TỔNG QUAN
Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay
Trong hơn 10 năm qua, phần cứng máy tính và thiết bị tự động hóa đã phát triển mạnh mẽ về tốc độ tính toán, lưu trữ và phân tích dữ liệu Nhu cầu tổng hợp, quản lý, phân tích và sử dụng dữ liệu ngày càng trở nên quan trọng đối với các nhà máy.
Phân tích và sử dụng số liệu đã lưu trữ sẽ tăng cường tính minh bạch và rõ ràng trong công việc Những số liệu này giúp người quản lý sản xuất nắm bắt tình trạng công việc tại nhà máy, từ đó áp dụng các phương pháp làm việc hiệu quả hơn, thay vì chỉ dựa vào trực giác, kinh nghiệm hay linh cảm.
Đối với các cấp quản lý hoặc giám đốc nhà máy, việc tổng hợp số liệu và phân tích là rất quan trọng Nếu không thực hiện tốt công việc này, các nhà quản lý sẽ gặp khó khăn trong việc thống kê và đánh giá chất lượng sản xuất.
Việc truy xuất dữ liệu cần được phổ biến trong nhà máy, cho phép mọi nhân viên thực hiện tùy theo phân cấp độ truy cập Đây là một bí quyết quan trọng giúp các công ty đa quốc gia như P&G quản lý hiệu quả các nhà máy sản xuất trên toàn cầu.
Các phần mềm như SQL, StruxureWare Data Center Operation, FactoryTalk Historian, Đều đáp ứng được nhu cầu thực tế là lưu trữ dữ liệu của nhà máy
Từ những yêu cầu của nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen sinh viên thực hiện đề tài
“Lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo tại nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen bằng phần mềm của hãng RockWell Automation”.
Lí do chọn đề tài
Tên đề tài: “Lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo cho nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen bằng phần mềm của hãng RockWell Automation”
Lí do chọn đề tài:
- Giải quyết được yêu cầu đặt ra của nhà máy
- Đề tài mang tính thực tế cao
Mang tính mới mẻ, bài viết giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận và nghiên cứu sâu hơn về các phần mềm lưu trữ chuyên dụng của các hãng tự động hóa hàng đầu trên thế giới.
- Đáp ứng dữ liệu thời gian thực, giúp quản lí sản xuất tối ưu nhất và truy xuất cở sở dữ liệu được dễ dàng
Truy cập từ xa vào dữ liệu giúp người quản lý theo dõi hoạt động của nhà máy sản xuất mọi lúc, mọi nơi, đáp ứng nhu cầu giám sát hiệu quả.
- Quản lí năng lượng là một vấn để vô cùng quan trọng trong quá trình sản xuất của nhà máy.
Mục tiêu đề tài
Hệ thống lưu trữ và phân tích dữ liệu của nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen tại TP Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp được thiết kế và tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu sử dụng của nhà máy cũng như nhu cầu của người dùng dữ liệu.
- Xây dựng hệ thống có chi phí thấp nhất và có khả năng mở rộng khi phát triển thêm các cụm trong nhà máy
- Đề tài được xây dựng dựa trên hai phần mềm chính là Factorytalk Historian và FactoryTalk VantagePoint và phần cứng của hãng RockWell Automation
Đề tài này giúp sinh viên nắm vững kiến thức về thực tế hoạt động của nhà máy, đồng thời tìm hiểu sâu về các thiết bị vận hành quan trọng như biến tần và đồng hồ điện năng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Kiến trúc nhà máy VH
- Nghiên cứu phần nềm và phần cứng của hãng RockWell Automation để tích hợp vào hệ thống nhà máy theo yêu cầu của giám đốc nhà máy
- Xuất dữ liệu từ phần mềm lưu trữ ra Excel và biểu đồ hoạt động từng thiết bị cần thiết
- Xuất báo cáo năng lượng và thông số kĩ thuật của máy theo yêu cầu của nhà máy.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu kiến trúc hiện tại của nhà máy
- Nghiên cứu phần cứng và phần mềm đang được sử dụng tại nhà máy
- Áp dụng một số giải pháp vào và rút ra một giải pháp tối ưu nhất về kiến trúc cũng như chi phí cho nhà máy
- Trình bày giải pháp và xin kinh phí đầu tư thự hiện đồ án.
Bố cục của đồ án
Đồ án bao gồm 5 chương:
Trình bày về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, ứng dụng, mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết Đưa ra các lý thuyết liên quan đến đề tài và các phần mềm có thể làm được những việc mà nhà máy yêu cầu như SQL, FactoryTalk Historian, … Các lý thuyết liên quan đến truyền thông tín hiệu như Ethernet I/P, Modbus Sử dụng trong quá trình làm đồ án
Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống
Khảo sát kiến trúc và thiết bị của nhà máy cũ để hiểu rõ quy trình vận hành của từng hệ thống Từ đó, đưa ra giải pháp tối ưu nhất nhằm thuyết phục nhà máy đầu tư vào thiết bị mới, góp phần xây dựng hệ thống hiệu quả hơn.
Tiến hành lặp đặt và lập trình cho thiết bị phần cứng
Cài đặt phần mềm và cấu hình phần mềm
Tính toán và phân tích dữ liệu
Chương 4: Kết quả thực hiện Đưa ra những kết quả đạt được và những hạn chế chưa làm được
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Kết luận về đồ án đã làm Những việc làm được và chưa làm được Đưa ra hướng phát triển cho hệ thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu tổng quan về các phần mềm lưu trữ và phân tích dữ liệu
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phần mềm để lưu trữ dữ liệu và phân tích dữ liệu xuất báo cáo theo yêu cầu của người dùng
Several software solutions currently used in factories for data storage and analysis include Microsoft SQL, Wonderware Historian, Vijeo Citect, FactoryTalk Historian, and FactoryTalk VantagePoint.
Mặc dù có nhiều hình thức giao diện và phương thức hoạt động khác nhau, tất cả các phần mềm này đều nhằm mục đích tạo ra một trung tâm dữ liệu Chúng sử dụng dữ liệu này để phân tích và xuất báo cáo theo nhu cầu của nhà máy.
2.1.1 Phần mềm SQL của Microsoft
SQL là công cụ quản lý dữ liệu phổ biến, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Hầu hết các ngôn ngữ lập trình cấp cao đều hỗ trợ việc sử dụng SQL.
Hình 2.1 SQL server của Microsoft
Công dụng của SQL là:
+ Tạo cở sở dữ liệu, bảng và xem mới
+ Lấy dữ liệu từ một cơ sở dữ liệu
+ Chèn hoặc xóa các dữ liệu
+ Thích hợp trong nhiều phần mềm khác nhau
Chức năng của SQL là:
+ Truy xuất vào Database theo nhiều cách khác nhau bằng các lệnh
+ SQL cho người dùng miêu tả dữ liệu
+ Cho phép người dùng tạo, xóa Database vào bảng
+ Phân quyền truy cập cho người dùng
Wonderware Historian là phần mềm lưu trữ dữ liệu hiệu suất cao, cho phép lưu trữ khối lượng lớn thông tin từ các hoạt động công nghiệp Dữ liệu được lưu trữ một cách an toàn và dễ dàng truy cập cho người dùng từ bất kỳ đâu.
Wonderware Historian is the perfect complement to Wonderware InTouch, the world's leading HMI solution, enabling seamless data storage from your SCADA HMI applications.
Historian cung cấp nhiều cấu hình đã được cài đặt sẵn, đáp ứng nhu cầu của các cơ sở công nghiệp từ nhà máy nhỏ đến doanh nghiệp toàn cầu với nhiều địa điểm.
Dữ liệu trong phần mềm Historian Wonderware có thể được truy cập một cách dễ dàng thông qua các công cụ báo cáo và phân tích dữ liệu đã được chuẩn bị sẵn.
Dữ liệu của Historian luôn sẵn sàng 24/7 trên mọi thiết bị, từ máy tính để bàn, laptop, máy tính bảng đến điện thoại thông minh, giúp bạn quản lý hiệu quả hơn và tối ưu hóa quy trình làm việc.
Wonderware Historian mang lại khả năng mở rộng vượt trội với nhiều tùy chọn triển khai Hệ thống này có khả năng thu thập và lưu trữ tất cả dữ liệu quá trình quan trọng, bao gồm cả cảnh báo, và hỗ trợ tạo tới 2 triệu thẻ dữ liệu.
Wonderware Historian có thể được triển khai để giám sát một quá trình đơn lẻ hoặc toàn bộ cơ sở
Dù cho dữ liệu được cập nhập liên tục, cập nhật sau, hoặc đến trong từng một đợt, Historian đều có thể xử lý tốt
Wonderware Historian có thể chịu được những đợt cập nhật dữ liệu mà không ảnh hướng đến khả năng chạy của hệ thống
Wonderware Historian có khả năng xử lý dữ liệu từ các hệ thống có đồng hồ hệ thống bị sai lệch, đảm bảo việc bảo quản chuỗi dữ liệu một cách chính xác và tự động.
Hình 2.3 Kiến trúc của Wonderware Historian
2.1.2.3 Lợi ích của Wonderware Historian
Wonderware mang đến nhiều phương thức để truy cập và hiển thị dữ liệu hiệu quả Historian Client là một công cụ trên máy tính để bàn, cho phép người dùng trực quan hóa xu hướng dữ liệu và tạo các báo cáo cơ bản một cách dễ dàng.
The Information Server presents Historian data in various formats through the web, while Wonderware Intelligence enhances data analysis for business purposes, leading to the development of a robust automated process analysis service.
Dream Report là ứng dụng báo cáo dễ sử dụng, cho phép người dùng tạo báo cáo sản xuất và báo cáo hàng ngày dựa trên cấu hình Đối với nhân viên di động, SmartGlance cung cấp dữ liệu từ Historian và các nguồn dữ liệu nhà máy khác đến smartphone và máy tính bảng.
Wonderware Historian hỗ trợ chế độ phục hồi dữ liệu tiên tiến, có thể truy vấn dữ liệu của bạn và báo cáo theo từng đợt
Dễ dàng hơn để xây dựng, hiệu quả hơn và mạnh mẽ hơn
Wonderware Historian Online Edition là một trong những chương trình lưu lược sử đầu tiên hỗ trợ điện toán đám mây
Wonderware Historian Online Edition cho phép dữ liệu từ lược sử khu vực được tổng hợp và lưu trữ trên một máy chủ Historian
Người dùng có thể yên tâm sử dụng dữ liệu mà không lo ngại về bảo mật Hơn nữa, với sự hỗ trợ từ nhà cung cấp, bạn sẽ không cần đầu tư thêm vào vốn hay tài nguyên IT để quản lý hệ thống.
2.1.2.4 Các ứng dụng của Wonderware Historian
Wonderware Historian cung cấp nhiều ứng dụng nhằm tối ưu hóa giá trị dữ liệu lưu trữ Người dùng có thể dễ dàng truy cập dữ liệu thông qua các giao diện thân thiện, giúp khắc phục sự cố và truy xuất dữ liệu lịch sử một cách nhanh chóng Tất cả các ứng dụng đều có sẵn trên nền tảng web.
Lý thuyết về chuẩn truyền dữ liệu
2.2.1.1 Tổng quan về mạng Enthernet
Mạng Ethernet công nghiệp đang phát triển nhanh chóng và dần thay thế các mạng công nghiệp truyền thống Các nhà máy sản xuất nhận thấy lợi ích của Ethernet công nghiệp trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, đơn giản hóa quản lý và dễ dàng tích hợp thông tin giữa sản xuất và quản lý Tuy nhiên, Ethernet công nghiệp có những điểm khác biệt so với Ethernet dân dụng và văn phòng.
Cáp Ethernet là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu và đường truyền trong môi trường công nghiệp, nơi có nhiều tín hiệu nhiễu điện từ và điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và hóa chất Việc lựa chọn cáp tín hiệu phù hợp không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn góp phần quyết định trong việc triển khai và vận hành hệ thống mạng hiệu quả.
Cáp Ethernet là lựa chọn phổ biến cho môi trường văn phòng, với cáp CAT5e cung cấp tốc độ truyền đạt 100 MB Trong môi trường công nghiệp, theo tiêu chuẩn ANSI/TIA-1005, cáp CAT6 hoặc cao hơn được khuyến cáo sử dụng Cáp CAT6 cho phép tốc độ truyền đạt lên đến 1GB ở khoảng cách 100m và 10GB ở khoảng cách 55m.
Cáp CAT6 vượt trội hơn cáp CAT5 và CAT5e nhờ khả năng chống nhiễu điện từ và nhiễu xuyên âm tốt hơn Bên cạnh đó, thiết kế vật lý của cáp CAT6 cũng thích hợp cho các môi trường công nghiệp.
2.2.2 Mạng truyền thông Modbus RTU và TCP/IP
MODBUS là một protocol phổ biến được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng nhờ vào tính đơn giản, chi phí thấp và dễ sử dụng Được phát minh gần 30 năm trước, MODBUS vẫn được các nhà cung cấp thiết bị đo và tự động hóa công nghiệp hỗ trợ trong các sản phẩm mới Dù cho các thiết bị hiện đại như bộ phân tích, lưu lượng kế hay PLC có giao diện kết nối không dây, Ethernet hay fieldbus, MODBUS vẫn là lựa chọn hàng đầu cho cả thiết bị thế hệ cũ và mới.
Một trong những ưu điểm nổi bật của MODBUS là khả năng hoạt động trên hầu hết các phương tiện truyền thông như cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng Điều này cho phép việc thiết lập kết nối MODBUS trở nên dễ dàng trong cả các nhà máy thế hệ mới lẫn hiện tại Thực tế, MODBUS còn được nâng cao để cung cấp truyền thông số cho các nhà máy cũ, tận dụng kết nối dây xoắn hiện có.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cách thức hoạt động của giao thức MODBUS và phân tích một số ứng dụng thông minh mà MODBUS có thể được áp dụng trong các nhà máy.
Ba phiên bản Modbus phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là:
Hệ thống truyền dẫn cân bằng sử dụng hai dây tín hiệu A và B mà không cần dây mass Tín hiệu trên hai dây này có đặc điểm đối kháng, tức là khi dây A phát tín hiệu mức cao, dây B sẽ phát tín hiệu mức thấp và ngược lại Điều này giúp cải thiện khả năng chống nhiễu và tăng cường chất lượng tín hiệu trong quá trình truyền dẫn.
Hình 2.15 Kiểu truyền cân bằng hai dây
Trong hệ thống truyền dẫn cân bằng với hai dây A và B, tín hiệu mức cao TTL được xác định khi điện áp dây A lớn hơn dây B ít nhất 200mV, trong khi tín hiệu mức thấp TTL được xác định khi điện áp dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng 200mV Khi điện áp VAB nằm trong khoảng -200mV đến 200mV, tín hiệu được coi là ở vùng bất định Ngoài ra, điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu cần phải nằm trong khoảng từ -7V đến +12V.
Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance - Zo) của dây cáp phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện, thường được nhà sản xuất chỉ rõ Khuyến cáo cho trở kháng đặc tính của đường dây thường dao động từ 100-120Ω, tuy nhiên không phải lúc nào cũng chính xác Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) là điện trở được lắp đặt ở hai đầu của đường truyền, với giá trị lý tưởng bằng với trở kháng đặc tính của dây xoắn, thường khoảng 100-120Ω.
Hình 2.16 Cách đặt điện trở đầu cuối
Nếu điện trở đầu cuối không tương thích với giá trị trở kháng của đường dây, hiện tượng phản xạ có thể gây ra nhiễu Mặc dù nhiễu nhỏ thường không ảnh hưởng nhiều, nhưng nếu mức độ nhiễu lớn, tín hiệu có thể bị sai lệch nghiêm trọng.
Thiết kế và thi công hệ thống
Yêu cầu của hệ thống
Xây dựng một hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo cho từng nhu cầu sử dụng tại nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen.
Kiến trúc hệ thống
3.2.1 Khảo sát kiến trúc hệ thống cũ
Mô tả kiến trúc hệ thống nhà máy
Kiến trúc vòng ngoài của nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen bao gồm năm hệ thống chính: kho lạnh, chiller, xử lý nước từ sông và giếng, xử lý nước thải, và lò hơi Tất cả các hệ thống này hoạt động độc lập và được điều khiển thông qua màn hình SCADA và HMI Hiện tại, nhà máy chưa có hệ thống lưu trữ dữ liệu tập trung.
Chưa có báo cáo năng lượng của các hệ thống xử lý nước thải, nước cấp, nồi hơi
Các bộ chuyển đổi từ Modbus sang Ethernet I/P bị giới hạn quyền truy cập => không thể lưu trữ dữ liệu về máy tính Server
Kepware Server kết nối dữ liệu từ các thiết bị hãng khác về SCADA của Rockwell Automation chưa có bản quyền
19 Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống
SW_TONG SW_NUOC CAP
PC_NUOCCAP PC_CHILLER PC_KHOLANH
Hình 3 1 Sơ đồ kiến trúc tại nhà máy.
3.2.2 Mô tả từng cụm của hệ thống
Hệ thống chiller có chức năng sấy khô gió đầu vào và điều hòa không khí trong xưởng sản xuất
Phần cứng hệ thống gồm: PAC Compaclogix L33ER, biến tần PowerFlex 523,
400 của hãng Rockwell Automation, đồng hồ PM1200 của hãng Schneider, bộ chuyển đổi tín hiệu từ Modbus RTU sang Ethenet I/P
Cụm hệ thống kho lạnh
Cụm kho lạnh có chức năng duy trình nhiệt đồ từ -18 đến -25 độ cho hai kho chứa các sản phẩm đông lạnh
Hệ thống phần cứng bao gồm: bộ điều khiển PAC Compaclogix L33ER, biến tần Denfoss FC103 với công suất 173 HP, đồng hồ PM1200 từ hãng Schneider, và bộ chuyển đổi tín hiệu từ Modbus RTU sang Ethernet I/P.
Hình 3.3 Hệ thống kho lạnh
Cụm hệ thống xử lý nước cấp
Hệ thống xử lý nước cấp đảm nhiệm việc lấy nước từ sông và qua quy trình xử lý cùng hóa chất, cung cấp nước sử dụng cho toàn bộ nhà máy Đồng thời, hệ thống cũng sản xuất nước RO phục vụ nhu cầu uống và tẩy trùng trong toàn bộ cơ sở.
Phần cứng hệ thống gồm: PAC compaclogix L30ER, biến tần Powerflex 525, đồng hồ PM1200, một số cảm biến từ hệ thống
Hình 3.4 Hệ thống xử lý nước cấp
Hình 3.5 Tủ điện hệ thống xử lý nước cấp
Cụm hệ thống xử lý nước thải
Hệ thống có chức năng xử lý nước sinh hoạt, nước thải nhà máy Collagen và nhà máy thủy sản Vĩnh Hoàn 1
Phần cứng hệ thống gồm: PAC Compaclogix L30ERM, biến tần 525, đồng hồ PM1200
Hình 3.6 Bồn tạo bông hệ thống xử lý nước thải
Hình 3.7 Tủ điện hệ thống xử lý nước thải
Cụm hệ thống lò hơi
Hệ thống có chức năng cung cấp hơi theo yêu cầu của xưởng sản xuất collagen
Hệ thống phần cứng gồm: PLC Micro 850, biến tần 525, 400, đồng hồ PM1200
3.2.3 Giới thiệu phần cứng và phần mềm của nhà máy
CompactLogix là dòng PAC trong họ Logix, thiết kế cho các ứng dụng vừa và nhỏ, thường có dưới 1000 I/O Với những ưu điểm kế thừa từ ControlLogix, CompactLogix mang đến cho người dùng nhiều lựa chọn linh hoạt cho các ứng dụng, từ máy độc lập đến dây chuyền sản xuất và hệ thống SCADA vừa.
Các dòng mới ra hiện nay là CompactLogix 5370 L1x, L2x, L3x có nhiều cải tiến so với các thế hệ cũ
Trên mỗi CPU có sẵn 2 cổng Ethernet (Dual-port) hỗ trợ Devive Level Ring
Cổng USB 2.0 để lập trình
Thẻ nhớ dùng để Backup chương trình
Hỗ trợ Remote I/O trên Ethernet/IP
Sử dụng chung phần mềm lập trình với ControlLogix nên dễ dàng chuyển đổi
Khác với hệ thống Controllogix, Compactlogix có thiết kế không cần khung chassis và có thể lắp trực tiếp lên thanh Din-rail Các mô-đun được kết nối với nhau thông qua các khớp nối bên hông, và được bảo vệ bằng nắp chặn cuối.
L1x sử dụng các module IO là PointIO còn L2x và L3x sử dụng CompactIO
CompactLogix không chỉ có tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ thấp hơn mà còn gặp hạn chế trong việc kết nối với các mạng công nghiệp, chủ yếu chỉ hỗ trợ mạng Ethernet Hơn nữa, hệ thống này chỉ tương thích với các module truyền thông hỗ trợ DeviceNet hoặc Modbus.
Bảng thông số kỹ thuật của dòng Compactlogix L3x
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của PLC Đặc tính 1769-
Bộ nhớ 1 MB 2 MB 3 MB
Thẻ nhớ 1 GB (tiêu chuẩn)
Khả năng mở rộng mô-đun
Lên đến 16 module I / O và 32 nút Ethernet
Cho các ứng dụng nhỏ, Rockwell Automation đã cho ra đời dòng sản phẩm Micro800 gồm Micro810, Micro820, Micro830 và Micro850 Trong đó
Micro810 là các Smart Relay có thể lập trình, dành cho ứng dụng thay thế Relay đơn giản, (tương tự như Logo của Siemens)
Micro820 là bộ PLC cho ứng dụng nhỏ, ít I/O (cả Digital và Analog), tương đương với các bộ điều khiển cho các ứng dụng BMS
Micro830 và Micro850 là các bộ PLC với khả năng quản lý I/O vượt trội, tối đa lên đến 132 I/O Đặc biệt, Micro850 còn được trang bị cổng Ethernet, cho phép kết nối dễ dàng với các ứng dụng như HMI và SCADA.
Sử dụng chung phần mềm lập trình Connnected Component Workbench (CCW) miễn phí Phần mềm này cũng dùng để cấu hình biến tần PowerFlex và HMI Panelview Component
Cổng lập trình, download/upload USB và Ethernet (Micro820 và Micro850)
Sử dụng chung các Plug In IO mở rộng
Thuận tiện khi truyền thông Modbus vì các cổng Serial có sẵn đều cho phép cấu hình thành MODBUS RTU 485/232 bằng phần mềm
Hỗ trợ đầy đủ các ngôn ngữ lập trình Đặc biệt là ngôn ngữ cấp cao (tương tự C)
Sử dụng Tag Name thay vì địa chỉ truyền thống (ví dụ “START_MOTOR” thay vì “N7:0/1”)
Các module hỗ trợ bên thứ ba như SMS và Loadcell giúp ứng dụng Micro800 trong hệ thống trở nên tiện lợi và đơn giản hơn Nếu bạn đang tìm kiếm một bộ PLC cho các ứng dụng đơn giản với khoảng 100 IO, Micro800 là một sự lựa chọn tuyệt vời.
Lưu ý: do sử dụng 1 phần mềm khác, với 1 kiến trúc khác nên không thể chuyển đổi chương trình từ MicroLogix hoặc Micro800 để sử dụng trên ControlLogix hoặc CompactLogix
Hình 3.10 Micro 850 và các mô dun mở rộng
Dòng biến tần PowerFlex 52x AC Drives có công suất từ 0.4-22 kW và điện áp từ 100 đến 600V, phù hợp cho nhiều ứng dụng như băng tải, quạt, máy bơm và máy trộn Thiết kế mô đun điều khiển và công suất có thể tháo rời mang lại tính linh hoạt trong triển khai dự án Mô đun điều khiển được trang bị cổng USB cho phép tải lên và tải xuống dữ liệu trực tiếp từ máy tính mà không cần nguồn điện Đặc biệt, biến tần PowerFlex 525 còn tích hợp cổng Ethernet/IP, giúp kết nối dễ dàng với các hàm điều khiển trong Studio 5000 và Connected Component Workbench (CCW).
Hình 3.11 Dòng biến tần PowerFlex 523
Biến tần Danfoss VLT FC103 là giải pháp lý tưởng cho hệ thống điều hòa không khí HVAC, được ứng dụng cho bơm, quạt, tháp giải nhiệt, máy nén, máy thổi khí và hệ chiller với công suất lên đến 140kW Sản phẩm có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian trong tủ điện và có cấp bảo vệ IP21/IP55, cho phép lắp đặt ngoài trời Biến tần này sử dụng chuẩn truyền thông Modbus, mang lại hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp.
Hình 3.12 Dòng biến tần FC103
3.2.3.3 Màn hình hiển thị HMI
Trong điều khiển và giám sát, thiết bị giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống đóng vai trò quan trọng Chúng giúp nâng cao độ chính xác và sự thuận tiện trong việc quản lý hệ thống, từ đó giảm thiểu rủi ro một cách kịp thời.
HMI là yếu tố quan trọng trong hệ thống SCADA, và trong nhà máy hiện tại, chúng tôi sử dụng màn hình HMI PanelView Plus 1000 của Rockwell Automation, được trang bị khả năng truyền thông qua mạng Ethernet cho toàn bộ hệ thống.
Display module: màn hình hiển thị chính bằng cảm ứng
Logic module: có chức năng giống như CPU của máy tính, chứa toàn bộ chương trình, hệ điều hành, của HMI Về phần cứng, Logic module như sau:
Nguồn cấp 24V DC (18…32V) hoặc AC (85…264V)
Một cổng kết nối Ethernet
Hai cổng USB kết nối với chuột, bàn phím, hoặc máy in
Cổng kết nối RS-232 dùng để truyền file, in ấn và giao tiếp với PLC
Thẻ nhớ SD dùng để backup/restore(kể cả Firmware) chương trình
Hình 3.14 Phần cứng PanelView Plus 1000
3.2.3.4 Switch mạng Để kết nối các thiết bị truyền thông Ethernet công nghiệp bao gồm PLC, biến tần, HMI,… với nhau Nhà máy đã sử dụng thiết bị Unmanaged Switch của hãng Allen-Breadley và Managed Switch của Cisco
Tại vị trí các tủ điều khiển tín hiệu của PLC, biến tần và HMI, thiết bị mạng Unmanaged Switch của Allen-Bradley được sử dụng để kết nối nhiều mạng khác nhau Thiết bị này có chức năng lưu trữ và chuyển tiếp các khung dữ liệu đến Switch tổng một cách hiệu quả.
The Allen-Bradley Unmanaged Switch, located in the server cabinet, functions as a Managed Switch This device is responsible for receiving and transmitting signals to switches in control cabinets while also providing enhanced security and information safety for the entire plant.
Thiết kế hệ thống
Sau khi tiến hành khảo sát toàn bộ kiến trúc của nhà máy hiện tại, Sinh Viên đã đề xuất giải pháp và thiết kế lại kiến trúc nhà máy Vĩnh Hoàn Collagen, nhằm tối ưu hóa các phần cứng để đáp ứng nhu cầu của nhà máy.
Giải pháp kiến trúc mới được Sinh viên đưa ra dựa trên giải pháp của hãng Rockwell Automation
3.3.1 Giải pháp kiến trúc hệ thống mới
3.3.1.1 Mô tả kiến trúc mới:
Hiện tại nhà máy đang sử dụng gần như toàn bộ thiết bị của Rockwell
Automation vì vậy giải pháp tốt nhất và giảm chi phí phần mềm là đồng bộ hóa toàn bộ về thiết bị và biến Rockwell
Hệ thống kiến trúc cũ tại nhà máy gặp nhiều hạn chế, gây khó khăn trong việc quản lý năng lượng của các hệ thống Điều này dẫn đến việc báo cáo không được gửi về đúng theo từng cấp quản lý.
Hệ thống được nâng cấp bằng cách thêm một PLC Micro 820 cho mỗi hệ thống, giúp đọc tín hiệu từ các thiết bị trường thông qua giao thức Modbus Điều này cho phép chuẩn hóa toàn bộ dữ liệu về biến Rockwell, từ đó giảm chi phí mua bản quyền phần mềm FT Historian.
3.3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống
TRUNG TÂM LƯU TRỮ VÀ XUẤT DỮ LIỆU
Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thống
Nguồn điện được cung cấp từ tủ điện hạ thế vào các tủ điện trong hệ thống Dòng điện 3 pha từ tủ điện trung tâm sẽ được phân phối đến các tủ điều khiển hệ thống Mỗi tủ điều khiển hệ thống đều được trang bị UPS dự phòng để đảm bảo hoạt động liên tục khi có sự cố về nguồn điện.
Khối trung tâm lưu trữ dữ liệu
Trung tâm lưu trữ và xuất dữ liệu gồm máy tính Server và hệ thống lưu trữ dữ liệu của nhà máy được bộ phận IT xây dựng sẵn
Máy tính Server được thiết kế để đáp ứng yêu cầu của phần mềm cài đặt, với phần cứng phải phù hợp để hỗ trợ hiệu suất và chức năng của các ứng dụng.
Hình 3.26 Máy tính Server Xây dựng riêng một hệ thống lưu trữ dữ liệu cho toàn bộ nhà máy
Các khối chiller, kho lạnh, nồi hơi, nước cấp, nước thải
Các khối còn lại đã được nhà máy xây dựng, và sinh viên chỉ cần bổ sung PLC Micro 820 vào tủ điện để đọc các dữ liệu quan trọng Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm.
- Đáp ứng được nhu cầu đặt ra của nhà máy
- Loại bỏ các thiết bị chuyển đổi bị giới hạn số lượng truy cập để lấy thông tin
- Chuẩn hóa toàn bộ nhà máy về tag Rockwell
- Khả năng mở rộng nhà máy dễ dàng
- Tốn chi phí lắp đặt thêm 5 PLC micro 820
42 Hình 3 27 Kiến trúc nhà máy được thiết kế lại dựa trên phần mềm IAB
SW_TONG SW_NUOC CAP
PC_NUOCCAP PC_CHILLER PC_KHOLANH
Tổng quan về phần mềm sử dụng
3.4.1 Phần mềm thiết kế kiến trúc integrated architecture builder (IAB) IAB là phần mềm được cung cấp độc quyền bởi tập đoàn Rockwell Automation, với mục tiêu làm đơn giản và chi tiết hoá quá trình xây dựng nên một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho kỹ sư thiết kế dựa trên các tính năng cần có của hệ thống do khách hàng yêu cầu
IAB đã phát triển một mô hình kiến trúc hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm tối ưu, đáp ứng chính xác các yêu cầu đặt ra Hệ thống này cung cấp cho người dùng nhiều tính năng vượt trội.
Thông tin dự án và chi phí đầu tư
Xuất tài liệu tham khảo về dự án
Thiết kế hệ thống mạng nhà máy
Vẽ nên được kiến trúc tổng thể toàn nhà máy một cách trực quan nhất
Hình 3.28 Giao diện phần mềm IAB
Factorytalk Historian là phần mềm mạnh mẽ giúp thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu phức tạp, hỗ trợ quản trị thông tin sản xuất hiệu quả Phần mềm này dễ dàng tích hợp với các ứng dụng khác trong hệ sinh thái Factorytalk của Rockwell và có khả năng kết nối với nhiều loại phần cứng thông qua Rslinx Enterprise cho các bộ điều khiển của AB hoặc OPC Server.
Về cơ bản Factorytalk Historian dùng để:
Tối đa hóa việc thu thập dữ liệu theo thời gian
Cho phép truy cập lịch sử thông tin tại bất kì cấp độ nào trong doanh nghiệp Hợp lí hóa các ứng dụng sản xuất
FactoryTalk VantagePoint là phần mềm tùy chọn đi kèm với FactoryTalk Historian, giúp tạo báo cáo, biểu đồ và thống kê dữ liệu Phần mềm này cho phép xuất dữ liệu lên giao diện có thể truy cập từ xa qua các trình duyệt web.
Hình 3.30 Giao diện biểu đồ trên FT vantagePoint
Lập trình Micro820 bằng phần mềm CCW
PLC Micro820 giao tiếp qua cổng Ethernet I/P, do đó, bước đầu tiên để lập trình cho PLC là cấu hình địa chỉ IP cho PLC Micro820 thông qua phần mềm CCW hoặc RSLinx.
Hình 3.31 Cấu hình địa chỉ IP
PLC Micro820 được sử dụng để thu thập dữ liệu từ đồng hồ năng lượng PM1200 và các biến tần trong hệ thống nhà máy Dữ liệu này sẽ được hiển thị trên hệ thống SCADA, đồng thời chuyển đổi các tag từ các hãng khác về biến Rockwell, giúp giảm chi phí phần mềm lưu trữ dữ liệu Do đó, việc cấu hình Modbus là cần thiết.
PLC là thiết bị chính trong hệ thống Modbus, có chức năng đọc và ghi dữ liệu Để hoạt động hiệu quả, PLC cần được cấu hình đúng, với các thiết bị khác hoạt động như thiết bị phụ.
Hình 3.32 Cấu hình truyền thông Modbus Dùng hàm Msg để giao tiếp với các thiết bị trường qua giao tiếp Modbus
Hàm MSG trong sản phẩm biến tần của Rockwell cho phép lập trình viên dễ dàng đọc dữ liệu bằng cách sử dụng các hàm có sẵn, tùy thuộc vào từng dòng biến tần Người lập trình chỉ cần chú ý đến địa chỉ biến tần để thực hiện giao tiếp và điều khiển hiệu quả.
Hình 3 34 Hàm điều khiển biến tần VSD 400.
Thiết lập thông số FactoryTalk View SE
Sau khi chuyển đổi các tag từ đồng hồ PM1200 và các biến tần sang Micro820, hệ thống SCADA không còn nhận diện được các tag cũ.
Hình 3 35 Hệ thống SCADA bị lỗi do tag bị thay đổi
Cấu hình thay đổi lại tag của hệ thống SCADA bằng cách thêm tag bằng công cụ Rslinx Enterprise Sau đó cập nhật lại tag mới khi thay đổi.
Cấu hình FactoryTalk Historian
Dữ liệu chuỗi thời gian (Time-Series Data) là các mẫu dữ liệu liên tục thu thập từ các Tags thực tế Những dữ liệu này được xử lý và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, nhưng thường có dung lượng lớn và chưa qua xử lý, do đó không có tính phổ quát về các đặc trưng và hiệu suất của hệ thống.
Nếu không tối ưu việc lấy dữ liệu, việc lưu trữ sẽ trở nên khó khăn và tiêu tốn không gian lưu trữ Để giảm thiểu không gian này, cần áp dụng các phương pháp nén và chỉ lưu trữ dữ liệu liên quan, giúp tối ưu hóa hiệu quả lưu trữ.
3.7.2 Các loại Tag và Data trên thực tế
Control System Tag, Memory Tag là tên gọi các Tags lưu trữ nằm trên các PLC hoặc HMI
Data Point là thuật ngữ mà Historian SE sử dụng để xác định vị trí dữ liệu trong hệ thống điều khiển, nơi mà dữ liệu sẽ được thu thập Một Data Point có thể là tag của hệ thống điều khiển hoặc tag bộ nhớ.
Reporting Tag: Là tên gọi của các tag đã được lưu trữ trong Historian SE Database bằng cách lấy mẫu liên tục các Tags thực từ PLC hoặc HMI
Factory Talk Historian là phần mềm thiết yếu cho quản lý và kỹ sư trong nhà máy, giúp lưu trữ và xử lý dữ liệu sản xuất Phần mềm này hỗ trợ tạo báo cáo thống kê năng suất và hiệu suất, cho phép quản lý đưa ra quyết định kịp thời về khả năng vận hành và ký hợp đồng với sản lượng cao hơn Ngoài ra, nó còn giúp xác định thời điểm nâng cấp hệ thống để cải thiện hiệu năng và giảm chi phí.
FT Historian đã phát triển một Add-in cho MS Excel, một phần mềm kế toán thống kê phổ biến toàn cầu Add-in này hỗ trợ việc xuất báo cáo định kỳ về năng suất, bảo trì và thời gian đứng máy cho kỹ sư, cũng như các báo cáo hiệu suất, khả năng đáp ứng, thời gian hoàn thành và gián đoạn của nhà máy cho các cấp quản lý khi trình bày với khách hàng hoặc cấp cao hơn.
FT Historian được cài đặt trên máy chủ cơ sở dữ liệu và kết nối với máy trạm giám sát, giúp giảm thiểu việc cài đặt phần mềm giám sát như FT View và Studio 5000 Điều này không chỉ giảm gánh nặng tài nguyên vật lý mà còn tiết kiệm thời gian vận hành Thêm vào đó, các thuật toán tiết giảm dữ liệu đặc biệt cho phép dữ liệu được lưu trữ liên tục và tinh giản với dung lượng rất nhẹ.
Các bước kết nối FT Historian từ máy chủ cơ sở dữ liệu đến máy trạm giám sát gồm:
- Định vị địa chỉ của Factory Directory từ máy chủ cơ sở dữ liệu đến máy trạm giám sát hệ thống
- Tạo liên kết Rslink Enterprise đến Controller đang vận hành toàn hệ thống
- Tạo các Historian Point để quét các Tags nhằm mục đích lưu trữ
- Tinh chỉnh các thông số liên quan đến Tags cần được lưu
- Sử dụng Add-in trong MS EXCEL để thiết lập Report
Các bước cấu hình FT Historian
Hình 3.37 Tạo liên kết Rslink Enterprise cho FT Historian
Kiểm tra phiên bản Historian của máy tính server hiện tại cho phép lưu trữ số lượng tags là bao nhiêu
Hình 3.38 Kiểm tra số lượng tag sử dụng
Chọn các tag cần lưu trữ trong các tag của PLC
Hình 3.39 Chọn tag lưu trữ Kiểm tra các tag đã được lưu trữ chưa
Hình 3 40 Tìm tag lưu trữ trên công cụ PI system management
Xem các giá trị lữu trữ của một tag trong khoảng thời gian cài đặt
Hình 3.41 Giá trị lưu trữ của một tag Công cụ Thay đổi tên của tag phù hợp và dễ sử dụng
Trên PLC, các kiểu dữ liệu có sự khác biệt, do đó cần điều chỉnh chúng cho phù hợp với thực tế Người dùng cũng có thể phân loại các kiểu dữ liệu vào từng nhóm theo quy định của người thiết kế, giúp việc tìm kiếm trở nên dễ dàng hơn.
Các tag có thể được tính toán trên công cụ của FT Historian nhằm đáp ứng nhu cầu người dùng
Hình 3.43 trình bày cách sử dụng các hàm tính toán trong FT Historian, cho phép người dùng tùy chỉnh thời gian lấy mẫu dữ liệu dựa trên loại tag và nhu cầu đáp ứng nhanh Để tối ưu bộ nhớ, người dùng có thể cài đặt khoảng thời gian lấy mẫu, nhưng phần mềm vẫn có khả năng nội suy ra kết quả chính xác khi người dùng cần xem giá trị trong khoảng thời gian đó Đây là một trong những tính năng nổi bật của FT Historian.
Hình 3.44 Cấu hình thời gian lấy mẫu
FactoryTalk VantagePoint là phần mềm tùy chọn đi kèm với FactoryTalk Historian, giúp người dùng tạo báo cáo, biểu đồ và thống kê dữ liệu Phần mềm này cho phép xuất dữ liệu lên giao diện có thể truy cập từ xa qua các trình duyệt web.
Các bước kết nối FactoryTalk VantagePoint đến cơ sở dữ liệu lưu trữ bởi FactoryTalk Historian tạo một biểu (Trend) gồm:
- Nhập cơ sở dữ liệu Tags và thông tin từ Historian
- Tạo các thư mục chứa tags theo tính chất thông tin của tag
- Kéo thả các Tags vào Trend rồi chọn Publish nếu muốn Trends có thể truy cập được trên Web
Hình 3.45 Tạo biểu đồ từ Tag Flowrate
Hình 3.46 Publish nội dung Trend lên Web
Hình 3.47 Truy cập thông tin của biểu đồ trên Web
Cấu hinh Factorytalk VantagePoint
Lặp đặt thiết bị trong tủ điện
Hình 4.1 Lắp đặt các PLC vào tủ điện Các bộ chuyển đổi tín hiệu được gỡ bỏ thay thế bằng PLC
Kết quả nghiên cứu
Kết quả
Lặp đặt thiết bị trong tủ điện
Hình 4.1 Lắp đặt các PLC vào tủ điện Các bộ chuyển đổi tín hiệu được gỡ bỏ thay thế bằng PLC
Hình 4.3 Xây dựng trung tâm lưu trữ dự liệu của các cụm nhà máy
Lắp đặt PLC Micro 820 cho mỗi hệ thống nhằm giao tiếp Modbus với các thiết bị trường, giúp chuẩn hóa tag của Rockwell Việc đồng bộ hóa toàn bộ thiết bị trong nhà máy với các sản phẩm tự động của Rockwell không chỉ tăng cường khả năng tương tác giữa các thiết bị mà còn giảm chi phí phần mềm.
- Loại bỏ thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ Modbus sang Enthernet I/P
- Xóa bỏ các phần mềm như Kepware mà hiện tại nhà máy đang dùng để chuyển đồi tag của các thiết bị khác về SCADA
- Chuẩn hóa hệ thống nhà máy
- Khả năng mở rộng và trao đổi thông tin dễ dàng hơn
- Đáp ứng được nhu cầu đặt ra của nhà máy lúc đầu
- Quản lý toàn bộ đồng hồ điện năng tại các tủ hệ thống
- Lưu trữ dữ liệu toàn bộ nhà máy từ các thiết bị trường, PLC, HMI, SCADA
- Tăng chi phí lắp đặt
- Thay đổi biến toàn bộ các hệ thống SCADA có liên qua đến dẫn đến SQL Server bị lỗi
Truy cập trên web xem báo cáo
Hình 4 4 Xuất báo cáo điện năng trên web
Xem biểu đồ nhiệt độ của một cảm biến trong kho lạnh
Hình 4.5 Biểu đồ nhiệt độ được theo dõi qua web Thông số các đồng hồ PM1200 được thiết kế xem trên biểu đồ tròn
Hình 4.6 Thiết kế giao diện xem qua điện thoại
Truy cập xem báo qua điện thoại
Báo cáo được xuất tự động theo thời gian yêu cầu của nhà máy
Hình 4.8 Báo cáo tự động xuất Hình 4.7 Xem qua điện thoại
Phần mềm FT Historian hoạt động hiệu quả trên máy Server, tuy nhiên, khi cùng lúc chạy ba phần mềm của Rockwell Automation, máy tính Server có thể gặp phải tình trạng quá tải, dẫn đến tốc độ xử lý chậm khi người dùng truy cập qua web Mặc dù vậy, các phần mềm này vẫn đáp ứng tốt nhu cầu của nhà máy, mang lại giá trị thời gian thực cho người dùng, đây chính là một trong những thế mạnh nổi bật của FT Historian.
- Xuất báo cáo ra file PDF nên độ bảo mật tin cậy tuyệt đối
- Truy cập từ xa xem qua web dễ dàng
- Người dùng có thể thiết kế giao diện xem dễ dàng chỉ cần các bước kéo thả
- Đáp ứng dữ liệu thời gian thực
- Các giá trị xuất từ FT Historian được bảo mật chống chỉnh sửa
- Tự động xuất báo cáo theo ngày, tháng, năm theo yêu cầu của người dùng
- Giá trị lưu trữ được tối ưu hóa và nén dữ liệu nên dung lượng tiêu tốn thấp
- Vì khả năng vi tính Excel còn kém nên xử lí số liệu còn chưa được như ý muốn
- Chưa có thể khai thác các tính năng mạnh của phầm mềm
- Chưa giúp người dùng có thể truy cập dữ liệu từ xa thông qua Internet.
