Hệ thống giám sát và điều khiển thời gian thực

Hệ thống giám sát và điều khiển thời gian thực, xây dựng mô hình hệ thống điều khiển. Thiết kế cấu trúc bộ điều khiển cho một chương trình thực tế với các chức năng cho trước. Hệ thống được tối ưu hoá và phân tán đồng bộ, đáp ứng và thích nghi được với môi trường điều khiển.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO HỌC PHẦN HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC Hệ thống giám sát NGUYỄN HOÀNG LINH linh.nh212075M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn : TS Vũ Vân Hà Bộ môn : Điều khiển tự động Hà Nội, 01/2023 Mục lục DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI GIỚI THIỆU Chương Tổng quan truyền thông công nghiệp 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp 1.2 Vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp 1.3 Phân loại hệ thống mạng công nghiệp 1.3.1 Bus trường 1.3.2 Bus hệ thống 10 1.3.3 Mạng xí nghiệp 11 1.3.4 Mạng công ty 11 1.4 Giao thức truyền thông công nghiệp thường sử dụng 12 1.4.1 Giao tiếp nối tiếp 12 1.4.2 HART 13 1.4.3 DeviceNet 14 1.4.4 ControlNet 14 1.4.5 Modbus 15 1.4.6 Profibus 15 1.4.7 Foudation Field Bus 16 Chương Giao thức truyền thông Modbus RTU 18 2.1 Phân biệt RS232 RS485 18 2.2 Cấu tạo Modbus RTU 20 2.3 Cách thức hoạt động Modbus RTU 20 2.4 Phân loại giao tiếp truyền thông Modbus 22 2.5 Các ưu nhược điểm Modbus RTU 22 2.6 Ứng dụng giao thức truyền thông Modbus RTU 23 Chương Phần mềm WinCC 25 3.1 Tổng quan WinCC 25 3.2 Đặc trưng WinCC 25 3.3 Ứng dụng WinCC 26 Chương Bài toán thực tế 28 4.1 Yêu cầu toán 28 Trang | 4.2 Kết thực 31 4.2.1 Hệ thống vận hành chế độ tự động 31 4.2.2 Hệ thống vận hành chế độ thủ công 33 Kết luận 34 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 Trang | DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Mạng truyền thông công nghiệp Hình Phân loại hệ tống mạng công nghiệp Hình Truyền thông nối tiếp 12 Hình Giao thức HART 13 Hình Mạng truyền thông DeviceNet 14 Hình Mạng ControlNet 14 Hình Mạng truyền thông Modbus 15 Hình Mạng truyền thông Profibus 16 Hình Mạng Foudation Field Bus 17 Hình 10 Kết nối PLC với máy tính dùng cổng RS 232 18 Hình 11 Mơ hình giao tiếp RS485 19 Hình 12 Cách chuyển đổi tính hiệu 4-20mA sang RS485 20 Hình 13 Thiết kế hình giám sát WinCC 25 Hình 14 Hệ thống điều khiển máy bơm nước vào bồn 28 Hình 15 Lựa chọn điều khiển lập trình 28 Hình 16 Kết nối điều khiển PLC S7-1200 thiết bị SCADA qua giao thức PROFINET 29 Hình 17 Thiết kế hệ thống giám sát, đồng thời thiết lập chức cho thành phần tương ứng hệ thống 29 Hình 18 Lập danh sách thẻ sử dụng cho biến điều khiển, nhận liệu đầu vào, xuất liệu, kiểm soát mực nước 30 Hình 19 Máy bơm hoạt động để bơm nước vào bồn chứa mức nước thấp mức nước cài đặt 31 Hình 20 Khi mức nước bồn chứa đủ, bơm dừng hoạt động 31 Hình 21 Khi van xả hoạt động, bơm bật để bơm nước 32 Hình 22 Khi phao báo nước bị cạn, bơm tự động bật để bơm nước vào bể chứa 32 Hình 23 Hệ thống vận hành chế độ thủ công bơm van xả hoạt động 33 Hình 24 Hệ thống vừa bơm nước vào bể, vừa bơm nước vào bồn chứa 33 Trang | LỜI GIỚI THIỆU Thời đại 4.0 ngày phát triển, doanh nghiệp ngày đầu tư cho hệ thống dây chuyền sản xuất nhiều Tự động hoá ứng dụng cho hệ thống robot công nghiệp, máy tự động hay dây chuyền tự động làm hoạt động sản xuất , chế tạo Giám sát sản xuất tự động hoạt động xuyên suốt trình sản xuất liên tục điều chỉnh, cập nhật, mang tính chất định đến suất, chất lượng dây chuyền doanh nghiệp Hệ thống giám sát sản xuất việc kiểm sốt chi tiết cơng đoạn q trình sản xuất tự động hoá, bước tiến vơ đột phá quy trình sản xuất Nhờ hệ thống giám sát này, doanh nghiệp không cần sử dụng bảng biểu hình thức thơng tin thơ sơ có Q trình giám sát thủ cơng ngày dễ sai sót trở nên hiệu quả, phức tạp hoá dây chuyền sản xuất tiêu tốn nhân lực, hệ thống giám sát tự động sản xuất đời, giúp trình sản xuất trở nên hiệu hơn, số liệu cập nhật nhanh chóng xác Từ đó, doanh nghiệp dễ dàng cập nhật thay đổi liệu, tiết kiệm chi phí giảm thiểu nguồn nhân lực Hệ thống làm việc theo thời gian thực cảnh báo cố xảy trình sản xuất như: thiếu nguyên vật liệu, thiết bị máy móc gặp cố, thành phẩm sản xuất không đạt tiêu chuẩn, công nhân vận hành máy không kĩ thuật, phát lỗi sản phẩm hoàn thành… Hệ thống giám sát q trình sản xuất có nhiều lợi ích, giúp doanh nghiệp hiển thị sản lượng thực tế, giúp mục tiêu q trình sản xuất ln trực quan diễn theo thời gian thực, đảm bảo kết ln xác Người quản lý cơng nhân chủ động q trình hồn thành mục tiêu nhờ tốc độ giám sát sản phẩm diễn liên tục, đồng thời giúp kế hoạch sản xuất điều chỉnh linh hoạt chủ động Bên cạnh đó, hệ thống cịn hiển thị trực quan vị trí quan trọng với hình LED, đèn ANDON… Các thông tin trình sản xuất lưu lại hệ thống, dễ dàng báo cáo in ấn Mức độ bảo mật thông tin cao thời gian lưu trữ dài, giúp doanh nghiệp yên tâm trình sử dụng Đồng thời hệ thống sản xuất qua giám sát ứng dụng nhiều ngành sản xuất như: gia cơng khí, lắp ráp tơ xe máy, sản xuất hàng loạt, may mặc, dây chuyền lắp ráp điện tử… Trang | Chương Tổng quan truyền thông công nghiệp 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp xương sống cho kiến trúc hệ thống tự động hoá cung cấp phương tiện trao đổi liệu cách mạnh mẽ, với khả kiểm sốt liệu tính linh hoạt để kết nối thiết bị khác Với việc sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số độc quyền ngành công nghiệp thập kỷ qua dẫn đến việc cải thiện độ xác tính tồn vẹn tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối Các mạng này, LAN (mạng cục sử dụng môt khu vực hạn chế) WAN (mạng diện rộng sử dụng làm hệ thống toàn cầu) kích hoạt để giao tiếp lượng lớn liệu cách sử dụng số kênh giới hạn Mạng công nghiệp dẫn đến việc triển khai giao thức truyền thông khác điều khiển kỹ thuật số, thiết bị trường, công cụ phần mềm liên quan đến tự động hoá khác với hệ thống bên Khi hệ thống tự động hố cơng nghiệp ngày phát triển mạnh mẽ, trở nên phức tạp với số lượng lớn thiết bị tầng điều khiển, xu hướng hướng tới chuẩn kết nối hệ thống mở (OSI) cho phép kết nối giao tiếp cặp thiết bị tự động hoá cách đáng tin cậy với nhà sản xuất Với tiến công nghệ kỹ thuật số, công nghệ fieldbus thống trị lĩnh vực tự động hoá cung cấp phương tiện truyền thơng đa điểm mang lại hiệu chi phí tiết kiệm cáp dẫn Hình Mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp (Industrial Communication Network) hay mạng công nghiệp khái niệm chung hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp nhằm mục đích ghép nối thiết bị cơng nghiệp giúp Trang | thiết bị giao tiếp với kiến tạo thành mạng lưới, hệ thống đồng có phân cấp kiểm sốt chặt chẽ Với hệ thống truyền thơng công nghiệp cho phép liên kết mạng nhiều mức, nhiều cấp độ khác nhau: từ cảm biến, cấu chấp hành máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Về sở kỹ thuật, mạng cơng nghiệp hệ thống mạng viễn thơng có nhiều điểm tương đồng, nhiên có điểm khác biệt sau: - Mạng viễn thơng có phạm vi địa lý số lượng thành viên tham gia lớn nhiều, nên yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thơng, tính thời gian thực,…) khác, phương pháp truyền thông (truyền tải dải rộng/dải sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch,…) thường phức tạp nhiều so với mạng công nghiệp - Đối tượng mạng viễn thông bao gồm người thiết bị kỹ thuật, người đóng vai trị chủ yếu Vì dạng thông tin cần trao đổi bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn liệu Đối tượng mạng công nghiệp túy thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin quan tâm liệu - Các kỹ thuật công nghệ dùng mạng viễn thông phong phú, kỹ thuật truyền liệu theo chế độ bit nối tiếp đặc trưng mạng công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thơng thường điểm giống khác sau: - Kỹ thuật truyền thông số hay truyền liệu đặc trưng chung hai lĩnh vực - Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng cơng nghiệp coi phần (ở cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất quản lý công ty) mơ hình phân cấp mạng cơng nghiệp - Yêu cầu tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích mơi trường công nghiệp mạng truyền thông công nghiệp cao so với mạng máy tính thơng thường, mạng máy tính thường địi hỏi cao độ bảo mật - Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau, ví dụ nhỏ mạng LAN cho nhóm vài máy tính, lớn mạng Internet Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền liệu Trang | mạng viễn thơng Trong đó, hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp Sự khác phạm vi mục đích sử dụng hệ thống mạng truyền thơng công nghiệp với hệ thống mạng viễn thông mạng máy tính dẫn đến khác yêu cầu mặt kỹ thuật tính kinh tế Ví dụ: yêu cầu kết nối nhiều máy tính khác cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc giao thức mạng máy tính phổ thơng thường phức tạp so với kiến trúc giao thức mạng công nghiệp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt cấp u cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ lại đặt hàng đầu 1.2 Vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt bus trường để thay cách nối điểm-điểm cổ điển thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt lợi ích sau: - Đơn giản hóa cấu trúc liên kết thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn thiết bị thuộc chủng loại khác ghép nối với thông qua đường truyền - Tiết kiệm dây nối công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng nhiều Một số lượng lớn cáp truyền thay đường nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu công lắp đặt - Nâng cao độ tin cậy độ xác thơng tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà thiết bị cách nhận biết - Nhờ kỹ thuật truyền thơng số, khơng thơng tin truyền khó bị sai lệch hơn, mà thiết bị nối mạng có thêm khả tự phát lỗi chẩn đốn lỗi có Hơn nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tựsố số-tương tự nâng cao độ xác thơng tin - Nâng cao độ linh hoạt, tính mở hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng thiết bị nhiều hãng khác Việc thay thiết bị, nâng cấp mở rộng phạm vi chức hệ thống dễ dàng nhiều Khả tương tác thành phần (phần cứng phần mềm) nâng cao nhờ giao diện chuẩn - Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đốn, định vị lỗi, cố thiết bị : Với đường truyền nhất, thiết bị trao đổi liệu q trình, mà cịn gửi cho liệu tham số, liệu Trang | trạng thái, liệu cảnh báo liệu chẩn đốn Các thiết bị tích hợp khả tự chẩn đốn, trạm mạng có khả cảnh giới lẫn - Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị đưa vào vận hành thực từ xa qua trạm kỹ thuật trung tâm.Mở nhiều chức khả ứng dụng hệ thống - Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng kiến trúc điều khiển điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với thiết bị trường, điều khiển giám sát chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thơng tin hệ thống điều khiển giám sát với thông tin điều hành sản xuất quản lý công ty 1.3 Phân loại hệ thống mạng công nghiệp Để xếp, phân loại phân tích đặc trưng hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho cơng ty, xí nghiệp sản xuất Tương ứng với năm cấp chức bốn cấp hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường dùng thay cho “mạng”, với lý phần lớn hệ thống mạng phía có cấu trúc vật lý logic kiểu bus Hình Phân loại hệ tống mạng công nghiệp 1.3.1 Bus trường Bus trường (fieldbus) khái niệm chung dùng ngành công nghiệp chế biến để hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với với thiết bị cấp chấp hành, hay thiết bị trường Các chức cấp chấp hành đo lường, truyền động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Trang | Các thiết bị có khả nối mạng vào/ra phân tán (distributed I/O), thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả xử lý truyền thơng Một số kiểu bus trường thích hợp nối mạng thiết bị cảm biến cấu chấp hành với điều khiển, gọi bus chấp hành/cảm biến Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia cơng, lắp ráp) số lĩnh vực ứng dụng khác tự động hóa tịa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại sử dụng phổ biến Có thể nói, bus thiết bị bus trường có chức tương đương, đặc trưng riêng biệt hai ngành cơng nghiệp, nên số tính khác Tuy nhiên, khác ngày trở nên không rõ rệt, mà phạm vi ứng dụng hai loại mở rộng đan chéo sang Trong thực tế, người ta dùng chung khái niệm bus trường Do nhiệm vụ bus trường chuyển liệu trình lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển xuống cấu chấp hành, u cầu tính thời gian thực đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây Trong đó, u cầu lượng thơng tin điện thường hạn chế khoảng vài byte, tốc độ truyền thơng thường cần phạm vi Mbit/s thấp Việc trao đổi thơng tin biến q trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hồn, bên cạnh thơng tin tham số hóa cảnh báo có tính chất bất thường Các hệ thống bus trường sử dụng rộng rãi PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus gần phải kể tới Foundation Fieldbus DeviceNet, AS-i, EIB Bitbus vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu nêu 1.3.2 Bus hệ thống Các hệ thống mạng công nghiệp dùng để kết nối máy tính điều khiển máy tính cấp điều khiển giám sát với gọi bus hệ thống (system bus) hay bus trình (process bus) Khái niệm sau thường dùng lĩnh vực điều khiển trình Qua bus hệ thống mà máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp liệu trình cho trạm kỹ thuật trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý sở liệu trạm chủ) nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ trạm phía Thơng tin khơng trao đổi theo chiều dọc, mà cịn theo chiều ngang Trang | 10 Phương thức truyền Modbus RTU đường truyền vật lý RS232 RS485, Modbus TCP/IP truyền địa IT thơng qua Internet - Mỗi thiết bị mạng modbus cung cấp địa Trong mạng modbus có node gán Master (ta gọi Master, node lại gọi Node) khởi tạo lệnh Trong frame truyền có chứa địa thiết bị slave (1 đến 247), thiết bị có ID tương ứng đáp ứng, thiết bị khác nhận (một ngoại lệ lệnh phát cụ thể gửi đến nút 0, thực không xác nhận) Tất lệnh Modbus chứa thông tin tổng kiểm tra (check sum CRC) phép người nhận phát lỗi truyền Master đọc ghi liệu vào ghi thiết bị slave - Cách đấu nối sau: ⎯⎯ → AA- (Master) ⎯ (Slave) ⎯ + (Master) ⎯⎯ → ⎯ ⎯ B+ (Slave) ⎯⎯ → GND (Slave) GND (Master) ⎯ ⎯ - Dây GND cần nối trường hợp khu vực đấu nối vùng nhiều sấm sét, máy móc hoạt động dịng lớn, nhiễu phức tạp…để tránh bị phá hỏng thiết bị tín hiệu thu bị sai Điện chênh lệch GND hai bên tối đa 7V Nếu thiết bị cần đọc đồng hồ điện (ví dụ Select MFM383A) mạch arduino làm master để truy xuất vào đọc ghi Các thơng số baud rate, data bit, bit stop, parity phải cài đặt đồng mastter slave Thông thường với slave đồng hồ điện, đồng hồ nước, cảm biến xem chúng hình cài đặt hay manual, datasheet thiết bị Ở phần code arduino chỉnh sửa thơng tin cho giống thiết bị với thiết bị có LCD đa số set thơng số cho salve Nếu cần đọc ghi chứa liệu slave dùng function code 01, 02, 03, 04 - FC01: đọc trạng thái coil, coil giá trị output Số coil numbers kéo dài từ 00001 đến 65536 , - FC02: đọc trạng thái input, số discrete input kéo dài từ 00001 đến 65536, - FC04: đọc input register, số input register trải dài từ 00001 đến 65536, - FC03: đọc holding register, số holding register trải dài từ 00001 đến 65536 Chúng ta thấy địa 30002 chứa giá trị điện áp V2N, ta hiểu địa 0x02, Function code 04, kiểu liệu float, độ dài ghi Trang | 21 Để tránh nhầm lẫn function code địa ghi người ta quy định độ dài FC+ADDRESS 6, ta thấy độ dài 30002 ta hiểu 030002, FC 03, addr Mỗi ghi byte, theo ví dụ liệu có độ dài ghi nghĩa byte Gọi byte A,B,C,D liệu lưu ghi ABCD với AB lưu ghi địa thấp, CD lưu ghi địa cao Hoặc CDAB… Vì biết kiểu liệu chưa đủ, cần phải biết liệu lưu dạng Một ý làm việc với device hỗ trợ truyền thông modbus device liệu nằm ghi có địa tờ tới 10000, frame truyền (Modbus message) điịa dùng tới 9999 phải ofset muốn đọc/ghi tới xác địa cần làm việc Ví dụ bạn muốn đọc ghi 30069 (FC04, địa 69 DEC) frame truyền định giá trị 68 2.4 Phân loại giao tiếp truyền thơng Modbus Ngồi Modbus RTU cịn có nhiều loại Modbus khác Modbus TCP, Modbus ASCII, Modbus UDP, Modbus Plus, Pemex Modbus, Enron Modbus Và đặc điểm loại sau: - Modbus Plus – (Modbus +, MB + MBP) – Modbus Plus: độc quyền Schneider Electric không giống biến thể khác, hỗ trợ liên lạc ngang hàng nhiều chủ Nó địi hỏi đồng xử lý chun dụng để xử lý xoay vịng mã thơng báo giống HDLC nhanh Nó sử dụng cặp xoắn với tốc độ Mbit/s bao gồm cách ly máy biến áp nút, làm cho chuyển đổi kích hoạt cạnh thay kích hoạt điện áp – cấp độ - Enron Modbus: phần mở rộng khác Modbus tiêu chuẩn phát triển Enron Corporation - Modbus TCP: khác Modbus RTU MODBUS TCP (hay gọi modbus IP, Modbus Ethernet hay Modbus TCP/IP) Modbus TCP chạy cổng vật lý Ethernet Modbus RTU thì chạy cổng vật lý serial nối tiếp (RS232 RS485) - Modbus ASCII: cho phép người đọc đọc trực tiếp tin nhắn tin Modbus ASCII giao tiếp với modbus RTU ngược lại - Modbus UDP: có số người thử nghiệm sử dụng Modbus qua UDP mạng IP, loại bỏ thủ tục cần thiết cho TCP - Pemex Modbus: phần mở rộng Modbus tiêu chuẩn, thiết kế cho cơng ty dầu khí Pemex để sử dụng kiểm sốt q trình khơng áp dụng rộng rãi 2.5 Các ưu nhược điểm Modbus RTU Trang | 22 Việc sử dụng loại thiết bị, máy móc có điểm tốt điểm chưa tốt không Và giao thức truyền tín hiệu khơng ngoại lệ, liệt kê số ưu nhược điểm cách thức truyền tín hiệu để bạn hiểu thêm Ưu điểm: - Có thể dùng cho nhiều loại thiết bị có chung cổng Modbus RTU - Giảm số lượng dây kết nối cho PLC, tối ưu hóa khơng gian nhà xưởng hay nơi làm việc - Tiết kiệm số lượng lớn module mở rộng PLC - Ổn định bị nhiễu so với tín hiệu analog 4-20ma - Các dạng tín hiệu dây RS-485 có khả truyền xa lên đến 1200m mà khơng sợ tín hiệu hay liệu - Các module hoạt động độc lập nên dễ dàng quản lý Nhược điểm: - Tín hiệu chậm việc sử dụng trực tiếp tín hiệu analog hay digital - Chỉ phù hợp cho điều khiển có thời gian từ 1s trở xuống - Cần trang bị PLC hay Scada có cấu hình mạnh để đọc hết ghi nhiều modbus 2.6 Ứng dụng giao thức truyền thông Modbus RTU Ở cộng đồng arduino việc sử dụng modbus rtu chưa nhiều mảng điện công nghiệp dễ bắt gặp thiết bị cảm biến nhiệt, áp suất, PLC, đồng hộ điện, đồng hồ nước….sử dụng modbus RTU Cuộc cách mạng 4.0 khởi xướng, cộng đồng IoT, IIoT ngày lớn mạnh nên ngày thấy nhiều thiết bị điện tử anh em dần lấn sân sang điện công nghiệp vốn từ lâu sân chơi thiết bị hãng tên tuổi Mitsu, ABB, Simen, Sneighder, Omron, IFM… Một vài ứng dụng thường gặp như: Giả sử để điều khiển hệ thống mạng lưới quạt làm mát trang trại hay phân xưởng sản xuất Nếu đấu dây theo truyền thống kéo cặp dây nguồn từ tủ điện trung tâm tới quạt Các bạn tưởng tượng số lượng quạt lên tới 30 phải kéo 30 dây nguồn tới 30 quạt điều khiển độc lập bật/tắt Hoặc kéo dây nguồn lại sử dụng 30 cơng tắc để cấp nguồn cho quạt muốn bật/tắt quạt phải tới vị trí quạt thời gian Vậy giải pháp tối ưu ta cần kéo dây lõi với dây A,B truyền thông modbus rtu dây nguồn đáp ứng đủ yêu cầu bật tắt mà Trang | 23 không cần kéo dây nguồn từ tủ điện tới quạt Tại quạt ta có node slave, với 30 quat ta có 30 slave id từ tới 30 Vì tiết kiệm thời gian triển khai dự án, đỡ nguy hai kéo lưới điện âm sàn, âm tường, hay treo mạng nhện đầu, tiềm ẩn nguy chập cháy Ngồi tiết kiệm thời gian, cơng sức thi cơng cịn tiết kiệm lượng lớn dây điện đủ để bù vào chi phí tạo node modbus rtu Mở rộng với ứng dụng vào device hệ thống van nước vườn, đồng hồ điện tiêu thụ phòng, nhà building… Trang | 24 Chương Phần mềm WinCC 3.1 Tổng quan WinCC WinCC chương trình ứng dụng Scada (HMI-Human Machine Interface) lĩnh vực dân dụng công nghiệp WinCC dùng để điều hành hình hiển thị hệ thống điều khiển tự động hoá sản xuất trình WinCC viết tắt Window Control Center, phần mềm hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển thu thập liệu trình sản xuất Hình 13 Thiết kế hình giám sát WinCC Theo nghĩa hẹp WinCC chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện Người Máy (HMI) hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức thu thập số liệu, giám sát điều khiển trình sản xuất Những thành phần có WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp ứng dụng có sẵn mà khơng gặp trở ngại WinCC cung cấp module chức thường dùng cơng nghiệp như: Hiển thị hình ảnh, tạo thơng điệp, lưu trữ báo cáo Giao diện điều khiển mạnh, việc truy cập ảnh nhanh chóng chức lưu trữ an tồn ( bảo mật) đảm bảo tính hữu dụng cao Với WinCC người dùng trao đổi liệu trực tiếp với nhiều PLC hãng khác Misubishi, Allen Braddly, Siemens… thông qua cổng COM với chuẩn RS-232 máy tính với chuẩn RS485 PLC 3.2 Đặc trưng WinCC WinCC 6.0 chạy hệ điều hành Window Do tính chất mở thường xun cập nhật, phát triển nên WinCC tương thích với nhiều phần mềm chuẩn tạo nên giao diện người máy đáp ứng nhu cầu sản xuất Có thể ứng dụng WinCC để phát triển ứng dụng qua giao diện mở WinCC Chương trình tích hợp nhiều ứng dụng, tận dụng dịch vụ hệ điều hành làm sở Trang | 25 mở rộng hệ thống Với WinCC ta sử dụng nhiều giải pháp khác để giải công việc, từ việc xây dựng hệ thống có quy mơ nhỏ 15 vừa khác nhau, việc xây dựng hệ thống có quy mô lớn MES: hệ thống quản lý việc thực sản xuất Manufacturing Excution System, hệ thống ERPEnterprise Resouse Planning Tuỳ theo khả người thiết kế phần cứng hỗ trợ khác mà WinCC dã phát triển nhiều lĩnh vực khác 3.3 Ứng dụng WinCC Tự động hoá trình điều khiển giám sát quy trình sản xuất Khi hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển thu thập liệu từ q trình, mơ hình kiện xảy trình điều khiển dạng chuỗi kiện WinCC cung cấp nhiều hàm chức cho mục đích hiển thị, thơng báo đồ hoạ, xử lí thơng tin đo lường, tham số cơng thức, bảng ghi báo cáo, … đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày phát triển chương trình ứng dụng thiết kế giao diện Người – Máy (HMI), sử dụng phổ cập Việt Nam vào hệ thống trợ giúp Siemens có mặt nhiều nước giới có Việt Nam Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển Người – Máy (HMI) mạng SCADA, WinCC sử dụng chức sau: - Graphics Designer: Thực dễ dàng chức mô hoạt động qua đối tượng đồ hoạ chương trình WinCC, Windows, OLE, I/O,… với nhiều thuộc tính hoạt động ( Dynamic) - Alarm Logging: Thực việc hiển thị thông báo hay báo cáo hệ thống vận hành Đảm trách thơng báo nhận lưu trữ Nó chứa chức để nhận thông báo từ trình, để chuẩn bị , hiển thị ,hồi đáp lưu trữ chúng Ngồi Alarm Logging cịn giúp ta tìm nguyên nhân lỗi - Tag Logging: Thu thập , lưu trữ nén giá trị đo nhiều dạng khác Tag Logging cho phép lấy liệu từ trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị lưu trữ liệu Dữ liệu cung cấp tiêu chuẩn công nghệ kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động toàn hệ thống  Report Designer: Có nhiệm vụ tạo thơng báo, báo cáo kết lưu dạng trang nhật kí kiện - User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ liệu từ chương trình ứng dụng có khả trao đổi với thiết bị tự động hố khác Điều có nghĩa cơng thức, thơng số chương trình WinCC soạn thảo , lưu trữ sử dụng hệ thống Trang | 26 - WinCC sử dụng công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ mạnh như: Toolbox, Control, OLE,… đặt dễ dàng giao diện thiết kế Ngoài để phục vụ cho cơng việc giám sát điều khiển tự động WinCC cịn trang bị thêm nhiều tính mà cơng cụ khác khơng có như: Control thơng qua hệ thống quản trị liệu gắn với biến theo dõi trạng thái hệ thống điều khiển Thơng qua tác động đến việc giám sát trạng thái Thơng qua hệ thống thơng điệp thực hành động tương ứng trạng thái thay đổi Trong WinCC, ngôn ngữ C-sript dùng để thao tác giúp cho việc sử lí kiện phát sinh cách mềm dẻo linh hoạt WinCC cho phép người sử dụng có khả truy cập vào hàm giao diện chương trình ứng dụng API( Application Program Interface) hệ điều hành Ngoài kết hợp chương trình WinCC công cụ phát triển riêng như: Visual C++ Visual Basic tạo hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với cấu hình cụ thể WinCC tạo giao diện Người –Máy( HMI) dựa sở giao tiếp người với hệ thống máy, thiết bị điều khiển ( PLC,CNC,…) thơng qua hình ảnh , sơ đồ , hình vẽ câu chữ có tính trực quan Có thể giúp người vận hành theo dõi trình làm việc , thay đổi tham số, cơng thức q trình hoạt động, hiển thị giá trị thời giao tiếp với trình cơng nghệ thơng qua hệ thơng tự động Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát quy trình sản xuất cảnh báo, báo động hệ thống có cố Do WinCC chương trình thiết kế giao diện Người –Máy thưc cần thiết, khơng thể thiếu hệ thống có q trình tự động hố phức tạp đại Việc sử dụng chương trình WinCC để điều khiển giám sát hệ thống tự động hố q trình sản xuất cho kết điều khiển xác Từ máy tính trung tâm, điều khiển hoạt động toàn dây chuyền sản xuất lập trình WinCC, bạn giám sát tất thiết bị dây truyền Dựa vào giao diện HMI giám sát thu thập liệu vào (I/O) cách xác, hỗ trợ phương thức sử lí liệu tổ chức số liệu cách linh hoạt thơng qua kiểu lập trình ngơn ngữ C Trang | 27 Chương Bài tốn thực tế 4.1 Yêu cầu toán Thiết kế hệ thống điều khiển bơm nước vào bồn chứa hai chế độ - Chế độ tự động: + Khi bồn chứa cạn nước, thì bơm hoạt động để bơm nước vào bồn tăng đến giá trị mức nước cao dừng hoạt động + Khi van xả hoạt động, mức nước bồn mức thấp thì bơm tự động bơm tiếp nước + Khi phao hoạt động, dừng hoạt động bơm 2, cho bơm hoạt động để bơm nước vào bể Phao dừng hoạt động thì bơm không hoạt động - Chế độ thủ công: điều khiển bơm 1, bơm hoạt động bật công tắc điều khiển hai bơm Hình 14 Hệ thống điều khiển máy bơm nước vào bồn Bước 1: Lựa chọn PLC S7-1200 Hình 15 Lựa chọn điều khiển lập trình Trang | 28 Bước 2: Thêm thiết bị SCADA kết nối với điều khiển lập trình PLC S71200 qua giao thức PROFINET Hình 16 Kết nối điều khiển PLC S7-1200 thiết bị SCADA qua giao thức PROFINET Bước 3: Thiết kế hình giám sát điều khiển HMI Hình 17 Thiết kế hệ thống giám sát, đồng thời thiết lập chức cho thành phần tương ứng hệ thống Bước 4: Gán thẻ hệ thống giám sát với hệ thống điều khiển Trang | 29 Hình 18 Lập danh sách thẻ sử dụng cho biến điều khiển, nhận liệu đầu vào, xuất liệu, kiểm soát mực nước Trang | 30 4.2 Kết thực 4.2.1 Hệ thống vận hành chế độ tự động Hình 19 Máy bơm hoạt động để bơm nước vào bồn chứa mức nước thấp mức nước cài đặt Hình 20 Khi mức nước bồn chứa đủ, bơm dừng hoạt động Trang | 31 Hình 21 Khi van xả hoạt động, bơm bật để bơm nước Hình 22 Khi phao báo nước bị cạn, bơm tự động bật để bơm nước vào bể chứa Trang | 32 4.2.2 Hệ thống vận hành chế độ thủ công Hệ thống vận hành chế độ thủ cơng, người dùng tuỳ ý bật tắt thiết bị Hình 23 Hệ thống vận hành chế độ thủ công bơm van xả hoạt động Hình 24 Hệ thống vừa bơm nước vào bể, vừa bơm nước vào bồn chứa Trang | 33 Kết luận Kết đạt được: - Tìm hiểu tổng quan truyền thơng cơng nghiệp với vai trị định để ứng dụng tự động hoá Nhận biết phân biệt hệ thống mạng công nghiệp loại giao thức truyền thông sử dụng phổ biến - Tìm hiểu giao thức truyền thông Modbus RTU đặc trưng cấu tạo, cách thức hoạt động, ưu – nhược điểm giao thức truyền thơng Modbus RTU - Tìm hiểu đặc trưng phần mềm WinCC ứng dụng phần mềm mô hệ thống giám sát - Thực toán thiết kế hệ thống giám sát bơm nước vào bồn chứa với yêu cầu người sử dụng vận hành chế độ khác Hướng phát triển: - Nghiên cứu phát triển, ứng dụng phần mềm WinCC thiết kế hệ thống giám sát cao cấp - Hồn thiện mơ hình sản phẩm từ kết mô Trang | 34 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình “Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu SCADA”, Đặng Tiến Trung, Vũ Quang Hồi [2] Giáo trình “Hệ thu thập liệu điều khiển truyền số liệu” [3] https://timviec365.vn/blog/he-thong-giam-sat-san-xuat-new15819.html [4] https://tefin.vn/thong-dieu-khien-giam-sat-va-thu-thap-du-lieu-scada/ [5] https://mesidas.com/modbus/ Trang | 35 ... kế hình giám sát điều khiển HMI Hình 17 Thiết kế hệ thống giám sát, đồng thời thiết lập chức cho thành phần tương ứng hệ thống Bước 4: Gán thẻ hệ thống giám sát với hệ thống điều khiển Trang... trúc điều khiển điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với thiết bị trường, điều khiển giám sát chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thơng tin hệ thống điều khiển giám sát với thông tin điều. .. trò bus điều khiển phục vụ trao đổi liệu thời gian thực trạm điều khiển hệ thống có cấu trúc phân tán Bus điều khiển thơng thường có tốc độ truyền khơng cao, yêu cầu tính thời gian thực thường