GIÁO TRÌNH MÔN HỌC HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

SỞ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNGTRUNG CẤP Ban hành kèm.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP

DỮ LIỆU SCADA NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP

Ban hành kèm theo Quyết định số:234/QĐ- CĐN ngày 05 tháng 08.năm 2022

của trường cao đẳng nghề Hà Nam

Hà Nam, năm 2020

1

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

Dựa theo giáo trình này, có thể sử dụng để giảng dạy cho các trình độ hoặc nghề ngành/ nghề khác của nhà trường

cần giảng dạy bổ sung những môn học, mô đun bắt buộc và một số môn học, mô đun tự chọn mà trong chương trình đào tạo trình độ Trung cấp chưa giảng dạy;

2

LỜI GIỚI THIỆU

Giâo trình ―Hệ thống giâm sât vă thu thập dữ liệu SCADA‖ thuộc môn học 34 trong chương trình đăo tạo nghề điện công nghiệp hệ cao đẳng Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đăo tạo, cung cấp kiến thức vă kỹ năng cơ bản cho học sinh, sinh viín nghiín cứu lĩnh vực hiệu chuẩn thiết bị điện công nghiệp Khi biín soạn, nhóm biín soạn đê cố gắng cập nhật những kiến thức mới có nội dung trong chương trình đăo tạo vă phù hợp với mục tiíu đăo tạo Nội dung lý thuyết vă thực hănh được biín soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao

Nội dung giâo trình được biín soạn với thời lượng đăo tạo 45h gồm 4 chương: Băi mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA

Chương 1: Một số đơn vị đầu cuối RTU (remote terminal unit)

Chương 2: Phần mềm ứng dụng cho scada

Chương 3: Trạm trung tđm MS (master station)

Chương 4: Thiết kế câc mô hình scada

Mặc dù đê cố gắng biín soạn để đâp ứng được mục tiíu đằ tạo nhưng không trânh được những khiếm khuyết Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của câc thầy cô, bạn đọc để nhóm biín soạn hiệu chỉnh hoăn thiện hơn

Hă Nam, ngăy 10 thâng 06 năm 2020

Tham gia biín soạn Chủ biín : Vũ Hồ Thănh

3

MỤC LỤC

Trang

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1

LỜI GIỚI THIỆU 2

MỤC LỤC 3

Trang 3

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN 5

Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA 6

1 Lịch sử phát triển 6

2 SCADA là gì 7

3 Các thành phần của một hệ thống SCADA 8

4 Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…) 8

5 Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA 9

6 Các ứng dụng tiêu biểu của SCADA trong công nghiệp 10

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT) 11

1 Cấu hình phần cứng của RTU 11

2 Cấu hình phần cứng RTU 12

2.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit) 12

2.2 Khối vào tương tự (Analog Input Modules) 12

2.3 Khối ra tương tự (Analog Output Mudules) 12

2.4 Khối vào số (Digital Input Modules) 13

2.5 Khối ra số (Digital Output Modules) 13

2.6 Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces) 14

2.7 Bộ đếm số (Digital Counters) 14

3 Cấu hình phần mềm của RTU 14

3.1 So sánh giữa RTU & PLC 14

3.2 Ứng dụng RTU 16

CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA 17

1 Các khái niệm cơ bàn trong phần mềm ứng dụng 17

2 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC 18

2.1Giới thiệu phần mềm WINCC 18

2.2 Hướng dẫn lập trình 21

3 Các phần mềm trong hệ SCADA 35

4

3.1 Phần mềm thiết kế giao diện 35

3.2 Phần mềm điều khiển Logic 40

3.3 Phần mềm kết nối trung gian 42

CHƯƠNG 3: TRẠM TRUNG TÂM MS (MASTER STATION) 43

1 Cấu hình phần cứng của MS 43

2 Cấu hình phần mềm MS 44

3 HMI- giao diện người máy 45

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH SCADA 47

1.1 Bố cục màn hình 47

1.2 Các vấn đề về màu sắc 47

1.3 Các vấn đề về hình ảnh và đồ họa 48

1.4 Trình bày văn bản 49

1.5 Giá trị dữ liệu 50

1.6 Cảnh báo và thông tin sự kiện 50

1.7 Điều hướng và điều khiển 50

2 Xây dựng sơ đồ khối và lưu đồ hoạt động 51

3 Kết nối phần cứng theo hệ thống đã phân tích 52

4 Viết chương trình điều khiển hệ thống 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

5

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN

Tên môn học: Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)

Mã môn học: MH34

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:

- Vị trí: Môn học này học sau các mô đun cơ sở, đặc biệt các mô đun: Tin học cơ bản ; Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, truyền động điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao, Mạng truyền thông công nghiệp, Vi xử lý và Hiệu chuẩn thiết bị

Mục tiêu của môn học/mô đun

-Về kiến thức: Giúp sinh viên nắm được hoạt động của hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong việc tự động hóa đo đạc, thu thập - truyền số liệu, kiểm soát và cung cấp các dữ liệu kịp thời chính xác nhằm tối ưu hóa hoạt động của các qúa trình, dây chuyền, các hoạt động nhà máy trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như: sản xuất, các hệ thống cấp nước, năng lượng, xử lý chất thải, môi trường…

-Về kỹ năng: Nâng cao kỹ năng phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Có năng lực thực hiện về các nội dung giám sát và thu thập dữ liệu; có sáng kiến trong quá trình thực hiện các phương pháp giám sát và thu thập dữ liệu trong ngành Điện

+ Có năng lực đánh giá chất lượng sử dụng các phương tiện giám sát và thu thập dữ liệu sau khi kết thúc môn học và kết quả thực hiện của các thành viên trong nhóm

+ Nghiêm túc, luôn thực hiện các bài tập được giao về nhà, chuẩn bị bài trước khi lên lớp

+ Hướng dẫn những người khác thực hiện các phương pháp giám sát và thu thập dữ liệu chịu trách nhiệm cá nhân và trách nhiệm đối với nhóm

Nội dung của môn học:

6

Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA

Mã chương: MH 34 – 00 Giới thiệu: Bài học giới thiệu cung về hệ thống SCADA trong điều khiển

- Giai đoạn những năm 1940

Từ những năm 1940, yêu cầu vận hành các thiết bị điện ở các địa điểm khác nhau dẫn đến nhu cầu xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát các thiết

bị đó Cách tiếp cận đầu tiên để xây dựng hệ thống này là sử dụng cặp đôi dây hoặc nhiều cặp đôi dây giữa các địa điểm Mỗi cặp đôi dây vận hành một thiết bị duy nhất Điều này làm tăng chi phí Tuy nhiên đây là sự cần thiết để vận hành các thiết bị thường xuyên Đồng thời có khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng nếu xảy ra lỗi

Các tủ điều khiển trong trạm biến áp Các tín hiệu cảnh báo, tín hiệu điều khiển của các thiết bị trong trạm biến áp được tập trung đến tủ này

Để tiết kiệm chi phí hơn, vấn đề cần giải quyết là làm thế nào để chỉ sử dụng một đôi dây mà có thể điều khiển nhiều thiết bị Trong thời gian này, các

7

công ty điện thoại phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm Công nghệ này được đưa vào đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm số lượng đi dây Do sử dụng chung đôi dây và cần thiết điều khiển thiết bị chính xác, một khung làm việc lựa chọn/kiểm tra/thao tác được đưa ra

- Hệ thống điều khiển giám sát Visicode đƣợc phát minh từ những năm 1950

Khi điện thoại kiểu xung phát triển, công ty Westing house liên kết với công ty North Electric đã phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode dựa trên cách đếm số xung Mã Visicode sử dụng 2 cửa sổ trễ để tạo xung và đếm số xung Cửa sổ ngắn sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra một thiết bị Cửa số lớn

sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra cho một nhóm thiết bị Hàng nghìn thiết bị này đã được sử dụng trong các năm 1950 – 1960

Năm 1960 – 1970, Công ty Westing house phát triển hệ thống giám sát Solid state gọi là REDAC Hệ thống này sử dụng khung dữ liệu cố định Hệ thống này cũng sử dụng lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác GE cũng phát triển hệ thống tương tự có tên gọi là GETAC

