De cuong on tap he thong dieu khien DCS va SCADA

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP HỌC PHẦN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS VÀ SCADA I Lý thuyết Hệ DCS, SCADA là gì, cấu trúc cơ bản của các hệ điều khiển này? II Bài tập SCADA Lựa chọn giải pháp, thiết kế phần cứng, phần mềm,.

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP HỌC PHẦN: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS VÀ SCADA

I Lý thuyết:

Hệ DCS, SCADA là gì, cấu trúc cơ bản của các hệ điều khiển này?

II Bài tập SCADA

Lựa chọn giải pháp, thiết kế phần cứng, phần mềm, sơ đồ kết nối thiết bị cho hệ thống SCADA để tự động giám sát, cảnh báo và vận hành tự động cho 3 hồ chứa nước có hệ thống cửa xả; Cửa xả được làm bằng kim loại, loại cửa phẳng.Khoảng cách các bể tới trạm điều khiển là 50 đến 100km

Yêu cầu công nghệ

Xây dựng hệ thống tự động giám sát, cảnh báo và vận hành từ xa (trung tâm điều khiển đặt tại trường ĐHCN Việt Trì) và vận hành tại chỗ (hiện trường- tại các hồ) cho 3 hồ thủy lợi gồm: Hồ số 1, hồ số 2, hồ số 3 từ trung tâm điều khiển cách vị trí hồ khoảng 50km đến 100km;

Với yêu cầu trên hệ thống giám sát điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu như sau:

- Tính năng hiển thị các thông tin trên giao diện điều khiển trung tâm;

- Tính năng giám sát các thông số của công trình thủy nông theo yêu cầu;

- Tính năng vận hành hệ thống hồ từ phòng điều khiển trung tâm;

- Tính năng tự động điều khiển vận hành hệ thống thủy nông theo các thông số đặt trước;

Yêu cầu cụ thể:

- Đo được mức nước trong hồ, thu thập và hiển thị về trung tâm điều khiển;

- Tự động cảnh báo về trung tâm theo các mức thiết lập (mức thấp, mức trung bình, mức cao); tự động mở cửa xả nước nếu đến mức cảnh báo cao nhất (Cảnh báo nguy hiểm);

- Điều khiển xả nước trong hồ từ trung tâm điều điểu khiển theo chương trình hoặc điều khiển xả trực tiếp từ hiện trường;

2.4 Thiết kế, lựa chọn giải pháp phần cứng, phần mềm và truyền thông

2.4.1 Phần cứng

Từ bài toán và yêu cầu công nghệ đặt ra xác định cấu trúc phần cứng cho hệ thống, phân tích số lượng các tín hiệu điều khiển vào/ra (I/O) cho hệ thống từ đó lựa chọn thiết bị phù hợp cho cấu hình phần cứng đảm bảo kỹ thuật và kinh tế

- Cấu trúc phần cứng

Phân tích đầu vào/ ra ở cấp trường cho một hồ

Đầu vào :

- Cảm biến siêu âm ( báo mức nước trong hồ )

- Hai công tắc hành trình ( giới hạn cửa xả )

- Encoder (đo độ mở cửa xả)

- 03 nút ấn điều khiển nâng hạ tại chỗ

- 02 công tắc giới hạn hành trình Đầu ra :

- Động cơ ( nâng hạ cửa xả )

- Biến tần ( để điều chỉnh tốc độ động cơ )

Giải pháp cấu trúc phần cứng:

Hệ thống ứng dụng trong bài toán có số lượng đầu vào/ ra nhỏ, tín hiệu đầu vào là

dạng tín hiệu số và tương tự

Từ đó giải pháp lựa trọn cấu trúc phần cứng cho hệ thống SCADA như hình 2.3:

Hình 2.3 Cấu trúc cho phần cứng SCADA

- Trạm vận hành: Dùng máy tính có cấu hình phù hợp;

- Cấp điều khiển: Dùng PLC Siemens S7-200 có số lượng đầu vào/ra đáp ứng được yêu cầu công nghệ; kết hợp modul mở rộng EM 235 cho tín hiệu analog

- Cấp trường: Sử dụng cảm biến siêu âm đo và giám sát mức nước trong hồ

Động cơ để nâng/ hạ hệ thống cửa xả

2.4.2 Phần mềm.

Phần mềm cho hệ thống giám sát điều khiển Scada gồm có các thành phần cơ bản như sau :

- Giao diện vào ra hay các I/O Driver, I/O Server (OPC, DDE,…)

- Giao diện người máy

- Cơ sở dữ liệu quá trình

- Hệ thống cảnh báo, báo động

- Lập báo cáo tự động

2.4.2.1 Phương pháp thiết kế:

Có hai phương pháp để tạo dựng:

- Phương pháp thứ nhất: Sử dụng công cụ lập trình phổ thông như Visual C++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi và người lập trình phải tự làm từ đầu, giống như việc phát triển các ứng dụng thông thường Không kể đến việc phải lập trình để kết nối dữ liệu qua các cổng truyền thông, thì công việc lập trình đồ họa mặc dù có các công cụ

hỗ trợ rất mạnh cũng gặp nhiều khó khăn Thứ nhất là phương pháp này đòi hỏi mức kiến thức lập trình khá cao ở người lập trình Thứ hai, việc lập trình các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ thường dùng trong kỹ thuật (van, đường ống, bình nước, đồng hồ, núm xoay…) đòi hỏi nhiều công sức Để giải quyết vấn đề này, có thể sử dụng các thư viện phần mềm dưới dạng thư viện lớp (class library) hay thư viện thành phần (component library) có sẵn Đặc biệt, việc sử dụng các thư viện thành phần như ActiveX –controls hay JavaBeans nâng cao hiệu suất lập trình một cách đáng kể Tuy nhiên trong bất

cứ trường hợp nào, việc phải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (tức là phải sử dụng một compiler) là điều không thể tránh khỏi Do những hạn chế trên đây, phương pháp lập trình này chỉ nên sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và ít có yêu cầu phải thay đổi

- Phương pháp thứ hai: Sử dụng một công cụ phần mềm chuyên dụng như: FIX, InTouch,WinCC,Lookout,…, gọi tắt là phần mềm SCADA Các công cụ này có chứa các thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện người –máy cũng như phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu thông dụng Nhiều công cụ định nghĩa một ngôn ngữ riêng (thường gọi là script) phục vụ các mục đích này, tuy nhiên độ phức tạp của chúng cũng rất khác nhau Gần đây, xu hướng đơn giản hoá việc tạo dựng một ứng dụng SCADA thể hiện ở sự kết hợp phương pháp lập trình hiển thị với sử dụng một ngôn ngữ script thông dụng như Visual Basic for Application(VBA) và VBScript, tương tự như việc soạn thảo một văn bản Một số công cụ còn đi xa hơn nữa, cho phép ta sử dụng các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa để xây dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn sự liên quan logic giữa các thành phần của một chương trình dưới dạng biểu đồ khối chức năng (FBD) quen thuộc, không cần tới một dòng lệnh kể cả script Người ta cũng nói

đến khái niệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình (programming)

- Thuận lợi trong việc sử dụng một chuẩn giao diện quá trình như OPC (OLE for Process Control) để kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu Quả thật, hầu hết (nếu không nói đến tất cả) các phần mềm SCADA tiên tiến nhất hiện nay điều hỗ trợ COM, cụ thể là đều có ba đặc điểm nêu trên Nếu trước đây để tạo dựng được một màn hình giao diện đồ hoạ, một người lập trình có kinh nghiệm cần trung bình một vài ngày, thì nay thời gian có thể giảm xuống tới một vài giờ Sử dụng một công cụ tích hợp, ta có thể hoàn toàn tập trung vào công việc chính mà không cần kiến thức chuyên sâu về lập trình Công nghệ đối tượng thành phần và các phương pháp không lập trình đã mở ra khả năng này

2.4.2.2 Giải pháp phần mềm:

Với giải pháp phần cứng điều khiển dùng PLC Siemens S7 – 200 và yêu cầu giám sát điều khiển từ giao diện được lập trình bằng WinCC Vậy đối với giải pháp cho phần mềm hệ thống điều khiển chọn 2 phần mềm nghiên cứu:

- Phần mềm Wincc 7.0 để thiết kế giao diện có nhiệm vụ giám sát, điều khiển, hiện thị và nhập giá trị công nghệ, báo cáo, thu thập số liệu vận hành Wincc là một trong những phần mềm cho phép giao tiếp giữa người và máy Với wincc, có thể lập trình xử lý một cách dễ dàng và cho phép quan sát trực quan tất cả các khía cạnh của

hệ thống xử lý

- Phần mềm lập trình chương trình cho PLC S7 – 200 Step 7 4.0.9

2.5 Các phương thức truyền thông trong hệ thống Scada

2.5.1 Đường truyền vật lý

2.5.1.1 Điều khiển và giám sát hệ thống Scada thông qua cáp quang

Cáp quang

Bộ chuyển đổi Điện - Quang

Bộ chuyển đổi

Quang - Điện

PS CPU IM DI/DO AO CP

Hình 2.4 Hệ thống truyền thống sử dụng cáp quang

- Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu Sợi thủy tinh trong suốt mỏng bằng đường kính của một sợi tóc Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa Tốc dộ truyền lên tới 20Gbps 20Gbit/s có thể truyền hang trăm

Km không cần dung bộ lặp bộ khuyếch đại tín hiệu

- Ưu điểm: Cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ truyền cao và không bị ức xạ nhiễu ra môi trường, nâng cao độ bảo mật thông tin

- Nhược điểm: Mất chi phí đầu tư xây dựng lớn, kỹ thuật hàn nối cáp quang phức tạp

2.5.1.2 Điều khiển và giám sát hệ thống Scada thông qua mạng internet

- Ưu điểm: Không phải đầu tư chi phí xây dựng đường truyền tín hiệu đến trạm điều khiển, điều khiển được ở mọi nơi có internet

- Nhược điểm: Ở hiện trường phải có internet

VPT

Modem internet

PS CPU IM DI/DO AO CP

Hình 2.5 Hệ thống truyền thông sử dụng mạng internet

2.5.1.3 Điều khiển và giám sát hệ thống Scada thông qua mạng di động GPRS/3G internet

- Ưu điểm: không giới hạn khoảng cách điều khiển, không cần trạm điều khiển tại hiện trường Không tốn chi phí đầu tư xây dựng

- Nhược điểm: Ở hiện trường phải có sóng GPRS/3G, phải đầu tử modem truyền thông IP GPRS, phải chi phí thuê bao cho mạng di động

GPRS/3G internet

Modem internet

Modem IP GPRS

PS CPU IM DI/DO AO CP

Hình 2.6 Hệ thống truyền thông sử dụng sóng di động

2.5.2 Giao thức truyền thông

2.5.2.1 Giao thức Modbus

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chẩn đoán Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một

bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất khác Cụ thể, trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (SCADA), Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem)

3.1 Lựa chọn thiết bị phần cứng

Từ giải pháp cấu trúc phần cứng cho hệ thống SCADA đã chọn, tiến hành lựa chọn thiết bị cho cấp trường; cấp điều khiển; cấp giám sát đáp ứng theo yêu cầu công nghệ đặt ra :

Hình 3.1 Cấu trúc cho phần cứng SCADA

3.1.1 Thiết bị cấp trường

3.1.1.1 Cảm biến đo mức nước dạng siêu âm

Thông số kỹ thuật:

Nguồn cấp : 15-30 VDC

Đầu ra : 0-10V/ 4-20mA

NPN/PNP-NO/NC

Độ sâu : 0-6m ;

Cấp độ bảo vệ: IP 67

Hình 3.2 Cảm biến đo mức dạng siêu âm

- Sóng siêu âm được chuyền đi trong không khí với vận tốc 343m/s Nếu 1 cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng cách từ lúc đi tới lúc về, thì ta có thể xác định được quãng đường mà sóng đã đi Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật Sẽ được tính theo nguyên lý time of Flight.

d = v.t/2

- Tầm quét của sóng siêu âm.

Tầm quét của sóng siêu âm được mô hình hóa theo một tấm quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật Các điểm trên biên dường như có chướng ngại vật nằm ở đó.

Hình 3.3 Tầm quét của sóng siêu âm

- Nguyên tắc hoạt động của cảm biến siêu âm: Tạo ra một xung âm thanh điện

tử rồi lắng nghe tiếng vọng khi các sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại.

Hình 3.4 Nguyên tắc hoạt động của sóng siêu âm

3.1.1.2 Thiết bị đo độ mở cửa xả:

Sử dụng Encoder (loại quang-334 xung) đo độ mở cửa xả

Incremental Encoder - Bộ mã hóa tín hiệu vòng quay có khả năng làm biến đổi chuyển động tuyến tính (chuyển động thẳng) hoặc chuyển động tròn thành tín hiệu số hoặc xung Khi có s ự thay đổi vị trí trục quay, các bộ mã hoá được sử dụng để kiểm tra góc lệch của trục đang làm việc Các xung đầu ra của bộ mã hoá được nhận và kiểm soát bởi bộ phận cảm biến, để xác định đúng vị trí máy và tốc

độ di chuyển Nhờ có encoder, các động cơ điện được điều khiển

vị trí chính xác theo tín hiệu điều khiển.

Hình 3.5 Bộ mã hóa vòng quyay Encoder

3.1.1.3 Động cơ đóng/mở cửa xả: Sử dụng động cơ 3 pha.

Thông số kỹ thuật:

Điện áp định mức (V): 220/380

Tần số (Hz): 50

Công suất (W): 750

Dòng điện (A): 1,6

Tốc độ quyay (v/p): 2890

Hình 3.7 Động cơ đóng/mở cửa

xả

3.1.1.4 Biến tần Siemens MICROMASTER 420

Thông số kỹ thuật:

Điện áp ngõ vào (V) 3 pha 400V

Công suất định mức (kW) 1.5kW

Điện áp ngõ ra (V) 3 pha 400V

Ngõ vào Analog 0-10VDC, 0-20mA, 4-20mA / 0-10VDC

Điều khiển PID Có

Truyền thông Modbus-RTU

Giải thuật điều khiển V/f

Hình 3.8.Biến tần Siemens MICROMASTER 420 và Sơ đồ đấu dây

- Biến tần Siemens MICROMASTER 420 nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển trực tiếp động cơ 3 pha cho việc đóng mở cửa xả của hồ

- Biến tần được cài đặt ở chế độ điều khiển từ xa, điều chỉnh tốc độ trơn bằng tín hiệu đầu vào analog từ 0-10VDC được lấy từ địa chỉ AQW0 module EM 235.

3.1.2 Thiết bị điều khiển đầu cuối

3.1.2.1 Thiết bị điều khiển: PLC Siemens S7-200

PLC S7 – 200 CPU 222 AC/DC/RLY 212-1BB23-OXBO

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn cấp: 220 AC

- Đầu vào số: 08

- Đầu ra số: 06

- Đầu vào ra tương tự : 0

- Truyền thông: RS 485

- bộ nhớ 4kb

Hình 3.10 PLC S7 -200 CPU 222

Hình 3.11 Mô hình chức năng tổng quát của PLC

3.1.2.2 Modul Analog EM 235

Thông số kỹ thuật:

Nguồn cấp: 24VDC

Đầu vào: 04; Đầu ra: 01

Sử dụng cho S7-22x

Ngõ vào tương tự: 4 AI, DC +/- 10V

Ngõ ra tương tự: 1 AO, DC +/- 10V

12 bit converter

Hình 3.12 Modul Analog EM 235

Hình 3.13 Sơ đồ đấu Modul Analog E 235

3.1.3 Thiết bị truyền thông

Sử dụng modem IP GPRS F2103 của FOUR FAITH

Thông số kỹ thuật:

Nguồn cấp : tiều chuẩn 12VDC dải cấp từ 5 – 35 VDC

CPU 16/32bits

Dải truyền thông: đến 85.6Kbps

Cổng angten có bảo vệ chống sét

Kết nối với các thiết bị điều khiển đầu cuối quá chuẩn RS 232, RS 485 hoặc RS 422 Truyền dữ liệu theo dạng đóng gói

Có bảo vệ quá điện áp và điện áp ngược

Hỗ trợ kết nối với chuẩn TCP/IP

Truyền thông qua thuê bao GPRS của các nhà mạng di động như Vinaphone, Vietell, Mobiphone

Hình 3.14 Modul truyền thông IP GPRS F2103

Phương thức truyền thông của Modem IP là truyền thông MODBUS TCP/IP MODBUS là một hệ thống “chủ -tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều “tớ” “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU “Tớ” thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop MODBUS/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet Thay vì sử dụng thiết

bị này cho việc kết nối với các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP được sử dụng

- Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP Do đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ MODBUS/TCP

Hình 3.15 Mạng truyền thông modbus TCP/IP

Ngoài module này còn hỗ trợ giao thức MODBUS RTU, dữ liệu từ hiện trường qua sóng GPRS được đưa về máy ở dạng giao thức TCP/IP sau đó dùng

phần mềm tạo Com để liên kết

3.1.4 Thiết bị trạm điều khiển trung tâm

3.1.4.1 Máy tính:

Cấu hình: PC Dell INS3647ST I93ND7; Intel Core i3-4150 3.5GHz ; DDRAM

4GB/1600 (2 Slots) ; HDD 500GB SATA 7200rpm ; Intel HD 4400 ; USB 3.0; HDMI ; DVD-RW ; LAN 10/100/1000; Wireless; Bluetooth; OS Option

Màn hình SamSung Led 19 inch; Bàn phím chuột dell

Hệ điều hành: Win 7

3.1.4.1 Modem ADSL

3.1.5 Sơ 3.1.5 Đồ kết nối phần cứng tổng thể của hệ thống cho 1 hồ

GPRS/3G internet

Modem internet

Modem IP GPRS

PS CPU IM DI/DO AO CP

max

min

CB siêu âm

A B C

Hình 3.16 Sơ đồ kết nối tổng thể của hệ thống cho 1 hồ

Thông số kỹ thuật

Tốc độ truyền Download/Upload

(Mbps) :

24Mbps/1Mbps

Giao thức :

ITU G.992.5

3.2 Lựa chọn, thiết kế phần mềm

3.2.1 Phần mềm lập trình giao diện

Sử dụng phần mềm wincc thiết lập giao điện điều khiển và giám sát SCADA

3.2.2 Giao diện WinCC 7.0

Hình 3.17: Giao diện cấu hình kết nối thiết bị điều khiển đầu cuối với trạm điều

điều khiển

Hình 3.18 Giao diện cấu hình màn hình điều khiển thiết bị hiện trường