ĐỒ án môn học đề tài điều khiển và giám sát nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA CƠ ĐIỆN -    - ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Điều khiển giám sát nhà thông minh Họ tên Nguyễn Quốc Tiến Mã sinh viên 1721060565 Hà Nội 2021 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH CHƯƠNG 2: 12 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 12 2.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển 12 2.2 Định nghĩa SCADA 12 2.3 Phân loại hệ thống SCADA 13 2.4 Những chuẩn đánh giá hệ SCADA 114 2.5 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ SCADA 14 2.6 MƠ HÌNH PHÂN CẤP CHỨC NĂNG 15 CHƯƠNG 20 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 20 3.1 Mở đầu 20 3.2 Cấu tạo chung PLC 24 3.3 Đánh giá ưu nhược điểm PLC 26 3.4 Cách sử dụng PLC S7-200 27 3.5 Lập trình PLC S7 200 30 3.6 Cấu trúc chương trình 32 3.7 Các chế độ hoạt động 35 3.8 Mật 35 3.9 Thông báo xử lý lỗi 36 CHƯƠNG 37 TỔNG QUAN VỀ WINCC 37 4.1 Khái niệm WinCC 37 4.2 Chức trung tâm điều khiển (CONTROL CENTER) 38 4.3 Những đặc điểm WinCC 40 4.4 Các thành phần WinCC 43 4.5 WinCC add - ons 44 4.6 Hệ thống WinCC 45 4.7 Cách thức làm việc với WinCC 45 4.8 Sơ đồ chức WinCC 46 4.9 Giao tiếp WinCC 48 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật,công nghệ kỹ thuật điện tử mà kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trịquan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng tin Do sinh viên chuyên ngành Điện-Điện tử,chúng ta phải biếtnắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển nềnkhoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh cịn thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà “Smart House - Ngôi nhà thông minh’’ nghiên cứu phát triển giới Việc điều khiển thiết bị điện nhà trực tiếp từ xa làyêu cầu điều khiển nhà thông minh Việc điều khiển từ xa cóthiết bị riêng, mạng internet đặc biệt sử dụng phương tiện sửdụng phổ biến điện thoại di động Với ý tưởng ban đầu xây dựng thiết bị khơng dây dùng sóng hồng ngoại sóng RF để điều khiển thiết bị điệntrong nhà Nhưng chúng có nhược điểm riêng Qua nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ di động sử dụng cho mục đích ngồi thơng tin liên lạc tính điều khiểntừ xa Bằng cách sử dụng điện thoại di động để nhắn tin SMS gửi đến một mạch điều khiển có gắn Module sim để điều khiển thiết bị điện Với cách cóthể khắc phục nhược điểm bị vật cản (sóng hồng ngoại), khoảng cách ngắn(sóng RF) Giải pháp nhà thông minh chắn đem đến trải nghiệm thơng minh tiện ích cho bạn Điều đặc biệt hơn, giải pháp nhà thông minh ngày phổ biến với người tiêu dùng ngơi nhà bình thường trở thành nhà thông minh độc đáo sáng tạo Giải pháp nhà thông minh phù hợp với hầu hết người dùng nhằm đem lại tiện nghi tiết kiệm cho sống gia đình! Đặc biệt, thiết bị nhà thông minh SmartZ dành cho tất người Một ngơi nhà bình thường ứng dụng trở nên thơng minh bất ngờ Bạn cịn linh hoạt đầu tư theo chi phí Bạn khơng cần lúc tiêu nhiều để sắm thiết bị Điều kiện cần thiết để sử dụng khơng có q xa lạ với là: điện thoại thơng minh máy tính bảng đường truyền mạng internet Với giải pháp nhà thơng minh, bạn “bỏ túi” nhà bạn khắp nơi Dù bạn làm bạn đâu, bạn dõi theo điều khiển thứ dễ dàng Một giải pháp nhà thông minh thường đem lại lợi ích sau cho bạn: - Quan sát nhà từ xa dễ dàng - Điều khiển thiết bị điện thuận tiện - Giám sát an ninh ngơi nhà an tồn & hiệu - Hẹn lịch trình cho hành động lặp lặp lại ngày - Kiểm soát yếu tố liên quan đến chất lượng môi trường sống xung