Cấu trúc và đảm bảo chương trình cho hệ SCADA

Trong một hệ thống tự động hoá gồm nhiều phần tử như các cơ cấu chấp hành, các bộ điều khiển khả trình và trao đổi thông tin với nhau, chúng phải được liên kết với nhau tạo thành mạng truyền thông để có thể điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu. Với lý do đó luận văn đi sâu vào nghiên cứu hệ SCADA, xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu thực tế và viết chương trình phần mềm thu thập dữ liệu từ đối tượng nghiên cứu là các bộ điều khiển logic khả trình PLC của SIEMENS.Luận văn: Cấu trúc và đảm bảo chương trình cho hệ SCADA .Nội dung gồm có 5 chương:Giới thiệu chung cụng nghệ sản xuất nước sạchHệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA.Thiết bị và phần mềm giám sát của SIEMENS.Giới thiệu cấu hình thực tế.Kết luận.

Lời mở đầu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống điều khiển

tự động ngày càng đợc phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực,giải phóng phần lớn sức lao động của con ngời đồng thời mang lại hiệu quảcao về kinh tế, kỹ thuật Việc áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật nhằm

tự động hoá quá trình sản xuất là tất yếu khi nền kinh tế của mỗi quốc gia

đang hoà dần vào từng khối tổ chức kinh tế thống nhất mang tính khu vực vàtoàn cầu Trong công nghiệp, không một cơ sở sản xuất nào mà không cónhững thiết bị đợc điều khiển tự động Nhiều dây chuyền sản xuất đợc tự độnghoá hoàn toàn đã đợc trang bị Chính những dây chuyền này là cứu cánh chocác chủ doanh nghiệp tham gia vào thị trờng hiện nay, cạnh tranh đợc với hànghoá kể cả của các hãng nớc ngoài về chất lợng, giá thành trên cơ sở đảm bảo

uy tín, môi trờng sống và lợi nhuận Tố chất quan trọng của các máy côngnghiệp là tự động hoá Mức độ tự động hoá của thiết bị công nghệ quyết địnhgiá trị của sản phẩm Những dây chuyền tự động hoá phải đợc một chơng trình

điều khiển thực hiện gọi là những phần mềm tự động hoá nh DCS, SCADA ,

và mang theo những bí quyết công nghệ của bản hãng

Trong bối cảnh của một nền sản xuất hiện đại, ngời vận hành có khảnăng điều hành, giám sát và quản lý toàn bộ dây chuyền từ xa thông qua cácthiết bị thông minh đợc nối mạng với nhau Các hệ thống với sự thông suốt từcấp chấp hành sản xuất đến quản lý công ty giúp nâng cao năng suất, chất l-ợng sản phẩm và tiết kiệm năng lợng Những thế mạnh đó đã giúp cho các hệthống mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống điều khiển,giám sát và thu thập dữ liệu đợc ứng dụng rộng rãi hơn

Sự phát triển của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông và côngnghệ phần mềm đã làm thay đổi cơ bản cấu trúc của hệ thống điều khiển, giúpnhững ngời làm thiết kế hệ thống có thêm các giải pháp kỹ thuật, linh hoạthơn khi thiết kế và xây dựng một dự án tự động hoá quá trình

Trong một hệ thống tự động hoá gồm nhiều phần tử nh các cơ cấu chấphành, các bộ điều khiển khả trình và trao đổi thông tin với nhau, chúng phải đ-

ợc liên kết với nhau tạo thành mạng truyền thông để có thể điều khiển, giám

sát và thu thập dữ liệu Với lý do đó luận văn đi sâu vào nghiên cứu hệSCADA, xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu thực tế và viết chơng trìnhphần mềm thu thập dữ liệu từ đối tợng nghiên cứu là các bộ điều khiển logickhả trình PLC của SIEMENS.

Luận văn: Cấu trúc và đảm bảo chơng trình cho hệ SCADA

Nội dung gồm có 5 chơng:

- Giới thiệu chung cụng nghệ sản xuất nước sạch

- Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA.

- Thiết bị và phần mềm giám sát của SIEMENS.

- Giới thiệu cấu hình thực tế.

- Kết luận.

Luận văn được hoàn thành nhờ sự giỳp đỡ của SG-PTS…………

Và tài liệu tham khảo thư viện Trường đại học Thành đụ

I.1 Nước sinh hoạt QCVN 02 :2009/BYT

Quy chuẩn này áp dụng đối với cả người khai thác, kinh doanh nướcsinh hoạt và hộ gia đình tự khai thác nước để sinh hoạt

*CHẾ ĐỘ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC:

Giám sát định kỳ

Đối với chỉ tiêu thuộc mức độ A.

- Cơ sở cung cấp nước thực hiện xét nghiệm ít nhất 3 tháng một lần;

- Các cơ quan có thẩm quyền kiểm tra, giám sát, xét nghiệm ít nhất 6tháng một lần, cụ thể như sau;

+ Lấy mẫu nước tại 100% các cơ sở cung cấp nước trên địa bàn quảnlý;

+ Lấy mẫu nước ngẫu nhiên đối với nước do cá nhân, hộ gia đình tựkhai thác để sủ dung cho mục đích sinh hoạt:

Đối với chỉ tiêu thuộc mức độ B.

- Cơ sở cung cấp nươc thực hiện xét nghiệm ít nhất 6 tháng một lần;

- Các cơ quan có thẩm quyền kiểm tra, giám sát, xét nghiệm ít nhất mỗinăm một lần, cụ thể như sau;

+ Lấy mẫu nước tại 100% các cơ sở cung cấp nước trên địa bàn quảnlý

+ Lấy mẫu nước ngẫu nhiên đối với nước do cá nhân, hộ gia đình tựkhai thác để sử dụng cho muc đích sinh hoạt

Giám sát đột xuất

Việc thực hiện giám sát đột xuất và lựa chon mức độ giám sát do cơquan nhà nước có thẩm quyền thực hiện.

- Khi kết quả kiểm tra vệ sinh nguồn nước hoặc điều tra dịch tễ chothấy có nguy cơ bị ô nhiễm không;

- Khi sảy ra sự cố môi trường có thể ảnh hưởng đến chất lượng vệsinh nguồn nước;

- Khi có các yêu cầu đăc biệt khác

Các chỉ tiêu có thể được xác định bằng phương pháp thử nhanh sửdụng bộ công cụ xét nghiêm tại hiên trường Các bộ công cụ xétnghiêm tại hiện trường phải được cơ quan có thẩm quyền cấp phép lưuhành nước

1.2 Quy trình sản xuất nước đóng chai tiêu chuẩn:

• Nguồn nước:

Tùy theo quy mô sản xuất, nhà đầu tư có thể chọn nguồn nước thíchhợp Nếu sản xuất với khối lượng lớn, nên chọn nguồn nước giếng ngầm.Nước ngầm thường có chất lượng ổn định, thuận tiện cho việc xử lí và chiphí thấp hơn so với xử lí các nguồn nước khác

• Khử sắt,mangan:

Nước được chảy qua bộ lọc với vật liệu là các chất có khả năng oxyhóa mạnh để chuyển sắt (II) thành sắt (III), kết tủa được xả ra ngoài.Quá trình này cũng đồng thời xử lý mangan và mùi hôi của khí H2S(nếu có) sau đó, nước được đưa vào sản xuất hoặc tiếp tục phải xử lý

• Làm mềm, khử khoáng

Nước thô được xử lý lọc qua hệ trao đổi ion (cation- anion) clos tácdụng lọc những ion dương (cation): Mg2+, Ca2+, Fe3+, Fe2+… vànhững ion âm (anion): như Cl-, NO3- ,NO2-… Nước được xử lý qua

hệ thống này sẽ được đưa vào bồn chứa hoặc tiếp tục được xử lý

• Lọc thô, khử mùi khử màu

Dùng bộ lọc tự động xúc xả với nhiều lớp vật liệu để loại

bỏ bớt cặn thô trên 5micron, khử mùi và màu (nếu có):

Các giai đoạn trên thực chất là để, tăng tuổi thọ của hệthống màng RO trong các đoạn sản xuất chính sau đây

Phần nước còn lại, có chứa những tạp chất, những ion kim loại…

sẽ được xả bỏ hoặc thu hồi quay vòng

Phần nước tinh khiết không còn vi khuẩn, vi rút và các loại khoángchất đạt tiêu chuẩn nước đóng chai sẽ được tích trữ trong bồn chứa kín

II Giới thiệu công nghệ

2.1 Công nghệ lọc thẩm thấu ngược

Cho đén nay, thẩm thấu ngược vẫn là công nghệ cao cấp nhất trong ngành lọcnước Chính vì thế, nó còn có tên gọi là Hyberfiltration

Thẩm thấu ngược là gì

Diễn giải một cách nôm na, đó là một quy trình ngược lại của thẩm thấu

Thẩm thấu là một hiện tượng tự nhiên Nước bao giờ cũng chuyển dịch từ nơi

có nồng độ muối/ khoáng thấp đến nơi có nồng độ cao hơn Quá trình diễn racho đến khi nồng độ muối khoáng từ 2 nơi này cân bằng

Là một màng mỏng làm từ vật liệu Cellulose Acetate, Polyamide hoặc

Quá trình:

Với tốc độ và áp lực cực lớn, dòng nước chảy liên tục trên bề mặt củamàng RO Một phần trong số những phân tử nước “chui”qua đượcnhững lỗ lọc Các tạp chất bị dòng nước cuốn trôi và “thải” bỏ ra ngoài.Với cách thức này, bề mặt của màng RO liên tục được rửa sạch và cótuổi thọ tới 2 - 5 năm

Hình ảnh 1.1 quá trình phân giải nước.

các loại tạp chất không qua dược lỗ lọc, bị dòng nước rửa trôi trên bề mặt

màng lọc và thải ra ngoài

Hiệu xuất của màng RO

2.2: Công nghệ tiệt trùng bằng OZON và tia Cưc Tím

a Công nghệ tiêt trùng bằng OZON

Ôzôn được sử dụng để tẩy trắng đồ vật và tiêu diệt vi khuẩn Rất nhiều

hệ thống nước sinh hoạt công cộng sử dụng ôzôn để khử vi khuẩn thay vì sử dụng clo Ôzôn không tạo thành các hợp chất hữu cơ chứa clo, nhưng chúng cũng không tồn tại trong nước sau khi xử lý, vì thế một số hệ thống cho thêm

một chút clo vào để ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn trong đường ống Khiôzôn phân rã nó tạo thành các gốc tự do của ôxy, là những chất có hoạt tính cao và gây nguy hiểm hay tiêu diệt phần lớn các phân tử hữu cơ.

O3 <=> O2 + O

Tuy nhiên, bạn cần lưu ý rằng ôzôn là một chất độc có khả năng ăn mòn và là một chất gây ô nhiễm chung Trong công nghiệp ôzôn được sử dụng để:

* khử trùng nước uống trước khi đóng chai,

* khử các chất gây ô nhiễm có trong nước bằng phương pháp hóa học (sắt, asen, hiđrô sulfid, nitơrit, và các chất hữu cơ phức tạp liên kết với nhau tạo ra

"màu" của nước,

* hỗ trợ trong quá trình kết tụ (là quá trình kết tụ của

các phân tử, được sử dụng trong quá trình lọc để loại bỏ sắt và asen),

* làm sạch và tẩy trắng vải (việc sử dụng để tẩy trắng được cấp bằng sáng chế),

* hỗ trợ trong gia công chất dẻo (plastic) để cho phép mực kết dính,

• đánh giá tuổi thọ của mẫu cao su để xác định chu kỳ tuổi thọ của cao su

b.Công nghệ khử trùng bằng tia cực tím

Nhiều bằng chứng khoa học cho thấy, các loại virus, vi khuẩn trong nguồnnước là thủ phạm chính gây ra 85% các bênh nhi khoa và 65% bênh tật củangười lớn Rất may là hầu hết các loại virus, vi khuẩn đều có thể dễ dàng bịtia cực tím (UV) tiêu diệt

Quy trình: Cho nước chảy qua một ống kín trong đó có lắp đèn cực tím Cáctia UV được phóng vào dòng nước Cấu trúc DNA/RNA của vi sinh bị thayđổi làm cho chúng không thể tồn tại và sinh sản.

Nguyên lý diệt khuẩn của tia cực tím:

Một đoạn DNA của vi khuẩn trước khi bị chiếu tia cực tím.

Đoạn gen đã bị phá hủy

Tia cực tím ở một tần số nhất định có thể diệt 99,99% vi khuẩn nhưng khôngloại bỏ bất kỳ tạp chất gì có trong nước Phương pháp này sử dụng điện vàthường được ứng dụng ở công đoạn cuối cùng của hệ thống lọc nước Khácvới đun sôi, phương pháp này tiết kiệm điện và nhanh hơn nhiều Đây làphưong pháp xử lý an toàn nếu kết hợp thêm với loại lọc Than hoạt tính

So sánh các phương pháp diệt khuẩn:

Chi phí bảo trì, thay thế Thấp Trung bình Cao

chứngThời gian tiếp xúc 1 - 3 giây 15 - 45 phút 10 - 15 phútNguy cơ đối với người

Tính hóa học của nước

Quy trình trao đổi ion

Ion là một nguyên tử mang điện tích Nguyên tử mang điện tích âm được gọi là Anion Nguyên tử mang điện tích dương (thường là kim loại) được gọi là Cation

Khi gặp điều kiện thuận lợi, các ion có thể kết hợp với nhau, tạo thành cặn, váng Một số có hại cho sức khỏe, một số gây mất mỹ quan Để xử lý hiện tượng này, người ta dùng "hạt nhựa trao đổi ion" Theo nguyên lý những hạt mang điện tích trái dấu sẽ hút nhau, người ta dùng loại hạt nhựa tích Cation

để "hút" các ion âm và ngược lại Khi các hạt nhựa đã bão hòa (không thể

"hút" thêm được nữa) người ta phải "sạc" lại Quá trình này có thể diễn ra liêntục hay theo chu kỳ, tự động hay thủ công tùy vào quy mô và sản phẩm cụ thể

Một số loại ion thường thấy trong nước chưa xử lý:

Cation Anion

Calcium (Ca2+) Chloride (Cl-)

Magnesium (Mg2+) Bicarbonate (HCO3-)

Sodium (Na+) Nitrate (NO3-)

Potassium (K ) Carbonate (CO3 )

Iron (Fe2+) Sulfate (SO42-)

Quy trình Làm mềm nước:

Các ion Can-xi (Ca2+), Magiê (Mg2+) sẽ tạo ra cặn trong đường ống, bám trên

bề mặt các vật chứa, anh hưởng đến sinh hoạt Để thay thế ion magiê, can-xi người ta thường dùng ion soda để làm nước “mềm” hơn Đây là một trong những ứng dụng của phương pháp trao đổi ion

2.4 :Than hoạt tính

Than hoạt tính (Activated Carbon) là loại than được xử lý từ nhiều nguồn

vật liệu như tro của vỏ lạc (đậu phộng), gáo dừa hoặc than đá Những nguyên liệu này được nung nóng từ từ trong môi trường chân không, sau đó được hoạt tính hóa bằng các khí có tính ô xi hóa ở nhiệt độ cực cao Quá trình này tạo nên những lỗ nhỏ li ti có tác dụng hấp thụ và giữ các tạp chất

Than hoạt tính lọc nước qua hai quá trình song song:

1) Lọc cơ học, giữ lại các hạt cặn bằng những lỗ nhỏ,

2) Hấp thụ các tạp chất hòa tan trong nước bằng cơ chế hấp thụ bề mặt hoặc

trao đổi ion

Than hoạt tính là một chất liệu xốp, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ Dưới kính hiển

vi điện tử, một hạt than trông giống như một tổ kiến Vì thế, diện tích tiếp xúc

bề mặt của nó rất rộng để hấp thụ tạp chất (Tùy theo nguyên liệu gốc, tổng diện tích bề mặt của 1/2kg than hoạt tính còn rộng hơn cả một sân bóng đá)

Các dạng kết cấu của than hoạt tính

1 Dạng bột cám (Powered - PAC) đây là loại được chế tạo theo công nghệ

cũ, nay thường được sử dụng trong sản xuất pin, ac-quy Có một số nhà sản xuất dùng loại này trộn với keo để đúc thành những ống than nhìn giống như dạng thứ 3 dưới đây

2 Dạng hạt (Granulated - GAC)là những hạt than nhỏ, rẻ tiền, thích hợp cho việc khử mùi Tuy nhiên, nước thường có xu hướng chảy xuyên qua những khoảng trống giữa những hạt than thay vì phải chui qua những lỗ nhỏ

3 Dạng khối đặc (Extruded Solid Block – SB) là loại hiệu quả nhất để lọc cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử mầu và khử mùi clorine Loại này được làm từ nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp xuất tới 800 tấn nên rất chắc chắn

Hiệu xuất lọc sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố: 1) Tính chất vật lý của than hoạt tính, kích thước, mật độ lỗ, diện tích tiếp xúc; 2) Tính chất lý hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ; và cuối cùng là 3) Thời gian tiếp xúc của nước với than hoạt tính càng lâu, việc hấp thụ càng tốt

2.7 Vật liệu xử lý nước

a màng RO

(trong nguồn nước tự nhiên thường xuất hiện các chất tiết ra từ vỏ cây, các chất mùn vv), các chất rắn hoà tan trong nước.

2) Thành phần cấu tạo, số lượng:

_ Vỏ màng: làm bằng vật liệu inox hoặc composip

_ Màng UF: Kích cỡ, năng suất lọc phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống

_ Đồng hồ đo áp lực

_ Lưu lượng kế

_ Van điều khiển (bằng tay hoặc tự động tuỳ theo yêu cầu)

c vỏ lọc

Vỏ lọc được thiết kế và chế tạo đặc biệt phù hợp với quy trình sản

xuất hiện nay Vỏ lọc tiên tiến này được chế tạo từ nhiều loại vật liệu

nhựa, inox, và đáp ứng được các yêu cầu của ngành thực phẩm và

dược phẩm Công nghệ tiên tiến đã được sử dụng để đảm bảo vỏ lọc

được sử dụng lý tưởng trong những ứng dụng khắt khe nhất

Lọc tinh chất lỏng là một phần quan trọng của nhiều quá trình sản

xuất Vỏ lọc được thiết kế đặc biệt để đáp ứng những ứng dụng có đòi hỏi khắt khe nhất Trong quá trình thiết kế, những đặc điểm dễ

gây vấn đề được tối ưu hóa để đảm bảo quá trình sử dụng không có

bất cứ sự cố nào, giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo hành Những vấn

đề như bề mặt của sản phẩm phải phù hợp cho CIP và SIP, thử

integrity và tương thích với quy trình sản xuất tự động cũng được

tính tới

Thông số kỹ thuật:

2 Phin lọc chứa 7 lõi_ 20’’ innox

e Cột lọc nước

Cột lọc nước inox có công dụng chứa vật liệu, lọc nước Áp lực tối đa 300psi

Vận hành: bơm trực tiếp hoặc tự chảy trọng lực.

ghi chú

1 717 Φ 178 x 425 2.5" Cửa ra ở trên

2 735 0,5 m3/h Φ 178 x 890 2.5" Cửa ra ở trên

15 407

2 19 m3/h Φ 1000 x 1850 4"

Cửa ra ở trên và cửa ra ở dưới Φ 4"

đợc điều khiển tự động Nhiều dây chuyền sản xuất đợc tự động hoá hoàn toàn

đã đợc trang bị Chính những dây chuyền này là cứu cánh cho các chủ doanhnghiệp tham gia vào thị trờng hiện nay, cạnh tranh đợc với hàng hoá kể cả củacác hãng nớc ngoài về chất lợng, giá thành trên cơ sở đảm bảo uy tín, môi tr-ờng sống và lợi nhuận Tố chất quan trọng của các máy công nghiệp là tự

động hoá Mức độ tự động hoá của thiết bị công nghệ quyết định giá trị củasản phẩm Những dây chuyền tự động hoá phải đợc một chơng trình điềukhiển thực hiện gọi là những phần mềm tự động hoá nh DCS, SCADA vàmang theo những bí quyết công nghệ của bản hãng

Sự lớn mạnh của lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật truyền thông,công nghệ thông tin, điện tử làm cho các hệ thống tự động hoá cũng có nhữngbớc tiến vợt bậc ở đó, tự động hoá không chỉ đợc áp dụng cho từng máy, từng

tổ hợp máy mà cho cả dây chuyền công nghệ, cả nhà máy mà tơng lai là cảmột ngành sản xuất Từ những hệ thống tự động hoá quy mô nhỏ dùng nhữngthiết bị đơn giản nh relay với cấu trúc tập trung đến những hệ thống cao cấp,những thiết bị điều khiển chuyên dụng nh PLC (Programmable Logic

Controller – bộ điều khiển logic khả trình) Sự tham gia của các máy tính

điều khiển và giám sát tạo ra những cấu trúc linh hoạt có độ phức tạp cao

Bên cạnh đó là chuyển biến cơ bản trong hớng đi cho các giải pháp tự

động hoá trong công nghiệp với những đặc trng xu hớng phân tán, mềm hoá,chuẩn hoá Các hệ điều khiển truyền thống dần chuyển sang các hệ thống điềukhiển hiện đại hơn với cấu trúc phân tán và xu hớng giám sát Trong côngnghiệp, hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đóng vai trò hết sức quantrọng và trở nên ngày càng cần thiết và phổ biến

Trong quá trình phát triển tự động hóa lợng thông tin trao đổi giữa ngờivới máy không ngừng tăng lên theo thời gian và công nghệ Ngày nay để sảnxuất đợc một sản phẩm có chất lợng tốt ngời ta phải khống chế, điều chỉnhhàng chục hàng trăm thông số, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác nhau Để điềukhiển một phân xởng, một xí nghiệp hoạt động nhịp nhàng thì ngời điềukhiển, ngời quản lý hàng ngày hàng giờ phải thu nhận và xử lý một lợng thôngtin khá lớn về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu thị trờng Chính vì vậy ở mức độ lớnhơn, để điều khiển một ngành sản xuất phải có hệ điều khiển và giám sát đủmạnh có thể theo dõi đợc sự chính xác hoạt động vận hành của đối tợng Đây

là nơi cung cấp các thông tin kịp thời nhất tới ngời vận hành về những trạngthái của bộ điều khiển cũng nh với quá trình kỹ thuật bên dới, giúp ngời vậnhành có đợc những quyết định đúng đắn và kịp thời trớc những tình huống xảy

ra Thông thờng ngời ta phải xử lý qua nhiều cấp với nhiều thông tin khácnhau, nếu không kịp thời sẽ dẫn đến quyết định sai lầm gây hậu quả nghiêmtrọng đến quá trình sản xuất

II Bài toán:

Cùng với sự phát triển của tự động hoá quá trình, lợng thông tin cần trao

đổi không ngừng tăng lên Để điều khiển một phân xởng hay một nhà máyhoạt động nhịp nhàng thì cần phải thu thập và xử lý thông tin về các vấn đề kỹthuật, nguyên vật liệu và nhu cầu của các đơn đặt hàng Việc nối mạng và thựchiện các giải pháp tự động hoá sử dụng truyền thông số giúp cho việc xử lýthông tin trở nên chính xác, nhanh chóng và kịp thời, tối u hoá đợc quá trìnhsản xuất

Vấn đề đặt ra trớc tiên khi xây dựng một giải pháp tự động hoá khôngcòn là nên hay không nên mà là lựa chọn hệ thống mạng truyền thông và các

thiết bị trờng cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của ứng dụng thực tế Với

lý do đó, bài toán đợc đặt ra là nghiên cứu hệ SCADA có khả năng điều khiểngiám sát và thu thập dữ liệu từ các bộ điều khiển vào vận hành nhanh chóngtrong các ứng dụng công nghiệp

Với các hệ thống truyền thống sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung(Centralized Control System), một máy tính duy nhất đợc dùng để điều khiểncác quá trình con Các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành đợc nối trực tiếp điểm -

điểm với máy tính trung tâm qua các cổng vào/ra của nó Toàn bộ chức năng

xử lý thông tin tập trung trong một thiết bị điều khiển duy nhất

Cụ thể là khái niệm điều khiển tập trung ở đây đợc hiểu là việc sử dụngmột thiết bị điều khiển duy nhất để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Một

hệ thống có cấu trúc tập trung là một hệ thống mà các quá trình đo lờng, điềukhiển, cảnh báo, lu trữ số liệu, chẩn đoán đợc thực hiện tại trung tâm điềukhiển Trung tâm điều khiển ở đây có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp,máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình, ta sẽdùng thống nhất bằng thuật ngữ thiết bị điều khiển

Hệ thống điều khiển tập trung bao gồm các thiết bị điều khiển, các bộthu thập có chức năng thu nhận tín hiệu từ hiện trờng đa lên máy tính trungtâm Các quá trình thu nhận tín hiệu, xử lý thông tin, giám sát quá trình đều

do trung tâm đa ra quyết định Thông thờng thiết bị điều khiển tập trung đợc

đặt ở phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trờng Các thiết bị cảm biến vàcơ cấu chấp hành đợc nối trực tiếp, điểm - điểm vào thiết bị điều khiển trungtâm thông qua các cổng vào/ra của nó Thiết bị điều khiển trung tâm ngoàiviệc thu nhận tín hiệu đo và đa ra các quyết định điều khiển còn đảm nhận rấtnhiều các chức năng khác nh chức năng nhận dạng, chẩn đoán qúa trình, lugiữ số liệu

Cấu trúc điều khiển tập trung trên đây thờng thích hợp cho các ứngdụng tự động hoá quy mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bịkhông mang tính chất quá phức tạp ở một điểm nào đó cấu trúc này đơn giản,

dễ thực hiện, điểm đáng chú ý là sự tập trung toàn bộ “trí tụê” tức là chứcnăng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất, phát huy đợc điểmmạnh của bộ điều khiển Nhng đây lại chính là nhợc điểm cơ bản của hệ thống

đó chính là sự phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất Do vậy yêu cầu

đòi hỏi độ tin cậy của thiết bị điều khiển trung tâm là rất cao, khó đáp ứng đợccác yêu cầu về thời gian thực với các yêu cầu tính toán phức tạp.

Máy tính điều khiển

Hình 1.1: Điều khiển tập trung với vào/ra tập trung

- Công việc nối dây phức tạp, số lợng cáp lớn, giá thành cao

- Việc mở rộng hệ thống gặp nhiều khó khăn, độ linh hoạt không cao

- Độ tin cậy kém do sự phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất,

có thể dùng giải pháp lắp thêm thiết bị điều khiển dự phòng nhng sẽ dẫn

đến chi phí cao

- Phơng pháp truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị trờng và thiết bị điềukhiển dễ chịu ảnh hởng của nhiễu gây ra sai số lớn

- Phạm vi ứng dụng hạn hẹp.

Trong các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, dây chuyền sản xuất đợcphân chia thành nhiều phân đoạn, có thể bố trí tại nhiều vị trí cách xa nhau

Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính của điều khiển trung tâm trong

điều kiện tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, mỗi phân đoạn có thể

đợc điều khiển bằng một máy tính cục bộ Các máy tính cục bộ nằm rải rác tạiphòng điều khiển của từng phân đoạn, các phân đoạn này lại có liên hệ tơngtác với nhau, vì vậy quá trình điều khiển tổng hợp cần có sự phối hợp giữa cácmáy tính điều khiển Việc phân bố trí tuệ và chức năng theo cả chiều rộng vàchiều sâu, kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông, đồng thời bên trong hệthống sử dụng các thiết bị vào/ra tại chỗ làm tăng độ tin cậy, tính năng mở và

độ linh hoạt của hệ thống

Nh vậy sự phát triển về quy mô của các nhà máy, nhiều công đoạn xử lýkhác nhau, độ phức tạp của hệ thống ngày càng tăng dần dẫn đến hệ điềukhiển tập trung không thể đáp ứng đợc những bài toán quy mô dẫn đến sự ra

đời của một cấu trúc điều khiển khác đó là cấu trúc điều khiển phân tán

Cấu trúc tập trung có những hạn chế không đáp ứng đợc yêu cầu cácứng dụng có quy mô vừa và lớn Trớc hết ta xem xét thực tế một dây chuyềnsản xuất thờng đợc chia thành nhiều phân đoạn khác nhau đợc bố trí tại nhiềuphân đoạn khác nhau Ở đây ta sử dụng nhiều thiết bị điều khiển, mỗi phân

đoạn đợc điều khiển bằng một hoặc nhiều thiết bị cục bộ Các thiết bị cục bộnày đợc đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, phân xởng, ở

vị trí không xa với quá trình kỹ thuật, bên cạnh đó quá trình điều khiển tổnghợp cần sự phối hợp điều khiển giữa các máy tính điều khiển

Các máy tính điều khiển đợc nối mạng với nhau và với một hoặc nhiềumáy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống Một hệ thống có cấu trúc nhtrên gọi là hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán hay gọi là hệ điều khiểnphân tán DCS (Distributed Control System)

Hệ điều khiển phân tán có thể hiểu một cách đơn giản là hệ thống điềukhiển kết hợp sử dụng nhiều thành phần khác nhau Hệ thống bao gồm cácmodule phân tán có chức năng điều khiển phân tán đợc liên kết với nhau theomột hệ thống mạng tuân theo các giao thức truyền thông công nghiệp Các

module này có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu đo lờng, sử dụng hệ thống bustrờng với kỹ thuật truyền tin số để truyền số liệu lên cấp điều khiển giám sát

và ngợc lại

Các module này đồng thời nhận các yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát

nh gửi số liệu quá trình để lu trữ ở trên, điều khiển trực tiếp đối tợng khi cần

và thực hiện các chức năng phân tán trên các công đoạn phân tán, các máytính điều khiển Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển, ra nhiệm

vụ cho các phần điều khiển riêng biệt, sau đó chỉ giám sát quá trình đó hoặctrực tiếp điều khiển một thiết bị hoặc một quá trình nào đó

Trung tâm điều hành quá trình

Bus hệ thống, bus quá trình

Cảm biến chấp hànhCơ cấu

Cảm biến chấp hànhCơ cấu

Hình 1.2: Cấu trúc hệ điều khiển phân tán

Một hệ điều khiển phân tán thờng bao gồm:

- Trung tâm điều hành quá trình

- Trung tâm điều khiển là các máy tính điều khiển, máy tính công nghiệp,máy tính phối hợp đợc nối với nhau và nối với trung tâm điều hành quacác bus

- Các bộ điều khiển tại chỗ nh thiết bị vào/ra, cơ cấu chấp hành, cảm biến

đợc nối với trung tâm điều khiển qua bus trờng (Field bus)

Ưu điểm của điều khiển phân tán:

- Thay đổi cách nối điểm - điểm bằng mạng truyền thông, thời gian lắp

đặt nhanh chóng

- Độ tin cậy, tính linh hoạt và năng suất đợc nâng cao nhờ xử lý phân tán

- Cấu trúc đơn giản dễ dàng chẩn đoán, bảo trì, bảo dỡng hệ thống

- Việc sử dụng các giao diện chuẩn quốc tế nâng cao khả năng tơng tácgiữa các thành phần

- Có thể tích hợp các hệ thống mới và cũ, dễ dàng mở rộng hệ thống vàkết nối với hệ thống thông tin ở cấp trên

Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linhhoạt cao hơn so với điều khiển tập trung Hiệu năng cũng nh độ tin cậy tổngthể của hệ thống đợc nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dới

Hệ có cấu trúc mở thể hiện khả năng tơng tác và thay thế lẫn nhau của các sảnphẩm thuộc các hãng khác nhau Việc mở rộng hệ thống do ngời sử dụng xâydựng theo các giải pháp tiêu chuẩn quốc tế

Để nhìn nhận rõ hơn về khả năng ứng dụng rộng rãi của cấu trúc điềukhiển phân tán trong tự động hoá quá trình sản xuất công nghiệp ta có bảngphân tích tóm tắt u nhợc điểm của hai cấu trúc điều khiển phân tán và điềukhiển tập trung nh sau:

Điều khiển phân tán Điều khiển tập trung

Về mặt kinh tế

• Sử dụng bus trờng, giảm chi phí

cho việc lắp đặt nhiều dây, giảm

chi phí bảo dỡng, nâng cấp

• Công việc nối dây phức tạp, giáthành cao

Về mặt kỹ thuật

• Hiệu năng và độ tin cậy tổng thể

của hệ thống đợc nâng cao nhờ sự

phân tán chức năng xuống các cấp

dới Sử dụng các giao diện chuẩn

hoá, đảm bảo sự đồng bộ truyền

thông giữa nhiều loại thiết bị khác

nhau

• Độ linh hoạt cao hơn, dễ dàng mở

rộng và phát triển hệ thống

• Nâng cao tính năng thời gian thực,

tiết kiệm dây dẫn, tính ổn định bền

vững của hệ thống tốt hơn

• Dễ dàng lắp đặt, tốc độ truyền cao

hơn

• Dùng thiết bị vào/ra phân tán, tiết

kiệm không gian cho tủ điều

khiển

• Độ tin cậy thấp do sự phụ thuộcvào một thiết bị điều khiển duynhất Đờng truyền không đảm bảo

dễ gây sai sót

• Độ linh hoạt không cao, việc mởrộng hệ thống gặp nhiều khó khăn

• Tính năng thời gian thực bị hạnchế, phạm vi ứng dụng hạn hẹp

III Mục đích và nhiệm vụ của luận văn:

- Nghiên cứu về hệ SCADA

- Nghiờn cứu hệ lập trỡnh WIN CC

- Tìm hiểu về PLC SIMATIC S7-300 CPU315-2DP và phần mềmProtool/Pro của SIEMENS.

- Xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu thực tế

- Xây dựng phần mềm đa vào giám sát hệ thống trên cơ sở thiết bị củaSIEMENS

- Đề xuất ứng dụng thực tế

IV Xây dựng cấu hình hệ thống nghiên cứu:

4.1 yờu cầu ky thuật

Luận văn xây dựng cấu hình mạng PROFIBUS DP: Slave là các bộ PLCcủa SIEMENS, Master là PLC của SIEMENS CPU315-2DP nối mạng MPI vớimáy tính giám sát và chẩn đoán hoạt động của hệ thống

4.2 Cấu hình hệ thống nghiên cứu:

Hình 1.3: Sơ đồ cấu hình hệ thống

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU

NHẬP DỮ LIỆU SCADA

I Định nghĩa SCADA :

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 hỗtrợ con ngời trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điềukhiển tự động thông thờng Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệSCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng nh hệ giao diện ng-

ời – máy (HMI – Human Machine Interface).

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quantrọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn ngời ta cũngcần giao diện ngời – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành

ở cấp điều khiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn

hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel),

Multi Panel … chuyên dụng đợc sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọnghơn

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệthống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở

xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống nh vậy thì hệtruyền thông và phần cứng đợc đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiềuhơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vợt bậc của công nghệ truyền thôngcông nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khảnăng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thốngSCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tíchhợp hệ thống

II Phõn loại hệ thống SCADA:

Các hệ thống SCADA đợc phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

- SCADA độc lập / SCADA nối mạng

- SCADA không có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạthông tin thời gian thực

Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA:

- 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 thu thập và xử lý dữliệu bằng đồ thị Do tính đơn giản nên giá thành thấp

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

SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hìnhcủa máy khai báo trớc đấy 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 ngờivận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiểndừng hoạt động của tất cả máy móc

- Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập

dữ liệu với một bộ vi xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển đợc một hoặchai máy móc Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sảnxuất 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 đợc nối mạng vớinhau Hệ này có khả năng điều khiển đợc nhiều nhóm máy móc tạo nêndây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống đợc kết nối vớiphòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiểntrực 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

III Những tiờu chuẩn đỏnh giỏ một hệ SCADA :

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phảiphân tích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau:

- Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựngcác màn hình giao diện

- Số lợng và chất lợng của các thành phần đồ hoạ có sẵn

- Khả năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trựctiếp từ các cơ cấu chấp hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệthống bus trờng)

- Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình

- Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging),

xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lu trữ thông tin (Archive and

History) và lập báo cáo (Reporting).

- Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin

- Đối với nền Windows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm Control và OPC

ActiveX Giá thành tổng thể của hệ thống

IV Những cấu trỳc hệ SCADA:

Cấu trúc chung của hệ SCADA đợc minh hoạ trong hình vẽ sau: