De cuong on tap he thong dieu khien DCS va SCADA

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP HỌC PHẦN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS VÀ SCADA I Lý thuyết Hệ DCS, SCADA là gì, cấu trúc cơ bản của các hệ điều khiển này? II Bài tập SCADA Lựa chọn giải pháp, thiết kế phần cứng, phần mềm,.

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP HỌC PHẦN: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS VÀ SCADA I Lý thuyết: Hệ DCS, SCADA gì, cấu trúc hệ điều khiển này? II Bài tập SCADA Lựa chọn giải pháp, thiết kế phần cứng, phần mềm, sơ đồ kết nối thiết bị cho hệ thống SCADA để tự động giám sát, cảnh báo vận hành tự động cho hồ chứa nước có hệ thống cửa xả; Cửa xả làm kim loại, loại cửa phẳng Khoảng cách bể tới trạm điều khiển 50 đến 100km Yêu cầu công nghệ Xây dựng hệ thống tự động giám sát, cảnh báo vận hành từ xa (trung tâm điều khiển đặt trường ĐHCN Việt Trì) vận hành chỗ (hiện trường- hồ) cho hồ thủy lợi gồm: Hồ số 1, hồ số 2, hồ số từ trung tâm điều khiển cách vị trí hồ khoảng 50km đến 100km; Với yêu cầu hệ thống giám sát điều khiển phải đáp ứng yêu cầu sau: - Tính hiển thị thông tin giao diện điều khiển trung tâm; - Tính giám sát thơng số cơng trình thủy nơng theo u cầu; - Tính vận hành hệ thống hồ từ phòng điều khiển trung tâm; - Tính tự động điều khiển vận hành hệ thống thủy nông theo thông số đặt trước; Yêu cầu cụ thể: - Đo mức nước hồ, thu thập hiển thị trung tâm điều khiển; - Tự động cảnh báo trung tâm theo mức thiết lập (mức thấp, mức trung bình, mức cao); tự động mở cửa xả nước đến mức cảnh báo cao (Cảnh báo nguy hiểm); - Điều khiển xả nước hồ từ trung tâm điều điểu khiển theo chương trình điều khiển xả trực tiếp từ trường; 2.4 Thiết kế, lựa chọn giải pháp phần cứng, phần mềm truyền thông 2.4.1 Phần cứng Từ tốn u cầu cơng nghệ đặt xác định cấu trúc phần cứng cho hệ thống, phân tích số lượng tín hiệu điều khiển vào/ra (I/O) cho hệ thống từ lựa chọn thiết bị phù hợp cho cấu hình phần cứng đảm bảo kỹ thuật kinh tế - Cấu trúc phần cứng Phân tích đầu vào/ cấp trường cho hồ Đầu vào : Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ - Cảm biến siêu âm ( báo mức nước hồ ) - Hai công tắc hành trình ( giới hạn cửa xả ) - Encoder (đo độ mở cửa xả) - 03 nút ấn điều khiển nâng hạ chỗ - 02 công tắc giới hạn hành trình Đầu : - Động ( nâng hạ cửa xả ) - Biến tần ( để điều chỉnh tốc độ động ) Giải pháp cấu trúc phần cứng: Hệ thống ứng dụng tốn có số lượng đầu vào/ nhỏ, tín hiệu đầu vào dạng tín hiệu số tương tự Từ giải pháp lựa trọn cấu trúc phần cứng cho hệ thống SCADA hình 2.3: Hình 2.3 Cấu trúc cho phần cứng SCADA - Trạm vận hành: Dùng máy tính có cấu hình phù hợp; - Cấp điều khiển: Dùng PLC Siemens S7-200 có số lượng đầu vào/ra đáp ứng yêu cầu công nghệ; kết hợp modul mở rộng EM 235 cho tín hiệu analog - Cấp trường: Sử dụng cảm biến siêu âm đo giám sát mức nước hồ Động để nâng/ hạ hệ thống cửa xả 2.4.2 Phần mềm Phần mềm cho hệ thống giám sát điều khiển Scada gồm có thành phần sau : Thiết lập tốn điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ - Giao diện vào hay I/O Driver, I/O Server (OPC, DDE,…) - Giao diện người máy - Cơ sở liệu trình - Hệ thống cảnh báo, báo động - Lập báo cáo tự động 2.4.2.1 Phương pháp thiết kế: Có hai phương pháp để tạo dựng: - Phương pháp thứ nhất: Sử dụng công cụ lập trình phổ thơng Visual C++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi người lập trình phải tự làm từ đầu, giống việc phát triển ứng dụng thông thường Khơng kể đến việc phải lập trình để kết nối liệu qua cổng truyền thơng, cơng việc lập trình đồ họa có cơng cụ hỗ trợ mạnh gặp nhiều khó khăn Thứ phương pháp đòi hỏi mức kiến thức lập trình cao người lập trình Thứ hai, việc lập trình biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ thường dùng kỹ thuật (van, đường ống, bình nước, đồng hồ, núm xoay…) địi hỏi nhiều cơng sức Để giải vấn đề này, sử dụng thư viện phần mềm dạng thư viện lớp (class library) hay thư viện thành phần (component library) có sẵn Đặc biệt, việc sử dụng thư viện thành phần ActiveX –controls hay JavaBeans nâng cao hiệu suất lập trình cách đáng kể Tuy nhiên trường hợp nào, việc phải biên dịch lại toàn ứng dụng (tức phải sử dụng compiler) điều tránh khỏi Do hạn chế đây, phương pháp lập trình nên sử dụng ứng dụng quy mơ nhỏ có yêu cầu phải thay đổi - Phương pháp thứ hai: Sử dụng công cụ phần mềm chuyên dụng như: FIX, InTouch,WinCC,Lookout,…, gọi tắt phần mềm SCADA Các công cụ có chứa thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện người –máy phần mềm kết nối với thiết bị cung cấp liệu thông dụng Nhiều công cụ định nghĩa ngôn ngữ riêng (thường gọi script) phục vụ mục đích này, nhiên độ phức tạp chúng khác Gần đây, xu hướng đơn giản hoá việc tạo dựng ứng dụng SCADA thể kết hợp phương pháp lập trình hiển thị với sử dụng ngôn ngữ script thông dụng Visual Basic for Application(VBA) VBScript, tương tự việc soạn thảo văn Một số cơng cụ cịn xa nữa, cho phép ta sử dụng biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa để xây dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn liên quan logic thành phần chương trình dạng biểu đồ khối chức (FBD) quen thuộc, khơng cần tới dịng lệnh kể script Người ta nói đến khái niệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình (programming) - Thuận lợi việc sử dụng chuẩn giao diện trình OPC (OLE for Process Control) để kết nối với thiết bị cung cấp liệu Quả thật, hầu hết Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ (nếu khơng nói đến tất cả) phần mềm SCADA tiên tiến điều hỗ trợ COM, cụ thể có ba đặc điểm nêu Nếu trước để tạo dựng hình giao diện đồ hoạ, người lập trình có kinh nghiệm cần trung bình vài ngày, thời gian giảm xuống tới vài Sử dụng cơng cụ tích hợp, ta hồn tồn tập trung vào cơng việc mà khơng cần kiến thức chun sâu lập trình Công nghệ đối tượng thành phần phương pháp khơng lập trình mở khả 2.4.2.2 Giải pháp phần mềm: Với giải pháp phần cứng điều khiển dùng PLC Siemens S7 – 200 yêu cầu giám sát điều khiển từ giao diện lập trình WinCC Vậy giải pháp cho phần mềm hệ thống điều khiển chọn phần mềm nghiên cứu: - Phần mềm Wincc 7.0 để thiết kế giao diện có nhiệm vụ giám sát, điều khiển, thị nhập giá trị công nghệ, báo cáo, thu thập số liệu vận hành Wincc phần mềm cho phép giao tiếp người máy Với wincc, lập trình xử lý cách dễ dàng cho phép quan sát trực quan tất khía cạnh hệ thống xử lý - Phần mềm lập trình chương trình cho PLC S7 – 200 Step 4.0.9 2.5 Các phương thức truyền thông hệ thống Scada 2.5.1 Đường truyền vật lý 2.5.1.1 Điều khiển giám sát hệ thống Scada thông qua cáp quang Hình 2.4 Hệ thống truyền thống sử dụng cáp quang - Cáp quang loại cáp viễn thông làm thủy tinh, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu Sợi thủy tinh suốt mỏng đường kính sợi tóc Chúng xếp bó gọi cáp quang sử dụng để truyền tín hiệu Thiết lập tốn điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ khoảng cách xa Tốc dộ truyền lên tới 20Gbps 20Gbit/s truyền hang trăm Km không cần dung lặp khuyếch đại tín hiệu - Ưu điểm: Cáp quang bị nhiễu, tốc độ truyền cao không bị ức xạ nhiễu môi trường, nâng cao độ bảo mật thơng tin - Nhược điểm: Mất chi phí đầu tư xây dựng lớn, kỹ thuật hàn nối cáp quang phức tạp 2.5.1.2 Điều khiển giám sát hệ thống Scada thông qua mạng internet - Ưu điểm: Không phải đầu tư chi phí xây dựng đường truyền tín hiệu đến trạm điều khiển, điều khiển nơi có internet - Nhược điểm: Ở trường phải có internet Hình 2.5 Hệ thống truyền thơng sử dụng mạng internet 2.5.1.3 Điều khiển giám sát hệ thống Scada thông qua mạng di động GPRS/3G internet - Ưu điểm: không giới hạn khoảng cách điều khiển, không cần trạm điều khiển trường Khơng tốn chi phí đầu tư xây dựng - Nhược điểm: Ở trường phải có sóng GPRS/3G, phải đầu tử modem truyền thơng IP GPRS, phí thuê bao cho mạng di động Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Hình 2.6 Hệ thống truyền thơng sử dụng sóng di động 2.5.2 Giao thức truyền thơng 2.5.2.1 Giao thức Modbus Modbus định nghĩa tập hợp rộng dịch vụ phục vụ trao đổi liệu trình, liệu điều khiển liệu chẩn đoán Tất điều khiển Modicon sử dụng Modbus ngôn ngữ chung Modbus mô tả trình giao tiếp điều khiển với thiết bị khác thông qua chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh hệ PLC nhà sản xuất khác Cụ thể, PLC người ta tìm thấy tập hợp dịch vụ đưa Modbus Đặc biệt hệ thống thu thập liệu điều khiển giám sát (SCADA), Modbus hay sử dụng đường truyền RS-232 ghép nối thiết bị liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền liệu (Modem) Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ 3.1 Lựa chọn thiết bị phần cứng Từ giải pháp cấu trúc phần cứng cho hệ thống SCADA chọn, tiến hành lựa chọn thiết bị cho cấp trường; cấp điều khiển; cấp giám sát đáp ứng theo yêu cầu công nghệ đặt : Hình 3.1 Cấu trúc cho phần cứng SCADA 3.1.1 Thiết bị cấp trường 3.1.1.1 Cảm biến đo mức nước dạng siêu âm Thông số kỹ thuật: Nguồn cấp : 15-30 VDC Đầu : 0-10V/ 4-20mA NPN/PNP-NO/NC Độ sâu : 0-6m ; Cấp độ bảo vệ: IP 67 Hình 3.2 Cảm biến đo mức dạng siêu âm - Sóng siêu âm chuyền khơng khí với vận tốc 343m/s Nếu cảm biến phát sóng siêu âm thu sóng phản xạ đồng thời, đo khoảng cách từ lúc tới lúc về, ta xác định qng đường mà sóng Quãng đường di chuyển sóng lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật Sẽ tính theo nguyên lý time of Flight d = v.t/2 - Tầm quét sóng siêu âm Thiết lập tốn điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ Tầm quét sóng siêu âm mơ hình hóa theo quạt, điểm dường khơng có chướng ngại vật Các điểm biên dường có chướng ngại vật nằm Hình 3.3 Tầm quét sóng siêu âm - Nguyên tắc hoạt động cảm biến siêu âm: Tạo xung âm điện tử lắng nghe tiếng vọng sóng âm số truy cập đối tượng phản xạ trở lại Hình 3.4 Nguyên tắc hoạt động sóng siêu âm 3.1.1.2 Thiết bị đo độ mở cửa xả: Sử dụng Encoder (loại quang-334 xung) đo độ mở cửa xả Incremental Encoder - Bộ mã hóa tín hiệu vịng quay có khả làm biến đổi chuyển động tuyến tính (chuyển động thẳng) chuyển động trịn thành tín hiệu số xung Khi có thay đổi vị trí trục quay, mã hố sử dụng để kiểm tra góc lệch trục làm việc Các xung đầu mã hoá nhận kiểm soát phận cảm biến, để xác định vị trí máy tốc độ di chuyển Nhờ có encoder, động điện điều khiển vị trí xác theo tín hiệu điều khiển Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Hình 3.5 Bộ mã hóa vịng quyay Encoder 3.1.1.3 Động đóng/mở cửa xả: Sử dụng động pha Thông số kỹ thuật: Điện áp định mức (V): 220/380 Tần số (Hz): 50 Cơng suất (W): 750 Dịng điện (A): 1,6 Tốc độ quyay (v/p): 2890 Hình 3.7 Động đóng/mở cửa xả 3.1.1.4 Biến tần MICROMASTER 420 Thông số kỹ thuật: Siemens Điện áp ngõ vào (V) pha 400V Công suất định mức (kW) 1.5kW Điện áp ngõ (V) pha 400V Ngõ vào Analog 0-10VDC, 0-20mA, 4-20mA / 0-10VDC Điều khiển PID Có Truyền thơng Modbus-RTU Giải thuật điều khiển V/f Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Hình 3.8.Biến tần Siemens MICROMASTER 420 Sơ đồ đấu dây - Biến tần Siemens MICROMASTER 420 nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển trực tiếp động pha cho việc đóng mở cửa xả hồ - Biến tần cài đặt chế độ điều khiển từ xa, điều chỉnh tốc độ trơn tín hiệu đầu vào analog từ 0-10VDC lấy từ địa AQW0 module EM 235 3.1.2 Thiết bị điều khiển đầu cuối 3.1.2.1 Thiết bị điều khiển: PLC Siemens S7-200 PLC S7 – 200 CPU 222 AC/DC/RLY 212-1BB23-OXBO Thông số kỹ thuật: - Nguồn cấp: 220 AC - Đầu vào số: 08 - Đầu số: 06 - Đầu vào tương tự : - Truyền thông: RS 485 - nhớ 4kb Hình 3.10 PLC S7 -200 CPU Thiết lập tốn điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ 222 Hình 3.11 Mơ hình chức tổng qt PLC 3.1.2.2 Modul Analog EM 235 Thông số kỹ thuật: Nguồn cấp: 24VDC Đầu vào: 04; Đầu ra: 01 Sử dụng cho S7-22x Ngõ vào tương tự: AI, DC +/- 10V Ngõ tương tự: AO, DC +/- 10V 12 bit converter Hình 3.12 Modul Analog EM 235 Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Hình 3.13 Sơ đồ đấu Modul Analog E 235 3.1.3 Thiết bị truyền thông Sử dụng modem IP GPRS F2103 FOUR FAITH Thông số kỹ thuật: Nguồn cấp : tiều chuẩn 12VDC dải cấp từ – 35 VDC CPU 16/32bits Dải truyền thông: đến 85.6Kbps Cổng angten có bảo vệ chống sét Kết nối với thiết bị điều khiển đầu cuối chuẩn RS 232, RS 485 RS 422 Truyền liệu theo dạng đóng gói Có bảo vệ điện áp điện áp ngược Hỗ trợ kết nối với chuẩn TCP/IP Truyền thông qua thuê bao GPRS nhà mạng di động Vinaphone, Vietell, Mobiphone Hình 3.14 Modul truyền thông IP GPRS F2103 Phương thức truyền thông Modem IP truyền thông MODBUS TCP/IP MODBUS hệ thống “chủ -tớ”, “chủ” kết nối với hay Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ nhiều “tớ” “Chủ” thường PLC, PC, DCS, hay RTU “Tớ” thường thiết bị trường, tất kết nối với mạng cấu hình multi-drop MODBUS/TCP đơn giản MODBUS qua Ethernet Thay sử dụng thiết bị cho việc kết nối với thiết bị tớ, địa IP sử dụng - Với MODBUS/TCP, liệu MODBUS tóm lược đơn giản gói TCP/IP Do đó, mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP hỗ trợ MODBUS/TCP Hình 3.15 Mạng truyền thơng modbus TCP/IP Ngồi module hỗ trợ giao thức MODBUS RTU, liệu từ trường qua sóng GPRS đưa máy dạng giao thức TCP/IP sau dùng phần mềm tạo Com để liên kết 3.1.4 Thiết bị trạm điều khiển trung tâm 3.1.4.1 Máy tính: Cấu hình: PC Dell INS3647ST I93ND7; Intel Core i3-4150 3.5GHz ; DDRAM 4GB/1600 (2 Slots) ; HDD 500GB SATA 7200rpm ; Intel HD 4400 ; USB 3.0; HDMI ; DVD-RW ; LAN 10/100/1000; Wireless; Bluetooth; OS Option Màn hình SamSung Led 19 inch; Bàn phím chuột dell Hệ điều hành: Win 3.1.4.1 Modem ADSL Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ Hãng sản xuất : TP-LINK Model : TD-8840T Thông số kỹ thuật Kiểu đường truyền : ADSL Cổng kết nối : x RJ45 10/100 Mbps Base-T Tốc độ truyền Download/Upload 24Mbps/1Mbps (Mbps) : Tốc độ FAX : 56 Kbps Giao thức : ITU ITU T1.413 ITU ITU G.992.5 G.992.1 G.992.2 issue2 G.992.3 3.1.5 Sơ 3.1.5 Đồ kết nối phần cứng tổng thể hệ thống cho hồ Hình 3.16 Sơ đồ kết nối tổng thể hệ thống cho hồ Thiết lập tốn điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ 3.2 Lựa chọn, thiết kế phần mềm 3.2.1 Phần mềm lập trình giao diện Sử dụng phần mềm wincc thiết lập giao điện điều khiển giám sát SCADA 3.2.2 Giao diện WinCC 7.0 Hình 3.17: Giao diện cấu hình kết nối thiết bị điều khiển đầu cuối với trạm điều điều khiển Hình 3.18 Giao diện cấu hình hình điều khiển thiết bị trường Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ 3.3 XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Phân bố đầu vào 3.3.1.1 Các đầu vào Bảng 3.1 Các đầu vào hệ thống STT Kí hiệu D Nâng Hạ CTHT_h CTHT_n CB mức Pha A Enconder Pha B Enconder Địa I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 AIW I0.6 Chú thích Khởi động hệ thống Dừng hệ thơng Đóng cửa xả Giới hạn hạ ( Tắt động cơ) Giới hạn nâng ( Tắt động cơ) Cảm biến báo mức nước hồ Đầu vào tín hiệu Encoder Pha A I0.7 Đầu vào tín hiệu Encoder Pha B 3.3.1.2 Các đầu Bảng 3.2 Các đầu hệ thống ST T Kí hiệu Địa Chú thích Đn Đh Tốc độ Q0.0 Động quay thuận để mở cửa xả Q0.1 Động quay ngược để đóng cửa xả AQW0 Cấp tín hiệu cho biến tần điều khiển tốc độ động 3.3.2 Sơ đồ nối dây 3.3.2.1 Nối dây thiết bị vào với điều khiển Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Hình 3.19 Sơ đồ kết nối thiết bị vào với PLC 3.3.2.2 Nối dây cáp truyền thông DB9M Module truyền thông F2103 Bộ điều khiển PLC Hình 3.20 Sơ nồi nối dây truyền thơng PLC F2103 3.3.3 Xây dựng thuật toán Bài toán ứng dụng đề tài toán tự động giám sát, cảnh báo vận hành cho hồ thủy lợi Bài tốn gồm tín hiệu số tín hiệu tương tự Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Thuật tốn tự đông giám sát, cảnh báo điều khiển theo y cầu tốn cơng nghệ sau: Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển cho hồ Thiết lập toán điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp công nghệ ... đầu vào Bảng 3.1 Các đầu vào hệ thống STT Kí hiệu D Nâng Hạ CTHT_h CTHT_n CB mức Pha A Enconder Pha B Enconder Địa I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 AIW I0.6 Chú thích Khởi động hệ thống Dừng hệ thơng Đóng... chuyển Nhờ có encoder, động điện điều khiển vị trí xác theo tín hiệu điều khiển Thiết lập tốn điều khiển, thiết kế lựa chọn giải pháp cơng nghệ Hình 3.5 Bộ mã hóa vịng quyay Encoder 3.1.1.3 Động... 422 Truyền liệu theo dạng đóng gói Có bảo vệ điện áp điện áp ngược Hỗ trợ kết nối với chuẩn TCP/IP Truyền thông qua thuê bao GPRS nhà mạng di động Vinaphone, Vietell, Mobiphone Hình 3.14 Modul