Khảo sát, xây dựng hệ SCADA cho hệ thống FMS của trường đại học sư phạm kỹ thuật hưng yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG QUANG ĐỒNG

KHẢO SÁT, XÂY DỰNG HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG FMS
CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS NGUYỄN TRỌNG THUẦN

Hà Nội – Năm 2010

1


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của GS. TS. Nguyễn Trọng Thuần. Các dữ liệu trong luận văn là trung thực và
có nguồn gốc rõ ràng.

Tác giả luận văn

Đặng Quang Đồng

2


LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Trọng Thuần và các thầy cô giáo bộ
môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp khoa Điện, viện Sau Đại học trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.

3


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: Tổng quan hệ thống SCADA
1.1 Cấu trúc hệ thống

1

1.1.1 Các chức năng hệ thống

1

1.1.2 Mô hình phân cấp chức năng

2

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát

2

1.1.4 Cấu trúc vào/ra

3

1.1.4.1 Vào/ra tập trung

3

1.1.4.2 Vào/ra phân tán với bus trường

4

1.1.4.3 Vào/ra trực tiếp với bus trường

5

1.1.5 Cấu trúc điều khiển

6

1.1.5.1 Điều khiển song song

6

1.1.5.2 Điều khiển tập trung

7

1.1.5.3 Điều khiển phân tán

7

1.2 Hệ thống SCADA

8

1.2.1 Khái niệm chung

8

1.2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA

9

1.2.3 Chức năng hệ thống SCADA

10

1.2.4 Đặc điểm hệ thống SCADA

11

1.2.5 Ưu nhược điểm hệ thống SCADA

12

CHƯƠNG 2: Mạng truyền thông công nghiệp điển hình của SIEMENS
2.1 Mô hình hệ thống mở OSI

13

2.2 Truyền thông công nghiệp với Industrial Ethernet

14

4


2.2.1 Khái niệm Industrial Ethernet

14

2.2.2 Industrial Ethernet trong mô hình quy chiếu OSI

14

2.2.2.1 Lớp 1

15

2.2.2.2 Phương pháp truy nhập bus

16

2.2.2.3 Giao thức vận chuyển (lớp 4)

17

2.2.3 Các dịch vụ cung cấp cho mạng

18

2.2.3.1 Các dịch vụ FTP

19

2.2.3.2 Các dịch vụ E-mail

20

2.2.3.3 Các dịch vụ SNMP

21

2.2.3.4 Các dịch vụ OPC

22

2.2.3.5 Các dịch vụ TCP

23

2.2.3.6 Dịch vụ vận chuyển ISO

24

2.2.3.7 Dịch vụ UDP

25

2.2.3.8 Dịch vụ truyền thông với PG/OP

25

2.2.3.9 Dịch vụ truyền thông S7

26

2.3 Truyền thông công nghiệp với PROFIBUS

27

2.3.1 Khái niệm PROFIBUS

27

2.3.2 PROFIBUS trong mô hình quy chiếu OSI

27

2.3.2.1 Lớp 1

28

2.3.2.2 Lớp 2

29

2.3.2.3 Lớp 3 tới lớp 7

29

2.3.2.4 Phương pháp truy nhập bus

30

2.3.3 Các dịch vụ cung cấp cho mạng

31

2.3.3.1 Dịch vụ Profibus DP

31

2.3.3.2 Dịch vụ Profibus PA

33

2.3.3.3 Dịch vụ Profibus FMS

35

2.3.3.4 Dịch vụ truyền thông PROFIBUS FDL

35

2.3.3.5 PROFIdrive

36

2.3.3.6 PROFIsafe

36

5


2.3.3.7 Dịch vụ truyền thông với PG/OP

38

2.3.3.8 Giao thức S7 cho PROFIBUS

38

CHƯƠNG 3: Xây dựng hệ thống SCADA cho hệ thống FMS
3.1 Tổng quan hệ thống FMS

41

3.1.1.1 Trạm Distribution

42

3.1.1.2 Trạm Testing

43

3.1.1.3 Trạm Handing 1 và Handing 2

44

3.1.1.4 Trạm Processing

45

3.1.1.5 Trạm Sorting

46

3.2 Thiết lập cấu hình phần cứng và lập trình PLC
3.2.1 Mô tả chức năng các module PLC

47
47

3.2.1.1 Module CPU313C-2DP (6ES7 313-6CE00-0AB0)

48

3.2.1.2 Module CP343-1IT (6GK7 343-1GX11-0XE0)

49

3.2.1.3 Modul ET200M (153-1AA03-0XB0)

52

3.2.1.4 Card CP5611A2 (6GK1561-1AA01)

53

3.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng

55

3.2.2.1 Thiết lập cấu hình phần cứng cho cấp trường

55

3.2.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng cho cấp điều khiển

59

3.2.3 Lập trình PLC cho trạm Handing

72

3.2.3.1 Bảng địa chỉ

72

3.2.3.2 Lưu đồ điều khiển

72

3.2.3.3 Chương trình PLC

74

3.3 Thiết lập cấu hình và lập trình Wincc

74

3.3.1 Thiết lập cấu hình

74

3.3.2 Lập trình Wincc cho trạm Handing

77

3.3.3 Kết quả mô phỏng và thực tế

80

CHƯƠNG 4: Giám sát cảnh báo
4.1 Yêu cầu giám sát cảnh báo

87

4.2 Tạo cảnh báo bằng dòng text

87

6


4.2.1 Lập trình wincc

87

4.2.2 Kết quả mô phỏng

88

4.3 Tạo cảnh báo gửi tin nhắn SMS đến điện thoại di động

91

4.3.1 Cài đặt dịch vụ imail cho điện thoại di động

91

4.3.2 Cài đặt phần mền mail server

91

4.3.3 Lập trình wincc

94

4.3.4 Kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế

96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1-1 Các chức năng hệ thống

1

Hình 1-2 Mô hình phân cấp chức năng

2

Hình 1-3 Cấu trúc hệ điều khiển giám sát

3

Hình 1-4 Cấu trúc vào/ra tập trung

4

Hình 1-5 Cấu trúc vào/ra phân tán

5

Hình 1-6 Cấu trúc vào/ra trực tiếp với bus trường

5

Hình 1-7 Cấu trúc điều khiển song song

6

Hình 1-8 Cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng bus trường

7

Hình 1-9 Cấu trúc điều khiển phân tán

8

Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA

10

Hình 2-1 Mô hình hệ thống mở OSI

13

Hình 2-2 Industrial Ethernet trong mô hình quy chiếu OSI

14

Hình 2-3 Lưu đồ phương pháp truy nhập Bus CSMA/CD

16

Hình 2-4 Khung dữ liệu trong IEEE 802.3

17

Hình 2-5 Các sản phẩm SIMATIC cho kết nối OPC

23

Hình 2-6 Kết nối các sản phẩm cho dịch vụ PG/OP communication

25

Hình 2-7 Dịch vụ S7 communication

26

Hình 2-8 PROFIBUS trong mô hình quy chiếu OSI

28

Hình 2-9 Token passing

29

Hình 2-10 Kiểu thiết bị trong PROFIBUS DP

32

Hình 2-11 PROFIBUS PA

33

Hình 2-12 Cấu hình PROFIsafe với PROFINET và PROFIBUS

37

Hình 2-13 Dữ liệu an toàn và dữ liệu chuẩn được truyền qua cùng một

40

đường bus
Hình 3-1 Hệ thống FMS

41

Hình 3-2 Trạm Distribution

42

8


Hình 3-3 Trạm Testing

43

Hình 3-4 Trạm Handing 1 và Handing 2

44

Hình 3-5 Trạm Processing

45

Hình 3-6 Trạm Sorting

47

Hình 3-7 Modul CPU 313C-2DP

48

Hình 3-8 Modul CP343-1IT

49

Hình 3-9 Các đèn hiển thị modul CP343-1IT

50

Hình 3-10 Giao diện ET200M

52

Hình 3-11 Thiết lập địa chỉ ET200M

53

Hình 3-12 Card CP5611 A2

53

Hình 3-13 Kết nối mạng Profibus DP

60

Hình 3-14 Cấu trúc mạng Profibus DP cho hệ thống FMS

66

Hình 3-15 Kết nối mạng Ethernet

66

Hình 3-16 Cấu trúc mạng Ethernet cho hệ thống FMS

72

Hình 3-17 Lưu đồ điều khiển

73

Hình 3-18 Mô phỏng trạm Handing tại vị trí ban đầu

80

Hình 3-19 Trạm Handing tại vị trí ban đầu

81

Hình 3-20 Mô phỏng tay kẹp tại vị trí kẹp phôi

82

Hình 3-21 Tay kẹp tại vị trí kẹp phôi

82

Hình 3-22 Mô phỏng tay kẹp nâng phôi tại vị trí trên

83

Hình 3-23 Tay kẹp nâng phôi tại vị trí trên

83

Hình 3-24 Mô phỏng tay máy chuyển phôi tại vị trí trạm sau

84

Hình 3-25 Tay máy chuyển phôi tại vị trí trạm sau

84

Hình 3-26 Mô phỏng tay kẹp xống tại vị trí nhả phôi

85

Hình 3-27 Tay kẹp xuống tại vị trí nhả phôi

85

Hình 3-28 Mô phỏng tay kẹp lên tại vị trí trên

86

Hình 3-29 Tay kẹp lên tại vị trí trên

86

Hình 4-1 Lỗi kẹt phôi

89

Hình 4-2 Lỗi không đưa được tay máy về trạm sau

89

9


Hình 4-3 Lỗi không nhả được phôi

90

Hình 4-4 Lỗi không đưa tay máy được về trạm trước

90

Hình 4-5 Bảng kết quả lỗi

96

Hình 4-6 Test mail đã được gửi

96

10


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống FMS khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng
Yên được sử dụng để phục vụ cho các môn học chuyên ngành điều khiển & tự động
hóa nhưng vẫn còn hạn chế.
Do yêu cầu nâng cao chất lượng tự động hóa và quản lý điều hành hệ thống
FMS thì mạng SCADA trên nền wincc là một nhu cầu cấp thiết và thực tế cơ sở. Đó
là lý do cho việc lựa chọn đề tài “ Khảo sát, xây dựng hệ SCADA cho hệ thống
FMS Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên”.
2. Lịch sử nghiên cứu
SCADA được ra đời vào những năm 1980 trên cơ sở ứng dụng những kỹ thuật
tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp. Cùng với sự phát triển của
công nghiệp, SCADA ngày càng được thiết kế hiện đại, linh hoạt và có tính năng
mở rộng hơn. SCADA đã thực sự trở thành một phần không thể thiếu được đối với
bất kỳ một ngành công nghiệp tiên tiến nào.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích nghiên cứu của luận văn là xây dựng SCADA trên nền WINCC và ứng

dụng cho dây chuyền FMS ở từng trạm kỹ thuật.
Đối tượng nghiên cứu là hệ SCADA cho dây chuyền FMS.
Phạm vi nghiên cứu là mạng truyền thông công nghiệp, điều khiển và tự động
hóa.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về mạng SCADA, tìm hiểu cấu trúc phần cứng, phần
mềm ,chức năng và nhiệm vụ của hệ SCADA.
Nghiên cứu đặc điểm, ứng dụng một vài mạng truyền thông công nghiệp điển
hình của Siemens là Ethernet và Profibus.
Khảo sát tổng quan hệ thống FMS: tìm hiểu công nghệ, sơ đồ mạch điện, đánh

11


giá thực trạng quản lý điều hành hệ thống FMS.
Nghiên cứu khai thác và sử dụng phần mềm PLC S7-300 và WINCC flexible
2008 của hãng Siemens, làm cơ sở để xây dựng mạng SCADA quản lý hệ thống
FMS.
Xây dựng hệ thống mạng cấp trường, cấp điều khiển sử dụng mạng truyền thông
công nghiệp Profibus DP và Ethernet bằng phần mềm PLC S7-300.
Xây dựng một trung tâm điều khiển để quản lý toàn bộ hệ thống FMS bằng máy
tính thông qua phần mềm giao diện WINCC.
5. Phương pháp nghiên cứu
Từ thực tiễn cơ sở, tác giả phân tích hiện trạng và xây dựng giải pháp thực hiện
để giải quyết vấn đề. Sử dụng phần mềm mô phỏng hỗ trợ và đánh giá kết quả đạt
được. Kiểm nghiệm thực tế và tiến hành hiệu chỉnh nếu cần thiết. Đưa ra kết luận về
tính đúng đắn, ứng dụng thực tiễn và kiến nghị hướng phát triển đề tài.

12

Chương 1
Tổng quan hệ thống SCADA
1.1 Cấu trúc hệ thống
1.1.1 Các chức năng hệ thống
Ngày nay tự động hóa đang ngày càng chiếm ưu thế trong các dây chuyền sản
xuất. Tự động hóa đem lại lợi ích to lớn như năng suất lao động tăng vọt và chất
lượng sản phẩm tốt hơn, ổn định hơn. Để đảm bảo cho một dây chuyền sản xuất
hoạt động theo đúng quy trình công nghệ đã đặt sẵn thì vấn đề tìm hiểu các chức
năng hệ thống là rất quan trọng. Các chức năng hệ thống như hình 1-1:

Hình 1-1 Các chức năng hệ thống
™ Điều khiển cơ sở: Điều chỉnh tự động, điều khiển servo, điều khiển bám,
điều khiển rời rạc, điều khiển trình tự…
™ Điều khiển vận hành giám sát: Giao diện người máy, quản lý dữ liệu quá
trình, lập báo cáo tự động…
™ Điều khiển cao cấp: Điều khiển mẻ, điều khiển chất lượng, điều khiển tối
ưu, tối ưu hóa quá trình…
™ An toàn hệ thống: Khóa liên động, cảnh giới, báo động…

13


1.1.2 Mô hình phân cấp chức năng
Cấu trúc của mô hình phân cấp chức năng gồm có 5 cấp như hình 1-2. Đặc điểm
của mô hình phân cấp chức năng như sau:

Hình 1-2 Mô hình phân cấp chức năng
™ Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc vào lĩnh vực công
nghiệp cụ thể. Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau.

™ Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương
ứng với số cấp nhiều hoặc ít hơn.
™ Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng.
™ Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn và đòi hỏi yêu
cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng.
™ Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi
và xử lý càng lớn hơn.
™ Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị.
1.1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát
Hệ thống điều khiển giám sát là một thành quan trọng của một hệ thống tự động
hóa hiện đại. Điều khiển, giám sát hiểu theo nghĩa hẹp là tạo ra giá trị đặt và hiệu

14


chỉnh các tham số cho các bộ điều khiển tự động phía dưới và theo nghĩa rộng là tất
cả các chức năng điều khiển phía trên điều khiển tự động và có sự giám sát của con
người. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám như hình 1-3:

Hình 1-3 Cấu trúc hệ điều khiển giám sát
™ Hệ thống máy tính điều khiển (MTĐK): Các thiết bị điều khiển như các bộ
điều khiển chuyên dụng, các bộ điều khiển khả trình PLC (Programable
Logic Controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ và máy tính cá nhân cũng như
các phần mền điều khiển tương ứng.
™ Giao diện quá trình: Giao diện giữa máy tính điều khiển với hệ thống kỹ
thuật thông qua các thiết bị đo lường và truyền động.
™ Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người
máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
™ Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm - điểm, bus trường, bus hệ thống.
™ Hệ thống bảo vệ: Các thiết bị bảo vệ và cơ chế thực hiện chức năng an toàn.

1.1.4 Cấu trúc vào/ra
1.1.4.1 Vào/ra tập trung

15


Các cảm biến S (Sensor) và cơ cấu chấp hành A (Actuator) được nối trực tiếp,
điểm - điểm với bộ điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ra I/O (Input/Output) của
nó như hình 1-4. Cấu trúc vào/ra tập trung có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-4 Cấu trúc vào/ra tập trung
™ Công việc nối dây phức tạp, chi phí cho cáp dẫn cao: Số lượng lớn các cáp
nối, cấu trúc phức tạp, công thiết kế và lắp đặt lớn.
™ Kém tin cậy: Phương pháp truyền tín hiệu tương tự giữa các thiết bị trường
và thiết bị điều khiển dễ chụi ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số mà không
có khả năng phát hiện.
™ Kém linh hoạt: Khó mở rộng bởi phải đi lại cáp dẫn, không thể lựa chọn các
module I/O của các hãng khác.
™ Khó chuẩn đoán lỗi: Một mặt lỗi do truyền tín hiệu khó phát hiện ra, mặt
khác lỗi do thiết bị rất khó có thể định vị và đưa ra kết luận chuẩn đoán.
™ Phù hợp với các hệ thống quy mô nhỏ, phạm vi địa lý hẹp, một máy tính điều
khiển, số lượng I/O không lớn.
1.1.4.2 Vào/ra phân tán với bus trường
Bộ điều khiển kết nối với các module I/O bằng bus trường, các module I/O được
đẩy xuống cấp trường gần kề với S và A như hình 1-5. Cấu trúc vào/ra phân tán với
bus trường có ưu và nhược điểm sau:

16

Hình 1-5 Cấu trúc vào/ra phân tán
™ Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển xuống tới các
và/ra phân tán chỉ cần một đường dây duy nhất.
™ Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn.
™ Tăng độ tin cậy của hệ thống: Truyền kỹ thuật số nên hạn chế lỗi và nếu có
lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu
của hệ thống bus.
™ Tăng độ linh hoạt của hệ thống: Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị I/O và
trong thiết kế cấu trúc hệ thống. Khả năng mở rộng hệ thống dẽ dàng hơn.
™ Vào ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần thiết bị hiện trường.
1.1.4.3 Vào/ra trực tiếp với bus trường
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 I/O như hình 1-6. Cấu trúc vào/ra trực
tiếp với bus trường có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-6 Cấu trúc vào/ra trực tiếp với bus trường

17


™ Cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt.
™ Giảm chi phí cáp truyền, các khối vào/ra và các phụ kiện khác.
™ Giảm kích thước tủ điều khiển.
™ Đưa vào vận hành và khả năng chuẩn đoán các thiết bị trường qua mạng một
cách dẽ dàng.
™ Khả năng tích hợp các chức năng điều khiển tự động xuống các thiết bị
trường.
1.1.5 Cấu trúc điều khiển
1.1.5.1 Điều khiển song song
Các kênh điều khiển được truyền song song từ đầu đến cuối và làm việc hoàn

toàn độc lập như hình 1-7. Cấu trúc điều khiển này có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-7 Cấu trúc điều khiển song song
™ Đây là cấu trúc cổ điển nhất. Thường được sử dụng cho các hệ thống có qui
mô vừa và nhỏ, tiêu biểu trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp đặt.
™ Các thiết bị điều khiển được đặt tại hiện trường.
™ Có thể sử dụng kết hợp cấu trúc vào/ra tập trung hoặc trực tiếp bus trường.
™ Các máy tính điều khiển làm việc hoàn toàn độc lập nên độ tin cậy cao.
™ Hoàn toàn không có sự phối hợp giữa chúng để cùng chia sẻ giải quyết cùng
một nhiệm vụ.
™ Một số môi trường công nghiệp không cho phép lắp đặt các thiết bị điều
khiển hiện trường.

18


1.1.5.2 Điều khiển tập trung
Một bộ điều khiển được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật. Trong
công nghiệp, nó thường được đặt ở phòng điều khiển trung tâm như hình 1-8. Cấu
trúc điều khiển này có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-8 Cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng bus trường
™ Độ tin cậy thấp: Tập chung chức năng điều khiển và xử lý thông tin tại một
máy tính duy nhất.
™ Độ linh hoạt thấp: Mở rộng cũng như thay đổi một phần trong hệ thống đòi
hỏi phải dừng toàn bộ hệ thống.
™ Hiệu năng kém: Toàn bộ thông tin đều phải đưa về trung tâm, chậm chễ do
thời gian truyền dẫn và xử lý tập chung.
™ Chỉ phù hợp với ứng dụng quy mô nhỏ.
1.1.5.3 Điều khiển phân tán

Một dây chuyền sản xuất được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể bố trí
cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu
trúc điều khiển trung tâm và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển
mỗi phân đoạn bằng một hay nhiều máy tính cục bộ. Các máy tính điều khiển cục
bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, ở vị trí
không xa với quá trình kỹ thuật. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì
vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy

19


tính điều khiển. Trong nhiều trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng
với nhau và với một hay nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ
thống như hình 1-9. Cấu trúc điều khiển này có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-9 Cấu trúc điều khiển phân tán
™ Phân chia chức năng điều khiển xuống các máy tính điều khiển tại các trạm
cục bộ (ở vị trí không xa so với quá trình kỹ thuật).
™ Điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển có thể diễn ra trực tiếp
hoặc thông qua các máy tính giám sát trung tâm.
™ Độ linh hoạt cao hẳn so với cấu trúc tập trung.
™ Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự
phân tán chức năng xuống các cấp dưới.
™ Mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống.
1.2 Hệ thống SCADA
1.2.1 Khái niệm chung
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống tự động điều
khiển giám sát và thu thập quản lý số liệu. Các hệ SCADA được thực hiện trên sự
phát triển ứng dụng máy tính, vi điều khiển vào điều khiển và truyền tin, kết hợp
với kỹ thuật đo lường và các S thông minh trong công nghiệp.

20


SCADA là một công cụ tự động hóa trong công nghiệp dùng kỹ thuật vi
tính PLC- RTU (Remote Terminal Unit) để trợ giúp việc điều hành kỹ thuật ở
cấp trực ban của sản xuất công nghiệp từ cấp phân xưởng, xí nghiệp cho tới cấp
cao nhất của công ty.
Hệ thống SCADA có thể có những thành phần sau:
™ Giao diện người-máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác ).
™ Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp.
™ Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (Driver cho các PLC, các modul
I/O, các hệ thống Bus trường).
™ Cơ sở dữ liệu quá trình.
™ Các công nghệ hổ trợ trao đổi tin tức (Messaging), quản lý sự cố
(Alarm), hổ trợ và lập báo cáo (Reporting).
Hệ thống SCADA có thể thực hiện các công việc sau:
™ Giám sát và phân tích hoạt động của hệ thống.
™ Quản lý quá trình sản xuất.
™ Giám sát lỗi để đảm bảo chất lượng sản xuất của hệ thống.
1.2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA
Từ 1986 khi các PLC xuất hiện thì lập tức được ứng dụng để chế tạo các hệ
thống SCADA. Từ đối tượng các S thu thập các tín hiệu đo đưa vào các module
I/O để vào PLC, các PLC có nhiệm vụ xử lý sơ bộ thông tin đo sau đó truyền
lên máy tính chủ thông qua hệ thống Profibus và từ máy tính chủ thông tin lại
được truyền về A như hình 1-10.
Để thực hiện nhiệm vụ điều khiển các đối tượng công nghiệp, ở trung tâm bố trí
hai máy tính dự phòng cho nhau đều được nối với Profibus. Việc truyền thông
tin được thực hiện bằng chuẩn RS485, giữa các máy tính là RS232. Hệ thống
được thiết kế sao cho từ máy tính chủ người vận hành có thể can thiệp đến bất kỳ

điểm nào trên hiện trường.

21


Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA
1.2.3 Chức năng hệ thống SCADA
Hệ SCADA là hệ thống điều khiển tập trung, trong đó chức năng chính là
thu thập dữ liệu và giám sát, chỉ thực hiện một phần chức năng điều khiển. Thu
thập từ xa các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở dữ
liệu. Dùng các cơ sở dữ liệu đó để cung cấp những dịch vụ điều khiển - giám sát
sản xuất. Chức năng hệ thống SCADA gồm có:
™ Hiện thị báo cáo tổng kết và quá trình sản xuất.
™ Điều khiển từ xa quá trình sản xuất.
™ Thực hiện các dịch vụ truyền số liệu trong hệ và ra ngoài.
™ Khả năng phát triển Driver cho các phần cứng: Thông thường các nhà
cung cấp công cụ phát triển hệ SCADA đều đã xây dựng sẵn các Driver
cho các PLC thông dụng.

22


Nghĩa là hệ SCADA đảm nhận hầu hết các chức năng cơ bản của một hệ
thống thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp đó là: Chức năng đo
lường, hiển thị, lưu giữ số liệu đo; chức năng kiểm tra tự động, giám sát; chức
năng nhận dạng phân loại sản phẩm ; chức năng chẩn đoán kỹ thuật; chức năng
điều khiển quá trình.
Ngoài ra hệ còn có thể truyền số liệu ra ngoài thông qua Ethenet.
Về chức năng dự phòng chỉ có các máy chủ được dự phòng còn các PLC,
module I/O đều không có dự phòng do đó mà giảm độ tin cậy của hệ thống.

1.2.4 Đặc điểm hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA cho phép biểu diễn hệ thống thực hiên trên máy tính để quan
sát trạng thái hiện thời và ghi lại các thông tin về hoạt động của hệ thống, nhờ đó
mà người vận hành có thể xác định được vị trí xảy ra sự cố. Không những thế các
hệ SCADA hiện đại còn có khả năng chẩn đoán sự cố và có cách khắc phục trên
cơ sở các số liệu thu thập được. Hệ thống SCADA có một số đặc điểm sau:
Thu thập dữ liệu: Công nghệ SCADA cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều
thiết bị khác nhau từ xa và đưa một số lệnh điều khiển cho các thiết bị từ xa đó.
Về giao thức: Hệ SCADA là hệ điều khiển giám sát có giao thức truyền
thông mở, Modbus hoặc tự định nghĩa giao thức truyền thông với các PLC.
Tính linh hoạt: Hệ SCADA là một hệ thống có độ linh hoạt cao. Cho phép
kết nối nhiều server với các bộ điều khiển khác nhau mỗi Data server có thể có
một cấu trúc cơ sở dữ liệu khác nhau và có nhiệm vụ giám sát với một số biến
nhất định.
Khả năng dự phòng: Do nhiệm vụ chính của SCADA không phải là điều
khiển toàn hệ thống mà chỉ tập trung giám sát, nên yêu cầu về khả năng dự
phòng là không cao, thông thường chỉ có dự phòng ở cấp trên cùng - máy tính chủ
PC (Personal Computer).
Hiển thị cảnh báo: Hiển thị các giá trị, tín hiệu cảnh báo, báo động. đây
chính là tín hiệu về giá trị giới hạn và các trạng thái của thiết bị.

23


Cấu trúc điều khiển: Đặc điểm nổi bật nhất của hệ thống SCADA là hệ
thống tập trung, vì vậy khả năng quản lý hệ thống lớn là rất hạn chế, chỉ phù
hợp với các đối tượng vừa và nhỏ trong công nghiệp.
1.2.5 Ưu nhược điểm hệ thông SCADA
Từ đặc điểm và chức năng hệ thống SCADA , ta thấy hệ thống SCADA có các
ưu điểm sau:

™ Cấu trúc phần cứng của hệ SCADA đơn giản, giá thành rẻ.
™ Các thiết bị phần cứng có thể được cung cấp từ nhiều nhà cung cấp khác
nhau.
™ Có thể vận hành hệ thống từ máy điều khiển trung tâm.
™ Quản lý được hệ thống vừa và nhỏ (nhỏ hơn 100 điểm).
™ Sử dụng các S thông minh trong công nghiệp.
Từ đặc điểm và chức năng hệ thống SCADA, ta thấy hệ thống SCADA có các
nhược điểm sau:
™ Hệ SCADA là hệ thống tập trung nên không quản lý được những hệ
thống lớn, phức tạp vì quá tải.
™ Không có phần mềm chuyên dụng phục vụ cho dự phòng.
™ Khả năng cho phép mở rộng các điểm đo và điều khiển là rất khó khăn.
™ Tính ổn định của hệ thống không cao.
™ Chỉ quản lý được những hệ thống nhỏ (dưới 100 điểm đo).

24


Chương 2
Mạng truyền thông công nghiệp điển hình của
SIEMENS
2.1 Mô hình hệ thống mở OSI
Năm 1978, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Organization for
Standardization) định nghĩa một hệ thống mở OSI (Open System Interconnection)
phải theo tiêu chuẩn bao gồm 7 lớp và có thể thay thế các thiết bị của các hãng sản
xuất khác nhau. Mô hình hệ thống mở như hình 2-1 dưới đây:

Hình 2-1 Mô hình hệ thống mở OSI
™

Lớp ứng dụng (Applycation): Truyền file, trao đổi bản tin.

™

Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation): Chuyển đổi cú pháp các dữ liệu được
truyền trên OSI.

™

Lớp kiểm soát nối (Session): Tổ chức và đồng bộ dữ liệu trao đổi (cung cấp
quản lý thông tin giữa các ứng dụng, thiết lập, duy trì, đồng bộ hóa, hủy bỏ
phiên truyền thông giữa các ứng dụng).

™

Lớp vận chuyển (Transport): Thực hiện việc truyền giữa hai đầu sử dụng,
thực hiện việc phát hiện, sửa lỗi, ghép và tách kênh).

™

Lớp mạng (Network): Tối ưu hóa việc truyền một bản tin từ mạng này sang

25