Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Nghề: Điện công nghiệp - CĐ/TC) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (năm 2020)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Nghề: Điện công nghiệp - CĐ/TC) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Tổng quan về hệ thống SCADA; Một số đơn vị đầu cuối RTU (remote terminal unit); Phần mềm ứng dụng cho SCADA; Trạm trung tâm MS (master station); Thiết kế các mô hình SCADA. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Nghề: Điện công nghiệp - CĐ/TC) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (năm 2020)

SỞ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số:234/QĐ- CĐN ngày 05 tháng 08.năm 2022. của trường cao đẳng nghề Hà Nam Hà Nam, năm 2020.
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Dựa theo giáo trình này, có thể sử dụng để giảng dạy cho các trình độ hoặc nghề ngành/ nghề khác của nhà trường. cần giảng dạy bổ sung những môn học, mô đun bắt buộc và một số môn học, mô đun tự chọn mà trong chương trình đào tạo trình độ Trung cấp chưa giảng dạy; 1
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình ―Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA‖ thuộc môn học 34 trong chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp hệ cao đẳng. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo, cung cấp kiến thức và kỹ năng cơ bản cho học sinh, sinh viên nghiên cứu lĩnh vực hiệu chuẩn thiết bị điện công nghiệp. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có nội dung trong chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo .Nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với thời lượng đào tạo 45h gồm 4 chương: Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA Chương 1: Một số đơn vị đầu cuối RTU (remote terminal unit) Chương 2: Phần mềm ứng dụng cho scada. Chương 3: Trạm trung tâm MS (master station) Chương 4: Thiết kế các mô hình scada Mặc dù đã cố gắng biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đàò tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện hơn Hà Nam, ngày 10 tháng 06 năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên : Vũ Hồ Thành 2
MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ................................................................................. 1 LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................... 2 MỤC LỤC ............................................................................................................ 3 Trang .................................................................................................................... 3 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN ............................................................... 5 Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA .................................................. 6 1. Lịch sử phát triển....................................................................................... 6 2. SCADA là gì ............................................................................................. 7 3. Các thành phần của một hệ thống SCADA .............................................. 8 4. Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).......................................................................... 8 5. Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA ............................................... 9 6. Các ứng dụng tiêu biểu của SCADA trong công nghiệp ........................ 10 CHƢƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT).................................................................................................................. 11 1. Cấu hình phần cứng của RTU ................................................................. 11 2. Cấu hình phần cứng RTU ........................................................................ 12 2.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit) ................. 12 2.2 Khối vào tương tự (Analog Input Modules) ......................................... 12 2.3 Khối ra tương tự (Analog Output Mudules) ......................................... 12 2.4. Khối vào số (Digital Input Modules) ................................................... 13 2.5. Khối ra số (Digital Output Modules) ................................................... 13 2.6. Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces) ................... 14 2.7. Bộ đếm số (Digital Counters) .............................................................. 14 3. Cấu hình phần mềm của RTU ................................................................. 14 3.1 So sánh giữa RTU & PLC ..................................................................... 14 3.2 Ứng dụng RTU ...................................................................................... 16 CHƢƠNG 2: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA .............................. 17 1 Các khái niệm cơ bàn trong phần mềm ứng dụng .................................. 17 2 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC ........................................... 18 2.1Giới thiệu phần mềm WINCC ............................................................... 18 2.2 Hướng dẫn lập trình .............................................................................. 21 3. Các phần mềm trong hệ SCADA ............................................................. 35 3
