Giám Sát, Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Thông Số Của Bể Cá Cảnh Thông Qua Internet Bằng Hệ Thống Scada 2.Pdf

Là một sinh viên khoađiện trường đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ ChíMinh, bằng những kiến thức đã học và mong muốn thiết kếđược một mô hình tự động hóa đáp ứng được nhu cầu giải

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌCHỌC PHẦN: SCADA NÂNG CAO

Mã học phần: 010103311701

Đề Tài GIÁM SÁT, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN THÔNG

SỐ CỦA BỂ CÁ CẢNH THÔNG QUA INTERNET BẰNG HỆ

THỐNG SCADA Giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Thị Ngọc Quyên

Nhóm thực hiện: Nhóm 2Sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Văn Tín 2051050184 TD20D

2 Nguyễn Đình Thi 2051050201 TD20D

3 Hoàng Nghĩa Trung 2051050219 TD20D

4 Nguyễn Minh Thiện 2051050203 TD20D

5 Trần Thọ Sơn 2051050174 TD20D

6 Võ Văn Tiến 2051050182 TD20D

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 04 năm 2023

7 Trịnh Anh Tú 2051050187 TD20D8 Trần Hưng Thịnh 2051050207 TD20D9 Hà Phúc Thịnh 2051050205 TD20D10 Trần Nguyên Vọng 2051050226

TD20D11 Quảng Đại Toản 2051050186

TD20D12 Trương Phi Thông 2051050209

TD20D

Lí do chọn đề tài

Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của cácngành công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa,… Đã làmcho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bịtự động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất vàthậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của mỗi conngười Do đó Để phục vụ nhu cầu sản xuất và giải trí của mọingười nhóm em đã thực hiện mô hình giám sát, thu thập dữliệu và điều khiển thông số của bể cá Là một sinh viên khoađiện trường đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ ChíMinh, bằng những kiến thức đã học và mong muốn thiết kếđược một mô hình tự động hóa đáp ứng được nhu cầu giải trívà sản xuất của mọi người Nhóm 2 tụi em đã mạnh dạn chọn“giám sát, thu thập và điều khiển nhiệt độ, nồng độ oxy quanode red nhằm giám sát và thu thập dữ liệu của bể cá phụcvụ cho những người đam mê cá cảnh và xa hơn đó là phục vụ

nhu cầu sản xuất thủy,hải sản của mọi người để làm đề tàicho đồ án môn học “SCADA Nâng Cao” Trong quá trình thựchiện đồ án của mình, dưới sự hướng dẫn của cô Lê Thị NgọcQuyên chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện một cáchtốt nhất Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết có hạn nên sẽkhông tránh khỏi những thiếu sót mong cô và các bạn đónggóp ý kiến đề tài của em có thể hoàn thiện hơn.

Đề tài "Giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển thông số củabể cá" tập trung vào việc phát triển một hệ thống tự độnghóa và quản lý thông minh cho bể cá, giúp người nuôi cá cókhả năng giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển các thôngsố quan trọng trong môi trường sống của cá Hệ thống này sẽđược thiết kế để cung cấp thông tin liên tục về nhiệt độ, độpH, độ mặn, lưu lượng nước và các thông số quan trọng kháccủa bể cá Dữ liệu này sẽ được thu thập và lưu trữ một cáchtự động, tạo nền tảng cho việc phân tích và đưa ra quyếtđịnh hợp lý Điều quan trọng là hệ thống sẽ được thiết kế đểcó khả năng tự động điều chỉnh môi trường trong bể cá dựatrên dữ liệu thu thập được Điều này giúp tối ưu hóa môitrường sống cho cá và giảm bớt công sức và thời gian củangười nuôi

ToảnVọng

IV Nội dung chi tiết.4.1 Giao thức truyền thông

4.1.1 Truyền thông Modbus RS-485

4.1.1.1 Giao thức truyền thông Modbus RS485 là gì?

RS485 hay được biết đến với tên gọi đầy đủ là chuẩn giaotiếp RS485 hay cáp RS485, đây là phương thức giao tiếp kếtnối với máy tính và các thiết bị khác RS485 không chỉ đơnthuần là giao diện đơn lẻ mà nó chính là tổ hợp truyền thôngcó khả năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị.Chuẩn giao tiếp RS485 có thể kết nối nhiều nhất lên đến 32thiết bị trên một cặp dây đơn và một hệ thống dây nối đất ởkhoảng cách lên đến 1200m

4.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức truyềnthông Modbus RS_485.

Nguyên lý hoạt động của RS485 khá đơn giản, dữ liệu sẽđược truyền qua 2 dây khi xoắn lại với nhau, dây này đượcgọi là cáp xoắn Khi dây được xoắn lại sẽ tạo cho RS485 khảnăng chống nhiễu cao và khả năng truyền tín hiệu đường dàitốt hơn

Đối với giao thức RS485 có thể truyền tải dữ liệu theo dạngtruyền tải cân bằng Hệ thống truyền tải dữ liệu cân bằnggồm có: 2 dây tín hiệu A, B và không có dây mass Sở dĩ nóinhư vậy là vì: truyền tải cân bằng do tín hiệu trên dây Angược với tín hiệu của dây B Có thể hiểu đơn giản hơn, dâyA đang phát mức cao Thì dây B phải đang ở mức thấp nhấtvà ngược lại

4.1.1.3 Ưu điểm của giao thức RS485

- Cáp RS485 là chuẩn giao tiếp duy nhất có thể kết nốicùng lúc nhiều máy phát và máy thu trên cùng một hệthống mạng

- Những máy thu có điện trở đầu vào lên đến 12kΩ thìRS485 vẫn có thể kết nối lên 32 thiết bị Ngoài ra, vớicác đầu vào khác, RS485 có thể kết nối tối đa lên 256thiết bị

- Khi RS485 đang kết nối các thiết bị ở khoảng cách kháxa thì người sử dụng có thể khắc phục bằng cách lắpthêm bộ lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối, giúp tínhiệu ổn định hơn, tránh nhiễu đường truyền

- RS485 có lắp đặt 2 dây truyền tín hiệu nên tín hiệu sẽđược truyền đi nhanh hơn trên khoảng cách xa và rộnghơn

- Giá thành khá thấp và dữ liệu truyền về có độ tin cậycao

- Tốc độ baud truyền dữ liệu của dòng RS485 lên tới 10Mbps(115,200) Và khả năng kéo đường dây max 4000feet (1200m) trong khi tín hiệu vẫn ổn định Có tốc độtruyền thông nhanh gấp 2 lần RS232 Thể hiện tốc độnhanh của các tín hiệu trong lĩnh vực truyền thông tựđộng hóa hoặc điện tử

4.2 Giao thức mạng Protocol.

4.2.1 Giao thức Protocol là gì

Protocol là một giao thức mạng, tập hợp các quy tắc đã đượcthiết lập với nhiệm vụ hàng đầu là định dạng, truyền và nhậndữ liệu Tất cả nhiệm vụ này sẽ được thực hiện sao cho cácthiết bị mạng máy tính (Từ server, router đến end point) cóthể giao tiếp rõ ràng với nhau Dù có sự khác biệt về cơ sở hạtầng, thiết kế hay các tiêu chuẩn cơ bản thì giao thứcProtocol vẫn sẽ hỗ trợ tuyệt đối để việc giao tiếp có thể diễnra tốt nhất

Để truyền tải dữ liệu thành công thì cần phải có sự chấpnhận của các thiết bị ở 2 phía đầu cuối của một trao đổi liênlạc Đồng thời, cũng phải tuân theo quy ước của giao thức đểgửi, nhận thông tin nhanh chóng nhất Thêm vào đó, khi tíchhợp vào phần mềm, phần cứng có thể hỗ trợ cho giao thứcmạng

4.2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức Protocol

Các giao thức mạng thường phân chia các quy trình lớnthành nhiều phần nhỏ tương ứng với chức năng, nhiệm vụtrên tất cả cấp độ mạng Điều này còn được biết đến là môhình OSI được sử dụng trong mô hình tiêu chuẩn Như vậy sẽcó một hoặc nhiều giao thức mạng để xử lý các hoạt độngtrong quá trình trao đổi, sâu hơn nữa là từng lớp mạng.Trong đó, sẽ có 7 lớp mạng trong mô hình OSI như sau:

 Tầng 1: Physical Layer (Tầng vật lý), được sử dụng để

truyền hoặc nhận các chuỗi bit từ các thiết bị vật lý

 Tầng 2: Data Link-Layer (Tầng liên kết dữ liệu), là tầng

có khả năng tạo khung thông tin và kiểm soát mọi luồngtin, các lỗi có thể xảy ra trong tương lai

 Tầng 3: Network Layer (Tầng mạng), có nhiệm vụ đảm

bảo mọi thông tin được trao đổi liên tục Đồng thời,chọn đường đi, công nghệ chuyển mạch phù hợp nhất

 Tầng 4: Transport Layer (Tầng giao vận), hỗ trợ vận

chuyển thông tin giữa các máy chủ và chịu toàn bộtrách nhiệm liên quan đến việc kiểm soát các luồng, cáclỗi có thể xảy ra

 Tầng 5: Session Layer (Tầng phiên), đây là tầng thiết

lập và có thể duy trì, đồng bộ hóa liên lạc giữa các thựcthể Không chỉ vậy, tầng 5 còn có chức năng loại bỏ cácphiên truyền đi giữa các app

 Tầng 6: Presentation Layer (Tầng trình diễn), chịu trách

nhiệm về việc chuyển đổi thông tin, dữ liệu theo nhucầu của các ứng dụng

 Tầng 7: Application Layer (Tầng ứng dụng), là tầng cuối

cùng và cũng là tầng giúp người dùng giao tiếp trongmôi trường mạng

4.2.3 Các giao thức Protocol thường gặp trên internet

 TCP: TCP là viết tắt của từ Transmission Control Protocol,đây là một Protocol trong tầng vận chuyển và đảm nhậnnhiệm vụ cung cấp dữ liệu chính xác Thông thường,Protocol này sẽ được sử dụng cùng với IP Đó là lý do tạisao bạn thường gặp thuật ngữ TCP/IP trên Internet HTTP: Là từ viết tắt của Hypertext Transfer Protocol

Hiểu một cách đơn giản thì đây là giao thức truyền tảisiêu văn bản Đồng thời, chúng cũng chính là nền tảngcủa World Wide Web Thêm vào đó, HTTP cũng là giaothức nằm ở tầng 7 (Tầng ứng dụng)

 HTTPS: Đây là giao thức cải tiến của HTTP Bởi giao thứcHTTP không được mã hóa nên mức độ bảo mật rất kém

Để khắc phục vấn đề này, HTTPS ra đời và bảo vệ dữliệu 100% bằng cách mã hóa các thông điệp HTTP TLS/SSL: Là viết tắt của từ Transport Layer Security Bạn

có thể hiểu đây là giao thức mà HTTPS sử dụng để mãhóa Tương tự với giao thức này ta có SSL - SecureSockets Layer

 UDP: Là từ viết tắt của User Datagram Protocol, đây làProtocol có khả năng thay thế cho TCP ở tầng vậnchuyển Tuy nhiên, nhiều người đánh giá UDP dù nhanhhơn nhưng lại không đảm bảo an toàn bằng TCP Với lợithế về tốc độ của mình, UDP thường dùng để xem videotrực tuyến, chơi game,

4.3 Giao thức MQTT4.3.1 MQTT là gì?

MQTT là một giao thức giao tiếp nhẹ (lightweight messagingprotocol) được thiết kế đặc biệt cho việc truyền thông trongmôi trường máy tính đám mây và mạng máy tính không đồngđều Tên đầy đủ của MQTT là "Message Queuing TelemetryTransport" Giao thức này thường được sử dụng trong các ứngdụng IoT (Internet of Things) và các hệ thống máy tính phântán

MQTT là một giao thức nhắn tin dựa trên các tiêu chuẩn hoặcmột bộ các quy tắc được sử dụng cho việc giao tiếp máy vớimáy Cảm biến thông minh, thiết bị đeo trên người và cácthiết bị Internet vạn vật (IoT) khác thường phải truyền vànhận dữ liệu qua mạng có tài nguyên và băng thông hạn chế.Các thiết bị IoT này sử dụng MQTT để truyền dữ liệu vì giao

thức này dễ triển khai và có thể giao tiếp dữ liệu IoT mộtcách hiệu quả MQTT hỗ trợ nhắn tin giữa các thiết bị vớiđám mây và từ đám mây đến thiết bị.

4.3.2 Thành phần cấu tạo của giao thức MQTT

Giao thức MQTT truyền thông điệp dựa trên mô hìnhpublish/subscribe giữa các thiết bị, ứng dụng với nhau Cácthành phần trong MQTT bao gồm:

– MQTT Broker: được cung cấp dưới dạng mã nguồn mở, cóthể đi kèm với dịch vụ điện toán đám mây Chức năng củaBroker là lọc các tin nhắn dựa trên chủ đề (topic), sau đóphân phối chúng đến thiết bị/ứng dụng đã đăng ký nhậnthông tin theo topic đó

– MQTT Client: là các thiết bị/ứng dụng kết nối đến Broker đểthực hiện việc truyền/nhận dữ liệu Một Client gửi dữ liệu gọilà một Publisher, một Client đăng ký nhận dữ liệu gọi là mộtSubscribe

– Topic: được quản lý bởi Broker và được trao đổi giữa cácMQTT Client với nhau

Để nhận dữ liệu từ publisher thì subscribe phải đăng ký theodõi một topic Sau đó bất cứ publisher nào publish dữ liệuđến đúng topic đó thì Broker sẽ lọc và chuyển tiếp chúng đếnđúng subscriber đã đăng ký Một Client có thể publish hoặcsubscribe nhiều topic khác nhau

4.3.3 Nguyên lc hoạt động của giao thức MQTT

 Broker: giữ vai trò là trung tâm hay là điểm giao của kếtnối đến tất cả Clients Broker sẽ nhận thông điệp, tinnhắn từ publisher sau đó sắp xếp lại và chuyển chúngđến subscribe cụ thể

 Client: một Client có thể publish hoặc subscribe nhiềutopic khác nhau

 Publisher: có quyền gửi thông điệp, tin nhắn đến bất kỳtopic nào

 Subscriber: sẽ nhận thông điệp từ những topic đã đăngký nhưng để nhận dữ liệu từ publisher thì subscribe phảiđăng ký theo đúng topic đó



4.3.3.1.Ưu điểm của MQTT

 Khả năng truyền thông tin hiệu quả hơn

 Thu thập nhiều dữ liệu hơn, giảm tiêu thụ băng thôngmạng.

 Chi phí thấp. Tiết kiệm thời gian phát triển

4.3.3.2Nhược điểm của MQTT

 MQTT không được mã hóa mà sử dụng TLS/SSL để mãhóa bảo mật

 Rất khó để tạo ra một mạng MQTT mở rộng toàn cầu

4.3 Giới thiệu phần mềm Tia Portal.

TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện cácthao tác:

 Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngônngữ hỗ trợ đa dạng

 Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát. Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị

trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống

 Tích hợp mô phỏng hệ thống. Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị

Siemens

4.3.2 Ưu, nhược điểm của phần mềm:

Ưu điểm:

 Tích hợp tất cả các phần mềm trong 1 nền tảng, chia sẻcơ sở dữ liệu chung dễ dàng quản lý, thống nhất cấuhình Giải pháp vận hành thiết bị nhanh chóng, hiệuquả, tìm kiếm khắc phục sự cố trong thời gian ngắn. Tất cả các yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI được

lập trình và cấu hình trên TIA Portal, cho phép cácchuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác, thiết lập truyềnthông giữa các thiết bị Chỉ với 1 biến số của bộ lập trìnhPLC được thả vào màn hình HMI, kết nối được thiết lậpmà không cần bất ký thao tác lập trình nào

Nhược điểm:

 Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu hệ thống lớnnên dung lượng bộ nhớ khổng lồ Yêu cầu kỹ thuật caocủa người lập trình, quản lý, tốn nhiều thời gian để làmquen sử dụng

4.3.3 Các thành phần trong Tia Portal:

Phần mềm TIA Portal được Siemens phát triển với nhiềuthành phần giúp người dùng quản lý, lập trình PLC, HMI hiệuquả Các thành phần có trong bộ TIA Portal:

Simatic Step 7 professional và Simatic step 7 PLCSIM: Giảipháp lập trình và mô phỏng PLC S7-300, S&-400, Simatic S7-1200, Simatic S7-1500…

Simatic WinCC Professional: Được dùng để lập trình màn

hình HMI, và giao diện SCADA

Simatic Start Driver: Được lập trình cấu hình Siemens.Sirius và Simocode: Thiết lập cấu hình và chuẩn đoán lỗi

linh hoạt.Điều khiển chuyển động đơn trục và đa trục với hỗ trợ ScoutTIA Thư viện Simatic Robot đầy đủ dữ liệu cho phép ngườidùng thiết lập cấu hình và hệ thống nhanh chóng

4.3.4 Bảo mật lập trình PLC với TIA Portal hiệu quả:

Bảo mật project trong lập trình PLC S7 với TIA thực hiện cácthao tác: Vào phần “Security settings”, chọn “Setting”

chọn “Protech project” để thiết lập password cho Project.Thiết lập bảo mật cho PLC với TIA Portal: Thực cài đặt trong

cấu hình Hardware của PLC Người dùng chọn Protection &security, tiếp tục chọn Access Level Trong đó:

 Full access: Ứng với khối bảo mật mà ai cũng có thể

đọc và viết mà không cần password

 Read Access: Bảo mật phần viết cho PLC, cần có

password HMI và SCADA hay user đọc được chươngtrình không cần password

 HMI access: Bảo mật phần read và write của PLC cần

có Password HMI và SCADA đọc không cần Password

 No Access: Tất cả các ứng dụng truy xuất vào PLC đều

cần Password.Bảo mật khối hàm lập trình PLC S7 với TIA: vào phầnProperties của khối hàm đó, chọn protection Lúc này bạn sẽthấy 3 loại bảo mật: Write, Read/ write và bảo vệ không copy

4.3.5 Yêu cầu phần mềm và phần cứng:

Windows 7 bit)

(64-Home Premium SP1Professional SPEnterprise SP1Ultimate SP1

Chip: Intel® Core™i5-6440EQ

RAM 16 GB (Có thểdùng RAM 8GB)SSD (HDD) với 50GB trống

Windows 10(64-bit)

Home Version 1709,1803

Professional Version1709, 1803

Enterprise Version1709, 1803

Enterprise 2016 LTSB

Chip: Intel® Core™i5-6440EQ

RAM 16 GB (Có thểdùng RAM 8GB)SSD (HDD) với 50GB trống

Windows Server(64-bit)

Windows Server 2012R2 StdE (fullinstallation)

Windows Server 2016Standard (full

Chip: Intel® Core™i5-6440EQ

RAM 16 GB (Có thểdùng RAM 8GB)SSD (HDD) với 50

WinCC ComfortWinCC AdvancedWinCC Unified

STEP 7 BasicSTEP 7 ProfessionalSTEP 7 Safety BasicSTEP 7 Safety AdvancedWinCC Basic

WinCC ComfortWinCC AdvancedWinCC Professional

Các gói phần mềm trong Tia Portal

4.3.6 Tính năng của 2 phiên bản:

Chức năngTia (Wincc)

Advance

Tia (Wincc)professional

Các chức năng cơ bản Có CóChức năng di chuyển, VB

Script, Trend, Alarm, gauge…

Code C Script (C#) Không CóChức năng Server/Client Không CóGiám sát nhiều máy tính cùng

lúc

Phần mềm nhẹ nhàng, chạymượt mà

PLC S7-1200 của hãng Siemens có một giao diện truyềnthông mạnh mẽ đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyềnthông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnhmẽ tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tự độnghóa hoàn chỉnh và toàn diện

Các thành phần của PLC S7-1200

Bao gồm: