Luận án tự động hoá họng rót trạm bơm xăng dầu với PLC và quẹt thẻ

Khi tài xế lái xe vào vị trí họng rót thì sẽ thực hiện quẹt thẻ, lúc này các thông số cần cài đặt được hiển thị và đưa vào hệ thống điều khiển, từ đó chạy ra các thông số cần thiết, sau khi rót xong nhân viên tiến hành in tích kê xăng dầu và xuất hoá đơn.

Mục lục

Mở đầu 7

1 Đặt vấn đề 7

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn 8

2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 8

2.2 Nhiệm vụ nghiêm cứu của đề tài 8

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát 10

1.1 Định nghĩa hệ thống SCADA 10

1.2 Phân loại hệ thống SCADA 10

1.3 Những chuẩn để đánh giá một hệ thống SCADA 11

1.4 Cấu trúc chung của hệ SCADA 13

1.5 Mô hình phân cấp chức năng 15

1.5.1 Mô hình phân cấp 15

1.5.2 Chức năng nhiệm vụ từng cấp 17

1.6 Kết luận 19

Chương 2: Hiện trạng hệ thống giám sát nhiên liệu tại các trạm xăng, dầu 20

2.1 Hiện trạng các hệ thống xuất nhập dầu hiện nay 20

2.2 Đề xuất giải pháp 21

Chương 3: Giải pháp thực hiện 22

3.1 Lựa chọn cấu trúc phần cứng 22

3.1.1 Sơ đồ cấu trúc phần cứng 22

3.1.2 Quy trình hoạt động của hệ thống 23

3.1.3 Lựa chọn PLC 23

3.1.4 Lựa chọn màn hình HMI 31

3.2 Phần mềm TIA portal V14 35

3.3 Lưu đồ thuật toán 37

3.4 Xây dựng chương trình trên phần mềm 39

3.4.1 Bảng định địa chỉ đầu vào và đầu ra 39

3.4.2 Chương trình đo và tính toán 40

3.4.3 Thiết kế giao diện cho màn hình HMI 46

3.5 Quy trình xuất nhiên liệu tại bến 49

3.6 Khảo sát thực nghiệm 50

Chương 4: Kết luận, đánh giá 52

4.1 Kết luận 52

4.2 Kiến nghị 52

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1: Cấu trúc chung hệ SCADA 13

