Ứng dụng mạng internet vào hệ thống điều khiển giám sát kho chứa lpg trên nền simaticnet

Bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
--------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

ứng dụng mạng internet vào hệ thống điều khiển
giám sát kho chứa LPG trên nền simaticnet

ngành: tự động hóa

Phan đình Hiếu

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Khang

Hà Nội - 2008


LỜI CAM ĐOAN

Thiết kế luận văn này do tôi tự thực hiện bằng chính khả năng
của mình. Ngồi các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối bản luận văn,
tôi đảm bảo khơng sao chép các cơng 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

Phan Đình Hiếu

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ……………………………………………………………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 giám sát……………………………..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. Mơ hình phân cấp chức năng………………………………….19
1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển……………………………...21
1.4.4. Phân loại các hệ thống điều khiển ……………………………23
1.4.5. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp……………………25
Chương 2: Cơ sở lý thuyết truyền thông…………………………………..28
2.1 Chế độ chuyền tải …………………………………………………...28
2.1.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp …………………...28
2.1.2

Truyền đồng bộ và không đồng bộ ………………………….29

2.1.3

Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn ……….29

2.1.4

Truyền tải dải cơ sở dải mang và giải rộng …………………30

2.2 Các thành phần của mạng…………………………………………….31


2.2.1. Đường truyền vật lý …………………………………………...31
2.2.2. Cấu trúc mạng…………………………………………………32
2.2.3. Giao thức mạng ……………………………………………….36
2.2.4. Phân loại mạng ………………………………………………..38
2.3 Các phương pháp truy cập mạng ……………………………………..39
2.3.1 CSMD/CD ……………………………………………………..39
2.3.2

Master/Slave…………………………………………………..40

2.3.3

Token passing…………………………………………………40

2.4 Kết nối mạng…………………………………………………………..42
2.4.1 Phương tiện kết nối …………………………………………….42
2.4.2 Thiết bị liên kết mạng…………………………………………..43
2.5 Mạng truyền thông công nghiệp của siemens………………………....45
2.5.1 Mạng nhiều điểm (MPI)………………………………………...45
2.5.2

Mạng profibus………………………………………………...46

2.5.3

Mạng công nghiệp ( Industrial Ethernet )…………………….51

2.5.4

Mạng giao diện điểm tới điểm ( PPI)………………………....51

2.5.5

Mạng cảm biến cơ cấu chấp hành ……………………………53

2.5.6

Mạng SINEC L2……………………………………………...55

Chương 3 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG………………….57
3.1 Hệ thống quản lý kho cảng LPG ……………………………………...57
3.1.1 Giới thiệu tổng quan về LPG …………………………………..57
3.1.2

Cấu trúc tự động hóa kho cảng LPG…………………………..58

3.1.3

Qui trình hoạt động của kho chứa LPG………………………..61

3.2 Các yêu cầu về hệ thống tự động điều khiển giám sát LPG...................64
3.2.1 Yêu cầu chung…………………………………………………..64
3.2.2

Yêu cầu về hệ thống đo lường………………………………..64

3.2.3

u cầu bài tốn cơng nghệ xuất nhập LPG…………………66

3.2.4

Yêu cầu hệ thống điều khiển giám sát xuất nhập LPG………66

3.2.5

Yêu cầu hệ thống đóng mở van an tồn khi có sự cố ……….67


3.2.6

Tủ điều khiển trung tâm……………………………………...67

3.2 Một số hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG…………………68
3.3.1 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng của hãng Varec……….68
3.3.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển hãng SAAB tank……...71
Chương 4 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG……..76
4.1 Phân tích lựa chọn giải pháp hãng siemens…………………………....76
4.1.1 Giới thiệu hãng sản xuất tự động hóa Siemens………………...76
4.1.2

Phân tích lựa chọn giải pháp và thiết bị hãng siemens…………77

4.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển giám sát kho chứa LPG………………..79
4.2.1. Các thành phần hệ thống……………………………………… 79
4.2.2. Thiết lập cấu hình hệ thống sử dụng phần mềm Step7 ………...91
4.3 Xây dựng phần mềm………………………………………………….. 96
4.3.1 u cầu cơng nghệ q trình điều khiển xuất nhập……………..96
4.3.2 Yêu cầu về giám sát hệ thống LPG……………………………...98
4.4 Xây dựng giao diện mô phỏng hệ thống LPG………………………....99
4.4.1 Phần mềm mơ phỏng PLCsim…………………………………...99
4.4.2 Mơ tả hoạt động chương trình điều khiển giám sát……………...99
Chương 5 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet…..105
5.4 Đặt vấn đề ……………………………………………………………..105
5.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển qua mạng internet……………….108
5.2.1 Giao thức mạng internet………………………………………...108
5.2.2

Mơ hình phân lớp địa chỉ internet……………………………...110

5.2.3

Kiến trúc mạng internet………………………………………...110

5.2.4

Định tuyến trong mạng internet………………………………...111

5.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng……………………...113
5.4 Thiết lập chương trình điều khiển giám sát qua mạng internet………..114

KẾT LUẬN …………………………………………………………………....120
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………...121
PHỤ LỤC………………………………………………………………………122


Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt
ADSL
ASI
ATM
BMS
CP
CSMA/CD
DCS
ESD
FBM
FCU
IP
LAN
LLC
LPG
MAC
MAN
MPI
MST
OPC
OSI
PID
PLC
PPI
QCS

RDU
RTU
SCADA
STP
UHF
UTP
VHF
WAN

Asymetric Digital Subscriber line
Actual sensor interface
Asynchronous Transfer Mode
Building managerment system
Comunication process
Carrier Sence Multiple Access/ Collision Detection
Distributed control System
Emergency shutdown
Field bus modem
Field communication unit
Internet protocol
Local area network
Logical link control
Liquidfied petrol gas
Media Access Address
Metropolitan Area Network
Multiple point interface
Multiple spot temperature
OLE process control
Open System Interconnection
Proportion intergrate derivative

Programble logic control
Point to point interface
Quality control system
Remote display unit
Remote terminal unit
Supervisory
Shield twist pair
High frequency
Unshied twist pair
Very high frequency
Wide area network


Danh mục các bảng
Bảng 2.1: Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS……………………………49
Bảng 2.2: Dữ liệu kỹ thuật của IE……………………………………………52
Bảng 2.3: Dữ liệu kỹ thuật của các bộ điều khiển……………………………53

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 vịng………………………………………......34
Hình 2.4: Cấu trúc mạng hình cây………………………………………….....35
Hình 2.5: Cấu trúc hình sao…………………………………………………...35
Hình 2.6: Mơ hình OSI 7 lớp…………………………………………………37
Hình 2.7: Các phương pháp truy nhập đường truyền………………………....39

Hình 2.8 : MPI Subnetwork……………………………………………………….....45

Hình 2.9: Phương pháp truy nhập đường dẫn…………………………….......47
Hình2.10: Kết nối điểm tới điểm……………………………………………..53
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa…………………………….....59
Hình 3.2: Sơ đồ P&ID hệ thống……………………………………………....63
Hình 3.3: Giải pháp hệ thống điều khiển giám sát của Varec………………..68
Hình 3.4: Giải pháp hệ thống đo bồn chứa của SAAB TANK…………….....71
Hình 4.1: CPU 315-2PN/DP……………………………………………….....81
Hình 4.2: Module đầu vào tương tự………………………………………….82
Hình 4.3: Module đầu ra số…………………………………………………..82
Hình 4.4: Switch chuyển mạch……………………………………………….83
Hình 4.5: Thiết bị đo mức bằng Radar……………………………………….84


Hình 4.6: Cấu trúc bộ transmitter radar……………………………………....85
Hình 4.7: Thiết bị đo nhiệt độ………………………………………………...86
Hình 4.8: Bộ hiển thị tại chỗ…………………………………………………87
Hình 4.9: Thiết bị đo khối lượng massflow………………………………….88
Hình 4.10: Sensor đo khối lượng massflow………………………………….89
Hình 4.11: Van điều khiển xuất nhập………………………………………...90
Hình 4.12: Khởi tạo chương trình step7……………………………………...92
Hình 4.13: Cấu hình trạm điều khiển PLC…………………………………...93
Hình 4.14: Cấu hình thiết bị đo Radar………………………………………..94
Hình 4.15: Cấu hình thiết bị đo Massflow……………………………………95
Hình 4.16: Cấu hình mạng Ethernet……………………………………….....96
Hình 4.17: Lưu đồ thuật tốn nhập LPG……………………………………...97
Hình 4.18: Lưu đồ thuật tốn xuất LPG……………………………………....98
Hình 4.19: Mơ hình PLCsim mơ phỏng hệ thống………………………….....99
Hình 4.20: Trang giao diện tổng quan hệ thống……………………………..100

