ỨNG DỤNG HỆ SCADA VÀO HỆ THỐNG PHA TRỘN HÓA CHÂT

PHAN 3
ỨNG DỤNG HỆ SCADA VÀO HỆ •
• • THỐNG PHA TRỘN HÓA CHÂT
Chương 1: Hệ ThôngSCADA
I. GIỚI THIỆU HỆ SCADA.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition = hệ thông giám
sát, điều khiển và thu thập dữ liệu) là hệ thống cho phép người điều hành giám
sát và điều khiển các quá trình mà chúng được phân bô" trong các nơi ở xa.
Có nhiều quá trình sử dụng hệ thông SCADA như: thủy điện, các khâu
xử lý và phân phôi nước , khí tự nhiên, v.v Các hệ thông SCADA cho phép
các nơi xa liên lạc với phương tiện điều khiển và cung cấp dữ liệu điều khiển
cần thiết cho các quá trình điều khiển. Khi khoảng cách đến các nơi xa tăng thì
càng khó truy cập hơn, khi đó SCADA trở thành sự chọn tốt nhất cho người
điều hành để điều chỉnh và quan sát. Khoảng cách và sự ở xa là hai yếu tô"
chính để cài đặt các hệ thông SCAD A .
Các hệ thông SCADA hiện đại có nhiều đặc tính tiên tiến như: kiến trúc
phân bô", cơ sở dữ liệu phân bô", giao tiếp đồ họa với người sử dụng (GUI =
Graphic User Interface), các đơn vị đo lường từ xa thông minh v.v
Hệ SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thông máy tính được
thiết kế để thực hiện các chức năng sau:
• Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến/ chuyển
đổi năng lượng.
• Xử lý và thực hiện các phép tính trên dữ liệu thu thập được.
• Hiển thị dữ liệu thu thập và dữ liệu được suy ra.
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 1
• Nhận lệnh từ người điều hành và thực hiện gởi các lệnh điều khiển đến
các thiết bị của nhà máy.
• Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay đúng lúc và tin cậy.
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 2

Các hệ thông như vậy có thể được gọi bằng các tên khác trong các tình
huống và các kỹ nghệ khác, như: DAC (Data Acquition and Control = Điều
khiển và thu thập dữ liệu), DCS (Distributed Control Systems = Các hệ thông
điều khiển phân bố), v.v Tất cả các hệ thông này về cơ bản thực hiện cùng
cácchức năng. Xuất phát từ các công việc ứng dụng cụ thể mà có sự khác biệt
giữa chúng ở các đặc điểm sau:
• Vị trí và sự phân bô" các nguồn dữ liệu công nghiệp (các thiết bị nhà
máy).
• Lượng dữ liệu được thu thập.
• Tốc độ thu thập dữ liệu.
• Các lệnh điều khiển có thểđược tạo ra một cách tự động bởi các
hệ thông này ở mức độ nào.
• Kiểu tính toán và vị trí mà các tính toán và các tác động điều khiển sẽ
được thực hiện.
Hệ thống SCADA có 4 phần tử chính: người điều hành (operator), phần
tử thiết bị đầu cuối chính MTU (Master
Terminal Unit), truyền thông liên lạc
và phần tử thiết bị đầu cuối ở xa RTU (Remote
Terminal Unit). Người điều
hành thực hiện điều khiển qua thông tin được mô tả trong khôi hiển thị hình
ảnh VDU (Video Display Unit). Phần nhập của hệ thông thường xuất phát từ
người điều hành qua bàn phím của MTU. Thông tin từ các nơi ở xa được MTU
giám sát và hiển thị các thông tin này cho người điều hành . Quan hệ giữa MTU
và RTU tương tự như giữa chủ và tớ.
♦♦♦ MTU (Master Terminal Ưnit)
Outputs to Other Devices
MT
U
Outputs

to RTUInputs from

RTU
Inputs from Operator
Hình 3.1: Các phần nhập và xuất của MTU.
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 3
Trung tâm của hệ thông là MTU. Nhiệm vụ của MTU là khởi động tất cả
các công việc: truyền thông liên lạc, thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin, gửi
thông tin đến các hệ thông khác, và giao tiếp với người điều hành. Sự khác biệt
chính giữa MTU và RTU là MTU khởi động ảo tất cả các truyền thông bằng lập
trình giữa nó và con người. Hầu hết tất cả các truyền thông được thực hiện bởi
MTU. MTU cũng liên lạc với các thiết bị ngoại vi khác như: monitor, máy in
hoặc các hệ thông thông tin khác. Thành phần giao tiếp cơ bản với người điều
hành là monitor mà trong đó hiển thị các valve, bơm v.v Khi dữ liệu đến thay
đổi thì màn hình được cập nhật.
*♦* RTU (Remote Terminal Unit):
RTU thu thập thông tin ở xa từ nhiều thiết bị nhập như các valve, bơm,
báo động (alarm), đồng hồ đo (meter) Chủ yếu dữ liệu dạng analog (sô" thực),
digital (on/off), hoặc dữ liệu xung (như đếm sô" vòng xung của các meter).
Nhiều RTU giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ và đợi yêu cầu từ MTU để
truyền dữ liệu. Các RTU hiện đại hơn có các máy vi tính và các PLCs có thể
điều khiển trực tiếp qua địa điểm từ xa không cần định hướng của MTU.
Outputs to Field Devices
RT
Ư
Outputs to MTUInputs from MTU
Inputs from Field Devices
Hình 3.2: Các phần nhập và xuất của RTU.
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3

Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 4
CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông.
Các giao thức có thể mở rộng như TCP/ĨP (Transmission Control Protocol and
Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng riêng. Những luồng dữ liệu tổng
quát chứa các 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 mã nhận
dạng của nó trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này được diễn dịch và CPU điều
khiển tác động thích hợp tại chỗ.
II. CÁC ĐẶC TÍNH CHÍNH CỦA HỆ THÔNG
SCADA HIỆN ĐẠI.
Kiến trúc hệ thông:
Hiện nay các hệ SCADA thế hệ mới được xây dựng theo kiến trúc phân
bô", trong đó công suất của máy chủ được phân bô" trên một sô"bộ xử lý được
nôi cùng với nhau bằng mạng cục bộ (LAN). Trong đó mỗi bộ xử lý có một
trách nhiệm nhất định như : thu thập và xử lý, tạo hiển thị, thiết lập báo cáo
v.v và một sô" bộ xử lý dùng để dự phòng.
Nhờ vào các công nghệ diện rộng (WAN), hệ thông SCADA có thể được
phân bô" trên một miền địa lý rộng.
Hệ thông được thiết kế theo hệ thông mở và cơ cấu server_client.
Kiến trúc tiêu biểu của một hệ SCAD A phân bô:
Hình 3.3: Kiến trúc tiêu biểu của một hệ SCADA phân bố.
Trong đó:
IOS = Data Input/Output Module.
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 5
HMI = Human_Machine Interface Module.
HDC = Historical Data Collection and Storage Module.
GW = Gateway for inter_LAN communications.
APPS = Application Calculations and Processing Module.

> Các bộ xử lý máy tính: sử dụng các vi xử lý tiên tiến.
> Thiết bị giao tiếp giữa người_máy (HMI = HumanMachine Interface)
SCADA trang bị các VDU (Visual Display Unit = Đơn vị hiển thị) đầy
đủ đồ họa có kèm mouse, trackball jottick và bàn phím. Các nút điều khiển nốì
cứng được thay thế bằng các biểu tượng trên màn hình được tác động bằng
chuột hay bàn phím. Các phương tiện này giúp cho người điều hành:
• Nhanh chóng hoán đổi giữa các màn hình hiển thị.
• Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin.
• Tạo và sửa đổi các màn hình hiển thị trực tiếp ở hệ thông.
• Có những hiệu ứng đặc biệt để tăng khả năng phân biệt rõ dữ liệu (ví dụ
các màu khác nhau cho các lô khác nhau trong một đường ông dẫn dầu).
Với các VDU hoạt động trong môi trường Windows hay X-Windows,
người điều hành cũng có thể:
■ Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin mà thường trải ra trên
nhiều màn hình hiển thị.
■ Trên cùng màn hình, truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo vùng
hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau.
Do đó, những phương tiện HMI hiện đại cho phép người điều hành truy
cập số lượng thông tin lớn dễ hơn và nhanh hơn.
Các đơn vị đo lường từ xa RTU (Remote Telemetry
Unit)
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 6
Các RTU không còn là những thiết bị thụ động nữa, mà mục đích chính
của nó là thu thập và lưu trữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều
khiển được thực hiện ở các RTU.
Nhiều loại thiết bị có thể được nốì vào các RTU như: PLC, máy đo lưu
lượng, thiết bị lấy chuẩn và đo bồn chứa v.v
Các RTU có thể được sắp xếp theo kiến trúc phân bô" hoặc phân cấp. Dữ
liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ.

> Cơ sở dữ liệu
Dữ liệu được lưu trữ không những là dữ liệu đo đạc từ xa, được tính toán
mà còn có các thông sô" báo về các sự kiện và các cảnh báo. Do bản chất phân
bô" của hệ SCADA, cơ sở dữ liệu cũng phân bô".
về vấn đề bảo mật thì cho nhiều cấp truy cập sử dụng: điều hành viên,
giám sát viên, huấn luyện, kỹ sư, v.v
Cơ sở dữ liệu cũng liên hệ với hệ thông tin quản trị MIS (Geographic
Information System).
> Truyền thông máy tính
Truyền thông LAN/WAN giữa các máy tính dựa trên một sô" tiêu chuẩn
công nghiệp phù hợp với mô hình OSĨ (Open System Interconnection).
Hiện nay đã có các công nghệ: Fast Internet, FDDI,
Frame Relay, ATM, V.v Trong tương lai người ta có
khuynh hướng chuyển sang ATM.
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC TrangìOl
Chương 2: Thực HiệnChương Trình
I. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHA TRỘN.
1. Giới thiệu tổng quát.
Hệ thông điều khiển pha trộn hóa chất được hoàn tất dựa trên sự kết
hợp logic giữa lập trình phần mềm và mô hình thật. Chương trình sử dụng các
ngôn ngữ lập trình: S7-300 và WinCC. Phần mềm WinCC cho phép điều khiển
kết nôi giữa các hình đồ họa được tạo, đồng thời là giao diện giữa người điều
hành và hệ thông điều khiển. Ngôn ngữ lập trình S7-300 được dùng để tạo
thao tác vận hành cũng như quy luật hoạt động và điều khiển hệ thông.
Hệ thông pha trộn bao gồm: 3 loại chất lỏng chứa sẩn ở 3 bồn cung cấp,
dẫn qua bơm và valve trước khi vào bồn pha trộn, một bồn để chứa chất lỏng
sau khi trộn, và một động cơ dùng để khuấy trộn.
Do không có các sensor báo mực chất lỏng, sensor đo lưu lượng nên
phần lập trình điều khiển chủ yếu dựa vào bộ định thời Timer và đặc điểm của

các valve, bơm. Tuy vậy, nó vẫn cho kết quả chấp nhận được.
Phần mô hình gồm: 3 bồn cung cấp mỗi bồn chứa được tối đa là 4.5 lít,
bồn dùng cho pha trộn chứa tôi đa 9 lít, bơm có tốc độ 1 lít/30giây, động cơ,
các valve và các rờle đóng ngắt.
2. Hoạt động của hệ thông.
Khi nhấn nút “RUN”, 3 van cung cấp A, B, c và bơm
được tác động, cho phép chất lỏng từ 3 bồn chảy vào
bồn pha trộn theo tỉ lệ nhất định. Chẳng hạn, chất
A: 60%, chất B: 25%, chất C: 15%. Khi van cuối cùng
(van A) đóng lại thì động cơ bắt đầu hoạt động với
thời gian bằng Vz thời gian mở van A. Động cơ dừng,
làm tín hiệu kích bơm và van xả hoạt động (thời
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 8
gian xả bằng tổng thời gian 3 van cung cấp nếu các
bơm có cùng tính chất). Sau khi xả xong tức là một
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 9
lần trộn đã hoàn tất, bộ đếm sô" thùng tăng lên 1. Đồng thời delay 5s trước
khi hệ thông lặp vòng trở lại. Và cứ thế tiếp tục cho đến khi ta nhấn nút
“STOP” thì dừng. Đặc biệt khi động cơ đang quay hoặc khi van xả đang hoạt
động, ta có thể nhấn nút “PAUSE”, toàn bộ hệ thông sẽ dừng lại cho đến khi
nhấn “PAUSE” lần nữa. Hệ thông tiếp tục hoạt động trở lại với giá trị thời
gian đã lưu giữ trong bộ nhớ. Với chức năng này của nút “PAUSE”, hệ thông
của ta sẽ hoạt động linh hoạt hơn tùy vào ý muôn của người điều hành.
❖ LƯU đồ giải thuật của hệ thông pha trộn hóa chất:
Nhấn “Run”
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
1
2

❖ Giản đồ xung về quá trình hoạt động của hệ thông:
Mở van xả
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 11
❖ Cách vận hành:
Có hai cách vận hành hệ thống: điều khiển bằng các cồng tắc vật lý (giả
lập làm nút nhấn) hoặc điều khiển trên máy tính nhờ phần mềm WinCC.
Tín hiêu lệnh
tA
Van A Van B
tR
Van c
tc
Đông cơ
Van xả t\1
ÍD
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 12
II. TẠO CÁC GIAO DIỆN KẾT Nối BANG WINCC.
1. Các tags và nhóm tag đã tạo trong chương trình.
♦♦♦ Các nhóm tag gồm có: nhóm tag “điều khiển”, nhóm tag “thời
gian thực thi” và nhóm tag “thể tích”.
♦♦♦ Các tag độc lập: tag “giá trị đặt”, tag “sô" thùng”.
Q' Control Centei - [An]
File Edit View Editors Jools Help
1 1^1
B ^ An
j~# Computer E BSH Tag Management El Internal tags
;
il-'|

SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE
B J| MPI______________
B *-> PLC_WinCC
DIEUKHIEN ^ THOIGIANTHUCTHI L- 1
THETICH PROFIBUS Industrial Ethernet Slot
PLC
__TCP/IP
IS .1? Data Types
Name
^ DIEUKHIEN Tag group
1 THOIGIANTHUCTHI Tag group ^
THETICH Tag group
~ t giatridat Floating-point
num
sothung U nsigned 16-bit v
❖ Các tags trong nhóm tag”điều khiển”:
□as
Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3
Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 13
□
Para. . I Last change I
01/05/02 0
01 /05/02 0
01/08/021
01/08/02 0
MD50
MW40 12/18/01 1.
Ç* Control Center - [An]
File Edit View Editors Tools Help
*1

Các tags trong nhóm tag
“thời gian thực thi’
Control Center - [An]
File Edit View Editors Tools Help
fir tf| ỊỊỊị
B ^ An
!
-
#

C
o
m
p
u
t
e
r

B

i
H

T
a
g

M
a

n
a
g
e
m
e
n
t

S
-
-
3
?

I
n
t
e
r
n
a
D
HÜ
I Para I Last change |
Name
"l Reset
IJRUN
liSTOP
~~i pause

Binary Tag
Binary Tag
Binary Tag
Binary Tag
M0.3
MO
.O
M0.1
MŨ.2
01/05/02 0
01/05/02 0
01/05/02 0
01/05/02 0
B ^ An
j
Computer $11 Tag
Management El .n?
Internal tags
B | SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE B J|
MPI
PLC.WinCC 1 DIEUKHIEN
1 THOIGIANTHUCTHI i- 1 THETICH
|| PROFIBUS IB Industrial Ethernet
U
Slot PLC iD TCP/IP
□
THOIGIANTHUCTHI
l

t

a
g
s
i f
SI
MA
TIC
S7
PR
OT
OC
OL
SUI
TE
B
U]
MP
I
B-kj-
PLC.Wi
nCC h-
1
DIEUK
HIEN
^r
—
■ 1
THE
TIC
H

PR
OFI
BU
S
Ind
ustr
ial
Eth
ern
et
Slot
PL
C
TC
P/I
P B
Dat
a
Typ
es
S
Edit
or
-?r firanhins Dftsinnsr
ZjVarA Unsigned 16-bit v MW14 01/05/02 0.
"iVanB Unsigned 1 G-bit v MW20 01/05/02 0.
~lVanC Unsigned 16-bit v MW26 01/05/02 0.
"iDonaCo Unsigned 16-bit v MW32 01/05/02 0.
"lVanXa Unsigned 16-bit v MW38 01/05/02 0.
❖ Các tags trong nhóm

tag “thể tích”:
| Para | Last change |
Nam
e
T
V
P
e
Ç* Conlrol Center - [An]
File Edit View Editors Tools Help
D
B ^ An
Compu
ter El'-
fljj Tag
Manag
ement
0-
Internal
tags
H |
SI
M
AT
IC
S7
P
R
O
T

O
C
O
L
S
UI
T
E
- I
M
P
I
PLC.Wi
nCC
1
DIEUK
HIEN I- 1
THOIGIA
NTHUCT
HI
THETICH
PROFIBU
S
Industrial
Ethernet
Slot PLC
TCP/IP 0
Data
Types
E-D

Editor
-
*
j
-

G
r
a
p
h
i
c
s

D
e
s
i
g
n
e
r

•
o

A
l
a

r
m

L
o
g
g
i
n
g
□HxJ
LES
Name
_j thetichA,
~ i thetichB ~ i
thetichC ~1
thetichbinhchua ~~i
thetichhienthi
I

J
J

T
a
g

L
o
g

g
i
n
g

B

R
e
p
o
r
t

D
e
s
i
g
n
e
r
1 Para I Last change
. MD66 01 /08/021
. MD70 01/08/021
. MD74 01/08/021
. MD62 01 /08/021
. MD10Ũ 01 /08/021
2. Các giao diện
cho chương trình.

a. Màn hình chính:
Đây là màn hình
tổng quát cho phép liên kết
với tất cả các hình trong
chương trình. Bao gồm các
nút điều khiển: “Giới
thiệu”, “Thông tin”, “Điều
khiển”, “Mô hình”, “Xem
dữ liệu”, “Thu thập”, “Đồ
Floating point number
32. Floating-point
number 32. Floating-
point number 32.
Floating-point number
32. Floating-point
number 32.
thị”, “Thông báo”,
“Thoát”.
Mỗi nút được nhấn
sẽ gọi đến từng hình có nội
dung tương ứng. Riêng với
nút “Thoát”, khi nhấn sẽ
thoát khỏi WinCC
RunTime.
Điều Khiển
BU
Kem Dữ Liệu
Thu Thập
Đồ Thi
b. Màn

hình “
WinCC-Runlime
C: \An_WinCC\G f aCS \M ain. pdl
I

1

r
Giới
thiệu
Màn
hình này cung
cấp một đoạn
Video giới
thiệu về cồng
nghệ và thành
tựu của hãng
Siemens.
WinCC-Runlime -
II ■
Trở về
C:\An_WinCC\GraCS\
GIOITHIEU.pdl
c. Màn hình
“Thông
tin
Cho các
thông tin về
tên đề tài và
người thực

hiện.
■
-lơ X
rTnRì
I

1

1
# WinCC-Runtime
v>
;
LUẬN
VĂN
TỐT
NGHIỆ
P
Tự Động 97
1/08/p2
11:08:1ÍPM '4
Ấ \ ỉ
;
w
THIẾT
KẾ HỆ
SCADA
DÙNG
WINCC
SV: Trần
Thị An

Điều Khiển
C: \An_WinCC\G
raCSVTHONGTIN.pdl
ỷ
Mô Hình
I

1—r
d. Màn hình
“Điều
khiển
Bao gồm :
• Một
I/O
fiel
d:
cho
phép
đặt
vào
sô"
lít
cần
pha
trộn.
Giá
trị
này
có
thể

lên
đến
999.
999
(sô"
thực
)
nhưn
g
thực
tế do
bồn
chứa
có
dung tích là 9 lít, và mỗi bồn cung cấp có dung tích là 4.5 lít,
nên mỗi lần pha trộn chỉ cho phép tồi đa là 7 lít. Do đó, nếu
đặt quá giá trị này, một message sẽ tạo ra thông báo người
vận hành đặt lại giá trị cho thích hợp.
• Nút nhấn “Run cho chạy chương trình.
• Nút nhấn “Stop”: dừng chương trình.
• Nút nhấn “Reset”: xóa bộ đếm số thùng về 0.
• Công tắc “Pause”: cho phép dừng tạm thời chương trình (các
nút nhấn “Pause” ngoài thực tế chính là các cồng tắc).
0- WinCC-Runtime -
C: \An_WinCC\G raCS Vdieukhien. pdl
GIÁ TRỊ ĐẶT:
RUN
STOP
RESET
Đồ Thị

PAUSE
Trở Về
2.500
(L
)
o
o
■
ẽ
■
Hi
Mớ Hình
Thu Thập