Để giảm bớt sự vất vả trong việc lưu trữ dữ liệu đọc được mỗi giờ của người trực vận hành, hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được đưa ra Phiên bản đầu tiên của hệ thống này có trước cả hệ thống Solid State và hệ thống đo lường

xa Tuy nhiên, phải đến khi hệ thống Solid state ra đời và sự phát triển của máy tính thì hệ thống này mới được đưa vào sử dụng

- Hệ thống SCADA đƣợc phát minh năm 1960

Hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu điều khiển giám sát thực sự phát triển sau khi máy tính trở nên phổ biến Giữa năm 1960, Westing house và GE đã xây dựng bộ xử lý cho hệ thống này Westing house gọi là PRODAC và GE gọi là GETAC Do yêu cầu phức tạp, đòi hỏi máy chủ máy chủ phải cung cấp tất cả các chức năng của một hệ thống SCADA Chức năng chính của máy chủ là quét

dữ liệu, giám sát dữ liệu và các trạng thái Bên cạnh đó là cảnh báo nếu thay đổi, hiển thị dữ liệu, hiển thị dữ liệu trên màn hình, lưu dữ liệu theo chu kỳ Hầu hết

hệ thống SCADA làm việc bằng cách quét liên tục Máy chủ gửi các yêu cầu dữ liệu đến đầu xa và đầu xa trả lời

2 SCADA là gì

SCADA – (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc 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

Cấp vận hành (Cấp trường): Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận

hành, theo dõi họat động của thiết bị, các thông 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, tình trạng của các thiết bị và toàn

bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm (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 họat 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 họach sản xuất,

+ 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 họach sản xuất, điều độ, bán hàng

a) MTU (Master Terminal Unit):

MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền 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 trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được 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 hướng của MTU

c) Khối truyền thông:

Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm

Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây wireless), các trạm lặp (trong trường hợp truyền đi xa)

Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình được 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 như TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) 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 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 được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ

5 Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA

SCADA khác với các hệ thống điều khiển DCS ở chỗ, các hệ DCS là một

hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng và cơ chế điều khiển được giao cho cả các phần tử cấp dưới, trong khi hệ thống SCADA thiên về giám sát

và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, mọi thao tác lên hệ đều dưới sự điều khiển của trung tâm

Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay thế bởi PLC, trong

hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngày càng đi theo xu thế này

Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau: Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều

10

Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn… Do đó chúng rất cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngoài ra còn rất khó khăn trong việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC

Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với công nghệ PLC hơn và do đó khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn

Mua thiết bị dễ dàng hơn

Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị

Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng

Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trong tương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh

6 Các ứng dụng tiêu biểu của SCADA trong công nghiệp

Hệ thống quản lý sản xuất: sản xuất điện, thép, dệt may, dược phẩm, hóa chất…

Hệ thống quan trắc từ xa: trạm bơm, xử lý nước thải…

Hệ thống giám sát tòa nhà: nhiệt độ – độ ẩm, điều hòa không khí, chiếu sáng, điện năng tiêu thụ

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Trình bày lịch sử phát triển SCADA?

2 Trình bày các thành phần của một hệ thống Scada?

11

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL

UNIT)

Mã chương: MH 34 – 01 Giới thiệu: Một số thiết bị đầu cuối RTU trong hệ thống SCADA

Mục tiêu:

- Trình bày được cấu hình phần cứng của RTU

- Trình bày được chức năng của từng thiết bị ngoại vi của RTU

- Trình bày được chức năng của phần mềm của RTU

- Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy và nghiêm túc trong

12

Hình 1.2 Cấu trúc 1 RTU tiêu biểu

2 Cấu hình phần cứng RTU

2.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit)

Thông thường sử dụng vi xử lý hệ 16 hoặc 32 bít (như 68302, 80386) Các CPU của RTU thường có một bộ xử lý toán học để thực hiện các công việc tính toán phức tạp Cổng truyền thông của CPU thường có hai hoặc ba cổng RS-232/RS-422 hoặc RS-485 dùng cho các công việc sau: Giao tiếp với các thiết bị kiểm tra lỗi; Giao tiếp với các Trạm vận hành; Kết nối truyền thông với Trung tâm điều khiển CPU được thiết kế một hệ thống đèn LED báo lỗi để thông báo các sự cố và báo lỗi của CPU, của các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output) Một bộ phận khác rất quan trọng của CPU đó là bộ định thời, cung cấp thời gian thực giúp cho việc thông báo các sự kiện theo thời gian được chính xác tuyệt đối

2.2 Khối vào tương tự (Analog Input Modules)

Có 5 thành phần cơ bản tạo nên một khối vào tương tự: Bộ ghép kênh vào

(Input Multiplexer), khuếch đại tín hiệu vào(Input Amplifier), mạch lấy mẫu và

giữ (Sample and Hold Circuit), biến đổi A/D và bộ giao tiếp (Bus Interface)

2.3 Khối ra tương tự (Analog Output Mudules)

Khối đầu ra tương tự thực hiện chức năng đối ngược với khối nhập tương

tự, chuyển tín hiệu số từ PLC sang tín hiệu tương tự

13

Hình 1.3 Sơ đồ khối ra tương tự Các mô-đun đầu ra tương tự có đặc điểm sau:

- Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit;

- Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms;

- Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V

2.4 Khối vào số (Digital Input Modules)

Sử dụng cho nhập các các loại tín hiệu ON/OFF (0/1) từ các thiết bị như cảm biến, công tắc, …

Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa cấu trúc đầu vào số

2.5 Khối ra số (Digital Output Modules)

Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số

- Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC;

- Có hệ thống đèn LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu;

- Có cách ly để bảo vệ tín hiệu

14

Hình 1.5 Sơ đồ khối ra số

2.6 Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces)

Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện truyền thông nhiều như:

3 Cấu hình phần mềm của RTU

3.1 So sánh giữa RTU & PLC

15

Chi phí đầu tư RTU & PLC

PLC có mức giá thấp hơn, tuy nhiên nhiều người cho rằng RTU là một hệ thống chắc chắn hơn nhiều, điều này sẽ khiến bạn tin rằng chi phí ban đầu có thể nhiều hơn nhưng cuối cùng sẽ bằng

Tính năng điều khiển quá trình giữa RTU & PLC

RTU có thể ngang hàng với PLC Cả hai bộ điều khiển đều có thể có nhiều loại I/O khác nhau, các mô-đun truyền thông khác nhau và lập trình các quy trình có thể ít hoặc không cần đến sự can thiệp của người vận hành Tuy nhiên, RTU được cho rằng có một số lợi thế như dung sai môi trường, tùy chọn nguồn điện dự phòng và quyền tự chủ

Một số RTU có thể được lập trình với các ngôn ngữ như Basic, Visual

Basic và C# Tất nhiên, những ngôn ngữ này yêu cầu một bộ kỹ năng lập trình

đặc biệt giống như các PLC

Một số RTU thậm chí còn được lập trình bằng các ngôn ngữ giống như PLC như Ladder Logic và Structured Text

Dung sai môi trường

16

Được cho rằng, dung sai môi trường là một lợi thế nhất định của RTU RTU được sử dụng rộng rãi trong môi trường có nhiệt độ khắc nghiệt và đặt ở các vị trí xa xôi (dưới hầm, trên đỉnh núi, trên giàn khoan dầu ngoài khơi, )

Không có nhiều sự khác biệt giữa RTU và PLC, PAC hiện đại Các công

nghệ luôn thay đổi và thực hiện một công việc là san bằng sân chơi

3.2 Ứng dụng RTU

Hóa dầu và các nhà máy lọc dầu

Nhà máy điện hạt nhân

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Trình bày cấu hình phần cứng của RTU?

