Ứng dụng scada điều khiển và giám sát hệ thống bồn trộn hóa chất sử dụng giao thức truyền thông cc link

Chúng em nhận thấy đề tài “ỨNG DỤNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BỒN TRỘN HÓA CHẤT SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG CC-LINK” là rất thiết thực và có khả năng rộng rãi nên nhóm chú

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BỒN TRỘN HÓA CHẤT SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

LỜI MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ PLC MITSUBISHI VÀ PHẦN MỀM GX-WORK 2 1

1.1 Sơ lược về lịch sử của PLC 1

1.2 PLC họ Q 2

1.2.1 Dạng module 2

1.2.2 Khả năng đa dạng 2

1.2.3 Những tính năng chính 2

1.3 Module nguồn Q61P-A2 3

1.4 Bộ xử lý (CPU) Q02HCPU 3

1.5 Module QX42 7

1.6 Module QY42P 8

1.7 Module Analog Q64AD 9

1.8 Module QJ71LP21-25 11

1.9 Module QJ61BT11N 13

1.10 Phần khung Q38B 14

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG SCADA VÀ PHẦN MỀM INTOUCH WONDERWARE 15

2.1 Hệ thống SCADA 15

2.2 Lịch sử phát triển SCADA 15

2.3 Định nghĩa về hệ thống SCADA 17

2.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển 17

2.4.1 Cấu Trúc Cơ Bản Của Một Hệ Thống SCADA 18

2.4.1.1 MTU (Master Terminal Unit) 18

2.4.1.2RTU (Remote Terminal Unit) 18

2.4.1.3 Khối truyền thông 19

2.4.2 Chức năng của hệ thống scada 19

2.4.2.1 Giám sát và phân tích hệ thống 19

2.4.2.2 Hoạt động theo chương trình điều khiển 20

2.4.2.3 Kiểm tra và đảm bảo chất lượng 20

2.4.2.4Quản lý sản xuất 20

2.5 Tính năng của hệ thống SCADA 20

2.5.1 Kiểm soát truy cập 20

2.5.2 MMI (Man Machine Interface) 20

2.5.3 Lập biểu đồ (Trending) 20

2.5.4Điều khiển báo động (Alarm Handling) 21

2.5.5 Ghi sự kiện và lưu trữ (Logging/Archiving) 21

2.5.6 Xuất báo cáo (Report Generation) 21

2.5.7 Tự động hoá (Automation) 21

2.6 Phần mềm Intouch Wonderware 22

2.6.1 Khái niệm 22

2.6.2 Thành phần 23

2.6.3 Wizard 25

2.6.4 Menu File 26

2.6.5 Tagname 27

2.6.5.1 Tagname Dictionary (Runtime Database): 27

2.6.5.2Memory Type Tagname 27

2.6.5.3I/O Type Tagname 27

2.6.5.4 Một số Tagname có sẵn trong phần mềm 27

2.7 Chương trình Scripts 28

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BỒN TRỘN HÓA CHẤT SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG CC-LINK 30