quanh Hơn nữa, giải pháp nhà thông minh mang đến cho bạn sống đầy tiện nghi đa tiện ích Tất thứ nhà nghe lời hành động theo ý bạn Bạn sáng tạo vô số ứng dụng để tạo khác biệt để ứng dụng vào nhà Bạn khơng cịn tốn thời gian với hành động lặp lặp lại hàng ngày thiết bị chuyên dụng hỗ trợ cho bạn Và bạn có nhiều thời gian để giải trí, luyện tập thói quen tốt cho sức khỏe Đồng thời, bạn có nhiều thời gian & hội dành điều tốt đẹp cho người thân Chúng ta chi tiết vào vài ứng dụng thú vị giải pháp nhà thơng nhé! Giải pháp nhà thông minh giúp bạn điều khiển kiểm soát thiết bị nhà thuận tiện hiệu Bạn dùng điện thoại máy tính bảng điều khiển tất thiết bị nhà thay dùng remote thơng thường khác Các thiết bị dùng remote nhà bạn như: cửa cuốn, tivi, máy lạnh, máy quạt, rèm cửa, âm ly, loa,…đều điều khiển điều khiển trung tâm giải pháp nhà thông minh Như vậy, remote nhà bạn “nghỉ ngơi” bạn không cần phải lo lắng việc cất giữ chúng tìm kiếm lần cần điều khiển thiết bị Đặc biệt nữa, bạn điều khiển chúng dù bạn đâu giới (miễn có internet) Bạn cảm thấy thật tuyệt vời bạn gia đình du lịch bãi biển xinh đẹp tắt tivi phịng ngủ lúc vội mà cậu trai bạn chưa tắt đảm bảo an tồn cho ngơi nhà tránh cố đáng tiếc chập điện Giải pháp nhà thông minh cung cấp cho bạn giải pháp quan sát từ xa hiệu Những camera thông minh đôi mắt phụ cặp tai phụ hồn hảo cho bạn Bạn khơng thể nhà suốt để trơng giữ ngơi nhà Vì vậy, camera thơng minh thay bạn làm điều Đồng thời, camera thơng báo kịp thời đến bạn có chuyển động bất thường để bạn nắm bắt bảo vệ nhà tốt Giải pháp nhà thông minh giúp bạn lập trình điều khiển hệ thống chiếu sáng gọn nhẹ hiệu Chỉ với chạm nhẹ vào hình điện thoại bạn tắt mở tất đèn chiếu sáng nhà Ngồi ra, bạn đặt lịch trình hoạt động hệ thống chiếu sáng để không cần phải tự tay làm ngày Giải pháp smarthome giúp bạn kiểm sốt an ninh thật tốt cho ngơi nhà bạn Đây tiện ích cần thiết hữu dụng để bạn bảo vệ cải, tài sản nhà tốt Bạn biến tất thiết bị nhà trở thành đội quân chống trộm hùng hậu Bạn hoàn tồn lập trình nhiệm vụ cho thiết bị để ngăn chặn kẻ xấu công nhà bạn Ví dụ: có kẻ đột nhập từ sân thượng nhà bạn xuống, cửa ban công sân thượng đóng lại, đèn sân thượng sáng lên, cịi hú vang âm ĩ, loa phát âm có trộm, rèm cửa mở ra,…cùng hàng loạt ngữ cảnh khác Bên cạnh đó, cảnh báo trộm gửi đến điện thoại dù bạn có vắng nhà biết sớm có giải pháp để ứng phó & ngăn chặn Giải pháp nhà thơng minh cịn giúp cho bạn kiểm sốt chất lượng mơi trường sống Các cảm biến đo lường thông báo cho bạn biết thơng số liên quan đến mơi trường Nhờ đó, bạn nắm bắt điều chỉnh để đảm bảo có mơi trường sống thống mát, tốt cho sức khỏe Bạn hoàn toàn sáng tạo nhiều ứng dụng thú vị thiết bị giải pháp nhà thông minh Cuộc sống bạn đại hơn, tiện nghi ngày Cùng tham khảo số ứng dụng thực tế giải pháp nhà thông minh nhé: – Khi bạn vắng nhà, người lạ đột nhập vào nhà chng báo động tự động hú vang, hệ thống đèn bật sáng, bạn nhận thông báo từ điện thoại 10 4.2 Chức trung tâm điều khiển (CONTROL CENTER) 4.2.1 Chức Control Center chứa tất chức quản lý cho toàn hệ thống control Center • Nhiệm vụ quản lý liệu Cung cấp ảnh trình với giá trị tag, tất hoạt động liên quan đến quản lý liệu chạy background (nền) • Nhiệm vụ control center Control có nhiệm vụ chính: - Lập cấu hình hồn chỉnh - Hướng dẫn, giới thiệu việc lập cấu hình - Thích ứng việc ấn định, gọi lưu trữ dự án (Projects) - Quản lý dự án (Projects) - Có khả nối mạng soạn thảo cho nhiều người sử dụng Projects - Quản lý phiên - Diễn tả đồ thị