THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT KHÁCH SẠN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT KHÁCH SẠNỞ Việt Nam, những năm gần đây cũng không khó để nhận ra những đóng góp của các hệ thống tự động trong các công trình công nghiệp và dân dụng. Những khái niệm về quản lý tòa nhà, tiết kiệm năng lượng công trình, bảo vệ môi trường... không còn quá mới mẻ. Tuy nhiên, mức độ áp dụng các hệ thống này nói chung vẫn có giới hạn, chưa thực sự sâu và rộng. Điều này sẽ thay đổi nhanh chóng trong những năm tới đây, khi nhịp độ xây dựng những công trình hiện đại ngày càng cao, khi những hệ thống tự động hóa tòa nhà ngày càng có năng lực và độ tin cậy lớn hơn, lợi ích của việc áp dụng những hệ thống này ngày càng rõ nét.

Trang 1

SVTH: Bùi Duy Phương-ĐKT32B Trang 1

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

LỜI GIỚI THIỆU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG TRONG KHÁCH SẠN 8

1.1 Tiêu tốn năng lượng trong các tòa nhà 8

1.2 Mô hình cung cấp năng lượng cho toàn khách sạn 11

1.3 Giải pháp tiết kiệm quản lý năng lượng 11

1.3.1 Giải pháp tiết kiệm điện năng 11

1.3.2 Giải pháp sử dụng công nghệ mới BMS – hệ thống quản lý tòa nhà 11

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU DDC, PLC S7-300 VÀ GIAO THỨC BACnet 15

2.1 Giới thiệu chung bộ điều khiển số trực tiếp DDC 15

2.1.1 Một số thông tin cơ bản DDC 15

2.1.2 Một số ứng dụng DDC 16

2.1.3 Ưu, nhược điểm DDC 17

2.2 Tổng quan về thiết bị khả trình PLC 19

2.2.1 Giới thiệu chung 19

2.2.2 Bộ nguồn 19

2.2.3 CPU 20

2.2.4 Bộ nhớ 22

2.2.5 Vòng quét chương trình 22

2.2.6 Cấu trúc chương trình 23

2.2.7 Truyền thông với thiết bị khác 24

2.3 Giới thiệu chung về giao thức BACnet 27

2.3.2 Phạm vi ứng dụng 29

2.3.3 Tổng quan về kiểu dữ liệu BACnet 29

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA VÀ PHẦN MỀM WinCC 31

3.1 Tổng quan về hệ thống SCADA 31

3.2 Các chức năng cơ bản của hệ SCADA 32

3.3 Phân loại hệ thống SCADA 32

3.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA 33

3.5 Hệ thống SCADA hiện đại 36

3.5.1 Cấu trúc hệ thống 36

Trang 2

3.5.2 Các đặc tính chính của hệ thống 37

3.6 Các ứng dụng của một hệ thống SCADA 37

3.7 Lựa chọn phần mềm thiết kế WinCC 38

3.7.2 Các đặc điểm chính 39

3.7.3 Các chức năng SCADA cơ bản 39

3.7.4 Các chức năng cơ bản 40

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA TRONG KHÁCH SẠN 44

4.1.Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển tự động 44

4.2.Quy trình lập kế hoạch bổ sung hệ thống điều khiển tự động 45

4.3 Các hệ thống điều khiển chính 46

4.3.1 Hệ thống điện 47

4.3.2 Hệ thống báo cháy 54

4.3.3 Hệ thống chữa cháy 55

4.3.4 Hệ thống lạnh 58

4.3.5 Hệ thống thông gió 60

4.3.6 Hệ thống bơm nước 62

4.3.7 Hệ thống chiếu sáng 64

4.3.8 Giám sát điều khiển quản lý hệ thống thang máy 68

4.4 Lựa chọn mạng điều khiển 69

4.4.1 Mạng điều khiển cấp cao, điều khiển – giám sát 69

4.4.2 Mạng điều khiển cấp trường 69

4.4.3 Cấu trúc mạng của hệ thống SCADA một khách sạn 70

4.4.4 Mạng và cách thức truyền thông 71

4.5 Cấu hình phần cứng 72

4.5.1 Tổng quát 72

4.5.2 Mạng truyền thông 75

4.5.3 Bộ điều khiển 76

4.5.4 Bộ điều khiển số trực tiếp (DDC) 77

4.6 Thiết bị cấp trường 78

4.6.1 Cảm biến 78

4.6.2 Thiết bị đầu cuối người sử dụng 80

4.6.3 Bộ truyền động và van điều khiển 80

4.6.4 Động cơ 81

4.7 Yêu cầu phần mềm 81

Trang 3

4.7.1 Đồ họa 81

4.7.2 Báo động 82

4.7.3 Đồ thị 83

4.7.4 Báo cáo 84

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐẠT ĐƯỢC 85

5.1 Kết quả đạt được về vấn đề điều khiển 85

5.2 Kết quả đạt được về vấn đề giám sát 88

5.3 Kết quả đạt được về vấn đề thu thập dữ liệu 92

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 102

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AHU Air Handing Unit (Máy điều hòa không khí)

BACnet Building Automation and Control Networks

(Giao thức truyền thông dữ liệu cho mạng điều khiển và tự động hóa tòa nhà)

BMS Building Management System (Hệ thống quản lý tòa nhà) DDC Direct Digital Controller (Bộ điều khiển số trực tiếp) HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning (Điều hòa lưu

thông không khí) I/O Input/Output (Đầu vào/đầu ra)

IBMS Intelligent Building Management System (Hệ thống quản

lý tòa nhà thông minh) MODBUS Giao thức modbus

MV Motorized Two-way Valve (Van hai ngả)

PLC Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic lập

trình được) HMI Human Machine Interface (Giao diện Người-Máy)

DEM Digital Electric Meter (Bộ đo đếm điện năng kĩ thuật số) FLN Floor Level Network (Mạng cấp nền hay cấp tầng)

BLN Building Level Network (Mạng cấp tòa nhà)

MLN Management Level Network (Mạng cấp quản lý)

Trang 4

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition (Hệ thống giám

sát, điều khiển và thu thập dự liệu) ĐHKK Điều hòa không khí

PHT Phòng hội thảo

KVCC Khu vực công cộng

PCCC Phòng cháy chữa cháy

ACB Air Circuit Breaker (Máy cắt không khí hạ áp)

MCCB Moulded Case Circuit Breaker (Aptomat khối)

MEC Modular Equipment Controller (Mô đun điều khiển thiết

bị) MBC Modular Building Controller (Mô đun điều khiển tòa nhà) VRV Variable Air Volume (Bộ điều khiển lưu lượng gió)

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình cung cấp năng lượng cho toàn khách sạn……… 9

Hình 1.2: Mô hình hệ thống quản lý tòa nhà BMS……… 12

Hình 2.1: Mô hình kết nối của SIMATIC S7-300……… 22

Hình 2.2: Vòng quét chương trình……… 23

Hình 2.3: Cấu trúc mạng Ethernet……… 25

Hình 2.4:PC đọc thông tin về bộ nhớ và trạng thái hoạt động của PLC……….26

Hình 2.5: PC ghi dữ liệu về bộ nhớ và trạng thái hoạt động của PLC………….27

Hình 2.6: PLC gửi dữ liệu đến máy tính……….27

Hình 3.1: Cấu hình của một hệ SCADA điển hình………34

Hình 3.2: Đặc tính mở của phần mềm WinCC……… 38

Hình 4.1: Mô hình các hệ thống kĩ thuật trong khách sạn……… 46

Hình 4.2:Mô hình tương tác giữa các hệ thống kĩ thuật trong khách sạn…… 47

Hình 4.3: Mô hình giám sát điện năng tiêu thụ……… 49

Hình 4.4: Mô hình giám sát máy phát dự phòng……… 50

Hình 4.5: Sơ đồ kết nối các thiết bị DEM……… 53

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý kết nối các thiết bị báo cháy……… 55

Hình 4.7: Mô hình điều khiển giám sát hệ thống HVAC……….58

Trang 5

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển giám sát hệ thống HVAC……… 60

Hình 4.9: Mô hình giám sát điều khiển chiếu sáng……… 64

Hình 4.10: Cấu trúc hệ thống chiếu sáng LITROL……… 67

Hình 4.11: Cấu trúc mạng chung của một khách sạn……… 70

Hình 5.1: Giao diện giới thiệu……… 85

Hình 5.2: Giao diện điều khiển hệ thống AHU……… 86

Hình 5.3: Giao diện điều khiển hệ thống chiếu sáng……… 86

Hình 5.4: Giao diện điều khiển hệ thống thang máy……… 87

Hình 5.5: Giao diện điều khiển hệ thống bãi đỗ xe……….87

Hình 5.6: Giao diện điều khiển hệ thống cửa………88

Hình 5.7: Giao diện giám sát hệ thống AHU……….89

Hình 5.8: Giao diện giám sát hệ thống đèn………90

Hình 5.9: Giao diện giám sát hệ thống thang máy……… 90

Hình 5.10: Giao diện giám sát hệ thống bãi đỗ xe……… 91

Hình 5.11: Giao diện giám sát hệ thống cửa……… 91

Hình 5.12: Giao diện thu thập dữ liệu toàn bộ hệ thống……….92

Hình 5.13: Giao diện thu thập dữ liệu nhiệt độ trong ống gió hệ thống AHU…93 Hình 5.14: Giao diện thu thập dữ liệu nhiệt độ trong ống gió hệ thống AHU…93 Hình 5.15: Giao diện thu thập dữ liệu áp suất trong ống gió hệ thống AHU….94 Hình 5.16: Giao diện thu thập dữ liệu quạt gió của hệ thống AHU……… 94

Hình 5.17: Giao diện thu thập dữ liệu vị trí tầng của hệ thống thang máy…….95

Hình 5.18: Giao diện thu thập dữ liệu động cơ của hệ thống thang máy………96

Hình 5.19: Giao diện quản lý số lượng xe trong bãi đỗ xe……….97

Hình 5.20: Giao diện thu thập dữ liệu động cơ hệ thống cửa………97

Hình 5.21: Giao diện thông báo sự cố các thiết bị……… 98

Hình 5.22: Giao diện thông báo sự cố các thiết bị……… 99

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng thống kê số lượng đèn và điện năng tiêu thụ các loại đèn… 9

Bảng 1.2: Bảng thống kê hệ thống điều hòa không khí……… 9

Bảng 1.3: Bảng thống kê hệ thống nước nóng……… 10

Bảng 1.4: Bảng thống kê hệ thống bơm nước………10

Bảng 1.5: Bảng thống kê hệ thống thang máy……… 10

Trang 6

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các tỉnh duyên hải Miền Trung với nhiều địa điểm du lịch hấp dẫn, là điểm đến của rất nhiều khách du lịch ở trong và ngoài nước Do đó số lượng khách sạn phát triển không ngừng để phục vụ du khách nghĩ dưỡng

Đối với nhiều doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực khách sạn, chi phí cho việc sử dụng năng lượng hằng năm là tương đối lớn Để nâng cao tính tự động hóa quản lý năng lượng chặt chẽ hơn, tăng sức cạnh tranh cho doanh

nghiệp Chính vì lẽ đó tôi thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống Scada điều khiển,

giám sát khách sạn”

2 Đối tượng và phạm vi đề tài

 Tìm hiểu một số giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả trong khách sạn và ứng dụng PLC, WinCC và mini SCADA điều khiển và giám sát một số thiết bị điện hiệu quả

 Phân tích đánh giá đưa ra giải pháp ứng dụng tự động hóa

3 Mục tiêu chính của đề tài

 Tạo ra một giao diện trên máy tính kết nối một số thiết bị điện trong khách sạn giúp cho người vận hành điều khiển thuận tiện

 Từ đó điều khiển, giám sát và vận hành hợp lý các thiết bị điện để tiết kiệm năng lượng

 Ứng dụng kiến thức về tự động hóa đã học vào thực tế

Bình Định, ngày 05 tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Bùi Duy Phương

Trang 7

LỜI GIỚI THIỆU

Tự động hóa, trong những năm gần đây khái niệm này đã trở nên quen thuộc Tự động hóa đã góp mặt trong mọi lĩnh vực từ sản xuất cho đến phục vụ cuộc sống hằng ngày Mục tiêu của công nghệ tự động hóa là xây dựng một hệ thống mà trung tâm là con người, ở đó con người thực hiện việc đặt ra các yêu cầu còn mọi thao tác thực hiện được đảm nhận bởi những hệ thống kỹ thuật đặc trưng Hệ quả là giải phóng sức lao động con người, nâng cao hiệu quả sản xuất Trên thế giới, các hệ thống thông minh, tự động điều khiển đã được áp dụng từ rất sớm và cho thấy những đóng góp quan trọng không thể phủ nhận Với các công trình xây dựng công nghiệp và dân dụng, các hệ thống kỹ thuật tự động gọi chung là hệ thống tự động hóa tòa nhà đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì một điều kiện làm việc lý tưởng cho công trình, cho con người

và các thiết bị hoạt động bên trong công trình Một hệ thống tự động hoàn chỉnh

sẽ cung cấp cho công trình giải pháp điều khiển, quản lý điều kiện làm việc như nhiệt độ, độ ẩm, lưu thông không khí, chiếu sáng, các hệ thống an ninh, báo cháy, quản lý hệ thống thiết bị kỹ thuật, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho công trình, thân thiện hơn với môi trường

Ở Việt Nam, những năm gần đây cũng không khó để nhận ra những đóng góp của các hệ thống tự động trong các công trình công nghiệp và dân dụng Những khái niệm về quản lý tòa nhà, tiết kiệm năng lượng công trình, bảo vệ môi trường không còn quá mới mẻ Tuy nhiên, mức độ áp dụng các hệ thống này nói chung vẫn có giới hạn, chưa thực sự sâu và rộng Điều này sẽ thay đổi nhanh chóng trong những năm tới đây, khi nhịp độ xây dựng những công trình hiện đại ngày càng cao, khi những hệ thống tự động hóa tòa nhà ngày càng có năng lực và độ tin cậy lớn hơn, lợi ích của việc áp dụng những hệ thống này ngày càng rõ nét

Trang 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG TRONG KHÁCH SẠN

1.1 Tiêu tốn năng lượng trong các tòa nhà

Trong một tòa nhà, cơ cấu sử dụng tiêu tốn năng lượng bao gồm: năng lượng tiêu tốn cho hệ thống chiếu sáng chiếm khoảng 15 – 20%, hệ thống điều hòa không khí chiếm 40 – 60%, các thiết bị động cơ chiếm 10 – 15%, phần còn lại dành cho các thiết bị phụ trợ khác

 Tiêu tốn năng lượng cho chiếu sáng

Kết quả khảo sát, năng lượng cho chiếu sáng tại Hà Nội chiếm 20% điện tiêu thụ trong các trung tâm thương mại, văn phòng cho thuê, 15% trong các khách sạn, 20% trong các tòa nhà hỗn hợp và tại Hồ Chí Minh năng lượng cho chiếu sáng tại văn phòng công sở là 11,5%; trung tâm thương mại là 24%; khách sạn là 9,11%

 Tiêu tốn năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí

Năng lượng tiêu tốn cho điều hòa không khí của một tòa nhà là rất lớn chiếm khoảng 40-60% tổng năng lượng tiêu thụ, với khách sạn có thể đạt đến 60-80%

 Tiêu tốn năng lượng cho hệ thống nước nóng

Hiện nay, đa số các tòa nhà sử dụng máy nước nóng bằng điện trở, một số tòa nhà đã chuyển sang sử dụng máy năng lượng mặt trời

 Tiêu tốn năng lượng cho các hệ thống phụ trợ khác

Trong các tòa nhà các hệ thống như: bơm nước, thang máy, các máy thiết

bị chuyên dùng…tiêu tốn một năng lượng khoảng 10-15% đồng thời các hệ thống này thường làm phát sinh một lượng năng lượng vô ích rất lớn

Trang 9

1.2 Mô hình cung cấp năng lượng cho toàn khách sạn

Hình 1.1: Mô hình cung cấp năng lượng cho toàn khách sạn

Thống kê các hệ thống tiêu thụ năng lượng trong khách sạn Hải Âu Quy

Nhơn

Loại đèn Số lượng

(bóng)

Công suất/bóng (kW)

Tổng công suất (kW)

Giờ sử dụng điện năng (giờ/ngày)

Số lượng

Tổng công suất làm lạnh (kW)

Giờ sử dụng điện (giờ/ngày)

Hệ thống chiếu sáng

Hệ thống nước nóng

Hệ thống khác

Hệ thống bơm nước

Trang 10

Loại Công suất

(kW) Số lƣợng

Số lƣợng

Bảng 1.4: Bảng thống kê hệ thống bơm nước

Loại Công suất

(kW)

Số lƣợng

Trang 11

1.3 Giải pháp tiết kiệm quản lý năng lượng

1.3.1 Giải pháp tiết kiệm điện năng

- Quản lý điện năng tiêu thụ của khách sạn

- Thay đèn cao áp bằng đèn compact

- Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ bơm cấp nước cung cấp cho hệ thống điều hòa trung tâm

- Đầu tư hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời kết hợp với máy nước nóng có sẵn của khách sạn

- Cắt giảm số lượng thang máy hoạt động trong các giờ nhất định để tiết kiệm điện năng

1.3.2 Giải pháp sử dụng công nghệ mới BMS – hệ thống quản lý tòa nhà

 Cấu trúc tiêu chuẩn cho một hệ BMS

Hệ thống điều khiển tự động tòa nhà BMS được thiết kế theo mô hình điều khiển phân lớp Một hệ thống BMS thường được thiết kế theo mô hình 4 lớp:

- Lớp hiện trường

- Lớp điều khiển

- Lớp vận hành giám sát

- Lớp quản lý

 Thiết bị hiện trường

Các thiết bị như cảm biến (sensor): Sensor nhiệt, ánh sáng, chuyển động, hồng ngoại bộ chấp hành (actuator): Điều hoà không khí, quạt thông gió, thang máy các bộ field controller để giao tiếp trục tiếp với các khu vực có các ứng dụng cần điều khiển Các thiết bị hiện trường có khả năng tự giao tiếp với nhau, hoặc qua bộ điều khiển (Local controler) Sensor sẽ gửi thông số của hệ thống, của môi trường tới bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ xử lý thông điệp đó và gửi

Trang 12

tới thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành có thể nhận ngay yêu cầu từ các thiết

bị cảm biến, hoặc từ hệ thống BMS

Hình 1.2: Mô hình hệ thống quản lý tòa nhà BMS

 Khối điều khiển

Kết nối từ trung tâm điều khiển tới mức điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua các điều khiển BAS với giao diện BACnet TCP/IP, bao gồm các

bộ DDC (Digital Direct Controller - điều khiển số trực tiếp), các bộ điều khiển địa phương, khu vực, các giao diện tới các hệ thống phụ trợ như: điều hòa không khí, báo cháy, chữa cháy, hệ thống điện Khối điều khiển có chức năng:

- Nhận lệnh điều khiển từ khối vận hành giám sát gửi tới thiết bị chấp hành

- Xử lý thông điệp khi có yêu cầu tại địa phương

- Gửi thông điệp, kết quả tới khối vận hành giám sát

 Khối vận hành giám sát (SCADA)

Trung tâm điều khiển, mức quản lý bao gồm các hệ thống máy chủ dữ liệu, trạm làm việc được cài đặt các phần mềm quản lý bảo dưỡng, máy in và máy tính dành cho việc lập trình và cấu hình hệ thống Nó có chức năng chính:

- Quản lý toàn bộ toà nhà

- Giám sát vận hành của các thiết bị, giám sát sự cố xảy ra

Trang 13

- Gửi yêu cầu đến bộ điều khiển hiện trường BMS quản lý các thành phần

hệ thống toà nhà theo cơ chế đánh địa chỉ Mỗi thiết bị, bộ điều khiển địa phương được gắn một địa chỉ Các thiết bị hiện trường có thể trực tiếp giao tiếp với nhau hoặc qua bộ điều khiển địa phương Giao tiếp thường được sử dụng ở bus trường là ARCnet và ở Bus điều khiển là BACnet TCP/IP Một điều thuận lợi khi tích hợp hệ thống đó là các thiết bị hiện trường như thang máy, điều hoà, quạt thống gió đều hỗ trợ chuyển truyền thông TCP/IP Rất thuận lợi cho nhà tích hợp hệ thống

 Khối quản lý

Khối này thực ra được cài đặt ngay ở khối vận hành giám sát Chức năng chính của nó là cài đặt kế hoạch làm việc Kết nối vận hành từ xa qua mạng viễn thông, internet Ví dụ: Khi ta cần một phòng họp cho 100 người vào X giờ, ngày Y tháng Z Người quản trị có thể tự tìm và ấn định nó hoặc gõ lệnh để máy

tự tìm Khi đó Hệ thống vận hành giám sát sẽ tự động gửi lệnh điều khiển bao gồm: Thời gian mở phòng họp, bật đèn, điều hoà, thông gió trước thời gian ấn định nào đó Ánh sáng trong phòng được mặc định là phòng họp Khi yêu cầu một phòng khách sẽ có phòng khách với không gian của nó Với mục đích đem lại sự thoải mái cho người sử dụng, tiết kiệm năng lượng, giảm sự vận hành của con người đối với các thiết bị trong toà nhà Hiện nay, các phần mềm điều khiển BMS được tích hợp hoàn hảo với các thiết bị hỗ trợ khác như: Hệ thống truyền hình hội nghị, điều khiển và giám sát qua mạng, các thiết bị cầm tay PDA

Trang 14

Đó là giải pháp kiểm soát mức tiêu hao điện năng đến từng ca sản xuất của doanh nghiệp Để có thể kiểm soát được mức độ tiêu hao điện năng đến từng ca, từng tổ và từng máy sản xuất ta có thể trang bị các thiết bị đo đếm điện thông minh và thiết lập một mạng giám sát (SCADA) Các thiết bị này hiện nay có bán trên thị trường với các chuẩn truyền thông công nghiệp như Profibus, RS485 sẽ cho phép ta kết nối các thiết bị đo đếm thông minh thành mạng Thông qua một máy tính kết nối với mạng truyền thông này người quản lý có thể giám sát được mức tiêu hao điện năng của từng khu vực và công đoạn sản xuất tới từng ca sản xuất để từ đó có cái nhìn tổng quan về mức độ tổn thất năng lượng của toàn doanh nghiệp và từ đó có những điều chỉnh hợp lý nhằm nâng cao khả năng tiết kiệm điện năng

Tiết kiệm điện năng hiện nay là vấn đề thời sự nóng bỏng không chỉ với các doanh nghiệp Việt Nam mà còn cả đối với các doanh nghiệp ở các nước công nghiệp phát triển Xây dựng thành công chiến lược tiết kiệm điện năng và

có những quyết định đầu tư đúng đắn sẽ giúp cho doanh nghiệp tăng sức cạnh tranh của mình trên thị trường

Trang 15

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU DDC, PLC S7-300 VÀ GIAO THỨC BACnet

2.1 Giới thiệu chung bộ điều khiển số trực tiếp DDC

2.1.1 Một số thông tin cơ bản DDC

- Các bộ điều khiển số DDC: các bộ này có thể nằm tại nhiều phân lớp mạng khác nhau trong hệ thống: FLN-mạng tầng tòa nhà, BLN-mạng tổng thể tòa nhà Có thể giao tiếp qua các chuẩn TCP/IP, BACnet/IP…làm nhiệm vụ điều khiển cho các hệ thống, thu thập và lưu trữ dữ liệu hoạt động

- Tất cả DDC sẽ có mạch vi xử lý là 32 bit dựa trên cơ sở hoạt động của hệ thống EPROM và cho phép thực hiện nhanh như yêu cầu vận hành trong ứng dụng công nghiệp Chương trình DDC và các dữ liệu sẽ phải ổn định trong EPROM để cho phép một vài điều kiện khác có sự thay đổi Mỗi DDC sẽ có năng lượng sử dụng tối thiểu trong vòng 30 ngày DDC sẽ giám sát pin và cảnh báo nếu như năng lượng còn dưới mức tối thiểu Bộ DDC điều khiển từ xa sẽ được cung cấp kỹ thuật vào ra theo yêu cầu của mục đích ứng dụng Những bảng mạch này sẽ được định dạng số hóa đầu vào, đầu ra để tương thích với bộ

vi xử lý và để kết nối mạng

- Các bộ DDC có thể điều khiển được trên một phạm vi rộng từ 18 – 100 đầu nút Mỗi DDC sẽ được cung cấp 1 rack cắm vào 1 POT (Portable Operators Terminal) Mỗi đầu ra DDC là bít nhị phân cho điều khiển On – Off với dải điện

áp thực từ 0 – 10V

- Các bộ DDC được thiết kế phức hợp và giao tiếp tay đôi với các DDC khác Mỗi DDC có đồng hồ thời gian thực cho việc vận hành độc lập Mỗi DDC

có ít nhất 256KB RAM, 512KB OS EPROM và 256KB bộ nhớ dữ liệu

- Mỗi bộ DDC sẽ điều khiển được hơn 40 module Nếu có sự hư hại nào đó

ở nhiều hay ít thiết bị đó sẽ được tách ra và thay thế lại Yêu cầu tối thiểu trong

Trang 16

điều khiển các module bao gồm các cổng vào ra số và tương tự Những module này có thể nhận về và đưa ra các tín hiệu theo tiêu chuẩn công nghiệp

- Tất cả các bộ DDC sẽ có hệ thống LED để chỉ dẫn chức năng và vận hành Tất cả hệ thống LED đều có thể nhìn được mà không cần mở panel DDC này truyền thông với DDC khác và với PC điều khiển với tốc độ tối thiểu 1Mbps

- Mỗi DDC là một cá nhân thông minh trong quá trình giao tiếp với giao thức tay đôi Bộ điều khiển DDC có tụ tích điện để hỗ trợ RAM trong vòng 72 giờ để cấp năng lượng khi mất nguồn

- DDC sẽ cung cấp ít nhất 200 sự kiện cho một trong số 20 đầu nút Tất cả các sự kiện đó sẽ được truy cập trong bất kỳ thời gian nào Nếu dữ liệu đệm trong DDC đầy thì dữ liệu lâu nhất sẽ bị bỏ và thay thế vào đó là dữ liệu mới Những dữ liệu có giá trị của DDC sẽ luôn sẵn sàng

2.1.2 Một số ứng dụng DDC

DDC có thể điều khiển thiết bị khí nén Sự điều khiển linh hoạt này cho phép thay đổi bất kỳ điểm đặt của chiến lược kiểm soát mà không gián đoạn hoạt động của hệ thống Phần mềm DDC để kiểm soát hệ thống HVAC và xây dựng các hệ thống khác

Xây dựng các chương trình đọc cảm biến nhiệt độ, đo lường, độ ẩm tương đối, lưu lượng, áp suất, mức độ ánh sáng và làm những việc khác bao gồm chuyển đổi tuyến tính Ngoài ra dùng để đo năng lượng tiêu thụ

Xây dựng các chương trình bật /tắt thiết bị kiểm soát hoạt động start-stop theo giá trị cảm biến tương tự

Điều chỉnh chương trình kiểm soát hoạt động các thiết bị biến vị trí, như van và van điều tiết dựa trên một hằng số, điểm đặt cố định, và một thiết lập lại lịch trình

Trang 17

2.1.3 Ưu, nhược điểm DDC

Quyết định sử dụng DDC có thể dựa trên các giá trị kỳ vọng của cả năng lượng và tiết kiệm chi phí lao động DDC tiết kiệm năng lượng đáng kể thông qua kiểm soát chính xác và bằng cách duy trì điều chỉnh điểm đặt mà không thay đổi theo thời gian Từ DDC tích hợp điều khiển nhiệt độ và quản lý năng lượng trong cùng một hệ thống, thoải mái xem xét có thể được đưa vào chương trình quản lý năng lượng phức tạp hơn, chẳng hạn như nhu cầu hạn chế bởi nhiệt độ

và giới hạn điểm đặt Chức năng điều khiển tiên tiến có sẵn với các bộ vi xử lý DDC

Một ví dụ điển hình sẽ được tính toán tối thiểu phần trăm không khí bên ngoài, sử dụng ngoài trời, hồi khí trở lại, và cảm biến nhiệt độ không khí hỗn hợp Năng lượng lớn tiết kiệm có thể được thực hiện theo cách này, vì hầu như tất cả các hệ thống điều khiển khác luôn sử dụng quá nhiều không khí bên ngoài

Độ tin cậy, chính xác, và tiện lợi của DDC giảm lao động cần thiết để bảo trì HVAC và cho phép nhân viên thực hiện chức năng quan trọng khác DDC đòi hỏi cả phần cứng và phần mềm Phần cứng phải đáng tin cậy, chuẩn công nghiệp, và thiết kế để giao tiếp với thiết bị Phần mềm phải có một thiết kế đã được chứng minh để được toàn diện, linh hoạt, và dễ sử dụng DDC cải thiện hoạt động xây dựng trong bốn cách Nó làm giảm tiêu thụ năng lượng, giảm lao động bảo trì HVAC, cải thiện và đảm bảo sự thoải mái tiện nghi, và cung cấp tiện lợi hoạt động lớn hơn DDC cung cấp sự linh hoạt rất lớn kiểm soát và thông tin rất chính xác Nó cho phép các nhà khai thác xây dựng để giảm chi phí

và cung cấp dịch vụ tốt hơn cùng một lúc Và độ chính xác lâu dài của DDC vượt qua sự phân rã không thể tránh khỏi của các điều khiển khác Công nghệ máy tính hiện nay có khả năng đơn giản hóa và cải thiện xây dựng hệ thống kiểm soát Chi phí cho mỗi điểm cho hệ thống DDC thường cao hơn so với các

Trang 18

lớp khác, nhưng những lợi ích bổ sung sau đây thường đủ để bù lại chi phí hệ thống DDC

1 Được mở rộng về số lượng điểm có thể để được theo dõi, các gói phần mềm có sẵn, và hoạt động chức năng

2 DDC đáng tin cậy hơn khi điều khiển hệ thống khí nén

3 Sự cố của máy tính trạm điều hành trung ương không làm đảo lộn đơn vị điều khiển cá nhân vì bộ vi xử lý vệ tinh được lập trình để đứng một mình trong trường hợp như vậy

4 Điều hành trạm bộ nhớ máy tính lớn hơn cho phép quản lý tòa nhà, khách sạn để sử dụng một chương trình bảo dưỡng dự phòng và thực hiện kiểm toán năng lượng cho các tòa nhà, khách sạn khác nhau hoặc các khu vực của một tòa nhà, khách sạn duy nhất

5 Khách hàng không phải phụ thuộc vào một công ty cụ thể để bảo trì thiết

bị, và trong nhiều trường hợp, kết quả trong việc giảm chi phí hoạt động của hệ thống

6 Mặc dù chi phí ban đầu của hệ thống DDC là tương đối cao hơn, thời gian hoàn vốn là tương đương với các hệ thống nhỏ hơn

7 Trong hầu hết các trường hợp, DDCs không làm giảm yêu cầu nhân lực, nhưng một hệ thống điều hành kiểm soát trung tâm có thể hỗ trợ trong việc xây dựng quản lý và bảo dưỡng hiệu quả hơn, đặc biệt là khi thực hiện chương trình bảo dưỡng phòng ngừa hiệu quả

Trang 19

2.2 Tổng quan về thiết bị khả trình PLC

2.2.1 Giới thiệu chung

PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lập trình được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật PLC được sử dụng chủ yếu để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sản xuất trong công nghiệp Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nó cũng giống như con vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh hơn và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng

Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn

- Dễ dàng thay đổi mà không tốn kém về mặt kinh tế

- Do phần mềm linh hoạt nên mở rộng và cải tạo công nghệ dễ dàng

- Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng

- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển

- Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn

2.2.2 Bộ nguồn

Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn dựa trên dòng tiêu thụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC) Dòng tiêu thụ của các phân tử PLC phải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải

Trang 20

Các module mở rộng chia thành 5 loại chính:

1 Module nguồn nuôi (PS - Power supply)

Có 3 loại: 2A, 5A, 10A

2 Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module)

Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số

mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module

- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số

mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module

- DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại module

- AI (Analog input): Modulee mở rộng các cổng vào tương tự Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module

- AO (Analog output): Modulee mở rộng các cổng ra tương tự Số các cổng

ra tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module

Trang 21

- AI/AO (Analog input/Analog output): Modulee mở rộng các cổng vào/ra tương tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module

3 Module ghép nối (IM - Interface module)

Module ghép nối nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi 1 module CPU Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM

Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình S7-300 cung cấp 3 loại module ghép nối sau:

- IM 360: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên đó với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU

- IM 361: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8 module với khoảng cách tối đa là 10 m đòi hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi tầng

- IM 365: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU

4 Module chức năng (FM - Function module)

Module có chức năng điều khiển riêng Ví dụ như module PID, module điều khiển động cơ bước…

5 Module truyền thông (CP - Communication module)

Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

Trang 22

+ Vùng chương trình: là miền nhớ để lưu giữ các lệnh chương trình

+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng

+ Vùng dữ liệu: là miền để sử dụng để cất giữ các khối dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình bộ đệm truyền thông

2.2.5 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi

là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, không

phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó

Màn hình PC

Trang 23

- Lập trình có cấu trúc:

Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản:

+ Loại khối OB (Oganization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình

điều khiển

+ Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những chức năng

riêng giống như một chương trình con hoặc một thủ tục (chương trình con có biến hình thức)

+ Loại khối FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao

đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block

Truyền thông và kiểm tra nội bộ

Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I

Thực hiện chương trình

Chuyển dữ liệu từ cổng vào Q

VÒNG QUÉT

Trang 24

+ Loại khối DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện

chương trình Các tham số của khối do người dùng tự đặt

2.2.7 Truyền thông với thiết bị khác

2.2.7.1 Các phương thức truyền thông

- Điểm đối điểm: Point-to-Point Interface (PPI) (Đối với S7-200)

- Đa điểm: Multi Point Interface (MPI) (Đối với S7-300)

- PROFIBUS (Process Field Bus)

2.2.7.3 Phương thức MPI

MPI có thể là phương thức chủ/tớ hay chủ/chủ Cách thức hoạt động phụ thuộc vào loại thiết bị Nếu thiết bị đích là CPU S7-300 thì MPI tự động trở thành chủ/chủ vì các CPU S7-300 là các thiết bị chủ trong mạng Nếu thiết bị đích là CPU S7-200 thì MPI lại là chủ/tớ vì các CPU S7-200 lúc đó được coi như là trạm

Khi hai thiết bị trong mạng kết nối nhau bằng phương thức MPI, chúng tạo nên một liên kết riêng, không thiết bị chủ khác nào có thể can thiệp vào liên kết này Thiết bị chủ trong hai thiết bị kết nối thường giữ mối liên kết đó trong một khoảng thời gian ngắn hoặc huỷ liên kết vô thời hạn (giải phóng đường truyền) Mạng MPI có giá thành thấp, được ứng dụng với số lượng đối tác truyền thông ít (tối đa 32 trạm), lượng dữ liệu nhỏ

1 Phương thức truy cập

Trang 25

MPI sử dụng phương thức truy cập Token-Passing Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khoá Một trạm được quyền truy cập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ Token

2 Môi trường truyền dẫn

MPI sử dụng cáp hai dây Chiều dài tối đa của cáp cho một đoạn bus là 50m Sử dụng bộ lặp RS-485 làm tăng chiều dài tối đa lên đến 1100m Tốc độ truyền thường là 187.5 Kbit/s

2.2.7.4 Industrial Ethernet (IE )

Mạng Industrial Ethernet (IEEE 802.3) dựa trên cơ sở Ethernet thường nhưng được thiết kế lại cho sử dụng phù hợp trong môi trường công nghiệp và

do tổ chức IEA (Industrial Ethernet Assciation) quản lý

Hình 2.3: Cấu trúc mạng Ethernet

Industrial Ethernet là một mạng dành cho cấp giám sát và cấp trạm của mạng truyền thông giữa các máy tính và những bộ điều khiển logic khả trình nó được sử dụng để truyền dữ liệu với lượng lớn và có thể được sử dụng để truyền qua khoảng cách lớn

1 Kiến trúc giao thức ISO và TCP/IP được sử dụng trong Industrial Ethernet

Trang 26

2 Môi trường truyền dẫn Industrial Ethernet dùng cáp đồng trục hoặc cáp đôi dây vặn xoắn công nghiệp, cáp sợi quang bằng thuỷ tinh hoặc nhựa

3 Phương pháp truy cập bus là CSMA/CD

2.2.7.5 Truyền thông giữa PLC và PC

Để truyền thông giữa PLC và PC ta phải có cáp nối giữa PLC và PC Ta dùng cáp nối PC/PPI qua bộ chuyển đổi RS232/RS485

Cơ chế truy xuất dữ liệu của PLC từ PC:

 Máy tính đọc dữ liệu từ PLC:

Để dọc dữ liệu của PLC máy tính gửi tín hiệu đến PLC yêu cầu PLC truyền dữ liệu đến nó Khi PLC nhận được yêu cầu gửi dữ liệu từ PC thì nó truyền dữ liệu đến PC Máy tính nhận dữ liệu từ PLC gử đến và nó sẽ thông báo cho PLC biết là đã nhận được dữ liệu

Hình 2.4: PC đọc thông tin về bộ nhớ và trạng thái hoạt động của PLC

 Máy tính gửi dữ liệu đến PLC:

Để truyền dữ liệu từ PC đến PLC, PC gửi tín hiệu yêu cầu PLC nhận dữ liệu và nếu PLC đồng ý nhận thì PC sẽ truyền dữ liệu đến PLC Khi PLC nhận được dữ liệu từ PC truyền đến nó sẽ báo cho PC biết là đã nhận xong

Bộ chuyển đổi tín hiệu (Card MPI)

Trang 27

Hình 2.5: PC ghi dữ liệu về bộ nhớ và trạng thái hoạt động của PLC

 PLC gửi dữ liệu đến máy tính:

Trường hợp này thuộc loại truyền thông một chiều từ PLC đến PC

Hình 2.6: PLC gửi dữ liệu đến máy tính

Bộ chuyển đổi tín hiệu (Card MPI)

Trang 28

2.3 Giới thiệu chung về giao thức BACnet

BACnet (Building Automation and Control network Protocol) là giao thức truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hóa tòa nhà BACnet được sáng lập bởi một hiệp hội các kỹ sư trong lĩnh vực cơ điện lạnh tại Mỹ có tên là ASHRAE Ngày nay, BACnet được sử dụng trong nhiều hệ thống tự động hóa tòa nhà trên toàn thế giới và giành được tiêu chuẩn quốc tế ISO 16.484-5 vào năm 2003 Với tư cách là một chuẩn truyền thông mở giành cho tòa nhà nó tạo

ra một nền chuẩn cho phép các thiết bị của các hãng khác nhau trao đổi thông tin với nhau trong tòa nhà như: Cảnh báo, lịch biểu, theo dõi bằng đồ thị và báo cáo Chính vì vậy, BACnet tỏ ra rất cạnh tranh so với các chuẩn giao thức khác thể hiện ở chỗ:

- Chi phí tích hợp hệ thống thấp

- Tính năng tích hợp hệ thống cao

- Thu việc điều hành về một máy chủ

- Loại bỏ sự ràng buộc vào một nhà cung cấp thiết bị

Mặt khác BACnet là một giao thức giao tiếp cởi mở nhiều nhà cung cấp cho phép các thành phần từ các nhà sản xuất khác nhau để tương thích, cung cấp tăng tính minh bạch của thị trường và cạnh tranh Một sự phát triển trong các mạng máy tính, đặc biệt là với sự ra đời của Internet Mở các giao thức như Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP / IP) đã trở thành tiêu chuẩn được chấp nhận mặc dù có những giao thức độc quyền khác có sẵn Ngày nay, người dùng có thể lựa chọn phần cứng (card mạng/bộ điều hợp, modem) và phần mềm (hệ điều hành, ứng dụng chương trình) các thành phần từ nhiều nhà sản xuất

Trang 29

2.3.2 Phạm vi ứng dụng

Tòa nhà thương mại hay khách sạn thường rất lớn Mỗi khu vực trong một tòa nhà thương mại, khách sạn cũng có những yêu cầu khác nhau liên quan đến

hệ thống điện, thông gió và điều hòa không khí…

Vì lý do này, các hệ thống trong các lĩnh vực khác nhau và các phòng trong một tòa nhà có xu hướng điều khiển bởi trạm từ xa Dữ liệu (giá trị đo lường, điều hành trạng thái, cảnh báo) từ (phân phối) các trạm từ xa được ghi lại bởi một trung tâm điều khiển, trong đó có một màn hình hiển thị đồ họa, cho phép phù hợp qua hệ thống truy cập vào tất cả xây dựng dữ liệu và kiểm soát các chức năng Trong việc xây dựng tự động hóa hệ thống phân phối này có thể được mô

tả bằng cách sử dụng một mô hình ba lớp Cấp cơ sở bao gồm cảm biến cá nhân (cảm biến nhiệt độ và chuyển đổi), thiết bị truyền động (van điều khiển, ổ đĩa, rơle) và (phòng) bảng điều khiển Các thiết bị được kết nối với các trạm tự động hóa (DDCs) ở mức tự động hóa, do đó được kết nối với một hệ thống quản lý tòa nhà ở cấp quản lý Từ đó có thể theo dõi tất cả các phần của mạng và cũng quản lý cá nhân hệ thống và phân tích lỗi Khách hàng trong mạng hoặc mạng nội bộ văn phòng, có thể truy cập máy chủ hệ thống quản lý tòa nhà Nói chung,

xử lý dữ liệu tại cấp cơ sở không cần phải được truyền với tốc độ cao Ở cấp quản lý, tốc độ truyền phải nhanh hơn, bởi vì mức độ xử lý tất cả dữ liệu thu thập từ tất cả các hệ thống Ở cấp trường, thời gian đáp ứng phải được nhanh chóng BACnet có thể được sử dụng ở tất cả các cấp xây dựng tự động hóa, nhưng đặc biệt phù hợp cho chức năng quản lý

2.3.4 Tổng quan về kiểu dữ liệu BACnet

Giao thức BACnet vận chuyển dữ liệu ( khung dữ liệu ) từ một thiết bị đến

hệ thống như thế nào Các dữ liệu có thể chứa những thông tin sau đây:

• Giá trị nhị phân đầu vào và đầu ra ("bơm on/off", "cửa sổ mở/đóng")

Trang 30

• Giá trị tương tự đầu vào và đầu ra ("thông qua cảm biến nhiệt độ", "kiểm soát điện áp cho van")

• Giá trị nhị phân và giá trị tương tự đầu vào và đầu ra (đọc o

C từ một cảm biến nhiệt độ)

• Thông tin lịch

• Báo động và sự kiện thông tin (phát hiện chuyển động)

• Tập tin (để đảm bảo thiết lập cấu hình)

• Kiểm soát

Dữ liệu được vận chuyển theo những cách khác nhau Một lựa chọn đặc biệt tốt là sử dụng mạng cục bộ hiện có (LAN) sử dụng cho mạng nội bộ văn phòng Thông điệp BACnet có thể được chuyển qua kiểu mạng này, được gọi là Ethernet, cũng như trên các mạng địa phương khác như MS/TP, LonTalk ARCNET Point-to-point kết nối dial-up qua đường dây điện thoại phù hợp cho khoảng cách xa hơn

Trang 31

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA VÀ PHẦN MỀM WinCC

3.1 Tổng quan về hệ thống SCADA

Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): là 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 Ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp Hệ SCADA cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau: từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điều khiển và giám sát, cho đến các trạm máy tính điều hành và quản lý công ty

SCADA là hệ thống điều khiển có đặc thù là có tính phân bố cao về phần chấp hành nhưng lại có tính tập trung về phần điều khiển (phần mềm điều khiển, thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu tại trung tâm) Vì vậy nó có thể đáp ứng được yêu cầu của hệ thống đòi hỏi phân bố trên phạm vi địa hình rộng SCADA là một hệ thống mở nên dễ dàng nâng cấp và mở rộng khi cần thiết Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như giao diện người - máy (HMI – Human Machine Interface)

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp

và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và giải pháp tích hợp hệ thống

Trang 32

3.2 Các chức năng cơ bản của hệ SCADA

- Giám sát (Supervisory): Chức năng này cho phép giám sát liên tục các

hoạt động trong hệ thống điều khiển quá trình Hiển thị các báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất, chỉ thị giá trị đo lường… dưới dạng trang màn hình, trang đồ họa, trang sự kiện, trang báo cáo sản xuất… Qua đó nhân viên vận hành có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp từ xa đến các hệ thống phía dưới

- Điều khiển (Control): Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển

các thiết bị và giám sát mệnh lệnh điều khiển

- Thu thập dữ liệu (Data Acquisition): Thu thập dữ liệu qua đường truyền số

liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ các số liệu như: số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố… dưới dạng trang ghi chép

hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định

3.3 Phân loại hệ thống SCADA

SCADA độc lập/ SCADA nối mạng

SCADA không có khả năng đồ họa/SCADA có khả năng đồ họa thông tin thời gian thực

-Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận giám sát Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do tính năng đơn giản nên giá thành thấp

-Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực: Đây là hệ thống

có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì

hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất cả máy móc

Trang 33

-Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết -Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị

ở xa

3.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

- Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành

- Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển khả trình PLC, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm điều khiển tương ứng

- Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

- Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

- Hệ thống bảo vệ: thực hiện chức năng an toàn

Trang 34

Hình 3.1: Cấu hình của một hệ SCADA điển hình

Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hóa của một hệ thống điều khiển và giám sát người ta thường sử dụng mô hình như trên Với loại mô hình này các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên

CÊp qu¶n lý kinh doanh

Cơ cấu chấp hành

Mạng điều khiển

CÊp tr-êng

PLC

Trang 35

được thực hiện dựa trên các chức năng ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều

Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc của hệ thống cụ thể mà

ta có mô hình phân cấp chức năng

Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong các trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ phận chấp hành Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường chính là vì các bộ điều khiển, cảm biến và các phần tử chấp hành được đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật

Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình

kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường

Trang 36

Thông thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và điều hành sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp Gần đây, do nhu cầu

tự động hóa tổng thể kể cả ở các cấp điều hành sản xuất và quản lý công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian trong mô hình chức năng trở nên cần thiết Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp điều hành

3.5 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 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 như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET 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

3.5.1 Cấu trúc hệ thống

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 (Gateway for Inter-LAN

Comunication)

Trang 37

 APPS: module tính toán và xử lý ứng dụng (Aplication Calculation and Processing Module)

3.5.2 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 lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu

 Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System)

 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

 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 các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ

và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác

Trang 38

3.7 Lựa chọn phần mềm thiết kế WinCC

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, WinCC thuộc thứ hạng SCADA với những chức năng hữu hiệu dành cho việc điều khiển

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

Hình 3.2: Đặc tính mở của phần mềm WinCC

Trang 39

3.7.2 Các đặc điểm chính

- Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA

- Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp

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

- Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC)

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

- Giao tiếp với hầu hết các loại PLC

3.7.3 Các chức năng SCADA cơ bản

3.7.3.1 Giao diện người sử dụng

Không phụ thuộc vào các ứng dụng nhỏ hay lớn, đơn giản hay phức tạp, dùng WinCC ta có thể thiết kế ra các giao diện cho người sử dụng để phục vụ cho việc điều khiển và tối ưu hoá quá trình sản xuất

WinCC có một bộ công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ mạnh như các Toolbox, các Control, các OCX được đặt dễ dàng trên của sổ thiết kế

Giao diện người sử dụng cho phép hiển thị quá trình hội thoại giữa người điều khiển và quá trình điều khiển một cách linh hoạt và phụ thuộc vào nhu cầu của quá trình điều khiển Màn hình điều khiển có thể thể hiện quá trình công nghệ một cách toàn cảnh, quy trình công nghệ chính hoặc một cụm công nghệ nào đó cần theo dõi WinCC có thể ghi nhớ các giá trị của các biến Và cũng như vậy, nó cũng có thể ghi nhận ngày tháng, thời gian, người sử dụng, giá trị cũ và mới Vì thế diễn biến của những quá trình có tính chất quan trọng có thể được tái tạo lại phục vụ cho mục đích phân tích

Trang 40

3.7.3.2 Quyền truy nhập hệ thống và công tác quản trị người sử dụng

WinCC chỉ cho phép những người được uỷ quyền truy cập vào hệ thống

Có tới 1000 mức truy cập khác nhau cho phép phân chia quyền truy cập và can thiệp vào hệ thống ở mức độ khác nhau Mật khẩu (password) và tên người sử dụng (user name) xác định quyền truy cập của mỗi người Điều này cũng có thể được định nghĩa lại trong quá trình vận hành hệ thống Một công cụ có tên là

“User Administrator” (Quản trị người sử dụng) được dùng để thoả mãn mục đích này Quyền truy cập sẽ hết hiệu lực nếu thời hạn cho phép đã kết thúc

3.7.4 Các chức năng cơ bản

3.7.4.1 Hệ thống đồ hoạ (Graphics System)

Hệ thống đồ hoạ của WinCC xử lý tất cả các đầu vào và đầu ra thể hiện trên màn hình trong quá trình vận hành Khả năng hiển thị thông tin điều khiển dưới dạng đồ hoạ được thực hiện bởi một module chương trình có tên gọi là Graphics Designer Công cụ này có thể cung cấp các công cụ có sẵn như:

- Các hình vẽ của các phần tử tiêu biểu (bơm, van, động cơ, cảm biến…)

- Các phím, hộp thoại, thanh trượt…

- Các màn hình ứng dụng và màn hình hiển thị

- Các đối tượng OLE, ActiveX

- Các trường vào, ra

- Các thanh trạng thái và các hiển thị theo nhóm

- Các đối tượng đã được thay đổi để phù hợp với nhu cầu của người sử dụng

Người xây dựng hệ thống có thể thể hiện qui trình công nghệ mà mình điều khiển bằng đồ họa Việc định nghĩa các tính chất cơ bản của các đồ hoạ như: hình dáng hình học, màu sắc, kiểu hoa văn,… có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế đồ hoạ có sẵn

Định dạng
Số trang	125
Dung lượng	3,08 MB