3.1 Thiết bị dùng trong đề tài 31

3.1.1 Cảm biến CARLO GAVAZZI U18CAD09PGTI 31

3.1.2 Cảm biến đo áp suất chất lỏng 32

3.1.3 Van điện từ 2W 160-15 33

3.1.4 Máy bơm SAIR KF1 35

3.1.5 Động cơ trộn Nissei NTR FSM-25-20-T010A 35

3.1.6 Relay 37

3.1.7 Bồn chứa 38

3.2 Mô hình trạm chủ (Master station) 39

3.3 Mô hình trạm tớ (RTU) 39

3.3 Kết nối 40

3.3.1 Mạng CC-Link 40

3.3.1.1 Khái niệm 41

3.3.1.2 Đặc điểm 41

3.3.1.3 Số trạm kết nối 41

3.3.1.4 Liên kết điểm 41

3.3.1.5 Cấu trúc của mạng CC-Link 44

3.4 Nguyên lý hoạt động 45

3.5 Lưu đồ giải thuật 47

3.6 Phần mềm 50

3.6.1 GX Programming 50

3.6.2 Cài đặt thông số phần mềm OPC 2017, Intouch Wonderware 58

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 68

4.1 Tổng quan hiển thị mô phỏng trên Intouch 68

CHƯƠNG 5 TỰ ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 72

5.1 Lỗi thường gặp 72

5.2 Ưu điểm và hạn chế của hệ thống 72

5.3 Tự đánh giá kết quả đạt được 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

LỜI CẢM ƠN 80

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Module nguồn Q61P-A2 3

Hình 1 2: Các cổng kết nối và giao diện bên ngoài của CPU 4

Hình 1 3: Bộ xử lý (CPU) Q02HCPU 6

Hình 1 4: Module QX42 7

Hình 1 5: Module QY42P 8

Hình 1 6: Module Q42AD 10

Hình 1 7: Module QJ71LP21-25 13

Hình 1 8: Module QJ61BT11N 14

Hình 1 9: Sơ đồ cơ sở chính Q38B 14

Hình 2 1: Mô hình hệ thống điều khiển phân bố tiêu biểu 16

Hình 2 2: Hệ thống SCADA điển hình 22

Hình 2 2: Cửa sổ ứng dụng Intouch Wonderware 23

Hình 2 3: Các thuộc tính thiết lập cho đối tượng 24

Hình 2 4: Giao diện Winzard 25

Hình 2 5: Cửa sổ Symbol Factory 26

Hình 2 6: Khởi động chương trình Wonderware 28

Hình 2 7: Tạo cửa sổ làm việc, project 29

Hình 2 8: Khởi chạy Winzard chọn đối tượng cần dùng 29

Hình 3 1: Mô hình hệ thống bồn trộn 30

Hình 3 2: Cảm biến U18CAD09PGTI 31

Hình 3 3: Cấu tạo bên ngoài của cảm biến 31

Hình 3 4: Cảm biến áp suất Shanghai 32

Hình 3 5: Ứng dụng cảm biến áp suất trong thực tế 33

Hình 3 6: Hình ảnh của van điện từ 33

Hình 3 7: Cấu tạo của van điện từ 34

Hình 3 8: Máy bơm SAIR KF1 35

Hình 3 9: Động cơ trộn Nissei NTR FSM-25-20-T010A 35

Hình 3 10: Role trung gian Omron MY4N-D2 24VDC 37

Hình 3 11: Sơ đồ nguyên lý của rơ le 37

Hình 3 12: Bồn chứa hóa chất 38

Hình 3 13: Mô hình trạm 3 39

Hình 3 14: Trạm I/O 39

Hình 3 15: Cụm PLC Mitsubishi họ Q Bao gồm Module Nguồn Q61P-CPU Q02H-QJ71LP21-QJ61BT11N-Q64AD-Q62DAN-QD62-QX42-QY42P 40

Hình 3 16: Sơ đồ mạng truyền thông CC-Link của hệ thống 40

Hình 3 17: Hệ thống cơ bản của CC-Link 42

Hình 3 18: Hệ thống CC-Link của hệ thống bồn trộn 43

Hình 3 19: Cáp chuyên dụng CC-Link 43

Hình 3 20: Module I/O 44

Hình 3 21: Mô hình hệ thông trộn hóa chất 45

Hình 3 22: Lưu đồ giải thuật của hệ thống 47

Hình 3 23: Cửa sổ chương trình PLC 50

Hình 3 24: Cài đặt I/O assignment pararameter 51

Hình 3 25: Cài đặt PLC RAS pararameter 51

Hình 3 26: Cài đặt PLC system parameter 52

Hình 4 1: Màn hình điều khiển toàn hệ thống 68

Hình 4 2: Màn hình đăng nhập dành cho người quản lý 68

Hình 4 3: Cài đặt thông số hệ thống 69

Hình 4 4: Màn hình cảnh báo hệ thống 69

Hình 4 5: Biểu đồ giám sát mức hóa chất theo thời gian thực 70

Hình 4 6: Cảnh báo tràn bồn 70

Hình 4 7: Thông báo kết thúc chương trình 71

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Thông số (CPU) Q02HCPU 6

Bảng 1 2: Thông số Module QX42 7

Bảng 1 3: Thông số module output QY42P 8

Bảng 1 4: Thông số Module Q64AD 9

Bảng 1 5: Ý nghĩa các đèn trên module 11

Bảng 1 6: Ký hiệu trên Module QJ61BT11N 13

Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật của cảm biến U18CAD09PGTI 31

Bảng 3 2: Thông số động cơ bơm SAIR KF1 35

Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật động cơ trộn Nissei NTR FSM-25-20-T010A 36

Bảng 3 4: Sự khác nhau giữa chế độ mạng từ xa và I/O 42

Bảng 3 5: Chú thích các vùng trên module 44

Bảng 3 6: Thông số cài đặt cho hệ thống trong phần mềm Intouch 58

Bảng 3 7: Địa chỉ trạm I/O 59

Bảng 3 8: Thông số cài đặt trên phần mềm OPC 64

LỜI MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của khoa học kỹ thuật Nghành điện luôn đi trước một bước một bước và không thể thiếu trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Đặt biệt với một đất nước đang phát triển như Việt Nam thì nghành điện càng đóng vai trò quan trọng trong việc đưa nước ta sánh ngang với các nước có nền công nghiệp hiện đại trên thế giới Muốn đạt được được điều đó thì nghành tự động hóa càng phải phát triển và hiện đại Không ngừng tiếp thu những công nghệ hiện đại trên thế giới và đào tạo được đội ngũ kỹ sư tự động hóa có trình độ cao để có thể làm chủ công nghệ Ngành tự động ở Việt Nam đang rất phát triển và được ứng dụng rộng rãi trông các lĩnh vực đời sống và sản xuất Có nhiều hãng tự động nỗi tiếng thế giới như MISUBISHI, OMRON, SIEMENS …

Ưu điểm lớn nhất của điện tự động đó là hoạt động được ở chế độ bán tự động hoặc tự động với độ chính xác rất cao và hiệu quả Có thể giảm chi phí lao động đáng

kể mang lại hiệu quả cao trong sản xuất Xuất phát từ vấn đề trên cùng với việc thực hiện nhiệm vụ học tập của nhà trường Chúng em nhận thấy đề tài “ỨNG DỤNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BỒN TRỘN HÓA CHẤT SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG CC-LINK” là rất thiết thực và có khả năng rộng rãi nên nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài này

Mục đích của đề tài

Tìm hiểu về kết nối hệ thống SCADA trạm chủ với trạm tớ thông qua giao thức truyền thông cáp CC_link để điều khiển và giám sát hệ thống bồn trộn Giữa Intouch, PLC và OPC sever

Qua đó giúp mở rộng kiến thức và điều quan trọng là biết cách làm việc nhóm chuẩn bị kỹ năng để trở thành một kỹ sư tự động hóa trong tương lai

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ PLC MITSUBISHI VÀ

PHẦN MỀM GX-WORK 2

1.1 Sơ lược về lịch sử của PLC

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển:

- Dễ lập trình và thay đổi chương trình

- Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa

- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình

Trong giai đoạn này, các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng:

- Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

- Bộ nhớ lớn hơn

- Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực… Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của

hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể

giao tiếp với các thiết bị ngoại vi nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn

1.2 PLC họ Q

1.2.1 Dạng module

Phát triển từ dòng sản phẩm trước đó, họ AnSH, họ Q cho phép người dùng pha trộn và lựa chọn sự phối hợp tốt nhất giữa CPU, dụng cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt và I/O trên cùng một nền

Điều này cho phép người dùng cấu hình hệ thống theo những gì mình cần, khi nào mình cần, nơi mình cần triển khai

1.2.2 Khả năng đa dạng

Có thể phối hợp PLC CPU (cơ bản và nâng cao), motion, process, controllers và ngay cả PC vào trong một hệ thống duy nhất lên đến 4 CPU khác nhau Điều này cung cấp cho người sử dụng sự chọn lựa phương hướng điều khiển, quan điểm lập trình, ngôn ngữ lập trình – tất cả cùng chung trên một nền tảng duy nhất Nền tảng tự động cho tương lai

Linh động và phân cấp là đặc tính thiết kế chủ chốt làm cho dòng Q thực sự là một nền tảng tự động hóa duy nhất Người dùng có thể ứng dụng để điều khiển đơn giản máy móc riêng lẻ hoặc quản lý toàn bộ thiết bị tất cả cùng trên một nền tảng phần cứng Điểm nổi bật của PLC dòng Q là kỹ thuật multi_Processor, cho phép tại một thời điểm

4 CPU cùng tham gia xử lý các quá trình điều khiển máy móc, điều khiển vị trí, truyền thông … do đó tính năng thời gian được tăng cường, thời gian quét vòng chương trình giảm xuống chỉ còn 0,5 – 2ms

1.2.3 Những tính năng chính

 Bộ A/D-D/A có độ chính xác cao, ứng dụng trong điều khiển nhiệt độ, điều khiển

vị trí

 Ngõ vào CIP (Chanel Isolated Pulse), tích hợp bộ đếm xung tốc độ cao

 Các ứng dụng Redundant/ Remote Maintenance

 Hỗ trợ hoàn toàn trong các ứng dụng phần mềm MELSOFT

 Đầy đủ các ứng dụng mạng như: CC-link, MELSECNET-H, ETHERNET

 Cho phép lập cấu hình mạng Melsecnet với tổng khoảng cách truyền thông lên đến 13,6km với tốc độ đường truyền tối đa cho phép có thể đạt được 25Mbps

 Khả năng mở rộng đến 4,096 I/O (max 8,192 I/O)

 Bước lập trình đến 252k steps

 Lập trình online

1.3 Module nguồn Q61P-A2

Hệ thống được cấp nguồn DC 5V, module nguồn với điện áp vào 24VDC hoặc 240VAC đều có thể sử dụng được Điện áp ra của module nguồn được cấp trực tiếp vào phần khung Nguồn 5VDC từ module Q62P cũng có thể xuất ra điện áp 24VDC để cung cấp cho các thiết bị khác như cảm biến Ngõ ra đó có thể truyền tải với dòng tối đa ở 0.6A

Hình 1 1: Module nguồn Q61P-A2

Tốc độ xử lý lên đến 34ns/LD.0

Dung lượng chương trình tối đa: 28KSteps (có thể mở rộng với thẻ nhớ)

Dung lượng bộ nhớ tích hợp trong RAM 144KB, ROM 144KB và khi sử dụng

thẻ nhớ là 448KB

Hệ thống điều khiển hoạt động lặp đi lặp lại sử dụng chương trình lưu trữ

I/O các điểm thiết bị: 8192 điểm (tổng số điểm trên chương trình bao gồm I/O từ

xa)

I/O điểm: 4096 điểm

Cổng truyền thông: RS232 - 115.2 Kbps; USB: 12 Mbps

Hình 1 2: Các cổng kết nối và giao diện bên ngoài của CPU

LED hiển thị

LED ERR và USER

LED BAT và BOOT

1.6 Module QY42P

Module được cấp nguồn 5V DC và được gắn lên phần khung Các ngõ ra được gắn tới các thiết bị nhằm mục đích điều khiển như động cơ, biến tần hay các van điện

từ

Bảng 1 3: Thông số module output QY42P

Dưới đây là sơ đồ chân của module QY42P:

 Các chân 1A01, 1A02, 2A01, 2A02 được nối chung và nối âm nguồn điện 24VDC Các chân 1B01, 1B02, 2B01, 2B02 được nối chung với dương nguồn 24V DC

 Các chân: 1B20 tương đương với ngõ ra Y10…1A05 tương đương với ngõ ra Y1F Chân 1B03, 1B04, 1A03, 1A04 bỏ trống

1.7 Module Analog Q64AD

Module có 4 kênh tùy thuộc vào tín hiệu vào là điện áp hay dòng điện mà có thể chọn cho phù hợp

Tín hiệu vào có hai dạng là điện áp và dòng điện:

 Điện áp: Từ -10 ÷ 10V DC

 Dòng điện: Từ 0 ÷ 20 mA DC

 Tín hiệu số ngõ ra: 16 bit nhị phân

 Độ phân giải trung bình: - 4096 ÷ 4095

 Độ phân giải cao: - 12288 ÷ 12287, - 16384 ÷ 16383

 Ngõ vào tuyệt đối:

 Với điện áp là +15V (- 15V) và với dòng điện là +30 mA (-30 mA)

Bảng 1 4: Thông số Module Q64AD

Dải tín hiểu ngõ vào

tương tự

Độ phân giải thông

Giá trị ngõ ra

số

Độ phân giải lớn nhất

Giá trị ngõ ra số

Độ phân giải lớn nhất

Đặc tính I/O và độ phân giải của Module Q64AD

Hình 1 6: Module Q42AD

- RUN LED: Hiển thị trạng thái hoạt động của module chuyển đổi A/D

- FLASHING: Trong quá trình cài đặt offset/gain

- OFF: Nguồn 5V bị mất, watchdog timer bị lỗi, module online đổi trạng thái hoạt động

- ERROR LED: Hiển thị lỗi của module chuyển đổi A/D

- ON: Lỗi (Kiểm ra mã lỗi để biết thêm thông tin)

- OFF: Hoạt động bình thường

- FLASHING: Lỗi cài đặt bộ chuyển đổi

- ON: Hoạt động bình thường

1.8 Module QJ71LP21-25

Module QJ71LP21-25 là module mạng MELSEC

Bảng 1 5: Ý nghĩa các đèn trên module

THÁI LED MÔ TẢ

Run

Đèn xanh sáng Module hoạt động bình thường

Mng

Đèn xanh sáng Hoạt động như một trạm giám sát hoặc trạm phụ giám sát Tắt Trạm thông thường

T.Pass

Đèn sáng Đã tham gia vào mạng

Nhấp nháy Kiểm tra là hoàn toàn bình thường khi Led nháy khoảng

10s Tắt Máy chủ bị ngắt kết nối

D.Link Đèn sáng Dữ liệu liên kết được thực hiện

Tắt Liên kết không được thực hiện

SD Đèn sáng Dữ liệu được gửi

Tắt Dữ liệu không được gửi

RD

Đèn sáng Nhận được dữ liệu Tắt Không nhận được dữ liệu

Tồn tại hai máy chủ

Vị trí tên trạm trùng nhau Lỗi hư hỏng trong CPU Nhấp nháy Phát hiện lỗi trong khi thử nghiệm

Tắt Bình thường

LERR

sáng

Xảy ra lỗi truyền thông:

CRC: Lỗi gây ra bởi một cáp bất thường OVER: Dữ liệu bị ghi đè lên nhau ABIF: Lỗi tràn dữ liệu hoặc dữ liệu ngắn hơn chiều dài quy định

TIME: Một đường truyền tồn tại mà máy chủ không theo dõi được

DATA: Nhận được dữ liệu bất thường UNDER: Dữ liệu được gửi không được thực hiện trong thời gian cố định

LOOP: Máy chủ đã tắt hoặc cáp kết nối bị tắt Đèn đỏ tắt Không có lỗi truyền thông

EXT.PW

Sáng Nguồn ngoài được cấp Tắt Nguồn ngoài không được cấp

Hình 1 7: Module QJ71LP21-25

1.9 Module QJ61BT11N

Là module mạng CC-Link

Bảng 1 6: Ký hiệu trên Module QJ61BT11N

Nội dung cài đặt

(1) Khu vực hiển thị tình trạng hoạt động

(2) Vì số trạm của trạm chính được chỉ định bằng “0” nên

cài “0” cho cả hai số “10” và “1”

(3) Cài giá trị này thành trực tuyến “0” (Chế độ

trực tuyến: tốc độ truyền 156 kbps) (4) Nối cáp CC-Link riêng

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG SCADA VÀ

Các hệ thống SCADA là thành phần rất quan trọng trong hầu hết các cơ sở hạ tầng tối quan trong của các quốc gia như:

- Nhà máy phát điện, truyền tải và phân phối điện năng

- Nhà máy lọc ga, dầu và hệ thống quản lý đường ống

- Hệ thống lọc và phân phối nước

- Hệ thống sản xuất và xử lý hóa chất

- Hệ thống đường sắt và vận chuyển khối lượng

Mặc dù SCADA được dùng phổ biến nhất ở các mạng tự động lớn như các công

ty tiện ích công cộng, SCADA còn có thể được dùng trong hầu hết các tiến trình điều khiển tự động Các công ty sử dụng dây chuyền lắp ráp, như nhà máy đóng chay, cũng

có thể sử dụng các tiện lợi từ SCADA Toàn bộ các nhà máy có thể được tự động hóa giúp cho việc sản xuất hiệu quả và tin cậy

2.2 Lịch sử phát triển SCADA

Mục tiêu của hệ thống SCADA đã được phát triển từ đầu thập niên 1960 Sự ra đời của thế hệ máy tính nhỏ (minicomputer) như Digital Equipment Corporation (DEC) PDP-8 và PDP-11 làm cho điều khiển quá trình và sản xuất bằng máy tính là khả thi Tiến trình của Programmable Logic Controlers (PLC) cũng diễn ra song song Khi máy

vi tính được phát triển, chúng được lập trình và thu gọn nhằm cạnh tranh với các chức năng, lập trình và vận hành của PLC Chính xác, sự cạnh tranh được phát triển giữa hai nghiên cứu và tiếp diễn đến ngày hôm nay

Lúc đầu, hệ thống điều khiển chỉ hạn chế ở từng thiết bị cụ thể Sự kết hợp giữa các thiết bị điều khiển chỉ cục bộ ở thiết bị, nhà máy và không kết nối với mạng bên ngoài Hệ thống điều khiển bao gồm máy tính mini hoặc PLC trung tâm kết nối với một

số bộ điều khiển giao tiếp với động cơ, bơm, valve, công tắc, cảm biến … Hình 1.1 minh

họa kiến trúc này Kiến trúc này thường được gọi là hệ thống điều khiển phân bố (DCS

- Distributed Control System) Các hệ thống đó thường được giới hạn ở các vị trí gần nhau, thông thường được kết nối với nhau sử dụng mạng cục bộ (LAN – Local Area Network) Khi có yêu cầu cần thiết cho sự vận hành mạng này, công ty hoặc nhà cung cấp phát triển các giao thức truyền thông của riêng họ, nhiều trong số đó là độc quyền

Hình 2 1: Mô hình hệ thống điều khiển phân bố tiêu biểu

Khi tính năng kĩ thuật của máy tính, hệ điều hành và mạng được cải tiến, thúc đẩy yêu cầu giám sát trạng thái, vận hành các thiết bị, nhà máy từ xa theo thời gian thực Cũng như, nhiều công ty có các thành viên hoặc chi nhánh hoạt động ở vùng địa lý cách biệt nhau, yêu cầu thu thập dữ liệu từ xa, điều khiển và bảo trì trở nên hấp dẫn từ lập

trường quản lý và chi phí Những khả năng này được biết như sự tập hợp của giám sát

điều khiển và tập hợp dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition - SCADA).

2.3 Định nghĩa về hệ thống SCADA

Có 2 định nghĩa tiêu biểu của một hệ thống SCADA:

Định nghĩa 1: SCADA là công nghệ mà nó cho phép người sử dụng thu thập

dữ liệu từ một hoặc nhiều hơn hai hệ thống từ xa và/hoặc gửi giới hạn lệnh điều khiển đến các hệ thống này

“SCADA is the technology that enables a user to collect data from one or more distant facilities and/or send limited control instructions to those facilities.”

Định nghĩa 2: Một hệ thống hoạt động với tín hiệu đã được mã hoá qua các kênh truyền thông nhằm cung cấp sự điều khiển thiết bị là đơn vị đầu cuối từ xa (RTU- Remote Terminal Unit)

“A system operating with coded signals over communication channels so as to provide control of RTU (Remote Terminal Unit) equipment.”

Hiểu cách khác, SCADA (Supervisory Control Anh Data Acquisition) là một hệ thống

thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

1 Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

2 Xử lý và thực hiện các phép tính trên các số liệu thu thập được

3 Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả được xử lý

4 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiệt bị ở nhà máy

5 Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác

2.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển

Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi động, kiểm soát, xử lý và dừng một quá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã đạt được xác định nhằm đạt kết quả tốt nhất ở sản phẩm đầu ra thì được gọi là “hệ thống điều khiển”

Trong kỹ thuật tự động, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:

- Điều khiển nối cứng

- Điều khiển logic khả trình

Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần sau:

a Khối vào

Khối có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, các bộ chuyển đổi có thể là: nút nhấn, cảm biến… Và tùy theo bộ chuyển đổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục (analog)

b Khối xử lý-điều khiển

Khối có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào để tạo những tín hiệu ra đáp ứng yêu cầu điều khiển

c Khối ra

Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển Các tín hiệu này được sử dụng tạo ra những hoạt động đáp ứng cho các thiết bị ở ngõ ra Các ngõ ra là: động cơ điện, xy lanh, solenoid, van, rơle…

2.4.1 Cấu Trúc Cơ Bản Của Một Hệ Thống SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản gồm các phần chính: MTU, RTU và thành phần truyền thông

2.4.1.1 MTU (Master Terminal Unit)

MTU là trung tâm của hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông

Ngoài ra, MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông

Nhiệm vụ của MTU gồm:

- Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị MTU và nhận lệnh từ người điều hành

- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

- Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp người điều hành giám sát và điều khiển

- Lưu trử, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác

2.4.1.2 RTU (Remote Terminal Unit)

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu

và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của

các thiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hoặc tín hiệu từ MTU để điều khiển các thiết bị theo yêu cầu Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong

bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ

xa mà không cần định hướng từ MTU

2.4.1.3 Khối truyền thông

Là môi trường truyền thông giữa các thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm

Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp số, cáp truyền và các thiết

bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây… wireless) các trạm lặp (trong trường hợp truyền đi xa)

Phần mềm: đó là cá giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình

được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau

CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức có thể là giao thức mở như TCP/IP (Tranmisson Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình

7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào nhận dạng mã trong dữ liệu truyền Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ

2.4.2 Chức năng của hệ thống scada

2.4.2.1 Giám sát và phân tích hệ thống

Ngay khi nhận được thông tin về hoạt động của hệ thống từ các bộ phận cảm biến gửi về máy tính sẽ phân tích những tín hiệu đó và so sánh với tín hiệu chuẩn Việc giám sát chủ yếu do máy tính thực hiện con người chỉ đóng vai trò phụ chuyên theo dõi những biến cố lớn nguy hiểm đến hệ thống sản xuất Những trục trặc nhỏ sẽ do máy tính sửa chữa theo chương trình đã cài sẵn Nhờ các bộ phận cảm biến, các thiết bị đo lường máy tính sẽ luôn thông báo cho người giám sát biết về tiến trình hoạt động sản xuất, các thông số kỹ thuật

2.4.2.2 Hoạt động theo chương trình điều khiển

Chức năng này cho phép máy tính điều khiển cơ cấu tác động để hệ thống hoạt động theo một chương trình lập trước Nhờ bộ vi xử lý ta có thể lập trình cho hệ thống hoạt động theo những chu tình phức tạp Việc thay đổi chu trình hoạt động của máy tính hay thay đổi kích thước mẫu mã sản phẩm chỉ là việc thay đổi phần mềm

2.4.2.3 Kiểm tra và đảm bảo chất lượng

Nhờ các thiết bị đo và cảm biến ta có thể kiểm tra sản phẩm loại bỏ các phế phẩm ngay từ nguyên nhân hỏng nhờ đó mà chất lượng sản phẩm được nâng cao và giảm bớt chi phí sản xuất

2.4.2.4 Quản lý sản xuất

Các thông tin về hệ thống đều truyền về máy tính trung tâm giám sát và thống

kê, tổng kết quá trình sản xuất: số lượng sản phẩm, nguyên vật liệu tồn trữ các số liệu này giúp người quản lý ra quyết định Đặc biệt là khả năng liên kết động (DDE) cho phép các thông tin trên được kết nối trao đổi cơ sở dữ liệu với các hệ thống SCADA khác trên một mạng TCP/IP Điều này cho phép các hệ thống có thể truy xuất dữ liệu cũng như xuất ra các tín hiệu điều khiển lẫn nhau Hệ thống SCADA còn có khả năng liến kết với các hệ thống thương mại cao hơn cho phép đọc/ghi theo cơ sở dữ liệu chuẩn ODBC như Oracle, Access, SQL

2.5 Tính năng của hệ thống SCADA

2.5.1 Kiểm soát truy cập

Người dùng được chỉ định vào các nhóm, mỗi nhóm điều được định nghĩa các quyền truy cập đọc/ghi (read/write) các thông số của quá trình điều khiển trong hệ thống

2.5.2 MMI (Man Machine Interface)

Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng, …

 Lập biểu đồ thời gian thực và lưu lại cho việc tra cứu về sau

2.5.4 Điều khiển báo động (Alarm Handling)

Báo động được dựa trên kiểm tra giới hạn và trạng thái và được thực hiện trên các máy server Sự báo động được thực hiện tập trung, thông tin chỉ tồn tại ở một vị trí

và tất cả người dùng thấy cùng một trạng thái, báo động với nhiều mức ưu tiên được hỗ trợ

Ta có thể nhóm các báo động và đối xử chúng như một thực thể Chọn lựa các báo động vào các trang khác nhau hoặc khi xem bảng ghi báo động (alarm log) ta có thể xem theo độ ưu tiên, thời gian và theo nhóm E-mails có thể tự động được gửi hoặc tự động thực thi các đáp ứng tùy thuộc vào mỗi điều kiện báo động

2.5.5 Ghi sự kiện và lưu trữ (Logging/Archiving)

Ghi sự kiện và lưu trữ thường được sử dụng để miêu tả một tiện ích Tuy nhiên, ghi sự kiện có thể được nghĩ là lưu trữ dữ liệu lên đĩa cho chiến lược ngắn hạn hoặc trung bình, trong khi đó lưu trữ được sử dụng cho chiến lược lâu dài trên đĩa hoặc các thiết bị lưu trữ thường trực khác Ghi sự kiện tiêu biểu được thực hiện theo chu kỳ, khi dung lượng dữ liệu hoặc khoảng thời gian đạt đến giới hạn thì dữ liệu cũ sẽ được ghi đè bởi dữ liệu mới

Sự kiện có thể được ghi theo một tần số đặt trước, hoặc khởi tạo khi có sự thay đổi, hoặc một sự kiện được chỉ định trước xảy ra Dữ liệu của sự kiện có thể được chuyển qua lưu trữ khi bảng ghi sự kiện đã đầy Các sự kiện được đánh dấu thời gian và có thể được lọc theo thời gian xảy ra sự kiện khi được quan sát bởi người dùng

2.5.6 Xuất báo cáo (Report Generation)

Báo cáo có thể xuất dưới dạng truy vấn SQL cho lưu trữ file, bảng ghi sự kiện dạng text, file sự kiện dạng html, … Báo cáo có thể được xuất, in và lưu trữ tự động

2.5.7 Tự động hoá (Automation)

Tính năng quan trọng nhất của SCADA là cho phép các hành động được kích hoạt tự động bởi các sự kiện Một ngôn ngữ script được cung cấp bởi các hệ thống SCADA cho phép các hành động được định nghĩa trước Ví dụ như hiện một cửa sổ cụ thể, gửi một E-mail, chạy một ứng dụng hoặc đoạn mã hoặc ghi vào cơ sở dữ liệu

Điều khiển tuần tự được hổ trợ, nhờ đó có thể thực hiện một tuần tự phức tạp các

sự kiện ở một hoặc nhiều thiết bị Điều khiển tuần tự còn có thể có tác động ngược lại với các sự kiện bên ngoài

Hình 2 2: Hệ thống SCADA điển hình

2.6 Phần mềm Intouch Wonderware

2.6.1 Khái niệm

InTouch là một công cụ tạo ra các ứng dụng giao diện người và máy (HMI) trong

môi trường WINDOWS một cách dễ dàng và nhanh chóng

2.6.2 Thành phần

InTouch có 3 thành phần chính:

InTouch Application Manager sắp xếp các ứng dụng mà chúng ta đã tạo ra

Chúng ta sử dụng InTouch Application Manager để tạo các ứng dụng mới, mở các ứng dụng đã tạo trong cả WindowMaker hay WindowViewer

Hình 2 2: Cửa sổ ứng dụng Intouch Wonderware

Window Viewer là môi trường thời gian thực dùng để hiển thị các cửa sổ đồ hoạ

đã được tạo ra trong Window Maker WindowViewer sẽ thực hiện hiệu ứng InTouch QuickScripts hoàn tất quá trình ghi nhận và báo cáo dữ liệu trong quá

khứ, xử lý quá trình ghi nhận và báo cáo các báo động

Window Maker là môi trường tạo và phát triển cho các ứng dụng Các đối tượng

đồ hoạ được tạo ra rất linh hoạt, các cửa sổ hiển thị có thể kết nối với các hệ thống

I/O công nghiệp và các ứng dụng khác của Windows Window Maker là môi

trường phát triển cho InTouch Giao diện đồ hoạ từ InTouch Application

Manager ta chọn một ứng dụng ta Click chuột phải chọn Window Maker hoặc nhấn phím Ctrl+ M để vào Window Maker Các đối tượng cơ bản của Window

Maker gồm: Lines, Filled, Shaped text và Buton Mỗi đối tượng cơ bản có

những thuộc tính ảnh hưởng đế sự xuất hiện của chúng Các thuộc tính đó bao

gồm: line color, chiều cao, chiều rộng, tính định hướng và có thể là trạng thái

tĩnh hay động Hộp hội thoại thiết lập thuộc tính động cho đối tượng, Draw

Object: nhiều loại liên kết được gắn với button như: action scripts, key scripts

giá trị liên kết ngõ vào/ra analog hay discrete Nếu liên kết vào/ra được gắn với button thì giá trị hiển thị trên button như một chuỗi text

Hình 2 3: Các thuộc tính thiết lập cho đối tượng

Ngoài các đối tượng cơ bản, Intouch còn hỗ trợ đáng kể các đối tượng phức tạp

khác nhau:

a Bitmap: Công cụ bitmap dùng để sao chép và dán vào các ứng dụng của

chúng ta

b Trends: Có hai công cụ là trend hiển thị dữ liệu thời gian và trend hiển thị dữ

liệu quá khứ Cả hai loại này để có thể biểu diễn đồ thị theo thời gian cho nhiều Tagname

c Symbol: Là sự kết hợp của nhiều đối tượng cơ bản và nó được xem như một

đối tượng đơn Bất kì sự thay đổi thuộc tính nào đối với symbol (thay đổi thuộc tính tĩnh trong Window Maker hay thay đổi thuộc tính động trong WindowViewer) sẽ ảnh hưởng đến tất cả các đối tượng thành phần của

Symbol Symbol không chứa các bitmap, các button các cell các alarm hay trend

d Cell: Một cell là một tập hợp của hai hay nhiều đối tượng, các symbol, các

cell khác mà chúng được liên kết với nhau hình thành một đơn vị đơn Cell chứa mối quan hệ không gian cố định giữa các phần tử riêng lẻ, mỗi một thành phần của cell có thể có những liên kết của chính nó Các ô được sử dụng để tạo các thiết bị thực tế như bộ điều khiển slide Các thuộc tính của các thành phần trong cell được thay đổi trong Window Maker bởi thao tác của các mối liên kết

e ActiveX controls: WindowMaker hỗ trợ các ActiveX controls mà hình thức

đơn giản nhất là các ứng dụng mini dùng để trao đổi hay chạy bên trong ứng dụng của chúng ta

2.6.3 Wizard

Các wizard giúp chúng ta tiết kiệm đáng kể thời gian thiết kế giao diện phát triển ứng dụng Chúng ta rất dễ sử dụng và dễ đặt cấu hình Đây là tiện ích giúp chúng ta tiết kiệm rất nhiều thời gian khi phát triển các giao diện cho các ứng dụng InTouch cung cấp một số Wizard cơ bản và các tiện ích cài thêm Khi click vào biểu tượng trên thanh công cụ sẽ hiện ra hộp hội thoại sau:

Hình 2 4: Giao diện Winzard

Nếu không có tiện ích này sẽ rất khó và mất nhiều thời gian để tạo được các đối tượng trên

Symbol Factory: Là một tập hợp các wizard và gần 300 bitmap tương đối phức

tạp để sử dụng trong InTouch Để giúp chúng ta truy cập dễ dàng vào các wizard và các đối tượng đồ họa Symbol Factory gồm 4 loại

Hình 2 5: Cửa sổ Symbol Factory

2.6.4 Menu File

- Open window: Mở một cửa sổ trong WindowMaker

- Close window: Đóng một cửa sổ đang mở

- WindowMaker: Trở về WindowMaker

Menu LOGIC

Start Logic: Chạy các QuickScript

Hall Logic: Dừng tất cả QuickScript

Menu SPECIAL

Start Uninitiated Conversations: Khởi động các mối liên kết I/O Khi mới vào, Window Viewer sẽ tự động xử lý các yêu cầu ban đầu hoặc các giá trị

đầu

Reinitialize I/O: Khởi động lại các mối liên kết I/O

2.6.5 Tagname

2.6.5.1 Tagname Dictionary (Runtime Database):

Là “trái tim” của InTouch Khi ứng dụng data chứa tất cả các giá trị hiện tại của item trong database Để tạo Tagname, InTouch yêu cầu khai báo các biến khi được sử dụng Mỗi biến phải có tên và loại dữ liệu

2.6.5.2 Memory Type Tagname

- Memory Tagname chứa trong ứng dụng InTouch của bạn Bạn có thể sử dụng

các hằng số hệ thống, tạo các biến để tính toán

- Memory Discete: Giá trị 0 (False, Off) và 1 (True, On)

- Memory Integer: Số nguyên 32 bit có dấu: từ -2147483648 đến 2147483647

- Memory Real: Số thực từ -3.4e38 đến 3.4e38

- Memory Message: Kiểu chuỗi dài 131 kí tự

2.6.5.3 I/O Type Tagname

Các Tagname dùng để đọc hay ghi giá trị thông qua các ứng dụng Windows khác

là I/O type, I/O Tagnames truy xuất thông qua các giao thức giao tiếp như Microsoft Dynamic Data Exchange (DDE) hoặc Wonderware SuiteLink

Khi các giá trị I/O type Tagname thay đổi thì giá trị sẽ được cập nhật vào ứng dụng ngay tức thì

Mặc định tất cả các giá trị I/O Tagname được thiết lập ở chế độ đọc hoặc ghi Tuy nhiên bạn có thể thiết lập trạng thái chỉ đọc trong hộp hội thoại Tagname Dictionary

Có 4 loại I/O Tagname:

- I/O Discrete: Với giá trị 0 (False, Off) và 1 (True, On)

- I/O integer: Số nguyên 32 bit có dấu từ -2147483648 đến 2147483647

- I/O Real: Số thực: từ -3.4e38 đến 3.4e38

- I/O Message: Kiểu chuỗi dài 131 kí tự

2.6.5.4 Một số Tagname có sẵn trong phần mềm

- $Date: Là Tagname loại Integer hiển thị ngày hệ thống

- $DateString: Là loại Tagname memory message, Tagname hiển thị ngày hệ

thống dưới dạng chuỗi

- $DateTime: Hiển thị cả ngày giờ

- $Day: Chỉ hiển thị ngày

- $Hour: Hiển thị giờ

- $InactivityTimeout: Hiển thị giá trị 1 khi giờ hoạt động đã hết

- $InactivityWarning: Có giá trị 1 khi thời gian được định sẵn cho việc cảnh báo

hoạt động đã hết

- $Minute: Xuất giá trị phút

- $Month: Xuất giá trị tháng

- $Msec: Xuất giá trị Msec

- $NewAlarm: Tagname có giá trị 1 mỗi khi có một báo động mới

$Second: Xuất giá trị giây

2.7 Chương trình Scripts

Wonderware có hỗ trợ viết chương trình dạng C, hay còn gọi với tên quen thuộc là ngôn ngữ Scripts là loại ngôn ngữ bậc cao tạo môi trường giao tiếp thuận lợi cho ngừơi lập trình Để viết chương trình ta click chuột phải vào ô cửa sổ đang thiết kế chọn: Window Script, Application Script, Condition Scritp, …

Cài đặt tag name

- Mở chương trình intouch wonderware

Hình 2 6: Khởi động chương trình Wonderware

- Tạo cửa sổ làm viêc

Hình 2 7: Tạo cửa sổ làm việc, project

- Ta được cửa sổ làm việc như hình dưới, lúc bắt đầu sử dụng thanh wizrads

để lấy các đối tượng tạo giao diện điều khiển

Hình 2 8: Khởi chạy Winzard chọn đối tượng cần dùng

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG SCADA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG BỒN TRỘN HÓA CHẤT SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG CC-LINK

Hình 3 1: Mô hình hệ thống bồn trộn