Giáo trình SCADA (Nghề Điện tử công nghiệp Trình độ Cao đẳng hệ liên thông)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Mô đun SCADA mô đun chuyên môn nghề của nghề Điện tử cơng nghiệp biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng và ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Cao đẳng hệ liên thơng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình có và cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với lượng thời gian đào tạo 60 gồm có: Bài 01 MĐ 12-01: Tổng quan SCADA phần mềm WINCC Bài 02 MĐ 12-02: Truyền thông Bài 03 MĐ 12-03: Kết nối Wincc với PLC S7-200 Bài 04 MĐ 12-04: Kết nối Wincc với PLC S7-300 Bài 05 MĐ 12-05: Kết nối Wincc với PLC S7-1500 Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận sự đóng góp ý kiến q thầy, cơ, để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện Cần Thơ , ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên Nguyễn Thanh Nhàn Nguyễn Tuấn Khanh MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ PHẦN MỀM WINCC SCADA 1.1 Khái niệm .9 1.2 Chức vai trò .9 1.3 Các lĩnh vực ứng dụng SCADA 10 Các thành phần hệ thống Scada 10 Các thiết bị chấp hành 12 Sự khác PLC, DCS SCADA .13 Phần mềm WinCC 14 5.1 Các đặc điểm WinCC 14 5.2 Giao diện làm việc 14 Thực hành 22 BÀI 2: TRUYỀN THÔNG 24 RS-232 24 1.1 Đặc tính điện học 24 1.2 Giao diện học 25 RS-485 27 2.1 Đặc tính điện học 27 2.2 Số trạm tham gia 28 2.3 Tốc độ truyền tải chiều dài dây dẫn 28 2.4 Cấu hình mạng 29 2.5 Chuẩn truyền thông RS485 30 2.6 Lắp đặt truyền thông RS485 .32 Thực hành 33 BÀI 03: KẾT NỐI WINCC VỚI PLC S7-200 35 Yêu cầu công việc 35 Cách thực .35 2.1 Viết chương trình điều khiển PLC S7-200 35 2.2 Tạo biến dùng PC Access 36 2.3 Thiết kế giao diện Wincc .39 2.4 Tạo driver 40 2.5 Tạo file ảnh 43 2.6 Tạo thuộc tính cho ảnh 46 2.7 Chạy giao diện WinCC .51 Thực hành 53 3.1 Các bước thực .53 3.2 Nội dung thực hành .54 BÀI 04: KẾT NỐI WINCC VỚI PLC S7-300 56 Yêu cầu công việc 56 Cách thực .56 2.1 Viết chương trình điều khiển PLC S7-300 56 2.2 Thiết kế giao diện Wincc 59 2.3 Tạo driver 60 2.4 Tạo file ảnh 64 2.5 Tạo thuộc tính cho ảnh 68 2.6 Chạy giao diện WinCC .72 Thực hành 75 3.1 Các bước thực .75 3.2 Nội dung thực hành .75 BÀI 05: KẾT NỐI WINCC VỚI PLC S7-1500 78 Yêu cầu công việc 78 Để tìm hiểu cách kết nối WINCC với PLC s7-1500, thực điều khiển thuận nghich động pha theo yêu cầu sau: 78 Cách thực .78 2.1 Tạo project 78 2.2 Lấy phần cứng PLC 79 2.3 Add WINCC Professtional V15 81 2.4 Tạo kết nối ethernet PLC WINCC 81 2.5 Khai báo biến PLC WINCC 83 2.6 Thiết kế hình điều khiển WINCC 84 2.7 Viết code PLC .94 2.8 Chạy mô 95 2.9 Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi 103 2.10 Download code cho PLC thực tế 106 2.11 Vận hành kiểm tra hoạt động với bảng điều khiển WINCC 111 Thực hành 113 3.1 Các bước thực 113 3.2 Nội dung thực hành 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: SCADA Mã mơ đun: MĐ 12 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị mơ đun: - Vị trí: Mơ đun bố trí học sau mơn học, mơ đun kỹ thuật sở mô đun chuyên môn nghề PLC, kỹ thuật cảm biến, điều khiển điện khí nén - Tính chất: Là mơ đun chun mơn nghề bắt buộc - Vai trị ý nghĩa mơ đun: Là mơ đun chun mơn nghề chương trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp Mục tiêu mô đun: - Kiến thức: + Giúp sinh viên nắm hoạt động hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition); + Trình bày được cấu tạo của một số thiết bị đầu cuối sử dụng hệ thống SCADA; + Nhận định các chuẩn truyền thông sử dụng hệ thống SCADA; + Nâng cao kỹ phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động - Kỹ năng: + Thao tác điều khiển được hệ thống SCADA công nghiệp; + Thi công được hệ thống SCADA đạt yêu cầu kỹ thuật; + Sửa chữa được những hư hỏng bản của hệ thống SCADA - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Cẩn thận, chủ động sáng tạo học tập, an toàn cho người thiết bị; + Tổ chức nơi làm việc gọn gàng, ngăn nắp biện pháp an tồn; + Có tư tác phong công nghiệp, ý thức tổ chức kỷ luật, khả làm việc độc lập khả phối hợp làm việc nhóm q trình học tập sản xuất Nội dung mô đun: Thời gian Thực hành, Số Tên mơ đun Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra tập Bài 1: Tổng quan SCADA 12 phần mềm WINCC SCADA 2 Các thành phần hệ thống Scada Các thiết bị chấp hành 1 1 Sự khác PLC, DCS SCADA 1 1.1 Khái niệm 1.2 Chức vai trò 1.3 Các lĩnh vực ứng dụng SCADA 5 Phần mềm WinCC 3 5.1 Các đặc điểm WinCC 5.2 Giao diện làm việc Thực hành 4 Bài 2: Truyền thông RS-232 1 1 1.1 Đặc tính điện học 1.2 Giao diện học RS-485 2.1 Đặc tính điện học 2.2 Số trạm tham gia 2.3 Tốc độ truyền tải chiều dài dây dẫn 2.4 Cấu hình mạng 2.5 Chuẩn truyền thông RS485 2.6 Lắp đặt truyền thông RS485 3 Thực hành 2 Bài 3: Kết nối Wincc với PLC 16 Yêu cầu 1 Các bước thực 7 S7-200 2.1 Viết chương trình điều khiển PLC S7-200 2.2 Tạo biến dùng PC Access 2.3 Thiết kế giao diện Wincc 2.4 Tạo driver 2.5 Tạo file ảnh 2.6 Tạo thuộc tính cho ảnh 2.7 Chạy giao diện WinCC Thực hành 7 3.1 Các bước thực 3.2 Nội dung thực hành Kiểm tra 1 Bài 4: Kết nối Wincc với PLC 12 Yêu cầu 1 Các bước thực 3 S7-300 2.1 Viết chương trình điều khiển PLC S7-300 2.2 Thiết kế giao diện Wincc 2.3 Tạo driver 2.4 Tạo file ảnh 2.5 Tạo thuộc tính cho ảnh 2.6 Chạy giao diện WinCC Thực hành 7 3.1 Các bước thực 3.2 Nội dung thực hành Kiểm tra 1 Bài 5: Kết nối Wincc với PLC 16 Yêu cầu 1 Các bước thực 7 S7-1500 2.1 Tạo project 2.2 Lấy phần cứng PLC 2.3 Add WINCC Professtional V15 2.4 Tạo kết nối ethernet PLC WINCC 2.5 Khai báo biến PLC WINCC 2.6 Thiết kế hình điều khiển WINCC 2.7 Viết code PLC 2.8 Chạy mô 2.9 Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi 2.10 Download code cho PLC thực tế 2.11 Vận hành kiểm tra hoạt động với bảng điều khiển WINCC Thực hành 7 3.1 Các bước thực 3.2 Nội dung thực hành Kiểm tra Cộng 60 30 27 BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ PHẦN MỀM WINCC Mã bài: MĐ 12-01 Giới thiệu: Trong tự động hóa người ta thường phải xậy dựng hệ thống có tính tự động cao có khả tự động thực chức như: Điều khiển (Control) Hiển thị (Display) Cảnh báo (Alarm) Lưu trữ (Archieve) In ấn, thông báo (Report) Và gọi hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition System - hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu) Để xây dựng cần phải có phần mềm chuyên dụng Việt Nam có số phần mềm sử dụng WinCC, Fix-Intellution, Wonderware, Scitect, Plantscape (HoneyWell) Trong WinCC Siemens đánh giá cao thông dụng Mục tiêu: - Hiểu được SCADA là gì - Trình bày thành phần của hệ thớng SCADA - Trình bày được các phương pháp kết nối SCADA bằng phần mềm ứng dụng - Thực hiện được một số kết nối hệ thống SCADA bằng phần mềm cụ thể - Cài đặt WinCC - Xử lý cố lỗi WinCC - Chủ động, sáng tạo an tồn q trình học tập Nội dung chính: SCADA 1.1 Khái niệm SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu Điều khiển điều khiển cách giám sát SCADA khác với hệ thống điều khiển DCS chỗ, hệ DCS hệ thống điều khiển phân tán mạng diện rộng chế điều khiển giao cho phần tử cấp dưới, hệ thống SCADA thiên giám sát thu thập liệu mạng tập trung, thao tác lên hệ điều khiển trung tâm 1.2 Chức vai trị Mỗi hệ thống sản xuất cơng nghiệp thường tổ chức theo nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập điều khiển giám sát riêng lên đối tượng cụ thể hệ thống Chính việc SCADA cho hệ thống sản xuất công nghiệp phân cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô cấp mà có yêu cầu cụ thể khác song nói chung mơi cấp SCADA phải thực dịch vụ sau: Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) số liệu sản xuất tổ chức việc lưu trữ nhiều loại sở số liệu (số liệu lịch sử sản xuất, kiện thao tác, báo động…) Điều khiển giám sát hệ sản xuất cở sở liệu thu thập Thực công tác truyền thơng số liệu ngồi hệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lời tin yêu cầu từ cấp số liệu, thao tác hệ) Nhìn chung SCADA mộ kết hợp phần cứng phần mềm theo mộ phương thức truyền thơng để tự động hố việc quản lý giám sát, điều khiển cho đối tượng công nghiệp 1.3 Các lĩnh vực ứng dụng SCADA Hệ thống SCADA ứng dụng hiệu vấn đề tự động hố điều khiển q trình liên tục phân bố Cơng nghệ dầu khí Điều khiển sản xuất, chuyển tải phân phối lượng điện Cung cấp nước, làm nước phân phối nước Điều khiển đối tượng vũ trụ Điều khiển giao thông (tất dạng giao thông: hàng không, đường sắt, đường bộ, đường thuỷ, tàu điện ngầm) Viễn thông Quân Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày thay PLC, việc xây dựng hệ thống SCADA dùng PLC đem lại lợi sau: Kinh phí thấp nhiều Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khố, nút ấn… Do chúng cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích Ngồi cịn khó khăn việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng Tuy nhiên công việc đơn giản sử dụng hệ SCADA dùng PLC Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với cơng nghệ PLC khả thiết kế, nâng cấp làm chủ công nghệ dễ dàng Mua thiết bị dễ dàng Dễ bảo dưỡng thay thiết bị Đặc biệt với hệ SCADA việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống dễ dàng Các hệ thống SCADA trở nên đơn giản phổ biến tương lai lẽ thiết bị lĩnh vực tự động hoá phát triển mạnh   Các thành phần hệ thống Scada Kết cấu hệ SCADA Nói cách đơn giản, hệ thống SCADA có ba phần: Các PC phòng điều khiển trung tâm, RTU (remote terminal unit) hay PLC (programable logic controller) trạm xa thiết bị thông tin để kết nối hai phần với Kết cấu phần mềm phần PC phòng điều khiển trung tâm thể bảng Hình Chúng ta thấy chức PC hệ thống SCADA tương tự phần HMI hệ thống DCS: Hiển thị, điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm, thu thập liệu, quản l ý số liệu, quản lý báo động, báo cáo Các hệ thống SCADA cũ chạy môi trường DOS, VMS hay UNIX Các hệ thống chạy Windows, Linux Hình 1.1: Kiến trúc phần mềm Client/Server hệ SCADA SCADA Sever máy Server hệ thống SCADA trung tâm nối với RTU hay PLC Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server có chức thu thập, chia sẻ liệu với máy Client thông qua mang Ethernet gửi mệnh lệnh từ Client trực tiếp đến điều khiển.Vì máy Server thường dùng để cài đặt phần mềm phát triển (development), thiết lập cấu hình truyền thơng để kết nối với thiết bị trường SCADA Client gồm máy tính cơng nghiệp nối với máy Server mạng Ethernet Các máy tính cài phần mềm giao diện người máy (Human Machine Interface) kết nối với liệu máy Server để hiển thị điều khiển Tức máy Client thu thập trạng thái điều khiển controller gián tiếp thông qua máy Server Mối quan hệ Client Server kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào phần mềm công nghiệp sử dụng hệ SCADA RTU định nghĩa thiết bị điều khiển vi xử lý, có khả xử lý đầu vào theo thời gian thực, thu thập số liệu báo động, báo cáo SCADA Server, thi hành lệnh SCADA Server Theo truyền thống, hệ thống SCADA thường sử dụng thiết bị RTU Nhưng ngày nay, với phát triển PLC, nhà tích hợp hệ thống thích dùng PLC thay RTU cho việc thiết kế cho nhiều hệ thống SCADA Các RTU PLC nối với I/O trạm Các đầu vào, qua RTU hay PLC cho thiết bị SCADA phòng điều khiển trung tâm biết trạng thái hệ thống trường Thiết bị SCADA điều khiển cách thao tác đầu ra, qua RTU hay PLC Như vậy, RTU PLC thiết bị trực tiếp nối với I/O trung tâm điều khiển tín hiệu 10 Hình 5.50: Màn hình thơng báo Deactive hình winCC Hình 5.51: Offline STOP mơ - Đóng phần mềm lại Hình 5.52: Đóng phần mềm Thơng báo hình đóng lại 101 Hình 5.53: Thơng báo phần mềm đóng 2.9 Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi Đầu tiên thực kết nối theo sơ đồ sau: Hình 5.54: Mạch động lực khởi động thuận nghịch động pha 102 Hình 5.55: Mạch Cấp nguồn PLC s7-1500, CPU 1511-PN Hình 5.56: Sơ đồ kết nối ngõ cho QT QN 103 Hình 5.57: Sơ đồ kết nối input cho nút FOR, REV, STOP Hình 5.58: PLC s7-1500 cpu 1511-pn module 16DI,16DQ 104 Vì ngõ PLC xuất tín hiệu 24VDC Nên cần chuyển đổi qua relay trung gian điều khiển q dịng điện áp khơng tương thích Hình 5.58: PLC Contactor relay 24VDC Để đảm bảo thời gian sử dụng dài ngõ vào, xuất domino tép Hình 5.59: Domino tép kết nối 2.10 Download code cho PLC thực tế 105 Hình 5.60: Kiểm tra lỗi download code PLC Kế tiếp chọn Search PLC, chọn PLC tìm thấy nhấn “LOAD” Hình 5.61: chọn PLC 106 Hình 5.62: Chọn PLC chọn Load Load PLC Nhấn LOAD tiếp tục Hình 5.63: Chọn Load tiếp Tương tự chọn RUN STOP PLC 107 Hình 5.64: Chọn No action Kết thúc download code PLC Tương tự RUN PLC monitor code lên Hình 5.65: Chọn Run PLC 108 Hình 5.66: Thông báo code PLC code project giống Hình 5.67: Thơng báo code PLC code project khơng giống Nếu không giống phải load lại Nếu không load code Chúng ta phải kiểm tra lại cáp RJ45 PLC PC Việc thực kiểm tra thực mắt thường thơng qua việc qt accesscible devives 109 Hình 5.68: Hình kết sau quét 2.11 Vận hành kiểm tra hoạt động với bảng điều khiển WINCC Đầu tiên: Vận hành bảng điều khiển Hình 5.69: Vận hành bảng điều khiển 110 - Hình 5.70: Relay contactor Kế tiếp:Vận hành WINCC Professtional Hình 5.71: Vận hành phần mềm TIA PORTAL Để vận hành phần mềm phải modify địa FOR (I0.0), REV (I0.1), STOP (I0.2) Hình 5.72: Hướng dẫn modify tiếp điểm (I0.0) Tương tự cho I0.1 I0.2 111 Thực hành 3.1 Các bước thực Thực theo 11 bước nêu từ mục 2.1 (Tạo project mới) mục 2.11 (Vận hành kiểm tra hoạt động với bảng điều khiển WINCC) 3.2 Nội dung thực hành Sinh viên thực theo yêu cầu sau: - Tạo project - Lấy phần cứng PLC - Add WINCC professtional - Tạo liên kết PLC WINCC - Khai báo biến ( PLC tags) - Thiết kế hình điều khiển WINCC - Viết chương trình PLC - Chạy Mơ - Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi - Vận hành kiểm tra hoạt động (nếu có sai xót hiệu chỉnh lại) Những trọng tâm cần ý - Các yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế một hệ thống SCADA - Kết nối thiết bị phần cứng PLC S7-1500 hệ thống SCADA - Thiết kế hình điều khiển hệ thớng SCADA - Viết chương trình PLC - Vận hành kiểm tra hoạt động hệ thống Bài tập mở rộng nâng cao Bài 1: Sinh viên thực viết chương trình điều khiển dùng PLC s7-1500 thiết kế hình điều khiển hệ thống lựa chọn số lượng tải chu kỳ chạy đặt trước theo yêu cầu vận hành sau: Bước 1: Lựa chọn số lượng tải chu kỳ đặt trước thông qua nút UP, DOWN, CLEAR, ENTER + UP : Tăng + DOWN: Giảm + CLEAR: xóa + ENTER xác nhận đồng ý Lưu ý: số lượng tải chọn từ đến 5; Số lượng chu kỳ đặt từ đến Nếu nhập sai số xung (>= xung) có text với nội dung “BẠN ĐÃ NHẬP SAI, VUI LÒNG CHỌN TỪ ĐẾN 7” lên 10s sau ẩn đồng thời xóa ô nhớ số chu kỳ Bước 2: Nhấn START Hệ thống hoạt động theo số tải số chu kỳ nhập Đồng thời hiển thị số lần chạy tải ( 1,2,3,4, ) Bước 3: hết chu kỳ đặt Dừng chương trình đồng thời nhớ xóa Màn hình WINCC cần thiết kế: 112 Bài 2: Sinh viên thực viết chương trình điều khiển dùng PLC s7-1500 thiết kế hình điều khiển hệ thống đèn giao thơng với thời gian chạy đặt trước có hiển thị thời gian đếm lùi Bước 1: thời gian cho đèn X1, V1,X2, V2 thơng qua phím: + ENTER: đồng ý + CLEAR: Giảm + RESET: xóa Lưu ý: - Nhấn CLEAR xóa thời gian nhập cho đèn Cịn nhấn RESET xóa hết - Thời gian nhập X1, V1,X2, V2 Không cần nhập thời gian cho D1 D2 X1 + V1 = D2; X2 + V2 = D1 Bước 2: Nhấn START Hệ thống hoạt động theo thời gian đặt có đếm lùi cho đèn Bước 3: Nhấn STOP hệ thống dừng Màn hình WINCC cần thiết kế: 113 Yêu cầu đánh giá kết học tập Nội dung: + Về kiến thức: Các yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế một hệ thống SCADA + Về kỹ năng: Kết nối thiết bị phần cứng PLC S7-1500 hệ thống SCADA; Viết chương trình điều khiển hệ thống SCADA + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành viết chương trình điều khiển hệ thống SCADA + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác q trình thực hiện, ngăn nắp công việc Điều kiện để hồn thành mơ đun để dự thi kết thúc mơ đun: + Người học tham dự 70% thời gian học lý thuyết đầy đủ học tích hợp, học thực hành, thực tập + Điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10; + Người học có giấy xác nhận khuyết tật theo quy định hiệu trưởng xem xét, định ưu tiên điều kiện dự thi sở sinh viên phải bảo đảm điều kiện điểm trung bình điểm kiểm tra + Số lần dự thi kết thúc mô đun theo quy định khoản Điều 13 Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13 tháng năm 2017 Điều kiện để công nhận, cấp chứng nhận đạt mô đun đào tạo: Người học công nhận cấp chứng nhận đạt mơ đun có điểm trung bình mơ đun theo thang điểm 10 đạt từ 4,0 trở lên 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Đình Châu, Hồng Minh Trí, Nguyễn Đức Thành, Nguyễn Mộng Hùng Scada: phân tích thiết kế - NXB ĐHQG TPHCM [2] Tự động hóa với Simatic S7-200, Nguyễn Dỗn Phước, NXB Nơng Nghiệp [3] Lập trình với PLC s7-1200 s7-1500, Ngô Văn Thuyên, Phạm Quang Huy, NXB Thanh Niên 115