ĐỒ án môn học thiết kế hệ thống SCADA quản lí hệ thống phối trộn nguyên liệu TAG phú thái

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế hệ thống SCADA quản lí hệ thống phối trộn nguyên liệu TAG Phú Thái Họ tên Trần Văn Dương Đoàn Trọng Đức Vũ Văn Long Vi Duy Linh Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Chun ngành Tự động hóa cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn: Khoa: Trường: HÀ NỘI, 1/2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT Định nghĩa hệ thống SCADA Phân loại hệ thống SCADA Những chuẩn để đánh giá hệ thống SCADA Cấu trúc chung hệ SCADA Mơ hình phân cấp chức 5.1.Mơ hình phân cấp 5.2.Chức năng, nhiệm vụ cấp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC Tổng quan hệ thống 1.1.Giới thiệu công nghệ 1.2.Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát phối Mục tiêu, yêu cầu đề tài 2.1.Mục tiêu 2.2.Yêu cầu đặt CHƯƠNG GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 1.1 Lựa chọn thiết bị phần cứng Cấp nguồn cho hệ thống 1.2 Module điều khiển PLC S7 1215FC DC/DC/DC 1.3 Động trộn 1.4 Động bơm 1.5 Van cánh bướm 1.6 Cân điện tử PT650D 1.7 Cảm biến mức Lựa chọn phần mềm 2.1 Phần mềm Tia Portal V16 2.2 Phần mềm WinCC Advanced 20 2.3 Hệ quản trị sở liệu Microsoft SQL Server 20 Thiết kế hệ thống 21 3.1 Chương trình PLC 21 3.2 Xây dựng quản lý CSDL 26 Thiết kế giao diện vận hành hệ thống 27 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG TRIỂN KHAI SẮP TỚI 32 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Cấu trúc chung hệ SCADA Hình Mơ hình phân cấp hệ thống SCADA Hình Công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn ni Hình Cấu trúc phân cấp hệ thống Hình Hệ thống phối trộn nguyên liệu Hình EDR-120-24 11 Hình Thơng số kĩ thuật nguồn EDR-120-24 11 Hình Cấu trúc phần cứng PLC 12 Hình Module PLC S7 1215FC DC/DC/DC 13 Hình 10 Module mở rộng ngõ 16x24VDC 13 Hình 11 Động trộn YE2-160-4 11Kw4P 14 Hình 12 Động bơm PentaxCM 50-125A 15 Hình 13 Van cánh bướm 16 Hình 14 Cân điện tử PT650D 17 Hình 15 Cảm biến mức dạng xoay 18 Hình 16 Quy trình vận hành hệ thống phối trộn 21 Hình 17 Netwwork lựa chọn chế độ vận hành 23 Hình 18 Khối FC chế độ Manu Auto 24 Hình 19 Khối FC Output Simulation 24 Hình 20 Tạo xung 100ms dùng cho mơ 25 Hình 21 Tạo sở liệu 25 Hình 22 Tạo liệu cho bảng nguyên liệu, cơng thức 26 Hình 23 Giao diện đăng nhập 26 Hình 24 Giao diện điều khiển giám sát chế độ Auto 27 Hình 25 Giao diện điều khiển giám sát chế độ Manu 27 Hình 26 Bảng cài đặt thông số 28 Hình 27 Giao diện lựa chọn công thức 29 Hình 28 Giao diện cảnh báo 29 LỜI NÓI ĐẦU Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Đào Quý Thịnh cung cấp cho chúng em kiến thức đầy đủ môn học DCS, SCADA, đồng thời hướng dẫn, giải đáp thắc mắc để em thực hoàn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bạn sinh viên nhóm thực hồn thiện đề tài Trong q trình thực đề tài, khả kiến thức hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, đề tài khơng tránh thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy bạn để đề tài hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT Định nghĩa hệ thống SCADA SCADA (Supervisory Control And Data 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 thơng thường Để điều khiển giám sát từ xa hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải liệu hệ giao diện người máy (HMI - Human Machine Interface) Trong hệ thống điều khiển giám sát HMI thành phần quan trọng không cấp điều khiển giám sát mà cấp thấp người ta cần giao diện người máy để phục vụ cho việc quan sát thao tác vận hành cấp điều khiển cục Vì lý giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên hình vận hành (OP - Operator Panel), hình chạm (TP - Touch Panel), Multi Panel chuyên dụng sử dụng nhiều chiếm vai trò quan trọng Trong năm gần tiến vượt bậc công nghệ truyền thông công nghiệp công nghệ phần mềm công nghiệp đem lại nhiều khả giải pháp nên trọng tâm công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện giải pháp tích hợp hệ thống Phân loại hệ thống SCADA Các hệ thống SCADA phân làm bốn nhóm với chức năng: - SCADA độc lập/SCADA nối mạng SCADA khơng có khả đồ hoạ/SCADA có khả xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực Bốn nhóm hệ thống SCADA: Hệ thống SCADA mù (Blind): Đây hệ thống đơn giản, khơng có phận giám sát Nhiệm vụ chủ yếu hệ thống thu thập xử lý liệu đồ thị Do tính đơn giản nên giá thành thấp Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây hệ thống SCADA có khả giám sát thu thập liệu Nhờ tập tin cấu hình máy khai báo trước mà hệ có khả mơ tiến trình hoạt động hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động hệ thống Khi xảy cố hệ thống báo cho ng2 ười vận hành để xử lý kịp thời Cũng hệ phát tín hiệu điều khiển dừng hoạt động tất máy móc Hệ thống SCADA độc lập: Đây hệ có khả giám sát thu thập liệu với vi xử lý Hệ điều khiển hai máy móc Vì hệ phù hợp với sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết Hệ thống SCADA mạng: Đây hệ có khả giám sát thu thập liệu với nhiều vi xử lý Các máy tính giám sát nối mạng với Hệ có khả điều khiển nhiều nhóm máy móc, tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống kết nối với phịng quản lý, phịng điều khiển, nhận định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển điều khiển hoạt động thiết bị xa Những chuẩn để đánh giá hệ thống SCADA Để đánh giá hệ thống điều khiển giám sát SCADA ta cần phải phân tích đặc điểm hệ thống theo số tiêu chuẩn sau: - Khả hỗ trợ công cụ phần mềm việc thực xây dựng hình giao diện - Số lượng chất lượng thành phần đồ hoạ có sẵn, khả truy cập cách kết nối liệu từ trình kỹ thuật (trực tiếp từ cấu chấp hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay hệ thống bus trường) - Tính mở hệ thống, chuẩn hố giao diện q trình, khả hỗ trợ xây dựng chức trao đổi tin tức (Messaging), xử lý kiện cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) lập báo cáo (Reporting) - Tính thời gian thực hiệu suất trao đổi thông tin, Windows: hỗ trợ sử dụng mơ hình phần mềm WINCC Cấu trúc chung hệ SCADA Trong hệ thống điều khiển giám sát, cảm biến cấu chấp hành đóng vai trị giao diện thiết bị điều khiển với q trình kỹ thuật Cịn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trị giao diện người máy Các thiết bị phận hệ thống ghép nối với theo kiểu điểm-điểm (Point to Point) qua mạng truyền thơng Tín hiệu thu từ cảm biến tín hiệu nhị phân, tín hiệu số tương tự Khi xử lý máy tính, chúng phải chuyển đổi cho phù hợp với chuẩn giao diện vào/ra máy tính Hình Cấu trúc chung hệ SCADA Các thành phần hệ thống SCADA bao gồm: Giao diện trình: bao gồm cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi cấu chấp hành Thiết bị điều khiển tự động: gồm điều khiển chuyên dụng (PID), điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) máy tính PC với phần mềm điều khiển tương ứng Hệ thống điều khiển giám sát: gồm phần mềm giao diện người máy HMI, trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát điều khiển cao cấp Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống Hệ thống bảo vệ, chế thực chức an tồn 5.1 Mơ hình phân cấp chức Mơ hình phân cấp Tồn hệ thống điều khiển giám sát phân chia thành cấp chức hình vẽ minh hoạ đây: Hình Mơ hình phân cấp hệ thống SCADA Để xếp, phân loại chức tự động hoá hệ thống điều khiển giám sát người ta thường sử dụng mơ Với loại mơ hình chức phân thành nhiều cấp khác nhau, từ lên Càng cấp chức mang tính chất hơn, đòi hỏi yêu cầu cao độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức cấp thực dựa chức cấp ngược lại lượng thông tin cần trao đổi xử lý lại lớn nhiều Việc phân cấp chức tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống lựa chọn thiết bị Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mơ hình phân cấp chức Cấp chấp hành: Các chức cấp chấp hành đo lường, dẫn động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Thực tế, đa số thiết bị cảm biến hay chấp hành có phần điều khiển riêng cho việc thực đo lường - truyền động xác nhanh nhạy Các thiết bị thơng minh (có vi xử lý riêng) đảm nhận việc xử lý chuẩn bị thông tin trước đưa lên cấp điều khiển Cấp điều khiển: Nhiệm vụ cấp điều khiển nhận thông tin từ cảm biến, xử lý thơng tin theo thuật toán định truyền đạt lại kết xuống chấp hành Máy tính đảm nhận việc theo dõi công cụ đo lường, tự thực thao tác nhấn nút mở, đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay…Đặc tính bật cấp điều khiển xử lý thông tin Cấp điều khiển cấp chấp hành hay gọi chung cấp trường (Field level) điều khiển, cảm biến chấp hành cài đặt trực tiếp trường gần kề với hệ thống kỹ thuật Cấp điều khiển giám sát: có chức giám sát vận hành q trình kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành xử lý tình bất thường Ngồi số trường hợp, cấp thực toán điều khiển cao cấp điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự điều khiển theo cơng thức Việc thực chức cấp điều khiển giám sát thường khơng địi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngồi máy tính thơng thường Thông thường người ta coi ba cấp thuộc phạm vi hệ thống điều khiển giám sát Tuy nhiên biểu thị hai cấp (Quản lý công ty Điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mơ hình lý tưởng cho cấu trúc chức tổng thể cho công ty sản xuất công nghiệp Gần đây, nhu cầu tự động hoá tổng thể kể cấp điều hành sản xuất quản lý cơng ty, việc tích hợp hệ thống loại bỏ cấp trung gian khơng cần thiết mơ hình chức trở nên cần thiết Cũng thế, ranh giới cấp điều hành sản xuất nhiều khơng rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp thành cấp gọi chung cấp điều hành 5.2 Chức năng, nhiệm vụ cấp Chức cấp SCADA cung cấp dịch vụ sau: Thứ nhất: thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) số liệu sản xuất tổ chức việc lưu giữ nhiều loại sở liệu (số liệu lịch sử sản xuất, kiện thao tác, báo động) Thứ hai: dùng liệu để cung cấp dịch vụ điều khiển, giám sát hệ sản xuất Thứ ba: hiển thị báo cáo tổng kết trình sản xuất (trang hình, trang đồ thị, trang kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất) Thứ tư: điều khiển từ xa q trình sản xuất (đóng cắt máy móc thiết bị, tăng giảm nấc phân áp) Thứ năm: thực dịch vụ truyền số liệu hệ (đọc viết số liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời tin yêu cầu cấp số liệu, thao tác hệ) Thông số kĩ thuật: − Nguồn cấp: AC220V ±10% − Công suất tiêu thụ: 3W − Tiếp điểm: AC250V, 3A − Tốc độ cánh quay: 6RPM − Mô-men xoắn: 300-600 g/cm − Nhiệt độ môi trường: 0-60 °C Nguyên lý hoạt động: Cảm biến sử dụng điện áp 220VAC để chạy động cánh quạt Khi thùng phễu khơng có ngun liệu, thiết bị quay tự do, ngược lại khiến cho phần chân vịt đứng n cảm biến nhận tín hiệu đồng thời gửi đến điều khiển Lựa chọn phần mềm 2.1 Phần mềm Tia Portal V16 TIA Portal phát triển vào năm 1996 kỹ sư Siemens, cho phép người dùng phát triển viết phần mềm quản lý riêng lẻ cách nhanh chóng, tảng thống Giải pháp giảm thiểu thời gian tích hợp ứng dụng riêng biệt để thống tạo hệ thống TIA Portal - Tích hợp tự động toàn diện phần mềm sở cho tất phần mềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị dải sản phẩm Đặc điểm TIA Portal cho phép phần mềm chia sẻ sở liệu, tạo nên tính thống nhất, tồn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực thao tác:  Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng  Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát  Thực go online Diagnostic cho tất thiết bị project để xác định bệnh, lỗi hệ thống  Tích hợp mơ hệ thống  Dễ dàng thiết lập cấu hình liên kết thiết bị Siemens 20 Hiện phần mềm TIA Portal có nhiều phiên TIA Portal V14,TIA Portal V15, TIA Portal V16 TIA Portal V17 Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng lựa chọn cài đặt TIA portal phiên tương ứng 2.2 Phần mềm WinCC Advanced WinCC Runtime Advanced cung cấp giao diện phần mềm điều khiển giám sát vận hành dựa PC dành cho hệ thống người dùng trực tiếp máy SIMATIC WinCC Runtime Advanced cấu hình phần mềm cấu hình SIMATIC WinCC Advanced SIMATIC WinCC Professional SIMATIC WinCC Runtime Advanced phần mềm trực quan hóa hiệu suất cao dành cho tác vụ trực quan hóa đơn giản theo hướng máy móc Nó sử dụng giải pháp cho người dùng dành cho tất ứng dụng tự động hóa (tự động hóa sản xuất, tự động hóa quy trình tự động hóa tịa nhà) SIMATIC WinCC Runtime Advanced sử dụng kết hợp với: SIMATIC Rack PC, Box PC, Panel PC; điều khiển ET 200SP; SINUMERIK PC 2.3 Hệ quản trị sở liệu Microsoft SQL Server SQL Server hệ quản trị sở liệu quan hệ (Relational Database Management System (RDBMS) ) sử dụng câu lệnh SQL (Transact-SQL) để trao đổi liệu máy Client máy cài SQL Server Một RDBMS bao gồm databases, database engine ứng dụng dùng để quản lý liệu phận khác RDBMS SQL Server tối ưu để chạy môi trường sở liệu lớn (Very Large Database Environment) lên đến Tera-Byte phục vụ lúc cho hàng ngàn user SQL Server kết hợp “ăn ý” với server khác Microsoft Internet Information Server (IIS), E-Commerce Server, Proxy Server… Việc xây dựng sở liệu cho phần mềm thực phần mềm Microsoft SQL Server Management Studio nhằm tạo liệu công thức nguyên liệu phối trộn, thu thập liệu trình cân phối trộn, lưu sở liệu hệ thống để khôi phục cần thiết Thiết kế hệ thống 3.1 Chương trình PLC a Quy trình vận hành 21 Có chế độ hoạt động: Chế độ điều khiển sản xuất tay chế độ điều khiển tự động Chế độ chạy tay: động van khí nén điều khiển độc lập, không ảnh hưởng đến Chế độ sản xuất tự động: Nếu giá trị nguyên liệu cài đặt sẵn theo công thức, ấn start hệ thống hoạt động sau: Hình 16 Quy trình vận hành hệ thống phối trộn Cảm biến mức báo khơng có ngun liệu thùng trộn, van khí nén thùng silo mở có nguyên liệu cần cân theo thứ tự đánh số silo  Khi đó, cân cân cộng dồn cho khối lượng nguyên liệu cài đặt đạt giá trị yêu cầu Khi nguyên liệu đạt giá trị yêu cầu van khí nén silo đóng bắt đầu mở van silo khác  Khi cân xong van silo đóng, ta bắt đầu mở van cân bật động bơm nguyên liệu thùng cân vào thùng trộn nguyên liệu Động trộn  22 bắt đầu hoạt động Máy trộn bắt đầu tính thời gian trộn người vận hành cài đặt  Sau trộn đủ thời gian cho phép cửa xả hỗn hợp mở nguyên liệu hệ thống máng tải vận chuyển đến máy đóng bao quay lại bước đầu  Chu trình lặp lặp lại đủ số mẻ yêu cầu dừng  Lưu lại giá trị thực tế nguyên liệu cấp: giá trị cân thực tế nguyên liệu lưu lại nguyên liệu cấp đủ thùng cân Lưu ý: Trên thực tế, sau lần sản xuất, nguyên liệu tồn đọng thùng cân quán tính vận chuyển nguyên liệu tới thùng cân b Liệt kê biến vào - Danh sách biến đầu vào STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 23 - Danh sách biến đầu ra: STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Và biến trung gian khác c Chương trình PLC Khối chương trình Main: Bao gồm dòng lệnh chọn chế độ vận hành, dịng lệnh chạy chương trình khối FC mô phỏng, khối FC Auto, khối FC Manu, khối FC output, khối FC loadcell, lệnh tạo xung 100ms để mơ loadcell… 24 Hình 17 Netwwork lựa chọn chế độ vận hành Hình 18 Khối FC chế độ Manu Auto 25 Hình 19 Khối FC Output Simulation Hình 20 Tạo xung 100ms dùng cho mơ Các khối chương trình gắn phần phụ lục báo cáo 26 3.2 Xây dựng quản lý CSDL Hình 21 Tạo sở liệu Tạo CSDL có tên PLC_DATA với bảng cần thiết bangSP để lưu trữ liệu bangSP để ghi tên tất sản phẩm mà tạo dự án, với sản phẩm có bảng riêng ghi cơng thức Hình 22 Tạo liệu cho bảng nguyên liệu, công thức Kết nối CSDL với PLC: Sử dụng ODBC Data Sources 64 bits để kết nối SSMS với Tia Portal Thiết kế giao diện vận hành hệ thống Khi bắt đầu chạy chương trình, phải đăng nhập User name Password 27 Hình 23 Giao diện đăng nhập Khi “đăng nhập” với tài khoản admin mật “123456” ta vào giao diện điều khiển -Giao diện vận hành hình HOME Hình 24 Giao diện điều khiển giám sát chế độ Auto 28 Hình 25 Giao diện điều khiển giám sát chế độ Manu Trong đó: Bảng điều khiển hiển thị công tắc chọn chế độ vận hành, đèn báo chế độ hoạt động, đèn báo điều kiện an toàn, đèn báo lỗi Các nút bấm chọn chế làm việc hệ thống: Chạy, Dừng, Tiếp tục Bảng cài đặt thông số bao gồm nút bấm lựa chọn công thức, nguyên liệu, hiển thị mã công thức, cài đặt thời gian trộn, xả bồn số mẻ trộn 29 Hình 26 Bảng cài đặt thơng số Thơng tin hiển thị liệu số mẻ trộn thời giân trộn thực tế, Khỗi lượng mẻ Click vào nút bấm công thức bảng cài đặt thông số mở giao diện công thức, ta lựa chọn công thức phù hợp bấm nút quay Hình 27 Giao diện lựa chọn cơng thức Ta cài đặt số mẻ cần thực để tiến hành trộn Sau bấm start để tiến hành trộn 30 Khi click vào nút bấm cảnh báo, giao diện cảnh báo mở Hình 28 Giao diện cảnh báo Giao diện Cảnh báo hiển thị thông báo: − − − Hệ thống chạy Hệ thống dừng Hồn thành cơng việc Cảnh báo: − − Tràn bình trộn Lỗi động trộn, động bơm cân 3, động bơm rửa 31 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG TRIỂN KHAI SẮP TỚI 32 Phụ lục Sơ đồ đấu dây Hình 29 Sơ đồ đấu dây đầu vào PLC Hình 30 Sơ đồ đấu dây đầu PLC 33 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 ... thẳng sang hệ thống phối trộn nguyên liệu Hệ thống Nghiền nguyên liệu: Nguyên liệu nghiền nhỏ sau chuyển đến hệ thống phối trộn nguyên liệu Hệ thống Phối trộn nguyên liệu: Nguyên liệu sau đạt... đến hệ thống đóng bao tùy vào yêu cầu đơn hàng Hệ thống đóng bao: Các viên nguyên liệu nguyên liệu sau phối trộn chuyển đến hệ thống đóng bao, kết thúc dây chuyền Trong hệ thống trên, hệ thống. .. ống dẫn nguyên liệu từ hệ thống nghiền nạp liệu -Silo chứa nguyên liệu -Cân nguyên liệu -Cảm biến lưu lượng bơm chất lỏng -Nơi đổ nguyên liệu thêm tay - Máy trộn nguyên liệu Chu trình phối trộn