TỔNG QUAN
Tổng quan về hệ thống SCADA
SCADA, viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition, là hệ thống điều khiển và giám sát mạnh mẽ Hệ thống này kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hóa, cho phép các thiết bị tự động hóa truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp.
Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm với một phần mềm ứng dụng thích hợp có thành phần cấu trúc cơ bản gồm:
Remoto Terminal (RTU) là thiết bị đầu cuối từ xa, có khả năng thực hiện xử lý và điều khiển trong thời gian thực Các RTU được lắp đặt tại nhiều vị trí khác nhau nhằm thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa và tự động điều chỉnh hệ thống Đồng thời, chúng cũng gửi thông báo định kỳ về kết quả đến máy tính chủ.
Master Terminal Unit (MTU) là trung tâm điều phối chính, thực hiện xử lý dữ liệu và điều khiển ở mức cao trong thời gian thực Một trong những chức năng quan trọng của MTU là cung cấp giao diện giữa con người và hệ thống, giúp người quan sát tương tác hiệu quả với các quy trình.
Hệ thống truyền thông (CS) là kênh liên kết thiết yếu để truyền dữ liệu từ các điểm xa đến MTU và gửi tín hiệu điều khiển đến RTU.
Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA được mô tả dưới hình 1.1
Hình 1.1: Cơ cấu cơ bản của hệ thống SCADA
Từ một vị trí trung tâm SCADA, người dùng có thể theo dõi các thiết bị đầu cuối từ xa như RTU hoặc PLC RTU thu thập nhiều thông số đa dạng như nhiệt độ, dòng điện, điện áp và mức tăng trong thời gian thực Dữ liệu từ RTU được lấy qua các cảm biến tích hợp và gửi đến các đơn vị thông qua các kênh truyền thông Các đơn vị này sau đó báo cáo lại cho CPU trung tâm để thực hiện kiểm soát và phân tích cần thiết.
Hệ thống SCADA trong công nghiệp
1.2.1 Các nước công nghiệp phát triển
SCADA đã phát triển song song với công nghệ vi xử lý, viễn thông và tin học, đặc biệt ở các quốc gia công nghiệp phát triển như Nhật Bản, Mỹ, Anh và Pháp Hệ thống SCADA trong sản xuất công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thời gian và nhân công lao động, từ đó góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế Hiện nay, các hệ thống SCADA đang được ứng dụng mạnh mẽ trong việc điều khiển và giám sát nhiều lĩnh vực khác nhau.
Hệ thống điện, hệ thống thống xử lí nước và nước thải, hệ thống điều khiển đèn giao thông vv
Việt Nam đã phát triển hệ thống tự động điều khiển, giám sát và thu thập số liệu (SCADA) từ thập niên 80, đáp ứng nhu cầu thực tế và ngày càng hoàn thiện Hệ thống SCADA hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong quản lý các hệ thống công nghiệp lớn, đặc biệt trong ngành điện, khai thác và sản xuất dầu khí Ngoài ra, SCADA còn được áp dụng hiệu quả trong các lĩnh vực như sản xuất xi măng, dây chuyền sản xuất bia tươi, tòa nhà thông minh và hệ thống trộn nhiên liệu.
Tổng quan về PLC S7-200 và phần mềm Autobase
PLC, viết tắt của Bộ điều khiển logic lập trình, là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông minh.
S7-200 là thiết bị điều khiển lập trình của Siemens, được thiết kế theo cấu trúc module với khả năng mở rộng Thành phần chính của S7-200 bao gồm khối xử lý CPU 212 hoặc CPU 224, trong đó đề tài này sẽ tập trung vào việc sử dụng PLC S7-200 với CPU 224.
Cấu hình cứng PLC S7-200 CPU 224:
Kích thước: 120,5mm x 80mm x 62mm
Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words
Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words
Có 14 cổng vào và 10 cổng ra
Có thể kết nối thêm 14 module mở rộng kể cả module mở rộng
Có 256 Timer, 256 Counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực
Có 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC), tần số đếm 20 KHz chỉ ở các CPU DC và 2 bộ điều chỉnh tương tự
Lập trình qua cổng RS 232
Tốc độ đếm cao: 6 x 30 kHz
Mô tả các đèn báo trên S7-200, CPU224:
Đèn đỏ SF: đền sáng khi PLC đang làm việc báo hiệu hệ thống bị hỏng hóc
Đèn xanh RUN: đèn xanh sáng chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc
Đèn xanh Ix.x: đèn sáng báo hiệu trạng thái của tín hiệu của cổng vào đang ở mức logic 1, ngược lại là mức logic0
Đèn xanh Qx.x: đèn xanh báo hiệu trạng thái của tín hiệu cổng ra đang ở mức logic 1, ngược lại là mức logic 0 b) Ngôn ngữ lập trình PLC S7-200
Lập trình cho PLC S7-200 của hãng Siemens dựa trên 3 phương pháp:
Phương pháp hình thang (Ladder logic – LAD)
Phương pháp liệt kê câu lệnh (Statement List – STL)
Phương pháp khối hàm (Function Block Diagram – FBD)
1.3.2 Phần mềm Autobase a) Tổng quan
Autobase là phần mềm tự động hóa phát triển trên hệ điều hành Windows, cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị tự động như PLC Phần mềm này kết nối với máy tính để theo dõi các giá trị thiết lập, giá trị đo lường và trạng thái thiết bị Autobase tích hợp các tính năng cần thiết cho tự động hóa, bao gồm máy chủ Web với ứng dụng Silverlight, kết nối cơ sở dữ liệu và giao diện người máy HMI/SCADA Với khả năng giám sát và điều khiển toàn diện, Autobase có thể đáp ứng nhu cầu của mọi hệ thống tự động hóa.
Cấu hình phần mềm AutoBase bao gồm các chương trình như Studio, chương trình thời gian thực, tính năng quản lý dữ liệu và khả năng kết nối với các chương trình bên ngoài.
LẬP TRÌNH PLC CHO MÔ HÌNH DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm
2.1.1 Các module trong mô hình phân loại sản phẩm
Mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm bao gồm các module thiết yếu như máy tính điều khiển giám sát, bảng mạch điều khiển, băng tải vận chuyển, cánh tay vận chuyển thùng sản phẩm, piston phân loại, cảm biến nhận diện sản phẩm, hộp tiếp liệu và thùng chứa sản phẩm Các module này được mô tả chi tiết trong hình 2.1.
Máy tính điều khiển giám sát mô hình là trung tâm điều hành, kết hợp với bảng mạch điều khiển để quản lý hoạt động Hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm giúp di chuyển hàng hóa hiệu quả, trong khi cánh tay vận chuyển thùng sản phẩm hỗ trợ quá trình xử lý Piston phân loại sản phẩm đảm bảo hàng hóa được phân loại chính xác, và cảm biến nhận diện sản phẩm giúp xác định loại sản phẩm nhanh chóng Cuối cùng, hộp tiếp liệu và thùng chứa sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp và lưu trữ hàng hóa.
Hình 2.1: Mô hình phân loại sản phẩm
2.1.2 Vai trò, nhiệm vụ của các module trong mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm a) Máy tính điều khiển giám sát
Trong hệ thống máy tính điều khiển, việc cài đặt và sửa chữa chương trình PLC rất quan trọng, đồng thời thu thập dữ liệu về số lượng sản phẩm và giám sát mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm Bảng mạch điều khiển là module quan trọng nhất, đảm nhận vai trò giám sát và điều khiển cho toàn bộ hệ thống phân loại Cuối cùng, băng tải vận chuyển sản phẩm là một phần không thể thiếu trong quy trình này.
Băng tải vận chuyển có nhiệm vụ đưa sản phẩm đạt tiêu chuẩn từ hộp tiếp liệu đến vị trí cảm biến để piston phân loại sản phẩm theo yêu cầu Đối với các sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, băng tải sẽ chuyển chúng về thùng chứa sản phẩm lỗi Piston sẽ thực hiện quá trình phân loại sản phẩm một cách chính xác.
Piston sẽ có vai trò đưa các sản phẩm về các ngăn của thùng chứa e) Cánh tay vận chuyển thùng sản phẩm
Cánh tay có nhiệm vụ vận chuyển thùng chứa các sản phẩm không đạt tiêu chuẩn đến kho chứa f) Cảm biến nhận diện sản phẩm
Nhiệm vụ của hệ thống là nhận diện các sản phẩm dựa trên kích thước, sau đó truyền tín hiệu đến PLC để điều khiển piston phân loại sản phẩm Hệ thống bao gồm hộp tiếp liệu và thùng chứa sản phẩm.
Hộp tiếp liệu có vai trò quan trọng trong việc cung cấp sản phẩm cho dây chuyền trong quá trình phân loại, trong khi thùng chứa sản phẩm là nơi lưu trữ các loại sản phẩm sau khi đã được phân loại.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Xây dựng cấu trúc truyền thông giữa máy tính và PLC
Trong mục 2.2, chúng ta đã phát triển một chương trình phần mềm để giám sát và thu thập dữ liệu cho mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm Để thu thập số lượng sản phẩm và điều khiển các cơ cấu trong mô hình, dữ liệu sản phẩm và tín hiệu cảm biến cần được truyền lên máy tính qua giao thức RS-232 Chúng ta sẽ xây dựng cấu trúc truyền thông giữa máy tính (PC) và PLC, sử dụng phần mềm Autobase của Hàn Quốc để thiết lập cấu trúc dữ liệu truyền thông thông qua cáp USB RS232.
Hình 3.1: Kết nối truyền thông giữa PC và PLC qua USB RS232
3.1.1 Khởi động chương trình truyền thông Để khởi động chương trình truyền thông ta chọn theo Start/program/AutoBase /English Khi đó màn hình máy tính sẽ hiển thị giao diện hình 3.2
Hình 3.2: Giao diện thiết lập truyền thông 3.2.2 Thiết lập truyền thông
Chương trình truyền thông được phát triển dựa trên cấu trúc điều khiển PLC S7-200, bao gồm các bước thiết lập cổng truyền thông (Port), cấu hình thiết bị (Device), và xác định các tính chất cũng như phương pháp đọc dữ liệu Việc thiết lập Port là bước đầu tiên và quan trọng trong quá trình này.
Việc thiết lập Port được thực hiện tuần tự theo hình 3.3, Port được lựa chọn có địa chỉ 000
Hình 3.3: Thiết lập Port truyền thông b) Thiết lập thiết bị và giao thức
Thiết lập thiết bị truyền thông dựa trên phần cứng, với cổng kết nối Com Port (RS-232) được chọn là COM3 Cấu hình bao gồm 8 Bit dữ liệu, 1 Stop Bit và 2 Party Bit, cùng tốc độ truyền thông 9600 Baud.
Giao thức truyền thông cần phải phù hợp với cấu trúc phần cứng của PLC S7-200, vì vậy giao thức được lựa chọn là DLL-SIEMENS S7-200 PPI.
Kết quả của việc thiết lập thiết bị và giao thức truyền thông được thể hiện như hình 3.4
Để thiết lập cấu trúc vùng nhớ, người dùng có thể thực hiện qua mục Option hoặc nhập trực tiếp từ bàn phím theo cấu trúc dữ liệu mong muốn để truyền từ PLC lên máy tính Các thiết lập này được minh họa trong hình 3.5.
Hình 3.5: Kết quả sau khi thiết lập cấu trúc vùng nhớ
Vùng nhớ I có địa chỉ 2, dùng để đọc lưu dữ liệu trạng thái các đầu vào I của của PLC
Vùng nhớ Q có địa chỉ 8, dùng để đọc và lưu dữ liệu về đầu ra của PLC
Vùng nhớ M có địa chỉ 20, dùng để lưu dữ các tín hiệu của các cảm biến
Vùng nhớ V tại địa chỉ 14 được sử dụng để đọc và lưu trữ dữ liệu từ các tác động trên màn hình máy tính, giúp truyền thông tin lệnh từ máy tính xuống PLC một cách hiệu quả.
