Giáo trình hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu scada

SỞ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 835/QĐ- CĐN ngày 31 tháng 12 năm 2021 trường cao đẳng nghề Hà Nam) Hà Nam, năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun 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 Dựa theo giáo trình này, sử dụng để giảng dạy cho trình độ nghề ngành/ nghề khác nhà trƣờng cần giảng dạy bổ sung môn học, mô đun bắt buộc số môn học, mô đun tự chọn mà chƣơng trình đào tạo trình độ Trung cấp chƣa giảng dạy; LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình ―Hệ thống giám sát thu thập liệu SCADA‖ thuộc mơn học 34 chƣơng trình đào tạo nghề điện cơng nghiệp hệ cao đẳng Nó đóng vai trị quan trọng việc đào tạo, cung cấp kiến thức kỹ cho học sinh, sinh viên nghiên cứu lĩnh vực hiệu chuẩn thiết bị điện công nghiệp Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có nội dung chƣơng trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo Nội dung lý thuyết thực hành đƣợc biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Nội dung giáo trình đƣợc biên soạn với thời lƣợng đào tạo 45h gồm chƣơng: Bài mở đầu: Tổng quan hệ thống SCADA Chƣơng 1: Một số đơn vị đầu cuối RTU (remote terminal unit) Chƣơng 2: Phần mềm ứng dụng cho scada Chƣơng 3: Trạm trung tâm MS (master station) Chƣơng 4: Thiết kế mơ hình scada Mặc dù cố gắng biên soạn để đáp ứng đƣợc mục tiêu đàị tạo nhƣng khơng tránh đƣợc khiếm khuyết Rất mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện Hà Nam, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên : Vũ Hồ Thành MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Trang GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Bài mở đầu: Tổng quan hệ thống SCADA Lịch sử phát triển SCADA Các thành phần hệ thống SCADA Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trƣờng, hộp điều khiển đóng cắt van chấp hành…) Sự khác PLC, DCS SCADA Các ứng dụng tiêu biểu SCADA công nghiệp 10 CÂU HỎI ÔN TẬP 10 CHƢƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT) 11 Cấu hình phần cứng RTU 11 Cấu hình phần cứng RTU 12 2.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit) 12 2.2 Khối vào tƣơng tự (Analog Input Modules) 12 2.3 Khối tƣơng tự (Analog Output Mudules) 12 2.4 Khối vào số (Digital Input Modules) 13 2.5 Khối số (Digital Output Modules) 13 2.6 Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces) 14 2.7 Bộ đếm số (Digital Counters) 14 Cấu hình phần mềm RTU 14 3.1 So sánh RTU & PLC 14 3.2 Ứng dụng RTU 16 CÂU HỎI ÔN TẬP 16 CHƢƠNG 2: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA 17 Các khái niệm bàn phần mềm ứng dụng 17 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC 18 2.1Giới thiệu phần mềm WINCC 18 2.2 Hƣớng dẫn lập trình 21 Các phần mềm hệ SCADA 35 3.1 Phần mềm thiết kế giao diện 35 3.2 Phần mềm điều khiển Logic 40 3.3 Phần mềm kết nối trung gian 42 CÂU HỎI ÔN TẬP 42 CHƢƠNG 3: TRẠM TRUNG TÂM MS (MASTER STATION) 43 Cấu hình phần cứng MS 43 Cấu hình phần mềm MS 44 HMI- giao diện ngƣời máy 45 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC MƠ HÌNH SCADA 47 Phân tích yêu cầu thiết kế hệ thống SCADA 47 1.1 Bố cục hình 47 1.2 Các vấn đề màu sắc 47 1.3 Các vấn đề hình ảnh đồ họa 48 1.4 Trình bày văn 49 1.5 Giá trị liệu 50 1.6 Cảnh báo thông tin kiện 50 1.7 Điều hƣớng điều khiển 50 Xây dựng sơ đồ khối lƣu đồ hoạt động 51 Kết nối phần cứng theo hệ thống phân tích 52 Viết chƣơng trình điều khiển hệ thống 53 CÂU HỎI ÔN TẬP 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Hệ thống giám sát thu thập liệu (SCADA) Mã môn học: MH34 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học học sau mô đun sở, đặc biệt mô đun: Tin học ; Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, truyền động điện, PLC bản, PLC nâng cao, Mạng truyền thông công nghiệp, Vi xử lý Hiệu chuẩn thiết bị đo lƣờng - Tính chất: Là môn học kĩ thuật chuyên môn, thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc - Ý nghĩa vai trị mơn học: Hệ thống giám sát SCADA môn học quan trọng lĩnh vực điện tự động hố cơng nghiệp Nó cung cấp kiến thức điều khiển giám sát thiết bị tự động hoá việc vận hành giám sát q trình vận hành, kiểm sốt lỗi Mục tiêu môn học: -Về kiến thức: Giúp sinh viên nắm đƣợc hoạt động hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) việc tự động hóa đo đạc, thu thập - truyền số liệu, kiểm soát cung cấp liệu kịp thời xác nhằm tối ƣu hóa hoạt động qúa trình, dây chuyền, hoạt động nhà máy nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhƣ: sản xuất, hệ thống cấp nƣớc, lƣợng, xử lý chất thải, môi trƣờng… -Về kỹ năng: Nâng cao kỹ phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Có lực thực nội dung giám sát thu thập liệu; có sáng kiến q trình thực phƣơng pháp giám sát thu thập liệu ngành Điện + Có lực đánh giá chất lƣợng sử dụng phƣơng tiện giám sát thu thập liệu sau kết thúc môn học kết thực thành viên nhóm + Nghiêm túc, ln thực tập đƣợc giao nhà, chuẩn bị trƣớc lên lớp + Hƣớng dẫn ngƣời khác thực phƣơng pháp giám sát thu thập liệu chịu trách nhiệm cá nhân trách nhiệm nhóm Nội dung môn học: Bài mở đầu: Tổng quan hệ thống SCADA Mã chƣơng: MH 34 – 00 Giới thiệu: Bài học giới thiệu cung hệ thống SCADA điều khiển tự động hóa Mục tiêu: - Khái quát đƣợc tầm quan trọng môn hệ thống giám sát thu thập liệu - Nêu đƣợc thành phần hệ thống giám sát thu thập liệu, ứng dụng hệ thống giám sát thu thập liệu - Rèn đƣợc phƣơng pháp học tƣ nghiêm túc công việc Nội dung chính: Lịch sử phát triển - Giai đoạn năm 1940 Từ năm 1940, yêu cầu vận hành thiết bị điện địa điểm khác dẫn đến nhu cầu xây dựng hệ thống điều khiển giám sát thiết bị Cách tiếp cận để xây dựng hệ thống sử dụng cặp đôi dây nhiều cặp đôi dây địa điểm Mỗi cặp đôi dây vận hành thiết bị Điều làm tăng chi phí Tuy nhiên cần thiết để vận hành thiết bị thƣờng xuyên Đồng thời có khả khơi phục hệ thống nhanh chóng xảy lỗi Các tủ điều khiển trạm biến áp Các tín hiệu cảnh báo, tín hiệu điều khiển thiết bị trạm biến áp đƣợc tập trung đến tủ Để tiết kiệm chi phí hơn, vấn đề cần giải làm để sử dụng đơi dây mà điều khiển nhiều thiết bị Trong thời gian này, công ty điện thoại phát triển hệ thống chuyển mạch bƣớc sử dụng nam châm Công nghệ đƣợc đƣa vào hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm số lƣợng dây Do sử dụng chung đôi dây cần thiết điều khiển thiết bị xác, khung làm việc lựa chọn/kiểm tra/thao tác đƣợc đƣa - Hệ thống điều khiển giám sát Visicode đƣợc phát minh từ năm 1950 Khi điện thoại kiểu xung phát triển, công ty Westing house liên kết với công ty North Electric phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode dựa cách đếm số xung Mã Visicode sử dụng cửa sổ trễ để tạo xung đếm số xung Cửa sổ ngắn sử dụng cho lựa chọn/kiểm tra thiết bị Cửa số lớn sử dụng cho lựa chọn/kiểm tra cho nhóm thiết bị Hàng nghìn thiết bị đƣợc sử dụng năm 1950 – 1960 Năm 1960 – 1970, Công ty Westing house phát triển hệ thống giám sát Solid state gọi REDAC Hệ thống sử dụng khung liệu cố định Hệ thống sử dụng lƣu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác GE phát triển hệ thống tƣơng tự có tên gọi GETAC Để giảm bớt vất vả việc lƣu trữ liệu đọc đƣợc ngƣời trực vận hành, hệ thống tự động lƣu trữ liệu đƣợc đƣa Phiên hệ thống có trƣớc hệ thống Solid State hệ thống đo lƣờng xa Tuy nhiên, phải đến hệ thống Solid state đời phát triển máy tính hệ thống đƣợc đƣa vào sử dụng - Hệ thống SCADA đƣợc phát minh năm 1960 Hệ thống SCADA để thu thập liệu điều khiển giám sát thực phát triển sau máy tính trở nên phổ biến Giữa năm 1960, Westing house GE xây dựng xử lý cho hệ thống Westing house gọi PRODAC GE gọi GETAC Do yêu cầu phức tạp, đòi hỏi máy chủ máy chủ phải cung cấp tất chức hệ thống SCADA Chức máy chủ quét liệu, giám sát liệu trạng thái Bên cạnh cảnh báo thay đổi, hiển thị liệu, hiển thị liệu hình, lƣu liệu theo chu kỳ Hầu hết hệ thống SCADA làm việc cách quét liên tục Máy chủ gửi yêu cầu liệu đến đầu xa đầu xa trả lời SCADA SCADA – (Supervisory Control And Data Acquisition) hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu, nói cách khác hệ thống hỗ trợ ngƣời việc giám sát điều khiển từ xa, cấp cao hệ điều khiển tự động thơng thƣờng Để điều khiển giám sát từ xa hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải liệu nhƣ hệ giao diện ngƣời – máy (HMI – Human Machine Interface) Các thành phần hệ thống SCADA Thông thƣờng nhà máy đại hệ thống SCADA đƣợc thiết kế chia làm cấp: Cấp vận hành (Cấp trƣờng): Là cấp độ để kỹ sƣ, công nhân vận hành, theo dõi họat động thiết bị, thơng số theo quy trình cơng nghệ đặt Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển): Là cấp độ kỹ sƣ điều khiển tự động giám sát, điều khiển thơng số, tình trạng thiết bị toàn dây truyền sản xuất theo quy trình đặt thao tác, theo dõi bảng thơng số, hình hiển thị điều khiển qua giao diện phần mềm (HMIHuman Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel) Cấp giám sát, quản lý: Có hình thức tƣơng đƣơng nhau: + Giám sát nhà máy (Tại nhà vận hành): Nhà quản lý theo dõi thơng số, tình trạng thiết bị toàn họat động dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính đƣợc kết nối trực tiếp với phịng điều khiển qua nắm đƣợc tình hình sản xuất, tình trạng vật tƣ thiết bị, lên kế họach sản xuất, + Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm tổng công ty, nhà quản lý theo dõi, giám sát họat động nhà máy thơng qua máy tính đƣợc kết nối từ xa qua mạng Từ có kế họach sản xuất, điều độ, bán hàng nhập hàng Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trƣờng, hộp điều khiển đóng cắt van chấp hành…) Một hệ thống SCADA có thành phần là: MTU, RTU thành phần truyền thông a) MTU (Master Terminal Unit): MTU trung tâm hệ thống SCADA, thực tế thƣờng hệ máy tính cơng nghiệp MTU giao tiếp với ngƣời điều hành RTU thơng qua khối truyền thơng Ngồi MTU đƣợc kết nối với thiết bị ngoại vi nhƣ monitor, máy in kết nối với mạng truyền thông Nhiệm vụ MTU bao gồm: - Cập nhật liệu từ thiết bị RTU nhận lệnh từ ngƣời điều hành - Xuất liệu đến thiết bị thi hành RTU - Hiển thị thơng tin cần thiết q trình nhƣ trạng thái thiết bị lên hình giúp cho ngƣời điều hành giám sát điều khiển - Lƣu trữ, xử lý thông tin giao tiếp với hệ thống thông tin khác b) RTU (Remote Terminal Unit): RTU thu nhận thông tin từ xa, thƣờng đặt nơi làm việc để thu nhận liệu thông tin từ thiết bị trƣờng nhƣ valve, cảm biến, đồng hồ đo,… gửi đến MTU để xử lý thông báo cho ngƣời điều hành biết trạng thái họat động thiết bị trƣờng Mặt khác, nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển họat động thiết bị theo yêu cầu Thông thƣờng RTU lƣu giữ thông tin thu thập đƣợc nhớ đợi yêu cầu từ MTU truyền liệu Tuy nhiên, ngày RTU đại có máy tính PLC thực điều khiển trực tiếp qua địa điểm từ xa mà không cần định hƣớng MTU c) Khối truyền thông: Là môi trƣờng truyền thông khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng phần mềm Phần cứng: thiết bị kết nối nhƣ modem, hộp nối, cáp truyền thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây wireless), trạm lặp (trong trƣờng hợp truyền xa) Phần mềm: giao thức truyền thơng (protocol), ngơn ngữ lập trình đƣợc dùng để thiết bị giao tiếp với CPU RTU nhận luồng liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức giao thức mở nhƣ TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) giao thức riêng Những luồng thông tin đƣợc tổ chức theo mô hình lớp ISO/OSI Mơ hình OSI đƣợc sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với giao thức Truyền thông liệu RTU nhận thơng tin nhờ vào nhận dạng mã liệu truyền Dữ liệu đƣợc biên dịch đƣợc CPU điều khiển thích hợp tác động chỗ Sự khác PLC, DCS SCADA SCADA khác với hệ thống điều khiển DCS chỗ, hệ DCS hệ thống điều khiển phân tán mạng diện rộng chế điều khiển đƣợc giao cho phần tử cấp dƣới, hệ thống SCADA thiên giám sát thu thập liệu mạng tập trung, thao tác lên hệ dƣới điều khiển trung tâm Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày đƣợc thay PLC, hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền ngày theo xu Việc xây dựng hệ thống SCADA dùng PLC đem lại lợi sau: Kinh phí thấp nhiều CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC MƠ HÌNH SCADA Mã chƣơng: MH 34 - 05 Giới thiệu: Thiết kế xây dựng mơ hình SCADA tiêu biểu điện cơng nghiệp Mục tiêu: - Phân tích đƣợc yêu cầu thiết kế hệ thống thu thập liệu - Xây dựng sơ đồ khối lƣu đồ hoạt động hệ thống thu thập liệu - Kết nối đƣợc phần cứng theo hệ thống phân tích viết chƣơng trình điều khiển cho tập cụ thể để giám sát thu thập liệu - Phát huy tính tích cực, chủ động nhanh nhạy cơng việc Nội dung chính: Phân tích u cầu thiết kế hệ thống SCADA Trong thiết kế hệ thống SCADA, để thiết kế hình HMI tốt phụ thuộc vào nhiều yếu tố Hiện nay, tất panel điều khiển đại đƣợc hiển thị trực quan, đƣợc thiết kế nhiều cách khác đáp ứng đƣợc yêu cầu, nhiên cho hiệu hoạt động khác Trong để thiết kế hình HMI với nhiều phần tử hiển thị trực quan, hai yếu tố ln cần đƣợc xem là, (1) hình phải có khả tạo đƣợc ý lớn ngƣời vận hành (2) thiết kế phải cho phép ngƣời không đƣợc đào tạo kinh nghiệm vận hành đƣợc máy Trong phần này, tập trung vào vài yếu tố bản, quan trọng để thiết kế hình HMI Mục tiêu để cung cấp hƣớng dẫn thiết kế để thực hình HMI hiệu quả, cho vừa đơn giản, thân thiện với ngƣời sử dụng nhƣng cho phép khai thác tối đa hoạt động hệ thống 1.1 Bố cục hình Việc bố trí hình thích hợp quan trọng Nhƣ quan sát hình thơng thƣờng khác ngƣời vận hành qt hình HMI góc bên trái sang phải từ xuống dƣới hình Vì vậy, đối tƣợng quan trọng hệ thống phải nằm khu vực trang hình mà dễ dàng tạo đƣợc ý ngƣời vận hành Các phần tử báo động nên đƣợc đặt đầu trang Các đối tƣợng hình ảnh đồ họa nên đƣợc đặt bên trái với đối tƣợng liệu đặt bên phải hình Các nút khởi động, dừng nút điều khiển khác đƣợc đặt phía dƣới bên trái nút điều hƣớng đƣợc đặt phía dƣới bên phải hình Tất đối tƣợng cần đƣợc đánh dấu đƣờng viền màu đen 1.2 Các vấn đề màu sắc Trƣớc thiết kế hình HMI, vấn đề quan trọng đem lại hiệu với project ngƣời thiết kế phải có hiểu biết tốt cách 47 lựa chọn màu sắc nhƣ Màu sắc công cụ mạnh giúp vận hành viên tăng khả quan sát đối tƣợng quan trọng, đồng thời gây nguy hiểm hoạt động sử dụng sai Màu nhạt nút, biểu tƣợng cho trƣờng hợp khẩn cấp, không thu hút đƣợc ý vận hành viên Màu sắc sặc sỡ cho nhiều loại đối tƣợng gây tình trạng lộn xộn q tải thơng tin Vì vậy, việc chọn màu cho nền, nút điều khiển, báo động, văn đối tƣợng khác quan trọng cho thiết kế HMI a) Màu Các màu (đỏ, xanh cây, xanh dƣơng) không đƣợc sử dụng làm màu HMI Mặc dù màu đen màu trắng tạo tƣơng phản màu sắc tốt nhƣng sử dụng màu làm cho hình nhìn bị chói Vì vậy, khơng phải lựa chọn đắn làm màu hình Đối với hình HMI, ln đƣợc khuyến khích sử dụng màu xanh sang, xám nhạt, nâu sáng vv Những màu dễ dàng để có cấp độ tƣơng phản tốt so với màu đỏ, vàng, xanh cây, xanh vv sử dụng cho thành phần khác trang hiển thị Trong kết hợp với nhiều trang hình hiển thị , cách hợp lý tạo độ bóng cho trang khác để ngƣời khai thác xác định đƣợc trang khác nhanh xa b) Hiển thị màu sắc cho đối tƣợng Theo tiêu chuẩn thiết kế SCADA / HMI, có vài màu sắc đặc biệt sau nên đƣợc sử dụng để biểu diễn hoạt động định Đỏ = Dừng lại, cấm, nguy hiểm Vàng = Cảnh báo, Cẩn thận Xanh = An toàn Xanh đậm = Hành động bắt buộc Nhƣ thiết kế HMI màu sắc cho nút hình thƣờng màu bản: đỏ, xanh xanh da trời; màu thứ sinh (do hai màu trộn vào tạo ra) Mặt khác màu tối không nên sử dụng cho hình khối lớn tạo lƣu ảnh võng mạc 1.3 Các vấn đề hình ảnh đồ họa Khi thiết kế HMI với ý tƣởng mô tả gần với hoạt động thật hệ thống đồng thời tạo nên sản phẩm sống động ngƣời kinh nghiệm thƣờng tạo đối tƣợng nhấp nháy, chuyển động, nhƣ làm quay máy bơm di chuyển băng tải hình ảnh 3D với màu sắc sặc sỡ Tuy nhiên hình HMI có tính hiệu cao vận hành hiệu ứng thƣờng làm tập trung 48 ngƣời điều khiển Một hình HMI ln cần phải có màu xám nên hạn chế sử dụng hình ảnh động Điều quan trọng thiết kế HMI, phải thiết kế đƣợc giao diện cho thể tồn quy trình hoạt động Điều giúp cho ngƣời vận hành dễ hình dung kế hoạch xác định vị trí phép đo Một HMI tốt nên đƣợc thực mơ tả q trình lƣu hoạt động tĩnh phải hạn chế việc sử dụng màu sắc Hình dƣới cho thấy hình HMI khơng tốt hình HMI tốt 1.4 Trình bày văn Text cách truyền tải thông tin hiệu tới vận hành viên a) Chọn phơng chữ Có hàng trăm loại phơng chữ, nhƣng ta nên chọn vài loại phông chữ phù hợp Nên chọn loại phông chữ thông dụng mà nhiều máy tính, panel hỗ trợ nhƣ Arial, Helvetica, System… Nếu thiết kế HMI hệ điều hành Windows sử dụng phơng chữ khơng thơng dụng ta tải kết thiết kế từ máy sang máy khác xảy tƣợng lỗi font không mong muốn b) Chọn cỡ chữ Vận hành viên phải đọc đƣợc thông tin HMI dù có cách hình vài mét Các chữ cho tiêu đề nhãn nên lớn chữ sử dụng cho nút bấm báo động Nhƣng nhiều thay đổi kích thƣớc chữ làm cho hình hiển thị lộn xộn dễ gây nhầm lẫn cho ngƣời vận hành Phông chữ Arial với cỡ 16 phù hợp cho loại chữ thông thƣờng Đối với tiêu đề nên tăng lên cỡ Nên sử dụng loại phông chữ đồng không nên sử dụng cỡ phông chữ Trong trƣờng hợp cần miêu tả chi tiết ứng dụng text, nên sử dụng pop-up Tránh sử dụng q nhiều chữ in hoa gây khó đọc nhức mắt, đặc biệt khơng nên sử 49 dụng gạch chân Chữ in hoa nên sử dụng cho tiêu đề lớn Còn đoạn text nên dùng chữ thƣờng 1.5 Giá trị liệu Nên nhóm text, giá trị liệu vào khu vực hình Nếu đặt giá trị liệu tùy tiện cạnh ảnh/biểu tƣợng gây khó quan sát Nếu muốn ngƣời sử dụng so sánh liệu, nên nhóm chúng vào bảng Nếu có nhiều bảng có loại liệu giống ví dụ nhƣ nhiệt độ, áp suất, tốc độ, ta bố trí chúng cho dễ tìm kiếm theo dõi 1.6 Cảnh báo thông tin kiện Cảnh báo thông tin kiện phần quan trọng việc thiết kế hình HMI cho phép ngƣời vận hành xác định đƣợc hoạt động hệ thống tránh tình phát sinh nguy hại xảy trình hoạt động Cảnh báo xem xét thay đổi trình hoạt động hệ thống điều khiển (ví dụ tác động, thay đổi cấu hình vv) cần phải đƣợc ghi lại Khi thiết kế hình HMI, cảnh báo đƣợc chia thành loại nhƣ sau: Thơng báo: Khơng có hành động cần thiết, ví dụ Hệ thống dừng vào 10:00 am Cảnh báo: Q trình hoạt động "Dừng" đƣợc báo "Hƣ hỏng" khơng có hành động khắc phục., ví dụ Chai khơng đƣợc đặt hƣớng Ngăn chặn: Bộ điều khiển đƣa tác động chống lại điều kiện nguy hiểm để bảo vệ tiếp tục đƣợc ngăn chặn ngun nhân đƣợc xóa bỏ Khơng nên sử dụng màu sắc để hiển thị cảnh báo mà nên kết hợp với hình ảnh, trƣờng hợp quan trọng ta kết hợp với âm Hiển thị cảnh báo hình ảnh gồm thay đổi kích cỡ nút/biểu tƣợng, thay đổi vị trí hiển thị, xuất text vật có cảnh báo Hiển thị âm phƣơng pháp hữu ích, đặc biệt hệ thống đƣợc trang bị âm vực cao thấp khác Âm vực truyền tải mức độ khẩn cấp trƣờng hợp cảnh báo Dù chọn hình thức thể cảnh báo biểu tƣợng cần đƣợc đặt nơi dễ quan sát Một vị trí thƣờng đƣợc sử dụng đầu hình 1.7 Điều hƣớng điều khiển a) Điều hƣớng 50 Để giám sát hình, vận hành viên phải chuyển từ trang sang trang khác dễ dàng nhanh chóng Với phổ biến Microsoft Windows, thiết bị điều khiển cho vận hành viên chuột bàn phím Bên cạnh đó, hình cảm ứng đƣợc ƣa chuộng Dù cơng cụ ―điểm nóng‖ hình phải rõ ràng đủ lớn để kích chuột dễ dàng Có hai cách thƣờng đƣợc dùng để hiển thị ―điểm nóng‖, sử dụng nút ấn hình ảnh Với cách sử dụng hình ảnh, vận hành viên ―di chuột‖ qua khu vực hình ảnh, hình chi tiết Sự điều hƣớng hình nên đƣợc thiết kế đơn giản, rõ ràng thuận tiện Có thể thiết kế theo kiểu cấu trúc hình Giữa bƣớc chuyển tiếp nên đặt nút ―Next step‖ phía dƣới bên phải hình Tất trang hình nên bố trí nút ―Overview‖ — tƣơng đƣơng nút ―Trang chủ‖ trình duyệt web Nút nên đặt vị trí dễ quan sát vị trí trang khác Nếu ngƣời sử dụng có nhu cầu chuyển đổi trang liên tục trình sử dụng, nên đặt nút nhƣ ―Next page‖ vị trí giúp họ dễ dàng click mà di chuột nhiều b) Điều khiển Đối với nút điều khiển, nên có pop-up nhƣ kiểu ―Khởi động bơm cấp liệu - OK or Cancel‖ nhằm tránh sai sót vơ tình, giúp nhân viên tiếp cận hệ thống mà không lo sợ gây thiệt hại hay hỏng hóc cho nhà máy Xây dựng sơ đồ khối lƣu đồ hoạt động Để làm rõ quy trình thiết kế hệ SCADA ta vào ví dụ cụ thể xây dựng giao diện điều khiển giám sát nhiệt độ tank nấu gạo nhà máy bia, điều khiển thơng qua hình OP177B với u cầu cơng nghệ nhƣ sau: - Hệ thống hoạt động chế độ tự động tay - Ở chế độ tự động Khi bắt đầu nghiền lò đƣợc gia nhiệt Nguyên liệu từ nhà nghiền đƣợc bơm M2 chuyển sang, nguyên liệu vƣợt mức thấp động M2 bắt đầu hoạt động Van V8 mở để tăng lƣợng nƣớc vào tank lƣợng nƣớc nguyên liệu sẽđƣợc pha trộn theo tỷ lệ quy định.Thì van V12 mở nƣớc nóng theo hệ thống ống vào tank, trình gia nhiệt bắt đầu Cho đến nguyên liệu vào đầy tank, cảm biến báo mức cao L1 có tín hiệu động M2 ngừng hoạt động đồng thời tạm dừng hoạt động nghiền nguyên liệu cần nấu chuyển sang nghiền nguyên liệu khác, bơm M’2 (bơm nguyên liệu từ nhà nghiền) dừng hoạt động đồng thời van V9 đóng Q trình nấu bắt đầu, nƣớc 51 nóng cung cấp nhiệt cho nhà nấu Các cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ đo (các thơng số nhiệt độ khối lƣợng đƣợc thể panel điều khiển ).Nhiệt độ tank nấu, có cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ từ tank nấu nhằm tăng đồng nhiệt độ tank 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 phân tích *Lựa chọn thiết bị Các thiết bị điều khiển gồm: Hệ PLC S7 -300, CPU 314C-2DP modul mở rộng AI, AO, DI, DO Cảm biến nhiệt loại Thermocouple( sử dụng PT100) * Xác định địa vào, cho PLC - Địa đầu vào Bảng 4.1 Địa đầu vào hệ thống Địa PLC Địa WinCC Tên Giải thích On_off Bật _tắt nguồn I124.0 M50.0 dat_tren Nhiệt độ đặt ngƣỡng MD4 MD4 dat_duoi Nhiệt độ đặt ngƣỡng dƣới MD0 MD0 Phan_hoi Nhiệt độ hiển thị MD28 MD28 Timer Lƣu giá trị thời gian đặt MW8 MW8 On_off_van_8 Bật_tắt van I124.2 M50.7 On_off_van_9 Bật_tắt van 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 M3 I124.7 M51.4 On_off_M2 Bật_tắt động M2 I125.0 M52.6 Auto Tự động I125.1 M50.6 Manual Bằng tay I125.2 M53.0 CB nhiet Cảm biến nhiệt PIW760 - Địa đầu Bảng 4.2 Địa đầu Tên Địa VAN Q124.0 VAN Q124.1 VAN 10 Q124.2 52 PIW760 VAN 11 VAN 12 MOTO M3 MOTO M2 Q124.3 Q124.4 Q124.5 Q125.1 Trong chƣơng chình PLC tín hiệu nhiệt độ đƣợc lấy từ cảm biến nhiệt độ PT100 dƣới dạng điện áp đƣợc đƣa vào đầu vào tƣơng PIW 760 PLC để chuyển đổi thành nhiệt độ chƣơng trình PLC phảt tiến hành thuật tốn xử lý để chuyển đổi tín hiệu thành nhiệt độ đƣa lƣu vào ô nhớ PLC Chƣơng trình WinCC khơng thực chức chuyển đổi Khi tiến hành lệnh chuyển đổi cần khảo sát cảm biến PT100 để có thuật tốn phù hợp Đối với tín hiệu mà đầu vào PLC tƣơng tự phải xây dựng thuật tốn chọn chƣơng trình cho PLC để chuyển đổi thành dạng số hiển thị hình giao diện WinCC Viết chƣơng trình điều khiển hệ thống * Các tag xử lý địa chỉ: * Hệ thơng gồm hình là: + Màn hình khởi động hệ thống + Màn hình điều khiển tự động 53 + Màn hình điều khiển tay + Màn hình đồ thị theo dõi nhiệt độ ủ theo thời gian Để tạo hình mục Project ta chọn ―add screen‖ tiến hành đặt tên cho hình vào mục ―name‖ chọn màu cho hình mục ―Background color‖ Hình 4.1: Màn hình ―Auto‖ * Giao diện hệ thống Hình 4.2 : Giao diện khởi động hệ thống ủ Trong hình gồm - Bốn trƣờng đầu vào để nhập thời gian ủ thời gian bắt đầu ủ Các trƣờng đầu vào đƣợc lấy biểu tƣợng I/O field công cụ trƣờng ta cần định dạng thơng số sau ( ví dụ với tag thời gian ủ) + Kiểu trƣờng ( mode): có lựa chọn cho trƣờng làm đầu vào đầu đảm nhiệm chức vừa làm đầu vào vừa làm đầu + Tag xử lý ( Tag process): tag thời gian cần ủ ―timer‖ + Kiểu liệu( format type): số thập phân (Decimal) + Độ dài liệu 54 - Một Switch điều khiển ON_OFF hệ thống: Switch có chức nhƣ cơng tắc để sử dụng cần khai báo thơng số sau + Để lấy Switch ta vào ― Library/Button and Switch‖ để chọn loại cơng tắc mong muốn Hình 4.3 Thƣ viện công tắc Win CC flecible + Khai báo thông số sử dụng công tắc Trong mục ―general‖ ta chọn tag xử lý On_Off Hình 4.4 Giao diện chọn tag xử lý cho công tắc Trong mục ―events‖ ta chọn thức để tác động tới công tắc ―Press‖ chức tác động tới cơng tắc ―InvertBit‖ tag On_Off 55 Hình 4.5 Chọn chức cho công tắc - Bảng lựa chọn chế độ gồm nút ấn ―Tự động‖ ―bằng tay‖ để điều khiển nhảy đến hình điều khiển tự đơng tay Hình 4.5 Bảng chọn chế độ hoạt động Ví dụ với phím ― tự động‖: chọn cách thức tác đơng phím ― Press‖ chức tác động phím ―ActivateScreen‖ hình nhảy đến tác động phím hình ―AUTO‖ Hình 4.6 Cấu hình chức cho phím tự động - Phím ―thốt‖: dùng để khỏi hình giao diện WinCC Việc định dạng cho phím thực tƣơng tự nhƣ phím khác nhƣng xác định chức cho phím ―StopRuntimer‖ Hình 4.7: Cấu hình chức cho phím * Giao diện điều khiển hoạt động hệ thống chế độ tự động 56 Hình 4.8 Giao diện điều khiển tự động Trong hình ta có thêm - Hai trƣờng đầu vào để nhập nhiệt độ đặt đặt dƣới trƣờng đầu để hiển thị nhiệt độ tank trình hoạt động phím tăng giảm để điều chỉnh nhiệt độ đặt đặt dƣới Hình 4.9: Bảng hiển thị điều chỉnh nhiệt độ + Khai báo thông số cho trƣờng đầu vào ( hiển thị nhiệt độ thiết lập nhiệt độ): thực giống nhƣ khai báo ngày tháng năm thời gian ủ nhƣng ý thông số này khai báo tag dƣới dạng số thực nên cần chọn độ dài liệu cho phù hợp Mặc dù tín hiệu từ đầu vào cảm biến 57 PT100 tín hiệu tƣơng tự PLC phải thực chức chuyển đổi thành tín hiệu số để đƣa hiển thị PLC Hình 4.10: Cấu hình cho trƣờng đầu vào đặt Cấu hình đèn báo van 8: Lấy đèn báo thƣ viện chọn tag tác động đến đèn tag ―van 8‖ Hình 4.11: Chọn tag tác động đèn báo van * Giao diện tay Hình 4.12 Giao diện điều khiển tay Trong giao diện có thêm hệ thống Switch để điều khiển đóng mở van chế độ tay việc tạo phím đƣợc thực tƣơng tự nhƣ 58 phím ON_OFF Các phím ―Đồ thị‖, ―Tự động‖, ―Trở menu‖ có chức chuyển đổi hình Cấu hình tƣơng tự nhƣ phím ―Tự động‖ hình khởi động * Giao diện đồ thị nhiệt: Hình 4.13: Đồ thị nhiệt hệ thống theo thời gian Để tạo giao diện đồ thị nhiệt ta vào mục ― Enhanced Object/ trend view‖ cơng cụ để lấy đồ thị Hình 4.13 Lấy biểu đồ hộp công cụ Trong mục ―Adnimation‖ chức biểu đồ ―Appearance‖ (hiển thị dải) tag xử lý phản hồi, dải hiển thị từ đến 100 Việc lựa chọn dải hiển 59 thị tùy thuộc vào tag mà ta xử lý Trong chƣơng trình tag xử lý nhiệt độ dải nhiệt độ cần hiển thị từ đến 100 Hình 4.14: Chọn tín hiệu cần hiển thị biểu đồ dải giá trị hiển thị Sau thiết lập xong hình điều khiển tiến hành kết mối máy tính với PLC Đồng thời chạy hai chƣơng trình PLC WinCC ta điều khiển hoạt động hệ thống thơng qua giao diện HMI CÂU HỎI ƠN TẬP Phân tích yêu cầu thiết kế hệ thống thu thập liệu? Xây dựng sơ đồ khối lƣu đồ hoạt động hệ thống thu thập liệu? Kết nối phần cứng theo hệ thống phân tích viết chƣơng trình điều khiển cho tập cụ thể để giám sát thu thập liệu? 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trƣơng Đình Châu,Hồng Minh Trí, Nguyễn Đức Thành, Nguyễn Mộng Hùng SCADA: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ - NXB ĐHQG TpHCM Tài liệu trực tuyến (khuyến khích sinh viên vào website để tìm tƣ liệu liên quan đến mơn học): 61