đồ án kỹ thuật viễn thông giải pháp xây dựng một hệ SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống mạng SIMATIC của Siemens, đồng thời áp dụng cụ thể cho các kho chứa LPG

LỜI CAM ĐOAN
Thiết kế luận văn này do tôi tự thực hiện bằng chính khả
năng của mình. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối bản
luận văn, tôi đảm bảo không sao chộp cỏc công trình khoa học hay
thiết kế tốt nghiệp của người khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những nội dung đã trình bày
trong bản luận văn.

Người cam đoan

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BèA ……………………………………………………………1
LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………2
MỤC LỤC ……………………………………………………………………3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……………………….6
DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ …………………………………… 7
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….10
Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát …………………….12
1.1 Tính thời sự, khoa học, thực tiễn của vấn đề cần nghiên cứu ……….12
1.2 Ứng dụng hệ thống điều khiển giỏm sỏt…………………………… 14
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ……………………… 14
1.3.1. Mục tiêu của đề tài…………………………………………….14
1.3.2. Nội dung của đề tài ………………………………………… 15
1.3.3. Bố cục luận văn……………………………………………….16
1.4 Mô hình phân cấp và cấu trúc hệ thống điều khiển…………………17
1.4.1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển ………………… 17
1.4.2. Mô hình phân cấp chức năng………………………………….18
1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển…………………………… 21
1.4.4. Phân loại các hệ thống điều khiển ……………………………24
1.4.5. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp……………………25

Chương 2: Cơ sở lý thuyết truyền thông………………………………… 27
2.1 Chế độ chuyền tải ………………………………………………… 27
2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp ………………… 28
2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ ………………………….29
2.3 Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn ……….29
2.4 Truyền tải dải cơ sở dải mang và giải rộng …………………30
2.2 Các thành phần của mạng…………………………………………….31
2.1. Đường truyền vật lý ………………………………………… 31
2.2. Cấu trúc mạng…………………………………………………32
2.3. Giao thức mạng ……………………………………………….36
2.4. Phân loại mạng ……………………………………………… 38
2.3 Các phương pháp truy cập mạng …………………………………… 39
2.1 CSMD/CD …………………………………………………… 39
2.2 Master/Slave………………………………………………… 40
2.3 Token passing…………………………………………………40
2.4 Kết nối mạng………………………………………………………… 41
2.1 Phương tiện kết nối …………………………………………….46
2.2 Thiết bị liên kết mạng………………………………………… 47
2.5 Mạng truyền thông công nghiệp của siemens……………………… 49
2.1 Mạng nhiều điểm (MPI)……………………………………… 49
2.2 Mạng profibus……………………………………………… 50
2.3 Mạng công nghiệp ( Industrial Ethernet )…………………….54
2.4 Mạng giao diện điểm tới điểm ( PPI)……………………… 56
2.5 Mạng cảm biến cơ cấu chấp hành ……………………………57
2.6 Mạng SINEC L2…………………………………………… 58
Chương 3 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG………………….60
3.1 Hệ thống quản lý kho cảng LPG …………………………………… 60
2.1 Giới thiệu tổng quan về LPG ………………………………… 60
2.2 Cấu trúc tự động hóa kho cảng LPG………………………… 61
2.3 Qui trình hoạt động của kho chứa LPG……………………… 64

3.2 Các yêu cầu về hệ thống tự động điều khiển giám sát kho chứa LPG 67
2.1 Yêu cầu chung………………………………………………… 67
2.2 Yêu cầu về hệ thống đo lường……………………………… 67
2.3 Yêu cầu bài toán công nghệ xuất nhập LPG…………………69
2.4 Yêu cầu hệ thống điều khiển giám sát xuất nhập LPG………70
2.5 Yêu cầu hệ thống đóng mở van an toàn khi có sự cố ……….70
2.6 Tủ điều khiển trung tõm…………………………………… 71
3.2 Một số hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG…………………72
2.1 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng của hãng Varec……….72
2.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển hãng SAAB tank(Emerson)
………………………………75
Chương 4 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG…… 80
4.1 Phân tích lựa chọn giải pháp hãng siemens………………………… 80
4.1.1 Giới thiệu hãng sản xuất tự động hóa Siemens……………… 80
4.1.2 Phân tích lựa chọn giải pháp và thiết bị hãng siemens…………83
4.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển giám sát kho chứa LPG……………… 85
2.1. Các thành phần hệ thống……………………………………… 85
2.2. Thiết lập cấu hình hệ thống sử dụng phần mềm Step7 ……… 97
4.3 Xây dựng phần mềm………………………………………………… 102
4.3.1 Yêu cầu công nghệ quá trình điều khiển xuất nhập…………….102
4.3.2 Yêu cầu về giám sát hệ thống LPG…………………………… 105
4.3.3 Qui trình xây dựng giao diện phần mềm WinCC……………….105
4.1 Xây dựng giao diện mô phỏng hệ thống LPG……………………… 113
4.4.1 Phần mềm mô phỏng PLCsim………………………………… 113
4.4.2 Mô tả hoạt động chương trình điều khiển giỏm sỏt…………… 114
Chương 5 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet… 121
5.1 Đặt vấn đề …………………………………………………………… 121
5.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển qua mạng internet……………….124
5.2.1 Giao thức mạng internet……………………………………… 124
5.2.2 Mô hình phân lớp địa chỉ internet…………………………… 125