2 Trình bày chức năng của từng thiết bị ngoại vi của RTU?

3 Trình bày chức năng của phần mềm của RTU?

17

CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA

Mã chương: MH 34 - 03 Giới thiệu: Các phần mềm ứng dụng cho SCADA trong điện tự động hóa công nghiệp

Mục tiêu:

- Trình bày được các phương pháp kết nối thiết bị với phần mềm Scada

- Trình bày được các khái niệm cơ bản trong phần mềm ứng dụng Scada

- Sử dụng được các phần mềm WINCC và FIX-DMACS vào các bài tập cụ thể để giám sát và thu thập dữ liệu cho các hệ thống trong công nghiệp

- Phát huy tính tích cực, chủ động và nhanh nhạy trong công việc

Nội dung chính:

1 Các khái niệm cơ bàn trong phần mềm ứng dụng

Phần mềm SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là phần mềm giám sát cài đặt trên máy tính dùng để giám sát điều khiển các quá trình có

số đầu vào ra lớn từ vài trăm trở lên trong các nhà máy phát điện, công nghiệp dầu khí, hoá chất, nước, xử lý nước thải, thép…Các quá trình được điều khiển phân bố sử dụng PLC và thiết bị đo lường điều khiển ghép theo mạng Hiểu theo nghĩa rộng, hệ thống SCADA bao gồm phần mềm giám sát, điều khiển và toàn

bộ thiết bị phần cứng, phần mềm bảo đảm hoạt động của quá trình Các thiết bị

có thể đặt gần nhau kết nối qua mạng công nghiệp, hoặc đặt rải rác, kết nối qua đường truyền vô tuyến vi ba, đường tải điện PLC

Phòng điều khiển trung tâm gồm hệ thống máy tính nối mạng LAN có màn hình lớn trình bày hoạt động của quá trình sản xuất, kết nối với các bộ điều khiển ở dưới qua đường truyền vô tuyến, cáp quang, cáp đồng trục hay cáp đôi theo mạng Ethernet SCADA cung cấp giao diện đồ họa giữa người và quá trình sản xuất Các giá trị của quá trình được trình bày dưới dạng đèn báo, chữ số, đồ thị và được lưu trữ Chức năng cảnh báo giúp thông báo cho người điều hành các sự cố Chức năng tường trình tạo các báo cáo cho cấp trên Hệ thống được phân cấp quản lý theo người dùng với mật mã truy cập

Phần mềm SCADA là phần mềm đa nhiệm, thường cài đặt trên hệ điều hành NT hay Windows XP, liên kết với các bộ điều khiển quá trình thông qua các driver truyền thông Các phần mềm SCADA đều phải có bản quyền, nếu không chỉ chạy ở chế độ demo Hệ thống SCADA có thể thực hiện theo chế độ một người dung hay nhiều người dùng Chế độ nhiều người dùng (multi- user) gồm nhiều máy tính client nối mạng với máy server Phần mềm SCADA được thiết kế để có thể liên kết với các ứng dụng khác thông qua OCX, Active X, OLE (Object Linking and Embedding), OPC (OLE for Process Control), DDE (Dynamic Data Exchange),DCOM (Distrubuted Component Object Module),

18

liên kết với cơ sở dữ liệu thông qua SQL (Structured querry Language), ODBC (Open Database Connectivity) Nhìn chung phần mềm SCADA gồm các phần tử

và tính chất sau:

Thiết kế đồ hoạ (Graphic Designer): tạo các hình vẽ của quá trình, tĩnh

hay động Đây là phần mềm đồ hoạ hướng đối tượng, có thể nhập xuất các đối tượng đồ hoạ liên kết với chương trình khác

Alarm Logging: Cung cấp các thông tin về sự cố dưới dạng chữ số về loại

sự cố và thời gian, lưu trữ các sự cố trong cơ sở dữ liệu

Tag Logging: nhận dữ liệu từ quá trình hay các biến trong để hiển thị dạng

bảng hay đồ thị (trend) và lưu trữ Có hai loại tag là tag trong các biến nhớ của chương trình, tag quá trình liên kết với các địa chỉ vùng nhớ của PLC

User Administrator: phân cấp mức truy cập vào hệ thống bằng password,

báo cáo lịch sử truy cập hệ thống

Global Script: giúp biên tập các hàm C liên kết với sự kiện nào đó

Report Designer: tạo các báo cáo và in ấn

Text Library: soạn văn bản thông báo

Communication driver: tạo kết nối giữa SCADA và PLC hay RTU

(Remote Terminal Unit)

