Thiết kế hệ SCADA sử dụng vi diều khiển PIC

Thiết kế hệ SCADA sử dụng vi diều
khiển PIC
TS. Nguyễn Đức Khoát
SV: Đỗ Văn Dương
Đại học: Mỏ - Địa Chất
Tóm tắt:
Ngày nay, công nghệ vi xử lý đã có những bước phát triển mạnh mẽ trở
thành công cụ không thể thay thế trong thiết kế hệ thống điều khiển tự động.
Hệ điều khiển sử dụng vi xử lý có mức độ tích hợp cao và hoạt động với độ
chính xác hoàn hảo do các giải pháp điều khiển, luật điều khiển được xây
d
ựng thông qua phần mềm hệ thống. Chính vì vậy, bài báo này đề cập đến
một ứng dụng cụ thể mang lại hiệu quả trong thực tế với công cụ vi xử lý đó
là thiết kế hệ SCADA sử dụng họ vi điều khiển PIC.
1. Đặt vấn đề
2.
Đứng trước yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở
nước ta, việc áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật v
ào trong sản
xuất và đời sống đang là một yêu cầu tất yếu. Sử dụng hệ SCADA
trong các dây chuyền công nghiệp là một trong những ứng dụng như
vậy.
Hình 1.1 Khối vào ra số
Trên thực tế, các dây chuyền công nghiệp ở nước ta thường sử dụng hệ
SCADA được thiết kế bởi các h
ãng nước ngoài có giá thành rất cao nhưng
lại khó khăn trong việc sửa chữa và nâng cấp. Vì vậy, tác giả đã có ý tưởng
xây dựng một hệ SCADA sử dụng vi điều khiển có tính năng tương đương
với các sản phẩm của nước ngoài và khắc phục được những hạn chế đã nêu
trên.
Trong h

ệ SCADA, khối máy chủ trung tâm là hệ thống máy tính công
nghi
ệp có cấu hình mạnh sử dụng để hiển thị và trao đổi thông tin với khối
RTU. Trên thực tế, với sự phổ biến của máy tính, người thiết kế chỉ cần lựa
chọn một cấu hình máy chủ cho phù hợp với hệ thống của mình. Vì vậy, bài
báo ch
ỉ trình bày quá trình thiết kế khối điều khiển và thu thập dữ liệu (RTU
), giao diện người máy (HMI) và phần mềm hệ thống trong hệ SCADA.
2. Thiết kế khối RTU
Với một hệ SCADA, khối RTU thường được thiết kế bằng bộ điều khiển
khả trình PLC. Điểm mạnh của PLC là tính chuẩn hóa trong công nghiệp, và
độ ổn định cao nhưng vẫn còn nhiều hạn chế là giá thanh cao, các công cụ
hổ trợ độc quyền của nhà sản xuất. Với những ứng dụng vừa và nhỏ, một
mạch điện được thiết kế sử dụng vi điều khiển hoàn toàn thay thế được chức
năng của PLC trong hệ SCADA. Qua tìm hiểu, vi điều khiển PIC16F877A
được lựa chọn để thiết
kế khối RTU.
Khối RTU được chia
thành các module:
- Module vào ra s
ố.
- Module vào ra
tương tự.
- Module hiển thị.
- Module giao tiếp
máy tính.
Trong đó, module nhận tín hiệu tương tự sử dụng chính 9 kênh chuyển đổi
ADC có độ phân giải 10 bit được tích hợp bên trong vi điều khiển.
2.1 Thiết kế mạch 16 đầu vào và 16 đầu ra số
Trong một hệ SCADA, lượng đầu vào là các tín hiệu số thường là rất nhiều.

Để hệ thống có thể nhận được các tín hiệu n
ày trong khối RTU đã tích hợp
module nhận dữ liệu chuyên năng hoạt động theo nguyên lý dồn kênh. Mạch
được thiết kế phải thỏa m
ãn tính năng và tác dụng như các chân vào của
PLC, tiết kiệm tối đa chân vi điều khiển. Ngược lại, mạch cũng phải tăng số
lượng đầu ra số để đảm báo chức năng như một PLC. Khối v
ào ra số được
thiết kế như hình.
V
ới module mạch mở rộng đầu vào số theo chuẩn công nghiệp 24V có thể
tương thích với tín hiệu ra của các loại cảm biến tr
ên thị trường hoặc nhận
dữ liệu số theo chuẩn 5V từ các bộ chuyển đổi ADC ngoài. Tương tự mạch
đầu ra số có thể giao tiếp với các thiế
t bị điều khiển như biến tần, khởi động
mềm hoặc các máy đóng cắt, cũng như điều khiển hiển thị led 7 thanh hoặc
các thiết bị báo động như một PLC.
2.2 Khối hiển thị
Mạch hiển thị LCD có chức năng hiển thị các thông số đo lường và các chỉ
thị trạng thái làm việc của hệ thống.
Hình 1.2 mạch hiể thị LCD
2.3 Module giao tiếp giữu máy tính và khối RTU
Với CPU của khối RTU là PIC16F877A, có tích hợp các cổng truyền thông
nối tiếp USART theo chuẩn RS232. USART (Universal Synchronous
Asynchronous Reciver Transmitter) là một trong hai chuẩn giao tiếp nối
tiếp. USART còn được gọi là giao diện nối tiếp SCI (Serial Comunication
Interface). Có thể dùng giao diện này để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi,
với các vi điều khiển hay với máy tính.
Trên các máy tính công nghiệp, chuẩn RS232 được tích hợp trên cổng COM.

Tuy nhiên để giao tiếp được giữa máy tính v
à khối RTU cần có một mạch
điện đồng bộ điện áp hoặc cách
ly về điện.
V
ới một hệ SCADA, chức năng quan trọng nhất chính là giám sát. Bởi vậy
xây dựng một thuật toán phù hợp sẽ nâng cao chất lượng của hệ thống.
Khối RTU được xây dựng bằng hệ vi xử lý 8 bit tuy nhiên với những dữ liệu
có độ d
ài lớn hơn một byte vi điều khiển hoàn toàn có thể truyền nhận và xử
lý chính xác. Thuật toán đơn giản chỉ là tách các chuỗi lý tự thành các ký tự
riêng rẽ và truyền theo chuẩn mã ASCII.
Hình 1.3 Mạch giao tiếp giữa khối RTU và máy tính
2.4 Thiết kế giao diện HMI
Với những công cụ truyền thông hoàn chỉnh, giao diện người máy của hệ
được thiết kế bằng ngôn ngữ lập tr
ình Visual Basic(VB), Visual C++.
Giao di
ện có chức năng trao đổi dữ liệu với khối RTU theo chuẩn truyền
thông RS232, hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống và các số liệu đo
được từ hiện trường. Giao diện có có vai tr
ò phân biệt và lưu thông tin của
sự cố vào cơ sở dữ liệu. Hiển thị trạng thái thông qua giao diện đồ họa.
Ngoài ra giao diện viết bằng ngôn ngữ VB có thể thực hiện chức năng cảnh