3.1. Phần mềm thiết kế giao diện ................................................................ 35 3.2. Phần mềm điều khiển Logic................................................................. 40 3.3. Phần mềm kết nối trung gian ............................................................... 42 CHƢƠNG 3: TRẠM TRUNG TÂM MS (MASTER STATION) ................ 43 1. Cấu hình phần cứng của MS .................................................................... 43 2. Cấu hình phần mềm MS ........................................................................... 44 3 HMI- giao diện ngƣời máy. ....................................................................... 45 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH SCADA ..................................... 47 1.1 Bố cục màn hình.................................................................................... 47 1.2 Các vấn đề về màu sắc .......................................................................... 47 1.3 Các vấn đề về hình ảnh và đồ họa ......................................................... 48 1.4 Trình bày văn bản.................................................................................. 49 1.5 Giá trị dữ liệu ........................................................................................ 50 1.6 Cảnh báo và thông tin sự kiện ............................................................... 50 1.7 Điều hướng và điều khiển ..................................................................... 50 2. Xây dựng sơ đồ khối và lƣu đồ hoạt động .............................................. 51 3 Kết nối phần cứng theo hệ thống đã phân tích. ...................................... 52 4. Viết chƣơng trình điều khiển hệ thống. .................................................. 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 61 4
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN Tên môn học: Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) Mã môn học: MH34 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: - Vị trí: Môn học này học sau các mô đun cơ sở, đặc biệt các mô đun: Tin học cơ bản ; Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, truyền động điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao, Mạng truyền thông công nghiệp, Vi xử lý và Hiệu chuẩn thiết bị đo lường. - Tính chất: Là môn học kĩ thuật chuyên môn, thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Hệ thống giám sát SCADA là môn học quan trọng trong lĩnh vực điện tự động hoá công nghiệp. Nó cung cấp các kiến thức cơ bản về điều khiển và giám sát các thiết bị tự động hoá trong việc vận hành và giám sát quá trình vận hành, kiểm soát lỗi. Mục tiêu của môn học/mô đun -Về kiến thức: Giúp sinh viên nắm được hoạt động của hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong việc tự động hóa đo đạc, thu thập - truyền số liệu, kiểm soát và cung cấp các dữ liệu kịp thời chính xác nhằm tối ưu hóa hoạt động của các qúa trình, dây chuyền, các hoạt động nhà máy trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như: sản xuất, các hệ thống cấp nước, năng lượng, xử lý chất thải, môi trường… -Về kỹ năng: Nâng cao kỹ năng phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Có năng lực thực hiện về các nội dung giám sát và thu thập dữ liệu; có sáng kiến trong quá trình thực hiện các phương pháp giám sát và thu thập dữ liệu trong ngành Điện. + Có năng lực đánh giá chất lượng sử dụng các phương tiện giám sát và thu thập dữ liệu sau khi kết thúc môn học và kết quả thực hiện của các thành viên trong nhóm. + Nghiêm túc, luôn thực hiện các bài tập được giao về nhà, chuẩn bị bài trước khi lên lớp. + Hướng dẫn những người khác thực hiện các phương pháp giám sát và thu thập dữ liệu chịu trách nhiệm cá nhân và trách nhiệm đối với nhóm. Nội dung của môn học: 5
Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA Mã chƣơng: MH 34 – 00 Giới thiệu: Bài học giới thiệu cung về hệ thống SCADA trong điều khiển tự động hóa Mục tiêu: - Khái quát được tầm quan trọng của môn hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu. - Nêu được các thành phần của hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu, ứng dụng của hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu. - Rèn được phương pháp học tư duy và nghiêm túc trong công việc. Nội dung chính: 1. Lịch sử phát triển - Giai đoạn những năm 1940 Từ những năm 1940, yêu cầu vận hành các thiết bị điện ở các địa điểm khác nhau dẫn đến nhu cầu xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát các thiết bị đó. Cách tiếp cận đầu tiên để xây dựng hệ thống này là sử dụng cặp đôi dây hoặc nhiều cặp đôi dây giữa các địa điểm. Mỗi cặp đôi dây vận hành một thiết bị duy nhất. Điều này làm tăng chi phí. Tuy nhiên đây là sự cần thiết để vận hành các thiết bị thường xuyên. Đồng thời có khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng nếu xảy ra lỗi. Các tủ điều khiển trong trạm biến áp. Các tín hiệu cảnh báo, tín hiệu điều khiển của các thiết bị trong trạm biến áp được tập trung đến tủ này. Để tiết kiệm chi phí hơn, vấn đề cần giải quyết là làm thế nào để chỉ sử dụng một đôi dây mà có thể điều khiển nhiều thiết bị. Trong thời gian này, các 6
công ty điện thoại phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm. Công nghệ này được đưa vào đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm số lượng đi dây. Do sử dụng chung đôi dây và cần thiết điều khiển thiết bị chính xác, một khung làm việc lựa chọn/kiểm tra/thao tác được đưa ra. - Hệ thống điều khiển giám sát Visicode đƣợc phát minh từ những năm 1950 Khi điện thoại kiểu xung phát triển, công ty Westing house liên kết với công ty North Electric đã phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode dựa trên cách đếm số xung. Mã Visicode sử dụng 2 cửa sổ trễ để tạo xung và đếm số xung. Cửa sổ ngắn sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra một thiết bị. Cửa số lớn sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra cho một nhóm thiết bị. Hàng nghìn thiết bị này đã được sử dụng trong các năm 1950 – 1960. Năm 1960 – 1970, Công ty Westing house phát triển hệ thống giám sát Solid state gọi là REDAC. Hệ thống này sử dụng khung dữ liệu cố định. Hệ thống này cũng sử dụng lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác. GE cũng phát triển hệ thống tương tự có tên gọi là GETAC. Để giảm bớt sự vất vả trong việc lưu trữ dữ liệu đọc được mỗi giờ của người trực vận hành, hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được đưa ra. Phiên bản đầu tiên của hệ thống này có trước cả hệ thống Solid State và hệ thống đo lường xa. Tuy nhiên, phải đến khi hệ thống Solid state ra đời và sự phát triển của máy tính thì hệ thống này mới được đưa vào sử dụng. - Hệ thống SCADA đƣợc phát minh năm 1960 Hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu điều khiển giám sát thực sự phát triển sau khi máy tính trở nên phổ biến. Giữa năm 1960, Westing house và GE đã xây dựng bộ xử lý cho hệ thống này. Westing house gọi là PRODAC và GE gọi là GETAC. Do yêu cầu phức tạp, đòi hỏi máy chủ máy chủ phải cung cấp tất cả các chức năng của một hệ thống SCADA. Chức năng chính của máy chủ là quét dữ liệu, giám sát dữ liệu và các trạng thái. Bên cạnh đó là cảnh báo nếu thay đổi, hiển thị dữ liệu, hiển thị dữ liệu trên màn hình, lưu dữ liệu theo chu kỳ. Hầu hết hệ thống SCADA làm việc bằng cách quét liên tục. Máy chủ gửi các yêu cầu dữ liệu đến đầu xa và đầu xa trả lời. 2. SCADA là gì SCADA – (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ 7
SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface). 3. Các thành phần của một hệ thống SCADA Thông thường trong một nhà máy hiện đại hệ thống SCADA được thiết kế chia ra làm 3 cấp: Cấp vận hành (Cấp trƣờng): Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi họat động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ đặt ra. Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển): Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tình trạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI- Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel). Cấp giám sát, quản lý: Có 2 hình thức tương đương nhau: + Giám sát tại nhà máy (Tại nhà vận hành): Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số, tình trạng thiết bị và toàn bộ họat động của dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòng điều khiển qua đó có thể nắm được tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kế họach sản xuất,... + Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại đây có thể theo dõi, giám sát mọi họat động của nhà máy thông qua máy tính được kết nối từ xa qua mạng. Từ đó có kế họach sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng. 4. Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trƣờng, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…) Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông. a) MTU (Master Terminal Unit): MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp. MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông. Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông. Nhiệm vụ của MTU bao gồm: - Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành. - Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU. - Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển. 8
- Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác. b) RTU (Remote Terminal Unit): RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo,… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái họat động của các thiết bị hiện trường. Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển họat động của các thiết bị theo yêu cầu. Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hướng của MTU. c) Khối truyền thông: Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây wireless), các trạm lặp (trong trường hợp truyền đi xa). Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau. CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông. Các giao thức có thể là giao thức mở như TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng. Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức. Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ. 5. Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA SCADA khác với các hệ thống điều khiển DCS ở chỗ, các hệ DCS là một hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng và cơ chế điều khiển được giao cho cả các phần tử cấp dưới, trong khi hệ thống SCADA thiên về giám sát và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, mọi thao tác lên hệ đều dưới sự điều khiển của trung tâm. Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay thế bởi PLC, trong hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngày càng đi theo xu thế này. Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau: Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều. 9
Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn… Do đó chúng rất cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngoài ra còn rất khó khăn trong việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng. Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC. Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với công nghệ PLC hơn và do đó khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn. Mua thiết bị dễ dàng hơn. Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị. Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng. Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trong tương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh. 6. Các ứng dụng tiêu biểu của SCADA trong công nghiệp Hệ thống quản lý sản xuất: sản xuất điện, thép, dệt may, dược phẩm, hóa chất… Hệ thống quan trắc từ xa: trạm bơm, xử lý nước thải… Hệ thống giám sát tòa nhà: nhiệt độ – độ ẩm, điều hòa không khí, chiếu sáng, điện năng tiêu thụ CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày lịch sử phát triển SCADA? 2. Trình bày các thành phần của một hệ thống Scada? 10
CHƢƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT) Mã chƣơng: MH 34 – 01 Giới thiệu: Một số thiết bị đầu cuối RTU trong hệ thống SCADA Mục tiêu: - Trình bày được cấu hình phần cứng của RTU - Trình bày được chức năng của từng thiết bị ngoại vi của RTU. - Trình bày được chức năng của phần mềm của RTU. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy và nghiêm túc trong công việc. Nội dung chính: 1. Cấu hình phần cứng của RTU Hình 1.1 RTU là gì? RTU là một đơn vị thu thập dữ liệu và điều khiển đứng độc lập, thông thường dựa trên vi xử lý. RTU giám sát và điều khiển một vị trí từ xa. Nhiệm vụ chính của RTU là điều khiển và thu thập dữ liệu từ các thiết bị tiến trình (như cảm biến, bơm, PLC, ..) ở vị trí cục bộ và chuyển dữ liệu này về một trạm trung tâm (MTU hoặc SubMTU). Thông thường, RTU còn có tiện ích là cấu hình và chương trình điều khiển có thể được tự động tải về từ một vài trạm trung tâm. Các khối phần cứng tiêu biểu của một RTU bao gồm: Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU), khối ngõ vào tương tự, khối ngõ ra tương tự, khối bộ đếm vào, khối ngõ vào số, khối ngõ ra số, giao tiếp truyền thông, bộ nguồn, khối nguồn, đế cắm RTU và các phụ kiện. 11
Hình 1.2 Cấu trúc 1 RTU tiêu biểu. 2. Cấu hình phần cứng RTU 2.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit) Thông thường sử dụng vi xử lý hệ 16 hoặc 32 bít (như 68302, 80386). Các CPU của RTU thường có một bộ xử lý toán học để thực hiện các công việc tính toán phức tạp. Cổng truyền thông của CPU thường có hai hoặc ba cổng RS- 232/RS-422 hoặc RS-485 dùng cho các công việc sau: Giao tiếp với các thiết bị kiểm tra lỗi; Giao tiếp với các Trạm vận hành; Kết nối truyền thông với Trung tâm điều khiển. CPU được thiết kế một hệ thống đèn LED báo lỗi để thông báo các sự cố và báo lỗi của CPU, của các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output). Một bộ phận khác rất quan trọng của CPU đó là bộ định thời, cung cấp thời gian thực giúp cho việc thông báo các sự kiện theo thời gian được chính xác tuyệt đối. 2.2 Khối vào tƣơng tự (Analog Input Modules) Có 5 thành phần cơ bản tạo nên một khối vào tương tự: Bộ ghép kênh vào (Input Multiplexer), khuếch đại tín hiệu vào(Input Amplifier), mạch lấy mẫu và giữ (Sample and Hold Circuit), biến đổi A/D và bộ giao tiếp (Bus Interface). 2.3 Khối ra tƣơng tự (Analog Output Mudules) Khối đầu ra tương tự thực hiện chức năng đối ngược với khối nhập tương tự, chuyển tín hiệu số từ PLC sang tín hiệu tương tự. 12
Hình 1.3 Sơ đồ khối ra tương tự Các mô-đun đầu ra tương tự có đặc điểm sau: - Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit; - Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms; - Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V. 2.4. Khối vào số (Digital Input Modules) Sử dụng cho nhập các các loại tín hiệu ON/OFF (0/1) từ các thiết bị như cảm biến, công tắc, … Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu. Hình 1.4 Sơ đồ minh họa cấu trúc đầu vào số 2.5. Khối ra số (Digital Output Modules) Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số - Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC; - Có hệ thống đèn LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu; - Có cách ly để bảo vệ tín hiệu. 13
Hình 1.5 Sơ đồ khối ra số 2.6. Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces) Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện truyền thông nhiều như: - RS-232/RS-442/RS-485; - Dialup telephone lines/dedicated landlines; - Microwave/MUX; - Satellite. - X.25 packet protocols - Radio via trunked/VHF/UHF/900 MHz. 2.7. Bộ đếm số (Digital Counters) Bộ đếm số thông thường được dùng cho đếm xung, như đếm sản phẩm, và truyền giá trị bộ đếm về RTU. Hình 1.6 Cấu trúc khối bộ đếm 3. Cấu hình phần mềm của RTU 3.1 So sánh giữa RTU & PLC 14
Chi phí đầu tư RTU & PLC PLC có mức giá thấp hơn, tuy nhiên nhiều người cho rằng RTU là một hệ thống chắc chắn hơn nhiều, điều này sẽ khiến bạn tin rằng chi phí ban đầu có thể nhiều hơn nhưng cuối cùng sẽ bằng. Tính năng điều khiển quá trình giữa RTU & PLC RTU có thể ngang hàng với PLC. Cả hai bộ điều khiển đều có thể có nhiều loại I/O khác nhau, các mô-đun truyền thông khác nhau và lập trình các quy trình có thể ít hoặc không cần đến sự can thiệp của người vận hành. Tuy nhiên, RTU được cho rằng có một số lợi thế như dung sai môi trường, tùy chọn nguồn điện dự phòng và quyền tự chủ. Lập trình RTU & PLC PLC yêu cầu phần mềm cụ thể và các kỹ năng và kiến thức ngôn ngữ lập trình plc cụ thể (ladder logic, structured text, function block, v.v.). RTU đôi khi có thể được lập trình thông qua một giao diện web đơn giản. Trong các trường hợp khác, RTU đi kèm với phần mềm thiết lập có thể giúp định cấu hình đầu vào và đầu ra cũng như thiết lập truyền thông giao tiếp. Một số RTU có thể được lập trình với các ngôn ngữ như Basic, Visual Basic và C#. Tất nhiên, những ngôn ngữ này yêu cầu một bộ kỹ năng lập trình đặc biệt giống như các PLC. Một số RTU thậm chí còn được lập trình bằng các ngôn ngữ giống như PLC như Ladder Logic và Structured Text. Dung sai môi trường 15
Được cho rằng, dung sai môi trường là một lợi thế nhất định của RTU. RTU được sử dụng rộng rãi trong môi trường có nhiệt độ khắc nghiệt và đặt ở các vị trí xa xôi (dưới hầm, trên đỉnh núi, trên giàn khoan dầu ngoài khơi,..). Không có nhiều sự khác biệt giữa RTU và PLC, PAC hiện đại. Các công nghệ luôn thay đổi và thực hiện một công việc là san bằng sân chơi. 3.2 Ứng dụng RTU Hóa dầu và các nhà máy lọc dầu Nhà máy điện hạt nhân Nông nghiệp Kiểm soát chất lượng Nhà máy hóa chất Hệ thống xử lý nước thải Chế biến thức ăn Sản xuất ô tô Sản xuất dược phẩm Nhà máy xử lý nước CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày cấu hình phần cứng của RTU? 2. Trình bày chức năng của từng thiết bị ngoại vi của RTU? 3. Trình bày chức năng của phần mềm của RTU? 16
CHƢƠNG 2: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA Mã chƣơng: MH 34 - 03 Giới thiệu: Các phần mềm ứng dụng cho SCADA trong điện tự động hóa công nghiệp Mục tiêu: - Trình bày được các phương pháp kết nối thiết bị với phần mềm Scada - Trình bày được các khái niệm cơ bản trong phần mềm ứng dụng Scada - Sử dụng được các phần mềm WINCC và FIX-DMACS vào các bài tập cụ thể để giám sát và thu thập dữ liệu cho các hệ thống trong công nghiệp. - Phát huy tính tích cực, chủ động và nhanh nhạy trong công việc. Nội dung chính: 1 Các khái niệm cơ bàn trong phần mềm ứng dụng Phần mềm SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là phần mềm giám sát cài đặt trên máy tính dùng để giám sát điều khiển các quá trình có số đầu vào ra lớn từ vài trăm trở lên trong các nhà máy phát điện, công nghiệp dầu khí, hoá chất, nước, xử lý nước thải, thép…Các quá trình được điều khiển phân bố sử dụng PLC và thiết bị đo lường điều khiển ghép theo mạng. Hiểu theo nghĩa rộng, hệ thống SCADA bao gồm phần mềm giám sát, điều khiển và toàn bộ thiết bị phần cứng, phần mềm bảo đảm hoạt động của quá trình. Các thiết bị có thể đặt gần nhau kết nối qua mạng công nghiệp, hoặc đặt rải rác, kết nối qua đường truyền vô tuyến vi ba, đường tải điện PLC. Phòng điều khiển trung tâm gồm hệ thống máy tính nối mạng LAN có màn hình lớn trình bày hoạt động của quá trình sản xuất, kết nối với các bộ điều khiển ở dưới qua đường truyền vô tuyến, cáp quang, cáp đồng trục hay cáp đôi theo mạng Ethernet. SCADA cung cấp giao diện đồ họa giữa người và quá trình sản xuất. Các giá trị của quá trình được trình bày dưới dạng đèn báo, chữ số, đồ thị và được lưu trữ. Chức năng cảnh báo giúp thông báo cho người điều hành các sự cố. Chức năng tường trình tạo các báo cáo cho cấp trên. Hệ thống được phân cấp quản lý theo người dùng với mật mã truy cập. Phần mềm SCADA là phần mềm đa nhiệm, thường cài đặt trên hệ điều hành NT hay Windows XP, liên kết với các bộ điều khiển quá trình thông qua các driver truyền thông. Các phần mềm SCADA đều phải có bản quyền, nếu không chỉ chạy ở chế độ demo. Hệ thống SCADA có thể thực hiện theo chế độ một người dung hay nhiều người dùng. Chế độ nhiều người dùng (multi- user) gồm nhiều máy tính client nối mạng với máy server. Phần mềm SCADA được thiết kế để có thể liên kết với các ứng dụng khác thông qua OCX, Active X, OLE (Object Linking and Embedding), OPC (OLE for Process Control), DDE (Dynamic Data Exchange),DCOM (Distrubuted Component Object Module), 17
liên kết với cơ sở dữ liệu thông qua SQL (Structured querry Language), ODBC (Open Database Connectivity). Nhìn chung phần mềm SCADA gồm các phần tử và tính chất sau: Thiết kế đồ hoạ (Graphic Designer): tạo các hình vẽ của quá trình, tĩnh hay động. Đây là phần mềm đồ hoạ hướng đối tượng, có thể nhập xuất các đối tượng đồ hoạ liên kết với chương trình khác. Alarm Logging: Cung cấp các thông tin về sự cố dưới dạng chữ số về loại sự cố và thời gian, lưu trữ các sự cố trong cơ sở dữ liệu. Tag Logging: nhận dữ liệu từ quá trình hay các biến trong để hiển thị dạng bảng hay đồ thị (trend) và lưu trữ. Có hai loại tag là tag trong các biến nhớ của chương trình, tag quá trình liên kết với các địa chỉ vùng nhớ của PLC. User Administrator: phân cấp mức truy cập vào hệ thống bằng password, báo cáo lịch sử truy cập hệ thống. Global Script: giúp biên tập các hàm C liên kết với sự kiện nào đó. Report Designer: tạo các báo cáo và in ấn. Text Library: soạn văn bản thông báo. Communication driver: tạo kết nối giữa SCADA và PLC hay RTU (Remote Terminal Unit). Redundancy: tạo độ dư thừa để tăng độ tin cậy, ví dụ dùng hai máy tính chạy phần mềm SCADA song song. Database: chứa các thông số đặc trưng quá trình Scalability: giúp thay đổi thêm bớt thiết bị trong hệ thống Client/server: phần mềm SCADA được cài trên nhiều máy tính nối mạng LAN theo chế độ nhiều người dùng, gồm nhiều client và một server. Máy client nhận dữ liệu từ server Có nhiều phần mềm SCADA được sử dụng rộng rãi, có thể kể đến FIX của Intellution, WinCC (Siemens), RSView (Allen Bradley), Intouch (Wonderware), Think & Do (Think & Do Software)… 2 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC 2.1Giới thiệu phần mềm WINCC a) Khái quát chung WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000. Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát. Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người – máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua 18
giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống Hình 2.1: Đặc tính mở của phần mềm WinCC WinCC là sản phẩm kết hợp các bí quyết của hãng Siemens - công ty hàng đầu trong tự động hoá quá trình và Microsoft - công ty hàng đầu trong việc phát triển phần mềm cho PC. Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như: việc tích hợp với những hệ thống cấp cao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới. b) Các đặc điểm chính * Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất. Nhờ sự cộng tác của Siemens và Microsoft, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu. * Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập. * Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc 19