Redundancy: tạo độ dư thừa để tăng độ tin cậy, ví dụ dùng hai máy tính

chạy phần mềm SCADA song song

Database: chứa các thông số đặc trưng quá trình

Scalability: giúp thay đổi thêm bớt thiết bị trong hệ thống

Client/server: phần mềm SCADA được cài trên nhiều máy tính nối mạng

LAN theo chế độ nhiều người dùng, gồm nhiều client và một server Máy client nhận dữ liệu từ server Có nhiều phần mềm SCADA được sử dụng rộng rãi, có thể kể đến FIX của Intellution, WinCC (Siemens), RSView (Allen Bradley), Intouch (Wonderware), Think & Do (Think & Do Software)…

2 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC

2.1Giới thiệu phần mềm WINCC

a) Khái quát chung WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000 Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người

sử dụng, tạo nên giao diện người – máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua

19

giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống

Hình 2.1: Đặc tính mở của phần mềm WinCC WinCC là sản phẩm kết hợp các bí quyết của hãng Siemens - công ty hàng đầu

trong tự động hoá quá trình và Microsoft - công ty hàng đầu trong việc phát triển phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như: việc tích hợp với những hệ thống cấp cao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên

cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới

b) Các đặc điểm chính

* Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất Nhờ sự cộng tác của Siemens và Microsoft, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu

* Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập

* Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc

20

phân tán với nhiều máy chủ (server) Có thể phát triển tuỳ theo lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ Một loạt các module phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng chọn lựa khi cần

* Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn Cơ sở dữ liệu Sysbase

SQL đã được tích hợp sẵn trong WinCC Tất cả các dữ liệu về cấu hình hệ thống

và các dữ liệu của quá trình điều khiển đựơc lưu giữ trong cơ sở dữ liệu này Người dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở dữ liệu của WinCC bằng SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity) Sự truy cập này cho phép WinCC chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ sở dữ liệu khác

chạy trên nền Windows

* Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC) Các giao diện chuẩn như DDE và OLE dùng cho việc chuyển dữ liệu từ các chương trình chạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC Các tính năng như ActiveX control và OPC server và client cũng được tích hợp sẵn

* Ngôn ngữ vạn năng WinCC được phát triển dùng ngôn ngữ lập trìn chuẩn ANSI-C

* Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và

dữ liệu Tất cả các module của WinCC đều có giao diện mở cho giao diện lập trình

dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API) Điều đó có nghĩa là có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC và các hàm thực hiện (runtime) vào một chương trình của người sử dụng

* Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ Phần mềm WinCC được thiết kế trên cơ sở nhiều ngôn ngữ Nghĩa là, người dùng có thể chọn tiếng Anh, Pháp, Đức hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sử dụng Các ngôn ngữ này cũng có thể thay đổi trực tuyến

* Giao tiếp với hầu hết các loại PLC WinCC có sẵn các kênh truyền thông

để giao tiếp với các loại PLC của Siemens như SIMATIC S5/S7/505 cũng như thông qua các giao thức chung như PROFIBUS DP, DDE hay OPC Thêm vào

đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn như là những lựa chọn hay phần bổ sung

* WinCC như một phần tử của hệ thống tự động hoá tích hợp toàn diện (Totally Integrated Automation-TIA) WinCC đóng vai trò như cửa sổ hệ thống

và là phần tử trung tâm của hệ Nó cũng chính là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens

21

c) Các cấu hình hệ thống cơ bản WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao, ví dụ như trong các cấu hình như sau:

+ Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (Sing-user system)

+ Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (Multi-user system)

+ Cấu trúc Client/Server có dự phòng

+ Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server)

2.2 Hướng dẫn lập trình

Phần mềm WinCC có nhiều phiên bản khác nhau Tuy nhiên để thống nhất

và giúp sinh viên dễ dàng thực hiện được bài tập ở tập bài giảng này sẽ sử dụng phiên bản WinCC flexible 2008

a) Tạo một project Cơ sở cho cấu hình giao tiếp là project Việc tạo và cấu

hình tất cả các đối tượng được sử dụng trong project là cần thiết cho việc vận hành và quản lý hệ thống Chẳng hạn như các màn hình dùng để mô tả và vận hành hệ thống Các tag dùng để truyền dữ liệu giữa thiết bị HMI và hệ thống Các cảnh báo dùng để hiển thị trạng thái vận hành của hệ thống trên thiết bị HMI Để tạo một project trên phần mềm Wincc flexible ta tiến hành theo các

* Bước 1: Khởi động phần mềm WinCC Flexible Để khởi động phần mềm WinCC flexible ta tiến hành theo đường dẫn như hình vẽ hoặc kích đúp vào biểu tượng trên màn hình desktop

Hình 2.2 Khởi động phần mềm WinCC

* Bước 2: Tạo mới một project

Sau khi khởi động phần mềm WinCC flexible thì một bảng danh sách cho phép tạo mới hay mở một project như sau

22

Hình 2.3: Lựa chọn tạo mới một project

Trong bảng danh sách này ta có các lựa chọn sau:

+ ―Open the most recently editor project‖ để mở một project đã được biên tập

gần đây trong WinCC Flexible

+ ―Create a new project with the Project Wizard‖ để tạo một project mới trong

WinCC flexible theo định dạng có sẵn

+ ― Opend an existing project‖ để mở một project đã được lưu trong máy hoặc

ở các vùng lưu trữ máy tính có thể truy xuất

+ ― Create an empty project‖ tạo một project mới mà chưa có các thiết lập trong

+ ― Control center and local operation‖: Một thiết bị điều khiển được kết nối tới một thiết bị HMI điều khiển cục bộ và một thiết bị HMI điều khiển trung tâm

+ ― Sm@ttClient‖: kết nối giữa hai thiết bi HMI chủ và tớ (Client/ server)

* Bước 4: Lựa chọn thiết bị HMI, thiết bị điều khiển và kiểu kết nối giữa thiết bị HMI và PLC Sau khi chọn xong kiểu project tiến hành chọn ―Next‖ để tiến hành lựa chọn thiết bị HMI, thiết bị điều khiển và kiểu kết nối giữa thiết bị HMI và thiết bị điều khiển Chẳng hạn với kiểu kết nối ―Small machine‖

24

Hình 2.5: Lựa chọn thiết bị HMI, thiết bị điều khiển và kiểu kểt nối Lựa chọn loại thiết bị HMI trong mục ―HMI device‖ Để lựa chọn loại thiết

bị HMI ta kích vào ―WinCC flexible Runtime‖ bảng danh sách các thiết bị HMI

có thể được cấu hình trong WinCC flexible hiện ra như sau:

Hình 2.6: Lựa chọn thiết bị HMI

• Lựa chọn loại thiết bị HMI cần được cấu hình và kích ―OK‖ để xác lập lựa chọn

• Lựa chọn kiểu kết nối giữa thiết bị HMI và PLC trong mục

25

chọn ―Next‖ để lựa chọn màn hình mẫu cho project Cửa sổ lựa chọn màn hình mẫu cho project hiện ra như sau

Hình 2.7: Lựa chọn màn hình mẫu cho project

Trong của xổ này ta có thể lựa chọn ẩn hay hiện các thông số của màn hình như

tiêu đề của màn hình, các cảnh báo trong Window, và các điều hướng điều khiển

và vị trí của chúng trên màn hình HMI

* Bước 6: Lựa chọn màn hình điều hướng Sau khi lựa chọn xong màn hình mẫu cho project tiến hành chọn ―Next‖ để chọn màn hình điều hướng cho project

Hình 2.8: Lựa chọn màn hình điều hướng Trong mục này ta chọn số màn hình điều hướng xử dụng trong ―Section Screen‖

* Bước 7: Chọn màn hình hệ thống chuẩn

hình ảnh đồ họa phục vụ cho xây dựng project

* Bước 9: Điền các thông tin cho project

Sau khi lựa chọn xong thư viện cho project ta chọn ―Next‖ của sổ, đặt tên cho

project như sau

27

Hình 2.11: Đặt tên cho project và các chú thích cần thiết Trong cửa sổ này ta tiến hành đặt tên cho project vào mục ―Project name‖, tên

tác giả vào mục ―Project author‖ và các chú thích cần thiết để giải thích cho project vào mục ―Comments‖ và chọn ―Finish‖ để kết thúc quá trình tạo mới một project Sau khi lựa chọn ―Finish‖ thì màn hình chính để xây dựng một project hiện ra như sau

28

Hình 4.12: Màn hình làm việc của project

Trong màn hình chính để xây dựng một project bao gồm các mục chính sau + Thanh tiêu đề: Bao gồm toàn bộ các công cụ để xây dựng hoàn thiện một project

+ Thanh menu: bao gồm các công cụ chính hay được sử dụng trong quá trình

xây dựng project

+ Hộp Project: dùng để thiết lập cấu hình cho thiết bị HMI như tạo các màn hình, khai báo kết nối, tạo các tag điều khiển, tạo các cảnh báo + Hộp công cụ: bao gồm các công cụ được hỗ trợ sẵn trong WinCC để xây dựng project như thư viện hình ảnh đồ hoạ, hệ thống thư viện các phím chức năng, các biểu đồ, các hệ thống cảnh báo để hỗ trợ cho việc thiết kế giao diện cho project

+ Màn hình làm việc: là không gian chính để thiết kế giao diện trên thiết bị HMI

b) Làm việc với tag Các tag kích hoạt quá trình truyền thông giữa các thành phần trong quá trình xử lý tự động, ví dụ như giữa PLC và thiết bị HMI

29

Một tag là hình ảnh của một bộ nhớ cục bộ xác định trong PLC Người sử dụng

có thể đọc, ghi, truy nhập tới vùng nhớ lưu trữ cục bộ này từ cả thiết bị HMI và PLC Vì các tag ngoại là hình ảnh của sự lưu trữ cục bộ trên PLC Nên kiểu dữ liệu của các tag phụ thuộc vào kiểu dữ liệu trên PLC được kết nối với thiết bị HMI

Có 2 loại tag đó là tag ngoại (Externent tag) và tag nội ( Internent tag ) + Các tag ngoại: kích hoạt quá trình truyền thông giữa các thành phần trong quá trình xử lý tự động Ta có thể truy nhập dữ liệu trong các tag nội từ cả thiết bị HMI và PLC

+ Các tag nội: không dùng để kết nối với PLC Các tag nội được lưu trữ

nhớ của thiết bị HMI, do đó chỉ thiết bị HMI này mới có thể đọc, ghi và truy nhập vào các tag nội Ta có thể sử dụng các tag nội trong giai đoạn tính toán cục

bộ

Các thuộc tính của ―Tag‖

+Kích dúp vào biểu tượng ―tag‖ trong hộp ―Project‖ ta dược bảng tạo và thiết

lập các thuộc tính của ―tag‖ như sau

Hình 2.13: Cửa sổ tạo các Tag kết nối với PLC Trong mục ―General‖ có thể thiết lập các thông số sau

+ ―Name‖ dùng để đặt tên cho ―tag‖ tên cho tag là do người xây dựng project

tiến hành đặt sao cho việc xây dựng project được dễ dàng Thông thường người

ta thường dùng các từ gợi nhớ để đặt tên cho tag

+ ―Acquisition mode‖ để chọn kiểu thu thập dữ liêu của thiết bị HMI Ta

lựa chọn theo chu kỳ, theo sử dụng hoặc khi có lệnh

+ ―Acquisition cycle‖ để chọn chu kỳ thu thập dữ liệu từ PLC về thiết bị HMI

Trong mục ―Properties‖ có thể thiết lập các thuộc tính của ―Tag‖ trong đó có các thiết lập cơ bản sau

+ ― Addressing‖ dùng để lựa chọn địa chỉ của tag Đó là miền nhớ trong PLC

* Các thiết lập cơ bản khi tạo một ―Tag‖

Trong bảng thiết lập ―tag‖ ta lựa chọn thêm tag và tiến hành thiết lập các thông

số sau Đối với tất cả các ―tag‖ khi sử dụng cần thiết lập các thông số chính sau: + Tên tag

+ Kết nối tới PLC

+ Kiểu dữ liệu

+ Địa chỉ của tag

* Các bước khi tiến hành tạo một tag ngoại

1.Chọn tạo mới một tag trong menu của vùng làm việc thì một cửa sổ

―Tag‖ được mở ra