em
Xin trân trọng cảm ơn thầy Trương Tấn, giảng viên hướng dẫn đã tận tình giúp đỡgiúp em giải quyết được những khúc mắc để có thể hoàn thành dự án này
Chúng em xin chân thành cảm ơn
TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 05 năm 2022
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Khánh Nam
Trang 2
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG
Ngày tháng năm
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 3MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU Đặt vấn đề
Hiện nay đất nước ta đang trên đà phát triển nhanh hội nhập với thế giới Cùng với
đó, nền công nghiệp ô tô cũng đã và đang phát triển và là ngành công nghiệp ưu tiênphát triển của nhà nước ta Những năm qua, cùng với sự phát triển của đời sống nhândân, nhu cầu đi lại bằng phương tiện vận tải ô tô cũng tăng lên nhanh chóng, nhất làtrong một vài năm trở lại đây Tại một số thành phố lớn, số lượng phương tiện ô tôphát triển nhanh một cách chóng mặt Ở thành phố Hồ Chí Minh, số lượng phươngtiện ô tô tăng lên nhanh chóng, gây sức ép lớn cho ngành giao thông vận tải như: phải
mở rộng mạng lưới đường, tránh ùn tắc đường, phải xây dựng gara đỗ xe Trong đóviệc tổ chức mạng lưới trung tâm đỗ xe gặp rất nhiều khó khăn do thiếu quỹ đất.Trong khi đó, hiện nay trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, các trung tâm đỗ xe chỉ làcác bãi đỗ xe thông thường, xe được đỗ trên mặt bằng của các bãi đỗ chỉ có một tầng,không có hệ thống mái che nên hiệu quả sử dụng diện tích, hiệu quả bảo quản thấp,trong khi số lượng bãi đỗ xe hiện nay lại chỉ đáp ứng được một phần rất nhỏ nhu cầu
đỗ Chính vì thế, việc thiết kế, xây dựng các bãi đỗ xe có nhiều tầng đỗ là cần thiết vàhợp lí Các bãi đỗ xe nhiều tầng có thể là bãi đỗ xe nhiều tầng có đường lên xuốnghoặc bãi đỗ xe nhiều tầng tự động Do có nhiều ưu điểm vượt trội nên bãi đỗ xe nhiềutầng tự động là lựa chọn phù hợp với nhu cầu của xã hội, nó vừa giải quyết được nhucầu đỗ xe, vừa góp phần giảm ùn tắc giao thông, vừa đem lại hiệu quả kinh tế cao.Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như muốn làm quen với việc điều khiển hệ thốngbằng PLC kết hợp với tạo giao diện giao tiếp dùng WinCC, đồng thời dưới sự hướngdẫn tận tình của giảng viên Trương Tấn, em đã chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và thicông mô hình điều khiển, giám sát bãi giữ xe ô tô” cho đề tài tiểu luận, nhằm tiếp thunhững kiến thức cần thiết và cơ bản về PLC và thiết kết giao tiếp trên máy tính trongviệc tự động hóa hệ thống bãi đỗ xe thông minh
Trang 5Xây dựng mô hình SCADA thực tế dùng PLC Siemens điều khiển hệ thống vàWinCC làm giao diện giao tiếp.
Đặc điểm, yêu cầu hệ thống SCADA bãi đỗ xe thông minh
Hệ thống gồm có 2 động cơ servor, 1 hệ thống 2 đèn báo, 1 hệ thống 6 cảm biếnquang, và hệ thống thẻ từ để nhập xuất dữ liệu
Hệ thống sẽ điều khiển 2 relay cho 2 động cơ servo; Đồng thời nhận tín hiệu từ 6cảm biến nhằm xác định được số xe đã xuất hiện ở bãi đổ xe lên hệ thống
Hệ thống sẽ hoạt động theo 1 trong 2 chế độ:
- Chế độ tự động (Auto)
- Chế độ bằng tay (Manual)
Mục tiêu nghiên cứu
Bước đầu biết xây dựng một hệ thống SCADA tương đối hoàn chỉnh, điều khiểnlập trình PLC và thiết kế giao diện WinCC mang tính linh hoạt, điều khiển dựa vàochương trình và thực hiện lệnh logic Em hy vọng sau khi nghiên cứu đề tài này sẽtiếp thu nhiều hơn về các vấn đề liên quan đến PLC và phần mềm WinCC như: cấuhình phần cứng, tập lệnh của PLC, WinCC, xây dựng lưu đồ và viết chương trình điềukhiển hê thống cũng như các giao thức kết nối giữa chúng
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống SCADA bãi đỗ xe thông minh, nguyên lý hoạtđộng của PLC, phần mềm WinCC, cách truyền dữ liệu giữa chúng Từ đó xây dựngchương trình điều khiển hệ thống bằng PLC Siemens và phần mềm WinCC
Nội dung nghiên cứu
Khi thực hiện đề tài em đã tiến hành nghiên cứu sơ lược các nội dung cơ bản củaPLC S7-1200 và phần mềm WinCC, cụ thể gồm các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống nhà xe thông minh.
Chương 2: Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và thu nhập dữ liệu SCADA Chương 3: Giới thiệu chung về PLC S7-1200 và phần mềm WinCC.
Chương 4: Thiết kế mô hình hệ thống.
Sau một thời gian tìm hiểu, thực hiên tiểu luận “Thiết kế và thi công mô hình điềukhiển, giám sát bãi giữ xe ô tô” đã hoàn thành được phần nào Em xin chân thành cảm
Trang 6ơn thầy giáo Trương Tấn đã chỉ bảo, hướng dẫn tận tình, giúp đỡ em trong suốt quátrình làm tiểu luận này.
Sáng tạo mô hình
Hiện nay trên thị trường hệ thống bãi đỗ xe thông minh đang được đưa vào sử dụngrộng rãi ở các khu dân cư, cụm gia đình, chung cư, khu phức hợp và các công ty.Tuy nhiên rất ít hệ thống áp dụng phương pháp giám sát hệ thống để biết được sốlượng xe có trong bãi, cũng như hiển thị số lượng xe lên hệ thống
Trang 7CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÃI GIỮ XE
THÔNG MINH
1.1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây với sự phát triển kinh tế xã hội của Việt Nam, lượngphương tiện giao thông đã tăng một cách nhanh chóng Phương tiện cá nhân tăng lên,đòi hỏi diện tích đất dành cho bãi đỗ xe cũng phải tăng theo Tuy nhiên, tại các thànhphố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ việc đáp ứng yêu cầu quỹ đấtnày ngày càng tỏ ra không khả thi do giá trị đất đang tăng nhanh, và nhu cầu đất chocác mục đích quan trọng khác cũng đang thiếu
Hiện nay tại các khu vực trung tâm thành phố lớn, số ô tô phần lớn dừng đỗ trên vỉa
hè, lòng đường gây cản trở giao thông và gây mất mỹ quan đô thị (Hình 1.1)
Hình 1.1 Tình trạng dừng đỗ xe trên vỉa hè và lòng đường
Để giải quyết vấn đề chỗ đỗ xe trong đô thị, nhiều nước trên thế giới sử dụng hệthống nhà đỗ xe nhiều tầng tự động, phổ biến như Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ,Singapore, Trung Quốc, Mỹ và các nước Châu Âu Tại các nước này đã có nhiều công
ty chủ yếu kinh doanh bãi đỗ ô tô nhiều loại, trong đó hệ thống đỗ nhiều tầng tự độngđược sử dụng rất phổ biến Các công ty sản xuất hệ thống đỗ xe tự động là các nhà chếtạo, không trực tiếp kinh doanh bãi đỗ xe mà chỉ cung cấp và lắp đặt thiết bị cho cácnhà đầu tư Ngoài ra, còn các hệ thống các công ty sản xuất các thiết bị phụ trợ như:
hệ thống lấy vé tự động đọc thẻ, trả tiền tự động
So với các bãi đỗ xe kiểu truyền thống, những lợi ích của một bãi đỗ xe tự động không chỉ là nhanh chóng và tiện lợi Bạn sẽ không còn phải lo lắng chiếc xe của
7
Trang 8mình bị xô xát, va đụng, trầy xước bởi nơi đỗ xe được cách ly hoàn toàn với bên ngoài.
Hệ thống đỗ xe tự động là loại hệ thống mang tính kỹ thuật cao, áp dụng hòa hợpcác nguyên lý chung của hệ thống thang máy, hệ thống xếp dỡ tự động và hệ thốnglưu kho tự động mà hàng hóa là ô tô và có độ chính xác nhất định.Trong hệ thống này
xe được lưu giữ ở các ô (Block parkings) dưới mặt đất hoặc trên cao Để thực hiệnviệc lưu giữ này hệ thống sử dụng các thiết bị nâng chuyển Đây là thiết bị có thể cóchuyển động theo các phương sau: phương ngang, phương đứng, phương chuyểnđộng xoay với độ chính xác và an toàn cao Hoạt động của các máy nâng chuyển đượcđiều khiển bởi máy tính Máy tính quản lý toàn bộ hoạt động của hệ thống như: sốlượng xe hiện đang gửi, số chỗ trống còn lại, trạng thái tại các ô lưu trữ, …
1.2 Các loại hình bãi đỗ xe tự động
1.2.1 Hệ thống đỗ xe tự động kiểu thang máy
Với hệ thống đỗ xe tự động dùng thang máy, lái xe sẽ đưa xe vào buồng thang máy,thang nâng xe đến tầng đỗ xe, lái xe đưa xe ra khỏi thang máy và lái xe vào vị trí đỗ xe
Hình 1.2 Mô hình đỗ xe tự động kiểu thang máyĐặc điểm:
- Tiết kiệm diện tích đường di chuyển nội bộ của xe khi lên xuống giữa các tầng bên trong bãi đỗ xe, tuy nhiên vẫn tốn diện tích di chuyển cho xe trong từng tầng
- Tốc độ nâng hạ chậm do có xe và người với hệ thống một thang máy thì thời gian lấy
8
Trang 9xe ra vào rất lâu.
- Hiện nay kiểu đỗ xe tự động này ít phổ biến
1.2.2 Hệ thống đỗ xe tự động xoay vòng kiểu đứng
Hình 1.3 Hệ thống đỗ xe tự động xoay vòng kiểu đứngĐặc điểm:
- Cơ động, tiết kiệm diện tích
- Có thể xoay thuận chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ
- Dễ tháo lắp
- Không thích hợp cho loại xe có kích thước trung – lớn
- Do giá thành cao nên sử dụng không phổ biến, phần lớn lắp đặt ở các khu đất tạm sử dụng (sau đó tháo dỡ đi)
- Hệ thống đỗ xe tự động xoay vòng đứng chỉ phù hợp với xe kích thước nhỏ (xe 4 chỗ)không thích hợp cho xe kích thước lớn
1.2.3 Hệ thống đỗ xe tự động kiểu Cycle Parking
9
Trang 10Hình 1.4 Hệ thống đỗ xe tự động kiểu Cycle ParkingĐặc điểm:
- Hệ thống đỗ xe tự động lắp đặt ngầm dưới mặt đất, phù hợp cho mặt bằng nhỏ hẹp
- Tốc độ thang nâng 20 - 40 m/p
- Tốc độ di chuyển ngang 20 - 30 m/p
- Số lượng xe tối ưu của hệ thống: 6 - 38 xe
- Điều khiển đơn giản với màn hình cảm ứng
- Phù hợp cho các công trình tòa nhà có quy mô đỗ xe nhỏ
- Hình dạng khu đất thường là hình chữ nhật với một cạnh ngắn và một cạnh dài
1.3 Ưu điểm của các hệ thống bãi đỗ xe tự động
Tiết kiệm diện tích: Hệ thống tận dụng toàn bộ thể tích không gian nhờ vào khaithác chiều cao của không gian Bằng việc lưu giữ xe ở độ cao nhất định so với mặtđất, số lượng xe mà một trạm giữ xe tự động có thể chứa gấp hàng chục lần so với mộtbãi giữ ô tô thông thường
Tiết kiệm thời gian: Thay vì khách hàng phải tự tìm chổ để xe trong các bãi xethông thường thì rất khó khăn, nhất tại giờ cao điểm Với bãi giữ xe tự động thì kháchhàng chỉ cần đưa ô tô vào trạm đầu và nhập liệu là có thể an tâm ra khỏi xe và đi làmviệc khác mà không cần quan tâm vị trí để xe Công việc này do hệ thống đảm nhận.Như vậy, thời gian được tiết kiệm cho khách hàng
Tối ưu việc sử dụng năng lượng: Đầu tiên chúng ta không phải tốn nhiên liệu choviệc di chuyển xe , tìm chỗ trong bãi Và năng lượng hoạt động cho hệ thống được
10
Trang 11quản lý bằng máy tính, máy tính có thể tối ưu hóa năng lượng sử dụng.