Sau khi kết thúc quá trình thiết lập phương pháp đọc, chúng ta sẽ có kết quả xây dựng hiển thị trên hình 3.6
Hình 3.6: Cấu trúc vùng nhớ trên máy tính
3.2 Thiết kế, xây dựng giao diện thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát
3.2.1 Xây dựng các đối tượng dữ liệu cho giao diện
3.2.1.1 Khởi động Tag Editor trong Autobase
Tag là đối tượng kết nối dữ liệu với cấu trúc truyền thông, giúp hiển thị thông tin trên chương trình giám sát và điều khiển hệ thống Các Tag được phân chia thành nhiều loại, bao gồm Tag dạng Bit (DI - đầu vào số, D0 - đầu ra số) để ra lệnh từ máy tính xuống PLC, và Tag dạng Word (AI - đầu vào tương tự, AO - đầu ra tương tự) để thu thập và xử lý dữ liệu sản phẩm từ PLC Để khởi động Tag, cần thực hiện theo trình tự hướng dẫn.
3.2.1.2 Thiết lập Tag a) Các Tag cần phải thiết lập trong nghiên cứu Để tránh bị trùng địa chỉ và mắc lỗi vùng nhớ trong quá trình hiển thị dữ liệu, đầu tiên nhấn chuột vào Delete để xóa bỏ các Tag của chương trình cũ hoặc của AutoBase tự động thiết lập Các bước làm mới Tag được mô tả như hình 3.8
Hình 3.8: Làm mới Tag cho hệ thống
Trong hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát, việc thiết lập các Tag là cần thiết để chương trình tự động phân loại sản phẩm và thu thập số lượng các loại sản phẩm theo bảng 3.1.
Bảng 3.1: Các Tag cần thiết lập
Tên Tag Mô tả Định địa chỉ trên
Reset Dừng khẩn cấp chương trình V0.0
DC1 Đèn báo băng tải sản phẩm (cao, trung bình, thấp) Q0.3
DC2 Đèn báo băng tải sản phẩm loại Q0.4
Sensor1 Đèn báo nhận biết sản phẩm thấp I0.6
Sensor2 Đèn báo nhận biết sản phẩm trung bình I0.5
Sensor3 Đèn báo nhận diện sản phẩm cao I0.4
Piston1 Đèn báo cơ cấu chấp hành đẩy sản phẩm thấp Q0.0
Piston2 Đèn báo cơ cấu chấp hành đẩy sản phẩm trung bình Q0.1
Piston3 Đèn báo cơ cấu chấp hành đẩy sản phẩm cao Q0.2
Số xung thu được qua Sensor1 Dùng để thu thập số lượng sản phẩm thấp Thu được qua bộ đếm C0 của PLC
Số xung thu được qua Sensor2 Dùng để thu thấp số lượng sản trung bình Thu được qua bộ đếm C1 của PLC
Số xung thu được qua Sensor3 Dùng để thu thấp số lượng sản cao Thu được qua bộ đếm C2 của PLC
Product pyte Dùng để thu thấp số lượng sản phẩm loại Thu được qua bộ đếm C5 của PLC C5
Totalof product Dùng để thu thập tổng lượng tất cả sản phẩm VW12
Robot arm Cánh tay gắp vận chuyển thùng sản phẩm loại về kho chứa
Q0.5, Q0.6, Q0.7, Q10.0 b) Thiết lập Tag cho nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ có hai loại Tag cần phải thiết lập bao gồm các Tag Bit và Tag Word
Các bước thiết lập Tag mới được mô tả như hình 3.9
Hình 3.9: Cách thiết lập một Tag mới Với nhóm Tag Bit
Cách thiết lập Tag ON và thuộc tính của nó được thể hiện trong hình 3.10 Các thuộc tính của Tag cần phải tương thích với cấu hình truyền thông đã thiết lập ở mục 3.1 Khi áp dụng thiết lập thuộc tính như trong hình 3.10, nếu đầu vào I0.1 của PLC S7-200 nhận tín hiệu, thì vùng nhớ I có địa chỉ 0.1 sẽ có giá trị là 1.
Hình 3.10: Cách thiết lập thuộc tính cho Tag ON
Chúng ta cũng thiết lập các thuộc tính cho các STOP và RESET, với kết quả thể hiện qua các hình 3.11 và 3.12.
Hình 3.11: Thuộc tính cho Tag OFF
Hình 3.12: Thuộc tính cho RS
Tag đại diện cho đầu vào của PLC S7-200 (Sensor1) cách thiết thuộc tính được thể hiện trên hình 3.13
Hình 3.13: Thuộc tính cho Tag Sensor1
Tương tự với Sensor2, Sensor3 Kết quả thuộc tính được thể hiện lần lượt các hình 3.14 và 3.15
Hình 3.14: Thuộc tính cho Tag Sensor2
Hình 3.15: Thuộc tính cho Tag Sensor3
Các Tag đại diện cho đầu ra của PLC S7-200 (Piston1, Piston2, Piston3, DC1, DC2), cách thiết thuộc tính được thể hiện trên hình 3.16, hình 3.17, hình 3.18, hình 3.19, hình 3.20
Hình 3.16: Thuộc tính cho Tag Piston1
Hình 3.17: Thuộc tính Tag Piston2
Hình 3.18: Thuộc tính cho Tag Piston3
Hình 3.19: Thuộc tính cho Tag DC1
Hình 3.20: Thuộc tính cho Tag DC2
Để thiết lập Tag Low product, cần chọn thuộc tính tương thích với cấu hình truyền thông đã thiết lập ở mục 3.1 Theo hình 3.21, dữ liệu ô nhớ C0 đếm sản phẩm thấp của PLC sẽ được lưu trữ tại địa chỉ 28 của Autobase.
Hình 3.21: Cách thiết lập thuộc tính cho Tag Low product
Tương tự với Average product, High product, Type of product, kết quả thiết lập Tag cho các bộ đếm được thể hiện trên các hình 3.22, hình 3.23 và hình 3.24
Hình 3.22: Thuộc tính cho Tag Average product
Hình 3.23: Thuộc tính cho Tag High product
Hình 3.24: Thuộc tính cho Type product 3.2.1.3 Kết quả thiết lập đối tượng dữ liệu
Hệ thống Tag được thiết lập bao gồm các Tag hiển thị tín hiệu đầu vào/ra và tín hiệu điều khiển cho PLC S7-200, như ON, OFF, RS, cùng với các Tag hiển thị giá trị bộ đếm của PLC S7-200, bao gồm Low product, Average product, và High product Kết quả của các Tag này được xây dựng trên AutoBase và thể hiện trong hình 3.25.
Để xây dựng hệ thống thu thập số liệu và điều khiển giám sát, cần thiết lập các module phù hợp nhằm tối ưu hóa quy trình thu thập và giám sát dữ liệu.
- Module cho giao diện hiển thị giao diện chính “GIAODIENCHINH.modx”
- Module cho giao diện điều khiển giám sát “DIEUKHIENGIAMSAT.modx”
- Module cho việc thu thập số liệu “THUTHAPSOLIEU.modx”
3.2.2.1 Thiết lập Module trong đề tài
Các module được thiết lập với tính chất theo đặc điểm Window và kích thước được mô tả như bảng 3.2
Bảng 3.2: Các Module được thiết lập cho nghiên cứu
Tên File Module Đặc điểm Window Kích thước
Kết quả thiết lập các module được thiết lập cho toàn bộ hệ thống thu thập số liệu và điều khiển giám sát được thể hiện trên hình 3.26
Hình 3.26: Kết quả thiết lập các Module
Khi kích chuột trái vào modul “GIAODIENCHINH.modx” chương trình sẽ chuyển sang màn hình giao diện chính Kích chuột trái vào modul