nghiên cứu ứng dụng wincc để mô phỏng hệ scada trong công nghiệp

- i -
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN THỂ Lớp: 50CKCD
Ngành: Công nghệ cơ điện tử Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công
nghiệp”
Số trang: 92 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 07
Hiện vật: 02 cuốn báo cáo + 02CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN







Kết luận:





ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số


Nha Trang, ngày … tháng … năm 2011
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận


- ii -
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN THỂ Lớp: 50CKCD
Ngành: Công nghệ cơ điện tử Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công
nghiệp”
Số trang: 92 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 07
Hiện vật: 02 cuốn báo cáo + 02CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN




Đánh giá chung:





ĐIỂM
Bằng chữ Bằng số

ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số


Nha Trang, ngày … tháng … năm 2011
Cán bộ phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2011
Chủ tịch hội đồng
(Ký và ghi rõ họ tên)

- iii -
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về đề tài với sự nỗ lực của bản thân
cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy, Cô trong nhà trường và các bạn trong
lớp em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “
Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô
phỏng hệ SCADA trong công nghiệp
” với thời gian đúng quy định.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong nhà trường, các Thầy,
Cô trong khoa Cơ Khí đã tận tình giúp đỡ em trong suốt những năm qua. Thầy,
Cô đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu nhất để làm hành trang
bước vào đời. Và đặc biệt em xin gửi tới các Thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử lời
cảm ơn chân thành nhất. Các Thầy đã và đang ngày đêm miệt mài nghiên cứu, lao
động để truyền đạt cho chúng em những kiến thức vô cùng quý báu, đã tạo cho
chúng em những điều kiện tốt nhất để chúng em được học tập, được sử dụng
thiết bị bộ môn để hoàn thành đồ án tốt và nhanh nhất.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy

Nguyễn Văn Nhận
và Thầy
Vũ Thăng
Long
đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án
để em hoàn thành được đồ án với đúng quy định.
Xin cảm ơn tập thể các bạn lớp 50CKCD đã đóng góp những ý kiến quý
báu cho đồ án.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và xin gửi tới quý Thầy, Cô trong nhà
trường, các bạn bè người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc
tốt đẹp nhất!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Thể

- iv -
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ii
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH viii
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ SCADA 3
1.1. Khái niệm về SCADA 4
1.2. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản 5
1.3. Cấu trúc của hệ SCADA hiện đại 6
1.3.1. Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA theo SIEMENS 6

1.3.2. Luồng thông tin trong hệ thống scada 7
1.3.2.1. Cấp thiết bị 7
1.3.2.2. Cấp điều khiển cục bộ 7
1.3.2.3. Cấp giám sát 7
1.3.2.4. Cấp quản lý 8
1.4. Cấu trúc phần cứng hệ SCADA 8
1.4.1. PLC trong hệ SCADA 8
1.4.1.1. Cấu trúc chung của một PLC 9
1.4.1.2. Cấu trúc, chức năng PLC S7_300 9
1.4.1.3. Ngôn ngữ lập trình 12
1.4.2. Compurter trong hệ SCADA 13
1.4.3. Data Acquisition Cards 13
1.5. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA 14
1.5.1. Tồng quan phần mềm WinCC 14
1.5.2. Các khái niệm thường dùng trong WinCC 16
- v -
1.5.2.1. WinCC Explorer 16
1.5.2.2. Các loại Project 17
1.5.2.3. Các thành phần cơ bản trong 1 dự án của WinCC 20
1.5.3. Các công cụ soạn thảo của WinCC 22
1.5.3.1. Thiết kế đồ họa của WinCC (Graphic Desginer) 22
1.5.3.2. Các đối tượng của WinCC 24
1.5.3.3. Hệ thống lưu trữ và hiển thị (Tag Logging) 27
1.5.3.4. Hệ thống cảnh báo (Alarm Logging) 29
1.5.3.5. Hệ thống báo cáo (Report Designer) 29
1.5.4. Hàm trong WinCC 30
1.5.4.1. Nhóm hàm chuẩn (Standard Function) 30
1.3.4.2. Nhóm hàm trong (Internal function) 31
1.5.5.1. Truyền thông trên mạng MPI 33
1.5.5.2. Truyền thông PROFIBUS 35

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 40
2.1. Phương pháp nghiên cứu 41
2.2. Nội dung nghiên cứu 41
2.2.1. Khảo sát thực tế quy trình công nghệ nhà máy nước sạch Phước
Nhơn – Ninh Thuận 41
2.2.1.1. Tổng quan về ngành sản xuất nước sạch ở Việt Nam 42
2.2.1.2. Quy trình xử lý nước tại nhà máy 43
2.2.1.3. Các thiết bị điện sử dụng trong nhà máy 50
2.2.2. Ứng dụng WinCC và S7-300 thiết kế hệ SCADA cho nhà máy
nước sạch Phước Nhơn – Ninh Thuận 53
2.2.2.1. Hiện trạng nhà máy và yêu cầu thiết kế 54
2.2.2.2. Bổ sung, thay thế thiết bị trong nhà máy theo hệ SCADA 56
2.2.2.3. Giải thích quy trình điều khiển bán tự động trong nhà máy 65
2.2.2.4. Một số chú ý trong việc kết nối và thiết kế giao diện trên WinCC 66
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 81
- vi -
3.1. Đặt vấn đề 82
3.2. Thực nghiệm và kết quả 82
3.2.1. Giao diện chính 82
3.2.1.1. Quy trình thực hiện 82
3.2.1.2. Kết quả và đánh giá 85
3.2.2. Giao diện điều khiển khối rửa lọc 85
3.2.2.1. Quy trình thực hiện 85
3.2.2.2. Kết quả và đánh giá 87
3.2.3. Giao diện điều khiển bằng tay 87
3.2.2.1. Quy trình thực hiện 87
3.2.2.2. Kết quả và đánh giá 88
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN - ĐỀ XUẤT 89
4.1. Kết luận 90
4.2. Đề xuất 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92




- vii -
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Bộ xử lý truyền thông trên mạng MPI 34
Bảng 1.2. Số lượng điểm kết nối truyền thông 35
Bảng 1.3. Bộ xử lý truyền thông trên mạng PROFIBUS 36
Bảng 1.4. Trình điều khiển truyền thông trên mạng PROFIBUS 36
Bảng 1.5. Số lượng các kết nối theo trình điều khiển truyền thông 37
Bảng 2.1. Chỉ số tiêu chuẩn tại nhà máy nước Phước Nhơn 50
Bảng 2.2. Đầu vào/ra trong nhà máy nước Phước Nhơn 67




- viii -
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản 5
Hình 1.2. Cấu trúc phân cấp SCADA SYSTEM theo SIEMENS 6
Hình 1.3. Luồng thông tin trong hệ SCADA 7
Hình 1.4. PLC S7_300 8
Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình 9
Hình 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của CPU 9
Hình 1.7. Máy tính công nghiệp 13
Hình 1.8. Cấu trúc của WinCC 16
Hình 1.9. Cấu trúc của dự án đơn 17
Hình 1.10. Cấu trúc của dự án nhiều người dùng 18

Hình 1.11. Cấu trúc của dự án multi- client 19
Hình 1.12. Cửa sổ chính của 1 dự án trong WinCC 20
Hình 1.13. Cửa sổ soạn thảo Graphics 23
Hình 1.14. Cửa sổ soạn thảo Tag Logging 27
Hình 1.15. Mạng truyền thông giữa máy tính và PLC 32
Hình 1.16. Mô hình truyền thông qua mạng MPI 34
Hình 1.17. Mô hình truyền thông qua mạng Profibuss DP 38
Hình 1.18. Mô hình truyền thông qua Profibus FMS. 39
Hình 1.19. Khả năng truyền thông mạng Profibus của WinCC 39
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ nhà máy nước Phước Nhơn 43
Hình 2.2. Bể chứa nước thô nhà máy nước Phước Nhơn 44
Hình 2.3. Hệ thóng bể phản ứng, bể lắng nhà máy nước Phươc Nhơn 46
Hình 2.4. Hệ thóng bể lọc nhà máy nước Phươc Nhơn 47
Hình 2.5. Hệ thóng khử trùng bằng Clo tại nhà máy nước Phươc Nhơn 49
Hình 2.6. Máy bơm sử dụng trong nhà máy nước Phước Nhơn 51
Hình 2.7. Tủ điện điều khiển trong nhà máy nước Phước Nhơn 52
Hình 2.8. Phao đo mực nước tại đài chứa nước 53
- ix -
Hình 2.9. Biến tần 57
Hình 2.10. Nguyên lý của biến tần 58
Hình 2.11. Van điện từ 2W KLED 59
Hình 2.12. Cảm biến đo dộ đục mức thấp 1720E 61
Hình 2.13. Màn hình giao diện chính 69
Hình 2.14. Màn hình giao diện khối điều khiển bằng tay 70
Hình 2.15. Màn hình giao diện khối điều khiển rửa lọc 71
Hình 2.16. Màn hình giao diện khối hiển thị 72
Hình 2.17. Màn hình giao diện khối cảnh báo 73
Hình 3.1. Thực nghiệm trên màn hình giao diện chính 84
Hình 3.2. Thực nghiệm giao diện khối điều khiển rửa lọc 86
Hình 3.3. Thực nghiệm giao diện khối điều khiển bằng tay 88

- 1 -
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày nay đã phát triển đột phá lên một tầm cao mới, nó đã
xuất hiện ở tất cả mọi lĩnh vực trong đời sống xã hội của con người. Đặc biệt là lĩnh
vực Điện tử - Tự động hóa và công nghệ phần mềm đang được ứng dụng hầu hết
trong các nhà máy và dây truyền sản xuất hiện đại. Nhiệm vụ thu thập dữ liệu, giám
sát, báo cáo và điều khiển các quá trình sản xuất không cần dàn trải mà đã được tích
hợp với sự trợ giúp của tự động hoá và công nghệ phần mềm. Nó đóng một vai trò
tích cực trong sự phát triển của các ngành công nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất
lượng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao động cho con người, năng xuất lao động
nhờ thế mà được nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung.
Trong hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát thì giao diện người máy
(HMI) là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các
cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện Người - Máy để phục vụ cho việc quan sát
và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ được sử dụng ngày càng rộng rãi trong
công nghiệp như là một giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa quá trình sản xuất.
Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ điều khiển logic khả trình đã đạt
được những ưu thế cơ bản trong những ứng dụng điều khiển công nghiệp, đó là dễ
dàng lập trình và lập trình lại, nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển, độ tin
cậy cao trong môi trường công nghiệp, cấu tạo nhỏ gọn so với hệ thống điều khiển
truyền thống dùng rơle. Vì vậy việc học tập, nghiên cứu và ứng dụng PLC trong các
hệ thống điều khiển là một nhu cầu rất cần thiết.
Sau một thời gian tìm hiểu,với mong muốn được tiếp cận những công nghệ
mới trong ngành cơ điện tử - tự động hoá. Tôi đã nhận đề tài tốt nghiệp “Nghiên

cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công nghiệp”. Với nhiệm vụ
của đồ án là:
- Tìm hiểu và nắm vững quy trình công nghệ sản xuất của nhà máy.
- Nghiên cứu về hệ SCADA và lựa chọn các thiết bị cũng như phần mềm
dùng để điều khiển giám sát.
- 2 -
- Ứng dụng phần mềm WinCC và Step7-300 để xây dựng hệ thống điều
khiển và giám sát tại nhà máy.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Vũ Thăng Long, thầy PGS.TS Nguyễn
Văn Nhận cùng toàn thể quý thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ em trong
quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Qua đây,em cũng xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh
đạo nhà máy nước Phước Nhơn đã tạo điều kiện để em khảo sát thực tế, thu thập tài
liệu phục vụ cho việc làm đồ án tốt nghiệp của mình.
Tuy nhiên, do còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian nên mặc dù đã rất
cố gắng nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong được sự góp ý và
bổ xung của quý thầy.


Nha Trang ngày 05 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Thể

- 3 -








CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ
SCADA







- 4 -
1.1. Khái niệm về SCADA
SCADA system (Supervisory Control And Data Acquisition system) – Hệ
thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển. Là “hệ thống thu thập dữ liệu thời
gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diễn, lưu trữ, phân tích và có khả năng
điều khiển được những đối tượng này 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:
- 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 một cách kịp thời và chính
xác.
Ngày nay hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh
vực công nghiệp. Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:
- Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-
măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát.
- Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân
bay, bến cảng.
- Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí.
- Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu.
- Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện.
- Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển
trong các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một
số ngành công nghiệp công nghệ cao khác.



- 5 -
1.2. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản

Hình 1.1.
Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản

- RTU (
Remote Terminal Unit)
: thiết bị đầu cuối từ xa.
Nhiệm vụ
: thu thập số liệu, xử lý & điều khiển ở chế độ thời gian thực.
Phân loại
: Các cảm biến thu thập dữ liệu, các máy móc có bộ xử lý, xử lý dữ liệu và
điều khiển đối tượng trong chế độ thời gian thực.
- MTU (
Master Terminal Unit
): trung tâm điều phối.
Nhiệm vụ:
thực hiện công việc thu thập số liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ
thời gian thực.
Phân loại:
Có giao diện người - máy (HMI), có thể là một máy tính đơn hoặc một
hệ thống máy tính lớn bao gồm Servers và Clients.
- CS
(Communication System):
hệ thống truyền thông.
Nhiệm vụ:
truyền dữ liệu từ RTU đến MTU và truyền tín hiệu điều khiển từ MTU
đến RTU.
Phân loại:
nhiều phương thức truyền thông, có dây, không dây,…
-
Phân chia chức năng trên hệ SCADA :
Có 4 thành phần chức năng cơ bản trên hệ SCADA:

Con người.

- 6 -

Máy tính tương tác với con người.

Máy tính tương tác với đối tượng được điều khiển.

Đối tượng được điều khiển.
1.3. Cấu trúc của hệ SCADA hiện đại
1.3.1. Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA theo SIEMENS
Phan Duy Anh Ver. 1
Cấp thiết bị
Cấp điều
khiển cục bộ
Cấp điều
khiển giám
sát
Cấp quản lý
Cấp
điều
khiển
quá
trình


Hình. 1.2. Cấu trúc phân cấp SCADA SYSTEM theo SIEMENS

- 7 -
1.3.2. Luồng thông tin trong hệ thống scada
Cấp thiết bị
Cấp điều khiển cục bộ

Cấp điều khiển giám sát
Cấp quản lý
Kế hoạch sản xuất,
Yêu cầu kinh tế
Tín hiệu điều khiển
Thông số đo được
từ quá trình
Thông số quá trình
Thông tin về trạng thái
quá trình, chỉ số kinh tế,
Chất lượng

Hình 1.3. Luồng thông tin trong hệ SCADA
1.3.2.1. Cấp thiết bị
- Chấp hành tín hiệu điều khiển thời gian thực
(realtime)
từ cấp trên.
- Trả lại thông số vận hành thời gian thực
(realtime)
cho cấp trên.
1.3.2.2. Cấp điều khiển cục bộ
- Thu thập dữ liệu thời gian thực từ cấp thiết bị.
- Tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển theo thuật toán cài đặt trước.
- Báo hiệu về việc vượt quá ngưỡng cho phép của các thông số từ quá trình.
- Kiểm soát những hành động lỗi của Operator và thiết bị điều khiển.
1.3.2.3. Cấp giám sát
- Thu thập thông tin từ cấp dưới, xử lý, lưu trữ và hiển thị.
- Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thông tin.
- Chuyển thông tin về việc sản xuất ở các xưởng, xí nghiệp cho cấp cao hơn.
- 8 -

- Tính toán những thông số thứ cấp: các chỉ số về chất lượng sản phẩm, chỉ
số kinh tế kỹ thuật.
- Thay đổi lại thông số, cấu hình của cấp điều khiển cục bộ.
- Lưu trữ thông tin.
- Đưa ra các báo cáo.
- Chuẩn đoán về sự hư hỏng của các phần tử trong hệ thống.
1.3.2.4. Cấp quản lý
- Tối ưu các chỉ số kinh tế về sản xuất.
- Điều khiển theo các chỉ số kinh tế, kinh tế - kỹ thuật.
- Quản lý tài nguyên công ty.
- Lưu trữ thông tin.
- Đưa ra kế hoạch sản xuất.
1.4. Cấu trúc phần cứng hệ SCADA
Phần cứng SCADA bao gồm 3 phần chính sau:
-

PLC.
-

Compurter.
-

Data Acquisition Cards.
1.4.1. PLC trong hệ SCADA

Hình 1.4. PLC S7_300


- 9 -

OUTPUT

PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), là loại
thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một
ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số PLC
dùng để thay thế các mạch relay cồng kềnh trước đây.
PLC có vị trí tại cấp điều khiển cục bộ trong hệ SCADA.
1.4.1.1. Cấu trúc chung của một PLC

Cũng như các thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao
gồm 2 phần: khối xử lý trung tâm (
CPU:Central Processing Unit
) và hệ thống giao
tiếp vào/ra
(I/O)
như sơ đồ khối:

INPUT CPU

Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình
Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và
hệ thống nguồn cung cấp.


Hình. 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của CPU
1.4.1.2. Cấu trúc, chức năng PLC S7_300
Các khối chức năng :
Processor

Memory

Power
Supply
- 10 -
- Khối tín hiệu (SM:singnal module):

Khối ngõ vào digital: 24VDC, 120/230VAC.

Khối ngõ ra digital: 24VDC.

Khối ngõ vào analog: Áp, dòng, điện trở.
- Khối giao tiếp (IM): Khối IM360/IM365 dùng để nối nhiều cấu hình.
Chúng điều khiển nhiều thanh ghi của hệ thống.
- Khối giả lập (DM): Khối giả lập DM370 dự phòng các khối tín hiệu chưa
được chỉ định.
- Khối chức năng (FM): thể hiện những chức năng đặc biệt sau:

Đếm.

Định vị.

Điều khiển hồi tiếp.
- Xử lý liên lạc ( CP):

Nối điểm - điểm.

Mạng PROFIBUS.


Ethernet công nghiệp.
 Module CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài cổng vào
ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào/ra
onboard.

PLC S7_300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Chúng được đặt tên theo
bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện
của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân
biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module).
Ví dụ như Module CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…
Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng
truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các
- 11 -
loại module này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed
Port) như là module CPU315-DP.
 Module mở rộng

Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:
• PS (Power supply)
Module nguồn nuôi. Có 3 loại:2A, 5A, 10A.
• SM (Signal module)
Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số
mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở

rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DI/DO (Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số.
Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại
module.
- AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng
vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module.
- AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra
tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module.
- AI/AO (Analog Input/ Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ra
tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng
loại module.
• IM (Interface module)
Module ghép nối, nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và
được quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các module mở rộng được
gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack có thể gán nhiều nhất
là 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi. Một module
CPU S7_300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải
được nối với nhau bằng module IM.
- 12 -
• FM (Function module)

Module có chúc năng điều khiển riêng. Ví dụ như module PID, module điều
khiển động cơ bước…
• CP (Communication module))

Module phục vụ truyền thông trong mạng giừa các PLC với nhau hoặc giữa
PLC với máy tính.
1.4.1.3. Ngôn ngữ lập trình

PLC S7_300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản sau:

- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement List). Đây là dạng ngôn
ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều
câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc
chung là “tên lệnh”+”toán hạng”.
Ví dụ:

- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder Logic). Đây là dạng ngôn
ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.
Ví dụ:

- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram). Đây là
dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số.


- 13 -
Ví dụ:


1.4.2. Compurter trong hệ SCADA

Hình 1.7. Máy tính công nghiệp
Có vai trò trong cấp điều khiển giám sát & cấp quản lý.
Cấu trúc (tổng quát):

- CPU (Central Procesing Unit)

Thu thập thông tin.

Xử lý thông tin.


Xuất các thông số, tín hiệu điều khiển.
- Hard Disk

Lưu trữ thông tin.
-
Monitor

& Keyboard, Mouse,…

Human Machine Interface: giao diện tương tác ngườ i- máy.
1.4.3. Data Acquisition Cards :
Là các loại Cards thu thập và chuyển đổi dữ liệu 2 loại:
ADC
cards và
DAC
cards.
- 14 -
- ADC: Analog-to-Digital Converter.
- DAC: Digital-to-Analog Converter.
Vai trò của Cards:

-

Thu thập và chuẩn hóa tín hiệu analog (dòng, thế).
-

Thu thập trạng thái ngõ vào discrete.
-

Lọc tín hiệu thu nhận được từ ngõ vào.

-

Đưa ra các tín hiệu analog (dòng, thế) và tín hiệu discrete.
-

Biến đổi analog- digital (ADC).
-

Biến đổi digital- analog (DAC).
-

Biến đổi thang đo đối với các thông số analog.
- Tạo thông tin và truyền theo địa chỉ định trước.
1.5. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA :
Để thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, ngoài phần cứng có máy tính, ta
cần phải viết chương trình (phần mềm).
Hiện nay, trong lĩnh vực tự động hoá trên thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng có rất nhiều phần mềm SCADA cho phép chúng ta cấu hình và lập trình thu
thập dữ liệu & điều khiển giám sát của các hãng khác nhau, như: WinCC của
Siemens; Intouch của Wonderware; Rsview 32 của Rockwell Automation….Tuy
nhiên chúng có chung đặc điểm của phần mềm SCADA.
Ở đây chỉ xin giới thiệu về phần mềm WinCC của hãng Siemens.
1.5.1. Tồng quan phần mềm WinCC :
Ngày nay các thiết bị điều khiển quá trình PLC (Programmable Logic
Control) được thay thế dần cho các thiết bị điều khiển cũ để thực hiện việc tự động
hoàn toàn một quá trình công nghệ, thực hiện việc tích hợp mạng công nghiệp
(Industrial Ethernet). Trên thế giới các hang lớn về tự động hóa như Omron (Nhật),
Allen Bradly (Mỹ), Siemens (Đức) không ngừng phấn đấu để đưa ra những sản
phẩm mới trong lĩnh vực này với những tính năng của các PLC ngày càng mạnh,
tốc độ xử lý nhanh đáp ứng được các yêu cầu trong nền công nghiệp với các bài

toán điều khiển khó, độ phức tạp cao. Hiện nay trên thị trường Việt Nam, PLC của
- 15 -
hãng Siemens được sử dụng khá nhiều trong các lĩnh vực như Điện lực, Giấy, Xi
măng, Các chủng loại PLC của hãng khá phong phú như S5, S7-200, S7-300, S7-
400, được sản xuất đa dạng tùy theo yêu cầu sử dụng và độ phức tạp của bài toán
điều khiển. Tuy nhiên ta thấy rằng trong công nghiệp vấn đề gia diện người – máy
HMI (Human Machina Interface) rất quan trọng trong việc điều khiển và giám sát
quá trình sản xuất. Hãng Siemens đưa ra một số phần mềm để xây dựng gia diện
người – máy như Protool/Protool CS, WinCC có tính linh hoạt và mềm dẻo để thực
hiện giả pháp kỹ thuật thực hiện giao diện người – máy. Những phần mềm này
không những có thể sử dụng cho các thiết bị của chính hãng mà nó còn mở rộng
tương thích với các thiết bị của hãng khác như của GE (General Electric), Allen
Bradly, Misubishi Electric, thông qua các kênh điều khiển riêng.
WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và
HMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dung phổ biến trên thế giới và
Việt Nam. WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy,
thép, dầu khí,…
WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính
kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất
và tự động hóa quá trình. Hệ thống này đưa ra những modul chức năng tích hợp
công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông báo, những lưu trữ, và những báo
cáo. Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhật các ảnh, và những
chức năng lưu trữ an toàn bảo đảm một tính lợi ích cao đem lại cho người vận hành
một giao diện trực quan để sử dụng, có khả năng giám sát và điều khiển quá trình
công nghệ theo chế độ thời gian thực.
Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở cho
các giải pháp của người dùng. Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp
trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho công ty mở. Sự truy
nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện chuẩn ODBC và SQL, sự lồng
ghép những đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởi OLE 2.0 và OLE

Custom Controls (OCX). Những cơ chế này làm WinCC là một đối tác dễ hiểu, dễ
truyền tải trong môi trường Windows.
- 16 -
Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phần
cứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu của máy
tính cho việc sử dụng phần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ cho việc
truyền thông.

Hình 1.8. Cấu trúc của WinCC
1.5.2. Các khái niệm thường dùng trong WinCC :
1.5.2.1. WinCC Explorer
Nó được xuất hiện khi khởi động WinCC. Tất cả các phần của WinCC đều
được khởi động từ đây. Từ cửa sổ WinCC Explorer có thể xâm nhập vào tất cả các
thành phần mà một dự án giao diện người máy cần có cũng như việc xây dựng cấu
hình cho các phần riêng rẽ đó. Nhiệm vụ của WinCC Eplorer :
- Tạo một dự án mới.
- Đặt cấu hình trọn vẹn.
- Gọi và lưu trữ dự án.
- Quản lí dự án: Mở, lưu, di chuyển và copy.
- Chức năng ấn bản mạng cho nhiều người sử dụng (Client-Server Environment).
- Hiển thị cấu hình dữ liệu.