THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật
truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự
chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp.
Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng
cho sự thay đổi này. Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm
giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống. Việc kiểm soát và vận
hành liên tục quá trình sản xuất trong các nhà máy đóng một vai trò đặc biệt
quan trọng. Để tạo ra một sản phẩm, nhà máy thường được phân thành nhiều
khâu chuyên môn khác nhau, các khâu lại có mối quan hệ ràng buộc logic nhịp
nhàng. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu đặc thù như: Điều khiển thiết bị máy móc
đơn lẻ; tự động hóa công nghiệp; điều khiển giám sát các hệ thống giao thông
vận tải, phân phối năng lượng, tòa nhà, hệ thống quốc phòng, thủy lợi…
Qua một thời gian học tập và nghiên cứu môn học đến nay em đã học hỏi,
tổng hợp được một lượng kiến thức nhất định và trình bày những hiểu biết của
bản thân thông qua bài tập lớn này. Trong quá trình thực hiện đề tài vì còn hạn
chế về tài liệu và kinh nghiệm thực tiễn nên mặc dù đã rất cố gằng nhưng không
thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo và bạn bè để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

2

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

CHƯƠNG I
TRÌNH BÀY TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP ĐIỀU
KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
Cấu trúc và thành phần cơ bản.
1.1.1 Cấu trúc chung
Hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) là một thuật ngữ chung chỉ một số
hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA); hệ thống điều khiển
phân tán (DCS); và một số hệ thống khác như hệ thống điều khiển trên nền
PLCs,…hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và các
hạ tầng quan trọng.
1.1

Giao diện
người máy (HMI)

Chuẩn đoán và bảo trì từ xa

Điểm đặt thuật toán điều khiển
Hiệu chỉnh tham số
Dữ liệu quá trình

Bộ điều khiển

Điểm đặt

Tín hiệu phản hồi

Biến điều khiển

Cơ cấu chấp hành

Cảm biến

Quá trình công nghệ
Các đầu ra quá trình

Các đầu vào quá trình

Nhiễu

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chung

Cấu trúc điều khiển:
3


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Điều khiển tập trung với vào/ra tập trung
Một máy tính duy nhất được dung để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ
thuật. Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thông
thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Các
thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy
tính điều khiển trung tâm quá các cổng vào/ra của nó.
Ngày nay, cấu trúc tập trung trên đây thường thích hợp cho các ứng dụng
tự động hóa quy mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi
sự đơn giản dễ thực hiện, giá cả hợp lý.
Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ trí tuệ, tức chức năng xử lý
thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất.
Điều khiển tập trung vào/ra phân tán
Với vào/ra phân tán, các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần
kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Vì vậy được gọi là các vào/ra phân
tán (Distributed I/O) hoặc vào ra từ xa (Remote I/O). Một cách ghép nối khác
là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, có khả năng nối
mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra. Trong nhiều trường
hợp, các thiết bị cấp trường thông minh có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều
khiển thời gian.
Điều khiển phân tán với vào ra tập trung
Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng
điều khiển/ phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa
với quá trình kỹ thuật. Các phân đoạn có lien hệ tương tác với nhau, vì vậy
để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy
tính điều khiển. Các máy tính được nối mạng với nhau và được một hoặc
nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống. Giải pháp này
dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là hệ điều
khiển phân tán (HĐKPT).
Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán
Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán

và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ
thống điều khiển và giám sát hiện đại.
Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh
tế cũng đóng vai trò quan trọng. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin,
chức năng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề cho
kiến trúc “trí tuệ phân tán” trong tương lai.
1.1.2 Thành phần cơ bản của hệ thu thập điều khiển và giám sát
4


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hệ thống điều khiển giám sát
NI

Thiết bị điều khiển
NI

I/O

I/O NI

Cảm biến và chấp hành

Quá trình kỹ thuật

Nối qua mạng
Nối trực tiếp

NI

Network interface

I/O

Input/Output

Hình 1.2 Thành phần cơ bản

5

NI


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị
điều khiển với quá trình kỹ thuật. Trong khi đó, hệ thống điều khiển giám sát
đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy. Các thiết bị có thể được
ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông…Hệ thống
điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây:
-

Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,
chuyển đổi tín hiệu
Thiết bị điều khiển: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển

khả trình PLC…
Các hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện
người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành…
Hệ thống truyền thông: Giao diện ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp
hành, bus trường, bus hệ thống…
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn…

Cụ thể bao gồm:
Phần cứng:
- Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo
- Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân
kênh,Modem, các bộ thu phát.
- Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC,Workstation), các bộ tập trung dữ
liệu(Dataconcentrater, PLC, PC)
- Trạm vận hành (Operater Station)
Phần mềm:
- Giao diện vào ra, dưới các dạng I/O driver
- I/O server (DDE, OPC,…)
- Giao diện người máy HMI
- Cơ sở dữ liệu quá trình
- Hệ thống cảnh báo, báo động
- Lập báo cáo tự động
- Điều khiển cao cấp
Các lĩnh vực công nghiệp như: điện, nước, xử lý nước thải, dầu và khí tự
nhiên, hóa chất, giao thong vận tải, dược phẩm, giấy và bột giấy, thực phẩm và
nước giải khát và các hệ thống sản xuất riêng biệt( ví dụ: ô tô, hang không…).
Tất cả các lĩnh vực ứng dụng này không những đóng vai trò quyết định cho sự
phát triển hạ tầng, mà còn liên quan lẫn nhau, phụ thuộc lẫn nhau. Cấu trúc mô
tả đều có phần kết nối mạng.

6


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

1.2 Các hê thống điều khiển công nghiệp cơ bản
 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)
SCADA có thể hiểu là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa. Nói
một cách khác, SCADA là hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và
điều khiển từ xa ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thong thường. Để có
thể điều khiển giám sát từ xa, một hệ SCADA phải có hệ thống truy cập,
truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người máy (HMI). Như vậy SCADA
có các chức năng chính là thu thập thông tin, truyền chúng trở về trạm trung
tâm, thực hiện các phân tích, điều khiển cần thiết, sau đó hiển thị các thông
tin đó lên một số các màn hình điều khiển. Các lệnh điều khiển sẽ được
truyền đến bộ phận chấp hành tương ứng.
Các hệ thống SCADA được dung để giám sát và điều khiển các nhà máy
hoặc thiết bị trong công nghiệp như hệ thống viễn thong, hệ thống năng
lượng, giao thong, dầu khí, câp thoát nước, xử lý nước thải…Một hệ thống
SCADA thu thập các thông tin, truyền tải thông tin về trung tâm, sau đó cảnh
báo trạm vận hành về sự cố lỗ thủng, thực hiện các phân tích và điều khiển
cần thiết, và hiển thị các thông tin theo một cách logic và có tổ chức. Các hệ
thống này có thể khá đơn giản như là hệ thống giám sát các điều kiện môi
trường của một tòa nhà văn phòng nhỏ, hoặc rất phức tạp, ví dụ như hệ thống
giám sát tất cả các hoạt động của nhà máy điện hạt nhân hoặc giám sát hoạt
động hệ thống nước thành phố.
Trước đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạng công cộng

(PSN)
cho mục đích giám sát. Nhiều hệ thống được giám sát sử dụng hạ tầng mạng
cục bộ LAN hoặc mạng diện rộng WAN. Công nghệ truyền thông không dây
hiện nay cũng đang được triển khai rộng rãi cho mục đich giám sát.
Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)
DCS là hệ thống điều khiển phân tán , thường ứng dụng cho một hệ thống
sản xuất, một quá trình hoặc bất kỳ một hệ thống động học nào. Trong đó các
bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà được phân tán trên toàn hệ
thống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều
khiển. Toàn bộ hệ thống được nối mạng với nhau để có thể truyền thông và
giám sát. Cấu trúc của hệ thống DCS tương tự với hệ thống SCADA, cũng
bao gồm các thiết bị giao diện dữ liệu trường, hệ thống truyền thông các máy
chủ trung tâm và tập hợp các phần mềm. Tuy nhiên, các chức năng chính và
các yêu cầu đối với các phần cũng khác nhau. Trong hệ thống DCS, chức


7


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

năng chính của các thiết bị giao diện dữ liệu trường là các bộ điều khiển mà ở
đó các thuật toán điều khiển
Quá trình được thực thi. Thêm vào đó, hệ thống truyền thông phải đảm
bảo việc trao đổi dữ liệu giữa các đơn vị điều khiển là theo thời gian thực.
Trong một vài lĩnh vực công nghiệp có sự lẫn lộn giữa hai khái niệm
SCADA và DCS. Nói chung một hệ thống SCADA là một hệ thống phối
hợp, chứ không điều khiển các quá trình theo thời gian thực. Khái niệm điều

khiển thời gian thực là không rõ ràng do các công nghệ truyền thông mới
không cho phép truyền thông tin tin cậy với tốc độ cao, độ trễ thấp trong một
khu vực rộng lớn. DCS hướng quá trình công nghệ, trong khi SCADA là
hướng thu thập dữ liệu. DCS là điều khiển theo quá trình công nghệ, trong
khi SCADA là điều khiền theo sự kiện.


PLCs vẫn là một trong các bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất
trong công nghiệp. Không những PLCs là thành phần hệ thống điều khiển
mà còn được sử dụng trong hệ SCADA và DCS.

Với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ thông tin, ngày nay các thành
phần trong các hệ thống ICS như HMI, OPC…đều có xu hướng được cải
thiện lại hoặc được thiết kế theo định hướng đối tượng và cụ thể hơn các hệ
thống ICS sẽ được thể hiện mình là hệ thống mở (OS) và kế thừa tất cả
những ưu điểm của phân tích , thiết kế và lập trình đối tượng hướng
Component. Như vậy một hệ ICS được cấu thành từ tập hợp các Component.
Với cấu hình này, các hệ thống ICS sẽ thể hiện mình là một hệ thống mở.
1.3

Các vấn đề cơ bản khi xây dựng hệ thu thập điều khiển và giám sát
1.3.1 Các vấn đề kĩ thuật
Các vấn đề kỹ thuật dưới đây đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi nghiên
cứu về các hệ phân tán:
- Kiến trúc xử lý phân tán xuyên suốt trong việc xây dựng ứng dụng và trao
đổi dữ liệu giữa các trạm
- Tính năng thời gian thực luôn sẵn sang phản ứng vơi các sự kiện bên
ngoài và đưa ra đáp ứng đúng, kịp thời;
- Tính năng sẵn sang và độ tin cậy thông qua khả năng dự phòng tích hợp,
có thể lựa chọn dự phòng cho từng thành phần;

- Hỗ trợ chuẩn đặc biệt đối với các hệ thống hiện nay sự tương thích với
các chuẩn công nghiệp là tiền đề cho tính năng mở của hệ thống;
- Công cụ phần mềm được hỗ trợ bởi các công cụ lập trình và cấu hình
mạnh cùng các thư viện phần mềm đóng gói chuẩn dựa theo các chuẩn
quốc tế;
8


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

1.3.2 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán
Một hệ thống thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của
nó không phải chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc
vào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài. Hệ thống có
lỗi khi thời gian yêu cầu không được thỏa mãn. Một hệ thống thời gian thực
có đặc điểm tiêu biểu sau:
- Tính bị động
- Tính nhanh nhạy
- Tính tiền định
Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán không chỉ
phụ thuộc vào tính năng thời gian của từng thành phần trong hệ thống, mà
còn phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó.
Xử lý thời gian thực
Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để
đảm bảo tính năng thời gian thực của nó. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng
có các đặc điểm tiêu biểu nêu trên như tính năng bị động, tính nhanh nhạy và
tính tiền định. Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc,
một hệ thống xử lý thời gian thực được sử dụng các quá trình tính toán đồng

thời.
Quá trình tính toán được chia làm hai loại:
- Quá trình nặng cân: Là quá trình tính toán có không gian địa chỉ riêng;
- Quá trình nhẹ cân: Là quá trình không có không gian, địa chỉ riêng;
Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời:
- Xử lý cạnh tranh
- Xử lý song song
- Xử lý phân tán
Trong các hệ thống điều khiển, khái niệm Task cũng hay được sử dụng
bên cạnh quá trình tính toán.Có thể nói Task là một nhiệm vụ xử lý thông tin
trong hệ thống, có thể thực hiện theo cơ chế tuần hoàn hoặc theo sự kiện. Ví
dụ, một Task thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho một hoặc nhiều mạch vòng
kín có chu kỳ trích mẫu giống nhau. Hoặc, một Task có thể thực hiện nhiệm
vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo các sự kiện xảy ra. Task có thể
thực hiện dưới dạng một quá trình tính toán duy nhất, hoặc một dãy các quá
trình tính toán khác nhau.
Hệ điều hành thời gian thực
Hệ điều hành thời gian thực là một hệ điều hành hỗ trợ các chương trình
ứng dụng xử lý thời gian thực. Bản than hệ điều hành thời gian thực cũng là
một hệ thời gian thực theo đúng nghĩa của nó. Vì vậy cũng có các đặc điểm
tiêu biểu đã đề cập. Một hệ điều hành thời gian thực bao giờ cũng là một hệ
-

9


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

điều hành đa nhiệm, hỗ trợ xử lý cạnh tranh hoặc xử lý song song. Lập lịch,
đồng bộ hóa quá trình và giao tiếp liên quá trình là các khái niệm quan trọng
trong một hệ điều hành thời gian thực.
Đồng bộ hóa quá trình
Khi các quá trình tính toán cùng sử dụng một tài nguyên loại trừ lẫn nhau
như một vùng nhớ, cổng vào/ra , hoặc chúng phụ thuộc lẫn nhau, ví dụ quá
trình 1 chờ kết quả quá trình 2…sẽ rất dễ dấn đến tính trạng tắc nghẽn. Do
vậy việc đồng bộ hóa các quá trình là điều rất cần thiết.
-

Xử lý phân tán
Xử lý phân tán giúp làm nâng cao năng lực xử lý thông tin của một hệ
thống, góp phần cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và
tính linh hoạt của hệ thống
Phân biệt các khái niệm:
- Xử lý cục bộ - Ứng dụng đơn độc;
- Xử lý cạnh tranh - Ứng dụng đa nhiệm;
- Xử lý tập trung - Ứng dụng tập trung;
- Xử lý nối mạng - Ứng dụng nối mạng;
- Xử lý phân tán - Ứng dụng phân tán;
1.3.3.Công nghệ hướng tới đối tượng điều khiển phân tán
1.3.3.1. Lập trình đối tượng
Lập trình đối tượng được coi là phương pháp lập trình chuẩn hiện nay bởi
nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp cổ điển. Mục tiêu mà lập
trình hướng đối tượng đặt ra là:
- Đơn giản hóa việc xây dựng và sử dụng các thư viện;
- Cho phép dùng lại mã;
- Cải thiện khả năng bảo trì của mã, mã phải dễ hiểu, dễ sửa đổi;
- Cho phép tạo ra chương trình dễ mở rộng;
-

Lập trình hướng đối tượng phải được thực hiện thông qua một ngôn ngữ
lập trình hướng đối tượng. Để đạt được các mục tiêu trên, mọi ngôn ngữ lập
trình hướng đối tượng đều thể hiện ba khái niệm: đóng gói (encapsulation,
packaging), đa hình (polymorphism) và thừa kế (inheritance). Các ngôn ngữ
lập trình hướng đối tượng thông dụng là C++, Java, Ada…
1.3.3.2.Phân tích và thiết kế đối tượng
Ưu điểm của phương pháp phân tích, thiết kế hướng thủ tục hoặc hướng
dữ liệu là đơn giản, nhanh chóng tạo ra kết quả. Nhưng nhược điểm chính là
kết quả tạo ra không phản ánh bản chất của của thế giới thực dẫn đến cứng
nhắc, khó thay đổi khi yêu cầu đặt rat hay đổi, khó mở rộng khi hệ thống phát
triển. Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm tiên tiến hiện nay là hướng
10


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

đối tượng (object-oriented), trong đó khối cơ bản để xây dựng lên phần mềm
là đối tượng hay lớp. Nói một cách đơn giản, đối tượng là sự phản ánh thế
giới tự nhiên xung quang. Trong các hệ thống điều khiển, các đối tượng có
thể đại diện thành các hệ thống như:
- Các thuật toán điều khiển;
- Xử lý giao diện và báo động;
- Xử lý mệnh lệnh;
- Quan sát và chuẩn đoán;
- Cấu hình vào/ra;
- Mô phỏng;
- Thông tin thiết kế;

Việc trừu tượng hóa thế giới tự nhiên thành các lớp đối tượng như vậy
được gọi là mô hình hóa đối tượng. Dựa trên mô hình đối tượng thu được,
phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng sẽ được bổ sung
them các liên kết và lớp đối tượng mới, tinh chỉnh lại, để tạo ra một mô hình
đối tượng chi tiết của phần mềm. Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế
phần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanh
tốn ít công sức mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử
dụng lại những thành quả đã xây dựng được như mã lệnh hay bản thiết kế.
1.3.3.3.Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML
Ngôn ngữ UML (Unified Modeling Language) được sử dụng rộng rãi.
UML – một chuẩn quốc tế được quản lý bởi tổ chức OMG (Object
Mamagement Group) – là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực quan hóa, đặc
tả, xây dựng và tư liệu hóa hệ thống thiên về phần mềm. UML đem lại cho
người sử dụng phương pháp chuẩn để viết bản thiết kế hệ thống bao trùm từ
những thứ cụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, các
thành phần phần mềm có thể tái sử dụng, cho đến các yêu tố trừu tượng như
chức năng hóa của toàn bộ hệ thống. Vì lý do này, ngôn ngữ UML không chỉ
được sử dụng để mô tả, xây dượng kiến trúc và thiết kế của các hệ thống
phần mềm mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ thống kỹ
thuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói rêng.
1.3.3.4.Mẫu thiết kế
Mẫu thiết kế là sự hình thức hóa của cách tiếp cận tới một vấn đề thường
gặp trong ngữ cảnh cụ thể. Mỗi mẫu thiết kế mô tả một giải pháp cho một
vấn đề thiết kế cụ thể trong một ngữ cảnh xác định. Giải pháp này đã được
chứng minh là hợp lý, sử dụng nhiều lần đem lại kết quả tốt và do đó được
trừu tượng hóa thành một mẫu. Nói một cách ngắn gọn, Mẫu thiết kế là kinh
nghiệm thiết kế đúc kết lại. Bằng cách sử dụng các mẫu thiết kế, người thiết
11

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

kế không phải thiết kế hệ thống của mình từ đầu mà sử dụng lại kinh nghiệm
đã có từ trước, dẫn đến chất lượng thiết kế tốt hơn, tăng tính tái sử dụng của
bản thiết kế.
1.3.3.5.Phần mềm khung
Phần mềm khung là một dạng phần mềm bao gồm thư viện và các mẫu
thiết kes giúp người sử dụng dễ tạo các chương trình ứng dụng bằng cách bổ
sung các phần mã ứng dụng cụ thể vào các khung đã có sẵn. Có thể so sánh
một phần mềm khung như một khung nhà beetong đã được đúc sẵn theo một
thiết kế, người thi công cần bổ sung các phần tường bao, tường ngăn, cửa
sổ…theo thiết kế đó sử dụng các thư viện gồm các viên gạch, cánh cửa, tấm
vách ngăn làm sẵn.
1.3.3.6. Phần mềm thành phần
Phần mềm thành phần là hướng đi mới, phát triển trên cơ sở phương pháp
lập trình hướng đối tượng, cho phép sử dụng lại phần mềm vào cả giai đoạn
biên dịch và giai đoạn chạy. Do vậy, tư tưởng phần mềm thành phần, ngôn
ngữ lập trình cũng như “lớp” thứ yếu, giao diện mới là quan trọng. Hầu hết
các hệ thống phát triển ứng dụng trong các hệ điều khiển phân tán hiện nay
đều thực hiện triệt để tư tưởng hướng đối tượng và phần mềm thành phần.
1.3.3.7. Đối tượng phân tán
Trong khi phần mềm thành phần quan tâm tới việc đóng gói các đối tượng
để có thể sử dụng lại một cách thuận tiện, thì đối tượng phân tán tập trung
vào vấn đề kiến trúc các đối tượng có khả năng giao tiếp một cách trong suốt
trên các nền và hệ thống mạng khác nhau. Một đối tượng phân tán cũng được
sử dụng khi đã biên dịch, đóng gói hoàn chỉnh dưới dạng một server. Nói
tóm lại, một đối tượng phân tán là một đối tượng phần mềm trong một hệ
thống phân tán, có thể được sử dụng bởi các chương trình ứng dụng hoặc các

đối tượng khác thuộc cùng một quá trình tính toán hoặc thuộc một trạm khác
trong mạng theo một phương thức thống nhất thông qua giao tiếp ngầm.

1.4 Chức năng xây dựng HMI trong hệ thu thập dữ liệu điều khiển
1.4.1 Giới thiệu chung về HMI
HMI là hệ thống phần mềm hỗ trợ con người theo dõi quá trình các diễn
biến của kỹ thuật, trạng thái và các thông số làm việc của các thiết bị trong hệ
thống, qua đó có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp từ xa tới hệ
thống điều khiển phía dưới. Ngày nay, các phần mềm giao diện người-máy
chủ yếu được xây dựng trên nền máy tính cá nhân, dựa trên các kỹ thuật đồ
12


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

họa hiện đại. Giao diện người-máy là một trong các thành phần chính của hệ
thống điều khiển giám sát. Tuy nhiên không phải chỉ ở cấp điều khiển giám
sát,, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người-máy
phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ.
1.4.2 Các chức năng chính của HMI
- Hiển thị quá trình: Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI. Màn hình
trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động. Điều này được dựa
trên các sự chuyển tiếp quá trình
- Điều khiển vận hành quá trình:Người vận hành có thể điều khiển quá trình
bởi GUI.
- Hiện thị các cảnh báo: Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo
động
- Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình: Hệ thống HMI có thể ghi lại các

cảnh báo và giá trị quá trình. Tính năng này cho phép bạn lưu giữ các dãy
quá trình và lấy ra các giữ liệu của quá trình sản xuất từ trước.
- Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình : HMI có thể đưa ra các báo
cáo giá trí quá trình và các cảnh báo. Tính năng này cho phép in ra các dữ
liệu sản xuất ở cuối của ca làm việc.
- Quản lý thông số máy móc và quá trình: Hệ thống HMI có thể lưu giữ các
thông số của các quá trình và máy móc dưới dạng công thức.

S1

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN
GIÁMS3SÁT
S2
BT1
2.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển.
ĐC 1

2.1.1 Phân tích đặc tính bài toán điều khiển giám sát hệ thống đóng bao sản
phẩm.
- Sơ đồ hệ thống cơ cấu chấp hành đóng BT2
bao sản phẩm:
S4

ĐC 2

13

S5

XILANH


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống
Các thành phần cơ bản của hệ thống:
-

Hai động cơ: ĐC 1 và ĐC2;
Hai băng tải: BT1 và BT2;
Các cảm biến: S1, S2, S3, S4, S5;
Xilanh thủy lực;

Bài toán được đặt ra ở đây là kết nối các thành phần trên thành một dây
chuyền đóng bao sản phẩm hoàn chỉnh điều khiển bằng PLC S7-300 và được
giám sát thông qua hệ thống HMI, WinCC trên máy tính.
Hai động cơ Đ C1 và Đ C2 được dùng để kéo băng tải chuyển động đưa sản
phẩm di chuyển, hai động cơ này có thể hoạt động thông qua các khởi động từ
có cuộn hút được điều khiển thông qua các tiếp điểm thường đóng và mở của
PLC. Sự hoạt động của động cơ hay băng tải sẽ được thể hiện trên màn hình
hiển thị giám sát HMI.
Các cảm biến có chức năng thu thập, nhận biết tín hiệu từ dây chuyền cụ thể
là: Xác định vị trí thùng hàng, vị trí xilanh, đếm số lượng sản phẩm được xếp
vào thùng. Sau đó truyền các tín hiệu này đến trung tâm điều khiển ở đây là PLC
để xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển cần thiết như dừng động cơ, khởi động
lại động cơ, nâng – hạ xilanh thủy lực.
Xy lanh thủy lực có tác dụng nâng hạ sản phẩm từ băng tải xuống vùng làm

việc tiếp theo, xylanh này được điều khiển thông qua các cảm biến S3, S4, S5.
Để hoạt động được xylanh cần nguồn cung cấp thủy lực thông qua bơm và một
động cơ kéo thường là động cơ điện song với yêu cầu của bài toán ta ngầm hiểu

14


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

là xylanh đã được tích hợp các thành phần trên nên không nhất thiết phải phân
tích sâu.

Cảm biến

Tín hiệu phản hồi

Tất cả các hoạt động trên điều được giám sát thông qua hệ thống HMI vì vậy
sẽ có điểm đặt thuật toán điều khiển, hiệu chỉnh tham số, dữ liệu quá trình. Để
tương tác được với nhau thì toàn bộ hệ thống dùng BUS hệ thống dùng để kết
nối giữa các cấp điều khiển và giám sát với cấp điều khiển, sử dụng chuẩn
Ethernet và giao thức PROFINET
Theo yêu cầu của hệ thống:
- Cấp điều khiển giám sát: Máy tính cá nhân được cài đặt các phần mềm
WinCC, S7-300…
- Cấp điều khiển: Sử dụng PLC(S7-300, CPU314-2PN/DP)
- BUS hệ thống: Kết nối giữa cấp điều khiển giám sát với cấp điều khiển, sử
dụng chuẩn Ethernet và giao thức PROFINET

HMI
WinCC
PROFINET (Ethernet)

S7-300

2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

Quá trình công nghệ

Động cơ

Xi lanh

Băng tải

Vùng cơ cấu chấp hành

15


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống

2.2 Cấp trường
2.2.1 Xác định yêu cầu công nghệ
Quy trình hoạt động của hệ thống:

Ấn nút Start khởi động hệ thống. Động cơ ĐC2 hoạt động kéo băng tải BT2
chạy, đưa thùng chứa đến vị trí làm việc. Cảm biến S2 nhận biết thùng đã vào vị
trí, tác động dừng động cơ ĐC2 và khởi động động cơ ĐC1 kéo băng tải đưa sản
phẩm cần đóng bao vào thùng, cảm biến S1 đếm sản phẩm. Khi đủ số lượng S1
dừng ĐC1 và khởi động lại động cơ 2 đưa thùng chứa sản phẩm đã được đóng
bao đến xilanh nâng hạ. Cảm biến S3 phát tín hiệu khi thùng sản phẩm đến bàn
I0.0
Q0.0
nâng, Bàn nâng tác động hạ
sản phẩm xuống. Gặp
cảm biến ĐC
S52dứng bàn nâng
và đảo chiều bàn nâng, khi bàn nâng về vị trí ban đầu cảm biến S4 tác động
I0.1
Q0.1
ĐC 1
dừng bàn nâng. Chu trình lặp đi lặp lại, khi dừng ấn nút Stop.
I0.2
Q0.2
X
I0.3
2.2.2 Tính chọn thiết bị và vẽ sơ đồ đấu dây
I0.4
Sơ đồ đấu dây

Q0.3

L

I0.5

Start

I0.6

Stop
S1

24V
DC

220V
AC

S2
S3
S4
S5

16

M

L


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây

2.3 Cấp điều khiển
2.3.1 Xác định các biến cần điều khiển và kết nối PLC S7-300 với cấp
trường
2.3.1.1 Xác định các biến cần điều khiển
a) Khởi động chương trình SIMATIC S7 bằng cách kích đúp vào biểu tượng:

Hình 2.4 Biểu tượng vào SIMATIC

b) Cửa sổ của chương trình hiện lên Hình 2.5:

17


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.5
c) Bấm “Next”:

Hình 2.6

d) Chọn loại CPU cần sử dụng. Ở đây ta chọn CPU314 C-2DP. Sau khi chọn
xong nhấn “Next”:

18


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.7
e) Ta chọn tiếp khối OB1 như hình. Nhấn “Next” để sang bước tiếp theo:

Hình 2.8

f) Cuối cùng ta đặt tên cho dự án và nhấn “Finish”:

19


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.9
g) Dự án mới được thành lập, lúc này kích đúp vào OB1

Hình 2.10
h) Lúc này sẽ hiện ra giao diện để viết chương trình.

Hình 2.11
i) Muốn đặt tên biến ta chọn mục S7 Program - Symbol

20

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.12
k) Ta tiến hành nhập vào các biến:

Hình 2.13
l) Sau khi nhập tên biến ta có bảng như sau:

Hình 2.14

21

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội
Status

HTTDL ĐK & TSL

1
2
3
4
5
6
7

Symbol
Băng tải đưa hộp
Băng tải đưa sản phẩm

OFF
ON
Nâng PITTONG
Hạ PITTONG
S1

Address
Q0.0
Q0.1
I0.1
I0.0
Q0.3
Q0.2
I0.2

Data type
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL

8

S2

I0.3

BOOL

9

S3

I0.4

BOOL

I0.5

BOOL

I0.6

BOOL

10

S4

11

S5

Start
Động cơ 2

Comment

Đếm
sản
phẩm
Có hộp
Có hộp sản
phẩm
Dừng
PITTONG
Điều chỉnh
PITTONG

2.3.1.2 Kết nối PLC S7-300 với cấp trường
Hình 2.15
PLC với
trường

Băng tải 2

Kết nối
cấp

Chọn lựa

2.3.2 Thiết
đồ thuật
viết
trình trên
2.3.2.1
lập lưu đồ

toán:

S2

S3

Động cơ 1

Hạ PIT-TONG

Băng tải 1

S5
Nâng PIT-TONG

S1

S4
22

Dừng PIT-TONG

lập lưu
toán và
chương
S7-300
Thiết
thuật

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.16 Lưu đồ thuật toán

2.3.2.2 Viết chương trình trên S7-300

23

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

24

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

25

HTTDL ĐK & TSL