5.2.3 Kiến trúc mạng internet……………………………………… 126
5.2.4 Định tuyến trong mạng internet……………………………… 127
5.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng…………………… 129
2.4 Thiết lập chương trình điều khiển giám sát qua mạng internet……… 130
KẾT LUẬN ………………………………………………………………… 135
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 136
PHỤ LỤC………………………………………………………………………137
Danh mục cỏc kớ hiệu và chữ viết tắt
ADSL Asymetric Digital Subscriber line
ASI Actual sensor interface
ATM Asynchronous Transfer Mode
BMS Building managerment system
CP Comunication process
CSMA/CD Carrier Sence Multiple Access/ Collision Detection
DCS Distributed control System
ESD Emergency shutdown
FBM Field bus modem
FCU Field communication unit
IP Internet protocol
LAN Local area network
LLC Logical link control
LPG Liquidfied petrol gas
MAC Media Access Address
MAN Metropolitan Area Network
MPI Multiple point interface
MST Multiple spot temperature
OPC OLE process control
OSI Open System Interconnection
PID Proportion intergrate derivative
PLC Programble logic control

PPI Point to point interface
QCS Quality control system
RDU Remote display unit
RTU Remote terminal unit
SCADA Supervisory
STP Shield twist pair
UHF High frequency
UTP Unshied twist pair
VHF Very high frequency
WAN Wide area network
Danh mục các bảng
Bảng 2.1: Bảng kết hợp dịch vụ và kiểu truyền thụng……………………… 43
Bảng 2.2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485…………………… 44
Bảng 2.3: Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS……………………………53
Bảng 2.4: Dữ liệu kỹ thuật của IE……………………………………………56
Bảng 2.5: Dữ liệu kỹ thuật của các bộ điều khiển……………………………58
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Phân cấp chức năng hệ thống………………………………… 19
Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung…………………………………… 21
Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền………………………………… 22
Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán…………………………………… 23
Hình 2.1: Chế độ truyền tín hiệu…………………………………………… 29
Hình 2.2: Cấu trúc dạng bus………………………………………………… 34
Hình 2.3: Cấu trúc dạng mạch vòng……………………………………… 34
Hình 2.4: Cấu trúc mạng hình cây………………………………………… 35
Hình 2.5: Cấu trúc hình sao………………………………………………… 35
Hình 2.6: Mô hình OSI 7 lớp…………………………………………………37
Hình 2.7: Các phương pháp truy nhập đường truyền……………………… 39
Hình 2.8: Các kiểu kết nối 42
Hình 2.9: Kết nối giữa các module………………………………………… 43

Hình 2.10 : MPI Subnetwork……………………………………………………… 49
Hình 2.11: Phương pháp truy nhập đường dẫn…………………………… 51
Hình2.12: Kết nối điểm tới điểm…………………………………………….56
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa…………………………… 62
Hình 3.2: Sơ đồ P&ID hệ thống…………………………………………… 66
Hình 3.3: Giải pháp hệ thống điều khiển giám sát của Varec……………….72
Hình 3.4: Giải pháp hệ thống đo bồn chứa của SAAB TANK…………… 75
Hình 4.1: CPU 315-2PN/DP……………………………………………… 86
Hình 4.2: Module đầu vào tương tự………………………………………….88
Hình 4.3: Module đầu ra số………………………………………………… 88
Hình 4.4: Switch chuyển mạch………………………………………………89
Hình 4.5: Thiết bị đo mức bằng Radar………………………………………90
Hình 4.6: Cấu trúc bộ transmitter radar…………………………………… 91
Hình 4.7: Thiết bị đo nhiệt độ……………………………………………… 92
Hình 4.8: Bộ hiển thị tại chỗ…………………………………………………93
Hình 4.9: Thiết bị đo khối lượng massflow………………………………….94
Hình 4.10: Sensor đo khối lượng massflow………………………………….95
Hình 4.11: Van điều khiển xuất nhập……………………………………… 96
Hình 4.12: Khởi tạo chương trình step7…………………………………… 98
Hình 4.13: Cấu hình trạm điều khiển PLC………………………………… 99
Hình 4.14: Cấu hình thiết bị đo Radar………………………………………100
Hình 4.15: Cấu hình thiết bị đo Massflow………………………………… 101
Hình 4.16: Cấu hình mạng Ethernet……………………………………… 102
Hình 4.17: Lưu đồ thuật toán nhập LPG…………………………………….103
Hình 4.18: Lưu đồ thuật toán xuất LPG…………………………………… 104
Hình 4.19: Mô hình PLCsim mô phỏng hệ thống………………………… 113
Hình 4.20: Trang giao diện tổng quan hệ thống…………………………… 114
Hỡnh 4.21:Mô tả xuất LPG tự động…………………………………………115
Hình 4.22: Trang giao diện khu cầu cảng……………………………………116
Hình 4.23: Đồ thị trends và cảnh báo khu cầu cảng…………………………117

Hình 4.24: Chế độ xuất nhập thủ công………………………………………117
Hình 4.25: Trang giao diện khu bồn 1……………………………………….118
Hình 4.26: Trang giao diện khu bồn 2……………………………………….119
Hình 4.27: Trang giao diện khu họng xuất………………………………… 119
Hình 4.28: Đồ thị trends và cảnh báo khu họng xuất……………………… 120
Hình 5.1: Biểu diễn liên kết hai mạng……………………………………….127
Hình 5.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng…………………129
Hình 5.3: Cấu hình Webnavigator………………………………………… 131
Hình 5.4: Xây dựng các trang đồ họa qua web………………………………131
Hình 5.5: Mô hình liên kết IIS……………………………………………….132
Hình 5.6: Giao diện SCADA tổng quan qua web………………………… 133
Hình 5.7: Giao diện SCADA khu cầu cảng qua web……………………….133
Hình 5.8: Giao diện SCADA khu bồn chứa qua web……………………….134
Hình 5.9: Giao diện SCADA khu họng xuất qua web………………………134
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển và kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ thông tin với mạng công
nghiệp trong những năm gần đây đã mang lại hướng đi mới cho các giải pháp tự
động hoá, và tạo ra sự chuyển biến tích cực trong mọi ngành kinh tế quốc dân.
Trong số các hệ thống tích hợp tự động hoá nói chung, hệ SCADA chiếm
vị trí đặc biệt quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển ưu việt các
quá trình công nghệ sản xuất. Việc xây dựng và kế thừa dựa trên các thành tựu
của kỹ thuật truyền thông, kỹ thuật vi xử lý và công nghệ phần mềm đã tạo điều
kiện cho cỏc hóng tự động hoỏ trờn thế giới đưa ra nhiều hệ thống mạng rất tối ưu
và hiện đại như của SIEMENS, ALLEN-BRADLEY, MOTOROLA,
HONEYWELL,… Trên thế giới, các hệ thống này đã được áp dụng rộng rãi và
hiệu quả vào các ngành điện lực, dầu khí, hoá chất, xăng dầu, khí tượng thuỷ văn,
hệ thống cung cấp nước, giám sát ô nhiễm môi trường v.v.
Hiện nay, xu hướng xây dựng một hệ SCADA diện rộng có thể áp dụng vào
nhiều lĩnh vực và mở rộng trên phạm vi cả nước, thậm chí khu vực đang là mục
tiêu chính cho các nhà tích hợp giải pháp. Với sự phát triển không ngừng, các hệ

thống SCADA hiện đại không chỉ dừng lại ở phạm vi giám sát thuần tuý mà còn
có khả năng chẩn đoán sự cố và cách khắc phục dựa trên các số liệu thu thập được.
Với nước ta, việc áp dụng hệ thống SCADA là xu thế tất yếu của các ngành
kinh tế trọng điểm quốc gia gồm điện lực và dầu khí. Các hệ thống SCADA cho
thuỷ lợi, khí tượng thuỷ văn và môi trường hiện nay là vấn đề đang được đặt ra
một cách cấp thiết.
Theo định hướng phát triển đó, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp xây
dựng một hệ SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống mạng SIMATIC của Siemens,
đồng thời áp dụng cụ thể cho các kho chứa LPG. Em xin chân thành cảm ơn các
thầy giáo hướng dẫn - TS. Nguyễn Văn Khang - Người đó luụn động viên, chỉ bảo
và hướng dẫn tận tình để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Xin cảm ơn công ty PETECARE đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em
trong suốt thời gian làm đề tài.
Hà Nội, tháng 11 năm 2008
Sinh viên
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
1.1. TÍNH THỜI SỰ, KHOA HỌC, THỰC TIỄN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Lĩnh vực sản xuất là cơ sở, nền tảng vững chắc trong nền kinh tế. Một
quốc gia có nhiều ngành sản xuất vững mạnh sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển
nhanh và ổn định của nền kinh tế. Chính vì vậy, các hệ thống điều khiển phải được
ứng dụng hầu hết trong các ngành sản xuất, đặc biệt là những ngành có qui mô
lớn, giữ vai trò then chốt trong nền kinh tế như: điện lực, dầu khí, ngành chế biến
thực phẩm vv Tất cả các ngành này đều đã ứng dụng các hệ thống điều khiển
hiện đại trong tất cả cỏc khõu của quá trình sản xuất. Các hệ thống điều khiển,
công nghệ hiện đại sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, hiệu quả trong sản
xuất, tăng độ tin cậy, giảm bớt chi phí và sức lao động, tăng khả năng cạnh tranh
của các doanh nghiệp trên thị trường. Bên cạnh đó, thành tựu khoa học những năm
qua đó cú những bước phát vượt bậc. Công nghệ số đã dần thay thế cho công nghệ
tương tự. Hầu hết các tập đoàn hùng mạnh về tự động hóa như siemens, ABB, AB,
Omron, Emerson vv đã cho ra nhiều sản phẩm trên cơ sở kĩ thuật số. Các sản

phẩm này đều có tính năng vượt trội so với các sản phẩm cũ. Các thiết bị đo được
tích hợp với bộ vi xử lý vừa thực hiện chức năng đo và vừa xử lý tại chỗ, tự tính
toán và chuẩn đoán lỗi và vừa có chức năng truyền thông tin. Các bộ điều khiển số
ngày càng hoàn thiện, có thể thực hiện nhiều chức năng, số lượng các đầu vào ra
ngày càng lớn, độ chính xác và hoạt động tin cậy cao. Hệ thống mạng truyền
thông liên kết các thiết bị ngày càng hoàn thiện, kĩ thuật truyền ứng dụng kĩ thuật
số sẽ làm giảm sự suy hao tín hiệu, giảm sự tác động của nhiễu và làm tăng tốc độ
và độ tin cậy trong giao tiếp. Đặc biệt hầu hết các thiết bị có cấu trúc mở chính vì
vậy dễ dàng tích hợp với nhau theo một chuẩn chung giúp cho hệ thống điều khiển
mang tính mềm dẻo và dễ ràng mở rộng. Hiện nay, máy tính là công cụ rất phổ
biến trên thị trường, các hệ thống điều khiển hiện đại đều phải sử dụng máy tính.
Máy tính không chỉ thực hiện chức năng giám sát và thu thập dữ liệu mà còn tích
hợp thêm chức năng điều khiển. Thuật ngữ “computer based control” được sử
dụng phổ biến. Kết hợp với máy tính là sự phát triển mạnh của ngành công nghệ
thông tin, hiện tại các hệ thống điều khiển hiện đại,qui mô lớn không thể tách rời
với công nghệ thông tin. Đặc biệt là sự bùng nổ của internet, các hệ thống điều
khiển không chỉ ứng dụng trong phạm vi của nhà máy mà còn mở rộng trên phạm
vi cỏc vựng thậm trí là các quốc gia. Trong tương lai, nền sản xuất ngày càng mở
rộng kết hợp sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật các hệ thống điều khiển
giám sát ngày càng thay đổi với qui mô lớn hơn hiện đại hơn và ngày càng ứng
dụng sâu rộng vào trong quá trình sản xuất, là yếu tố quan trọng góp phần thúc
đẩy sự phát triển của các ngành sản xuất.
Trên thế giới, đặc biệt các nước phát triển các hệ thống tự động hóa hiện
đại đã được áp dụng sâu rộng vào trong sản xuất. Kể cả trong những ngành nông
nghiệp mức độ tự động hóa không cao. Chính vì vậy, các hệ thống này đã nâng
cao được năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Nước ta hiện là nước đang
phát triển tuy đã có sự tiến bộ trong ứng dụng công nghệ hiện đại, tự động hóa vào
trong sản xuất nhưng chưa thực sự cao. Mức độ đầu tư các thiết bị, công nghệ hiện
đại chưa tương xứng với tiềm năng. Hầu hết các ngành then chốt như dầu khí, chế
biến, viễn thông, điện lực đều đã ứng dụng các công nghệ hiện đại. Tuy nhiên các

hệ thống đó thường là đồng bộ, nhập hoàn toàn từ nước ngoài. Đội ngũ kĩ sư tích
hợp hệ thống vừa thiếu và chưa có đủ kinh nghiệm vì vậy chủ yếu là phải thuờ cỏc
chuyên gia nước ngoài với mức chi phí rất là cao. Bên cạnh đó, những ngành sản
xuất nhỏ lẻ, các làng nghề thủ công chủ yếu chưa áp dụng công nghệ tự động hóa.
Họ thường sử dụng nguồn lực con người chính vì vậy năng xuất thấp, chi phí cao.
Việc ứng dụng công nghệ sản xuất hiện đại, thiết bị sản phẩm tự động hóa sẽ giúp
cho các ngành nghề này phát triển nhanh chóng.
Tóm lại, nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển vào trong sản xuất là
nhiệm vụ cấp bách và thiết yếu trong điều kiện của nền kinh tế nước ta hiện nay.
1.2. NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
Hệ thống điều khiển giám sát được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực.
- Ngành điện lực: Các trạm phát điện, hệ thống đường dây, các trạm
biến áp được đặt tại ở những vùng xa trung tâm. Tất cả các thông số về điện áp,
tần số, dòng điện, công suất, các trạng thái hoạt động đều được truyền về trung
tâm điều độ quốc gia một cách tức thời và liên tục. Tại đây sẽ thực hiện giám sát,
lưu trữ dữ liệu và đưa ra các mệnh lệnh điều khiển để đảm bảo hệ thống luôn hoạt
động ổn định.
- Các trung tâm khí tượng quốc gia: Các thông số về nhiệt độ, áp suất,
độ ẩm vv Sẽ được truyền từ các vùng cao về trung tâm lưu trữ khí tượng thủy
văn. Tại đây các thông số sẽ được lưu trữ và xử lý.
- Các nhà máy xử lý chất thải, cỏc dõy truyền sản xuất lắp ráp đều có
thể ứng dụng các hệ thống điều khiển giám sát trong các hoạt động sản xuất.
- Trong xây dựng: Hệ thống tích hợp trong tòa nhà thông minh
( BMS) các thiết bị camera, chống trộm, báo cháy, cửa thông minh, kiểm soát vào
ra vv đều được tích hợp vào hệ thống.
- Các dây chuyền chế biến: Các dây chuyền sản xuất hoạt động tự
động theo công nghệ, chương trình cho trước, các thông số liên quan quá trình sản
xuất được giám sát một cách chặt chẽ.
1.3. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1. Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển giám
sát, phân biệt được các hệ thống SCADA, DCS và hệ thống PLC.
- Tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết mạng truyền thông công
nghiệp, hiểu được bản chất các loại giao thức, phân biệt được các loại mạng với
nhau.
- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng cho đối
tượng là các bồn chứa LPG ( Liquidfied petrol gas).
- Nắm vững và làm chủ các phần mềm lập trình điều khiển (Step7),
phần mềm giám sát ( WINCC).
- Hoàn thành viết chương trình điều khiển theo bài toán công nghệ và
chương trình mô phỏng bằng phần mềm giám sát ( WinCC).
- Nắm vững cơ sở lý thuyết và bản chất mạng internet và các ứng
dụng của mạng internet trong cuộc sống và trong sản xuất.
- Thực hiện mô phỏng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG
qua mô hình mạng internet bằng phần mềm giám sát qua mạng Internet ( WinCC
webnavigator server, client ).
1.3.2. Nội dung đề tài
Trình bày về tính cấp thiết, tính khoa học và thực tiễn của hệ thống điều
khiển giám sát trong quá trình sản xuất. Phân loại các hệ thống điều khiển theo cấu
trúc, chức năng.
Trình bày về cơ sở lý thuyết truyền thông gồm có các chế độ truyền
thông, cấu trúc mạng truyền thông, các chuẩn kết nối, các giao thức mạng truyền
thông và các phương pháp truy cập bus. Từ cơ sở lý thuyết sẽ tìm hiểu các thành
phần mạng truyền thông công nghiệp Simatic của siemens.
Trình bày về hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG. Trong phần
này sẽ tìm hiểu tổng quan về LPG bao gồm cấu trúc thành phần, đặc tính hóa lý.
Tiếp theo sẽ phân loại cấu trúc hệ thống tự động hóa kho chứa LPG, đưa ra các
yêu cầu công nghệ để xây dựng hệ thống điều khiển, đưa ra các qui trình hoạt
động của cả tổng kho. Tiếp theo đó, đề tài sẽ giới thiệu một số hệ thống điều khiển
giám sát tổng kho LPG của cỏc hóng nổi tiếng Varec, Emerson đưa ra những đánh

giá và phân tích lựa chọn giải pháp.
Sau khi đã lựa chọn giải pháp tích hợp hệ thống của siemens, đề tài sẽ đi
sâu xây dựng các thành phần của hệ thống, giới thiệu và lựa chọn thiết bị trong hệ
thống. Và sau đó sẽ dựng cỏc phần mềm của siemens để thiết lập cấu hình hệ
thống, viết chương trình điều khiển quá trình vận hành, và thiết lập giao diện giám
sát kho cảng LPG.
Cuối cùng đề tài sẽ phát triển hệ thống thông qua thiết lập hệ thống điều
khiển từ xa, điều khiển qua mạng internet. Trên cơ sở đó sẽ đi tìm hiểu về lý
thuyết điều khiển qua mạng sử dụng phần mềm điều khiển giám sát qua mạng để
thiết lập giao diện màn hình điều khiển giám sát qua mạng internet.
1.3.3. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm 5 chương, mỗi chương sẽ chia thành nhiều mục lớn, mỗi
mục lớn lại được chia thành nhiều mục nhỏ.
Các chương trình bày trong luận văn bao gồm:
Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát
Chương 2: Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông
Chương 3: Hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG
Chương 4: Xây dựng thiết lập hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG
Chương 5: Thiết lập xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua
mạng internet.
1.4. MÔ HÌNH PHÂN CẤP VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.4.1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển
Từ những thời kì sơ khai nhất trong sự phát triển của loài người, người ta
đã có thể tìm thấy những khái niệm về điều khiển, cả về tự nhiên lẫn kĩ thuật. Việc
điều khiển các hoạt động, các sự vật, các hiện tượng là một nhu cầu thực tế và bắt
buộc trong cuộc sống. Trước đây con người luôn có ý tưởng điều khiển các sự vật
hiện tượng xung quanh mình. Nhưng điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi, một
trong những nền tảng cơ bản trong điều khiển, để điều khiển được hệ thống ra đời
vào khoảng 300 năm trước công nguyên. Ứng dụng đầu tiên là cơ cấu phao điều
chỉnh tại Hi Lạp, sau đó là đồng hồ nước của Ktesibios, thiết bị đèn dầu của Philon

khoảng 250 năm trước công nguyên để giữ mức nguyên liệu không đổi.
Alexandria đã cho ra đời quyển sách về hơi khí- Pneumatica về cơ cấu
điều chỉnh mức nước sử dụng máy điều chỉnh phao vào thế kỉ thứ nhất. Tại châu
âu, Cornelis Drebbel đã đưa ra bộ điều chỉnh nhiệt độ, được coi như là một trong
những bộ điều chỉnh phản hồi đầu tiên. Tiếp theo là sự ra đời điều chỉnh áp suất
nồi hơi vào năm 1861 của Dennis Papin. Vào năm 1769 Jame Watt đưa ra bộ điều
khiển phản hồi đầu tiên trong công nghiệp đó là máy điều tốc, để điều khiển tốc độ
của động cơ hơi nước. Nó hoạt động trên nguyên tắc quả cầu li tâm được nối với
trục ra để điều khiển độ mở van cung cấp hơi nước cho động cơ. Khi tốc độ tăng
làm cho quả cầu quay nhanh làm đóng van hơi nước làm cho tốc độ giảm.
Năm 1765, I Polzunow đưa ra máy điều chỉnh mức nước bằng cơ cấu
phao. Trong những năm 1768 sự phát triển của hệ thống điều khiển vẫn nằm trong
giai đoạn khởi đầu do sự không ổn định của hệ thống.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, lý thuyết điều khiển được phát triển ở
Mĩ, các nước tây âu khác với nước Nga và Đông âu sử dụng tín phản hồi dựa trên
các hiện tượng điện tín và dựa trên tín hiệu khuyếch đại điện tử bởi Bode, Nyquist,
Black. Trong thời kì này do đòi hỏi thiết kế và chế tạo các hệ thống trong máy
bay, hệ thống chỉnh súng, hệ thống quân sự dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của hệ
thống phản hồi. Từ những năm 40-80 lý thuyết điều khiển tự động phát triển mạnh
mẽ từ kĩ thuật miền tần số, sử dụng hàm Laplace đến các phương pháp quỹ đạo
pha, các máy tính điều khiển số, tính theo phương pháp trên miền thời gian của
Liapunow, Minosky.
Lý thuyết điều khiển tối ưu ngày nay được phát triển bởi Pontryagin và
Bellman cùng với sự ra đời của các hệ bền vững, các lý thuyết điều khiển hiện đại
như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thông minh.
Ngày nay các hệ thống điều khiển phát triển cả về quy mô, phức tạp mức
độ tự động hoá cao, từ cấu trúc tập trung đến cấu trúc phân tán có tính phức tạp
cao đáp ứng được nhu cầu thực tế.
Sự phát triển của kĩ thuật vi bán dẫn, vi điều khiển, máy tính, trên nền tảng
kĩ thuật số. Hệ thống điều khiển đã phát triển nhảy vọt. Các thiết bị điều khiển, đo,

cơ cấu chấp hành thông minh trên nền tảng vi điều khiển có thể đáp ứng mọi thuật
toán điều khiển hiện đại và phức tạp, độ tin cậy cao hơn, đa chức năng hơn, nhỏ
gọn hơn. Các thiết bị với độ mở linh hoạt cao có thể dễ dàng tích hợp với nhau tạo
thành các hệ thống lớn như SCADA, DCS, đáp ứng mọi yêu cầu về công nghệ
với mức độ tự động hoá cao nhất. Với sự bùng nổ mạnh mẽ của mạng Internet, hệ
thống điều khiển đã phát triển mạnh mẽ về qui mô không chỉ hoạt động trên phạm
vi nhà máy mà còn hoạt động trên cả phạm vi toàn cầu. Nhờ mạng Internet mà tại
bất kì vị trí nào đều có thể vận hành giám sát toàn bộ nhà máy. Đó là xu thế phát
triển hiện tại và trong tương lai.
1.4.2. Mô hình phân cấp chức năng
Hình 1.1: Phân cấp chức năng hệ thống
Một hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nói chung thường được
cấu trúc theo mô hình phân cấp hình chóp. Theo mô hình này, các chức năng được
phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên . Càng ở những cấp dưới thỡ cỏc
chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh
nhạy , thời gian phản ứng . Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các
chức năng ở cấp dưới, có lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều .
Thông thường , người ta chỉ coi 3 cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều
khiển giám sát.
Cấp chấp hành : Chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường , dẫn
động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết . Thực tế đa số các thiết bị
cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo
lường truyền động được chính xác và nhanh nhạy . Các thiết bị thông minh (có bộ
vi xử lý riêng ) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi
đưa lên cấp điều khiển.
Quản
lý
Điều hành
Điều khiển
Chấp hành

Management level
Cell level
Field level
Actuator-sensor
level
Cấp điều khiển : Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin
từ các bộ cảm biến , tự động xử lý các thông tin đó theo chương trình của con
người đã cài đặt sẵn và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Những
thông tin và kết quả của việc điều khiển sẽ được chuyển lên cấp điều hành . ở cấp
điều khiển thường đặt các bộ điều khiển PID, các controllers, PLC,
transmitter/RTU số thông minh
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng được gọi chung là cấp trường
(field level) chớnh vỡ cỏc bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực
tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật .
Cấp điều hành : Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển ,
điều chỉnh bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện thì nhiệm vụ của cấp
điều hành là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác , theo dõi ,
giám sát , vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Khác với cấp dưới ,
việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành thường không đòi hỏi phương tiện
thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài cỏc mỏy tính thông thường (máy tớnh cá nhân ,
máy trạm, máy chủ, terminal ) có giao diện mạng gọi chung là máy tính điều
hành.
Việc phân cấp chức năng như trên sẽ rất tiện lợi khi thiết kế hệ thống và
lựa chọn thiết bị . Theo đú cỏc nhà sản xuất cũng đưa ra kiến trúc các tầng mạng
thích hợp với đặc thù trao đổi thông tin của từng cấp.
1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển
1.4.3.1. Cấu trúc tập chung


Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung

Tất cả các thiết bị được kết nối với một trung tõm duy nhất. Trung tõm này
sẽ là bộ nóo duy nhất thực hiện mọi quyền quyết định, phõn phối và chỉ huy. Hệ
thống có cấu trúc tập chung có nhược điểm rất lớn đó là số lượng dõy kết nối lớn.
Điều khiển tập chung làm cho bộ điều khiển phải có bộ nhớ lớn, tốc độ cao, xử lý
tốt. Vì điều khiển tập chung mà khi bộ nóo gặp sự cố thì hệ thống sẽ ngưng hoạt
động hoàn toàn. Hệ thống có cấu trúc tập chung chỉ phù hợp đối với các hệ thống
nhỏ, số lượng đối tượng I/O ít và quá trình công nghệ không quá phức tạp.
1.4.3.2. Cấu trúc phân quyền.
Cấu trúc này khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm và vì thế
hệ thống trở lên linh hoạt hơn . Mỗi quá trình con được điều khiển bởi một máy
tính riờng cựng được đặt tại phòng điều khiển . Do các quá trình con có liên quan
hệ quả , nên để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự hợp tác giữa chúng với
I/0 input/out(vµo /ra)
A actuator(chÊp hµnh)
S sensor(c¶m biÕn)
M¸y tÝnh §K
I/O
A S
Ph©n ®o¹n
qu¸ tr×nh 1
A S
Ph©n ®o¹n
qu¸ tr×nh 2
A S
Ph©n ®o¹n
qu¸ tr×nh 3
Ranh giíi phßng
®iÒu khiÓn
nhau.Trong phần lớn các trường hợp , một máy tính trung tâm được dùng để điều
khiển cao cấp cũng như để phối hợp sự hoạt động của các máy phân quyền .Tuy

nhiên vẫn tồn tại nhược điểm lớn nhất là dùng số lượng lớn dây nối . Các giải
pháp khắc phục nhược điểm đã dẫn đến những hệ thống điều khiển có cấu trúc
phân tán hay còn gọi là điều khiển phân tán.
Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền
1.4.3.3. Hệ thống có cấu trúc phõn tỏn
Điểm nổi bật của cấu trúc phõn tán là việc phân bố trí tuệ cũng như chức
năng cả chiều rộng và chiều sõu, kết hợp với sử dụng mạng truyền thông thay thế
cho bảng điện và phương pháp nối dõy cổ điển. Bên trong hệ thống sử dụng các
cụm vào ra tại chỗ và cơ cấu chấp hành có tích hợp công nghệ vi điện tử. Cấu trúc
Máy tính phối hợp
Máy tính phối hợp
bus xử lý
ranh giới
phòng ĐK
A S
Phân đoạn
quá trình 1
Phân đoạn
quá trình 2
Phân đoạn
quá trình 3
A S A S
Máy tính ĐK 1
I/O
Máy tính ĐK 2
I/O
Máy tính ĐK 3
I/O
phừn tỏn s khc phc nhc im l i dừy tn kộm. Phừn b trớ tu ti tng ni
s giỳp cho h thng iu khin tr lờn linh hot, khụng ph thuc hon ton vo

mt b iu khin no. Vic tỏch phừn tỏn chc nng iu khin s giỳp h thng
hot ng hiu qu v a bi toỏn phc tp tr lờn n gin. H thng phự hp
vi cỏc h thng ln cú rt nhiu I/O, quỏ trỡnh cụng ngh phc tp.
Ta cú cu trỳc s
Hỡnh 1.4: Cu trỳc iu khin phõn tỏn
1.4.4. Phõn loi cỏc h thng iu khin
1.4.4.1. SCADA :
- Trờn c s h truyn thụng mnh, tc cao, khong cỏch xa tri trờn
din rng ln hng trm hoc hng ngn km, cỳ cc lnh kt ni qua v tinh, mỏy
thu phỏt vi ba, cỏp quang hoc ISDN
Trạm thao
tác(OS)
Trạm kỹ
thuật(ES)
Trạm phục
vụ(SS)
Trung tâm điều
khiển giám sát
Bus xử lý
Máy tính
điều khiển
Máy tính
điều khiển
Máy tính
phối hợp
Bus tr ờng
Máy tính ĐK
I/O
Trung tâm
điều khiển

A S A S A S
I/O
A S
A S A S
- Vớdụ: cỏc hệ điều độ sản xuất, truyền tải và phân phối điện lực Quốc gia,
các khu vực Miền Bắc, Miền Nam, Miền Trung, Cty điện lực Hà nội, Sài gòn, hệ
khai thác và dẫn khí đồng hành dinh cố
- Thường các hệ này chủ yếu thực hiện chức năng giám sát và thu tập dữ
liệu, ít điều khiển (tuy vẫn có chức năng ĐK)
1.4.4.2 DCS/OCS/QCS:
- Hệ Đo lường - Điều khiển - Bảo vệ tập trung trong các nhà máy, xí
nghiệp, số điểm công nghệ lên đến vài ngàn điểm.
- Khoảng cách gần, max là 10 km
- Truyền tin trờn cỏc đường truyền mạng, giao thức công nghiệp
- Có tính thời thực cao cho điều khiển và bảo vệ
- Hệ thống thực hiện điều khiển quá trình công nghệ phức tạp. Các bài
toán điều khiển quá trình. Các hệ DCS thường đi đồng bộ của các hóng. Được ứng
dụng rộng rói trong các nhà máy lọc dầu, xử lý hoá chất, sản xuất giấy.
1.4.4.3 Hệ thống PLC
- Hệ thống ứng dụng trong các nhà máy sản xuất không liên tục. Ví dụ:
Trong các nhà máy lắp ráp ôtô xe máy, đóng gói sản phẩm, sản xuất bánh kẹo.
- Hệ thống có tính thời gian thực rất cao. Thời gian vòng quét bé, đáp ứng
hệ thống nhanh. Số lượng đầu vào ra bé khoảng vài trục đến vài trăm.
- Hệ thống mở, có thể tích hợp nhiều thiết bị của các hóng khác nhau.
Thực hiện giải quyết tối ưu các bài toán logic, tuần tự.
- Phạm vi hoạt động nhỏ phạm vi trong nhà máy, truyền tin qua mạng
truyền thông công nghiệp.
1.4.5. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp
1.4.5.1. Bus trường, bus thiết bị
Bus trường là khái niệm chung được dùng trong ngành chế biến để chỉ

các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng các thiết bị truyền tin số để nối các thiết bị
thuộc điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị cấp chấp hành, hay các
thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường truyền động
và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối
mạng là vào/ra phân tán, các thiết bị đo lường ( sensor, transductor, transmitter)
hoặc cơ cấu chấp hành có khả năng tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số
thiết bị bus trường chỉ thích hợp khả năng nối mạng các thiết bị cảm biến, cơ cấu
chấp hành với bộ điều khiển cũng được gọi là cấp chấp hành cảm biến.
Trong công nghệ chế tạo (tự động hoỏ cỏc dây truyền sản xuõt, gia công,
lắp ráp) hoặc ở một số lĩnh vực khác như tự động hoá toà nhà, sản xuất xe hơi,
khái niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Có thể nói bus thiết bị và bus
trường có chức năng gần tương đương, nhưng do có một số đặc trưng riêng của 2
ngành công nghiệp nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên sự khác nhau
ngày nay càng trở lên không rõ rệt, phạm vi của hai ngành đều được mở rộng, đen
chéo sang nhau. Trong thực tế người ta dùng chung khái niệm là bus trường. Do
nhiệm vụ của bus trường là truyền dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý, và
sau đó chuyển quyết định điều khiển xuống cơ cấu chấp hành vì vậy yêu cầu tính
thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biều nằm trong
phạm vi từ 0,1 tới vài miligiõy. Trong khi đó , yêu cầu lượng thông tin trong một
bức điện chỉ hạn chế trong một vài byte vì vậy tốc độ truyền chỉ cần ở phạm vi
Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin mang tính chất định kì, tuần hoàn
bên cạnh tham số hoỏ cỏc tín hiệu cảnh báo mang tính bất thường.
Các hệ thống bus được sử dụng rộng rãi hiện nay là Profibus, ControlNet,
Interbus, Can, WouldFip, P-net, Modbus và gần đây là Foundation Fieldbus,
DeviceNet, As-i…
1.4.5.2. Bus hệ thống, bus điều khiển
Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều
khiển và các máy tính cấp trên điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ
thống ( hay bus quá trình) khái niệm sau chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển
quá trình. Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp các hoạt

động, cung cấp dữ liệu kĩ thuật cho trạm kĩ thuật, trạm quan sát, cũng như các
mệnh lệnh, các tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những
được trao đổi theo chiều dọc mà còn trao đổi theo chiều ngang. Các trạm kĩ thuật,
trạm vận hành, trạm chủ trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in,
báo cáo dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này.
Đối với bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực mà đòi hỏi tính năng thời gian thực
có được cài đặt ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong
khoảng vài trăm miligiõy, trong khi lưu lượng thông tin trao đổi lớn hơn nhiều so
với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong khoảng
vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Khi hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối chiều
ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều
khiển. Vai trò của bus điều khiển là trao đổi dữ liệu giữa các trạm điều khiển trong
hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ không cao
nhưng yêu cầu đòi hỏi về thời gian thực thì rất khắt khe.
Do yêu cầu về tốc độ và khả năng kết nối dễ dàng với các máy tính, hầu
hết các bus hệ thống đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus
Foundation, Hight Speed Ethernet.
1.4.5.3. Mạng xí nghiệp
Mạng xí nghiệp thực chất là mạng Lan bình thường, có chức năng kết nối
các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát.
Thông tin được đưa lên bao gồm các trạng thái làm việc của quá trình kĩ thuật, các
số liệu tính toán, thống kê diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm.