Hệ thống ñiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

Khái niệm hệ thống ñiều khiển giám sát ðiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA là một phần không thể thiếu ñược trong một hệ thống tự ñộng hóa hiện ñại.. Những chuẩn ñánh giá một h

1

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống ñiều khiển giám sát và thu thập

dữ liệu SCADA 1.1 Khái niệm hệ thống ñiều khiển giám sát

ðiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể thiếu ñược trong một hệ thống tự ñộng hóa hiện ñại Từ những năm gần ñây, tiến bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm ñã thực sự ñem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới

Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệm SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) cũng ñược hiểu với những ý nghĩa hơi khác nhau, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian

Có thể, khi nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng và thiết

bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về một khu trung tâm ñể xử lý Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai thác dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu Theo cách hiểu này, vấn ñề truyền thông ñược ñặt lên hàng ñầu Trong nhiều trường hợp, các khái niệm SCADA và

"None-SCADA" lại ñược dùng ñể phân biệt các giải pháp ñiều khiển giám sát dùng công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ FIX, InTouch, WinCC, Lookout, ) hay phần mềm phổ thông (Access, Excel, Visual Basic, Delphi, JBuilder, ) ở ñây, công nghệ phần mềm là vấn ñề ñược quan tâm chủ yếu

Nói một cách khái quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ thống ñiều khiển giám sát, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc quan sát và ñiều khiển

từ xa, ở cấp cao hơn hệ ñiều khiển tự ñộng thông thường ðương nhiên, ñể có thể quan sát và ñiều khiển từ xa cần phải có hệ thống truy nhập (không chỉ thu thập!) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần phải có giao diện người-máy (Human-Machine Interface, HMI) Tùy theo trọng tâm của nhiệm vụ mà người ta có thể có những cách nhìn khác nhau

1.2 Phân loại hệ thống SCADA:

Các hệ thống SCADA ñược phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

• SCADA ñộc lập / SCADA nối mạng

• SCADA không có khả năng ñồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý ñồ hoạ thông tin thời gian thực

Hệ thống SCADA mờ (Blind): ðây là hệ thống ñơn giản, nó không có bộ phận giám sát Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng ñồ thị Do tính ñơn giản nên giá thành thấp

Hệ thống SCADA xử lý ñồ hoạ thông tin thời gian thực: ðây là hệ thống

SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước ñấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt ñộng của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt ñộng của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành ñể xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu ñiều khiển dừng hoạt ñộng của tất cả máy móc

Hệ thống SCADA ñộc lập: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý Hệ này chỉ có thể ñiều khiển ñược một hoặc hai máy móc Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

Hệ thống SCADA mạng: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý Các máy tính giám sát ñược nối mạng với nhau Hệ này có khả năng ñiều khiển ñược nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống ñược kết nối với phòng quản lý, phòng ñiều khiển, có thể nhận quyết ñịnh ñiều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng ñiều khiển

có thể ñiều khiển hoạt ñộng của các thiết bị ở xa

1.3 Những chuẩn ñánh giá một hệ SCADA:

ðể ñánh giá một hệ thống ñiều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích các ñặc ñiểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm ñối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện

Số lượng và chất lượng của các thành phần ñồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành,

sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường)

Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao ñổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting)

Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao ñổi thông tin, ñối với nền Windows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá thành tổng thể của hệ thống

3

1.4 Cấu trúc chung của một hệ SCADA

Hình 1-1 Cấu trúc chung của một hệ SCADA

Các thành phần cơ bản của một hệ thống ựiều khiển và giám sát quá trình ựược minh họa trên hình vẽ Các cảm biến và cơ cấu chấp hành ựóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị ựiều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi ựó, hệ thống ựiều khiển giám sát ựóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy Các thiết bị có thể ựược ghép nối trực tiếp ựiểm-ựiểm, hoặc thông qua mạng truyền thông

Tùy theo loại cảm biến, tắn hiệu của chúng ựưa ra có thể là tắn hiệu nhị phân, tắn hiệu số hay tắn hiệu tương tự theo các chuẩn ựiện học thông dụng khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ) Trước khi có thể xử lý trong máy tắnh số, các tắn hiệu ựo cần ựược chuyển ựổi, thắch ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tắnh Bên cạnh ựó, ta cũng cần các biện pháp cách ly ựiện học ựể tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị đó chắnh là các chức năng của các module vào/ra (I/O)

Tóm lại, một hệ thống ựiều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chắnh sau ựây:

Ớ Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển ựổi tắn hiệu

Ớ Thiết bị ựiều khiển tự ựộng: Các thiết bị ựiều khiển như các bộ ựiều khiển chuyên dụng, bộ ựiều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị ựiều chỉnh số ựơn lẻ (compact digital controller) và máy tắnh cá nhân cùng với các phần mềm ựiều khiển tương ứng

• Hệ thống ñiều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và ñiều khiển cao cấp

• Hệ thống truyền thông: Ghép nối ñiểm-ñiểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

• Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.5 Các thành phần chức năng cơ bản của một hệ SCADA

Xét một cách tổng quát, một hệ thống ñiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu bao gồm những thành phần chức năng cơ bản như liệt kê dưới ñây:

1.5.1.Phần cứng:

• Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các ñầu ño

• Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân kênh, Modem, các bộ thu phát

• Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC, Workstation), các bộ tập trung dữ liệu (Data concentrator, PLC, PC)

• Trạm vận hành (Operator Station)

1.5.2 Phần mềm:

Hình 1- 2 Các thành phần phần mềm trong một hệ ñiều khiển

giám sát và thu thập dữ liệu

• Giao diện vào/ra (phần mềm giao diện quá trình), dưới dạng các I/O Drivers,

5

• I/O-Servers (DDE,OPC, )

• Giao diện người-máy

• Cơ sở dữ liệu quá trình

mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

Hình 1- 3 Mô hình phân cấp chức năng

1.6.1 Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là ño lường, truyền ñộng và chuyển ñổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, ña số các thiết bị cảm biến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần ñiều khiển riêng cho việc thực hiện ño

lường/truyền ñộng ñược chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh1 cũng có thể ñảm nhận việc xử lý thô thông tin, trước khi ñưa lên cấp ñiều khiển

1.6.2 Cấp ñiều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp ñiều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông tin ñó theo một thuật toán nhất ñịnh và truyền ñạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Khi còn ñiều khiển thủ công, nhiệm vụ ñó ñược người ñứng máy trực tiếp ñảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ ño lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm

ñể thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút ñóng/mở van, ñiều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v Trong một hệ thống ñiều khiển tự ñộng hiện ñại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ ñó ñược thay thế bằng máy tính

1.6.3 Cấp ñiều khiển giám sát

Cấp ñiều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật Khi ña số các chức năng như ño lường, ñiều khiển, ñiều chỉnh, bảo toàn hệ thống ñược các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp ñiều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài ñặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử

lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán ñiều khiển cao cấp như ñiều khiển phối hợp, ñiều khiển trình tự và ñiều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp ñiều khiển giám sát thường không ñòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng ñặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, )

Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống

và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày ở ñây, tùy thuộc vào mức ñộ tự ñộng hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể Trong những trường hợp ứng dụng ñơn giản như ñiều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, ñiều hòa ñộ ẩm, ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại, trong tự ñộng hóa một nhà máy lớn hiện ñại như ñiện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng ñể tiện theo dõi

