Sử dụng điện thoại di động nền s60 cho việc truy cập cơ sở dữ liệu và điều khiển giám sát scada

Nghiên cứu này là xây dựng một cấu hình mà cho phép theo dõi và kiểm soát các quá trình điều khiển hệ thống Simatic PCS 7 bằng cách sử dụng điện thoại di động trên nền Symbian thông qua

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸTHUẬT CÔNG NGHIỆP

TÓM TẮT

TÊN ĐỀ TÀI:

SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG NỀN S60 CHO VIỆC TRUY CẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ

ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong điều khiển từ xa và giám sát đã được thực hiện Ưu điểm lớn nhất của điều khiển từ xa và giám sát

là khả năng thu thập dữ liệu và vận hành hệ thống ở bất cứ nơi nào tại bất kỳ thời gian nào, với giao diện đồ họa dễ hiểu Hệ thống điều khiển giám sát từ xa

có thể thông qua mạng Internet, mạng riêng, mạng điện thoại di động để thực hiện tính năng giám sát điều khiển Nghiên cứu này là xây dựng một cấu hình

mà cho phép theo dõi và kiểm soát các quá trình điều khiển hệ thống Simatic PCS 7 bằng cách sử dụng điện thoại di động trên nền Symbian thông qua giao thức GPRS

Với mục tiêu trên, luận văn được xây dựng bao gồm 6 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Tổng quan về đề tài

Chương 3: Phát triển dự án PCS7

Chương 4: Truyền thông cơ sở dữ liệu SQL và S60

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Được hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tất cả những bạn bè, đồng nghiệp có đóng góp trong công việc luận văn của mình Đặc biệt cảm ơn Thầy giáo, TS Bùi Trung Thành đã hướng dẫn,

cố vấn, ra quyết định giúp tác giả thực hiện luận văn này thành công

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện viết luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của độc giả để luận văn này được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

1 Giới thiệu chung

2.1 Hệ thống điều khiển quá trình Simatic PCS7

2.1.1 Bộ điều khiển logic lập trình (PLC)

2.1.2 Phần mềm WinCC

2.1.3 Simatic profibus

2.2 Giới thiệu truyền thông GSM cơ bản

2.2.1 Truyền thông GSM cơ sở 2.2.2 Đặc tính truyền dẫn

2.2.3 Đặc điểm và cấu trúc

2.2.4 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

2.3 Nền điện thoại di động Symbian S60

2.3.1 Giới thiệu về Symbian OS 2.3.2 Nền tảng thiết kế của hệ điều hành Symbian S60

3.6 Sự tạo thành trạm vận hành OS 32

4 Truyền thông cơ sở dữ liệu SQL và S60

4.1 Cơ sở dữ liệu SQL và web server

4.1.1 Cấu trúc chung của hệ thống 4.1.2 Cơ sở dữ liệu và web server thực tế

4.1.3 Xây dựng Web server

4.1.4 Cơ sở dữ liệu MSSQL 2000 của WinCC 4.1.5 Web server nội bộ

4.2 Các ứng dụng của Symbian

4.2.1 Miêu tả chung các ứng dụng 4.2.2 Yêu cầu phần mềm

4.2.3 Sự tạo thành của dự án 4.3 Chức năng gửi SMS

4.4 Điều khiển từ điện thoại khách hàng

5.1.1 Giao diện thời gian chạy HMI

5.1.2 Thiết lập đăng nhập cảnh báo 5.1.3 Mô phỏng chế độ hoạt động tự động 5.1.4 Mô phỏng chế độ hoạt động thủ công 5.1.5 Đăng nhập cảnh báo

5.1.6 Giá trị lưu trữ và xu hướng trực tuyến 5.2 Cơ sở dữ liệu SQL

5.2.1 Cơ sở dữ liệu Wincc trong dự án bể chứa nước

5.2.2 Cơ sở dữ liệu MySQL

5.2.3 Sự chuyển đổi giữa MSSQL và MySQL

5.3 Kết nối GPRS với điện thoại di động Symbian 60

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

300 Giao diện chương trình ở chế độ tuyến 1 và các tín hiệu trên S7-300

Giao diện chương trình ở chế độ tuyến 2 và các tín hiệu trên S7-300

Bảng AlgCSDataENU lưu các thông tin sửa đổi của từ khoá

Bảng cơ sở dữ liệu thời gian chạy trong wincc WinCC/Connectivity Pack – truy nhập tới lưu trữ trong WinCC

Sự cập nhật dữ liệu của MSSQL – MySQL

Khái niệm vận hành điện thoại di động khách hàng

Lược đồ tương tác giữa điện thoại di động khách hàng và cơ

sở dữ liệu Bảng điều khiển HMI trong WinCC

Thiết lập đăng nhập cảnh báo

Mô phỏng chế độ hoạt động tự động

Mô phỏng chế độ hoạt động nhân công Đăng nhập cảnh báo trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống

Xu hướng xử lý trực tuyến Các giá trị lưu trữ

Trạng thái của từ khoá trong cơ sở dữ liệu MS SQL

Bảng chi tiết của cơ sở dữ liệu MySQL

Hình 5.10 Chuyển đổi dữ liệu tại web server nội bộ 60

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung

Với nhiều lợi thế, ngày nay hầu hết các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp trong lĩnh vực dầu khí, ga, nước, đường, giấy… áp dụng các công nghệ tự động hoá cho việc kiểm soát hệ thống Có rất nhiều loại và công đoạn khác nhau của các công nghệ tự động hóa mà có sự lựa chọn hệ thống điều khiển theo yêu cầu của từng nhà máy cụ thể Tuy nhiên, mục đích chung của việc sử dụng công nghệ tự động hóa là để giảm chi phí lao động, tăng năng xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, khả năng kiểm soát chính xác và tin cậy của các dây chuyền sản xuất

Công nghệ tự động hóa đầu tiên đã được biết đến đó là sử dụng bộ điều khiển lôgic lập trình được (PLC: Programmable Logic Controller) để điều khiển các quá trình riêng biệt, với hệ thống xử lý đơn giản Trong công nghiệp hiện đại, các thiết bị và hệ thống của một nhà máy có mối quan hệ lẫn nhau, phần cứng (như máy tính, PLC, DCS, vv) và phần mềm được kết hợp với nhau thành một

hệ thống tự động hóa tích hợp Hệ thống này đủ mạnh và có thể thực hiện tất cả các chức năng tự động hóa của nhà máy

Hệ thống điều khiển quá trình (PCS: Process Control System) Simatic PSC7 là một thế hệ mới của hệ thống điều khiển của Siemens, nâng cấp các hệ thống tự động hóa PLC cho môi trường Windows và giao tiếp người máy (HMI: Human Machine Interface) Simatic PCS7 bao gồm các hệ thống HMI, các hệ thống tự động hóa, các mạng lưới truyền thông, phân phối I/O (từ xa), và các công cụ kỹ thuật khác Thiết kế của Simatic PCS7 dựa trên kiến trúc kiểu mô-đun hoá và mở bằng cách sử dụng công nghệ state-of-the-art Simatic, thực hiện nhất quán các tiêu chuẩn công nghiệp và các chức năng tự động hóa quá trình, hiệu năng sử dụng phần cứng và phần mềm cao Vì vậy, người dùng đạt được chi phí thực hiện có hiệu quả kinh tế cao và dạt được sự hoạt động tối ưu của thiết bị tự động hóa quá trình trong tất cả các giai đoạn: việc lập kế hoạch, nghiên cứu, việc đưa máy móc vào hoạt động, đào tạo, vận hành, bảo trì, việc cung cấp dịch vụ, mở rộng và đổi mới

Trong xu hướng phát triển, các hệ thống tự động hóa không chỉ kiểm soát tại nội bộ HMI mà còn được kiểm soát và giám sát từ xa, được gọi là hệ thống kiểm soát, điều khiển và giám sát dữ liệu (SCADA: Supervisory Control and

Data Acquisition) Hơn nữa, tự động hoá hiện đại hoá, đang được phát triển, có thể được kiểm soát và giám sát thông qua mạng Internet Giải pháp khác để điều khiển từ xa và giám sát được gọi tắt là kiểm soát từ xa bằng cách sử dụng truyền

dữ liệu không dây dựa vào dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio Service) hay sử dụng Dịch vụ nhắn tin nhắn (SMS), đó là hai đặc điểm quan trọng của hệ thống di động toàn cầu (GSM)

Nói chung, hệ thống tự động hóa đang tiếp tục phát triển với độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, và điều khiển linh hoạt

1.2 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong điều khiển từ xa và giám sát đã được thực hiện Lĩnh vực thú vị nhất là kiểm soát và giám sát từ xa qua mạng Internet Trong lĩnh vực này, nhiều ứng dụng đã được thực hiện trong phòng thí nghiệm như: Tuyến Internet cho các thí nghiệm kiểm soát của một số trường đại học tại Singapore Một số nghiên cứu khác đang được tập trung như kiểm soát robot thông qua Internet và giám sát từ xa, điều khiển quá trình cho các nhà máy Ưu điểm lớn nhất của điều khiển từ xa và giám sát qua internet là khả năng thu thập dữ liệu và vận hành hệ thống ở bất cứ nơi nào tại bất kỳ thời gian nào, với giao diện đồ họa dễ hiểu Tuy nhiên, do tốc độ chậm và tỷ lệ truyền dẫn không phù hợp, kết quả là trong các hệ thống không ổn định, internet

đã không được thừa nhận rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp [3]

Xu hướng khác của điều khiển và giám sát từ xa được dựa trên tính năng phụ của hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động (GSM) Trong trường hợp này, điện thoại di động đóng vai trò như là trạm hoạt động từ xa Việc truyển dữ liệu được thực hiện trên dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS) và giao thức ứng dụng không dây (WAP) thông qua một cổng web hoặc một máy chủ [4] Được gọi là lĩnh vực phổ biến nhất, phạm vi rộng, không dây, mạng lưới kỹ thuật số, điều này là rất thuận tiện để sử dụng thiết bị GSM, đặc biệt là điện thoại di động, trong việc kiểm soát bất kỳ hệ thống hoạt động nào Tuy nhiên, điều khiển từ xa bằng điện thoại di động GSM đối mặt với nhiều bất lợi, làm hạn chế những ứng dụng Hạn chế khác là cần thời gian dài để thiết lập một kết nối dữ liệu, băng thông thấp gây ra các giao diện thấp [5], phí kết nối cao, vv Đến nay, hình thức hoạt động này được áp dụng cho các dự án nhỏ như tòa nhà thông minh

Những bất tiện trên có thể được thực hiện bằng cách sử dụng General Packet Radio Service (GPRS), vì tốc độ truyền tải nhanh hơn và chi phí kết nối

rẻ hơn Một số nhà sản xuất tự động hóa, chẳng hạn như Siemens, đã áp dụng

GPRS trong việc kiểm soát hệ thống của họ Tuy nhiên, hầu hết sản phẩm đều được phát triển để điều khiển bằng máy tính Chúng có phần mềm riêng và chỉ thích hợp cho một số thiết bị cụ thể

Sau cùng, với tốc độ phát triển về chất lượng sóng mang GSM, bên cạnh

sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện thoại di động như bộ nhớ lớn hơn, tăng tốc độ xử lý, màu sắc và màn hình lớn, chúng là nền tảng tốt để xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, do đó có thể được kiểm soát và giám sát từ

xa bằng cách sử dụng điện thoại di động thông qua giao thức GPRS

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một cấu hình mà cho phép theo dõi và kiểm soát các quá trình điều khiển hệ thống Simatic PCS 7 bằng cách sử dụng điện thoại di động trên nền Symbian thông qua giao thức GPRS Một số mục tiêu cụ thể cần phải được hoàn thành của luận văn:

- Xây dựng một ứng dụng cho trạm điều hành OS để nó hoạt động được với mạng Internet thông qua GPRS

- Xây dựng một web server có thể nhận và truyền dữ liệu giữa PCS 7 và ISP (Internet Service Provider)

- Tạo một dự án tự động hóa bằng cách sử dụng PCS7 Bao gồm các chương trình Simatic Step 7, WinCC và cấu hình cơ sở dữ liệu MSSQL Server cho hệ thống SCADA

- Một web server Apache - PHP được xây dựng cho phép người dùng truy cập cơ sở dữ liệu SQL của PCS7 từ điện thoại di động hoặc trình duyệt web Các trang web sẽ được thực hiện bằng ngôn ngữ PHP và HTML

Toàn bộ nội dung nghiên cứu đƣợc thể hiện trong hình vẽ sau

`

GSM PROVIDER

SYMBIAN CLIENT MOBILE PHONE

GPRS-HTTPS SMS

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Hệ thống điều khiển quá trình Simatic PCS7

Simatic PCS7, một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) của Siemens, là một hệ thống kỹ thuật phổ biến để cấu hình hệ thống điều khiển và hỗ trợ các dự

án xử lý trên diện rộng Với hệ thống kỹ thuật linh hoạt nó có thể được sử dụng tốt với tất cả các thiết bị, từ quy mô nhỏ đến các nhà máy lớn Mặt khác, Simatic PCS7 có khả năng điều khiển từ một hệ thống đơn lẻ, bao gồm khoảng 160 điểm, đến một hệ thống phân phối đa người dùng với kiến trúc điều khiển phân cấp chủ/tớ lên đến 60.000 đối tượng xử lý [7]

Hình 2.3 Cấu trúc hoàn chỉnh của SIMATIC PCS7 Thiết kế của Simatic PCS7 dựa trên một kiến trúc kiểu mô-đun và cấu hình mở bằng cách sử dụng công nghệ state-of-the-art SIMATIC, bao gồm việc thực hiện các tiêu chuẩn công nghiệp và chức năng kiểm soát quá trình kết hợp với hiệu suất cao Điều này có nghĩa rằng với Simatic PCS7, người dùng có thể đạt được chi phí thực hiện và hoạt động có hiệu quả kinh tế cao trong quá trình kiểm soát tất cả các giai đoạn Simatic PCS7 mở rộng trên tất cả các mức Nó bao gồm các hệ thống tự động hóa và quá trình vào/ra cũng như mạng lưới truyền thông công nghiệp, hệ thống người vận hành và các hệ thống kỹ thuật

Simatic PCS7 có thể kết hợp với các sản phẩm của các nhà cung cấp khác Simatic PCS7 bao gồm một số thành phần sau đây:

- Phần cứng: chuẩn PC với hệ điều hành WinNT, PLC S7, I/O module, giao tiếp Bus (Profibus,Ethernet)

- Phần mềm: Step7, SCL, SFC, CFC, WinCC, vv…

2.1.1 Bộ điều khiển logic lập trình (PLC)

Lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1970 trong ngành công nghiệp xe hơi Mỹ, PLC đã nhanh chóng được phổ biến rộng rãi vì độ tin cậy và

an toàn của nó Đến nay, chức năng, độ tin cậy, tính linh hoạt và hiệu quả của PLC đang tiếp tục được phát triển [8] PLC bao gồm năm khối cơ bản: Bộ vi xử

lý, bộ nhớ, giao tiếp vào/ra, mô-đun nguồn cung cấp, và thiết bị lập trình Cấu trúc cơ bản của một PLC được mô tả trong hình 2.2

Hình 2.4 Cấu trúc đầy đủ của PLC PLC hoạt động bằng cách quét liên tục một chương trình Trước tiên, nó lấy tất cả các dữ liệu đầu vào từ các thiết bị cảm biến khác nhau Tiếp theo, PLC thực hiện các chương trình hoạt động của người dùng được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình Cuối cùng, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu đến đầu ra thích hợp để điều khiển thiết bị Sau đó chu kỳ lặp đi lặp lại Nguồn cung cấp cấp điện áp cần thiết cho các hoạt động điều khiển Nguyên tắc hoạt động của các thành phần chính trong PLC được mô tả như sau:

hiệu đầu vào từ các thiết bị được điều khiển, sau đó điều khiển theo

Giao diện vào

chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của CPU và đưa tín hiệu đến đầu

ra thích hợp

 Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển,

nó có thể là ROM, RAM, EPROM Người ta luôn chế tạo nguồn dự phòng cho RAM để duy trì chương trình khi mất điện nguồn Thời gian duy trì phụ thuộc vào từng PLC cụ thể Bộ nhớ được chế tạo dạng module với các kích cỡ khác nhau dễ dàng thích nghi với chức năng điều khiển và

dễ mở rộng dung lượng nhớ

khiển thành dạng tương thích với bộ vi xử lý Các tín hiệu vào thường từ các công tắc, các bộ cảm biến, các tế bào quang điện…, các tín hiệu ra có thể cung cấp cho các công tắc, rơle, van điện từ, động cơ điện nhỏ…

 Thiết bị lập trình ngày nay thường là máy tính cá nhân Ngôn ngữ lập trình bao gồm LAD (Ladder), FBD (Function Block Diagram), STL (Statement List), và SCL Các chương trình người dùng có chứa tất cả các hướng dẫn và khai báo cho quá trình xử lý tín hiệu theo các tác vụ điều khiển đã xác định Có nhiều loại khối khác nhau như: khối tổ chức (OB), khối dữ liệu (DB), khối chức năng (FB), v v

áp phù hợp để cung cấp nguồn nuôi cho bộ vi xử lý và các module vào/ra

So với phương pháp điều khiển truyền thống, điều khiển tự động bằng PLC có một số lợi ích sau:

 Dễ dàng thay đổi chương trình: Nó rất dễ dàng thay đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển bằng cách lập trình lại mà gần như không cần mắc nối lại dây Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả

thống điều khiển truyền thống cần phải được trang bị các thiết bị bổ sung Một PLC có một loạt các chức năng mở rộng cần xây dựng như Rơ le, bộ tính giờ, bộ đếm và các hàng đợi, mà có thể tự do truy cập bất kỳ lúc nào

 Độ tin cậy: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ cao hơn các thiết bị cơ điện

Độ tin cậy của PLC ngày một tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần thiết nhưng với điều khiển truyền thống bằng rơ le thì bảo dưỡng định kỳ

là cần thiết

 Giao tiếp: PLC đang tăng khả năng giao tiếp tốt hơn cho phép kết nối vào mạng lưới của bộ điều khiển công nghiệp, tạo điều kiện trao đổi với các

dữ liệu trên quy mô lớn

 Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển bằng role tương đương

2.1.2 Phần mềm WinCC (SIMATIC Windows Control Centre)

SIMATIC WinCC là phần mềm thiết kế, lập trình cho hệ thống SCADA

Nó được phát triển bởi SIEMENS và được tích hợp với phần mềm STEP7 Phần mềm này có hiệu suất rất cao về các chức năng lập trình HMI (Human – Machine Interface) và hệ thống SCADA cho máy tính [9] Nói chung, WinCC cung cấp ba phương pháp tiếp cận cho một cấu hình: Sử dụng công cụ tiêu chuẩn WinCC; sử dụng ứng dụng Windows hiện có với phần mềm WinCC thông qua DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (Object Linking and Embedding), ODBC (Open Database Connectivity), và ActiveX; sử dụng Visual C++ hay Visual Basic để phát triển các ứng dụng nhúng Vì thế, WinCC là hệ thống HMI cho các cấu hình nhanh và chi phí có hiệu quả Mặt khác nó là nền tảng một hệ thống mở rộng vô hạn Tính mô đun hoá và tính linh hoạt của WinCC cho khả năng hoàn toàn mới cho việc lập kế hoạch và triển khai thực hiện tác vụ tự động hóa

WinCC cung cấp module hệ thống trực quan, nhắn tin, thu lại và lưu trữ

dữ liệu xử lý Nó cũng cung cấp khả năng tích hợp ứng dụng người dùng tự định nghĩa

 Bộ thiết kế đồ họa: Một thư viện toàn diện có sẵn với các đối tượng được cấu hình trước cũng như hỗ trợ hình ảnh động của trình thuật Các đối tượng được định nghĩa trước có xu hướng hướng về các cửa sổ, thanh đồ thị , đầu vào/đầu ra, cửa sổ bản tin cảnh báo hoặc đồ họa phức tạp

cảnh báo một cách dễ dàng

 Từ khoá Logging: Đảm bảo dữ liệu xử lý sẽ được lưu trữ theo định kỳ hoặc theo điều kiện cụ thể

với dữ liệu sản xuất hoặc tài liệu hướng dẫn cấu hình

 Trình duyệt từ khoá (Tag Browser): Phần lớn bộ quản lý dữ liệu (Data Manager) được tích hợp trong phần mềm STEP7 Trình duyệt từ khoá cho phép truy cập trực tiếp đến các từ khoá PLC Ý nghĩa của phương pháp này là tiết kiệm thời gian về kỹ thuật, đặc biệt là ở các cấu hình lớn

Điều đó cho thấy rằng WinCC là cầu nối giữa lĩnh vực truyền thông và truyền dữ liệu Trong trường hợp các lĩnh vực truyền thông có vị trí ở cấp độ tự động hóa (PLC) và truyền dữ liệu là mức sản xuất đại diện cho mạng Giao tiếp

dữ liệu bao gồm nhiều kênh truyền thông khác nhau như trình điều khiển SIMATIC S7, PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS, Industrial Ethernet, TCP/IP, Server và DDE ActiveX

WinCC V6 sử dụng MS SQL Server 2000 như là cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng của nó Cơ sở dữ liệu thường là file dữ liệu có cấu hình định hướng theo danh sách như; danh sách từ khoá và văn bản thông báo Nó cũng lưu trữ

dữ liệu xử lý hiện thời như tin nhắn, các giá trị đo được và hồ sơ dữ liệu người

sử dụng Cơ sở dữ liệu WinCC có thể được truy cập không chỉ thông qua ODBC,

mà còn thông qua giao diện lập trình mở (C-API) như một trạm khách hàng

MS SQL Server được coi là hệ thống mở mà các cửa sổ ứng dụng khác có thể truy cập trực tiếp vào các nguồn dữ liệu trong cơ sở dữ liệu WinCC Với sự trợ giúp của các ngôn ngữ lập trình SQL và công cụ kết nối tương ứng (ví dụ như ODBC), khách hàng khác (ví dụ: cơ sở dữ liệu Unix, Oracle, Informix) cũng có thể truy cập vào tài nguyên dữ liệu trong cơ sở dữ liệu WinCC

Hình 2.3 Giao tiếp của WinCC

2.1.3 Simatic Profibus

Profibus (Process FieldBUS), một mạng lưới điều khiển công nghiệp được

sử dụng để tự động hóa nhà máy sản xuất, kiểm soát quy trình, điều khiển chuyển động và an toàn mạng lưới Sử dụng kiến trúc phân cấp chủ/tớ, các

"Profiles" riêng biệt được sử dụng để hỗ trợ cho mỗi lĩnh vực này Vào năm

1993 SIEMENS đã giới thiệu Profibus, Profibus cung cấp dịch vụ tại các lớp 1,

2 và 7 của mô hình OSI Mặc dù, lớp 2 cũng cung cấp một số chức năng của các lớp 3, 4 và 5 Lớp 1(lớp vật lý) có thể là RS-485, RS-485-IS, MBP hoặc cáp sợi quang

Là một trong những giao thức fieldbus nổi tiếng nhất trong công nghiệp Châu Âu, Profibus được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng tự động hóa liên kết truyền thông đa ứng dụng cho các thiết bị công nghiệp, cũng như truyền thông cấp tế bào Một mạng lưới Profibus có thể đạt hơn 10 triệu nút Giao thức Profibus có thể chuyển lên đến 244 byte dữ liệu trên mỗi nút mỗi chu kỳ với tốc

độ truyền là 12Mb/s trong khoảng cách 100m Nếu không có bộ lặp, tốc độ truyền là 93.75Kb/s với khoảng cách tối đa là 1200m

Có ba phiên bản Profibus khác nhau tương ứng với các ứng dụng của nó:

PROFIBUS-PA

Hình 2.4 Các phiên bản Profibus Profibus-FMS là giải pháp phổ biến của tác vụ truyền thông ở cấp trên và cấp truyền thông công nghiệp Để thực hiện tác vụ giao tiếp rộng rãi với các dữ liệu không tuần hoàn hoặc tuần hoàn ở tốc độ trung bình, các dịch vụ FMS cung cấp một loạt các chức năng và tính năng linh hoạt

Profibus DP tối ưu hóa phiên bản của Profibus, đặc biệt dành riêng cho thời gian giao tiếp quan trọng giữa hệ thống tự động hóa và thiết bị ngoại vi

phân phối Nó được thay thế cho các dây song hành của tín hiệu đo lường 24V

và 4-20mA

Profibus PA là giải pháp cho quá trình tự động hóa, kết nối hệ thống và thiết bị phân tán Nó dựa trên Profibus DP và cho phép một giao tiếp thông suốt

để tự động hóa quá trình tự động Profibus PA xác định hành vi của các thiết bị

và đảm bảo khả năng tương tác đầy đủ và trao đổi của thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau

Hình 2.5 Profibus trong hệ thống điều khiển

2.2 Giới thiệu truyền thông GSM cơ bản

2.2.1 Truyền thông GSM cơ sở

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu (GSM: Global System for Mobile Communications), với một công nghệ điện thoại di động số TDMA (Time Division Multiple Access), là hệ thống chủ yếu không chỉ ở châu Âu, mà còn được sử dụng trên toàn thế giới Phát triển trong những năm 1980, GSM lần đầu tiên được triển khai tại bảy quốc gia châu Âu năm 1992 và đã nhanh chóng lan

ra trên toàn thế giới GSM hoạt động ở băng tần 900MHz (GSM-900) và 1.8GHz (GSM-1800) ở châu Âu và 1.9GHz (GSM-1900) tại Hoa Kỳ

Một cấu hình GSM cơ bản bao gồm một trạm di động còn gọi là thuê bao

và một trạm cơ sở hoặc trạm thu phát mà giám sát kết nối vô tuyến với trạm di động Cơ sở hạ tầng mạng thực hiện chuyển mạch các cuộc gọi giữa người sử dụng điện thoại di động và đường dây hoặc giữa các mạng di động và các chức năng quản lý hỗ trợ Hiệu suất mạng, các hoạt động, thiết lập được giám sát và quản lý bởi các trung tâm vận hành và bảo trì Các trạm di động và trạm cơ sở sử dụng một kết nối vô tuyến hoặc giao diện không dây để cho phép truyền dữ liệu [10]

2.2.2 Đặc tính truyền dẫn

Mỗi điện thoại di động thực hiện việc truyền thông trong các mạng GSM bằng cách sử dụng tính năng từ khoá thông minh SIMs (Subscriber Identity

Modules) cho phép nhận dạng duy nhất mỗi thuê bao di động Mỗi SIM làm việc cùng với một chiếc điện thoại GSM tương thích và hỗ trợ chuyển vùng phổ biến Do cá nhân bất kỳ có thể truy cập vào các môi trường vô tuyến nên an ninh

là một yếu tố quan trọng trong một mạng lưới truyền thông di động Trong một cấu hình GSM, SIMs cũng hỗ trợ xác thực người dùng và mã hóa dữ liệu

Công nghệ GSM cho phép người sử dụng điện thoại di truy cập internet, mạng nội bộ, và mạng extranets khi họ đi du lịch ở các nước có vùng phủ sóng GSM Mạng GSM vận chuyển dữ liệu ở tốc độ 14,4 Kbps và kích hoạt dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS) để truyền tin nhắn có chứa tối đa là 160 ký tự

2.2.3 Đặc điểm và cấu trúc

Mạng GSM Bao gồm các chức năng như chuyển vùng quốc tế, kiến trúc mở; tính linh hoạt cao; cài đặt dễ dàng; hoạt động liên kết với ISDN (Integrated Services Digital Networks), CSPDN (Circuit-Switched Public Data Network), PSPDN (Packed Switched Public Data Network), và PSTN (Public-Switched Telephone Network); chất lượng tín hiệu cao và liên kết toàn vẹn; hiệu quả sử dụng phổ cao; chi phí cơ sở hạ tầng thấp; chi phí thấp vận hành, thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, và có các tính năng bảo mật

Hình 2.6 Cấu trúc chung của mạng GSM Trạm di động (MS) bao gồm các thiết bị di động (thiết bị đầu cuối) và một

từ khoá thông minh được gọi là SIM SIM cung cấp tính năng di động cá nhân

để người dùng có thể truy cập vào dịch vụ thuê bao đăng ký của một thiết bị đầu cuối cụ thể Bằng cách chèn từ khoá SIM vào một thiết bị đầu cuối GSM, người

dùng có thể nhận cuộc gọi tại thiết bị đầu cuối này, thực hiện cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối này đến các thuê bao khác

Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) có trách nhiệm xử lý lưu lượng giữa một MS và phân hệ chuyển mạch mạng NSS (Network Switching Subsystem) BSS mang mã truyền dẫn của các kênh thoại, định vị các kênh vô tuyến tới điện thoại di động, quản lý chất lượng truyền dẫn và tiếp nhận trên giao diện không dây và nhiều tác vụ khác liên quan đến mạng vô tuyến BSS bao gồm hai phần, Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) và bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller)

Phân hệ chuyển mạch mạng NSS (Network Switching Subsystem) thực hiện chức năng chuyển mạch và quản lý liên lạc giữa điện thoại di động và các mạng chuyển mạch điện thoại công cộng Nó được triển khai bởi người vận hành điện thoại di động và cho phép điện thoại di động có thể liên lạc với nhau

và với điện thoại trong mạng viễn thông rộng hơn

2.2.4 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Package Radio Service)

General Packet Radio Service (GPRS) đã được phát triển để đáp ứng với thách thức là cung cấp dịch vụ truy cập vô tuyến gói thông qua các thiết bị GSM Với giải pháp nâng cao thứ hai thế hệ cũng được gọi là 2.5G, GPRS bao phủ một mạng chuyển mạch gói mà hoạt động trên một mạng chuyển mạch kênh GPRS Các thuê bao GPRS sử dụng truyền thông di động và một địa chỉ IP để truy cập vào các ứng dụng của nó

Số lượng thuê bao đăng ký GPRS chia sẻ nguồn tài nguyên vô tuyến theo loại tế bào phụ thuộc vào độ bền của giao diện không dây và các loại ứng dụng

hỗ trợ Nó có khả năng cho phép truy xuất dữ liệu và truyền dữ liệu qua mạng điện thoại di động ở tốc độ lên đến 171.2Kbps bằng cách sử dụng tám khe thời gian

Công nghệ GPRS hỗ trợ duyệt web, chat nhóm, các liên kết đến các ứng dụng đa phương tiện, vv Nó cũng cho phép theo dõi từ xa và điều khiển từ xa của các thiết bị gia dụng và tạo dịch vụ email bằng cách kết nối vào mạng LAN

từ xa Ngoài ra, việc phát triển GPRS còn hỗ trợ truyền các bức ảnh và hình ảnh tĩnh, cho phép chia sẻ tài liệu và các tài sản khác

Với yêu cầu kết nối liên tục thì GPRS là phù hợp để được tính cước theo

số lượng dữ liệu truyền hơn là theo thời gian kết nối Kết nối trực tuyến có ích

hơn là vì dữ liệu được chuyển với trễ ít hơn Một số lợi thế đối với kết nối liên tục của GPRS đó là:

thập Bản tin có thể được truyền tới người dùng để thông báo với họ về những sự kiện quan trọng hay thông tin Các cuộc gọi điện thoại có thể được thực hiện đồng thời khi người dùng truy cập vào dữ liệu qua GPRS

được chia sẻ dễ dàng thực hiện như đang được kết nối tới một mạng nội

bộ (LAN)

mềm,vv

2.3 Nền điện thoại di động Symbian S60

2.3.1 Giới thiệu về Symbian OS

Symbian OS là hệ điều hành tiêu chuẩn công nghiệp toàn cầu cho điện thoại thông minh, và được cấp phép cho các nhà sản xuất thiết bị cầm tay hàng đầu thế giới, những nhà sản xuất mà chiếm hơn 85 phần trăm doanh thu hàng năm trên toàn thế giới về điện thoại di động Được thành lập vào năm 1998 với mục tiêu là cung cấp một tiêu chuẩn chung và cho phép tiếp thị cho một kỷ nguyên mới về thiết bị không dây, hiện nay các nhà sản xuất được cấp phép hệ điều hành Symbian bao gồm Nokia, Siemens, Panasonic, Sony Ericsson, Motorola, Samsung, vv Hình dưới đây cho thấy các nhà sản xuất được cấp giấy phép Symbian OS

Hình 2.7 Các hãng có sử dụng hệ điều hành Symbian [13]

Hệ điều hành Symbian là một hệ điều hành được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị di động Một thiết bị dựa trên hệ điều hành Symbian có một số lớp phần mềm và phần cứng để xử lý các khía cạnh khác nhau của thiết bị như giao diện người dùng (UI), kỹ thuật xử lý dữ liệu ứng dụng, chức năng của hệ thống lõi,

xử lý và điều khiển thiết bị và ứng dụng phần cứng

Hệ điều hành Symbian có một số đặc điểm đáng kể Nó chạy trên thiết bị

sử dụng nguồn pin tiêu thụ điện năng thấp Được thiết kế cho các thiết bị với yêu cầu có bộ nhớ hạn chế Các bộ thiết kế có thể xây dựng các ứng dụng riêng bởi vì Symbian là một hệ điều hành mở Độ tin cậy và độ ổn định là đáng kể, các ứng dụng có thể chạy trong nhiều năm mà không bị đóng lại, thành phần cơ bản trợ giúp hệ điều hành có thể chạy trên nhiều nền

Phần mềm của một thiết bị điển hình hệ điều hành Symbian được chia thành một số lớp như sau:

Hình 2.8 Cấu trúc của phần mềm Symbian OS v6.1 nền S60 [12]

Ghi chú: - HSCSD High Speed Circuit Switched Data

- KVM Virtual Machine

2.3.2 Nền tảng thiết kế của hệ điều hành Symbian S60

Series 60 Developer Platform mô tả cho một thiết bị đầu cuối di động với nển khác nhau Được thiết kế đặc biệt xung quanh khả năng xử lý các thiết bị cầm tay bằng cách sử dụng một giao diện người dùng trực quan Nó định nghĩa một số yêu cầu tối thiểu cho nhà sản xuất, chẳng hạn như màn hình màu và bàn phím Nó để dành nhiều tính năng cho các nhà sản xuất và nhà cung cấp dịch vụ

để phân biệt sản phẩm của họ

Series 60 Developer Platform cung cấp một nền tảng dựa trên các tiêu chuẩn có sức mạnh, ổn định mà các nhà thiết kế có thể sử dụng để xây dựng các ứng dụng cho nhiều loại thị trường, từ giải trí đến doanh nghiệp Phát triển ứng dụng trên Series 60 Developer Platform là một đầu tư tốt, bởi vì Platform được thiết kế để làm việc trên các thiết bị hiện tại và tương lai sau này Các nhà thiết

kế ứng dụng cho Platform có thể sẽ hỗ trợ nhiều loại thiết bị tương lai phù hợp với các chi tiết kỹ thuật [14]

Các tính năng chính của nền Series 60 có thể được tóm tắt như:

- 176 x 208 điểm ảnh trên màn hình màu

- Có khả năng vận hành bởi một thiết bị cầm tay

- Nhắn tin internet, email bằng cách sử dụng giao thức POP3, IMAP4, SMTP, và SMS

- Các giao thức điện thoại di động: Thoại 2G và dữ liệu chuyển mạch kênh, 2.5G dữ liệu chuyển mạch gói và tin nhắn SMS

- Giao thức truyền thông TCP/IP, WAP, Bluetooth, hồng ngoại, nối tiếp,

vv

Hình 2.9 cho thấy giao diện mô phỏng của hệ điều hành Symbian S60 FP2, nó gần giống như một chiếc điện thoại thực sự về hiển thị và các phím chức năng Bộ mô phỏng cho phép xem và thử nghiệm các ứng dụng trên máy tính trước khi cài đặt chúng vào một thiết bị thực Nó cung cấp một giao diện đồ họa của một điện thoại thực tế và chức năng điện thoại để thử nghiệm ứng dụng của bạn Các bộ mô phỏng mô tả các hoạt động của một ứng dụng trên điện thoại thật chính xác do đó mà phát triển ứng dụng có thể được thực hiện ngay cả trước khi có sẵn một chiếc điện thoại

Hình 2.9 Mô phỏng bộ thiết kế S60

2.3.3 Phát triển các ứng dụng trên nền S60

Các ứng dụng có thể được chia thành một giao diện người dung (UI) Giao diện người dùng được sử dụng để đưa dữ liệu hiện thời tới người dùng Kỹ thuật này có liên quan với thao tác dữ liệu và các hoạt động khác Vì vậy nó có thể được tái sử dụng bởi các ứng dụng khác (nếu nó được xây dựng như một file được chia sẻ) Các cấu trúc cơ bản của một ứng dụng được thể hiện trong hình

Năm chiều hướng chính cho di chuyển và chọn các ứng dụng

Phím mềm bên trái - kích hoạt chức năng hiển thị bên trái (trong trường hợp thoát ra)

- Văn bản

- Ứng dụng

- Ứng dụng UI (hoặc AppUI)

Hình 2.11 Cấu trúc ứng dụng cơ bản

nền Series 60 Mỗi nền Series 60 và ứng dụng hệ điều hành Symbian có sẵn bộ lập trình C++ Ngoài ra, C++ còn cho hiệu suất tốt nhất và tiết kiệm bộ nhớ nhất

Từ khi Java đƣợc thiết kế để chạy trên các thiết bị Có một số thỏa hiệp trong các chức năng chung của nó Không thể có một ứng dụng Java, ví dụ, truy cập vào tất cả các tính năng của một thiết bị, chẳng hạn nhƣ cơ sở dữ liệu liên lạc hay lập lịch Hơn nữa, một số phần mềm miễn phí hỗ trợ cho sự phát triển ứng dụng có thể đƣợc tải về từ trang web của Nokia

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN DỰ ÁN PCS7

Chương này mô tả quá trình xây dựng một chương trình mô phỏng thực hiện quá trình tự động bơm đầy nước vào một bể bằng cách bơm nước từ hồ chứa được chọn Quá trình tự động hóa yêu cầu phải tiến hành xây dựng một chương trình PLC để điều khiển các mô hình vật lý Sau đó, bổ sung một trạm SCADA được thực hiện trong WinCC có đầy đủ quyền truy cập để theo dõi và kiểm soát mô hình từ xa

3.1 Miêu tả mô hình

Hình 3.1: Biểu đồ quá trình xử lý nước Biểu đồ cấu trúc của mô hình được hiển thị trong Hình 3.1 Mô hình này bao gồm một bể chứa nước (Tank-1), một hồ chứa nước (Tank-2), máy bơm, bộ

đo áp suất vi sai, valve 1, valve 2 và các ống dẫn Trong chế độ tự động, valve 2 (van xả 2) sẽ mở để xả nước từ Tank-1 xuống Tank-2 cho tới khi vượt quá 20% tổng áp lực bể; sau đó sẽ đóng lại, đồng thời mở valve 1 (van 1) và máy bơm tự động bơm nước vào Tank-1 khi mức áp suất trong bể nhỏ hơn 20% và tự động

ngắt khi áp suất lớn hơn 80% so với tổng áp lực của bể; Trong khi đang chạy máy bơm, van-2 đóng để kiểm soát mức nước của hồ Van 1 luôn luôn mở để đo

áp suất vi sai Bộ đo áp suất vi sai có vai trò như là một thước đo mức nước Trong suốt quá trình van 1 luôn luôn mở, thì áp suất của mức nước trong Tank-1

sẽ được đo bởi bộ đo áp suất vi sai, tín hiệu này được gửi tới PLC để phân tích quá trình

Ngược lại sẽ là chế độ bằng tay: Điều khiển theo chu trình dưới (xem phần 3.2 dưới)

3.2 Nguyên lý hoạt động

Có 2 chế độ hoạt động là chế độ tự động (Auto) và chế độ điều khiển bằng tay (Manual)

Chế độ nhân công: phụ thuộc vào công tắc chuyển tuyến T1, T2:

Tuyến T1: hệ thống hoạt động theo chế độ tuyến 1 (xem chú thích ở dưới)

Tuyến T2: hệ thống hoạt động theo chế độ tuyến 2 (xem chú thích ở dưới)

Chế độ tự động: hoạt động theo biểu đồ sau:

- Chế độ tự động: Sau khi nhấn nút ON (I0.0) hệ thống sẽ hoạt động theo

chu trình như sau: Mở van xả 2 (Q4.1) cho nước từ Tank-1 chảy xuống Tank-2, sau thời gian T1 đặt trước thì đóng van xả 2, đồng thời mở máy bơm nước từ Tank-2 lên Tank-1, sau thời gian T2 đặt trước thì ngắt máy bơm nước và mở van

xả 2 ra trong thời gian T3 Chu trình lặp lại liên tục như trên cho tới khi nhấn OFF (I1.1) để dừng hệ thống

- Chế độ điều khiển bằng nhân công: Nhấn nút ON (I0.0) Chọn chế độ

Nếu chọn công tắc cho tuyến T1 (I0.4 = 1) sẽ hoạt động theo nguyên tắc được trình bày ở dưới

Nếu chọn công tắc tuyến T2 (I0.5 = 0) sẽ hoạt động theo nguyên tắc được trình bày ở dưới

Cả hai chế độ sẽ dừng hoạt động khi nhấn nút OFF (I1.1 = 1)

Bảng 3.1 Bảng chú thích các kí hiệu vào/ra của PLC S7 300:

Nguyên tắc hoạt động:

- Chế độ nhân công: I0.0 = 1; I0.3 = 1

Nhấn nút ON (I0.0 có điện) rồi chọn Tuyến 1 hay Tuyến 2 tùy ý

TUYẾN 1: (I0.4 = 1),

- Mở van xả 1, đóng van xả 2, đóng máy bơm

- Mở van xả 1, đóng van 2, mở máy bơm

- Mở van 1, mở van 2, đóng máy bơm

TUYẾN 2: (I0.5 = 1),

- Mở van 1, đóng van xả 2, mở máy bơm nước

- Mở van 1, mở van 2, đóng máy bơm nước

- Mở van 1, đóng van 2, mở máy bơm nước

- Chế độ tự động: I0.0 = 1, I0.3 = 0

Sơ đồ kết nối các đầu vào/đầu ra với PLC S7-300 CPU 314

Hình 3.2 Kết nối các đầu vào/ra của PLC Khi nhấn nút ON (I0.0) thì Timer On Delay T1 có điện, ngõ ra Q4.0, Q4.1

có điện, van 1 và van 2 mở nước xả từ Tank-1 xuống Tank-2 Sau thời gian T1 Timer On Delay tác động, mở và đóng các tiếp điểm thường mở và thường đóng của nó Timer On Delay T2 bắt đầu có điện và đếm thời gian, ngõ ra Q4.1 mất điện, van xả 2 đóng, đồng thời ngõ ra Q4.0, Q4.4 có điện làm cho van 1 và bơm nước mở, nước được bơm từ Tank-2 lên Tank-1 Sau thời gian T2 tác động nó

COM

IN

COM OUT

P L C

S7-300

PQW304

sẽ đóng mở các tiếp điểm thường mở và thường đóng của nó để Timer On Delay T3 có điện, ngõ ra Q4.4 mất điện, máy bơm dừng, ngõ ra Q4.1, Q4.0 có điện,

mở van 1 và van 2

Sau thời gian T3 đặt trước, Timer On Delay T4 có điện, đồng thời các ngõ

ra của hệ thống sẽ được Reset (Q4.0, Q4.1, Q4.4 mất điện) Sau thời gian T4 đặt trước thì Timer On Delay tác động, Reset Timer On Delay T1, các Timer khác cũng mất điện, hệ thống trở về trạng thái hoạt động ban đầu

Cả hai chế độ sẽ ngừng hoạt động khi nhấn nút OFF (I1.1 = 1)

Một số nguyên tắc hoạt động ràng buộc khi vận hành thực tế (trong quá trình mô phỏng sẽ không xét hết các ràng buộc thực tế này do đó phải dùng Timer On Delay T1, T2, T3, T4 thay thế):

- Ở chế độ tự động, máy bơm bật bất cứ khi nào đo áp suất của bể chứa 1

là thấp hơn 20% tổng áp lực của bể và tắt máy ở áp suất là 80% Trong trạng thái ban đầu, van 2 được mở ra để thoát nước trong bể chứa 1 đến thấp hơn 20%, sau đó nó được đóng lại và máy bơm sẽ bắt đầu làm việc

- Ở chế độ thủ công, người vận hành có thể thực thi hai van và máy bơm với một số ràng buộc an toàn ví dụ như máy bơm không thể bắt đầu nếu mức áp suất của bể chứa 2 thấp hơn 10% hoặc van 2 sẽ không mở nếu bể chứa 1 có áp suất thấp hơn 10%

- Bộ phát áp suất vi sai gửi các áp lực thực tế tới PLC nơi nó được tính toán để điều khiển mô hình cũng như để hiển thị trong HMI

- Các chế độ bảo vệ được xây dựng để tắt máy bơm, nếu tràn nước xảy ra trên bể chứa 1 hoặc mức nước của hồ chứa1 là quá thấp

3.3 Các lưu đồ thuật toán điều khiển chương trình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Power ON No

END

Hình 3.4 Lưu đồ hoạt động thủ công (Manual)

START Timer = T1 ?

Hình 3.5 Lưu đồ điều khiển theo chế độ tự động

Toàn bộ phần cứng được mô tả như sơ đồ dưới đây:

Hình 3.6 Sơ đồ phần cứng trạm SIMATIC S7-300

3.5 Lập trình SIMATIC S7

Toàn bộ chương trình viết trên SIMATIC Manager như sau: