THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp. Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này. Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống. Việc kiểm soát và vận hành liên tục quá trình sản xuất trong các nhà máy đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Để tạo ra một sản phẩm, nhà máy thường được phân thành nhiều khâu chuyên môn khác nhau, các khâu lại có mối quan hệ ràng buộc logic nhịp nhàng. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu đặc thù như: Điều khiển thiết bị máy móc đơn lẻ; tự động hóa công nghiệp; điều khiển giám sát các hệ thống giao thông vận tải, phân phối năng lượng, tòa nhà, hệ thống quốc phòng, thủy lợi… Qua một thời gian học tập và nghiên cứu môn học đến nay em đã học hỏi, tổng hợp được một lượng kiến thức nhất định và trình bày những hiểu biết của bản thân thông qua bài tập lớn này. Trong quá trình thực hiện đề tài vì còn hạn chế về tài liệu và kinh nghiệm thực tiễn nên mặc dù đã rất cố gằng nhưng không thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn bè để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG I 3

TRÌNH BÀY TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 3

1.1Cấu trúc và thành phần cơ bản. 3

1.2 Các hê thống điều khiển công nghiệp cơ bản 7

1.3Các vấn đề cơ bản khi xây dựng hệ thu thập điều khiển và giám sát 8

1.4 Chức năng xây dựng HMI trong hệ thu thập dữ liệu điều khiển 12

CHƯƠNG II 14

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 14

2.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển. 14

2.1.1 Phân tích đặc tính bài toán điều khiển giám sát hệ thống đóng bao sản phẩm. 14

2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống 16

2.2 Cấp trường 16

2.2.1 Xác định yêu cầu công nghệ 16

2.2.2 Tính chọn thiết bị và vẽ sơ đồ đấu dây 17

2.3 Cấp điều khiển 17

2.3.1 Xác định các biến cần điều khiển và kết nối PLC S7-300 với cấp trường 17

2.3.2 Thiết lập lưu đồ thuật toán và viết chương trình trên S7-300 23

2.4 Cấp điều khiển và giám sát 26

2.4.1 Xác định các biến cần giám sát và kết nối PLC S7-300 với PC 33

2.4.2 Thiết kế HMI trên WinCC 38

2.5 Kết quả mô phỏng 43

LỜI NÓI ĐẦU

Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuậttruyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sựchuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp

Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưngcho sự thay đổi này Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảmgiá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống Việc kiểm soát và vậnhành liên tục quá trình sản xuất trong các nhà máy đóng một vai trò đặc biệtquan trọng Để tạo ra một sản phẩm, nhà máy thường được phân thành nhiềukhâu chuyên môn khác nhau, các khâu lại có mối quan hệ ràng buộc logic nhịpnhàng Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu đặc thù như: Điều khiển thiết bị máy mócđơn lẻ; tự động hóa công nghiệp; điều khiển giám sát các hệ thống giao thôngvận tải, phân phối năng lượng, tòa nhà, hệ thống quốc phòng, thủy lợi…

Qua một thời gian học tập và nghiên cứu môn học đến nay em đã học hỏi,tổng hợp được một lượng kiến thức nhất định và trình bày những hiểu biết củabản thân thông qua bài tập lớn này Trong quá trình thực hiện đề tài vì còn hạnchế về tài liệu và kinh nghiệm thực tiễn nên mặc dù đã rất cố gằng nhưng khôngthể tránh khỏi những sai sót Em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến củacác thầy cô giáo và bạn bè để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

Giao diện

người máy (HMI)

Chuẩn đoán và bảo trì từ xa

Bộ điều khiển

Quá trình công nghệ

Điểm đặt thuật toán

khiển

Các đầu vào quá trình Các đầu ra quá trình

Nhiễu

CHƯƠNG I TRÌNH BÀY TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP ĐIỀU

KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

1.1 Cấu trúc và thành phần cơ bản.

1.1.1 Cấu trúc chung

Hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) là một thuật ngữ chung chỉ một số

hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA); hệ thống điều khiểnphân tán (DCS); và một số hệ thống khác như hệ thống điều khiển trên nềnPLCs,…hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và các

Cấu trúc điều khiển:

Điều khiển tập trung với vào/ra tập trung

Một máy tính duy nhất được dung để điều khiển toàn bộ quá trình kỹthuật Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thôngthường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Cácthiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máytính điều khiển trung tâm quá các cổng vào/ra của nó

Ngày nay, cấu trúc tập trung trên đây thường thích hợp cho các ứng dụng

tự động hóa quy mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi

sự đơn giản dễ thực hiện, giá cả hợp lý

Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ trí tuệ, tức chức năng xử lýthông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất

Điều khiển tập trung vào/ra phân tán

Với vào/ra phân tán, các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần

kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành Vì vậy được gọi là các vào/ra phântán (Distributed I/O) hoặc vào ra từ xa (Remote I/O) Một cách ghép nối khác

là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, có khả năng nốimạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra Trong nhiều trườnghợp, các thiết bị cấp trường thông minh có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điềukhiển thời gian

Điều khiển phân tán với vào ra tập trung

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòngđiều khiển/ phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xavới quá trình kỹ thuật Các phân đoạn có lien hệ tương tác với nhau, vì vậy

để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máytính điều khiển Các máy tính được nối mạng với nhau và được một hoặcnhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp nàydẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là hệ điềukhiển phân tán (HĐKPT)

Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán

Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán

và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệthống điều khiển và giám sát hiện đại

Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh

tế cũng đóng vai trò quan trọng Việc phân tán chức năng xử lý thông tin,

Hệ thống điều khiển giám sát

NI

Nối qua mạng Nối trực tiếp Network interface

chức năng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề chokiến trúc “trí tuệ phân tán” trong tương lai

1.1.2 Thành phần cơ bản của hệ thu thập điều khiển và giám sát

Hình 1.2 Thành phần cơ bảnCác cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bịđiều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi đó, hệ thống điều khiển giám sátđóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy Các thiết bị có thể đượcghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông…Hệ thốngđiều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây:

- Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,

chuyển đổi tín hiệu

- Thiết bị điều khiển: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển

khả trình PLC…

- Các hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện

người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành…

- Hệ thống truyền thông: Giao diện ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp

hành, bus trường, bus hệ thống…

- Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn…

Cụ thể bao gồm:

Phần cứng:

- Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo

- Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phânkênh,Modem, các bộ thu phát

- Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC,Workstation), các bộ tập trung dữliệu(Dataconcentrater, PLC, PC)

- Trạm vận hành (Operater Station)

Phần mềm:

- Giao diện vào ra, dưới các dạng I/O driver

- I/O server (DDE, OPC,…)

- Giao diện người máy HMI

- Cơ sở dữ liệu quá trình

- Hệ thống cảnh báo, báo động

- Lập báo cáo tự động

- Điều khiển cao cấp

Các lĩnh vực công nghiệp như: điện, nước, xử lý nước thải, dầu và khí tựnhiên, hóa chất, giao thong vận tải, dược phẩm, giấy và bột giấy, thực phẩm vànước giải khát và các hệ thống sản xuất riêng biệt( ví dụ: ô tô, hang không…).Tất cả các lĩnh vực ứng dụng này không những đóng vai trò quyết định cho sự

phát triển hạ tầng, mà còn liên quan lẫn nhau, phụ thuộc lẫn nhau Cấu trúc mô

tả đều có phần kết nối mạng

SCADA có thể hiểu là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữliệu nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa Nóimột cách khác, SCADA là hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát vàđiều khiển từ xa ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thong thường Để cóthể điều khiển giám sát từ xa, một hệ SCADA phải có hệ thống truy cập,truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người máy (HMI) Như vậy SCADA

có các chức năng chính là thu thập thông tin, truyền chúng trở về trạm trungtâm, thực hiện các phân tích, điều khiển cần thiết, sau đó hiển thị các thôngtin đó lên một số các màn hình điều khiển Các lệnh điều khiển sẽ đượctruyền đến bộ phận chấp hành tương ứng

Các hệ thống SCADA được dung để giám sát và điều khiển các nhà máyhoặc thiết bị trong công nghiệp như hệ thống viễn thong, hệ thống nănglượng, giao thong, dầu khí, câp thoát nước, xử lý nước thải…Một hệ thốngSCADA thu thập các thông tin, truyền tải thông tin về trung tâm, sau đó cảnhbáo trạm vận hành về sự cố lỗ thủng, thực hiện các phân tích và điều khiểncần thiết, và hiển thị các thông tin theo một cách logic và có tổ chức Các hệthống này có thể khá đơn giản như là hệ thống giám sát các điều kiện môitrường của một tòa nhà văn phòng nhỏ, hoặc rất phức tạp, ví dụ như hệ thốnggiám sát tất cả các hoạt động của nhà máy điện hạt nhân hoặc giám sát hoạtđộng hệ thống nước thành phố

Trước đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạng công cộng(PSN)

cho mục đích giám sát Nhiều hệ thống được giám sát sử dụng hạ tầng mạngcục bộ LAN hoặc mạng diện rộng WAN Công nghệ truyền thông không dâyhiện nay cũng đang được triển khai rộng rãi cho mục đich giám sát

DCS là hệ thống điều khiển phân tán , thường ứng dụng cho một hệ thốngsản xuất, một quá trình hoặc bất kỳ một hệ thống động học nào Trong đó các

bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà được phân tán trên toàn hệthống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điềukhiển Toàn bộ hệ thống được nối mạng với nhau để có thể truyền thông và

bao gồm các thiết bị giao diện dữ liệu trường, hệ thống truyền thông các máychủ trung tâm và tập hợp các phần mềm Tuy nhiên, các chức năng chính vàcác yêu cầu đối với các phần cũng khác nhau Trong hệ thống DCS, chứcnăng chính của các thiết bị giao diện dữ liệu trường là các bộ điều khiển mà ở

đó các thuật toán điều khiển

Quá trình được thực thi Thêm vào đó, hệ thống truyền thông phải đảmbảo việc trao đổi dữ liệu giữa các đơn vị điều khiển là theo thời gian thực.Trong một vài lĩnh vực công nghiệp có sự lẫn lộn giữa hai khái niệmSCADA và DCS Nói chung một hệ thống SCADA là một hệ thống phốihợp, chứ không điều khiển các quá trình theo thời gian thực Khái niệm điềukhiển thời gian thực là không rõ ràng do các công nghệ truyền thông mớikhông cho phép truyền thông tin tin cậy với tốc độ cao, độ trễ thấp trong mộtkhu vực rộng lớn DCS hướng quá trình công nghệ, trong khi SCADA làhướng thu thập dữ liệu DCS là điều khiển theo quá trình công nghệ, trongkhi SCADA là điều khiền theo sự kiện

trong công nghiệp Không những PLCs là thành phần hệ thống điều khiển

mà còn được sử dụng trong hệ SCADA và DCS

Với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ thông tin, ngày nay các thànhphần trong các hệ thống ICS như HMI, OPC…đều có xu hướng được cảithiện lại hoặc được thiết kế theo định hướng đối tượng và cụ thể hơn các hệthống ICS sẽ được thể hiện mình là hệ thống mở (OS) và kế thừa tất cảnhững ưu điểm của phân tích , thiết kế và lập trình đối tượng hướngComponent Như vậy một hệ ICS được cấu thành từ tập hợp các Component.Với cấu hình này, các hệ thống ICS sẽ thể hiện mình là một hệ thống mở

1.3 Các vấn đề cơ bản khi xây dựng hệ thu thập điều khiển và giám sát 1.3.1 Các vấn đề kĩ thuật

Các vấn đề kỹ thuật dưới đây đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi nghiêncứu về các hệ phân tán:

- Kiến trúc xử lý phân tán xuyên suốt trong việc xây dựng ứng dụng và trao

đổi dữ liệu giữa các trạm

- Tính năng thời gian thực luôn sẵn sang phản ứng vơi các sự kiện bên

ngoài và đưa ra đáp ứng đúng, kịp thời;

- Tính năng sẵn sang và độ tin cậy thông qua khả năng dự phòng tích hợp,

có thể lựa chọn dự phòng cho từng thành phần;

- Hỗ trợ chuẩn đặc biệt đối với các hệ thống hiện nay sự tương thích với

các chuẩn công nghiệp là tiền đề cho tính năng mở của hệ thống;

- Công cụ phần mềm được hỗ trợ bởi các công cụ lập trình và cấu hình

mạnh cùng các thư viện phần mềm đóng gói chuẩn dựa theo các chuẩnquốc tế;

1.3.2 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán

Một hệ thống thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của

nó không phải chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộcvào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài Hệ thống cólỗi khi thời gian yêu cầu không được thỏa mãn Một hệ thống thời gian thực

có đặc điểm tiêu biểu sau:

Quá trình tính toán được chia làm hai loại:

- Quá trình nặng cân: Là quá trình tính toán có không gian địa chỉ riêng;

- Quá trình nhẹ cân: Là quá trình không có không gian, địa chỉ riêng;

Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời:

dụ, một Task thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều mạch vòngkín có chu kỳ trích mẫu giống nhau Hoặc, một Task có thể thực hiện nhiệm

vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra Task có thể

thực hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quátrình tính toán khác nhau.

- Hệ điều hành thời gian thực

Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trìnhứng dụng xử lý thời gian thực Bản than hệ điều hành thời gian thực cũng làmột hệ thời gian thực theo đúng nghĩa của nó Vì vậy cũng có các đặc điểmtiêu biểu đã đề cập Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệđiều hành đa nhiệm, hỗ trợ xử lý cạnh tranh hoặc xử lý song song Lập lịch,đồng bộ hóa quá trình và giao tiếp liên quá trình là các khái niệm quan trọngtrong một hệ điều hành thời gian thực

- Đồng bộ hóa quá trình

Khi các quá trình tính toán cùng sử dụng một tài nguyên loại trừ lẫn nhaunhư một vùng nhớ, cổng vào/ra , hoặc chúng phụ thuộc lẫn nhau, ví dụ quátrình 1 chờ kết quả quá trình 2…sẽ rất dễ dấn đến tính trạng tắc nghẽn Dovậy việc đồng bộ hóa các quá trình là điều rất cần thiết

- Xử lý phân tán

Xử lý phân tán giúp làm nâng cao năng lực xử lý thông tin của một hệthống, góp phần cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy vàtính linh hoạt của hệ thống

Phân biệt các khái niệm:

Lập trình đối tượng được coi là phương pháp lập trình chuẩn hiện nay bởi

nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp cổ điển Mục tiêu mà lậptrình hướng đối tượng đặt ra là:

- Đơn giản hóa việc xây dựng và sử dụng các thư viện;

- Cho phép dùng lại mã;

- Cải thiện khả năng bảo trì của mã, mã phải dễ hiểu, dễ sửa đổi;

- Cho phép tạo ra chương trình dễ mở rộng;

Lập trình hướng đối tượng phải được thực hiện thông qua một ngôn ngữlập trình hướng đối tượng Để đạt được các mục tiêu trên, mọi ngôn ngữ lậptrình hướng đối tượng đều thể hiện ba khái niệm: đóng gói (encapsulation,

packaging), đa hình (polymorphism) và thừa kế (inheritance) Các ngôn ngữlập trình hướng đối tượng thông dụng là C++, Java, Ada…

1.3.3.2.Phân tích và thiết kế đối tượng

Ưu điểm của phương pháp phân tích, thiết kế hướng thủ tục hoặc hướng

dữ liệu là đơn giản, nhanh chóng tạo ra kết quả Nhưng nhược điểm chính làkết quả tạo ra không phản ánh bản chất của của thế giới thực dẫn đến cứngnhắc, khó thay đổi khi yêu cầu đặt rat hay đổi, khó mở rộng khi hệ thống pháttriển Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm tiên tiến hiện nay là hướngđối tượng (object-oriented), trong đó khối cơ bản để xây dựng lên phần mềm

là đối tượng hay lớp Nói một cách đơn giản, đối tượng là sự phản ánh thếgiới tự nhiên xung quang Trong các hệ thống điều khiển, các đối tượng cóthể đại diện thành các hệ thống như:

- Các thuật toán điều khiển;

- Xử lý giao diện và báo động;

- Xử lý mệnh lệnh;

- Quan sát và chuẩn đoán;

- Cấu hình vào/ra;

- Mô phỏng;

- Thông tin thiết kế;

Việc trừu tượng hóa thế giới tự nhiên thành các lớp đối tượng như vậyđược gọi là mô hình hóa đối tượng Dựa trên mô hình đối tượng thu được,phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng sẽ được bổ sungthem các liên kết và lớp đối tượng mới, tinh chỉnh lại, để tạo ra một mô hìnhđối tượng chi tiết của phần mềm Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kếphần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanhtốn ít công sức mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sửdụng lại những thành quả đã xây dựng được như mã lệnh hay bản thiết kế

1.3.3.3.Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML

Ngôn ngữ UML (Unified Modeling Language) được sử dụng rộng rãi.UML – một chuẩn quốc tế được quản lý bởi tổ chức OMG (ObjectMamagement Group) – là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực quan hóa, đặc

tả, xây dựng và tư liệu hóa hệ thống thiên về phần mềm UML đem lại chongười sử dụng phương pháp chuẩn để viết bản thiết kế hệ thống bao trùm từnhững thứ cụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, cácthành phần phần mềm có thể tái sử dụng, cho đến các yêu tố trừu tượng nhưchức năng hóa của toàn bộ hệ thống Vì lý do này, ngôn ngữ UML không chỉđược sử dụng để mô tả, xây dượng kiến trúc và thiết kế của các hệ thống

phần mềm mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ thống kỹthuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói rêng.

1.3.3.4.Mẫu thiết kế

Mẫu thiết kế là sự hình thức hóa của cách tiếp cận tới một vấn đề thườnggặp trong ngữ cảnh cụ thể Mỗi mẫu thiết kế mô tả một giải pháp cho mộtvấn đề thiết kế cụ thể trong một ngữ cảnh xác định Giải pháp này đã đượcchứng minh là hợp lý, sử dụng nhiều lần đem lại kết quả tốt và do đó đượctrừu tượng hóa thành một mẫu Nói một cách ngắn gọn, Mẫu thiết kế là kinhnghiệm thiết kế đúc kết lại Bằng cách sử dụng các mẫu thiết kế, người thiết

kế không phải thiết kế hệ thống của mình từ đầu mà sử dụng lại kinh nghiệm

đã có từ trước, dẫn đến chất lượng thiết kế tốt hơn, tăng tính tái sử dụng củabản thiết kế

1.3.3.5.Phần mềm khung

Phần mềm khung là một dạng phần mềm bao gồm thư viện và các mẫuthiết kes giúp người sử dụng dễ tạo các chương trình ứng dụng bằng cách bổsung các phần mã ứng dụng cụ thể vào các khung đã có sẵn Có thể so sánhmột phần mềm khung như một khung nhà beetong đã được đúc sẵn theo mộtthiết kế, người thi công cần bổ sung các phần tường bao, tường ngăn, cửasổ…theo thiết kế đó sử dụng các thư viện gồm các viên gạch, cánh cửa, tấmvách ngăn làm sẵn

1.3.3.6 Phần mềm thành phần

Phần mềm thành phần là hướng đi mới, phát triển trên cơ sở phương pháplập trình hướng đối tượng, cho phép sử dụng lại phần mềm vào cả giai đoạnbiên dịch và giai đoạn chạy Do vậy, tư tưởng phần mềm thành phần, ngônngữ lập trình cũng như “lớp” thứ yếu, giao diện mới là quan trọng Hầu hếtcác hệ thống phát triển ứng dụng trong các hệ điều khiển phân tán hiện nayđều thực hiện triệt để tư tưởng hướng đối tượng và phần mềm thành phần

1.3.3.7 Đối tượng phân tán

Trong khi phần mềm thành phần quan tâm tới việc đóng gói các đối tượng

để có thể sử dụng lại một cách thuận tiện, thì đối tượng phân tán tập trungvào vấn đề kiến trúc các đối tượng có khả năng giao tiếp một cách trong suốttrên các nền và hệ thống mạng khác nhau Một đối tượng phân tán cũng được

sử dụng khi đã biên dịch, đóng gói hoàn chỉnh dưới dạng một server Nóitóm lại, một đối tượng phân tán là một đối tượng phần mềm trong một hệthống phân tán, có thể được sử dụng bởi các chương trình ứng dụng hoặc các

đối tượng khác thuộc cùng một quá trình tính toán hoặc thuộc một trạm kháctrong mạng theo một phương thức thống nhất thông qua giao tiếp ngầm.

1.4.1 Giới thiệu chung về HMI

HMI là hệ thống phần mềm hỗ trợ con người theo dõi quá trình các diễnbiến của kỹ thuật, trạng thái và các thông số làm việc của các thiết bị trong hệthống, qua đó có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp từ xa tới hệthống điều khiển phía dưới Ngày nay, các phần mềm giao diện người-máychủ yếu được xây dựng trên nền máy tính cá nhân, dựa trên các kỹ thuật đồhọa hiện đại Giao diện người-máy là một trong các thành phần chính của hệthống điều khiển giám sát Tuy nhiên không phải chỉ ở cấp điều khiển giámsát,, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người-máyphục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ

1.4.2 Các chức năng chính của HMI

- Hiển thị quá trình: Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI Màn hình

trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động Điều này được dựatrên các sự chuyển tiếp quá trình

- Điều khiển vận hành quá trình:Người vận hành có thể điều khiển quá trình

bởi GUI

- Hiện thị các cảnh báo: Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo

động

- Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình: Hệ thống HMI có thể ghi lại các

cảnh báo và giá trị quá trình Tính năng này cho phép bạn lưu giữ các dãyquá trình và lấy ra các giữ liệu của quá trình sản xuất từ trước

- Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình : HMI có thể đưa ra các báo

cáo giá trí quá trình và các cảnh báo Tính năng này cho phép in ra các dữliệu sản xuất ở cuối của ca làm việc

- Quản lý thông số máy móc và quá trình: Hệ thống HMI có thể lưu giữ các

thông số của các quá trình và máy móc dưới dạng công thức

2.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển.

2.1.1 Phân tích đặc tính bài toán điều khiển giám sát hệ thống đóng bao sản phẩm.

- Sơ đồ hệ thống cơ cấu chấp hành đóng bao sản phẩm:

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thốngCác thành phần cơ bản của hệ thống:

Hai động cơ Đ C1 và Đ C2 được dùng để kéo băng tải chuyển động đưa sảnphẩm di chuyển, hai động cơ này có thể hoạt động thông qua các khởi động từ

có cuộn hút được điều khiển thông qua các tiếp điểm thường đóng và mở củaPLC Sự hoạt động của động cơ hay băng tải sẽ được thể hiện trên màn hìnhhiển thị giám sát HMI

Các cảm biến có chức năng thu thập, nhận biết tín hiệu từ dây chuyền cụ thểlà: Xác định vị trí thùng hàng, vị trí xilanh, đếm số lượng sản phẩm được xếpvào thùng Sau đó truyền các tín hiệu này đến trung tâm điều khiển ở đây là PLC

để xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển cần thiết như dừng động cơ, khởi độnglại động cơ, nâng – hạ xilanh thủy lực

Xy lanh thủy lực có tác dụng nâng hạ sản phẩm từ băng tải xuống vùng làmviệc tiếp theo, xylanh này được điều khiển thông qua các cảm biến S3, S4, S5

Để hoạt động được xylanh cần nguồn cung cấp thủy lực thông qua bơm và mộtđộng cơ kéo thường là động cơ điện song với yêu cầu của bài toán ta ngầm hiểu

là xylanh đã được tích hợp các thành phần trên nên không nhất thiết phải phântích sâu

Tất cả các hoạt động trên điều được giám sát thông qua hệ thống HMI vì vậy

sẽ có điểm đặt thuật toán điều khiển, hiệu chỉnh tham số, dữ liệu quá trình Đểtương tác được với nhau thì toàn bộ hệ thống dùng BUS hệ thống dùng để kếtnối giữa các cấp điều khiển và giám sát với cấp điều khiển, sử dụng chuẩnEthernet và giao thức PROFINET

Theo yêu cầu của hệ thống:

- Cấp điều khiển giám sát: Máy tính cá nhân được cài đặt các phần mềmWinCC, S7-300…

- Cấp điều khiển: Sử dụng PLC(S7-300, CPU314-2PN/DP)

- BUS hệ thống: Kết nối giữa cấp điều khiển giám sát với cấp điều khiển, sửdụng chuẩn Ethernet và giao thức PROFINET

PROFINET (Ethernet)

HMI WinCC

Quy trình hoạt động của hệ thống:

Ấn nút Start khởi động hệ thống Động cơ ĐC2 hoạt động kéo băng tải BT2chạy, đưa thùng chứa đến vị trí làm việc Cảm biến S2 nhận biết thùng đã vào vịtrí, tác động dừng động cơ ĐC2 và khởi động động cơ ĐC1 kéo băng tải đưa sảnphẩm cần đóng bao vào thùng, cảm biến S1 đếm sản phẩm Khi đủ số lượng S1dừng ĐC1 và khởi động lại động cơ 2 đưa thùng chứa sản phẩm đã được đóngbao đến xilanh nâng hạ Cảm biến S3 phát tín hiệu khi thùng sản phẩm đến bànnâng, Bàn nâng tác động hạ sản phẩm xuống Gặp cảm biến S5 dứng bàn nâng

L

Q0.1 Q0.2 Q0.3

24V

DC

ĐC 2

ĐC 1 X L

220V AC

và đảo chiều bàn nâng, khi bàn nâng về vị trí ban đầu cảm biến S4 tác độngdừng bàn nâng Chu trình lặp đi lặp lại, khi dừng ấn nút Stop

2.2.2 Tính chọn thiết bị và vẽ sơ đồ đấu dây

Sơ đồ đấu dây

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây

2.3 Cấp điều khiển

2.3.1 Xác định các biến cần điều khiển và kết nối PLC S7-300 với cấp

trường

2.3.1.1 Xác định các biến cần điều khiển

a) Khởi động chương trình SIMATIC S7 bằng cách kích đúp vào biểu tượng:

Hình 2.4 Biểu tượng vào SIMATIC

b) Cửa sổ của chương trình hiện lên Hình 2.5:

Hình 2.5c) Bấm “Next”:

Hình 2.6

d) Chọn loại CPU cần sử dụng Ở đây ta chọn CPU314 C-2DP Sau khi chọnxong nhấn “Next”:

Hình 2.7e) Ta chọn tiếp khối OB1 như hình Nhấn “Next” để sang bước tiếp theo:

Hình 2.8

f) Cuối cùng ta đặt tên cho dự án và nhấn “Finish”:

Hình 2.9g) Dự án mới được thành lập, lúc này kích đúp vào OB1

Hình 2.10h) Lúc này sẽ hiện ra giao diện để viết chương trình

Hình 2.11

i) Muốn đặt tên biến ta chọn mục S7 Program - Symbol

Hình 2.12k) Ta tiến hành nhập vào các biến:

Hình 2.13l) Sau khi nhập tên biến ta có bảng như sau:

Hình 2.14

Động cơ 2