1.7 Chức năng nhiệm vụ của từng cấp

Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường ñược tổ chức phân nhiệm thành nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ ño lường, thu thập và ñiều khiển riêng lên những

7

đối tượng trong hệ thống Các đối tượng máy mĩc thường lắp đặt trong địa phương của cấp quản lý phân xưởng xí nghiệp cấp dưới đồng thời cũng cĩ một đặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc giám sát-điều khiển của cấp trên về mặt sản xuất nhưng cũng thuộc sự giám sát-điều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn đốn và bảo dưỡng của các cấp khác thấp hơn Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấp SCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay Những nguyên tắc chính sau:

Thơng thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý được trợ giúp tự động hố bằng một hệ SCADA của cấp ấy Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới thấp sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên máy mĩc phân xưởng cĩ sự phân loại rõ máy mĩc thiết

bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào Các số liệu phân loại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấp trên theo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập dữ liệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp

Mỗi cấp sẽ thực hiện bài tốn phân tích, tính tốn được giao và tính đưa ra các lệnh thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ tiêu đĩng cắt các đối tượng của mình, qua hệ truyền tin gửi lệnh đĩ đến cấp SCADA cĩ liên quan để thực hiện ðể giải quyết những bài tốn điều khiển phân tích riêng này của mình thì SCADA mỗi cấp thường được trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên dụng Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp để giải bài tốn đĩ và xuất ra kết quả cho người vận hành và cho hệ SCADA

Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:

Thứ nhất là thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, sự kiện thao tác, báo động …)

Thứ hai là dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển, giám sát

Thứ năm là thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngồi (đọc viết

số liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên

về số liệu, về thao tác hệ)

Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động hố việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất cơng nghiệp Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài tốn tự động hố ta cĩ thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một

số những nhiệm vụ tự động hố như: thu thập giám sát từ xa về đối tượng, điều khiển đĩng cắt từ xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý

Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống thương mại có cấp ñộ cao hơn, cho phép ñọc viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn như Oracle, Access, Microsoft SQL …

1.8 Phần mềm ñiều khiển giám sát

Trong giải pháp ñiều khiển giám sát, hệ thống truyền thông ở các cấp dưới (bus trường, bus chấp hành-cảm biến) ñã có sẵn Nếu như mạng máy tính của một công ty cũng ñã ñược trang bị (chủ yếu dùng Ethernet), thì cơ sở hạ tầng cho việc truyền thông không còn là vấn ñề lớn phải giải quyết Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp SCADA trong thời ñiểm hiện nay là vấn ñề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống

1.8.1 Cấu trúc chung của các phần mềm ñiều khiển giám sát:

Hình 1- 4 Cấu trúc chung của phần mềm ñiều khiển giám sát

1.8.1.1 Cơ sở dữ liệu quá trình

9

ðặc ñiểm của cơ sở dữ liệu quá trình:

Về cơ bản, cơ sở dữ liệu quá trình trong các phần mềm công nghiệp chuyên dụng cũng giống các hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường

Do yêu cầu về tính ổn ñịnh, bảo mật, khả năng lưu trữ, tìm kiếm, nên các cơ sở

dữ liệu quá trình trong các phần mềm công nghiệp thường ñược xây dựng trên cơ sở một thương phẩm như SQL Server, Sybase, Informix,

Các yêu cầu ñặc biệt:

• Tần suất cập nhật cao, mang tính tuần hoàn

• Tính năng thời gian thực

• Quản lý hiệu quả cơ sở dữ liệu lớn liên tục rất nhanh

1.8.1.2 Giao diện người-máy

Giao diện người máy thường bao gồm các thành phần cơ bản sau:

• Sơ ñồ khối (hệ thống): Hiển thị tình trạng các thiết bị, máy móc

• Lưu ñồ công nghệ (phân ñoạn, nhóm): Hiển thị các giá trị quá trình, các hình ảnh ñộng minh họa, các phím ñiều khiển

• Biểu ñồ chức năng trình tự (SFC)

• Faceplates: Hiển thị và can thiệp chi tiết một vòng ñiều khiển (chế ñộ ñiều khiển, các giá trị biến và tham số ñiều khiển, tình trạng báo ñộng)

• ðồ thị thời gian thực: Hiển thị các giá trị quá trình (tức thời)

• ðồ thị quá khứ: Hiển thị các giá trị lưu trữ

• Mức ưu tiên, tính cấp thiết

• Lưu trữ dữ liệu cảnh báo/báo ñộng

• Hiển thị cảnh báo/báo ñộng:

• Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết

• Sắp xếp theo thời gian xảy ra

• Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo ñộng

• Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhấp nháy

kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên dụng ñược sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn Tuy nhiên, các màn hình HMI chuyên dụng này thường ñược thiết kế chuyên cho một thiết bị ñiều khiển logic khả trình nhất ñịnh Chẳng hạn, hãng Siemen có các màn hình OP3, OP73, TD7… hỗ trợ ñiều khiển giám sát cho các sản phẩm PLC của hãng

Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, ñặc biệt là sự chiếm lĩnh thị trường của hệ ñiều hành Windows NT cùng với các công nghệ của Microsoft ñã thúc ñẩy sự phát triển của các công cụ tạo dựng phần mềm SCADA theo một hướng mới, sử dụng PC và Windows NT làm nền phát triển và cài ñặt Từ phạm

vi chức năng thuần tuý là thu thập dữ liệu cho việc quan sát, theo dõi quá trình, một hệ SCADA ngày nay có thể ñảm nhiệm vai trò ñiều khiển cao cấp, ñiều khiển phối hợp Phương pháp ñiều khiển theo mẻ, ñiều khiển theo công thức (batch control, recipe control) là những ví dụ tiêu biểu Hơn nữa, khả năng tích hợp hệ ñiều khiển giám sát với các ứng dụng khác như các phần mềm quản lý, tối ưu hóa hệ thống, của toàn công ty cũng trở nên dễ dàng hơn

Việc phát triển phần mềm ñiều khiển giám sát có thể theo nhiều hướng khác nhau Một trong những hướng phát triền ñó là Lập trình (Programming) Theo hướng này,

11

các phần mềm HMI của hệ thống sẽ ñược lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao như C++, Visual basic, Visual C++, hay Visual C# , thông qua một chương trình biên dịch (Compiler) ñể tạo ra một HMI chạy ñộc lập Với việc lập trình, người thiết kế không bị gò bó trong một ngôn ngữ cố ñịnh, nhớ ñó khả năng thực hiện ít hạn chế Người thiết kế, lập trình ñược tự do tạo ra HMI phù hợp với yêu cầu của bài toán thiết

kế Tuy nhiên, ñể lập trình cho HMI hoạt ñộng ổn ñịnh, phù hợp với các chuẩn công nghiệp thì lại là vấn ñề khó khăn, ñòi hỏi trình ñộ lập trình chuyên sâu ðối với các hệ thống lớn, thiết kế theo hướng lập trình tỏ ra kém hiệu quả

Một hướng khác trong việc thiết kế các chương trình cho hệ thống ñiều khiển giám sát là Cấu hình (Configurating) Khi ñó, người thiết kế sẽ sử dụng một phần mềm thiết

kế chuyên dụng, ñể tạo ra HMI cho hệ thống Việc thiết kế hoàn toàn dựa trên việc cấu hình các thành phần, ñối tượng, các ký hiệu ñồ họa, xây dựng các action và script; sử dụng các ñối tượng ñồ họa ñối thoại ñể thiết lập các tham số… Với phương pháp cấu hình, sẽ không cần một chương trình biên dịch, bản thân phần mềm thiết kế là một chương trình thông dịch, HMI thiết kế xong có thể vận hành ngay, thông qua lệnh Run ñơn giản Rõ ràng, thiết kế HMI theo hướng này tỏ ra ñơn giản, thân thiện, và thực sự hiệu quả hơn so với phương pháp lập trình

1.8.2.2 Một số nguyên tắc thiết kế cơ bản

a) Màu sắc

Sử dụng các màu trung tính như màu xám cho các nút/biểu tượng trên màn hình

Và dùng các màu có ñộ tương phản cao như vàng, xanh, ñỏ cho các nút/ biểu tượng cần chú ý Màu trung tính có tác dụng không làm phân tán sự tập trung của vận hành viên trong khi làm việc Màu sang nâng cao mức ñộ tập trung của vận hành viên, ñặc biệt trong những trường hợp khẩn cấp

Cần rất lưu ý khi sử dụng màu sắc trong thiết kế các HMI:

• Chỉ dùng màu sắc khi thật cần thiết

• Nền: màu tối, ví dụ xám sẫm hoặc xanh lam ñậm

• Máy móc, thiết bị: Sử dụng hình phẳng, màu và ñộ sáng khác ít so với nền, cố gắng tránh 3D, tránh các mẫu hoa văn

• Hình tĩnh (ñường ống, máy móc): tránh các màu tươi, chói

• Tín hiệu trạng thái, hình ñộng: Chọn các màu tươi, chói

b) Chữ viết

• Hạn chế số font chữ, kiểu chữ, chênh lệch ñộ lớn

• Chân phương, tránh các hiệu ứng ñặc biệt (3D, lượn sóng, ñường viền)

c) Các hình ảnh

• Hầu hết chúng ta sử dụng thị giác nhiều hơn hẳn so với các giác quan khác, do vậy việc sử dụng hình ảnh, biểu tượng mô tả sẽ là cách tốt nhất mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng Khi sử dụng các hình ảnh cần ñảm bảo:

• Hỗ trợ phân biệt trạng thái, ví dụ nhấp nháy

là yếu tố rất quan trọng

e) Thống kê tần suất sử dụng nút

Thống kê bao nhiêu lần một nút ñược kích, một page (trình duyệt/trang) ñược thay ñổi, page nào ñược sử dụng nhiều nhất Dựa vào dữ liệu thống kê ñược ñể ñiều chỉnh lại ứng dụng sao cho vận hành viên tốn ít thời gian hơn cho việc theo dõi và vận hành

từ màn hình này sang màn hình khác

f) Gộp các dữ liệu liên quan

Giống như sử dụng bơm làm biểu tượng cho ứng dụng bơm, ñể tạo sự tiện lợi cho người sử dụng, nên ñặt các yếu tố liên quan ñến bơm xung quanh, cạnh biểu tượng này

ví dụ như các biểu tượng khởi ñộng/dừng, biểu tượng hiển thị dòng, nhiệt ñộ, ñiện áp, thời gian… Nếu không làm như vậy, có thể vận hành viên sẽ dễ bị nhầm lẫn hoặc chí

ít cũng giảm hiệu quả làm việc của vận hành viên

13

CHƯƠNG 2 Các phần mềm SCADA/HMI công nghiệp 2.1 Thành phần cơ bản của phần mềm SCADA/HMI công nghiệp

Hiện nay, trên thị trường phần mềm công nghiệp, có sự cạnh tranh của rất nhiều sản phẩm SCADA/HMI khác nhau Mỗi sản phẩm có những ñặc ñiểm, thế mạnh riêng,

có thể chuyên cho một thiết bị ñiều khiển của từng hãng, cũng có thể sử dụng ñược cho nhiều thiết bị khác nhau ở cấp chấp hành

Một số phần mềm SCADA/HMI chuyên nghiệp có thể là: WinCC (Siemens), iFIX (Intellution/GEFanuc), InTouch (Wonderware), Lookout (National Instruments) Xét về mặt tổng thể, một phần mềm SCADA/HMI ñều có hai thành phần cơ bản sau:

• Công cụ phát triển (Development Tool):

o Công cụ cấu hình cơ sở dữ liệu (Database Configuration Tool)

o Trình soạn thảo ñồ họa (Graphics Editor)

o Thư viện các ñối tượng ñồ họa chuẩn + Hỗ trợ nhúng Controls

ActiveX-o Công cụ phát triển/cài ñặt trình ñiều khiển I/O

o Ngôn ngữ script

o Giao diện với các ngôn ngữ bậc cao (C/C++, VB, )

o Giao diện ODBC (Open Database Connection), DDE

o (Dynamic Data Exchange), OPC (OLE for Process Control)

• Phần mềm chạy (Runtime Engine)

Việc xây dựng các ứng dụng dựa trên các phần mềm hệ thống về cơ bản là sự tạo, cấu hình (configurating) và kết nối các ñối tượng với nhau Bản thân phần mềm thiết

kế và các dịch vụ của nó sẽ ñảm nhận việc kết nối giữa máy tính và các PLC khác nhau, hay các bộ ñiều khiển khác; cũng như ñảm bảo kết nối giữa máy tính và các bộ cảm biến, hoặc giữa máy tính này và máy tính khác, giữa máy tính và cơ sở dữ liệu chung của phần mềm

2.2 Phần mềm Lookout

Lookout là một phần mềm giao diện người máy HMI ( Human Machine Interface)

và là một gói phần mềm SCADA Lookout chạy trên nền Windows và giao tiếp vào/ra với các thiết bị trường thông qua các phần cứng ñiều khiển Các ứng dụng Lookout ñiển hình là giám sát một quá trình liên tục và ñiều khiển giám sát, các quá trình sản xuất riêng lẻ, các ứng dụng ñiều khiển mẻ và các hệ thống truyền thông tin từ xa Yêu cầu về cấu hình phần cứng và phần mềm

• Máy tính cài ñặt Lookout ñảm bảo chạy ở tốc ñộ trên 90MHz

• RAM 32MB

• Dung lượng ñĩa cứng còn trống trên 300MB

• Hệ ñiều hành Windows 98/Me; Win2000/NT (sp4) / Xp

• Màn hình có ñộ phân giải 800x600 pixels

• Máy tính có cài ñặt card mạng và giao thức mạng TCP/IP

Các ñặc trưng và khả năng của phần mềm Lookout

• Truyền thông qua cổng nối tiếp của máy tính: Ta có thể giao tiếp với các thiết bị phần cứng thông qua cổng nối tiếp của máy tính Lookout sẽ phân chia cách thức sử dụng cổng nối tiếp

• ðồ họa: Lookout có một bộ thư viện chuẩn hỗ trợ việc xây dựng các giao diện người máy

• Cảnh báo: Trong Lookout ta có thể lựa chọn hiển thị, lưa giữ , lọc hay in các thông tin cảnh báo

• Bảo mật: trong Lookout hỗ trợ vấn ñề bảo mật hệ thống Ta có thể lựa chọn các mức ñộ bảo vệ, bảo mật trong mạng, bảo mật trong ñiều khiển, quan sát

• Lưu giữ dữ liệu và sự kiện: ta có thể lựa chọn lưu giữ các thông tin thời gian thực của hệ thống vào ñĩa cứng ở ñịnh dạng *.csv hoặc lưu trữ các

dữ liệu quá khứ vào cơ sở dữ liệu Citadel

• Kết nối mạng trao ñổi dữ liệu tốc ñộ nhanh theo TCP/IP, DDE và OPC

• Chế ñộ dự phòng Redundancy

15

2.2.1 Môi trường làm việc Lookout

Hình 2-1 Môi trường làm việc của Lookout

Lookout có hai chế ñộ là Run mode và Edit mode Ta có thể chuyển qua lại giữa hai chế ñộ này bằng cách ấn <Ctrl-Space> từ bàn phím hoặc bằng cách lựa chọn (select) hay phủ ñịnh lựa chọn Edit mode trong mục Edit trên thanh trình ñơn menu Thanh trạng thái sẽ có màu vàng khi chuyển sang chế ñộ Edit mode

2.2.1.1 Lookout Workspace

Workspace là vùng ñể ta quan sát và thao tác trên các panel ñiều khiển Vùng workspace nhìn thấy trên màn hình chỉ là một cửa sổ trong môi trường Lookout Khi các panel ñiều khiển lớn hơn vùng nhìn thấy thì Lookout sẽ tự sinh ra các thanh cuộn theo chiều ngang và chiều dọc

Kích phải chuột vào một ñối tượng hoặc một chương trình (process) trong vùng hiển thị Object Explorer, một pop-up menu sẽ hiển thị như ở hình, cho phép thay ñổi tên thư mục, ñặt lại vị trí các ñối tượng

Hình 2-2 Pop – up menu

2.2.1.3 Các Panel ñiều khiển

Các panel ñiều khiển cung cấp một vùng hiển thị cho các khóa chuyển mạch, núm xoay, ñồ thị, các hiển thị số và các thành phần ñối tượng khác ñược sử dụng ñể giám sát và ñiều khiển các qui trình hoạt ñộng

2.2.1.4 Connection Browser

Sử dụng Connection Browser ñể ñăng ký các máy tính trên mạng, liên kết các ñối tượng, giám sát các giá trị, nhận dạng các ñối tượng chưa biết và tổ chức các ñối tượng trong 1 process

ðể sử dụng Connection Browser, chọn Object >> Connection Browser từ thanh trình ñơn menu ðể duyệt các kết nối trong các process của Lookout, Lookout phải ở chế ñộ Edit Sau khi mở trình duyệt, kích ñúp chuột vào mục Connection Browser ñể

mở rộng cửa sổ quan sát và thấy các liên kết hiện thời Khi ta chọn một ñối tượng ñể xem kết nối, màn hình trình duyệt sẽ như ở hình 2.3

2.2.2.1 Chương trình Client và Server

Một process trong Lookout là 1 chương trình thực hiện một số nhiệm vụ nào ñó Lookout có thể chạy một vài process tại cùng một thời ñiểm Ta có thể ñóng mở một process mà không làm ảnh hưởng ñến khác process khác ñang chạy

ðiều quan trọng ñể phân biệt một client process với server process là khi ta thiết

kế và triển khai giao diện người máy HMI Thông thường, Server process sẽ giao tiếp với các phần cứng ñiều khiển; client process sẽ giao tiếp với server process và cung cấp giao diện người dùng thuận tiện cho việc vận hành hệ thống

2.2.2.2 Các ñối tượng trong Lookout

Hình 2-4 Các thành phần dữ liệu, tham số và chức năng của

các ñối tượng

Kiến trúc Lookout dựa trên các ñối tượng và sự kết nối giữa chúng ðối tượng ở ñây là các thành phần phần mềm thể hiện cho một khóa chuyển mạch, timer,

PLC Mỗi ñối tượng có chức năng và các tham số, thành phần dữ liệu riêng rẽ

2.2.2.3 Các ñối tượng ActiveX

Một kiểu ñối tượng ñặc biệt khác cũng ñược sử dụng trong Lookout ñó là các ñối tượng ActiveX

2.2.2.4 Các tham số (parameter)

Các tham số ñịnh nghĩa các ñặc tính và giới hạn của các chức năng của ñối tượng Các tham số sẽ xuất hiện trong các hộp thoại khi tạo hoặc thay ñổi thuộc tính một ñối tượng Chẳng hạn như tốc ñộ baud, parity, số bit dừng khi thiết ñặt tham số cho driver của ñối tượng

2.2.2.5 Các thành phần dữ liệu (Data members)

ðối tượng Data members bao gồm các thông tin về trạng thái hiện thời của các ñối tượng như giá trị, ñang hiển thị hay ñang ẩn, Các thành phần dữ liệu của ñối tượng Driver ñưa ra các giá trị của các ñầu ra I/O của thiết bị phần cứng ñiều khiển

Các ñối tượng driver chẳng hạn driver cho PLC, có ñến hàng trăm thành phần dữ liệu trong khi ñối tượng Switch chỉ có ít hơn 10 thành phần dữ liệu Mỗi thành phần

dữ liệu có một giá trị riêng, có thể là một trong ba dạng dữ liệu : dạng số, dạng logic

19

• Trạng thái Off: no, false, off

• Các thành phần dữ liệu dạng số : ñó là các số dấu phẩy ñộng, là giá trị của các tín hiệu tương tự như mức của nước trong thùng chứa, nhiệt ñộ, ñiện áp, hay là các giá trị thời gian, ngày, tháng, năm Các số này có giá trị nằm trong khoảng –1.7 x 10275 ñến 1.7 x 10275

• Các thành phần dữ liệu dạng Text : bao gồm một chuỗi các kí tự gồm các kí tự từ A ñến Z, a ñến z hay từ 0 ñến 9 Ta sử dụng các thành phần

dữ liệu dạng text ñể hiển thị các thông tin cảnh báo, các dòng chú thích trên panel ñiều khiển hay là trong các biểu thức

2.2.2.6 Sự kết nối giữa các ñối tượng

Ta có thể kết nối các ñối tượng trong Lookout, cho phép chúng chuyển giá trị cho nhau Chẳng hạn ta có thể lấy giá trị của một ñối tượng Pot ñể làm giá trị cho tham số HiLevel của ñối tượng Alarm Khi ñiều chỉnh Pot ñể thay ñổi giá trị Cảnh báo Hi level cũng thay ñổi

Hình 2-5 Liên kết hai ñối tượng

2.2.3 Các thiết ñặt cho hệ thống

Ta có thể cấu hình , thiết ñặt cho hệ thống bằng cách lựa chọn Options >> System

từ thanh trình ñơn menu Một hộp thoại sẽ xuất hiện như ở trên hình 2.6

Hình 2-6 Các tùy chọn thiết ñặt hệ thống

Chỉ người sử dụng ñăng nhập hệ thống với mức ñộ bảo mật là 9 hoặc lớn hơn mới

có thể truy nhập vào hộp thoại System Options

• If security level is below (0-9): ta có thể ñặt một số lựa chọn giới hạn chức năng sử dụng khi chạy chương trình Lookout với người dùng ñăng nhập với mức ñộ bảo mật khác nhau