Không ô nhiễm môi trường: Do hệ thống hoạt động hoàn toàn nhờ vào điện năngnên không có khí thải trong quá trình vận hành hệ thống Và hạn chế tối đa ô nhiễmtiếng ồn Vì tất cả các động cơ đều sử dụng động cơ điện
Không gây hư hai cho phương tiện: Không gây va quệt giữa các xe với nhau và hệthống cũng hoàn toàn không gây hư hại cho xe gửi vì hệ thống hoàn toàn tự động.Chi phí hoạt động thấp: Do không có các nhân viên trông xe, bán vé,… Toàn hệthống chỉ cần vài người giám sát hoạt động, điều khiển Chì cần vài người điều khiển
vì toàn bộ hệ thống được quản lý bằng màn hình máy tính theo dõi từ xa
Dễ dàng bảo trì và sữa chữa: Do hệ thống cấu tạo từng phần độc lập với nhau vềmặt cơ khí
Tính an toàn cao: Khả năng xe bị lấy cắp và phá hoại là hoàn toàn khó có thể xảy
ra Nhờ các thiết bị cảm biến và giám sát bằng camera
1.4 Nhược điểm của hệ thống bãi đỗ xe tự động
Những ưu điểm của hệ thống giữ xe tự động đã được đề cập thông qua các giảipháp nhà giữ xe đã trình bày phía trên Ngoài những ưu điểm tích cực trên thì khi thựcthi mô hình ta cũng cần phải quan tâm đến các nhược điểm mà hệ thống gặp phảinhằm đưa ra giải pháp khắc phục hiệu quả nhất
Một số nhược điểm như sau:
Cần xem xét đến thời gian lấy xe, thời gian lấy xe tùy thuộc vào từng loại hệ thống.Đối với loại hệ thống 100 xe thông thường thì thời gian lấy xe lâu nhất khoảng gần 2phút / xe, nhanh nhất 0,5 phút/xe, bình quân 1,5 phút/xe Đối với các công trình nhà ở,siêu thị, các bãi xe công cộng…thì thông thường người sử dụng ít khi gửi xe hoặc lấy
xe cùng một khoảng thời gian nên thời gian lấy trả xe 1,5 phút/xe không là vấn đề,thậm chí còn nhanh hơn so với bãi xe tự lái Tuy nhiên đối với các công trình vănphòng, rạp hát, hội nghị… thì việc mọi người ồ ạt đến gửi xe trong khoảng vài phúttrước giờ làm việc, giờ khai mạc, và ồ ạt lái xe trong khoảng vài phút sau giờ tan sở sẽgây ra ùn tắc cục bộ, và người lái xe phải chờ thời gian khá dài để lái xe so với bãi xe
tự lái Do đó, với các công trình có đặc điểm này, nếu muốn lắp đặt hệ thống tự độngthì phải có nhiều cửa ra vào khác nhau với nhiều thang nâng để giảm thiểu thời gianlấy xe
11
Trang 12Về phòng cháy chữa cháy: ngoài việc tuân thủ các tiêu chuẩn phòng cháy chữacháy trong xây dựng chung cho nhà cao tầng và tầng hầm, cần thiết phải lắp đặt riêng
hệ thống điều khiển báo và chữa cháy tự động cho khu vực đỗ xe
Khi xảy ra sự cố về hư hỏng thiết bị khi vận hành thì việc nhận và trả xe cũng bịtạm hoãn
Vấn đề sự cố về mất điện Đối với bãi xe thông thường, dù tòa nhà mất điện thì vẫn
có thể lái xe ra khỏi bãi xe Tuy nhiên với hệ thông tự động, không xe nào có thể rakhỏi hệ thống khi mất điện Do đó,máy phát điện riêng cho hệ thống phải được trangbị
12
Trang 13CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
THU THẬP DỮ LIỆU SCADA
2.1 Giới thiệu về hệ thống SCADA
2.1.1 Khái niệm SCADA
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đúng như tên gọi của nó,SCADA là một phần mềm hệ thống được sử dụng để giám sát, điều khiển và thu thậpthông tin dữ liệu của hệ thống phần cứng Nó được sử dụng rộng rãi trong các nhàmáy để giám sát và điều khiển các dây chuyền và máy móc sản xuất Một cách tốt đểhiểu hệ thống SCADA là gì và nó có thể được sử dụng ở đâu? thì chúng ta có thể hiểuđiều này đơn giản hơn khi tìm hiểu về kim tự tháp tự động hóa
Hình 2.5 Kim tự tháp tự động hóa
Hệ thống SCADA được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát trong kim tự tháp tự độnghóa Kim tự tháp tự động hóa là một khái niệm được xuất bản trong ISA-95 và IEC62264-3, nhằm cố gắng mô tả cách các hệ thống khác nhau hoạt động tương hỗ cùngnhau Ở đỉnh kim tự tháp, bạn sẽ có tất cả các thông tin dữ liệu về hệ thống để xử lý
về mặt kinh doanh, lập kế hoạch và hậu cần Và ở dưới cùng, bạn có tất cả các hệthống, thiết bị hiện trường hoạt động Hệ thống SCADA được đặt ngay giữa kim tựtháp tự động hóa Là nơi IT (Information Technology – Công nghệ thông tin) gặp OT(Operational Technology – Công nghệ vận hành)
13
Trang 14Bên dưới hệ thống SCADA là tất cả các thiết bị hoạt động như PLC, cảm biến, v.v.Công việc của SCADA thực sự là điều khiển và giám sát tất cả các thiết bị này Nhưngđồng thời cũng gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP phía trên.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống SCADA
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Scada
Một lần nữa, hệ thống SCADA là điểm gặp gỡ và kết nối giữa IT và OT Khái niệm
cơ bản thực sự của SCADA là về trao đổi thông tin và khả năng kiểm soát (giám sát
và điều khiển) Đặc biệt là cách bạn thường thấy các hệ thống SCADA được sử dụng
Hệ thống SCADA về mặt vật lý sẽ giống như một màn hình Thường sẽ có nhiềumàn hình trong đó người vận hành có thể vừa điều khiển vừa giám sát tất cả các thànhphần liên quan trong một hệ thống, máy móc hoặc thậm chí toàn bộ nhà máy Điềunày có thể dễ được hình dung với ví dụ: một P&ID (sơ đồ đường ống và các thiết bị
đo đạc) Điều quan trọng nhất là người vận hành hiểu các phần khác nhau của hệthống SCADA và những gì họ cần làm là điều khiển hay giám sát
Tất cả các màn hình này về cơ bản là giao diện HMI (Human-Machine Interfaces
“giao diện người máy”) Chúng là giao diện giữa người vận hành và máy móc Quaylại như những ngày sơ khai, một HMI thực sự chỉ là một loạt các nút nhấn và tín hiệuđèn điều khiển Nhưng bây giờ, với những hệ thống hiện đại, tân tiến; bạn sẽ thấythường có màn hình cảm ứng ở máy hoặc trong phòng điều khiển
14
Trang 152.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA
Nói một cách đơn giản HMI là một phần của SCADA Bởi vì HMI chỉ là màn hìnhchính hoặc giao diện, SCADA là một ứng dụng hoặc toàn bộ hệ thống đằng sau tất cảcác màn hình đó Một hệ thống SCADA có thể có nhiều HMI để điều khiển và giámsát các bộ phận khác nhau của nhà máy
Nếu chúng ta xem xét kỹ hơn cấu trúc của SCADA thì sẽ thấy rõ rằng nó chứanhiều thứ hơn là chỉ HMI Nó là toàn bộ cơ sở hạ tầng của các thiết bị có thể giao tiếp.Ứng dụng SCADA thường chạy trên máy chủ Sau đó, những thiết bị khách như máytính để bàn và màn hình HMI kết nối với máy chủ để sử dụng giao diện và cơ sở dữliệu của hệ thống SCADA Vì các thiết bị như PLC và RTU cũng được kết nối vớimáy chủ, nên bây giờ chúng ta có thể sử dụng SCADA để điều khiển và giám sát hoạtđộng của nó
RTU hoặc thiết bị đầu cuối từ xa hơi giống PLC Bạn có thể kết nối các cảm biếnvới RTU và nó sẽ chuyển đổi tín hiệu, dữ liệu của chúng sang dữ liệu kỹ thuật số Dữliệu kỹ thuật số này sau đó sẽ được đưa vào hệ thống SCADA
Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chinh là MTU, RTU và thành phầntruyền thông
2.2.1 MTU (Master Terminal Unit)
MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệmáy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khốitruyền thông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như 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 người điều hành
- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU
- Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trìnhcũng như trạng thái của các thiết bị lên
15
Trang 16màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển.
- Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác
2.2.2 RTU (Remote Terminal Unit)
RTU thu thập thông tin từ xa, thường xuyên đặt tại nơi làm việc để thu nhập dữ liệu
và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo, gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động củacác thiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiểnhoạt động của các thiết bị theo yêu cầu
Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợiyêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có cácmáy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa màkhông cần định hướng của MTU
2.2.3 Khối truyền thông
Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng vàphần mềm
Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bịthu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây - wireless), các trạm lặp ( trong trườnghợp truyền đi xa)
Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trìnhđược 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 giaothức có thể là giao thức mở như TCP/IP (Transmission Control Protocol and InternetProtocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình
7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thôngtin với các giao thức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sựnhận dạng mã trong dữ liệu truyền Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điềukhiển tích hợp tác động tại chỗ
16
Trang 172.3 Hệ thống SCADA hiện đại
Cùng với sự phát triển vượt 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 trênmột phạm vi rộng lớn, có thể lên hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênhInput/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và cácmạng truyền thông như mạng Profibus, WAN, LAN, ENTHERNET và cả mạngInternet Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet Mặtkhác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC có khả năng đảm nhận việc giámsát và điều khiển tại các điểm cục bộ Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệthống SCADA
2.3.1 Cấu trúc hệ thống
Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được xây dựng theo cấu trúc phân bố,trong đó máy chủ được phân bố trên một số các bộ xử lý được nối với nhau thông quamạng cục bộ (LAN) Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất định như:thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một số bộ xử lý dùng để dựphòng
Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client-Server
Với:
- IOS: module các ngõ vào ra dữ liệu ( Data Input/Output Modules)
- MMI: module giao tiếp giữa người và máy (Man-Machine Interface)
- HDC: module lưu trữ dữ liệu thu thập được trong quá khứ ( Historical for Data
Collection Storage)
- GW: cổng giao tiếp cho mạng LAN
- APPS: module tínhtoán và xử lý ứng dụng
2.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống
Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau:
17
Trang 18- Đồ họa hoàn toàn trong quá trinh giám sát và điều khiển.
- Có hệ thống lưu 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 như giữa các Server và Client
2.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy (HMI)
Về phần giao tiếp giữa người và máy, các hệ thống SCADA ngày nay được trang bịcác 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 khiểnđược thay thế bằng biển tượng (Icon) trên màn hình Chúng được tác động bằngMouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tượng trên màn hình đối với các mànhình cảm ứng
Các thiết bị đó giúp cho người điều hành có khả năng:
- Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị
- Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được 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 như nhận biết dữ liệu
Ngoài ra các VDU chạy trên môi trường Window hay Window-X còn giúp điềuhành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin và truy cập được các
dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các 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 thuthập và lưu giữ dữ liệu vùng Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiệntại các RTU
18
Trang 19Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết
bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa, Các RTU có thể được kết nối theo kiểuphân bố hoặc kiểu phân cấp.Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ
Về cơ sở dữ liệu,các dữ liệu được lưu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa đượctính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng như các cảnhbáo Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố Cơ sở
dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin (Management InformationSystem) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) Ngoài ra,các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password
- Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí
- Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu
- Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện
Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển trong cácnhà máy hạt nhân, trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành côngnghiệp công nghệ cao khác
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) Giám sát, Điều khiển và Thuthập dữ liệu
Khái niệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các nhà máy hiện đại Đốivới một nhà máy hiện đại, khi xây dựng và đưa vào hoạt động, để có thể tạo ra đượcsản phẩm đạt yêu cầu về chất lượng, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của thị
19
Trang 20trường, nhà máy cần được trang bị các máy móc hiện đại, đạt được các tiêu chuẩn vềchất lượng và môi trường, độ an toàn, năng suất và tiết kiệm Chính vì thế, việc tíchhợp tự động hóa nhà máy là một yêu cầu bức thiết được ra Các hạng mục sản xuấtđược trang bị máy móc tự động, phần mềm điều khiển hiện đại để tiết kiệm nhiên liệu,điện năng, nhân công và đảm bảo chính xác theo yêu cầu
Thông thường SCADA được chia ra làm 3 cấp:
Cấp vận hành (Cấp trường):
Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi hoạt động của thiết bị, cácthông số theo quy trình công nghệ đặt ra
Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển):
Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tìnhtrạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thaotác, theo dõi trên bảng thông số,màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phầnmềm (HMI Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel)
Cấp giám sát, quản lý:
Có 2 hình thức tương đương nhau:
- Giám sát tại nhà máy (Tại nhà vận hành): Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số, tình trạng thiết bị và toàn bộ hoạt động của dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòng điều khiển Qua đó có thể nắm được tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kế hoạch sản xuất, truyền tải,…
- Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại đây có thể theo dõi, giám sát mọi họat động của nhà máy thông qua máy tính được kết nối từ
xa qua mạng Từ đó có kế hoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng
Thiết bị của hệ thống SCADA:
Phần cứng:
20
Trang 21Để xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy cần các phần cứng sau:
- Máy tính công nghiệp (IPC)
- Bộ tích hợp thiết bị (Kết nối và thu thập dữ liệu lên máy tính) thiết bị mạng (Switch,
…)
Phần mềm:
Phần mềm cho giám sát điều khiển:
- Tạo ra giao diện hiển thị các thông số, điều khiển qua giao diện hiển thị, lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu (Mỗi máy có1 license và theo số điểm tích hợp điều khiển I/Opoint)
- Đường truyền lease-line:
Là kênh thuê bao riêng của của bưu điện cho phép truyền dữ liệu với tốc độcao bằng các thiết bị đầu cuối bằng modem truyền thống, tốc độ tối đa chophép 19.2 kb/s (của riêng nhà máy-private line)
- Đường truyền cáp quang:
Dùng cáp quang để truyền dữ liệu từ nhà máy về trung tâm (có thể thuê củabưu điện hoặc tự kéo cáp nếu khoảng cách gần)với khoảng cách xa,băng thông rộng,tin cậy,tốc độ cao
21
Trang 22Tại mỗi đầu phải có thiết bị chuyển đổi quang để kết nối với máy tính.
- Đường truyền ADSL:
Là đường truyền internet băng thông rộng,cho phép dữ liệu với tốc độcao,dễ kết nối.(Là mạng công cộng)
22
Trang 23CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM
WINCC V16
3.1 Giới thiệu về PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm 1200 dùng để thay thế dần cho
S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểmsoát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnhmạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụngvới S7-1200
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,các đầu vào/ra (DI/DO)
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU vàchương trình điều khiển:
- Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
- Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485hoặc RS232
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ bangôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIAPortal 11 của Siemens
Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này
đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI
3.2 Lịch sử phát triển
Tự động ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và công nghiệp Ngày nay,
tự động đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động,tiến bộ của những ngành khác như điện tử, tin học… Nhiều hệ thống điều khiển đã ra đời,nhưng phát triển mạnh và có khả năng phục vụ rộng là bộ môn điều khiển PLC
Khái niệm bộ điều khiển PLC là ý tưởng của nhóm kỹ sư hãng General Motors vàonăm 1968, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiểnnhư sau:
23
Trang 24- Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng tích hợp trong các nhà máy công nghiệp.
- Cấu trúc dạng Module dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa
- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất của các nhà máy công nghiệp
- Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên phải có kích thước nhỏ gọn hơn mạch role mà chức năng vẫn tương đương
PLC được dùng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Hoặc ta cóthể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trìnhphức hợp
3.4 Ưu điểm ứng dụng PLC vào tự động hóa
Bộ điều khiển PLC có những ưu điểm như sau:
Trang 25- Lắp đặt dễ dàng, thời gian lắp đặt nhanh
- Lập trình đơn giản, tốn ít thời gian
- Khả năng điều khiển tốt các tác vụ phức tạp
- Dễ dàng thay đổi, nâng cấp và điều khiển
- Công tác bảo trì đơn giản và nhẹ nhàng
- Board tín hiệu/truyền thông:1
- Module truyền thông: 3
- Bộ đếm tốc độ cao:
1 Pha 3 x 100KHZ/3 x 30KHZ
2 Pha 3 x 80KHZ/3 x 20KHZ
- Ngõ ra xuất xung tốc độ cao: 2
- Truyền thông: Ethernet
- Thời gian thực khi mất nguồn nuôi: 10 ngày
25