Hình 4.21:Mơ tả xuất LPG tự động…………………………………………100
Hình 4.22: Trang giao diện khu cầu cảng……………………………………101
Hình 4.23: Đồ thị trends và cảnh báo khu cầu cảng…………………………102
Hình 4.24: Chế độ xuất nhập thủ cơng………………………………………102
Hình 4.25: Trang giao diện khu bồn 1……………………………………….103
Hình 4.26: Trang giao diện khu bồn 2……………………………………….103
Hình 4.27: Trang giao diện khu họng xuất…………………………………..104
Hình 4.28: Đồ thị trends và cảnh báo khu họng xuất………………………...104
Hình 5.1: Biểu diễn liên kết hai mạng………………………………………..111
Hình 5.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng………………….113
Hình 5.3: Cấu hình Webnavigator…………………………………………....115
Hình 5.4: Xây dựng các trang đồ họa qua web……………………………….116
Hình 5.5: Mơ hình liên kết IIS………………………………………………..117
Hình 5.6: Giao diện SCADA tổng quan qua web…………………………....117


Hình 5.7: Giao diện SCADA khu cầu cảng qua web………………………...118
Hình 5.8: Giao diện SCADA khu bồn chứa qua web………………………..118
Hình 5.9: Giao diện SCADA khu họng xuất qua web……………………….119


LỜI NĨI ĐẦU
Sự phát triển và kết hợp hồn 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 hố nói chung, hệ SCADA chiếm vị trí
đặc biệt quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển ưu việt các q trình
cơng 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 các hãng
tự động hoá trên 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,
hố 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 t mà cịn có khả năng
chẩn đốn 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 đã luôn động viên, chỉ bảo và hướng dẫn tận
tình để em hồn thành đồ án tốt nghiệp.
Xin cảm ơn cơng 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

Phan Đình Hiếu


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 mơ lớn, giữ vai trị
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 các
khâu của quá trình sản xuất. Các hệ thống điều khiển, cơng 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 đã có những bước phát vượt bậc.
Cơng 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 tốn và chuẩn đốn lỗi và vừa có chức năng
truyền thơng 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 khơng chỉ thực hiện chức năng giám sát và thu thập dữ liệu mà cịn 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 các vùng 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 nơng nghiệp mức
độ tự động hóa khơng 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 cơng 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 thơng, điện lực đều đã
ứng dụng các công nghệ hiện đại. Tuy nhiên các hệ thống đó thường là đồng bộ, nhập
hồn tồn từ nước ngồi. Đội ngũ kĩ sư tích hợp hệ thống vừa thiếu và chưa có đủ kinh
nghiệm vì vậy chủ yếu là phải thuê các chuyên gia nước ngồi 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, dịng

điện, cơng 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 thơng 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, các dây 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 tịa nhà thông minh ( BMS) các

thiết bị camera, chống trộm, báo cháy, cửa thơng minh, kiểm sốt 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 thơng số liên quan q 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).
Hồn thành viết chương trình điều khiển theo bài tốn cơng nghệ và

-

chương trình mơ 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 mơ

-

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 thơng gồm có các chế độ truyền thơng,
cấu trúc mạng truyền thơng, 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
thơng cơng 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 các
hãng 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 dùng các 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. MƠ 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 lồi 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 cơng 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 tốn
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 tồn bộ nhà máy. Đó là xu thế phát triển hiện tại và trong tương lai.


1.4.2. Mơ hình phân cấp chức năng

Quản
lý

Điều hành

Management level
Cell level

Điều khiển

Field level

Chấp hành

Actuator-sensor
level

Hình 1.1: Phân cấp chức năng hệ thống
Một hệ thống tự động hố q trình cơng nghệ nói chung thường được cấu
trúc theo mơ hình phân cấp hình chóp. Theo mơ hình này, các chức năng được phân
thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên . Càng ở những cấp dưới thì các 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 thơng 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 thơng 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.


Cấp điều khiển : Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ
các bộ cảm biến , tự động xử lý các thơng 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) chính vì các 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 khơng địi hỏi phương tiện thiết bị phần cứng đặc
biệt ngồi các máy tính thơng thường (máy tính 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 đó các nhà sản xuất cũng đưa ra kiến trúc các tầng mạng thích
hợp với đặc thù trao đổi thơng tin của từng cấp.


1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển

1.4.3.1. Cấu trúc tp chung

Máy tính ĐK

I/O

Ranh giới phòng
điều khiển

A

S

Phân đoạn
quá trình 1

A

I/0 input/out(vào /ra)
A actuator(chấp hành)
S sensor(cảm biến)

S

Phân đoạn
quá trình 2

A

S

Phân đoạn
quá tr×nh 3

Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung
Tất cả các thiết bị được kết nối với một trung tâm duy nhất. Trung tâm này sẽ là
bộ não duy nhất thực hiện mọi quyền quyết định, phân phối và chỉ huy. Hệ thống có
cấu trúc tập chung có nhược điểm rất lớn đó là số lượng dây 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 não gặp sự cố thì hệ thống sẽ ngưng hoạt động hồn tồn.
Hệ thống có cấu trúc tập chung chỉ phù hợp đối với các hệ thống nhỏ, số lượng đối
tượng I/O ít và q trình cơng nghệ khơng q 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 riêng


cùng được đặt tại phòng điều khiển . Do các q trình con có liên quan hệ quả , nên để
điều khiển q trình tổng hợp cần có sự hợp tác giữa chúng với 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 cịn gọi là điều khiển phân tán.

Máy tính phối hợp
bus xử lý

Máy tính ĐK 1

Máy tính ĐK 2

Máy tính ĐK 3

I/O

I/O

I/O
ranh giới
phịng ĐK

A

S

Phân đoạn
q trình 1

A

S

Phân đoạn
q trình 2

A

S

Phân đoạn

q trình 3

Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền
1.4.3.3. Hệ thống có cấu trúc phân tán
Điểm nổi bật của cấu trúc phân tán là việc phân bố trí tuệ cũng như chức năng
cả chiều rộng và chiều sâu, kết hợp với sử dụng mạng truyền thông thay thế cho bảng
điện và phương pháp nối dây cổ điển. Bên trong hệ thống sử dụng các cụm vào ra tại


chỗ và cơ cấu chấp hành có tích hợp cơng nghệ vi điện tử. Cấu trúc phân tán sẽ khắc
phục nhược điểm là đi dây tốn kém. Phân bố trí tuệ tại từng nơi sẽ giúp cho hệ thống
điều khiển trở lên linh hoạt, khơng phụ thuộc hồn tồn vào một bộ điều khiển nào.
Việc tách phân tán chức năng điều khiển sẽ giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và đưa
bài toán phức tạp trở lên đơn giản. Hệ thống phù hợp với các hệ thống lớn có rất nhiều
I/O, q trình cơng nghệ phức tạp.
Ta có cấu trúc s
Trạm thao
tác(OS)

Trạm kỹ
thuật(ES)

Máy tính
điều khiển

Máy tính
điều khiển

Trung tâm điều
khiển giám sát

Trạm phục
vụ(SS)

Bus xử lý

Bus

Máy tính ĐK

I/O

I/O
A

A

S

A

S

A

Trung tâm
điều khiển

Máy tính
phối hỵp

S

A

S

A

S

S

Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán
1.4.4. Phân loại các hệ thống điều khiển
1.4.4.1. SCADA :
- Trên cơ sở hệ truyền thông mạnh, tốc độ cao, khoảng cách xa trải trên diện
rộng lớn hàng trăm hoặc hàng ngàn km, có các lệnh kết nối qua vệ tinh, máy thu phát
vi ba, cáp quang hoặc ISDN...


- Vídụ: các 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 gịn, 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 cơng nghệ lên đến vài ngàn điểm.
- Khoảng cách gần, max là 10 km

- Truyền tin trên các đường truyền mạng, giao thức công nghiệp
- Có tính thời thực cao cho điều khiển và bảo vệ
- Hệ thống thực hiện điều khiển q trình cơng nghệ phức tạp. Các bài tốn
điều khiển q trình. Các hệ DCS thường đi đồng bộ của các hãng. Được ứng dụng
rộng rãi 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 ơtơ 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 hãng 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 thơng. 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 cơng nghệ chế tạo (tự động hố các dây truyền sản xuât, gia công, lắp
ráp) hoặc ở một số lĩnh vực khác như tự động hố tồ 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 cơng 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 u 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 miligiây. Trong khi
đó , u cầu lượng thơng 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 thơng tin mang
tính chất định kì, tuần hồn bên cạnh tham số hố các tín hiệu cảnh báo mang tính bất
thường.