• Log Alarm to : nếu máy in ñược kết nối trực tiếp vào máy tính, thì tất

cả các thông tin cảnh báo sẽ ñược in khi có sự kiện xảy ra

• Virtual Keyboard Pops Up On : lựa chọn bàn phím ảo bằng chuột trái hay phải

• Show panel navigation arrows in status bar : sử dụng hiển thị mũi tên trong thanh ghi trạng thái ñể chuyển qua lại giữa các panel khi thao tác

• Computer Name : trường thông tin này sẽ hiển thị tên của máy tính ñang làm việc trên mạng

• Citadel Database : lựa chọn ñịa chỉ thư mục ñể lưu dữ liệu quá khứ 2.2.4 Phát triển một ứng dụng với Lookout

2.2.4.1.Thiết kế một ứng dụng kiến trúc Client/Server

Một ứng dụng Lookout có thể bao gồm một hay nhiều server process kết nối với một hay nhiều client process Ta có thể lập trình chúng ñồng thời trên cùng một máy tính, nhưng các chương trình Client và Server có những vai trò rất khác biệt

21

• Các chương trình Server :

• Kết nối trực tiếp với các phần cứng điều khiển và thiết bị

• Lưu giữ dữ liệu, thực hiện các điều khiển logic, định nghĩa các cảnh báo, thực hiện chế độ dự phịng và bảo mật hệ thống

• Khơng thể di chuyển sang máy khác

• Cĩ thể làm mọi thứ mà một chương trình Client cĩ thể làm, cĩ thể bao gồm một màn hình giao diện vận hành với một chế độ bảo mật về điều khiển, thơng thường là cho mục đích chẩn đốn sự cố

• Các chương trình Client :

• Kết nối trực tiếp với chương trình Server, khơng kết nối với phần cứng

• Cung cấp một giao diện vận hành cho việc hiển thị và điều khiển các trạng thái của hệ thống

• Hiển thị các thơng tin cảnh báo của server, lưu giữ sự kiện, thực hiện điều khiển và bảo mật hệ thống

• Kết nối với chương trình Server sử dụng liên kết Symbolic để cĩ thể di chuyển và sử dụng trên máy khác

• Cĩ thể xuất ra báo cáo hoặc Web Client

Hình 2-7 Ví dụ về thiết lập một ứng dụng của Lookout

2.2.4.2 Các bước lập trình một ứng dụng

Ớ Dự kiến các yêu cầu của hệ thống như phần cứng ựiều khiển, hệ ựiều hành máy tắnh, kết nối mạng, cấu trúc mạng, bảo mật hệ thống, chế ựộ

dự phòng,

Ớ Kết nối máy tắnh với các thiết bị phần cứng, ựặt cấu hình, test kiểm tra

Ớ Tạo chương trình Server Trong chương trình server, thực hiện truyền thông trực tiếp với thiết bị phần cứng, ựiều khiển logic, bảo mật mạng,

dự phòng

Ớ Tạo chương trình Client Chương trình Client có một giao diện người dùng cho việc vận hành hệ thống Khi tạo chương trình Client, ta kết nối với chương trình server dùng liên kết symbolic, tạo giao diện ựồ họa, thiết lập cảnh báo, bảo mật ựiều khiển

Ớ Thiết lập các mẫu báo cáo

Ớ Kết nối mạng, triển khai ứng dụng

2.2.5 đánh giá chung về phần mềm Lookout

Nhìn chung, Lookout có giao diện chương trình thân thiện, dễ sử dụng Việc cấu hình, kết nối giữa các ựối tượng ựơn giản, người thiết kế có thể dễ dàng tiếp cận, nhanh chóng xây dựng ựược chương trình ựảm bảo yêu cầu

Lookout hỗ trợ nhiều driver giao tiếp phần cứng khác nhau, ngoài ựối tượng Modbus, còn có rất nhiều ựối tượng khác hỗ trợ giao tiếp với nhiều loại PLC phổ biến Chuyển ựổi giữa hai chế ựộ cấu hình (Edit) và Runtime ựược thực hiện khá nhanh

và ựơn giản qua phắm tắt Ctrl + Space, hoặc chọn /bỏ chọn Edit Mode trong thực ựơn Edit

2.3 Phần mềm WinCC

WinCC là một hệ thống HMI mạnh mẽ sử dụng trên nền hệ ựiều hành Microsoft Windows 2000 và Windows XP HMI là từ viết tắt của Ộ Human Machine InterfaceỢ Ờ giao diện người máy, ựó là giao diện giữa người (ựiều hành) và máy móc (các quá trình) Tiến trình tự ựộng (AS= Automation Process) duy trì ựiều khiển thực tế qua các quá trình.Truyền thông một mặt ựược thực hiện giữa WinCC và người vận hành, mặt khác ựược thực hiện giữa WinCC và các hệ thống tự ựộng

WinCC ựược sử dụng ựể trực quan hóa các quá trình ựiều khiển và phát triển giao diện người dùng ựồ họa cho người ựiều khiển

23

• WinCC cho phép người ñiều khiển có thể quan sát, theo dõi các tiến trình Các tiến trình ñược hiển thị sinh ñộng trên màn hình ñiều khiển Màn hình hiển thị ñược cập nhật mỗi khi có một sự thay ñổi nào ñó trong trạng thái của tiến trình

Hình 2-8 Phần mềm SCADA/HMI WinCC

• WinCC cho phép người ñiều khiển có thể ñiều khiển ñược các quá trình

Ví dụ, người ñiều khiển có thể thiết lập một “setpoint” hoặc mở một van

từ giao diện người dùng trực quan

• Một Alarm (báo ñộng) sẽ tự ñộng báo vào các thời ñiểm tiến trình ñạt các trạng thái tới hạn Nếu một giá trịnh giới hạn ñịnh trước bị vượt quá, một message sẽ xuât hiện trên màn hình

• Khi làm việc với WinCC, các giá trị tiến trình có thể hoặc là ñược in ra hoặc là ñược lưu trữ bằng ñiện tử ðiều này tao thuận lợi cho việc biên tập tài liệu của các tiến trình và cho phép truy nhập dữ liệu tới các dữ liệu sản xuất ñã qua

2.3.1 Các ñặc ñiểm ñặc trưng của WinCC

WinCC có thể ñược tích hợp một cách tối ưu vào trong các giải pháp tự ñộng và công nghệ thông tin:

• Là một phần của giải pháp Siemens TIA (Tự ñộng hóa tích hợp toàn bộ), WinCC làm việc rất hiệu quả với các hệ thống tự ñộng thuộc họ sản phẩm SIMATIC Các hệ thống tự ñộng của các hãng sản suất khác cũng ñược hỗ trợ

• Dữ liệu trong WinCC có thể ñược trao ñổi với các giải pháp IT khác thông qua các giao diện chuẩn, chẳng hạn như MES và các ứng dụng ở mức ERP, hoặc với các chương trình như Excell

• WinCC có các giao diện lập trình ñược và mở (Open) cho phép bạn kết nối với các chương trình của bạn và nhờ ñó bạn sẽ có khả năng ñiều khiển tiến trình và dữ liệu của tiến trình

• WinCC có thể ñược tùy biến một cách tối ưu ñể tương thích với các yêu cầu của tiến trình của bạn WinCC hỗ trợ một phạm vi rộng cho các khả năng cấu hình, từ các hệ thống ñơn người dùng và các hệ thống khách – chủ cho tới các hệ thống dự phòng, phân tán với nhiều Server

• Cấu hình của chương trình WinCC của bạn có thể ñược thay ñổi bất cứ lúc nào – thậm chí ngay sau ñó ðiều này không gây trở ngại gì với các

dự án ñã có từ trước

• WinCC là một hệ thống HMI tương thích Internet thuận tiện thực thi các giải pháp máy khách nền web cũng như các giải pháp Thin-Client 2.3.2 Hoạt ñộng của WinCC

2.3.2.1 Cấu trúc của WinCC

WinCC là một hệ thống môñun hóa Các thành phần cơ bản của nó bao gồm Configuration Software(CS – Phần mềm cấu hình) and Runtime Software(RT – Phần mềm thời gian thực)

Hình 2-9 Cấu trúc của WinCC

25

a) Phần mềm cấu hình

Sau khi khởi ñộng WinCC, cửa sổ WinCC Explorer ñược mở ra WinCC Explorer tạo thành nhân của CS Cấu trúc của toàn bộ Project ñược thể hiện trong WinCC Explorer Bản thân Project cũng ñược quản lý ở ñây

Các trình soạn thảo ñặc biệt có thể ñược gọi từ WinCC Explorer hỗ trợ cho các mục ñích cấu hình Mỗi trình soạn thảo(Editor) ñược sử dụng ñể cấu hình một

subsystem(hệ thống con) ñặc biệt của WinCC

Các hệ thống con quan trọng của WinCC bao gồm:

• Graphics System: ðược biết ñến với tên Graphics Designer, ñây là trình soạn thảo ñược sử dụng ñể tạo ra các hình ảnh cho các HMI

• Alarm Logging: Thực hiện ghi nhật ký các báo ñộng xảy ra trong quá trình vận hành hệ thống

• Report System: ðược biết ñến với tên gọi Report Designer, ñây là trình soạn thảo ñược sử dụng ñể tạo các Report Layouts

• User Administration: ðược biết ñến với tên gọi User Administrator, ñây

là trình soạn thảo ñược sử dụng ñể quản lý các người dùng

Mọi dữ liệu cấu hình ñược lưu trong cơ sở dữ liệu của phần mềm cấu hình (CS – Configuration Software)

b) Phần mềm thực thi (Runtime Software)

Runtime Software cho phép người dùng ñiều hành và giám sát tiến trình Nó ñược

sử dụng chủ yếu ñể thực thi các nhiệm vụ(task) sau:

• ðọc dữ liệu ñược ghi trong CS database

• Hiển thị các hình ảnh trên màn hình

• Truyền thông với các hệ thống tự ñộng

• Lưu trữ các dữ liệu hiện thời trong thời gian hoạt ñộng, ví dụ như các giá trị tiến trình và các sự kiện thông ñiệp

• ðiều khiển tiến trình, thông qua các ñầu vào setpoint hoặc các công tắc

ON và OFF c) Dữ liệu thực thi

Performance data sẽ ñược quyết ñịnh trực tiếp bởi phần cứng PC ñược sử dụng và kiểu hệ thống ñược cấu hình

2.3.2.2 Hệ thống ñồ họa

a) Nhiệm vụ của hệ thống ñồ họa

Trong quá trình cấu hình, hệ thống ñồ họa ñược sử dụng ñể tạo ra các hình ảnh biểu diễn quá trình sẽ diễn ra ở chế ñộ vận hành Hệ thống ñồ họa nắm giữ các nhiệm

• Phản ứng với ñầu vào từ phía người ñiều khiển, ví dụ như click một nút

ấn, hoặc nhập một văn bản trong trường ñầu vào

• Graphics Runtime là các thành phần vận hành (Runtime) của Hệ thống

ñồ họa Graphics Runtime hiển thị các hình ảnh lên màn hình trong quá trình hoạt ñộng và quản lý tất cả các ñầu vào và các ñầu ra

27

2.3.2.3 Alarm Logging

a) Các nhiệm vụ của hệ thống thông báo

Các thông báo giúp cho người ñiều khiển biết về các sự cố và các lỗi của quá trình Chúng giúp phát hiện sớm các trạng thái nguy hiểm và tránh ñược các thời gian chết của máy móc

Trong quá trình cấu hình, nên xác ñịnh rõ các sự kiện sẽ kích hoạt các thông ñiệp

về tiến trình Ví dụ về một sự kiện có thể là một Bít nào ñó trong PLC ñược lập lên hoặc một giá trị của quá trình vượt quá giá trị giới hạn ñã ñược ñịnh nghĩa từ trước b) Các thành phần của hệ thống thông báo

Hệ thống báo hiệu gồm có các thành phần cấu hình và thành phần Runtime:

• Thành phần cấu hình của hệ thống báo hiệu là trình soạn thảo Alarm Logging Alarm Logging ñược sử dụng ñể ñịnh nghĩa thời ñiểm và kiểu của một báo ñộng ñược hiển thị và nội dung của báo ñộng Trình thiết kế

ñồ họa cũng có một ñối tượng hiển thị ñặc biệt ñó là: Alarm Logging Control, ñược sử dụng ñể hiển thị các thông ñiệp

• Alarm Loggin Runtime là thành phần runtime của hệ thống thông ñiệp Khi ở runtime, Alarm Logging Runtime chịu trách nhiệm thực thi các nhiệm vụ giám sát ñã ñược ñịnh rõ Nó cũng ñiều khiển cách hoạt ñộng của ñầu ra của thông ñiệp và quản lý sự nhận biết của các thông ñiệp ñó Các thông ñiệp ñược hiển thị trên WinCC Alarm Control ở dạng bảng

Hình 2-11 Các thông ñiệp ñược hiển thị theo bảng

c) Khối thông ñiệp

Nội dung của một thông ñiệp ñược tổng hợp từ nhiều khối thông ñiệp Mỗi khối thông ñiệp tương ứng với một cột trong bảng hiển thị của WinCC Alarm Control Người dùng có thể ñịnh ra những khối thông ñiệp sẽ ñược xuất hiện trong thông báo

Có 3 nhóm khối thông ñiệp chính:

• Các khối hệ thống với dữ liệu hệ thống, ví dụ như: ngày, thời gian, số thông ñiệp, trạng thái của hệ thống

• Các khối giá trị tiến trình với các giá trị của tiến trình, ví dụ: các mức ñầy bình ở thời ñiểm hiện tại, nhiệt ñộ hoặc tốc ñộ quay của các ñộng cơ

• Các khối văn bản do người dùng ñịnh nghĩa, với phần văn bản mang tính chất giải thích, chẳng hạn như văn bản thông ñiệp chứa thông tin liên quan ñến vị trí và nguyên nhân gây ra lỗi

d) Các trạng thái cơ bản của thông ñiệp

Có ba trạng thái cơ bản, ñặc trưng của thông ñiệp ñó là:

• Một thông ñiệp sẽ duy trì ở trạng thái Active của nó cho ñến khi sự kiện gây ra thông ñiệp ñó không còn tồn tại nữa, chẳng hạn như nguyên nhân của thông ñiệp không còn tồn tại

• Ngay khi nguyên nhân của thông ñiệp không còn tồn tại, thông ñiệp chuyển sang trạng thái Cleared

• Một thông ñiệp có thể ñược cấu hình theo một cách mà người vận hành

có thể dễ dàng nhận ra và hiểu ñược nó và xử lý nó Khi người vận hành xác nhận ñược thông ñiệp thì thông ñiệp nhận trạng thái Acknowledged e) Các nhóm thông ñiệp

Trong quá trình cấu hình, các thông ñiệp có thể ñược nhóm lại với nhau thành một nhóm thông ñiệp Số lượng thông ñiệp trong một nhóm thông ñiệp là không hạn chế Nhóm thông ñiệp ñược hình thành khi mà có ít nhất một trong các thông ñiệp ñơn, ñã ñược xác nhận ñược xếp vào nhóm (phép Logic OR) Nhóm thông ñiệp sẽ không còn nữa khi mà không có bất kỳ một thông ñiệp nào ñược xếp trong nhóm

Các nhóm thông ñiệp có thể ñược sử dụng ñể hỗ trợ người vận hành có cái nhìn tổng quan rõ ràng về hệ thống và ñơn giản hóa trong các trường hợp nào ñó

29

2.3.2.4 Hệ thống lưu trữ (Archiving System)

a) Nhiệm vụ của hệ thống lưu trữ

Trong quá trình vận hành, nếu muốn hiển thị một tham số của quá trình theo một trình tự thời gian, ví dụ như theo biểu đồ hay theo bảng, khi đĩ chúng ta cần truy nhập tới các giá trị của tiến trình trong quá khứ Các giá trị này được cất trong kho lưu trữ các dữ liệu tiến trình

Trong thực tế, việc hiển thị theo thời gian rất quan trọng vì nĩ cho phép người vận hành cĩ thể sớm nhận ra các sự cố cĩ thể xảy ra với quá trình của hệ thống Ví dụ, trong một chu kỳ, nếu mực chất lỏng trong bình chứa hạ thấp xuống thì cĩ thể phán đốn nguyên nhân là do rị rỉ chất lỏng, nhờ đĩ phải chú ý theo dõi ngay lập tức và cĩ biện pháp xử lý kịp thời để tránh phải dừng sản xuất hoặc hạn chết mực thấp nhất những hư hỏng của máy mĩc

Truy nhập tới các giá trị của quá trình trong quá khứ một cách độc lập cũng là một lợi ích của hệ thống lưu trữ ðiều này cĩ thể giúp cho việc xác định những giá trị nào

đĩ đã tăng quá cao tại thời điểm xảy ra vấn đề với hệ thống sản xuất

b) Các thành phần của hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ giá trị của quá trình bao gồm các thành phần cấu hình và các thành phần thực thi:

• Thành phần cấu hình của hệ thống lưu trữ là trình soạn thảo Tag

Logging Ở đĩ, ta cĩ thể cấu hình giá trị của quá trình và các lưu trữ được nén, định ra các chu kỳ thu thập và lưu trữ, và lựa chọn các giá trị quá trình được lưu trữ

• Tag Logging Runtime là thành phần thực thi của hệ thống lưu trữ Tag Logging Runtime chịu trách nhiệm ghi lại các giá trị quá trình cần được lưu trữ và vùng lưu trữ của giá trị quá trình ở chế độ thực thi Tag Logging Runtime cũng chịu trách nhiệm đọc các giá trị quá trình đã được lưu trữ từ vùng lưu trữ giá trị quá trình, khi mà những giá trị này được yêu cầu, chẳng hạn cho mục đích hiển thị lên trên một số bộ điều khiển

c) ðầu ra của dữ liệu quá trình

• Dữ liệu quá trình cĩ thể được hiển thị trên một Picture hoặc xuất ra ở dạng báo cáo ðể làm điều này, cĩ ba bộ điều khiển trên Graphic Controller WinCC Online Trend Control và WinCC Function Trend

Control ñể phục vụ cho việc hiển thị ở dạng ñồ họa, và WinCC Online Table Control ñể hiển thị ở dạng bảng

• Bạn có thể in ra các giá trị của quá trình từ cơ sở dữ liệu lưu trữ như một báo cáo Bạn cũng có thể chọn giữa dạng bảng và dạng ñồ họa khi xuất

ra

Hình 2-12 WinCC Online Trend Control

Hình 2-13 WinCC Function Trend Control

Hình 2-14 WinCC Online Table Control

2.3.2.5 Hệ thống lập báo cáo

a) Nhiệm vụ của hệ thống lập báo cáo

Hệ thống lập báo cáo bao gồm 2 mục quan trọng của việc lập báo cáo:

• Dữ liệu cấu hình trong báo cáo

31

• Dữ liệu thực thi trong báo cáo

Một báo cáo tương tự như một tài liệu dự án, chứa những nội dung khái quát về dữ liệu cấu hình của dự án, như bảng tất cả các tags, các hàm chức năng và các hình vẽ ñược sử dụng trong dự án

b) Các thành phần của hệ thống lập báo cáo

• Thành phần cấu hình của hệ thống báo cáo là Report Designer Report Designer ñược sử dụng ñể làm cho những layout có sẵn thích ứng với những yêu cầu của người thiết kế, hoặc tạo ra những layout mới phù hợp với thiết kế Report Designer cũng ñược sử dụng ñể tạo ra những ñơn vị

in ñể khởi tạo ñầu ra

• Report Runtime là thành phần vận hành của hệ thống lập báo cáo Report Runtime truy xất dữ liệu cho việc in ấn từ vùng lưu trữ hoặc từ các bộ ñiều khiển, ñồng thời ñiều khiển ñầu ra của lệnh in

Hình 2-15 Ví dụ một trang báo cáo

2.3.2.6 Hệ thống truyền thông

a) Các nhiệm vụ chính của hệ thống truyền thông

Truyền thông giữa WinCC và hệ thống tự ñộng ñược thực hiện thông qua bus quá trình tương ứng, ví dụ Ethernet hoặc PROFIBUS Quá trình truyền thông ñược quản lý bởi các bộ ñiều khiển truyền thông (communication driver) riêng biệt, ñược gọi là các kênh (channel) WinCC có các kênh cho hệ thống SIMATIC S5/S7/505 và có các kênh cho các hệ thống sản xuất ñộc lập như PROFIBUSS DP và OPC Hơn thế nữa, các Option và Addon của WinCC cũng cung cấp nhiều kênh truyền thông phổ biến khác Truyền thông giữa WinCC và các ứng dụng khác, ví dụ Microsoft Excel hay SIMATIC ProTool ñược thực hiện với sự hỗ trợ của OPC (OLE for Proces Control) Khi WinCC OPC server ñược sử dụng, WinCC sẽ cung cấp dữ liệu cho các ứng dụng khác Dữ liệu của các OPC Server khác cũng có thể ñược nhận bởi WinCC thông qua OPC client

Hình 2-16 Hệ thống truyền thống

b) Truyền thông giữa WinCC với các hệ thống tự ñộng

Các Tag quá trình hình thành liên kết ñể trao ñổi dữ liệu giữa WinCC và các hệ thống tự ñộng Mỗi Tag quá trình trong WinCC tương tứng với một giá trị quá trình nào ñó trong vùng nhớ của các hệ thống tự ñộng ñược kết nối Trong quá trình vận hành (Runtime), vùng dữ liệu mà giá trị quá trình này ñược ghi lại sẽ ñược ñọc ra bởi WinCC, nhờ ñó cho phép xác ñịnh ñược giá trị của các Tag quá trình

33

Hình 2-17 Liên hệ giữa các Tag và giá trị quá trình

c) Các ñơn vị kênh (Channel Units), các kết nối Logic và các Tag quá trình

Hình 2-18 ðơn vị kênh trong WinCC

Truyền thông giữa WinCC và các hệ thống tự ñộng ñược thực hiện thông qua các kết nối Logic Những kết nối Logic ñó ñược bố trí theo kiểu phân cấp qua một vài mức Những mức riêng lẻ ñược ánh xạ vào kiến trúc phân lớp của WinCC Explorer

Có thể thấy các bộ ñiều khiển truyền thông ở mức cao nhất Chúng cũng ñược gọi

là các kênh (trong hình ví dụ là kênh SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE)

Một kênh truyền thông có thể cung cấp một hoặc một vài giao thức truyền thông Giao thức ñược sử dụng ñể quyết ñịnh ñơn vị kênh mà nó ñược sử dụng (ví dụ MPI) Sau ñó ñơn vị kênh này ñược sử dụng cùng với một giao thức nào ñó ñể truy nhập tới một kiểu hệ thống tự ñộng nào ñó

Một ñơn vị kênh có thể ñược sử dụng ñể xây dựng các kết nối logic tới một vài hệ thống tự ñộng nào ñó có thực hiện truyền thông thông qua ñơn vị kênh này (ví dụ hệ thống tự ñộng hóa SP1) Nhờ ñó, một kết nối logic thể hiện một giao tiếp giữa WinCC với một hệ thống tự ñộng nào ñó

Các Tag quá trình của hệ thống tự ñộng hóa ñược thể hiện ở bên phải của cửa sổ

dữ liệu (ví dụ Tag quá trình có tên MyTag1)

d) Quá trình truyền thông ở chế ựộ vận hành (Runtime)

Hình 2-19 Quá trình truyền thông ở chế ựộ vận hành

Ở chế ựộ vận hành (Runtime) yêu cầu dữ liệu phải ựược cập nhật liên tục Nhờ có

các kết nối logic, WinCC biết ựược các Tag quá trình của một hệ thống tự ựộng hóa

ựược ựặt ở ựâu, biết ựược kênh nào ựang ựược sử dụng ựể xử lý lưu thông dữ liệu Các

dữ liệu quá trình ựược chuyển thông qua kênh Dữ liệu ựược ựọc về sẽ ựược lưu trữ

trong vùng nhớ làm việc của WinCC Server

Các bước truyền thông cần thiết ựược tối ưu hóa bởi kênh theo cách mà ựảm bảo

lưu thông dữ liệu thông qua bus quá trình ựược giảm tới mức nhỏ nhất

2.3.3 đánh giá chung về phần mềm WinCC

Trong lĩnh vực tự ựộng hóa công nghiệp, WinCC là một trong những phần mềm

HMI chuyên dùng của hãng Siemen ựể quản lý, thu thập dữ liệu và ựiều khiển quá

trình công nghiệp

Cũng như các phần mềm SCADA/HMI chuyên dùng khác, WinCC cũng có giao

diện chương trình thân thiện, dễ nắm bắt Tắnh hướng ựối tượng cũng là một ựặc ựiểm

nổi bật của phần mềm này, việc cấu hình các ựối tượng ựược thực hiện khá dễ dàng

WinCC cung cấp rất nhiều các thuộc tắnh cũng như các sự kiện cho các ựối tượng, ựưa

ra nhiều lựa chọn hơn cho người thiết kế

Một ựiểm mạnh của WinCC là cho phép người thiết kế sử dụng các ngôn ngữ lập

trình như VB hay C ựể cấu hình cho các ựối tượng điều này giúp cho chương trình

hoạt ựộng mềm dẻo, tăng khả năng sáng tạo trong các thiết kế

WinCC hỗ trợ nhiều công cụ và lệnh mạnh giúp các cán bộ quản lý cũng như các

chuyên gia kỹ thuật của các nhà máy khai thác có hiệu quả chương trình này

PHẦN II

Lập trình cho hệ SCADA với phần mềm WinCC

CHƯƠNG 3

Qui trình cài ñặt phần mềm WinCC

3.1 Yêu cầu chung

3.1.1 Cấu hình yêu cầu (hardware)

WinCC ñược hỗ trợ tương thích với tất cả các máy tính (PC) trên nền tảng IBM/AT WinCC có thể chạy với cấu hình tối thiểu Tuy nhiên ñể ñạt hiệu quả cao nhất, máy tính cần có cấu hình như sau:

3.1.2 Môi trường hoạt ñộng

WinCC phiên bản Service Pack 5 chỉ hoạt ñộng ñuợc với hệ ñiều hành

Windows NT 4.0 (Workstation hoặc Server) trở lên

3.2 Cài ñặt WinCC (Installation)

WinCC ñược cài ñặt từ ñĩa CD Cho ñĩa CD WinCC vào ổ CD-ROM, quá trình cài ñặt sẽ tự ñộng bắt ñầu, xuất hiện cửa sổ Autorun

36

Hình 3-1.Cửa sổ cài ñặt WinCC

ðể biết thêm thông tin về WinCC hoặc cài ñặt những tiện ích khác của

WinCC, nhấp chuột trái lên những ñề mục trong cửa sổ ñiều khiển

Read First : xem File hướng dẫn

Display CD-ROM contents : xem nội dung chứa trong CD

Install SIMATIC WinCC : cài ñặt WinCC vào máy tính

Tools and Drivers : cài ñặt tiện ích

Language Selection : lựa chọn ngôn ngữ sử dụng

- Nhấp chuột trái lên ñề mục “Install SIMATIC WinCC” ñể bắt ñầu cài ñặt, quá trình cài ñặt sẽ diễn ra theo từng bước

- Trong cửa sổ tiếp theo, nhấp chuột trái vào nút “Next” ñể tiến hành bước tiếp theo

- Xem ñiều kiện bản quyền (license), sau ñó nhấp “Yes” ñể xác nhận chấp nhận ñiều kiện

3.2.1 ðăng kí (Registration)

- Xuất hiện hộp thoại “User information”, ñiền thông tin cần thiết vào những

ô “text box” bên trong Sau ñó nhấn “Next” ñể sang bước tiếp theo

3.2.2 Lựa chọn ngôn ngữ (Language)

- Tiếp theo, ta tiến hành lựa chọn ngôn ngữ sử dụng trong WinCC Ngoài ngôn ngữ mặc ñịnh là “English”, có thể chọn hai ngôn ngữ khác là “German” và

“French” (nhấn trái chuột vào nút tùy chọn tương ứng)

- Trong vùng “Choose destination directory”, chọn thư mục cài ñặt cho WinCC (mặc ñịnh là C:\Siemens\WinCC) Ta có thể chọn lại thư mục cài ñặt bằng cách nhấn “Browse” và chọn thư mục ñể cài ñặt

- Cuối cùng, chọn thư mục cho các tiện ích của WinCC (mặc ñịnh là

C:\Siemens\WinCC)

- Nhấn “Next” ñể chuyển sang bước tiếp theo

38

Hình 3-3 Hộp thoại Lựa chọn ngôn ngữ và thư mục cài ñặt

Typical : Cài ñặt những thành phần cơ bản

Minimum : Cài ñặt ở mức tối thiểu

User-defined : Cho phép người dùng chọn lựa thành phần cài ñặt