Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

5
3.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông 73
3.3.2. Tham số truyền thông 74
3.3.3. Các cổng truyền thông 74
3.3.4. Khoảng cách truyền thông 75
3.3.5. Điều khiển đờng tín hiệu truyền thông 75
3.3.6. Nghi thức truyền thông 76

Chơng 4 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát
4.1. Phân tích thiết kế hệ thống 78
4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát 78
4.1.2. PLC 80
4.1.3. Hệ thống điều khiển giám sát 80
4.1.4. Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống 86
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát 88
4.2.1. Các thành phần và tính năng của hệ thống 88
4.2.2. Hoạt động của hệ thống 88

kết luận và khuyến nghị 93
tài liệu tham khảo 94

phụ lục a: Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống
phụ lục b: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển
Phụ lục c: m nguồn chơng trình điều khiển cho PLC


6
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
STT T vit tt Gii ngha
1 ADC Analog Digital Converter
2 AGC Automatic Generation Control
3 DA Distribution Automation
4 DAC Digital Analog Converter
5 DCE Data Communication Equipment
6 FBD Function Block Diagram
7 HMI Human Machine Interface
8 LAD Ladder Logic
9 LAN Local Area Network
10 MMI Man Machine Interface
11 MPI Multi Point Interface
12 MS Master Stations
13 MTU Master Terminal Unit
14 PLC Programable Logic Control
15 PSN Public Switched Network
16 RTU Remote Terminal Unit
17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
18 STL Statement List
19 UCA Utility Communication Architecture
20 WAN Wide Area Network


7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Thứ tự Tên hình Trang
Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 12
Hình 1.2 Một RTU điển hình 13
Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên 21
Hình 1.4 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai 22
Hình 1.5 Hệ thống SCADA thế hệ thứ ba 24
Hình 1.6 Kiến trúc chung của phần mềm 26
Hình 2.1 MPI - SURNET 33
Hình 2.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 36
Hình 2.3 Phơng pháp thâm nhập đờng dẫn trong mạng
PROFIBUS
37
Hình 2.4 Mạng PROFIBUS 38
Hình 2.5 Mạng PROFIBUS -DP 39
Hình 2.6 Industrial Ethernet 41
Hình 2.7 Kết nối điểm tới điểm 43
Hình 2.8 ASI - Subnet 44
Hình 2.9 Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC 46
Hình 2.10 Kiểu mạng RS-422 bốn dây 49
Hình 2.11 Sơ đồ bộ kích thích và bộ thu RS-485 51
Hình 2.12 Quy định trạng thái logic cảu tín hiệu RS-485 52

8
Hình 2.13 Các phơng pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 55
Hình 3.1 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển logic 62
Hình 3.2 Các thành phần của PLC S7-200 66
Hình 3.3 Cấu tạo của CPU 214 67
Hình 3.4 Sơ đồ chân của cổng truyền thông 68
Hình 3.5 Ghép nối máy tính với PLC 69
Hình 3.6 Bộ nhớ trong và ngoài của S7 - 200 69
Hình 4.1 Cấu tạo của lò nhiệt 81
Hình 4.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 84
Hình 4.3 Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 87
Hình 4.4 Hình dáng của PZ-41L 88
Hình 4.5 Bảng điều khiển hệ thống 90
Hình 4.6 Giao diện điều khiển giám sát 91

9
Mở đầu
Trong những năm gần đây, nhu cầu về ứng dụng tự động hoá kết hợp
với truyền thông trong hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp đang phát triển
rất mạnh. Rất nhiều nhà máy, xí nghiệp có nhu cầu trang bị hệ thống tự động
hoá để phục vụ cho mục đích của họ. Nhng họ không có nhiều thông tin về
các hệ thống đó.
Trong thực tế, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều hệ thống tự động điều
khiển giám sát hoạt động nhng tính tích hợp của nó cha cao. Hầu hết các hệ
thống này thờng dành cho các ứng dụng lớn, do đó giá thành tơng đối cao,
không phù hợp với nhiều nhà máy, xí nghiệp. Hơn nữa, mỗi nhà máy, xí
nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau. Do đó việc
nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
(SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý,
giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất
thiết thực và cần thiết.
Chỉ cần có một ngời điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một
phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể
ứng dụng để :
- Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động
- Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt
- Giám sát số lợng ngời vào/ra khu vực lò
- Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập
- Giám sát hoạt động của ngời trong phòng/toà nhà thông qua Camera
quan sát
- Điều khiển chuông báo giờ

10
Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở
trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của ngời sử dụng, và khi đó giá
thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo.
Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: Xây dựng hệ thống điều
khiển giám sát với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển
giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính.
Nội dung của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống.
- Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống.
- Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống.
Đề tài đợc hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S. Nguyễn
Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Trờng ĐH Bách Khoa
Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Trờng ĐH Công nghiệp
Hà Nội. Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc tìm tài liệu và biên dịch nhng
chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý của các
thầy cô và các bạn để đề tài của tôi đợc đầy đủ hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!



11
Chơng 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
(SCADA)
1.1. Tổng quan về SCADA:
SCADA là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition
(Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống
điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả
của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hoá.
Các thiết bị tự động hoá ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào
mạng truyền thông công nghiệp.
Một hệ thống SCADA bao gồm 1 hay nhiều máy tính, dùng kèm với 1
phần mềm ứng dụng thích hợp. Chúng hình thành các Trạm chính (MS -
Master Stations) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đờng dây hữu
tuyến, vô tuyến, đờng dây truyền tải, cáp quang, mạng Internet) kết nối
với các Đơn vị tải đầu cuối (RTU - Remote Terminal Units). Các RTU đợc
đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển
linh hoạt hệ thống và thông báo định kỳ kết quả về máy tính chủ.
Một hệ thống SCADA sẽ thu thập thông tin, truyền thông tin trở lại vị
trí trung tâm, sau đó cảnh báo trạm chính rằng đã có sự cố xảy ra, cần thực
hiện các phân tích và điều khiển, xem xét liệu sự cố đó có nguy cấp hay
không, rồi hiển thị thông tin theo một dạng logic và có tổ chức nhất định. Hệ
thống SCADA có thể ở dạng đơn giản, nh một hệ thống giám sát điều kiện
môi trờng; nhng có thể rất phức tạp, nh hệ thống giám sát các hoạt động
của một nhà máy năng lợng hạt nhân. Trớc đây, các hệ thống SCADA sử
dụng mạng chuyển mạch chung (PSN Public Switched Network) để phục vụ
mục đích giám sát. Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng
của LAN/WAN (Local Area Network/Wide Area Network). Kỹ thuật không
dây cũng đang đợc ứng dụng rộng rãi cho mục đích giám sát.

12

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống SCADA

Nh vậy, hệ thống SCADA bao gồm:
Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu, thờng là các RTU hoặc PLC.
Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị giao
tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong máy chủ trung
tâm SCADA. Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại, cáp, vệ
tinh. hoặc là sự kết hợp của bất kỳ loại nào ở đây.
Một hoặc nhiều máy tính chủ ở trung tâm (còn đợc gọi là SCADA
Center, Master Station, hoặc Master Terminal Unit MTU).
Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống phần mềm (đôi khi đợc gọi là
phần mềm giao diện ngời máy (HMI Human Machine Interface
hoặc MMI Man Machine Interface)) sử dụng để hỗ trợ cho máy chủ

13
trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ trợ hệ thống
truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu từ xa.
1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units):
RTU là một thiết bị giao tiếp với các đối tợng trong hệ SCADA bằng
cách truyền dữ liệu của phép đo từ xa tới hệ thống và/hoặc cảnh báo trạng thái
của các đối tợng đã kết nối dựa trên các thông báo điều khiển nhận đợc từ
hệ thống.
Một RTU điển hình có một giao diện truyền thông (thờng là nối tiếp,
Ethernet, giao diện riêng hoặc bất kỳ sự kết hợp nào ở đây), một bộ xử lý đơn
giản, một vài cảm biến, một vài chuyển mạch, và một bus sử dụng để liên lạc
với các thiết bị và/hoặc các board giao diện. Bus này đôi khi đợc gọi là bus
thiết bị. Các board giao diện có thể là ở dạng số và dạng tơng tự, nó đợc
thiết kế chỉ cho đầu vào, chỉ cho đầu ra hoặc cả hai. Chúng thờng đợc viết
tắt là "DI" (Digital Input), "AO" (Analog Output),

Hình 1.2: Một RTU điển hình
Các RTU thực chất là các bộ điều khiển (PLC hoặc bộ vi điều khiển), bên
trong nó thờng chứa sẵn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters)
và DAC (Digital Analog Converters). Các bộ RTU đợc thiết kế rất chặt chẽ,
bao gồm: các ngõ vào/ra I/O đợc bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống
các xung quá độ điện áp. Các bộ RTU đợc thiết kế để làm việc trong môi

14
trờng có nhiệt độ khắc nghiệt (- 40
0
C đến +85
0
C), đợc cấp nguồn hoặc bằng
điện AC 120/240V, hoặc bằng điện DC 125/24VDC. Một RTU có thể có
nhiều cổng kết nối sao cho 1 RTU có thể đợc chia sẻ bởi nhiều máy (Master
Station).
1.1.1.1. Phân loại RTU:
a) RTU dùng cho các trạm trung chuyển:
ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lợng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến
vài ngàn điểm). Chúng đợc đóng gói trong vỏ bọc dạng tủ đứng, gồm nhiều
ngăn gắn Card cho phép kết nối tới nhiều Card vi xử lý, Card ADC&DAC,
Card I/O. Nh vậy, một RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với
nhiều RTU khác trên chính trạm đó. Mỗi RTU này có chức năng chuyên biệt
riêng, từ điều khiển vòng kín cho đến chuyên xử lý tính toán.
b) RTU dùng để tự động hoá lới phân phối:
ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lợng ngõ nhập/xuất nhỏ hơn. Các
RTU loại này (gọi là DA RTU DISTRIBUTION AUTOMATION RTU)
thờng là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor, trên đó tích
hợp sẵn các ngõ I/O. Các Card I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt,
thay cho loại Card cắm trực tiếp. Hớng phát triển mạnh nhất là các DA RTU
tích hợp công (Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số) có khả năng phát
hiện lỗi và xử lý tính toán các đại lợng điện cực nhanh.
c) Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC Programable Logic Control):
Từ nhiều năm, PLC đã đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều
dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp. Gần đây, PLC lại bắt đầu
đợc dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ
thống phân phối năng lợng. Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất
lớn (hàng nghìn đơn vị). Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc đợc điều khiển
bằng chơng trình phần mềm nạp sẵn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát
từ máy chủ của hệ thống SCADA. Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và

Xem chi tiết: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát