Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải diện rộng qua mạng 3g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ÐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ÐỘNG HÓA

ÐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI DIỆN RỘNG QUA MẠNG 3G

GVHD: TRƯƠNG ÐÌNH NHƠN
SVTH : NGUYỄN HỒNG TUẤN
MSSV: 13151122
SVTH : VŨ HUY HẢO
MSSV: 13151140

SKL 0 0 5 3 5 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀ NH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI DIỆN RỘNG QUA MẠNG 3G

SVTH : NGUYỄN HOÀNG TUẤN
SVTH : VŨ HUY HẢO

Khoá : 2013

MSSV: 13151122

MSSV: 13151140

Ngành : KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

Tp. Hồ Chı́ Minh, tháng 7 năm 2017


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
*******

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN HOÀNG TUẤN
Họ và tên Sinh viên: VŨ HUY HẢO

MSSV: 13151122

MSSV: 13151140

Ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa.

Lớp: 13151CLC

Ngày nhận đề tài:

Ngày nộp đề tài:

Giảng viên hướng dẫn: TS.TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

1. Tên đề tài

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Nội dung thực hiện đề tài

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

4. Sản phẩm:..............................................................................................................
TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN HOÀNG TUẤN

MSSV: 13151122

Ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa.

Lớp: 13151CLC

Họ và tên Sinh viên: VŨ HUY HẢO

MSSV: 13151140

Đề tài: “Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải diện rộng qua mạng 3G”.
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS.TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
NHẬN XÉT

1. Nội dung và khối lượng cơng việc thực hiện:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:

.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:

.......................................................................................................................................

4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?:...........................................................................
5. Đánh giá loại: ........................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ:........................................................................)

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Trương Đình Nhơn
ii


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN HOÀNG TUẤN

MSSV: 13151122

Ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa.

Lớp: 13151CLC

Họ và tên Sinh viên: VŨ HUY HẢO

MSSV: 13151140

Đề tài: “Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải diện rộng qua mạng 3G”.
Họ và tên Giáo viên phản biện:
NHẬN XÉT

1. Về nội dung và khối lượng công việc thực hiện:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

4. Đề nghị cho bảo vệ hay khơng?:...........................................................................
5. Đánh giá loại: ........................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ:........................................................................)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017
Giáo viên phản biện

iii


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn:

 Ban giám hiệu nhà trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều
kiện tốt nhất cho sinh viên học tập và nghiên cứu.

 Thầy và thư viện trường đã cung cấp giáo trình và tài liệu tham khảo trong suốt
quá trình học tập của sinh viên.

 Đặc biệt là sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Trương Đình Nhơn

đã giảng dạy, giúp đỡ và phân tích rõ về những vấn đề sinh viên cịn khúc mắc.

Nhóm em đã cố gắng trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài nhưng vì kiến thức

cịn hạn chế khiến bài tiểu luận này không được như ý thầy. Nhóm em rất mong được
sự góp ý, nhận xét đánh giá về nội dung và hình thức trình bày từ thầy để nhóm em có
thể hồn thiện bài tiểu luận hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, Ngày tháng 7 năm 2017
Nhóm thực hiện

iv


TÓM TẮT
Trong những năm gần đây nhu cầu về ứng dụng cơng nghệ thơng tin kết hợp với

tự động hóa trong các hoạt động giám sát điều khiển của các cơ quan, xí nghiệp đang
phát triến rất mạnh. Sự phát triển và kết hợp hồn hảo giữa cơng nghệ thơng tin với

mạng công nghiệp đã mang lại bước đi mới cho các giải pháp tự động hoá, và tạo ra sự

chuyển biến tích cực trong mọi ngành kinh tế quốc dân. Với mục đích tìm hiểu và áp
dụng các kiến thức đã học để kết nối giữa công nghệ thông tin và mạng cơng nghiệp,

nhóm đã thực hiện đề tài “Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải qua mạng
3G”. Đề tài xoay quanh việc làm thế nào để kết nói giữa module 3G và PLC để có thể
điều khiển và theo dõi giám sát từ xa một hệ thống với qui mô diện rộng, tốn kém về

chi phí kéo dây từ nơi này sang nơi khác. Cụ thể nhóm đã sửa dụng đối tượng là hệ
thống xử lý nước thải để áp dụng phương pháp trên. Hệ thống bao gồm đầy đủ các

khâu cơ bản của 1 hệ thống thực tế như: lọc ozone, lọc thô, lắng, khuấy, lọc qua than

hoạt tính và thạch anh. Sử dụng giao diện trên Wincc để điều khiển gửi tín hiệu qua
Module 3G, module 3G được kết nối với PLC qua cổng giao tiếp RS 485, từ đó điều

khiển các thiết bị ngõ ra sao cho phù hợp với yêu cầu của người sử dụng. Đồng thời hệ
thống có thể tự động cấp nước ngược trở về khâu lọc thô đầu tiên nếu nước đầu ra chưa

đạt đủ điều kiện mà người giám sát đặt trước. Nếu đạt đủ điều kiện, nước sẽ được bơm
ra bòn ra chứa nước sạch. Với lợi thế là mạng 3G thì con người sẽ có thể làm việc được
với các thiết bị từ xa vì nhu cầu sử dụng mạng 3G ngày một cao, đó sẽ là một điểm
mạnh để chúng ta có thể phát triển thêm nữa.

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................. I

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN............................................ II
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................ III
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. IV
TÓM TẮT ...................................................................................................................... V

MỤC LỤC .................................................................................................................... VI
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. X
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... XIII

CHƯƠNG 1..................................................................................................................... 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT ............................................ 1

1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ............................................................................................... 2

1.3. NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HIỆN .............................................................. 2

1.4. GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............ 3
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 3
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 3

CHƯƠNG 2..................................................................................................................... 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 4

2.1. TỔNG QUAN VỀ SCADA .................................................................................... 4

2.2. TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG SCADA ............................................................ 5

2.3. MẠNG MODBUS TRONG TỰ ĐỘNG HÓA ..................................................... 7

2.4. PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG 3G ......................................................... 13
vi


2.5. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG THỰC TẾ ................................................................ 14
2.5.1. Tính chất và thành phần nước thải sinh hoạt: ..................................... 14

2.5.2. Nồng độ đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt (NTSH) 14
2.5.3. Thông số nước thải sinh hoạt đầu vào ................................................... 15

2.5.4. Thông số nước thải sinh hoạt đầu ra (theo QCVN 14:2008) ............... 16

2.5.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt ............................ 17
2.5.6. Một số hình ảnh các hệ thống xử lý nước thải thực tế ......................... 18

2.6. TỔNG QUAN VỀ PLC ........................................................................................ 20
CHƯƠNG 3................................................................................................................... 23

TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG ............................................................................... 23

3.1. MƠ TẢ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ ................................................................. 23
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ................................................................................. 24

3.3. LỰA CHỌN PLC CHO HỆ THỐNG ................................................................. 24
3.3.1. Module CPU 1215C ................................................................................. 24
3.3.2. Module nguồn 6EP1333-2BA01 ............................................................. 27
3.3.3. Module analog SM 1231 ......................................................................... 27

3.3.4. Module giao tiếp RS485 CM 1241 ......................................................... 29

3.4. LỰA CHỌN THIẾT BỊ NGÕ VÀO .................................................................... 29
3.4.1. Cảm biến siêu âm SRF06 ........................................................................ 29

3.4.2. Cảm biến nhiệt độ PT100 và transmitter .............................................. 30
3.4.3. Cảm biến độ đục LGZD sensor v1.1 ...................................................... 32

3.4.4. Cảm biến đo độ PH và màn hình hiển thị ............................................. 33

3.5. LỰA CHỌN THIẾT BỊ NGÕ RA ....................................................................... 34
3.5.1. Van điện từ ............................................................................................... 34

3.5.2. Động cơ bơm nước .................................................................................. 35
3.5.3. Relay trung gian ...................................................................................... 35

vii


3.6. MODULE 3G........................................................................................................ 37

3.6.1. Module GPRS RTU WG-8010 ............................................................... 37

3.6.2. Module GPRS WRC-610 ........................................................................ 38
3.6.2.1. Kích thước thiết bị ................................................................................... 39

3.6.2.2. Đặc tính kĩ thuật của sản phẩm ............................................................. 39
3.6.2.3. Dải địa chỉ Modbus thiết bị .................................................................... 41
3.6.2.4. Sơ đồ đấu nối............................................................................................ 42

3.6.2.5. Cấu hình thiết bị ...................................................................................... 44

3.6.2.6. Tạo port Com ảo trên PC để giao tiếp với thiết bị 3G ......................... 48

3.7. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ ............................................................................... 50
3.7.1. Sơ đồ đấu dây PLC.................................................................................. 50

3.7.2. Sơ đồ đấu dây module analog................................................................. 51
3.7.3. Sơ đồ đấu dây module 3G ....................................................................... 51

CHƯƠNG 4................................................................................................................... 52

CẤU HÌNH PHẦN MỀM ............................................................................................ 52

4.1. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ....................................................................................... 52

4.2. CẤU HÌNH PHẦN CỨNG PLC BẰNG PHẦN MỀM TIA PORTAL V13..... 53

4.3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM WINCC
FLEXIBLE.................................................................................................................... 57

4.4. CẤU HÌNH GIAO TIẾP MODBUS GIỮA MODULE 3G VÀ PLC BẰNG
PHẦN MỀM OPC SERVER ....................................................................................... 61
4.5. CẤU HÌNH BỘ 3G ............................................................................................... 67
4.4.1. Module WRC610 RTU: .......................................................................... 67

4.4.2. Module WG-8010: ................................................................................... 71

4.4.3. Tạo cổng COM ảo trên máy tính ........................................................... 74

CHƯƠNG 5................................................................................................................... 76

viii


KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................. 76

5.1. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................................... 76
5.2. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 77

5.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 79
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 80

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mơ hình hệ thống điều khiển phân bố tiêu biểu ............................................... 4

Hình 2.2 Một mạng MODBUS RTU có một chủ và 247 thiết bị tớ được kết nối trong
cấu hình multi-drop .......................................................................................................... 9

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý giao thức giao tiếp module 3G ............................................ 13
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước thải...................................................... 17
Hình 2.5 Một số hệ thống xử lý nước thải thực tế......................................................... 19

Hình 3.1 Mơ phỏng hệ thống xử lý nước thải ............................................................... 23
Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................. 24

Hình 3.3 Module CPU 1215C ....................................................................................... 25

Hình 3.4 Module nguồn 6EP1333-2BA01 .................................................................... 27
Hình 3.5 Module analog SM 1231 ................................................................................ 28

Hình 3.6 Module giao tiếp RS485 CM 1241................................................................. 29
Hình 3.7 Cảm biến siêu âm SRF06 ............................................................................... 30
Hình 3.8 Cảm biến đo nhiệt độ Pt100 3 wires............................................................... 30

Hình 3.9 Bộ chuyển đổi tín hiệu cảm biến nhiệt độ (transmitter) ................................. 31
Hình 3.10 Cảm biến đo độ đục LGZD sensor v1.1 ....................................................... 32
Hình 3.11 Cảm biến đo độ PH....................................................................................... 33

Hình 3.12 Màn hình hiển thị cảm biến đo độ PH .......................................................... 33
Hình 3.13 Các chân của bộ hiển thị cảm biến đo độ PH ............................................... 34
Hình 3.14 Van điện từ ................................................................................................... 34

Hình 3.15 Động cơ bơm nước ....................................................................................... 35

Hình 3.16 Relay trung gian Omron MY4N-J ................................................................ 35

Hình 3.17 Sơ đồ cấu tạo của Relay trung gian .............................................................. 36
Hình 3.18 Module GPRS GTU WG-8010 .................................................................... 37

Hình 3.19 Module GPRS GTU WRC-610 .................................................................... 38
Hình 3.20 Cổng cấp nguồn và port giao tiếp RS485 ..................................................... 38

x


Hình 3.21 Bản vẽ chi tiết module GPRS RTU WRC 610 ............................................. 39
Hình 3.22 Sơ đồ kết nối tín hiệu analog dạng áp module 3G ....................................... 42

Hình 3.23 Sơ đồ kết nối tín hiệu analog dạng dịng module 3G ................................... 43
Hình 3.24 Sơ đồ kết nối tín hiệu vào số module 3G ..................................................... 43

Hình 3.25 Sơ đồ kết nối tín hiệu ra số module 3G ........................................................ 44
Hình 3.26 Giao diện cấu hình thiết bị 3G ...................................................................... 44

Hình 3.27 Giao diện cấu hình thiết bị ........................................................................... 45

Hình 3.28 Cấu hình cổng RS-485 thiết bị 3G ............................................................... 45

Hình 3.29 Cấu hình sim 3G tương ứng nhà mạng......................................................... 46
Hình 3.30 Cấu hình sim 3G tương ứng nhà mạng......................................................... 47
Hình 3.31 Cấu hình input và output thiết bị 3G ............................................................ 47
Hình 3.32 Số serial nhận dạng thiết bị .......................................................................... 48

Hình 3.33 Thêm thiết bị 3G vào phần mềm tạo Com ảo............................................... 48
Hình 3.34 Tạo cổng Com ảo cho thiết bị 3G................................................................. 49
Hình 3.35 Tạo cổng Com ảo cho thiết bị 3G................................................................. 49
Hình 3.36 Sơ đồ đấu dây PLC ....................................................................................... 50

Hình 3.37 Sơ đồ đấu dây module analog ...................................................................... 51
Hình 3.38 Sơ đồ đấu dây module 3G ............................................................................ 51

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống.............................................................................. 52

Hình 4.2 Khởi động phần mềm ..................................................................................... 53
Hình 4.3 Màn hình ban đầu ........................................................................................... 54

Hình 4.4 Màn hình chính của phần mềm ...................................................................... 54
Hình 4.5 Chọn CPU PLC .............................................................................................. 55
Hình 4.6 Chọn thiết bị để cấu hình ................................................................................ 56

Hình 4.7 Kết quả cấu hình ............................................................................................. 56

Hình 4.8 Khởi động phần mềm ..................................................................................... 57
Hình 4.9 Khởi tạo Project mới ...................................................................................... 58

xi


Hình 4.10 Chọn thiết lập ............................................................................................... 58

Hình 4.11 Màn hình chính của phần mềm .................................................................... 59
Hình 4.12 Giao diện hồn chỉnh .................................................................................... 60

Hình 4.13 Tag bit ........................................................................................................... 60
Hình 4.14 Giao tiếp bằng OPC Server .......................................................................... 61

Hình 4.15 Khởi động phần mềm ................................................................................... 62
Hình 4.16 Tạo kênh liên kết mới ................................................................................... 63

Hình 4.17 Tạo kênh liên kết mới và đặt tên .................................................................. 63
Hình 4.18 Thêm thiết bị Modbus serial trong KepServer ............................................. 64

Hình 4.19 Cấu hình thơng số cổng COM ...................................................................... 64
Hình 4.20 Cấu hình địa chỉ thiết bị Modbus ................................................................. 65

Hình 4.21 Tạo tag liên kết thiết bị ................................................................................. 65
Hình 4.22 Kết quả cấu hình PLC................................................................................... 66

Hình 4.23 Kết quả cấu hình Module 3G ....................................................................... 66
Hình 4.24 Khởi động phần mềm ................................................................................... 67

Hình 4.25 Kết quả cấu hình WRC610 ........................................................................... 68
Hình 4.26 Cấu hình nhà mạng (Mobifone) ................................................................... 69
Hình 4.27 Cấu hình chân ngõ ra .................................................................................... 70

Hình 4.28 Thiết lập số điện thoại và nội dung tin nhắn ................................................ 71
Hình 4.29 Khởi động phần mềm ................................................................................... 72
Hình 4.30 Kết quả cấu hình WG-8010 .......................................................................... 73
Hình 4.31 Cấu hình nhà mạng cho bộ WR-8010 (Mobifone) ....................................... 74

Hình 4.32 Kết quả tạo cổng COM ảo ............................................................................ 75
Hình 5.1 Mơ hình sau khi thi công ................................................................................ 76

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các địa chỉ trong kết nối MODBUS .............................................. 12

Bảng 2.2 Nồng độ đánh giá mức độ ô nhiễm nước thải sinh hoạt ................ 14
Bảng 2.3 Thông số NTSH đầu vào ................................................................ 15

Bảng 2.4 Thông số NTSH đầu ra (theo QCVN 14:2008) .............................. 16
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của module CPU 1215C.................................... 26
Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật của module nguồn 6EP1333-2BA01 ................ 27

Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật của module analog SM1231 loại 4AI ............... 28
Bảng 3.4 Thông số kĩ thuật của module giao tiếp RS485 CM1241 .............. 29
Bảng 3.5 Đặc tính kĩ thuật thiết bị 3G ........................................................... 40
Bảng 3.6 Địa chỉ Modbus thiết bị 3G ............................................................ 41

xiii

Chương 1

1.1.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây nhu cầu về ứng dụng công nghệ thông tin kết hợp với

tự động hóa trong các hoạt động giám sát điều khiển của các cơ quan, xí nghiệp đang
phát triến rất mạnh. Sự phát triển và kết hợp hồn hảo giữa cơng nghệ thông tin với

mạng công nghiệp đã mang lại bước 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

quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển các q trình cơng nghệ và

sản xuất. Hiện nay, xu hướng xây dựng một hệ SCADA có thể áp dụng vào nhiều lĩnh

vực và mở rộng trên phạm vi cả nước, và đang là mục tiêu chính cho các nhà tích hợp

giải pháp. Việc phát triển không ngừng các hệ thống SCADA hiện đại không dừng lại
ở phạm vi giám sát thuần tuý một hệ thống dây chuyền sản xuất mà cịn u cầu với
những hệ thống có phạm vi rộng và số lượng điểm cần giám sát lớn như quan trắc,

giám sát dữ liệu hệ thống nhà máy xử lý nước thải. Với những yêu cầu như trên thì hệ

thống thu thập dữ liệu qua mạng 3G là giải pháp tối ưu cho hệ thống ,với ưu điểm gọn
nhẹ,không yêu cầu hạ tầng dây dẫn tín hiệu và dây nguồn ni, chỉ cần có sóng điện

thoại là có thể dễ dàng thi cơng hệ thống. Trên nhu cầu đó, nhóm đã quyết định thực
hiện đề tài có thể:

 Giám sát theo dõi trạng thái thiết bị toàn bộ hệ thống.
 Kiểm soát nhiệt độ hệ thống.
 Kiểm soát PH hệ thống.

 Kiểm soát độ trong nước.

 Cảnh báo sự cố và hiển thị vị trí sự cố trực tiếp lên giao diện giám sát.
 Gửi cảnh báo, sự cố về tin nhắn điện thoại SMS.

1


 Cho phép người vận hành từ xa, chuẩn đoán và dự đoán sự cố.
 Hệ thống tự bảo vệ thiết bị khi có sự cố xảy ra.

 Có khả năng cho truy xuất từ xa qua mạng internet.

Theo định hướng phát triển trên, em chọn đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM

SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI QUA MẠNG 3G”, đồng thời áp dụng cụ thể
cho một mơ hình xử lý nước thải sinh hoạt cơ bản.
1.2.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

 Xây dựng hệ thống phần mềm giao tiếp giữa người và thiết bị trên cơ sở nền
mạng 3G.

 Điều khiển và giám sát từ xa các thông số của hệ thống xử lý nước thải sinh
hoạt.

 Xây dựng phần mềm tự động lưu dữ liệu các thông số giám sát, điều khiển
và xuất ra báo cáo dạng tin nhắn SMS.

1.3.

 Xây dựng hệ thống phần cứng mô phỏng mô hình xử lý nước thải sinh hoạt.
NỘI DUNG CƠNG VIỆC THỰC HIỆN

 Nghiên cứu tổng quan hệ thống.

 Đưa ra giải pháp và thiết bị đáp ứng nhu cầu.
 Sơ đồ khối phần điều khiển.

 Lập trình cho hệ thống thiết bị control đáp ứng yêu cầu hệ thống.
 Thiết lập giao diện giám sát cho hệ thống theo yêu cầu cụ thể.
 Lập hệ thống lưu trữ ghi lịch sử dữ liệu hệ thống.

 Xây dựng hệ thống giám sát từ xa qua mạng 3G với phân quyền theo yêu
cầu nhà máy.

 Mô phỏng hệ thống bằng Phần mềm TIA Portal + Winccflexible.

2


1.4.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống đáp ứng tương đối đầy đủ các khâu lọc nước của một hệ thống xử lý

nước thải thực tế để đảm bảo vẫn giữ đúng được tính thực tế của đề tài. Xây dựng hệ

thống điều khiển giám sát từ xa các thông số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm:
 Bể ozone.

 Bể lọc thô.
 Bể khuấy.

 Bể ngưng tụ.

 Bể lọc thạch anh và than hoạt tính.

1.4.2. Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển giám sát SCADA dựa trên
nền tảng phần mềm WinccFlexible của Siemen để giải quyết vấn đề.

 Sử dụng nền tảng thiết bị S7-1200 của Siemen làm thiết bị điều khiển chính.

 Dựa trên sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt xây dựng mơ
hình mơ phỏng hệ thống xử lý nước thải.

 Dựa nền tảng thiết bị chuyển đổi RS232/485 sang sóng 3G là thiết bị thu
thập dữ liệu từ PLC về hệ thống máy tính giám sát trung tâm.

 Kết hợp cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống điều khiển giám sát mô hình xử
lý nước thải sinh hoạt.

 Chạy hệ thống mơ hình và giao diện giám sát kiểm tra kết quả.

3


Chương 2

2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ SCADA

Hệ thống SCADA đã được phát triển từ đầu thập niên 1960. Sự ra đời của thế hệ

máy tính nhỏ (minicomputer) như Digital Equipment Corporation (DEC) PDP-8 và

PDP-11 làm cho điều khiển quá trình và sản xuất bằng máy tính là khả thi. Tiến trình
của Programmable Logic Controlers (PLC) cũng diễn ra song song. Khi máy vi tính

được phát triển, chúng được lập trình và thu gọn nhằm cạnh tranh với các chức năng,

lập trình và vận hành của PLC.

Lúc đầu, hệ thống điều khiển chỉ hạn chế ở từng thiết bị cụ thể. Sự kết hợp giữa các

thiết bị điều khiển chỉ cục bộ ở thiết bị, nhà máy và không kết nối với mạng bên ngoài.

Hệ thống điều khiển bao gồm máy tính mini hoặc PLC trung tâm kết nối với một số bộ
điều khiển giao tiếp với động cơ, bơm, valve, cơng tắc, cảm biến … Hình 1.1 minh họa

kiến trúc này. Kiến trúc này thường được gọi là hệ thống điều khiển phân tán (DCS Distributed Control System). Các hệ thống đó thường được giới hạn ở các vị trí gần
nhau, thơng thường được kết nối với nhau sử dụng mạng cục bộ (LAN – Local Area
Network).

Hình 2.1 Mơ hình hệ thống điều khiển phân bố tiêu biểu

4


Khi tính năng kĩ thuật của máy tính, hệ điều hành và mạng được cải tiến, thúc đẩy

yêu cầu giám sát trạng thái, vận hành các thiết bị, nhà máy từ xa theo thời gian thực.
Cũng như, nhiều công ty có các thành viên hoặc chi nhánh hoạt động ở vùng địa lý

cách biệt nhau, yêu cầu thu thập dữ liệu từ xa, điều khiển và bảo trì trở nên hấp dẫn từ

lập trường quản lý và chi phí. Những khả năng này được biết như sự tập hợp của giám

sát điều khiển và tập hợp dữ liệu (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA).
Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu dựa trên nền tảng máy tính

SCADA đã được phát triển hơn 40 năm, từ mơ hình đơn lẻ, điều hành phân tán đến
kiến trúc mạng giúp truyền thơng nhanh, linh động, chính xác và khoảng cách xa. Hơn
nữa, SCADA đã chuyển từ độc quyền sang tiêu chuẩn hóa về phần cứng và phần mềm,

sự thay đổi này giảm chi phí nâng cấp, vận hành và bảo trì cũng như cung cấp quản lý
với thơng tin thời gian thực hổ trợ cho việc lập kế hoạch, giám sát và ra quyết định.

Các hệ thống SCADA là thành phần rất quan trọng hầu hết các cơ sở hạ tầng tối

quan trong của các quốc gia như:

 Nhà máy phát điện, truyền tải và phân phối điện năng.
 Nhà máy lọc ga, dầu và hệ thống quản lý đường ống.
 Hệ thống lọc và phân phối nước.

 Hệ thống sản xuất và xử lý hóa chất.

 Hệ thống đường sắt và vận chuyển khối lượng.

Mặc dù SCADA được dùng phổ biến nhất ở các mạng tự động lớn như các cơng ty

tiện ích cơng cộng, SCADA cịn có thể được dùng trong hầu hết các tiến trình điều
khiển tự động. Các công ty sử dụng dây chuyền lắp ráp, như nhà máy đóng chay, cũng
có thể sử dụng các tiện lợi từ SCADA. Toàn bộ các nhà máy có thể được tự động hóa
giúp cho việc sản xuất hiệu quả và tin cậy.
2.2.

TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG SCADA

 Kiểm soát truy

5


Người dùng được chỉ định vào các nhóm, mỗi nhóm điều được định nghĩa các

quyền truy cập đọc/ghi (read/write) các thơng số của q trình điều khiển trong hệ
thống.

 MMI (Man Machine Interface)

Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều

dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng…
 Lập biểu đồ (Trending)

Các sản phẩm SCADA điều hổ trợ tiện ích lập biểu đồ, tính năng lập biểu đồ thông

thường bao gồm:

 Thông số được ghi ở một biểu đồ cụ thể được định nghĩa trước hoặc được
định nghĩa trực tiếp.

 Lập biểu đồ thời gian thực và lưu lại cho việc tra cứu về sau.

 Điều khiển báo động (Alarm Handling)

Báo động được dựa trên kiểm tra giới hạn và trạng thái và được thực hiện trên các

máy server. Sự báo động được thực hiện tập trung, thông tin chỉ tồn tại ở một vị trí và

tất cả người dùng thấy cùng một trạng thái, báo động với nhiều mức ưu tiên được hỗ
trợ.

Ta có thể nhóm các báo động và đối xử chúng như một thực thể. Chọn lựa các báo

động vào các trang khác nhau hoặc khi xem bảng ghi báo động (alarm log) ta có thể
xem theo độ ưu tiên, thời gian và theo nhóm. E-mails có thể tự động được gửi hoặc tự
động thực thi các đáp ứng tùy thuộc vào mỗi điều kiện báo động.
 Ghi sự kiện và lưu trữ (Logging/Archiving)

Ghi sự kiện và lưu trữ thường được sử dụng để miêu tả một tiện ích. Tuy nhiên, ghi

sự kiện có thể được nghĩ là lưu trữ dữ liệu lên đĩa cho chiến lược ngắn hạn hoặc trung
bình, trong khi đó lưu trữ được sử dụng cho chiến lược lâu dài trên đĩa hoặc các thiết bị

lưu trữ thường trực khác. Ghi sự kiện tiêu biểu được thực hiện theo chu kỳ, khi dung
6


lượng dữ liệu hoặc khoảng thời gian đạt đến giới hạn thì dữ liệu cũ sẽ được ghi đè bởi
dữ liệu mới.

Sự kiện có thể được ghi theo một tần số đặt trước, hoặc khởi tạo khi có sự thay đổi,

hoặc một sự kiện được chỉ định trước xảy ra. Dữ liệu của sự kiện có thể được chuyển
qua lưu trữ khi bảng ghi sự kiện đã đầy. Các sự kiện được đánh dấu thời gian và có thể
được lọc theo thời gian xảy ra sự kiện khi được quan sát bởi người dùng.
 Xuất báo cáo (Report Generation)

Báo cáo có thể xuất dưới dạng truy vấn SQL cho lưu trữ file, bảng ghi sự kiện dạng

text, file sự kiện dạng html… Báo cáo có thể được xuất, in và lưu trữ tự động.
 Tự động hố (Automation)

Tính năng quan trọng nhất của SCADA là cho phép các hành động được kích hoạt

tự động bởi các sự kiện. Một ngơn ngữ script được cung cấp bởi các hệ thống SCADA

cho phép các hành động được định nghĩa trước. Ví dụ như hiện một cửa sổ cụ thể, gửi
một E-mail, chạy một ứng dụng hoặc đoạn mã hoặc ghi vào cơ sở dữ liệu.

Điều khiển tuần tự được hổ trợ, nhờ đó có thể thực hiện một tuần tự phức tạp các

sự kiện ở một hoặc nhiều thiết bị. Điều khiển tuần tự cịn có thể có tác động ngược lại
với các sự kiện bên ngồi.
2.3.

MẠNG MODBUS TRONG TỰ ĐỘNG HĨA

 Sử dụng MODBUS cho điều khiển và tự động hóa quá trình

MODBUS là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều

mục đích. MODBUS đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng. Được phát minh từ thế kỉ

trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa trong
công nghiệp tiếp tục hỗ trợ MODBUS trong các sản phẩm thế hệ mới. Mặc dù các bộ

phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây, Ethernet hay
fieldbus, MODBUS vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị thế

hệ cũ và mới.

7


Một ưu điểm khác của MODBUS là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các

phương tiện truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, khơng dây, sợi quang,
Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng. Có nghĩa là, kết nối

MODBUS có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng.
Thực ra, nâng cao ứng dụng cho MODBUS là cung cấp truyền thông số trong nhà máy
đời cũ, sử dụng kết nối dây xoắn hiện nay.
 MODBUS là gì?

MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979,

là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn.

Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc

độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop). MODBUS đã nhanh
chóng trở thành tiêu chuẩn thơng dụng trong ngành tự động hóa, và Modicon đã cho ra
mắt cơng chúng như một protocol miễn phí.

Ngày nay, MODBUS-IDA (www.MODBUS.org), tổ chức sử dụng và cung cấp

MODBUS lớn nhất tiếp tục hỗ trợ protocol MODBUS trên toàn cầu. MODBUS là một
hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều “tớ”. “Chủ” thường là một
PLC, PC, DCS, hay RTU. “Tớ” MODBUS RTU thường là các thiết bị hiện trường, tất

cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop (hình 2.2). Khi một chủ MODBUS

RTU muốn có thơng tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dị
lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có
thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng.

8


Hình 2.2 Một mạng MODBUS RTU có một chủ và 247 thiết bị tớ được kết nối trong
cấu hình multi-drop

Các thiết bị trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể

phản ứng. Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới”. Một số nhà sản xuất

đang phát triển các thiết bị lai ghép hoạt động như các tớ MODBUS, tuy nhiên chúng
cũng có “khả năng viết”, do đó làm cho chúng trở thành các thiết bị chủ ảo.
Ba phiên bản MODBUS phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là:
 MODBUS ASCII.
 MODBUS RTU.
 MODBUS/TCP.

Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa 3

loại MODBUS là cách thức thơng điệp được mã hóa.

Với MODBUS ASCII, mọi thơng điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử

dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thơng,

gấp đơi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP.

9


Tuy nhiên, MODBUS ASC II chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại

thích hợp khi modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASC II sử dụng các

tính năng phân định thơng điệp. Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương
tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin. Điều này quan trọng khi

đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền
thơng khó tính khác.

Đối với MODBUS RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một

byte truyền thông cho một byte dữ liệu. Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS 232 hay
mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud. Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến
19200 baud. MODBUS RTU là protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất, do
đó hầu như trong bài viết này chỉ tập trung đề cập đến cơ sở và ứng dụng của nó.

MODBUS/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet. Thay vì sử dụng thiết bị

này cho việc kết nối với các thiết bị tớ, do đó các địa chỉ IP được sử dụng. Với
MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Do

đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ MODBUS/TCP.

Phiên bản MODBUS này sẽ được đề cập chi tiết trong bài viết lần sau với tiêu đề

“MODBUS qua Ethernet”.

 Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU

Để kết nối với thiết bị tớ, chủ sẽ gửi một thơng điệp có:
 Địa chỉ thiết bị.
 Mã chức năng.
 Dữ liệu.

 Kiểm tra lỗi.

Địa chỉ thiết bị là một con số từ 0 đến 247. Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0

(truyền thông điệp) có thể dược tất cả các tớ chấp nhận, nhưng các con số từ 1-247 là

các địa chỉ của các thiết bị cụ thể. Với ngoại lệ của việc truyền thông điệp, một thiết bị
10