cho liệu, cấu hình - Điều khiển đặt cấu hình cho hình vẽ/cấu trúc hệ thống - Thiết lập việc cài đặt toàn cục - Đặt cấu hình cho chức định vị đặc niệt - Tạo soạn thảo tham khảo đan chéo - Phản hồi tài liệu - Báo cáo trạng thái hệ thống - Thiết lập hệ thống đích - Chuyển Run-timer cấu hình - Kiểm tra chế đọ mơ phỏng, trợ giúp thao tác để đặt cấu hình liệu bao gồm: dịch hình vẽ, mơ tag, hiển thị trạng thái thiết lập thông báo 38 4.2.2 Các module chức Phân hệ đồ họa (Graphic Designer): Hiển thị kết nối trình đồ thị Viết chương trình cho thao tác (Global Srips): Tạo dự án động cho yêu cầu đặc biệt Hệ thống thông báo (Alarm Logging): Xuất thông báo hồi đáp Lưu trữ soạn thảo giá trị đo lường (Tag Logging): Soạn thảo giá trị đo lưu trữ chúng thời gian dài, soạn thảo liệ lien quan đến người sử dụng lưu trữ liệu chúng thời gian dài Phân hệ báo cáo (Repost Designer): Báo cáo trạng thái hệ thống 4.2.3 Phản hồi tài liệu Đối với trung tâm điều khiển (Control Center), việc in hệ thống định sẵn có báo cáo thiết kế (Repost Designer) để hiển thị nội dung tài liệu Tất máy tính, biến (tag) kết nối định hình in “Print Job” hay hiển thị hình Các kiểu liệu dự án xuât phản hồi qua tài liệu Máy tính: tên kiểu máy tính (Server hay Client) Tag management: Tên biến (tag) kiểu liệu, kết nối, kênh Kết nối: Kết nối đơn vị tham số 4.2.4 Soạn thảo (EDITOR) Các soạn thảo trung tâm điều khiển (Control Center) bao gồm: Bảng 4.1 Các chương trình soạn thảo: Chương trình soạn thảo Giải thích Alarm Logging Nhận thơng báo từ trình để chuẩn bị, hiển (Báo động) thị, hồi đáp, lưu trữ thông báo 39 User Administrator Việc điều khiển truy nhập cho phép cho nhóm (Quản lý người dùng) người sử dụng Text Library Chứa văn tuỳ thuộc ngôn ngữ ta tạo (Thư viện văn bản) Report Designer Cung cấp hệ thống báo cáo tích hợp mà ta sử (Báo cáo) dụng để báo cáo liệu, giá trị trình hành lưu trữ, thông báo hành lưu trữ, hệ thống tài liệu người sử dụng Global Scripts Cho phép ta tạo dự án động tùy thuộc vào yêu (Viết chương trình) cầu đặc biệt Bộ soạn thảo cho phép ta tạo hàm C thao tác sử dụng hay nhiều projects tùy theo kiểu chúng Tag Logging Xử lý giá trị đo lường lưu trữ chúng thời (Hiển thị giá trị xử lý) gian dài Graphics Designer Cung cấp hình hiển thị kết nối đến (Thiết kế đồ họa) trình 4.3 Những đặc điểm WinCC - WinCC phần thuật ngữ Tự động hóa tích hợp tồn diện TIA (Totally Intergrated Automation) hãng Simiems, WinCC tương tích làm việc tốt với thiết bị tự động hóa chế tạo từ nhà sản xuất SIMIEMS Ngồi thiết bị tự động nhà sản xuất khác tích hợp WinCC, điều có nghĩa WinCC tương thích với hệ thống có thiết bị cung cấp từ nhiều hãng khác 40 - Cơ sở liệu mới: Dữ liệu WinCC bao gồm liệu trình tạo WinCC sở liệu kỹ thuật tạo SQL Microsoft Excel Access Hình 3.2 Khả kết nối WinCC - WinCC tích hợp với qui mơ q trình tự động, loạt cấu hình cung cấp như: từ hệ thống người dùng (Single - user system), hệthống đa người dùng (Multi client - serverr system) hệ có dự phịng, hệ phân tán (Distributed system) với vài server - Hệ thống Single - user thường dùng cho việc giám sát điều khiển phần phân xưởng sản xuất, số biến trình cho phép hệ phụ thuộc vào licence - Hệ thống Multi - user bao gồm server vài client phụ thuộc vào quy mơ hệ thống tự động hóa Server client nối với thông qua mạng LAN theo chuẩn truyền thơng TCP/IP Một BUS q trình (Process BUS) dùng để nối từ server đến hệ thống tự động (Automation system - AS) 41 Hình 3.3 Hệ thống Single - User System Mô tả cấu trúc hệ đa người dùng với server nhiều client, số lượng client phụ thuộc vào yêu cầu hệ thống Hình 3.4 Hệ thống Multi - User System Hệ Multi client - user thiết kế nguyên tắc client - server, server đáp ứng nhiệm vụ sau: 42 + Kết nối hệ thống tự động hóa + Kết hợp client + Cung cấp cho client biến trình, lưu trữ liệu, thông báo, screen chuẩn truyền thơng Mỗi server cho phép kết nối tối đa với 16 client Cấu hình WinCC thay đổi thời điểm Ngoài WinCC hệ thống giao diện Người - Máy (HMI) có khả tương thích mạng với công cụ Web - base, giải pháp client Thin - Client solution 4.4 Các thành phần WinCC WinCC có cấu trúc modul hóa, hệ thống WinCC chia thành dạng modul WinCC WinCC add - on Hệ thống WinCC tạo phần cấu trúc (Configuration Sofware) (CS) dành để thực hịên soạn thảo phần chương trình chạy (RuntimeSofware) (RT) dành để thực chạy chương trình Trình Runtime thực giao tiếp (Gồm giao tiếp cứng giao tiếp mềm) phòng điều hành phân xưởng sản xuất Chỉ chạy Runtime WinCC nhận giá trị từ hệ thống tự động hệ thống tự động nhận lệnh điều khiển từ người điều hành tác động Graphic hình điều khiển giám sát WinCC Ta dùng phần chương trình Configuration để tạo dự án.Ta dùng phần chương trình Runtime để thực dự án 43 Hình 3.5 Các thành phần WinCC Hình 3.6 Cấu trúc WinCC 4.5 WinCC add - ons WinCC add-ons sản phẩm giải pháp cho ứng dụng đặc biệt nhà cung cấp thêm người sử dụng có yêu cầu Đây coi module mở rộng cho phần mềm 44 4.6 Hệ thống WinCC WinCC bao gồm nhiều thành phần, nhiên có thành phần thiếu cấu thành WinCC sau: - Graphic system - Alarm logging - Archiving system - Logging system - Communication - User Aministration 4.7 Cách thức làm việc với WinCC WinCC bao gồm hai phần chương trình tách biệt: Phần chương trình cấu trúc (Configuration) phần chương trình chạy Cách thức làm việc với WinCC cách thức làm việc với hai phần chương trình 4.7.1 Phần chương trình cấu trúc (Configuration Sofware - CS) Đây trình soạn thảo, tất soạn thảo thực trình configuration WinCC Explorer thành phần hạt nhân Configuration software, khởi động WinCC cửa sổ WinCC Explorer tự động mở, ta tiến hành xây dựng dự án soạn thảo hiển thị cửa sổ WinCC Explorer, soạn thảo gọi Subsystem Các Subsystem quan trọng WinCC là: + The Graphic System - soạn thảo tạo hình đồ họa Graphic Designer + Alarm logging - soạn thảo thông báo Alarm logging + The Archiving System - soạn thảo Tag logging sử dụng để liệu lưu trữ + The Report System - soạn thảo dùng để tạo lớp báo cáo Report Designer 45 + User Adiminstratin soạn thảo sử dụng để đăng ký quyền điều hành User Administrator + Communication - Các giao thức, thiết bị truyền thông cung cấp trực tiếp WinCC Explorer Tất soạn thảo thực lưu trữ sở liệu CS 4.7.2 Phần chương trình chạy (Runtime Software RT) Runtime Software cho phép người dùng điều hành giám sát q trình Nó sử dụng chủ yếu để thực hện nhiệm vụ sau: Đọc liệu ghi CS database Hiển thị Picture hình Liên kết với hệ thống tự động Lưu trữ liệu thời, giá trị q trình thơng báo kiện Điều khiển q trình thơng qua giá trị đặt đầu vào dùng công tác On/Off Kết trình soạn thảo cửa sổ WinCC Explorer kết hợp với trình chạy thực hiển thị phần Runtime 4.8 Sơ đồ chức WinCC Sử dụng chức soạn thảo Configuration software để tạo Project Tất soạn thảo WinCC lưu trữ Configuration database (CS Database) Khi thực chạy chương trình, thơng tin Project được từ CS data runtime Software Project thực Dữ liệu trình hành lưu trữ tạm thời Runtime Database (RT Database) Graphic System hiển thị picture hình, chấp hành theo người điều hành, người điều hành kích On Buton nhập giá trị đầu vào 46 Việc truyền thông WinCC hệ thống tự động thực qua thiết bị kết nối Các thiết bị kết nối (chanel) có nhiệm vụ thu thập giá trị trình yêu cầu tất Runtime thành phần, đọc giá trị biến trình bên từ hệ thống tự động cần ghi giá trị cho hệ thống tự động Archiving System ghi giá trị trình vào phần lưu trữ giá trị trình Các giá trị lưu trữ bao gồm giá trị Online Trend Control Online Table Control Các giá trị trình riêng biệt giám sát Alarm logging Nếu giá trị vượt giới hạn, Alarm logging tạo thông báo phát hành Alarm Control Alarm logging chấp nhận điều khiển từ người điều hành người quản lý Alarm logging ghi tất thông báo vào phần message archive Report System hệ thống báo cáo WinCC, Report ghi lại dạng văn theo yêu cầu theo khoảng thời gian định trước 47 Hình 3.8 Biểu đồ làm việc WinCC 4.9 Giao tiếp WinCC Giao tiếp WinCC gồm hai phần: giao tiếp mềm giao tiếp cứng - Giao tiếp mềm có nhiệm vụ thực trao đổi phần mềm ứng dụng như: MS Excel, SQL, SIMATIC Protol MS Accsess Các giao tiếp thực nhờ hỗ trợ kết nối đối tượng cho điều khiển trình - OPC (OLE For process control) WinCC cung cấp liệu cho phần mềm ứng dụng theo OPC server tích hợp, mặt khác WinCC nhận liệu phần mềm ứng dụng khác qua OPC Client - Giao tiếp cứng giao tiếp WinCC với hệ thống tự động AS thông qua BUS qua trình như: Ethenet Profibus Các giao tiếp điều khiển thiết bị kết nối gọilà Chanel WinCC cung cấp lựa chọn thiết bị kết nối cho 48 hệ thống tự động SIMATIC S5/S7/505, ngồi WinCC cịn cung cấp thiết bị kết nối khơng địi quyền PROFIBUS DP, DDE, OPC Hình 3.9 Giao tiếp với hệ thống tự động AS Các dạng biến trình thay đổi phụ thuộc vào liên kết WinCC hệ thống tự động AS Mỗi biến trình WinCC tương ứng với giá trị trình lưu trữ nhớ thiết bị nối với AS Trong chạy, liệu hệ thống tự động WinCC lưu trữ, đồng thời WinCC cho phép hệ thống tự động đọc giữ liệu từ nhớ, mặt khác dùng WinCC để thay đổi liệu Nghĩa cách ta dùng WinCC để điều khiển trình Trên hình 3.9 trao đổi liệu WinCC hệ thống tự động AS Các thiết bị truyền thơng, kết nối logic, biến q trình Việc giao tiếp WinCC hệ thống tự động thực thông qua kết nối logic Các kết nối logic xếp theo cấp bậc cửa sổ WinCC Explore 49 Hình 3.10 Trao đổi liệu WinCC hệ thống tự động AS Các thiết bị truyền thơng tìm thấy mục “SIMATIC PROTOCOL SUITE” Hình 3.11 Các phương thức truyền thông WinCC Một nhiều giao thức cung cấp cho thiết bị truyền thông Mỗi giao thức chọn thiết bị truyền thơng thường dùng với giao thức Q trình kết nối trình Runtime: 50 Để cập nhật giá trị q trình trình Runtime, WinCC thơng qua kết nối cứng (vật lý) để nhận biết biến trình vùng quản lý Hình 3.12 Quá trình trao đổi liệu hệ thống tự động WinCC Các giá trị trình truyền thiết bị truyền thông, liệu đọc ghi vào nhớ làm việc wincc với hệ thống tự động AS thông qua thiết bị truyền thơng BUS q trình 51 52 ... Acquisition hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu, nói cách khác hệ thống hỗ trợ người việc giám sát điều khiển từ xa, cấp cao hệ điều khiển tự động thông thường Để điều khiển giám sát từ xa hệ... thống điều khiển giám sát phân chia thành cấp chức hình vẽ minh hoạ đây: Hình 1.2 Mơ hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát Để xếp, phân loại chức tự động hoá hệ thống điều khiển giám sát. .. nghiệm thông minh tiện ích cho bạn Điều đặc biệt hơn, giải pháp nhà thông minh ngày phổ biến với người tiêu dùng ngơi nhà bình thường trở thành ngơi nhà thơng minh độc đáo sáng tạo Giải pháp nhà thông