Hình 1.2: Tổ chức truy cập của hệ SCADA 14

Hình 1.3: Mô hình phân cấp hệ thống SCADA 15

Hình 2.1: Quá trình xuất nhiên liệu lên các xe chuyên dụng 20

Hình 3.1: Cấu trúc phần cứng 22

Hình 3.2: Signal boards 24

Hình 3.3: Signal module 25

Hình 3.4: CPU và các module của S7-1200 25

Hình 3.5: Module mở rộng tín hiệu vào/ra 26

Hình 3.6: Module Analog 26

Hình 3.7: PLC S7-1200 27

Hình 3.8: Màn hình HMI 31

Hình 3.9: Hệ thống giám sát sử dụng HMI 32

Hình 3.10: Màn hình HMI Siemens 33

Hình 3.11: Màn hình HMI KTP700 BASIC DP – 6AV2123-2GA03-0AX0 34

Hình 3.12: Phần mềm TIA PORTAL V14 35

Hình 3.13: CT con đo và tính toán thể tích Dầu 37

Hình 3.14: Chương trình chính 37

Hình 3.15: CT con đo và tính toán thể tích Xăng 37

Hình 3.16: CT con đo nhiệt độ Dầu 38

Hình 3.17: CT con đo nhiệt độ Xăng 38

Hình 3.18: Khởi tạo bộ đếm tốc độ cao HSC 40

Hình 3.19: Cấu hình cho bộ điếm HSC 1 41

Hình 3.20: Cấu hình cho đếm HSC 2 41

Hình 3.21: Đặt thời gian cho HSC 42

Hình 3.22: Setup chân CV làm chân RESET của HSC 1 42

Hình 3.23: Chuyển đổi và tính toán thể tích xăng 43

Hình 3.24: Setup chân CV làm chân RESET của HSC 2 43

Hình 3.25: Chuyển dổi và tính thể tích dầu 44

Hình 3.26: Chuyển đổi nhiệt độ 44

Hình 3.27: Đo nhiệt độ dầu 45

Hình 3.28: Đo nhiệt độ Xăng 45

Hình 3.29: Setup dữ liệu để hiển thị ra màn hình HMI 46

Hình 3.30: Tạo các đối tượng trong giao diện chính 46

Hình 3.31: Thêm các đối tượng 47

Hình 3.32: Giao diện màn hình khi có đơn hàng 47

Hình 3.33: Xác nhận thông tin đơn hàng 48

Hình 3.34: Hoàn thành nhập đơn 48

Danh mục bảng Bảng 3.1: Định địa chỉ đầu vào 39

Bảng 3.2: Định địa chỉ đầu ra 39

Thiết bị tự động được thiết kế để phục vụ các dây chuyền sản xuất tự động tại cácnhà máy: trạm xăng dầu, xi măng, sắt thép, nước giải khát, dược phẩm, nhà máybia, cung cấp lắp đặt thiết bị hạ tầng tự động……

Vì vậy, các nhà sản xuất trên thế giới cho ra đời các loại PLC, cáp lập trình,motor, van điện để đáp ứng nhu cầu của các nhà máy Việc hoạt động liên tụccủa máy móc làm cho quá trình hoạt động thiết bị tự động bị giảm chất lượng, vìvậy ngành thiết bị điện tự động ra đời để kịp phục vụ cho quá trình sản xuất củanhà máy

Xăng dầu là loại hàng hóa quan trọng vì xăng dầu là yếu tố đầu vào quan trọng vàchưa thể thay thế được của sản xuất, xăng dầu là năng lượng phục vụ dân sinh,quốc phòng và an ninh.

Như chúng ta đã biết nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến mật độ xăng dầu từ tình hìnhthực tế việc nghiên cứu thiết kế và hoàn thiện hệ thống đo và kiểm soát nhiệt độ,lưu lượng khi xuất xăng dầu sẽ giảm được những tổn hao, kiểm soát được xăngdầu tốt hơn Vì vậy em đã chọn đề tài luận văn của mình là: “Nghiên cứu thiết kế

hệ thống tự động hóa, hệ thống giám sát nhiệt độ và thể tích áp dụng cho kho cảng xăng dầu sông giang-petrolimex Quảng Bình”.

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn

1.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài

 Nghiên cứu cấu trúc của hệ thu thập và giám sát dữ liệu, từ đó làm cơ sởthiết kế hệ thống giám sát tự động, ứng dụng cho kho cảng xăng dầu sông Giang -Petrolimex Quảng Bình

 Nâng cao khả năng thực hiện các dự án tự động hoá trong cảng xăng dầucũng như trong các nhà máy công nghiệp khác

 Giúp nâng cao khả năng nghiên cứu của giảng viên để nâng cao chất lượngđào tạo cho sinh viên của các ngành: Năng lượng, tự động hoá, hệ thống điện…

 Là giáo cụ dạy học cho sinh viên ngành năng lượng, tự động hoá và hệ thốngđiện

 Hệ thống này là mô hình thu nhỏ của các cảng or trạm xăng dầu, do vậy sẽgiúp sinh viên sau khi ra trường có thể làm quen và tiếp cận công nghệ sản xuấttrong các nhà máy điện một cách nhanh nhất

1.2 Nhiệm vụ nghiêm cứu của đề tài

 Tìm hiểu cấu trúc của hệ thu thập và giám sát dữ liệu

 Khảo sát hệ thống tự động hóa, hệ thống giám sát nhiệt độ và thể tích ápdụng cho kho cảng xăng dầu sông giang-petrolimex Quảng Bình

 Khảo sát các điểm đo: (nhiệt độ, điện áp, dòng điện, tốc độ ), lựa chọn cáccảm biến sử dụng cho hệ thống

 Nghiên cứu thiết bị điều khiển quá trình.

 Nghiên cứu phần cứng và phần mềm SIMATIC S7 – 1200

 Nghiên cứu phần mềm giao diện điều khiển HMI của hãng SIEMENS

 Nghiên cứu thực nghiệm

 Khảo sát, thực nghiệm quan hệ đặc tuyến của các cảm biến với các chỉ sốtrong PLC

 Xây dựng chương trình phần mềm giám sát tự động cho hệ thống trên nền hệthiết bị điều khiển logic khả trình (PLC S7 – 1200)

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát1.1 Định nghĩa hệ thống SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống điều khiểngiám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con ngườitrong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự độngthông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệthống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người và máy (HMI -Human Machine Interface)

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng khôngchỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diệnngười và 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 chạm (TP - Touch Panel), Multi Panel chuyên dụng

-được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống 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 như vậy thì hệ truyền thông vàphần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong nhữngnăm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và côngnghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mớinên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công

cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

1.2 Phân loại hệ thống SCADA

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

thông tin thời gian thực

Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA:

Hệ thống SCADA mù (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 dữ liệu bằng đồthị Do tính đơn giản nên giá thành thấp

Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây là hệ thốngSCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máykhai báo trước đây mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thốngsản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự

cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽphát ra tín hiệu điều khiển dừng 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 được một hoặc hai máy móc Vì vậy

hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với

nhiều bộ vi xử lý Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này có khảnăng điều khiển được nhiều nhóm máy móc, tạo nên dây chuyền sản xuất Quamạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển,

có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết

kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa

1.3 Những chuẩn để đánh giá một hệ thống SCADA

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tíchcác 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 dựng cácmàn hình giao diện

 Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập

và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành,sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường)

 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), lưu 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 nềnWindows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm WINCC

1.4 Cấu trúc chung của hệ SCADA

Hình 1.1: Cấu trúc chung hệ SCADA

Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vaitrò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Còn hệ thống điềukhiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy Các thiết bị và các bộ

phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point)

hoặc qua mạng truyền thông Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhịphân, tín hiệu số hoặc tương tự Khi xử lý trong máy tính, chúng phải đượcchuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính

Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và

các cơ cấu chấp hành

Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ

điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều

chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần

mềm điều khiển tương ứng

Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người và máy

HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

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

trường, bus hệ thống

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

Hình 1.2: Tổ chức truy cập của hệ SCADA

1.5 Mô hình phân cấp chức năng

1.1.1 Mô hình phân cấp

Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năngnhư hình vẽ minh hoạ dưới đây:

Hình 1.3: Mô hình phân cấp hệ thống SCADA

Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hoá của một hệ thống điều khiển vàgiám sát người ta thường sử dụng mô hình như trên Với loại mô hình này cácchức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên Càng ở nhữngcấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu caohơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thựchiện dựa trên các chức năng ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần traođổi và xử lý lại lớn hơn nhiều

Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết

bị Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có môhình phân cấp chức năng

Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động

và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảmbiến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường -truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử

lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lêncấp trên điều khiển

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ

cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kếtquả xuống các bộ chấp hành Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo l-ường, tự thực hiện các thao tác nhấn nút mở, đóng van, điều chỉnh cần gạt, númxoay…Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin Cấp điều khiển vàcấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (Field level) chính vì các bộ điềukhiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệthống kỹ thuật

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

thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theodõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra trong một

số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điềukhiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Việc thực hiệncác chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện,thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường

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

tổng thể kể cả ở các cấp điều hành sản xuất và quản lý công ty, việc tích hợp hệthống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trong mô hình chức năng trởnên cần thiết Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp điều hành sản xuất nhiều khi không

rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất gọichung là cấp điều hành

1.1.2 Chức năng nhiệm vụ từng cấp

Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân nhiệm thành nhiềucấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển riêng lênnhững đối tượng trong hệ thống Các đối tượng máy móc thường lắp đặt trong địaphương của cấp quản lý phân xưởng xí nghiệp cấp dưới đồng thời cũng có mộtđặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc giám sát, điều khiển của cấp trên về mặtsản xuất nhưng cũng thuộc sự giám sát, điều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hànhchuẩn đoán và bảo dưỡng của các cấp khác thấp hơn Những điều này là cơ sở chỉđạo cho việc tổ chức các cấp SCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay Nhữngnguyên tắc chính sau:

Thông thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý được trợ giúp tự động hoábằng một hệ SCADA của cấp ấy Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới thấp sẽthực hiện việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại rõ máymóc thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào Các số liệu phânloại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấp trên theo nhịpgọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập dữ liệu, hiểnthị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp

Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính được ra cáclệnh thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng của mình, qua

hệ truyền tin gửi lệnh đó đến cấp SCADA có liên quan để thực hiện Để giải quyếtnhững bài toán điều khiển phân tích riêng này của mình, thì SCADA mỗi cấp th-ường được trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên

dụng Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp để giải bàitoán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành và cho hệ SCADA.

Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:

Thứ nhất: là thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và

tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, sựkiện thao tác, báo động)

Thứ hai: là dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển, giám sát

hệ sản xuất

Thứ ba: là hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn hình, trang

đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất)

Thứ tư: là điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng cắt các máy móc thiết bị,

tăng giảm nấc phân áp)

Thứ năm: là thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài (đọc viết

số liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu cầu của cấp

trên về số liệu, về thao tác hệ)

Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động hoáviệc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công nghiệp Tuỳtheo yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xây dựng hệ SCADA thực

hiện một số những nhiệm vụ tự động hoá như: thu thập giám sát từ xa về đối ượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý.

Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối với các bộ phậnphần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA Cụ thể là phần đo, giámsát từ xa cần bảo đảm thu thập dữ liệu hiển thị in ấn đủ những số liệu cần choquản lý kỹ thuật

Phần điều khiển thao tác xa phải đảm bảo được việc kiểm tra đóng cắt an toàn,đúng đắn Phần truyền tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện

trường, đặc biệt là thủ tục truyền với các SCADA cấp trên.

1.2 Kết luận

Sau khi nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống điều khiển và giám sát tôi đã:

Ø Hiểu được khái quát hóa về hệ thống SCADA: là một hệ thống điều khiển giám

sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trongviệc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông th-ường

Ø Lựa chọn được hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực, làm

nòng cốt xây dựng luận văn

Ø Biết được cấu trúc chung của hệ SCADA, từ đó lựa chọn mô hình phân cấp sử dụng cho luận văn bao gồm: Cấp chấp hành; Cấp điều khiển, Cấp giám sát, hiển thị và cảnh báo.

Chương 1: Hiện trạng hệ thống giám sát nhiên liệu tại các

trạm xăng, dầu.

2.1 Hiện trạng các hệ thống xuất nhập dầu hiện nay

Hình 2.4: Quá trình xuất nhiên liệu lên các xe chuyên dụng

Trong thời kỳ công nghệ phát triển như hiện nay, lĩnh vực tự động hóa có nhiềucải tiến và đột phá Và việc áp dụng các hệ thống tự động hóa sang các lĩnh vựckhác là vô cùng bức thiết Thực tế, đã có rất nhiều hệ thống tự động hóa được ápdụng, nhưng điển hình là hệ thống SCADA có nhiệm vụ là giám sát nhiệt độ vàthể tích cho kho cảng xăng dầu sông Giang - Petrolimex Quảng Bình

Kho cảng xăng dầu Sông Gianh thuộc Công ty Xăng dầu Quảng Bình được đầu tư

và đưa vào sử dụng năm 1999 Kho cảng có sức chứa 5.000 m3 với sản lượngluân chuyển qua kho đạt từ 55.000 đến 60.000 m3/năm

Kho cảng tiếp nhận xăng dầu bằng đường thủy từ kho Bến Thủy (Công ty Xăngdầu Nghệ An) và Kho cảng B12 (Công ty xăng dầu B12) nhằm đảm bảo nguồnxăng dầu cung ứng cho địa bàn tỉnh Quảng Bình; góp phần hợp lý hóa khâu vậnchuyển tạo nguồn và giảm chi phí vận chuyển

Hàng ngày, kho cảng xuất hàng ra xe ôtô Xitéc thông qua 02 cần xuất (01 cần xuấtxăng và 01 cần xuất dầu) với tần suất khoảng 20 chuyến/ngày bằng phương phápthủ công: Dung tích đo bằng lưu lượng kế Ovan; Nhiệt độ đo bằng nhiệt kế thủyngân Cụ thể, mỗi lần công nhân xuất hoặc nhập nhiên liệu phải thực hiện đóng

mở van thủ công bằng tay không thể đảm bảo được độ chính xác, cùng với đó cácthông số của nhiên liệu về nhiệt độ, thể tích, lưu lượng, thông tin đơn hàng, … đòihỏi người công nhân phải tự quan sát và ghi nhớ sau đó ghi lại ra giấy để gửi lại

bộ phận kinh doanh từ đây dữ liệu đơn hàng mới được nhập lên hệ thống máy tính

để quản lý

Như vậy trong một khoảng thời gian ngắn người công nhân cùng lúc phải xử lýnhiều thao tác dẫn đến tình trạng sai sót về số liệu là không thể tránh khỏi và lãngphí thời gian trong quá trình nhập xuất

Đồng thời trong quá trình xuất nhập hàng, người công nhân phải tiếp xúc trực tiếpvới hóa chất về lâu dài sẽ rất ảnh hưởng đến sức khỏe Qua quy trình trên cho thấyquy trình xuất nhập hàng phụ thuộc phần lớn vào con người việc áp dụng hệ thống

 Chưa có sự kết nối chặt chẽ giữa Hệ thống thông tin quản lý, kinh doanh và

bộ phận xuất hàng tại họng xuất;

 Công nhân vận hành do phải quan sát trực tiếp lượng hàng tại miệng xe nênchịu tác động lớn của hơi xăng dầu tới sức khoẻ

2.2 Đề xuất giải pháp

Với nhiều hạn chế và rủi ro như vậy, việc áp dụng khoa học công nghệ, trang thiết

bị tiên tiến, hiện đại hoá, nhằm giảm tối thiểu các hao hụt, chống thất thoát hànghóa, đồng thời cải thiện văn minh thương mại trong quá trình kinh doanh, nângcao hiệu quả sản xuất kinh doanh của Kho cảng Sông Gianh là rất cần thiết vàquan trọng

Vậy yêu cầu đặt ra cho chúng ta bây giờ là phải sử dụng hệ thống tự động hóa nào

để khắc phục được những hạn chế đang tồn đọng ở kho cảng xăng dầu sông Giang

- Petrolimex Quảng Bình Nổi bật trong các hệ thống có hệ thống SCADA vớinhiều ưu điểm:

 Hệ thống có độ an toàn, tin cậy cao để phục vụ liên tục và ổn định cho quátrình sản xuất

 Hệ thống có độ chính xác cao trong đo đạc, cấp hàng giảm tỷ lệ hao hụt tớimức thấp nhất

 Hệ thống Tự động hoá phải đảm bảo việc xuất hàng được nhanh chóng vàthuận tiện, giảm tác động chủ quan của con người, nâng cao năng xuất lao động.Tăng cường khả năng giám sát quá trình xuất hàng và kiểm tra sự cố

 Hệ thống phải lưu trữ được số liệu trong quá trình xuất hàng (lượng thựcxuất, nhiệt độ trung bình ) và kết nối được với hệ thống thông tin quản lý giúpcho công tác quản lý chặt chẽ, chính xác, nhanh chóng và thuận tiện

 Hệ thống tự động hoá điều khiển động cơ bơm, điều khiển van, đóng hàng tựđộng một cách chính xác theo lượng hàng đặt trước

Chương 1: Giải pháp thực hiện3.1 Lựa chọn cấu trúc phần cứng.

3.2.1 Sơ đồ cấu trúc phần cứng

Hình 3.5: Cấu trúc phần cứng

3.2.2 Quy trình hoạt động của hệ thống.

3.2.3 Lựa chọn PLC

a Tổng quan về PLCS7-1200

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trìnhđược cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua mộtngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tựcác sự kiện các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhận kích thích tác động vàoPLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm.Một sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OF các thiết bị điều khiển bênngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trongchương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ởngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chếtạo bộ điều khiển PLC nhằm thỏa mãn những yêu cầu sau:

+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

+ Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.+ Hoàn toán tin cậy trong môi trường công nghiệp

+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, cácmodule mở rộng

b Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200

Signalboards

Hình 3.6: Signal boards

Hình 3.8: CPU và các module của S7-1200

- Tích hợp cổng truyền thông Profinet tạo ra sự dễ dàng kết nối

- Simatic S7-1200 với Simatic HMI Basic lập trình chung trên một phần mềm

là TIA Portal Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo-thả, do đó tạo sự dễdàng cho ngưiời sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong sự kếtnối theotags

- Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộngứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phầncứng

- Dễ dàng cho người sử dụng sản phẩm trong việc mua gói thiết bị

 Phạm vi ứng dụng của SimaticS7-1200

- S7 – 1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C Mỗi loại CPU cónhững tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng

- Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là DC/DC/DC.

- Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copychương trình ứng dụng hay cập nhật

- Chuẩn đoán lỗi online/offline

d Modules mở rộng tín hiệu vào/ra

Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp và phía bên phải củaCPU Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, linh hoạt trong sửdụng S7-1200 Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục

Hình 3.9: Module mở rộng tín hiệu vào/ra

Hình 3.10: Module Analog

Tất cả PLC đều có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAM bên trong,một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các moduleI/O

Bên cạnh đó, một số PLC hoàn chỉnh còn đi kèm theo một đơn vị lập trình bằngtay hay máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa

đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lạp trình là dơn

vị sách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình

đã được kiển tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối vớicác PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc và kiểm trachương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS 232, RS 485, …

Hình 3.11: PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic lập trình PLC là 1 giải pháp điều khiển linh hoạt vàmạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu như bất kì ứng dụng nào hiện nay Khi thiết bịđược kích hoạt (trạng thái ON hoặc OFF do thiết bị điều khiển vật lý bên ngoài).Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp chương trình (vòng lặp) do người dùngcài đặt sẵn và chờ các tín hiệu xuất hiện ở ngõ vào và xuất ra các tín hiệu ở ngõ ra.Vậy với nhiều phiên bản với cấu hình và chức năng khác nhau chúng ta lựa chọnphiên bản PLC S7 1200 nào để sử dụng cho hệ thống Sau khi tìm hiểu kỹ về dòngPLC S7 – 1200, chúng ta sẽ sử dụng phiên bản PLC S7 – 1200 1215C DC/DC/DCvới cấu hình chi tiết như sau:

- Là dòng PLC cải tiến thế

của Siemen rất phổ biến trên thị trường

- Với 14 đầu vào số DI và 10 đầu ra só DO tích hợp sẵn trên thiết bị

- Bộ cấp nguồn hoạt động cho bộ điều khiển PLC là nguồn 24V DC

- Tích hợp 2 cổng kết nối Profinet phục vụ mục đích kết nối các thiết bị PLCvới nhau hay kết nối các thiết bị điều khiển đọc và ghi tín hiệu về lẫn kết nối vớiCPU và HMI Nâng cấp so với các dòng thiết bị cũ chỉ có 1 cổng Profinet

- Có 2 cổng đầu vào Analog (AI) tích hợp sẵn trên thiết bị đọc các tín hiệuAnalog có dải từ 0-10V Phục vụ người dùng đọc tín hiệu về từ cảm biến màkhông cần dùng module Analog mở rộng

- Và có 1 số tính năng nổi bật so với các dòng trước 1212 và 1214 là:

Bộ điều khiển mở rộng từ S7 với phương án mở rộng linh hoạt:

 1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB)

 8 mô đun tín hiệu (SM)

 Có thể có lớn nhất 3 modun truyền thông (CM)

Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

 Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

 Hỗ trợ 16 kết nối ethernet

 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.

Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đolường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ láiservo (servo drive)

 Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hayđiều khiển nhiệt độ…

 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển(auto-tune functionality)

Thiết kế linh hoạt:

 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trựctiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước

hệ điều khiển

 Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông,

vd module RS232 hay RS485, 125KB work memory, 4MB load memory

 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trìnhứng dụng hay khi cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online / offline

3.2.4 Lựa chọn giao diện giám sát Scada

3.2.4.1 Giới thiệu phần mềm visual studio

Visual studio là một trong những công cụ hỗ trợ lập trình website rất nổi tiếngnhất hiện nay của Mcrosoft và chưa có một phần mềm nào có thể thay thế được

nó Visual Studio được viết bằng 2 ngôn ngữ đó chính là C# và VB+ Đây là 2ngôn ngữ lập trình giúp người dùng có thể lập trình được hệ thống một các dễdàng và nhanh chóng nhất thông qua Visual Studio

Visual Studio là một phần mềm lập trình hệ thống được sản xuất trực tiếp

từ Microsoft Từ khi ra đời đến nay, Visual Studio đã có rất nhiều các phiên bản sửdụng khác nhau Điều đó, giúp cho người dùng có thể lựa chọn được phiên bảntương thích với dòng máy của mình cũng như cấu hình sử dụng phù hợp nhất.Bên cạnh đó, Visual Studio còn cho phép người dùng có thể tự chọn lựa giao diệnchính cho máy của mình tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng

3.2.4.2 Một số tính năng của phần mềm Visual Studio

(*) Biên tập mã

Giống như bất kỳ một IDE khác, Visual Studio gồm có một trình soạn thảo mã hỗtrợ tô sáng cú pháp và hoàn thiện mả bằng các sử dụng IntelliSense không chỉ chocác hàm, biến và các phương pháp mà còn sử dụng cho các cấu trúc ngôn ngữnhư: Truy vấn hoặc vòng điều khiển

Bên cạnh đó, các trình biên tập mã Visual Studio cũng hỗ trợ cài đặt dấu trangtrong mã để có thể điều hướng một cách nhanh chóng và dễ dàng Hỗ trợ các điềuhướng như: Thu hẹp các khối mã lệnh, tìm kiếm gia tăng,…

Visual Studio còn có tính năng biên dịch nền tức là khi mã đang được viết thìphần mềm này sẽ biên dịch nó trong nền để nhằm cung cấp thông tin phản hồi về

cú pháp cũng như biên dịch lỗi và được đánh dấu bằng các gạch gợn sóng màu đỏ

(*) Trình gỡ lỗi

Visual Studio có một trình gỡ lỗi có tính năng vừa lập trình gỡ lỗi cấp máy và gỡlỗi cấp mã nguồn Tính năng này hoạt động với cả hai mã quản lý giống như ngônngữ máy và có thể sử dụng để gỡ lỗi các ứng dụng được viết bằng các ngôn ngữđược hỗ trợ bởi Visual Studio

3.2.4.3 Giải pháp kết nối Visual studio với PLC S71200

3.1.4.3.1 Giới thiệu giải pháp

Hiện nay các hãng PLC đã đưa ra các Dynamic Link Library(dll) để kết nối cácdòng PLC của hãng với các phần mềm biên soạn thuật toán

Ưu điểm khi sử dụng Visual để giám sát Scada:

 Giảm chi phí license của hãng

 Chương trình nhẹ, có thể chạy trên mọi hệ điều hành

 Dễ dàng quản lý cơ sở dữ liệu và in ấn báo cáo

Nhược điểm:

 Yêu cầu cao đối với người lập trình

 Tự xây dựng các chức năng cơ sở

Nội dung của bài viết thực hiện việc kết nối PLC S71200 của hãng Siemens vớiMicrosoft Visual studio thông qua Ethernet

Hình 1 Giải pháp kết nối Visual studio với PLC S71200

3.1.4.3.2 Lưu trình thực hiện

(*) Yêu cầu phần mềm

Để thực hiện được việc kết nối giữa PLC S71200 và Visual studio yêu cầu cần có

2 phần mềm:

 Phần mềm Visual studio (Microsoft)

 Phần mềm Tia portal (Siemens)

 Phần mềm Symbol factory (Software tool box)

Quy trình cài đặt các phần mềm trên có thể tham khảo trên trang chủ của cáchãng trên

Nội dung bài viết này sử dụng phần mềm Visual studio professional phiên bản

2015 và Tia portal V15.1

(*) Cấu hình thư viên Symbol cho Visual studio

Visual studio không có sẵn các thư viện symbol mà cần phải thông qua phầnmềm bên thứ 3 là Symbolfactory.net (Software tool box)

Hình 2 Phần mềm Symbol factoryBước 1: Sau khi tải symbol factory về thì tiến hành cài đặt phần mềm theo cácbước cơ bản.

Bước 2: Ở mục toolbox trong Visual Studio tiến hành thêm mới Item và đặt têncho Item đó (Symbol_factory)

Hình 3 Thêm symbol library vào Visual studio(*) Cấu hình phần cứng cho PLC S71200

Visual studio thực hiện truy cập dữ liệu của PLC S71200 thông qua các khối datablock (DB)

Vì phương thức giao tiếp dữ liệu được thực hiện theo dạng PUT/GET do đó ởphần cứng PLC phải disable các chức năng bảo mật (Protect & Security), cài đặt ởdạng full acess (No protection), và cho phép (permit) các connection mechanisms

từ bên ngoài vào

Ở mục phần cứng PLC tiến hành cấu hình như sau: