Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu điện tự động hóa ngày càng cao, do vậy một nhiệm vụ quan trọng hàng đầu luôn được đặt ra đối với người thiết kế phải biết vận dụng những kiến thức đã được học vào thực tế một cách sáng tạo và khoa học. Là sinh viên ngành tự động hóa nhóm em lựa chọn đề tài là “ Xây dựng bộ điều khiển thang máy 3 tầng sử dụng PLC và giám sát qua giao diện Wincc” làm đề tài báo cáo môn học. Trong thời gian làm đề tài nhóm em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo BÙI TUẤN ANH và sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn tự động hóa cùng với sự giúp đỡ của bạn bè. Đến nay đề tài của nhóm em đã hoàn thành đầy đủ các nội dung yêu cầu. Với khả năng có hạn chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm em rất mong có được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo. Nội dung đề tài gồm : Chương 1 : Tổng quan về hệ thống SCADA Chương 2 : Phân tích chọn biến vào/ra, mô tả hệ thống, thiết kế hàm logic Chương 3 : Phân tích lựa chọn PLC, đặt địa chỉ và thiết kế sơ đồ nguyên lý Chương 4 : Xây dựng bộ điều khiển thang máy 3 tầng sử dụng PLC và giám sát qua giao diện Wincc
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA
Khái niệm về hệ thống SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện nay Thuật ngữ này lần đầu tiên được giới thiệu trong lĩnh vực điện năng tại hội nghị PICA (Power Industry Computer Applications) vào năm 1973.
Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một giải pháp thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quy trình từ xa, cho phép người vận hành nhận biết và quản lý hoạt động của các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông SCADA bao gồm tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng giám sát và điều khiển hiệu quả.
- Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến
- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý
- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy
- Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay 1 cách kịp thời, chính xác
Hình 1.1 và hình 1.2 thể hiện hình ảnh phòng điều khiển trung tâm của hệ thống SCADA hiện đại, được áp dụng trong các nhà máy tự động hóa cao như nhà máy điện, xi măng, gạch men, bia và thức ăn chăn nuôi.
Hình 1.1: Phòng điều khiển trung tâm hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA thu thập dữ liệu từ nhiều máy tính chủ và được quản lý tại phòng điều khiển trung tâm, nơi có mạng LAN và màn hình lớn hiển thị hoạt động sản xuất Các bộ điều khiển kết nối với hệ thống qua đường truyền vô tuyến, cáp quang, cáp đồng trục hoặc cáp đôi theo mạng Ethernet SCADA cho phép gửi lệnh giám sát tự động hoặc thủ công tới các thiết bị điều khiển, cung cấp giao diện đồ hoạ cho người vận hành Các giá trị quá trình được hiển thị bằng đèn báo, chữ số, đồ thị và được lưu trữ, trong khi chức năng cảnh báo thông báo sự cố và chức năng tường trình tạo báo cáo cho cấp trên Hệ thống quản lý theo người dùng với mật mã truy cập, phần mềm SCADA thường được cài đặt trên hệ điều hành NT hoặc Windows XP, kết nối với bộ điều khiển qua driver truyền thông SCADA hỗ trợ chế độ 1 người dùng hoặc nhiều người dùng với nhiều máy tính client kết nối máy server, và có khả năng liên kết với các ứng dụng khác thông qua OCX, Active.
X, OLE (Object Linking And Embedding), OPC (OLE for Process Control),DDE (Dynamic Data Exchange), DCOM (Distributed Component Object
Module), liên kết với cơ sở dữ liệu thông qua SQL (Structured Querry Language), ODBC (Open Database Connectivity)
Hình 1.2: Phòng điều khiển hệ thống SCADA
Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu:
+ Báo cáo và báo động
+ Quản lý và lưu trữ dữ liệu quá trình
Cấu trúc hệ thống SCADA
Cấu trúc chung của 1 hệ SCADA được mô tả như hình 1.3
Hình 1.3 Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA
Như vậy 1 hệ SCADA bao gồm 3 thành phần cơ bản sau: MTU, RTU và thành phần truyền thông a MTU (Master Terminal Unit)
MTU là trung tâm của 1 hệ thống SCADA Trong thực tế nó thường là
Hệ máy tính công nghiệp (MTU) giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông MTU còn kết nối với các thiết bị ngoại vi như màn hình, máy in, và có khả năng kết nối với mạng truyền thông Nhiệm vụ chính của MTU bao gồm việc quản lý và điều phối các hoạt động trong hệ thống.
+ Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành + Xuất dữ liệu đến các thiết bị điều khiển RTU
Hiển thị thông tin cần thiết về quá trình và trạng thái thiết bị trên màn hình giúp người điều hành dễ dàng giám sát và điều khiển Đồng thời, hệ thống còn lưu trữ, xử lý thông tin và giao tiếp hiệu quả với các hệ thống thông tin khác, đặc biệt là thông qua RTU (Remote Terminal Unit).
RTU (Remote Terminal Unit) là thiết bị thu nhận thông tin từ xa, thường được lắp đặt tại các địa điểm làm việc để thu thập dữ liệu từ các thiết bị hiện trường như van, cảm biến và đồng hồ đo, sau đó gửi về MTU (Master Terminal Unit) để xử lý và thông báo trạng thái hoạt động Ngoài ra, RTU còn nhận lệnh từ MTU để điều khiển các thiết bị theo yêu cầu Thông thường, RTU lưu giữ dữ liệu trong bộ nhớ và chỉ truyền khi có yêu cầu từ MTU Tuy nhiên, các RTU hiện đại ngày nay có khả năng thực hiện điều khiển trực tiếp từ xa mà không cần sự can thiệp của MTU Khối truyền thông đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị, bao gồm cả phần cứng và phần mềm.
Phần cứng trong hệ thống mạng bao gồm các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền, và thiết bị thu phát vô tuyến cho hệ thống không dây Ngoài ra, các trạm lặp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu ở khoảng cách xa.
Phần mềm: Đó là các giao thức truyền thông, các ngôn ngữ lập trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau
CPU của RTU nhận dữ liệu nhị phân thông qua các giao thức truyền thông như TCP/IP hoặc các giao thức riêng biệt Thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI, giúp tiêu chuẩn hóa quá trình trao đổi dữ liệu RTU xác định thông tin thông qua mã nhận dạng trong dữ liệu truyền, và dữ liệu này được biên dịch để CPU có thể điều khiển các tác động tại chỗ một cách thích hợp.
Cấu trúc phần mềm hệ thống SCADA được thể hiện như sơ đồ hình 1.4
Hình 1.4 Cấu trúc phần mềm hệ thống SCADA a Cơ sở dữ liệu quá trình
- Chức năng quản lý, lưu trữ
+ Dữ liệu tình trạng hệ thống
- Về cơ bản giống các hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường
+ Thường được xây dựng trên cơ sở 1 thương phẩm như SQL Server, Sybase, Informix, …
- Các yêu cầu đặc biệt
+ Tần suất cập nhật cao, mang tính tuần hoàn
+ Tính năng thời gian thực
+ Quản lý hiệu quả cơ sở dữ liệu lớn liên tục rất nhanh b Giao diện người máy
- Sơ đồ khối (hệ thống): Hiển thị tình trạng các thiết bị, máy móc
- Lưu đồ công nghệ (phân đoạn, nhóm): hiển thị các giá trị quá trình, các hình ảnh động minh hoạ, các phím điều khiển
- Biểu đồ chức năng trình tự (SFC)
- Faceplates: Hiển thị và can thiệp chi tiết 1 vòng điều khiển (chế độ điều khiển, các giá trị biến, tham số điều khiển, tình trạng báo động)
- Đồ thị thời gian thực: hiển thị các giá trị quá trình (tức thời)
- Đồ thị quá khứ: Hiển thị các giá trị lưu trữ
- Các cửa sổ báo động
- Các cửa sổ chỉ dẫn c Chức năng cảnh báo, báo động
- Phát hiện tình trạng cảnh báo, báo động:
+ Các hệ DCS : Các trạm điều khiển cục bộ
+ SCADA/HMI : Các trạm vận hành/trạm chủ -
- Gửi cảnh báo, báo động theo:
+ Trạm được quyền can thiệp
+ Mức ưu tiên, tính cấp thiết
- Lưu trữ dữ liệu cảnh báo / báo động
- Hiển thị cảnh báo / báo động 9
+ Sắp xếp theo mức ưu tiên , tính cấp thiết
+ Sắp xếp theo thời gian xảy ra
+ Sắp xếp theo loại cảnh báo / báo động
+ Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhấp nháy
- Xác nhận cảnh báo / báo động
+ Xác nhận theo nhóm hoặc xác nhận theo từng thông báo
Để xóa cảnh báo và báo động, cần thực hiện ở cấp điều khiển giám sát, bao gồm điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Hệ thống I/O Server và I/O Driver là cần thiết cho từng loại PLC và từng công cụ SCADA/HMI Phần mềm SCADA thường bao gồm các phần tử và tính chất đặc trưng.
Nhà thiết kế đồ họa chịu trách nhiệm tạo ra các hình vẽ cho quy trình, bao gồm cả hình tĩnh và động Phần mềm đồ họa này hỗ trợ định dạng đồ họa hướng đối tượng, cho phép nhập và xuất các đối tượng đồ họa liên kết với nhiều chương trình khác nhau.
Alarm Logging cung cấp thông tin chi tiết về các sự cố dưới dạng số, bao gồm loại sự cố và thời gian xảy ra Tất cả các sự cố này được lưu trữ một cách hệ thống trong cơ sở dữ liệu, giúp dễ dàng truy xuất và phân tích khi cần thiết.
Tag Logging là quá trình thu thập dữ liệu từ các biến hay quy trình để hiển thị dưới dạng bảng hoặc đồ thị và lưu trữ chúng Có hai loại tag: tag trong các biến nhớ của chương trình và tag quy trình liên kết với các địa chỉ vùng nhớ của PLC.
- User Administrator: Phân cấp mức truy cập vào hệ thống bằng password, báo cáo lịch sử truy cập hệ thống
- Global Script: Giúp biên tập các hàm C liên kết với sự kiện nào đó
- Report Designer: Tạo các báo cáo và in ấn
- Text Library: Soạn văn bản thông báo
- Communication Driver: Tạo kết nối giữa SCADA và PLC hay RTU
- Redundancy: Tạo độ dư thừa để tăng độ tin cậy, ví dụ dùng 2 máy tính để chạy phần mềm SCADA song song.
- Database: Chứa các thông số đặc trưng quá trình
- Scalability: Giúp thay đổi thêm bớt thiết bị trong hệ thống.
SCADA software operates in a client/server architecture, where multiple client machines connect to a central server over a LAN in a multi-user environment Clients receive data from the server, enabling efficient monitoring and control Popular SCADA software solutions include FIX by Intellution, WinCC from Siemens, RSView by Allen Bradley, Intouch from Wonderware, Think & Do by Think & Do Software, and Scitect.
Mạng truyền thông
Hệ SCADA có hai lớp truyền thông chính:
Truyền thông nội bộ (internal communication) và truyền thông truy nhập thiết bị (access to devices)
Truyền thông nội bộ là quá trình giao tiếp giữa máy chủ và máy trạm, cũng như giữa các máy chủ với nhau, sử dụng giao thức TCP/IP (Transmission Control/Internet Protocol).
Truyền thông truy cập thiết bị trong hệ thống SCADA là quá trình mà máy chủ dữ liệu định kỳ truy cập các bộ điều khiển để cập nhật thông tin và gửi tín hiệu điều khiển Chu kỳ lấy mẫu, tức thời gian giữa các lần truy cập, có thể khác nhau tùy thuộc vào loại tham số; các tham số biến thiên nhanh như áp suất có chu kỳ ngắn, trong khi các tham số biến thiên chậm như nhiệt độ có chu kỳ dài hơn Việc xác định chu kỳ lấy mẫu cần dựa trên kinh nghiệm và hiểu biết công nghệ của kỹ sư Trong mỗi chu kỳ, bộ điều khiển sẽ gửi dữ liệu yêu cầu lên máy chủ Để giao tiếp hiệu quả với các bộ điều khiển như PLC, hệ thống SCADA cần có chương trình điều khiển truyền thông (Driver) phù hợp cho từng loại PLC Do đó, khi thiết kế giải pháp SCADA, người thiết kế cần xác định rõ loại bộ điều khiển để lựa chọn Driver thích hợp cho ứng dụng.
Phân loại hệ thống SCADA
Các hệ thống SCADA được phân loại theo chức năng thành bốn nhóm chính như sau:
1.4.1 Hệ thống SCADA mờ (blind) Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận giám sát mà nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị
1.4.2 Hệ thống SCADA xử lý đồ họa đáp ứng thời gian thực Đây là hệ thống SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản 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 hoặc có thể phát tín hiệu điều khiển dừng máy khẩn cấp
1.4.3 Hệ thống SCADA độc lập
Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu này sử dụng một bộ vi xử lý, cho phép điều khiển một hoặc hai máy móc Với thiết kế nhỏ gọn, hệ thống này phù hợp cho các sản xuất nhỏ và sản xuất chi tiết.
1.4.4 Hệ thống SCADA mạng Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý Các máy tính được nối mạng với nhau, có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng 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 và có khả năng điều khiển hoạt động của các thiết bị từ xa.
PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO/RA, MÔ TẢ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ HÀM LOGIC
Phân tích chọn biến vào ra
STT Tên biến Trạng thái tác động Trạng thái không tác động
1 Nút bấm chọn tầng 1 Bấm nút = 1 0
2 Nút bấm chọn tầng 2 Bấm nút = 1 0
3 Nút bấm chọn tầng 3 Bấm nút = 1 0
4 Công tắc hành trình mở hết cửa Mở hết cửa = 1 0
5 Công tắc hành trình đóng hết cửa Đóng hết cửa = 1 0
6 Cảm biến sàn tầng 1 Đến sàn tầng 1 = 1 0
7 Cảm biến trần tầng 1 Đến trần tầng 1 = 1 0
8 Cảm biến sàn tầng 2 Đến sàn tầng 2 = 1 0
9 Cảm biến trần tầng 2 Đến trần tầng 2 = 1 0
10 Cảm biến sàn tầng 3 Đến sàn tầng 3 = 1 0
11 Cảm biến trần tầng 3 Đến trần tầng 3 = 1 0
12 Cảm biến quang gắn tại cửa Có vật cản = 1 0
13 Nút bấm gọi đi lên tại tầng 1 Bấm nút = 1 0
14 Nút bấm gọi đi lên tại tầng 2 Bấm nút = 1 0
15 Nút bấm gọi đi xuống tại tầng 2 Bấm nút = 1 0
16 Nút bấm gọi đi xuống tại tầng 3 Bấm nút = 1 0
17 Thời gian 1 = 2s Khi T ≥ 4S thì T bit = 1 Khi T < 4S thì T bit = 0
18 Thời gian 2 = 10s Khi T ≥ 10S thì T bit =1 Khi T
