Nghiên cứu, ứng dụng SCADA quản lý hệ thống cấp nước, thoát nước

Việc ứng dụng hệ thống SCADA vào trong hệ thống cung cấp nướcsạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đạt được các mục tiêu sau:  Ổn định chất lượng nước Ổn định áp lực nước Quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ Vận hành và quản lý máy móc thiết bị. Quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước. Và quản lý đến từng địa chỉ hộ tiêu thụ nước

MỤC LỤC

Mục lục 1

Mở đầu ……… 3

PHẦN I: Giới thiệu về mạng SCADA 4

I định nghĩa SCADA 4

II Các loại hệ thống SCADA 5

1 Hệ thống SCADA mờ 5

2 Hệ thống SCADA độc lập 6

3 Hệ thống SCADA mạng 6

4 Hệ thống SCADA xử lý đồ họa 6

5 Đánh giá một hệ SCADA 6

III Cấu trúc hệ thống SCADA 7

IV Mô hình phân cấp chức năng 9

1 Mô hình phân cấp 10

2 Nhiệm vụ chức năng của từng cấp 12

PHẦN II: Ưng dụng SCADA cho hệ thống 14

I Nguyên lý hoạt động cơ bản và 14

1 Nguyên lý hoạt động cơ bản 14

2 Quy trình sản xuất của một hệ thống 15

II Xây dựng mạng SCADA cho hệ thống 16

1 Trung tâm điều độ 16

2 Phòng điều độ xí nghiệp 18

3 Phòng điều độ nhà máy 18

4 Trạm vận hành 18

5 Thiết bị ghép nối ……… 18

6 Thiết bị chuyển đổi truyền thông 18

7 Các tín hiệu đo lường cần thiết 18

III Một số thiết bị sử dụng trong hệ thống 19

1 Cấu hình mạng SCADA biến tần 19

2 Đo lưu lượng 20

3 Đo áp lực 21

4 Đo độ đục và độ lắng cặn 22

IV Phần mềm giao diện HMI 23

Kết luận 28

MỞ ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện đại, việc ghép nối mạng nhằm phối hợp hoạt động giữa các thiết bị, thu thập thông tin, tập trung xử lý số liệu, điều khiển quá trình mềm dẻo, linh hoạt và trực quan là xu hướng phổ biến nhất hiện nay trong ngành tự động hóa (TĐH) Thực tế ta nhận thấy, phát triển tích hợp hệ thống theo hướng trên thì việc điều khiển, quản lý, giám sát quá trình sản xuất trở nên linh hoạt và đáng tin cậy hơn, chi phí giá thành hệ thống cũng giảm đáng kể Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay, việc ứng dụng kỹ thuật điện tử công suât, tin học cơ khí chính xác để thực hiện TĐH là mạng tính tất yếu Nên đã đáp ứng được tốc độ xử lý lượng thông tin trao đổi giữa người và máy, giữa máy và máy

Trong từng xí nghiệp cụ thể của một công ty cung cấp nước sạch, thông thường có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp Đặc điểm lớn của một công cấp nước sạch là các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp

và công ty cách xa nhau Các hệ thống đường ống dẫn nước trải rộng trên một địa bàn rộng lớn Cho nên việc liên kết tất cả các khâu trong

hệ thống là một yêu cầu quan trọng, để thực hiện tốt quản lý, tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch Ưng dụng SCADA chính là tự động hóa liên kết này

Việc ứng dụng hệ thống SCADA vào trong hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đạt được các mục tiêu sau:

 Ổn định chất lượng nước

 Ổn định áp lực nước

 Quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ

 Vận hành và quản lý máy móc thiết bị

 Quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước

 Và quản lý đến từng địa chỉ hộ tiêu thụ nước

Trong nội dung của đồ án chỉ thực hiện mô phỏng trên màn hình hiển thị, để điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của một cụm van điều phối trong hệ thống phân phối nước

PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG SCADA

I ĐỊNH NGHĨA SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Đây là hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát, điều khiển các hệ thống điều khiển tự động như: Nhà máy sản xuất, trong các hệ thống thông tin viễn thông, hệ thống điện lưới và các nhà máy cung cấp nước sạch… Để làm được công việc

đó thì hệ SCADA phải có các hệ thống sau:

HMI sử dụng ở cấp điều khiển giám sát và ở các cấp dưới hơn, để thuận tiện hơn cho người vận hành hệ thống hoặc thiết bị Các loại dao diện HMI bao gồm:

hệ thống là vấn đề cốt lõi để xây dựng một hệ thu thập và điều khiển giám sát

Configuration and maintenance

Analog I /O,Discrete I /O

Flow

measur

TTempmeasur

PPressuremeasur

Actuator

Control objects

Realtime DB

SCADA

Station

SCADA Station

VB, C++

Applications

Web Server

Modules of factoryresource management Relation DB

Cấu trúc của một hệ thống điều khiển hiện đại

II CÁC LOẠI HỆ THỐNG SCADA

Hệ thống SCADA được chia thành 4 nhóm chính với các chức năng như sau: Là hệ SCADA mang tính độc lập hoặc được nối mạng, hệ SCADA không có khả năng đồ họa và một loại có khả năng xử lý đồ họa thông tin thời gian thực

1 Hệ thống SCADA mờ (Blind)

Đây là hệ thống SCADA hết sức giản đơn, nó không có một bộ phận giám sát mà chỉ có nhiệm vụ là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị

Ưu điểm của nó là: Do công nghệ cấu thành mạng đơn giản nên có giá thành thấp

2 Hệ thống SCADA độc lập

Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý

Hệ này chỉ điều khiển được một hoặc hai máy móc, nên chủ yếu sử dụng

ở trong các đơn vị sản xuất có quy mô nhỏ và vừa

3 Hệ thống SCADA mạng

Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi

xử lý Các máy tính giám sát nối mạng với nhau Thường chúng được sử dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất nơi có nhiều máy móc cần phải điều khiển

Thông qua các mạng truyền thông, toàn bộ hệ thống được kết nối với phòng điều khiển cấp phân xưởng, phòng giám sát cấp công ty Hoặc có nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý và phòng thiết kế

4 Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực

Hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ các thông tin đã được thu thập trước của máy tính mà hệ có khả năng mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống sản xuất Nhờ máy tính ghi lại toàn bộ dữ liệu quá trình hoạt động của hệ thống nên khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành, hoặc tự động xử lý lỗi xảy ra đó

 Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging),

xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and history) và lập báo cáo (Reporting)

 Tính thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, với nền

Windown thì hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX Control và OPC

 Xem xét giá thành tổng thể của hệ thống

III CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA

Trong các hệ thống SCADA thì các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình sản xuất Còn

hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy Các thiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm - điểm (Point to Point), hoặc thông qua mạng truyền thông công nghiệp

Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tím hiệu tương tự Khi xử lý trong máy tính chúng ta phải được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính

Các thành phần chính:

đo, các thiết bị chuyển đổi…

khả trình PLC (Programable Logic Controller), bộ điều khiển chuyên dụng tỷ lệ vi tích phân PID, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính điều khiển với các phần mềm điều khiển chuyên dụng

giao diện người-máy HMI (Human Machine Interface), các trạm kỹ thuật, trạm vận hành giám sát và điều khiển cao cấp

điểm (Point to Point), Bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

Hệ thống điều khiển giám sát

Thiết bị điều khiển tự động

IV MÔ HÌNH PHÂN CẤP CHỨC NĂNG

nhưng lượng thông tin cần truyền và xử lý thì lớn hơn

Việc phân cấp chức năng này giúp ta thuận lợi hơn trong việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

a Cấp chấp hành:

Chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Tuy nhiên, ở trong thực tế thì các phần tử cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Nó cũng

có thể đảm nhận được việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển cao hơn

b Cấp điều khiển:

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến,

đo lường…Sau đó xử lý các thông tin này theo một thuật toán nhất định

và truyền đạt kết quả trở về lại cơ cấu chấp hành để điều khiển các thiết

bị Máy tính ở đây cũng có thể được sử dụng, nó có chức năng theo dõi các công cụ đo lường từ thực hiện các thao tác như ấn nút đóng mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Đặc điểm nổi bật nhất của cấp điều khiển là xử lý thông tin

Cấp điều khiển và cấp chấp hành còn được gọi chung là cấp trường (Field Lever) do các thiết bị như cảm biến và chấp hành Các bộ điều khiển thường được lắp ghép trực tiếp tại hiện trường gần với hệ thống kỹ thuật

c Cấp điều khiển và giám sát

Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ

hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường

Ở một số trường hợp cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như: điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức

Do nhu cầu và sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, đặc biệt là trong các hệ thống TĐH là mạng truyền thông công nghiệp và máy tính điều khiển công nghiệp (Controller) Nên việc tích hợp hệ thống ngày càng được phát triển nhiều hơn, các mô hình sản xuất cần phải được xây dựng tổng thể kể cả ở cấp điều hành sản xuất và quản lý nhằm loại bỏ bớt đi một số khâu trung gian không cần thiết ở trong mô hình chức năng Do vậy hai cấp chức năng này dần được xem như nhập lại thành một cấp duy nhất, gọi chung là cấp điều hành

Qu¶n lý c«ng ty

§iÒu khiÓn

gi¸m s¸t

§iÒu hµnh s¶n xuÊt

P C

M¹ng xÝ nghiÖp

Bus hÖ thèng (Bus qu¸ tr×nh)

Bus truêng (Bus thiÕt bÞ)

2) Nhiệm vụ, chức năng của từng cấp:

Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân chia thành nhiều cấp quản lý Mỗi cấp đều có những yêu cầu và nhiệm vụ riêng (Như các cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển riêng…) Máy móc thiết bị sản xuất được lắp đặt bên trong cấp quản lý phân

xưởng xí nghiệp cấp dưới Có một số trường hợp thì các đối tượng có thể nằm ở hai cấp khác nhau vừa là giám sát điều khiển ở cấp trên và cũng vừa là giám sát điều khiển các thiết bị cụ thể ở cấp dưới

Ở mỗi cấp SCADA thường điều khiển và giám sát một cấp quản lý ở cấp

ấy Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới sẽ thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng, phân loại rõ thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào Các số liệu thu được sẽ được các hệ thống SCADA truyền tin từ cấp dưới lên cấp trên theo yêu cầu của các thiết bị cấp cao hơn, cho đến cấp quản lý để thu thập dữ liệu, hiển thị, in ấn và cài đặt tham số điều khiển…

Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích và tính toán đã được giao từ trước, sau đó đưa ra các lệnh để thay đổi các đối tượng thông qua hệ thống mạng truyền thông, gửi lệnh đó đến cấp SCADA cần điều khiển

Để giải quyết bài toán này thì các hệ thống SCADA sẽ được trang bị thêm các thiết bị chuyên dụng như máy tính điều khiển và các phần mềm ứng dụng của nó Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp để giải bài toán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành và cho hệ SCADA

Chức năng của mỗi cấp SCADA có những nhiệm vụ chính sau:

số liệu về sản xuất và tổ chức của các cấp dưới Như số liệu về quá khứ của quá trình sản xuất, các lỗi xảy ra trong hệ thống, các tác động điều khiển…

giám sát các thiết bị sản xuất

Trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất…

Như đọc viết số liệu của PLC/RTU (Rerote Teminal Unit), gửi và trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu, các thao tác vận hành…

Nhận thấy SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để TĐH quá trình quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công nghiệp Tùy theo từng yêu cầu của hệ thống ta có thể xây dựng một hệ thống SCADA thực hiện một số nhiệm vụ và chức năng như: thu thập giám sát từ xa về đối tượng điều khiển đóng cắt từ lên đối tượng, điều chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và cấp quản lý

Ngày nay hầu hết các hệ thống SCADA còn có khả năng liên kết với các

hệ thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ liệu như Oracle, Access, Microsoft SQL…

Tóm lại chức năng chính của một hệ thống SCADA nói chung như sau:

móc…tại hiện trường

phẩm…

Và cấp cao hơn có thể sử dụng mạng thông tin di động toàn cầu Internet

để kết nối toàn bộ hệ thống SCADA Người vận hành có thể ở bất kỳ đâu cũng có thể truy cập đến các phòng điều độ và phòng điều khiển

PHẦN II: ỨNG DỤNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP

NƯỚC SẠCH THÀNH PHỐ

I Nguyên lý hoạt động cơ bản và quy trình sản xuất của một hệ thống cung cấp nước sạch

1 Nguyên lý hoạt động cơ bản:

Từ hiện trường (Nơi đặt các thiết bị, máy móc của dây chuyền sản xuất,

hệ thống đường ống và trong tương lai là toàn bộ địa chỉ của các hộ tiêu dùng nước ) Các cảm biết lúc này đưa các tín hiệu đo được đến các thiết bị điều khiển như PLC, RTU Thông tin tại PLC được xử lý sơ bộ

và truyền lên máy chủ, người vận hành điều khiển có thể truy cập đến bất kỳ điểm nào trên hiện trường thông qua các cơ cấu chấp hành như động cơ hay các van điều khiển…

Hoạt động của hệ thống SCADA trong nhà máy cung cấp nước sạch sẽ bảo đảm:

máy móc quá trình liên tục

sản xuất của nhà máy và mạng đường ống cung cấp nước sạch)

bị máy móc như các bơm, van, biến tần…

điều hành như: thông tin về mức nước ở trong các bể chứa, áp lực nước trong đường ống và trong toàn bộ hệ thống, chất lượng nước, điện năng tiêu thụ

Để đảm bảo cho việc các quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch thì các cơ cấu chấp hành phải bảo đảm tính năng nhận và chấp hành tốt tín hiệu điều khiển Do vậy việc đầu tư nâng cấp các thiết bị, máy móc tại hiện trường phải được chú ý đúng mức Điều này sẽ dẫn đến việc giá thành và chi phí đầu tư ban đầu phải có một nguồn vốn lớn

Tuy nhiên:

Xét về những ưu điểm mà hệ thống SCADA mạng lại Việc đầu tư công nghệ SCADA vào quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch sẽ nâng cao hiệu quả điều hành, quản lý Các quy trình không cần thiết trong hệ

thống có thể được lược bỏ bớt, giảm thiểu về mặt con người trong công

ty Quá trình điều khiển sẽ được tối ưu hơn…

2 Quy trình sản xuất của một hệ thống cung cấp nước sạch:

Trong từng xí nghiệp cụ thể của một công ty cung cấp nước sạch, thông thường có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước sạch; hệ thống đường

ống cấp nước thuộc xí nghiệp Đặc điểm lớn của một công cấp nước

sạch là các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp

và công ty cách xa nhau Các hệ thống đường ống dẫn nước trải rộng trên một địa bàn rộng lớn Cho nên việc liên kết tất cả các khâu trong hệ thống là một yêu cầu quan trọng, để thực hiện tốt quản lý, tổ chức sản

xuất và cung cấp nước sạch Ưng dụng SCADA chính là tự động hóa

liên kết này

Quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch cho một công ty cung cấp

nước

Nhận thấy trong hệ thống này, mạng lưới đường ống là phức tạp nhất

Các đường ống thường có kích thước khác nhau và nó luôn phát triển

rộng lớn tùy thuộc vào mức độ phát triển của các địa chỉ họ tiêu dùng

nước sạch Cho nên để năng cao hiệu quả điều hành và cung cấp nước

sạch, ta cần phải giám sát các thông sỗ kỹ thuật sau:

trả về khai thác tài nguyên và là một thông số liên quan đến đánh giá tổn thất nước