Lịch sử phát triển
Từ những năm 1940, sự phát triển của các thiết bị điện đã tạo ra nhu cầu cần thiết phải xây dựng hệ thống điều khiển giám sát Phương pháp đầu tiên được áp dụng là sử dụng cặp đôi dây hoặc nhiều cặp đôi dây giữa các địa điểm, mỗi cặp dây điều khiển một thiết bị riêng lẻ Mặc dù cách này làm tăng chi phí, nhưng nó là cần thiết để đảm bảo vận hành liên tục và khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng khi gặp sự cố.
Tủ điều khiển trong trạm biến áp là nơi tập trung các tín hiệu cảnh báo và tín hiệu điều khiển từ các thiết bị Để tối ưu hóa chi phí, cần tìm giải pháp sử dụng một đôi dây để điều khiển nhiều thiết bị khác nhau.
Bảy công ty điện thoại đã phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm, nhằm nâng cao hiệu quả, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu lượng dây dẫn Công nghệ này được áp dụng đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát, cho phép sử dụng chung đôi dây và yêu cầu điều khiển thiết bị một cách chính xác Để thực hiện điều này, một khung làm việc được thiết kế để lựa chọn, kiểm tra và thao tác hiệu quả.
- Hệ thống điều khiển giám sát Visicode đƣợc phát minh từ những năm
Vào những năm 1950 – 1960, công ty Westinghouse đã hợp tác với North Electric để phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode, dựa trên phương pháp đếm số xung Hệ thống này sử dụng mã Visicode với hai cửa sổ trễ: cửa sổ ngắn cho việc lựa chọn hoặc kiểm tra một thiết bị và cửa sổ lớn cho việc lựa chọn hoặc kiểm tra một nhóm thiết bị.
Trong giai đoạn 1960 – 1970, Công ty Westinghouse đã phát triển hệ thống giám sát Solid State mang tên REDAC, sử dụng khung dữ liệu cố định và lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác Đồng thời, GE cũng giới thiệu hệ thống tương tự gọi là GETAC Để giảm bớt gánh nặng lưu trữ dữ liệu cho người trực vận hành, một hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được ra mắt, trước cả khi hệ thống Solid State và hệ thống đo lường xa xuất hiện Tuy nhiên, hệ thống này chỉ được đưa vào sử dụng khi Solid State ra đời và máy tính phát triển.
- Hệ thống SCADA đƣợc phát minh năm 1960
Hệ thống SCADA đã phát triển mạnh mẽ từ những năm 1960 khi máy tính trở nên phổ biến, với các bộ xử lý đầu tiên được xây dựng bởi Westinghouse và GE, lần lượt gọi là PRODAC và GETAC Để đáp ứng yêu cầu phức tạp, máy chủ trong hệ thống SCADA phải cung cấp đầy đủ các chức năng, bao gồm quét và giám sát dữ liệu, cảnh báo khi có thay đổi, hiển thị dữ liệu trên màn hình và lưu trữ dữ liệu theo chu kỳ Hầu hết các hệ thống SCADA hoạt động bằng cách quét liên tục, trong đó máy chủ gửi yêu cầu dữ liệu đến các đầu xa và nhận phản hồi từ chúng.
SCADA là gì
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu, hỗ trợ con người trong việc điều khiển và giám sát từ xa Hệ thống này hoạt động ở cấp độ cao hơn so với các hệ thống điều khiển tự động thông thường, cho phép người dùng theo dõi và quản lý quy trình một cách hiệu quả và chính xác.
SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng nhƣ hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface).
Các thành phần của một hệ thống SCADA
Thông thường trong một nhà máy hiện đại hệ thống SCADA được thiết kế chia ra làm 3 cấp:
Cấp vận hành, hay còn gọi là cấp trường, là mức độ mà các kỹ sư và công nhân thực hiện việc vận hành và theo dõi hoạt động của thiết bị, đồng thời kiểm soát các thông số theo quy trình công nghệ đã được thiết lập.
Cấp điều khiển tại phòng điều khiển là nơi các kỹ sư điều khiển tự động giám sát và điều chỉnh các thông số, tình trạng thiết bị cũng như toàn bộ dây chuyền sản xuất Họ thực hiện điều này theo quy trình đã được thiết lập thông qua việc theo dõi trên bảng thông số và màn hình hiển thị, cùng với việc điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI - Human Machine Interface) hoặc bàn điều khiển (Operator Panel).
Cấp giám sát, quản lý: Có 2 hình thức tương đương nhau:
Giám sát tại nhà máy cho phép nhà quản lý theo dõi các thông số và tình trạng thiết bị của dây chuyền sản xuất thông qua giao diện máy tính kết nối trực tiếp với phòng điều khiển Điều này giúp nắm bắt tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị và lên kế hoạch sản xuất hiệu quả.
Giám sát từ xa tại trung tâm tổng công ty cho phép nhà quản lý theo dõi và giám sát mọi hoạt động của nhà máy thông qua máy tính kết nối mạng Điều này giúp họ lập kế hoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng một cách hiệu quả.
Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)
Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông a) MTU (Master Terminal Unit):
MTU đóng vai trò trung tâm trong hệ thống SCADA, thường được hiện thực hóa dưới dạng một máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông, đồng thời còn kết nối với các thiết bị ngoại vi như màn hình, máy in và mạng truyền thông.
Nhiệm vụ của MTU bao gồm:
- Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành
- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU
Hiển thị thông tin cần thiết về các quá trình và trạng thái thiết bị trên màn hình giúp người điều hành dễ dàng giám sát và điều khiển hiệu quả.
- Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác b) RTU (Remote Terminal Unit):
RTU (Remote Terminal Unit) thu thập thông tin từ xa, thường được lắp đặt tại các địa điểm làm việc để nhận dữ liệu từ các thiết bị hiện trường như van, cảm biến và đồng hồ đo Thông tin này sau đó được gửi đến MTU (Master Terminal Unit) để xử lý và thông báo cho người điều hành về trạng thái hoạt động của các thiết bị Đồng thời, RTU cũng nhận lệnh từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu.
Các RTU hiện đại thường lưu trữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ và chờ yêu cầu từ MTU để truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay, các RTU tiên tiến được trang bị máy tính và PLC, cho phép thực hiện điều khiển trực tiếp từ xa mà không cần sự can thiệp của MTU.
Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm
Phần cứng mạng bao gồm các thiết bị như modem, hộp nối, cáp truyền và thiết bị thu phát vô tuyến trong hệ thống không dây Ngoài ra, các trạm lặp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu đi xa.
Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình đƣợc dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau
CPU của RTU tiếp nhận luồng dữ liệu nhị phân thông qua các giao thức truyền thông, bao gồm cả giao thức mở như TCP/IP và các giao thức riêng Thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI, tiêu chuẩn hóa cách thức trao đổi thông tin RTU nhận diện thông tin nhờ vào mã trong dữ liệu truyền, và dữ liệu này được biên dịch để CPU có thể điều khiển các tác động tại chỗ một cách thích hợp.
Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA
SCADA và DCS có sự khác biệt quan trọng; trong khi DCS là hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng với cơ chế điều khiển phân bổ cho các phần tử cấp dưới, SCADA chủ yếu tập trung vào giám sát và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, với mọi thao tác được thực hiện dưới sự kiểm soát của trung tâm.
Các hệ thống SCADA sử dụng RTU đang dần được thay thế bởi PLC, đặc biệt trong các hệ thống SCADA cho điều độ điện cấp quốc gia và miền, phản ánh xu hướng hiện đại hóa trong ngành công nghiệp điện.
Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau: Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều
Các hệ điều khiển cũ thường có nhiều tủ, bảng, khoá và nút ấn, dẫn đến sự cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích Việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát và bảo dưỡng hệ thống này cũng gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống SCADA kết hợp với PLC sẽ đơn giản hóa đáng kể các công việc này.
Kỹ sư Việt Nam có khả năng tiếp cận công nghệ PLC một cách dễ dàng, từ đó nâng cao khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ này hiệu quả hơn.
Mua thiết bị dễ dàng hơn
Hệ thống SCADA dễ dàng bảo trì và thay thế thiết bị, đồng thời cho phép thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả.
Trong tương lai, các hệ thống SCADA sẽ ngày càng trở nên đơn giản và phổ biến hơn nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị trong lĩnh vực tự động hóa.
Các ứng dụng tiêu biểu của SCADA trong công nghiệp
Hệ thống quản lý sản xuất: sản xuất điện, thép, dệt may, dƣợc phẩm, hóa chất…
Hệ thống quan trắc từ xa: trạm bơm, xử lý nước thải…
Hệ thống giám sát tòa nhà: nhiệt độ – độ ẩm, điều hòa không khí, chiếu sáng, điện năng tiêu thụ
1 Trình bày lịch sử phát triển SCADA?
2 Trình bày các thành phần của một hệ thống Scada?
MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT)
Cấu hình phần cứng của RTU
RTU (Remote Terminal Unit) là thiết bị thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập, thường dựa trên vi xử lý, có chức năng giám sát và điều khiển từ xa Nhiệm vụ chính của RTU là thu thập dữ liệu từ các thiết bị như cảm biến, bơm và PLC tại vị trí cục bộ, sau đó chuyển dữ liệu về trạm trung tâm (MTU hoặc SubMTU) RTU cũng hỗ trợ cấu hình và tự động tải chương trình điều khiển từ các trạm trung tâm Các thành phần phần cứng chính của RTU bao gồm CPU, khối ngõ vào và ra tương tự, khối đếm, ngõ vào và ra số, giao tiếp truyền thông, bộ nguồn, và các phụ kiện khác.
Hình 1.2 Cấu trúc 1 RTU tiêu biểu.
Cấu hình phần cứng RTU
2.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit)
Vi xử lý hệ 16 hoặc 32 bít, như 68302 và 80386, thường được sử dụng trong CPU của RTU, đi kèm với bộ xử lý toán học để thực hiện các tính toán phức tạp Các cổng truyền thông của CPU thường bao gồm hai hoặc ba cổng RS-232/RS-422 hoặc RS-485, phục vụ cho việc giao tiếp với thiết bị kiểm tra lỗi, trạm vận hành và trung tâm điều khiển Để thông báo các sự cố và lỗi của CPU cũng như thiết bị I/O, hệ thống đèn LED báo lỗi được thiết kế sẵn Ngoài ra, bộ định thời là một thành phần quan trọng của CPU, cung cấp thời gian thực để đảm bảo thông báo các sự kiện theo thời gian một cách chính xác.
2.2 Khối vào tương tự (Analog Input Modules)
Có 5 thành phần cơ bản tạo nên một khối vào tương tự: Bộ ghép kênh vào
(Input Multiplexer), khuếch đại tín hiệu vào(Input Amplifier), mạch lấy mẫu và giữ (Sample and Hold Circuit), biến đổi A/D và bộ giao tiếp (Bus Interface)
2.3 Khối ra tương tự (Analog Output Mudules)
Khối đầu ra tương tự thực hiện chức năng đối ngược với khối nhập tương tự, chuyển tín hiệu số từ PLC sang tín hiệu tương tự
Hình 1.3 Sơ đồ khối ra tương tự Các mô-đun đầu ra tương tự có đặc điểm sau:
- Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit;
- Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms;
- Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V
2.4 Khối vào số (Digital Input Modules)
Sử dụng cho nhập các các loại tín hiệu ON/OFF (0/1) từ các thiết bị nhƣ cảm biến, công tắc, …
Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu
Hình 1.4 Sơ đồ minh họa cấu trúc đầu vào số
2.5 Khối ra số (Digital Output Modules) Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số
- Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC;
- Có hệ thống đèn LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu;
- Có cách ly để bảo vệ tín hiệu
Hình 1.5 Sơ đồ khối ra số
2.6 Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces)
Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện truyền thông nhiều nhƣ:
- Dialup telephone lines/dedicated landlines;
- Radio via trunked/VHF/UHF/900 MHz
2.7 Bộ đếm số (Digital Counters)
Bộ đếm số thông thường được dùng cho đếm xung, như đếm sản phẩm, và truyền giá trị bộ đếm về RTU
Hình 1.6 Cấu trúc khối bộ đếm
Cấu hình phần mềm của RTU
3.1 So sánh giữa RTU & PLC
Chi phí đầu tƣ RTU & PLC
Mặc dù PLC có mức giá thấp hơn, nhiều người tin rằng RTU là một hệ thống đáng tin cậy hơn Điều này dẫn đến nhận định rằng chi phí ban đầu của RTU có thể cao hơn, nhưng cuối cùng sẽ mang lại giá trị tương đương.
Tính năng điều khiển quá trình giữa RTU & PLC
RTU và PLC đều là những bộ điều khiển mạnh mẽ với khả năng tích hợp nhiều loại I/O và mô-đun truyền thông khác nhau, cho phép lập trình quy trình tự động hóa mà không cần sự can thiệp của người vận hành Tuy nhiên, RTU nổi bật với những lợi thế như khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt, tùy chọn nguồn điện dự phòng và tính tự chủ cao hơn.
PLC yêu cầu phần mềm cụ thể và các kỹ năng và kiến thức ngôn ngữ lập trình plc cụ thể (ladder logic, structured text, function block, v.v.)
RTU có thể được lập trình dễ dàng thông qua một giao diện web đơn giản Ngoài ra, RTU còn đi kèm với phần mềm thiết lập giúp người dùng cấu hình đầu vào, đầu ra và thiết lập giao tiếp truyền thông hiệu quả.
Một số RTU có khả năng lập trình bằng các ngôn ngữ như Basic, Visual Basic và C# Tuy nhiên, việc lập trình các ngôn ngữ này đòi hỏi người dùng phải có kỹ năng lập trình chuyên biệt, tương tự như khi làm việc với các PLC.
Một số RTU thậm chí còn đƣợc lập trình bằng các ngôn ngữ giống nhƣ PLC nhƣ Ladder Logic và Structured Text
Dung sai môi trường được xem là một lợi thế nổi bật của RTU, cho phép thiết bị hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt và ở những vị trí xa xôi như hầm mỏ, đỉnh núi, hay giàn khoan dầu ngoài khơi Mặc dù RTU, PLC và PAC hiện đại có nhiều điểm tương đồng, nhưng sự phát triển công nghệ liên tục đang giúp san bằng sự khác biệt giữa chúng.
Hóa dầu và các nhà máy lọc dầu
Nhà máy điện hạt nhân
Hệ thống xử lý nước thải
Nhà máy xử lý nước
1 Trình bày cấu hình phần cứng của RTU?
2 Trình bày chức năng của từng thiết bị ngoại vi của RTU?
3 Trình bày chức năng của phần mềm của RTU?
PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA
Giới thiệu phần mềm WINCC
WinCC (Windows Control Center) là một công cụ phần mềm mạnh mẽ cho phép thiết lập giao diện điều khiển trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000 Nó thuộc dòng sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, nổi bật với đặc tính mở, cho phép tích hợp dễ dàng với phần mềm chuẩn và phần mềm tùy chỉnh của người dùng Điều này giúp tạo ra giao diện người – máy đáp ứng chính xác nhu cầu thực tế, đồng thời cho phép các nhà cung cấp hệ thống phát triển ứng dụng của riêng họ.
19 giao diện mở của WinCC nhƣ một nền tảng để mở rộng hệ thống
WinCC là sản phẩm kết hợp giữa Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa quá trình, và Microsoft, nhà phát triển phần mềm hàng đầu cho PC Phần mềm này không chỉ linh hoạt trong việc xây dựng các hệ thống với quy mô khác nhau mà còn dễ dàng tích hợp với các ứng dụng quy mô toàn công ty như MES (Hệ thống quản lý thực hiện sản xuất) và ERP (Hoạch định nguồn lực doanh nghiệp) Đặc biệt, WinCC có khả năng hoạt động trên quy mô toàn cầu nhờ vào hệ thống hỗ trợ của Siemens có mặt trên toàn thế giới.
Công nghệ phần mềm tiên tiến WinCC, được phát triển nhờ sự hợp tác giữa Siemens và Microsoft, mang đến cho người dùng sự an tâm với những đổi mới trong lĩnh vực công nghệ phần mềm Microsoft, với vị thế dẫn đầu, đảm bảo rằng WinCC luôn cập nhật những công nghệ mới nhất, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
Hệ thống khách chủ với chức năng SCADA, thông qua WinCC, cung cấp đầy đủ khả năng cho người dùng khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp Người dùng có thể dễ dàng thiết lập các hình ảnh, cảnh báo, đồ thị trạng thái và báo cáo.
WinCC là một module trong hệ thống tự động hóa, cho phép nâng cấp và mở rộng linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp Người dùng có thể dễ dàng chuyển đổi từ hệ thống giám sát với một máy tính đến hệ thống có nhiều máy giám sát hoặc cấu trúc phức tạp hơn.
Hệ thống phân tán với nhiều máy chủ cho phép phát triển linh hoạt theo từng lĩnh vực công nghiệp và yêu cầu công nghệ cụ thể Đã có sẵn một loạt các module phần mềm mở rộng, được thiết kế phù hợp cho từng loại ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn khi cần.
Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL được tích hợp sẵn trong WinCC, sử dụng cơ sở dữ liệu Sybase để lưu trữ tất cả thông tin về cấu hình hệ thống và dữ liệu điều khiển Người dùng có thể dễ dàng truy cập vào cơ sở dữ liệu của WinCC thông qua SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity), cho phép chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ sở dữ liệu khác trên nền tảng Windows.
Các giao thức chuẩn mạnh như DDE, OLE, ActiveX và OPC được tích hợp trong WinCC, cho phép chuyển dữ liệu hiệu quả giữa các chương trình trên nền Windows Các tính năng ActiveX control và OPC server/client cũng được hỗ trợ sẵn, nâng cao khả năng tương tác và quản lý dữ liệu.
* Ngôn ngữ vạn năng WinCC đƣợc phát triển dùng ngôn ngữ lập trìn chuẩn ANSI-C
Giao diện lập trình API của WinCC cho phép truy cập mở tới các hàm và dữ liệu, với tất cả các module đều hỗ trợ giao diện lập trình bằng ngôn ngữ C (C-API) Điều này tạo điều kiện cho việc tích hợp cấu hình và các hàm thực hiện (runtime) của WinCC vào chương trình của người dùng một cách linh hoạt và hiệu quả.
Phần mềm WinCC cho phép người dùng cài đặt với nhiều tùy chọn ngôn ngữ, bao gồm tiếng Anh, Pháp, Đức và các ngôn ngữ châu Á Người dùng có thể dễ dàng thay đổi ngôn ngữ sử dụng trực tuyến, mang lại sự linh hoạt và thuận tiện trong quá trình sử dụng.
Giao tiếp với các loại PLC WinCC được hỗ trợ bởi nhiều kênh truyền thông, cho phép kết nối với PLC Siemens như SIMATIC S5/S7/505 Hệ thống cũng tương thích với các giao thức phổ biến như PROFIBUS DP, DDE và OPC Ngoài ra, còn có các chuẩn thông tin khác với nhiều lựa chọn và phần bổ sung sẵn có.
WinCC serves as a key component of the Totally Integrated Automation (TIA) system, acting as the system's interface and central element It functions as the SCADA component within Siemens' PCS 7 system.
Các cấu hình hệ thống cơ bản của WinCC hỗ trợ đa dạng các cấu hình từ thấp đến cao, bao gồm nhiều ví dụ cụ thể.
+ Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (Sing-user system)
+ Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (Multi-user system)
+ Cấu trúc Client/Server có dự phòng
+ Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server)
Hướng dẫn lập trình
Phần mềm WinCC có nhiều phiên bản, nhưng để thống nhất và hỗ trợ sinh viên trong việc thực hiện bài tập, chúng ta sẽ sử dụng phiên bản WinCC flexible 2008 Để tạo một project cơ sở cho cấu hình giao tiếp, cần thiết phải tạo và cấu hình tất cả các đối tượng trong project, bao gồm các màn hình mô tả và vận hành hệ thống, các tag truyền dữ liệu giữa thiết bị HMI và hệ thống, cũng như các cảnh báo hiển thị trạng thái vận hành của hệ thống trên thiết bị HMI Các bước để tạo một project trên phần mềm WinCC flexible sẽ được hướng dẫn cụ thể.
Để khởi động phần mềm WinCC Flexible, bạn có thể thực hiện theo đường dẫn hiển thị trong hình hoặc nhấp đúp vào biểu tượng của phần mềm trên màn hình desktop.
Hình 2.2 Khởi động phần mềm WinCC
* Bước 2: Tạo mới một project
Sau khi khởi động phần mềm WinCC flexible thì một bảng danh sách cho phép tạo mới hay mở một project nhƣ sau
Hình 2.3: Lựa chọn tạo mới một project
Trong bảng danh sách này ta có các lựa chọn sau:
+ ―Open the most recently editor project‖ để mở một project đã đƣợc biên tập gần đây trong WinCC Flexible
+ ―Create a new project with the Project Wizard‖ để tạo một project mới trong
WinCC flexible theo định dạng có sẵn
+ ― Opend an existing project‖ để mở một project đã được lưu trong máy hoặc ở các vùng lưu trữ máy tính có thể truy xuất
+ ― Create an empty project‖ tạo một project mới mà chƣa có các thiết lập trong
+ ― Open a ProTool project‖ để mở một project đƣợc tạo sẵn trong phần mềm
To create a new project in ProTool, select "Create a new project with the Project Wizard," which will display a list of connection types between the HMI device and the control device, as shown in Figure 2.4.
Bước 3: Thiết lập kết nối giữa thiết bị HMI và điều khiển Sau khi chọn tạo mới một dự án, bảng danh sách các kiểu mạng kết nối giữa thiết bị HMI và điều khiển sẽ xuất hiện như hình 2.4.
Trong bảng danh sách dưới đây, chúng ta có các lựa chọn về kiểu kết nối giữa thiết bị HMI và PLC, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tương tác của hệ thống.
+ ―Small machine‖: với kiểu kết nối này thì một thiết bị điều khiển kết nối trực tiếp với một thiết bị HMI
Máy lớn là một thiết bị điều khiển kết nối với nhiều thiết bị HMI, trong khi hoạt động phân phối liên quan đến một thiết bị điều khiển trung tâm kết nối với nhiều trạm điều khiển phân tán, mỗi trạm này lại được kết nối với một thiết bị HMI riêng.
The control center and local operation involve a control device connected to both a local HMI (Human-Machine Interface) and a central HMI, facilitating effective management and operation.
+ ― Sm@ttClient‖: kết nối giữa hai thiết bi HMI chủ và tớ (Client/ server)
Bước 4 trong quy trình thiết lập hệ thống là lựa chọn thiết bị HMI, thiết bị điều khiển và kiểu kết nối giữa HMI và PLC Sau khi đã chọn kiểu dự án, nhấn "Next" để tiếp tục Ví dụ, bạn có thể chọn kiểu kết nối "Small machine" để đảm bảo sự tương thích và hiệu quả trong hoạt động.
Khi lựa chọn thiết bị HMI, người dùng cần truy cập vào mục "HMI device" và chọn "WinCC flexible Runtime" Sau khi kích vào tùy chọn này, danh sách các thiết bị HMI có thể được cấu hình trong WinCC flexible sẽ xuất hiện, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn thiết bị phù hợp.
Hình 2.6: Lựa chọn thiết bị HMI
• Lựa chọn loại thiết bị HMI cần đƣợc cấu hình và kích ―OK‖ để xác lập lựa chọn
• Lựa chọn kiểu kết nối giữa thiết bị HMI và PLC trong mục
• Lựa chọn loại PLC sẽ kết nối với thiết bị HMI trong bảng danh sách các loại PLC trong mục ―Controller‖
Bước 5: Chọn màn hình mẫu cho dự án sau khi đã xác định thiết bị HMI và kiểu kết nối giữa thiết bị HMI và thiết bị điều khiển.
25 chọn ―Next‖ để lựa chọn màn hình mẫu cho project Cửa sổ lựa chọn màn hình mẫu cho project hiện ra nhƣ sau
Trong hình 2.7, người dùng có thể lựa chọn hiển thị hoặc ẩn các thông số của màn hình trong dự án, bao gồm tiêu đề, cảnh báo trong cửa sổ, cùng với các điều hướng và vị trí của chúng trên màn hình HMI.
* Bước 6: Lựa chọn màn hình điều hướng Sau khi lựa chọn xong màn hình mẫu cho project tiến hành chọn ―Next‖ để chọn màn hình điều hướng cho project
Hình 2.8: Lựa chọn màn hình điều hướng Trong mục này ta chọn số màn hình điều hướng xử dụng trong ―Section Screen‖
* Bước 7: Chọn màn hình hệ thống chuẩn
Sau khi chọn xong màn hình điều hướng, chọn ―Next‖ để chọn màn hình hệ thống chuẩn
Hình 2.9: Lựa chọn màn hình hệ thống chuẩn
* Bước 8: Lựa chọn thư viện chuẩn cho project Sau khi chọn xong màn hình hệ thống chuẩn, chọn ―Next‖ để chọn thƣ viện cho project
Trong hộp thoại chọn thư viện cho dự án, người dùng có thể lựa chọn các nút ấn và hình ảnh đồ họa cần thiết để xây dựng dự án một cách hiệu quả.
* Bước 9: Điền các thông tin cho project
Sau khi lựa chọn xong thƣ viện cho project ta chọn ―Next‖ của sổ, đặt tên cho project nhƣ sau
Trong cửa sổ tạo project, người dùng cần điền tên project vào mục "Project name", tên tác giả vào mục "Project author" và thêm các chú thích cần thiết vào mục "Comments" Sau khi hoàn tất, chọn "Finish" để kết thúc quá trình tạo project Màn hình chính để xây dựng project sẽ hiển thị ngay sau khi lựa chọn "Finish".
Hình 4.12: Màn hình làm việc của project
Trên màn hình chính để xây dựng một dự án, có các mục chính sau: Thanh tiêu đề, nơi tập hợp tất cả các công cụ cần thiết để hoàn thiện dự án một cách hiệu quả.
+ Thanh menu: bao gồm các công cụ chính hay đƣợc sử dụng trong quá trình xây dựng project
Hộp Project trong WinCC cho phép người dùng thiết lập cấu hình cho thiết bị HMI, bao gồm việc tạo màn hình, khai báo kết nối, tạo tag điều khiển và cảnh báo Trong khi đó, Hộp công cụ cung cấp các công cụ hỗ trợ sẵn có như thư viện hình ảnh đồ họa, hệ thống thư viện phím chức năng, biểu đồ và hệ thống cảnh báo, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế giao diện cho dự án.
Các phần mềm trong hệ SCADA
3.1 Phần mềm thiết kế giao diện
WinCC là một công cụ tiên tiến cho việc cấu hình hệ thống hiển thị trên máy tính PC chuẩn, đồng thời cũng được xem như một hệ thống SCADA (Supervisor Control and Data Acquisition).
Hệ thống Control And Data Acquisition (CDAQ) mạnh mẽ đáp ứng các yêu cầu cao nhất về hiển thị, điều khiển vận hành và giám sát máy móc, nhà máy cũng như các quá trình công nghiệp Chức năng của CDAQ bao gồm việc cung cấp thông tin chính xác và kịp thời, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động.
- Cung cấp cho người vận hành những thông tin về các vùng và các hệ thống công nghiệp
- Mô hình bằng đồ họa các hệ thống và các vùng có liên quan
Hiển thị trạng thái quá trình thông qua đồ họa, số liệu và ký tự; cung cấp các giá trị giới hạn cho các phép đo; đồng thời cảnh báo và thông báo khi có sự cố xảy ra.
- Ghi chép lại và in ra các cảnh báo và báo động; in ra nhật ký; in ra vận hành
Ngoài ra, còn giúp người sử dụng về vận hành và chẩn đoán lỗi b) Đặc điểm:
- Chạy trên máy tính công nghiệp và hệ điều hành Windows và gói phần mềm WinCC của Siemens
- Cung cấp giao diện người dùng đồ họa thân thiện
- Vận hành với chuột và phần tử tác động trên màn hình hoặc với bàn phím đặc biệt
- Lớp của các trang màn hình đồng bộ và ăn khớp
- Sử dụng các phần tử đồ họa chuẩn
- Các trang đồ họa quá trình với cấu trúc đẳng cấp
- Truy cập tới tất cả các trang ở bất kỳ thời gian nào
- Chuyển đổi nhanh giữa các trang khác nhau
- Có tín hiệu cảnh báo và báo động với bất kỳ trang màn hình hiện hành nào
- Hiển thị các cảnh báo và báo động bằng đồ họa trên trang đồ họa quá trình hoặc bằng số, ký tự trên trang báo động
- Nhận biết cảnh báo và báo động bởi người vận hành
- Các trang hiển thị ký tự, số có thể được cấu hình bởi người vận hành
- Chức năng in có thể được cấu hình bởi người vận hành c) Giao diện phần mềm:
SIMATIC WINCC (Window Control Center) là hệ thống SCADA chất lượng cao, được sử dụng trong tự động hóa các nhà máy sản xuất và quy trình công nghiệp Phần mềm WinCC có thể được cài đặt trên PC tiêu chuẩn hoặc trên bảng điều khiển gần thiết bị WinCC là phần mềm 32 bit, tương thích với các hệ điều hành Windows 95/98 và Windows NT.
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người dùng có thể lựa chọn các gói khác nhau của WinCC, với hai loại gói cơ bản là lựa chọn chính trong sản phẩm này.
Gói WinCC Runtime bao gồm các chức năng ứng dụng cần thiết để vận hành các ứng dụng WinCC, như hiển thị thông tin, điều khiển hệ thống, thông báo trạng thái và giá trị điều khiển, cùng với khả năng tạo báo cáo.
- WinCC Complete Package: bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống và bản quyền chạy ứng dụng
Người xây dựng hệ thống có thể sử dụng đồ họa để thể hiện quy trình công nghệ mà mình điều khiển Trình soạn thảo đồ họa cho phép vẽ tự do, đường thẳng, và hình tròn, đồng thời hỗ trợ nhập khẩu hình ảnh từ nhiều định dạng khác nhau Nó còn cung cấp các biểu tượng định nghĩa trước như giản đồ, cùng với một thư viện biểu tượng gốc có thể kết nối với các biến và được kích thích khi có sự thay đổi Hơn nữa, hệ thống cũng cho phép tạo liên kết giữa các theo dõi và điều khiển tĩnh trong thời gian chạy.
Phần thiết kế đồ họa WinCC cho phép người dùng dễ dàng tạo ra các đồ thị quá trình thông qua một giao diện thân thiện Giao diện này cung cấp nhiều công cụ và bảng đồ họa, cùng với các cấu hình hệ thống hỗ trợ được tích hợp trong một đối tượng và thư viện ký hiệu phong phú Người dùng có thể nhập các đồ thị và đối tượng đồ họa đã được tạo sẵn từ các công cụ đồ họa khác, giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế.
Hệ thống đồ họa của WinCC quản lý tất cả các đầu vào và đầu ra hiển thị trên màn hình trong quá trình vận hành Thông tin được trình bày dưới dạng đồ họa thông qua module Graphics Designer Module này cung cấp nhiều công cụ hữu ích cho người dùng.
- Các hình vẽ của các phần tử tiêu biểu nhƣ: bơm, van, động cơ, két,…
- Các phím, hộp thọai, thanh trƣợt, hộp kiểm tra…
- Các màn hình ứng dụng và các màn hình hiển thị
- Các đối tƣợng OLE, Active X
- Các thanh trạng thái và các hiển thị theo nhóm
Các đối tượng đã được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Cấu trúc màn hình đồ họa cần đảm bảo rằng số lượng trang, cấp độ và nội dung trang phụ thuộc vào độ phức tạp của các khu vực và hệ thống công nghiệp.
Các sự kiện trong quá trình sản xuất được thông báo, thu thập, xử lý và lưu trữ một cách hiệu quả Tính năng này cung cấp thông tin chi tiết về trạng thái sự cố và hoạt động, giúp nhận diện sớm các tình trạng tới hạn Nhờ đó, doanh nghiệp có thể giảm thiểu thời gian ngừng máy và nâng cao chất lượng sản xuất.
Hình 2.23: Thiết lập thông báo
Hệ thống thông báo WinCC (Alarm Logging) cung cấp thông tin chi tiết về lỗi và trạng thái trong quá trình hoạt động, hiển thị cả thông báo hiện tại và quá khứ Những thông báo này hỗ trợ người vận hành trong việc lựa chọn các khối thông báo, thứ hạng, dạng và kiểu hiển thị thông báo một cách hiệu quả.
Tag logging là một công cụ quan trọng trong hệ thống điều khiển giám sát, giúp đọc và xử lý thông tin của quá trình để hiển thị và lưu trữ dữ liệu hiệu quả Các phương pháp thu thập và lưu trữ dữ liệu đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo tính chính xác và sẵn sàng của thông tin.
- Liên tục theo chu kỳ: các giá trị đƣợc thu thập một cách liên tục theo chu kỳ và trong trật tự thời gian
- Theo chu kỳ lựa chọn:
Quá trình thu thập dữ liệu diễn ra khi có sự kiện xảy ra và kết thúc khi sự kiện đó dừng lại Chẳng hạn, điều này có thể xảy ra khi giá trị của một biến nhị phân thay đổi, giá trị của một biến tương tự vượt qua ngưỡng nhất định, vào một thời điểm đã định, hoặc khi có tác động từ bàn phím, chuột, hay lệnh từ hệ thống máy tính cấp cao hơn.
Sự kiện bắt đầu phụ thuộc vào một hay nhiều bít Quá trình thu thập dữ liệu bắt đầu khi các bít này chuyển từ 0 sang 1 hay ngƣợc lại
- Chỉ có sự thay đổi:
Hệ thống chỉ lưu trữ dữ liệu khi có sự thay đổi vượt quá một giá trị định trước Các giá trị quá trình có thể được lưu trữ trong kho lưu trữ (Process Value Archives) hoặc kho lưu trữ nén (Compressed Archives), có thể nằm trên bộ nhớ đệm hoặc ổ cứng Việc thu thập và lưu trữ dữ liệu liên tục yêu cầu người sử dụng xác định kích cỡ của các bản ghi trước.
40 ghi Nếu bộ nhớ đầy, các giá trị cũ sẽ tự động bị xoá và nhường chỗ cho các giá trị mới
TRẠM TRUNG TÂM MS (MASTER STATION)
Cấu hình phần cứng của MS
MTU, tương tự như khối chủ trong kiến trúc Chủ/Tớ (Master/Slave), cung cấp dữ liệu cho người vận hành qua HMI, đồng thời thu thập thông tin và truyền tín hiệu điều khiển đến các thiết bị và nhà máy từ xa.
Hình 3.1a Cấu trúc một MTU tiêu biểu Một khối chủ phụ (Sub-Master Station) có thể là cần thiết cho sự vận hành ở các đầu cuối từ xa
Hình 3.1 b Sơ đồ khối chủ phụ Chức năng của Sub-Station nhƣ sau:
Thu thập dữ liệu từ các RTU cục bộ
Ghi và hiển thị dữ liệu tại trạm vận hành cục bộ
Chuyển dữ liệu về MTU
Chuyền lệnh điều khiển từ MTU đến RTU cục bộ
Chức năng cơ bản của MTU nhƣ sau:
Thiết lập và vận hành hệ thống truyền thông là quá trình quan trọng, bắt đầu bằng việc cấu hình từng RTU, khởi tạo với các thông số vào/ra và tải chương trình điều khiển cùng dữ liệu xuống các RTU Sau đó, việc duy trì các kết nối truyền thông được thực hiện thông qua việc hỏi vòng dữ liệu RTU và chuyển dữ liệu theo mô hình chủ/tớ Đồng thời, hệ thống ghi lại các báo động và sự kiện vào ổ cứng để người vận hành có thể truy cập khi cần thiết, đồng thời tự động liên kết các ngõ vào và ra giữa các RTU khác nhau.
Chuẩn đoán hệ thống RTU bao gồm việc xác định chính xác thông tin lỗi và các vấn đề hiện tại, đồng thời phát hiện các vấn đề tiềm ẩn như tràn dữ liệu.
Cấu hình phần mềm MS
Nâng cấp hệ điều hành (OS Upgrate)
Chức năng và quy trình vận hành của HMI có thể được nâng cấp một cách dễ dàng thông qua việc cài đặt hệ điều hành mới, mà không cần phải thay thế phần cứng.
Chức năng chạy đoạn mã Script
Sự trình bày của HMI có thể đƣợc điều chỉnh bởi lập trình Script trên HMI
Chương trình điều chỉnh hiển thị trên PLC là không cần thiết, giúp nâng cao hiệu suất vận hành, đồng thời thiết kế trở nên hiệu quả và dễ bảo trì hơn.
Chức năng thƣ viện các phần tử
Thư viện các phần tử của HMI giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế sơ đồ trên HMI, cho phép người dùng dễ dàng sắp xếp các đối tượng cần thiết từ thư viện vào bản vẽ.
3 HMI- giao diện người máy
Hiển thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng, …
HMI có thể là màn hình GOT (Graphic Operation Terminal) của Mitsubishi, màn hình NT của Omron, hoặc một PC chạy phần mềm SoftGOT của Mitsubishi, …
Hình 3.2 Các thành phần của màn hình HMI
Các chức năng cơ bản của HMI nhƣ sau:
Chức năng Recipe (Recipe Function)
Một số loại dữ liệu như thông số pha trộn chất liệu và điều kiện chế biến có thể được lưu trữ trên thiết bị HMI, trong khi dữ liệu cần thiết có thể được chuyển qua PLC mà không cần chương trình trao đổi dữ liệu.
Dữ liệu từ PLC có thể được lưu trữ dưới dạng file trên HMI, cho phép sử dụng bởi các HMI khác và quản lý trên PC thông qua phần mềm bảng tính như EXCEL Các giá trị này có thể được chỉnh sửa trực tiếp trên PC, và những thay đổi sẽ được chuyển trở lại PLC để lưu trữ trên HMI.
Hình 3.3 Minh họa tính năng recipe
1 Trình bày cấu hình phần cứng của MS?
2 Trình bày cấu hình phần mềm của MS?
3 Sử dụng HMI- giao diện người máy vào các bài tập cụ thể để giám sát và thu thập dữ liệu cho các hệ thống trong công nghiệp?
THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH SCADA
Phân tích yêu cầu thiết kế một hệ thống SCADA
Trong thiết kế hệ thống SCADA, việc tạo ra một màn hình HMI hiệu quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố Các panel điều khiển hiện đại thường được thiết kế trực quan và có thể đáp ứng các yêu cầu khác nhau, nhưng hiệu quả hoạt động có thể khác nhau Để thiết kế một màn hình HMI với nhiều phần tử hiển thị trực quan, cần chú ý đến hai yếu tố chính: (1) màn hình cần thu hút sự chú ý tối đa của người vận hành và (2) thiết kế phải đơn giản đủ để người không được đào tạo hoặc ít kinh nghiệm vẫn có thể vận hành máy một cách dễ dàng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những yếu tố cơ bản và quan trọng trong thiết kế màn hình HMI Mục tiêu là cung cấp hướng dẫn thiết kế nhằm tạo ra một màn hình HMI hiệu quả, vừa đơn giản và thân thiện với người sử dụng, đồng thời tối ưu hóa các hoạt động của hệ thống.
Việc bố trí màn hình HMI hợp lý rất quan trọng để thu hút sự chú ý của người vận hành, bắt đầu từ góc trên bên trái và quét từ trái sang phải, từ trên xuống dưới Các đối tượng quan trọng nên nằm ở vị trí dễ thấy, với phần tử báo động được đặt ở đầu trang Đối tượng hình ảnh đồ họa nên ở giữa bên trái, trong khi các đối tượng dữ liệu nằm ở bên phải Các nút khởi động, dừng và điều khiển khác nên ở phía dưới bên trái, còn nút điều hướng ở phía dưới bên phải Tất cả các đối tượng cần được đánh dấu bằng đường viền màu đen để dễ nhận diện.
1.2 Các vấn đề về màu sắc
Trước khi thiết kế màn hình HMI, việc hiểu rõ về cách người dùng tương tác với hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả cho dự án Sự am hiểu này giúp nhà thiết kế tạo ra giao diện thân thiện và dễ sử dụng, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa quy trình làm việc.
Màu sắc đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng quan sát của vận hành viên đối với các đối tượng quan trọng Việc lựa chọn màu sắc phù hợp cho nền, nút điều khiển, báo động và văn bản là cần thiết để tránh gây nhầm lẫn hoặc quá tải thông tin Màu quá nhạt có thể làm giảm sự chú ý đối với các nút khẩn cấp, trong khi màu sắc sặc sỡ có thể dẫn đến tình trạng lộn xộn Do đó, việc lựa chọn màu sắc đúng cho thiết kế HMI là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hoạt động.
Trong thiết kế HMI, các màu cơ bản như đỏ, xanh lá cây và xanh dương không nên được sử dụng làm màu nền Mặc dù màu đen và trắng tạo ra sự tương phản tốt, nhưng việc sử dụng chúng làm màu nền có thể khiến màn hình trở nên chói mắt.
Để lựa chọn màu nền cho màn hình HMI, nên ưu tiên sử dụng các màu như xanh sáng, xám nhạt và nâu sáng, vì chúng tạo ra độ tương phản tốt hơn so với các màu đỏ, vàng, xanh lá cây Khi thiết kế nhiều trang trên một màn hình, việc tạo độ bóng khác nhau cho từng trang giúp người khai thác dễ dàng nhận diện các trang ngay cả khi ở khoảng cách xa.
Theo tiêu chuẩn thiết kế SCADA/HMI, một số màu sắc đặc biệt cần được sử dụng để thể hiện các hoạt động cụ thể Màu đỏ được sử dụng để biểu thị tình huống dừng lại, cấm hoặc nguy hiểm.
Vàng = Cảnh báo, Cẩn thận
Xanh lá cây = An toàn
Xanh đậm = Hành động bắt buộc
Trong thiết kế HMI, màu sắc cho các nút trên màn hình thường sử dụng ba màu cơ bản: đỏ, xanh và xanh da trời, hoặc các màu thứ sinh được tạo ra từ sự pha trộn của hai màu cơ bản Ngoài ra, cần tránh sử dụng màu tối cho những hình khối lớn vì chúng có thể gây ra hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc.
1.3 Các vấn đề về hình ảnh và đồ họa
Khi thiết kế HMI, mục tiêu là mô tả chính xác hoạt động của hệ thống và tạo ra sản phẩm sống động Tuy nhiên, những người ít kinh nghiệm thường tạo ra các đối tượng nhấp nháy và chuyển động như máy bơm quay hoặc băng tải di chuyển với hình ảnh 3D màu sắc sặc sỡ Những hiệu ứng này không mang lại hiệu quả cao trong vận hành, vì chúng có thể làm mất tập trung người sử dụng.
Để thiết kế một màn hình HMI hiệu quả, cần đảm bảo nền màu xám và hạn chế hình ảnh động Giao diện HMI phải thể hiện rõ ràng toàn bộ quy trình hoạt động, giúp người vận hành dễ dàng hình dung kế hoạch và xác định vị trí các phép đo Một HMI tốt nên mô tả quá trình hoạt động một cách tĩnh và sử dụng màu sắc một cách hợp lý Hình ảnh minh họa dưới đây so sánh giữa một màn hình HMI kém và một màn hình HMI chất lượng.
Text là phương tiện truyền tải thông tin hiệu quả nhất cho vận hành viên Khi chọn phông chữ, nên ưu tiên các loại phổ biến như Arial, Helvetica, hay System để tránh lỗi font khi chuyển thiết kế giữa các máy Về cỡ chữ, thông tin phải rõ ràng từ khoảng cách vài mét; tiêu đề và nhãn cần lớn hơn nút bấm và báo động Tránh sự thay đổi quá nhiều về kích thước chữ để không gây lộn xộn Phông chữ Arial cỡ 16 là lựa chọn tối ưu cho chữ thường, với tiêu đề nên tăng lên 2 cỡ Sử dụng một loại phông chữ đồng nhất và không quá 3 cỡ phông chữ Khi cần mô tả chi tiết, nên dùng pop-up và tránh lạm dụng chữ in hoa để không gây khó đọc.
50 dụng gạch chân Chữ in hoa chỉ nên sử dụng cho tiêu đề lớn Còn các đoạn text chỉ nên dùng chữ thường
Nên nhóm các văn bản và giá trị dữ liệu vào cùng một khu vực trên màn hình để dễ quan sát Việc đặt giá trị dữ liệu ngẫu nhiên cạnh các hình ảnh hoặc biểu tượng sẽ gây khó khăn cho người sử dụng Để thuận tiện cho việc so sánh dữ liệu, các thông tin nên được tổ chức trong một bảng Nếu có nhiều bảng chứa dữ liệu tương tự như nhiệt độ, áp suất, và tốc độ, cần bố trí chúng một cách hợp lý để dễ dàng tìm kiếm và theo dõi.
1.6 Cảnh báo và thông tin sự kiện
Cảnh báo và thông tin sự kiện đóng vai trò quan trọng trong thiết kế màn hình HMI, giúp người vận hành nhận diện hoạt động của hệ thống và ngăn chặn các tình huống nguy hiểm trong quá trình vận hành Cảnh báo cần theo dõi sự thay đổi trong quá trình hoạt động hoặc hệ thống điều khiển, bao gồm các tác động và thay đổi cấu hình, và những thông tin này cần được ghi lại Khi thiết kế màn hình HMI, cảnh báo được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
1 Thông báo: Không có hành động cần thiết, ví dụ Hệ thống dừng vào 10:00 am
2 Cảnh báo: Quá trình hoạt động có thể "Dừng" hoặc có thể đƣợc báo "Hƣ hỏng" nếu không có hành động khắc phục., ví dụ Chai không đƣợc đặt đúng hướng
Xây dựng sơ đồ khối và lưu đồ hoạt động
Quy trình thiết kế hệ thống SCADA có thể được minh họa qua ví dụ cụ thể về việc xây dựng giao diện điều khiển giám sát nhiệt độ trong tank nấu gạo tại nhà máy bia Giao diện này sẽ được điều khiển thông qua màn hình OP177B, với các yêu cầu công nghệ cụ thể nhằm đảm bảo hiệu quả và chính xác trong quá trình giám sát.
- Hệ thống có thể hoạt động ở chế độ tự động hoặc bằng tay
Khi bắt đầu quá trình nghiền, lò sẽ được gia nhiệt Nguyên liệu từ nhà nghiền được bơm M2 chuyển sang, và khi nguyên liệu giảm xuống mức thấp, động cơ M2 sẽ hoạt động Van V8 mở để tăng lượng nước vào tank, giúp pha trộn nước và nguyên liệu theo tỷ lệ quy định Sau đó, van V12 mở để đưa hơi nước nóng vào tank, khởi động quá trình gia nhiệt Khi tank đầy, cảm biến mức cao L1 gửi tín hiệu, khiến động cơ M2 ngừng hoạt động và tạm dừng nghiền nguyên liệu cần nấu, chuyển sang nghiền nguyên liệu khác Bơm M’2 và van V9 cũng dừng hoạt động, đánh dấu sự bắt đầu của quá trình nấu.
Cảm biến nhiệt độ trong hệ thống nấu 52 nóng cung cấp nhiệt cho nhà nấu, đảm bảo đo đạc các thông số nhiệt độ và khối lượng hiển thị trên panel điều khiển Việc theo dõi nhiệt độ trong tank nấu thông qua cảm biến giúp tăng cường sự đồng đều nhiệt độ, từ đó nâng cao hiệu quả quá trình nấu.
Quá trình nấu kết thúc, van V12 đóng, van V10 mở đồng thời bơm M3 hoạt động để tháo nguyên liệu.
Kết nối phần cứng theo hệ thống đã phân tích
Các thiết bị điều khiển gồm: Hệ PLC S7 -300, CPU 314C-2DP và các modul mở rộng AI, AO, DI, DO Cảm biến nhiệt loại Thermocouple( sử dụng PT100)
* Xác định địa chỉ vào, ra cho PLC
Bảng 4.1 Địa chỉ đầu vào hệ thống Tên Giải thích Địa chỉ PLC Địa chỉ WinCC
On_off Bật _tắt nguồn I124.0 M50.0 dat_tren Nhiệt độ đặt ngƣỡng trên MD4 MD4 dat_duoi Nhiệt độ đặt ngưỡng dưới MD0 MD0
Phan_hoi Nhiệt độ hiển thị MD28 MD28
Timer Lưu giá trị thời gian đặt MW8 MW8
On_off_van_8 Bật_tắt van 8 I124.2 M50.7
On_off_van_9 Bật_tắt van 9 I124.3 M51.0
On_off_van_10 Bật_tắt van 10 I124.4 M51.1
On_off_van_11 Bật_tắt van 11 I124.5 M51.2
On_off_van_12 Bật_tắt van 12 I124.6 M51.3
On_off_M3 Bật_tắt động cơ M3 I124.7 M51.4
On_off_M2 Bật_tắt động cơ M2 I125.0 M52.6
CB nhiet Cảm biến nhiệt PIW760 PIW760
Bảng 4.2 Địa chỉ đầu ra
Trong chương trình PLC, tín hiệu nhiệt độ được lấy từ cảm biến PT100 dưới dạng điện áp và đưa vào đầu vào tương PIW 760 của PLC Để chuyển đổi tín hiệu này thành nhiệt độ, chương trình PLC cần thực hiện các thuật toán xử lý và lưu trữ kết quả vào ô nhớ của PLC Chương trình WinCC không thực hiện chức năng chuyển đổi này Để thực hiện các lệnh chuyển đổi, cần khảo sát cảm biến PT100 để xây dựng thuật toán phù hợp Đối với các tín hiệu đầu vào tương tự, cần phát triển thuật toán để chuyển đổi thành dạng số, từ đó có thể hiển thị trên giao diện WinCC.
Viết chương trình điều khiển hệ thống
* Các tag xử lý và địa chỉ:
* Hệ thông gồm 4 màn hình đó là:
+ Màn hình khởi động hệ thống
+ Màn hình điều khiển tự động
+ Màn hình điều khiển bằng tay
Để tạo màn hình đồ thị theo dõi nhiệt độ ủ theo thời gian trong mục Project, bạn cần chọn "add screen", sau đó đặt tên cho màn hình trong mục "name" và chọn màu nền cho màn hình ở mục tương ứng.
Hình 4.2 : Giao diện khởi động hệ thống ủ Trong màn hình này gồm
Để nhập thời gian ủ và thời gian bắt đầu ủ, cần sử dụng bốn trường đầu vào trên biểu tượng I/O field trong thanh công cụ Các thông số chính cần định dạng bao gồm kiểu của trường (mode) với ba lựa chọn: đầu vào, đầu ra, hoặc cả hai chức năng Ngoài ra, tag xử lý (Tag process) cho thời gian ủ được xác định là "timer".
+ Kiểu dữ liệu( format type): số thập phân (Decimal)
- Một Switch điều khiển ON_OFF hệ thống: các Switch này có chức năng nhƣ các công tắc để sử dụng cần khai báo các thông số chính sau
+ Để lấy một Switch ta vào ― Library/Button and Switch‖ để chọn loại công tắc mong muốn
Hình 4.3 Thƣ viện công tắc trong Win CC flecible + Khai báo các thông số khi sử dụng công tắc
Trong mục ―general‖ ta chọn tag xử lý là On_Off
Trong giao diện chọn tag xử lý cho công tắc, tại mục "events", người dùng có thể chọn phương thức tác động là "Press" và chức năng tác động tới công tắc là "InvertBit" trong tag On_Off.
Hình 4.5 Chọn chức năng cho công tắc
- Bảng lựa chọn chế độ gồm 2 nút ấn ―Tự động‖ và ―bằng tay‖ để điều khiển nhảy đến màn hình điều khiển tự đông và bằng tay
Hình 4.5 Bảng chọn chế độ hoạt động
Khi sử dụng phím "tự động", bạn có thể thiết lập cách thức tác động phím là "Press", với chức năng kích hoạt màn hình là "ActivateScreen" Khi phím được nhấn, màn hình sẽ chuyển đến chế độ "AUTO".
Hình 4.6 Cấu hình chức năng cho phím tự động
- Phím ―thoát‖: dùng để thoát khỏi màn hình giao diện trên WinCC
Việc định dạng cho phím thực hiện tương tự như đối với các phím khác nhƣng khi xác định chức năng cho phím là ―StopRuntimer‖
Hình 4.7: Cấu hình chức năng cho phím thoát
* Giao diện điều khiển hoạt động của hệ thống ở chế độ tự động
Hình 4.8 Giao diện điều khiển tự động Trong màn hình này ta có thêm
Bài viết mô tả một hệ thống điều khiển nhiệt độ với hai trường đầu vào cho phép người dùng thiết lập nhiệt độ tối đa và tối thiểu, cùng với một trường đầu ra hiển thị nhiệt độ thực tế của bồn chứa trong quá trình hoạt động Hệ thống cũng được trang bị các phím tăng giảm để điều chỉnh nhiệt độ đặt trên và đặt dưới một cách dễ dàng.
Bảng hiển thị và điều chỉnh nhiệt độ cho phép người dùng khai báo các thông số cho trường đầu vào ra, bao gồm hiển thị và thiết lập nhiệt độ Quy trình thực hiện tương tự như việc khai báo ngày tháng năm và thời gian ủ, nhưng cần lưu ý rằng các thông số này khi khai báo tag dưới dạng số thực cần chọn độ dài dữ liệu phù hợp Mặc dù tín hiệu từ đầu vào cảm biến vẫn được duy trì ổn định.
PT100 là tín hiệu tương tự và PLC phải thực hiện chức năng chuyển đổi thành tín hiệu số để đƣa về hiển thị trên PLC
Để cấu hình trường đầu vào cho đèn báo van 8, trước tiên cần lấy đèn báo từ thư viện Sau đó, chọn tag tương ứng với đèn báo, cụ thể là tag "van 8".
Hình 4.11: Chọn tag tác động đèn báo van 8
Giao diện điều khiển bằng tay, như hình 4.12, được trang bị hệ thống các Switch cho phép người dùng mở và đóng các van một cách thủ công Việc thiết lập các phím điều khiển này được thực hiện tương tự như các phương pháp trước đó.
Các phím ON/OFF cùng với các phím "Đồ thị", "Tự động" và "Trở về menu" có chức năng chuyển đổi giữa các màn hình Cấu hình của chúng tương tự như phím "Tự động" trong màn hình khởi động.
* Giao diện đồ thị nhiệt:
Để tạo giao diện đồ thị nhiệt cho hệ thống theo thời gian, người dùng cần truy cập vào mục "Enhanced Object/trend view" trên thanh công cụ để lấy đồ thị.
Trong mục "Adnimation", chức năng của biểu đồ được thiết lập là "Appearance" với dải hiển thị từ 0 đến 100 Tag xử lý phản hồi giúp người dùng lựa chọn dải hiển thị một cách linh hoạt.
Chương trình này xử lý tag nhiệt độ, với dải nhiệt độ cần hiển thị từ 0 đến 100 độ.
Hình 4.14: Chọn tín hiệu cần hiển thị trên biểu đồ và dải giá trị hiển thị
Sau khi hoàn tất việc thiết lập các màn hình điều khiển, tiến hành kết nối máy tính với PLC Khi chạy đồng thời cả chương trình PLC và WinCC, người dùng có thể điều khiển hoạt động của hệ thống thông qua giao diện HMI.
1 Phân tích yêu cầu thiết kế một hệ thống thu thập dữ liệu?
2 Xây dựng sơ đồ khối và lưu đồ hoạt động của hệ thống thu thập dữ liệu?
3 Kết nối phần cứng theo hệ thống đã phân tích và viết chương trình điều khiển cho các bài tập cụ thể để giám sát và thu thập dữ liệu?