hệ thống điều khiển và thu thập số liệu

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, các hệ thống điều khiển và thu thập số liệu (SCADA) đã được phát triển khá hoàn thiện và trợ giúp rất đắc lực cho các yêu cầu của các xí nghiệp công nghiệp. Việc triển khai một hệ thống điều khiển giám sát ở một xí nghiệp công nghiệp sẽ mang lại những hiệu quả không những cho người trực tiếp vận hành quá trình sản xuất mà còn ở cấp quản lý sản xuất hay lãnh đạo công ty. Công ty gạch ốp lát Thái Bình với dây chuyền sản xuất gạch ceramic của Italy là một dây chuyền hiện đại và sản phẩm đã tạo dựng được những thương hiệu trên thị trường trong nước và xuất khẩu ra nhiều thị trường lớn trên thế giới. Vấn đề điều hành và quản lý sản xuất kinh doanh đang được ban lãnh đạo công ty và các cán bộ công nhân viên nỗ lực hoành thiện và nâng cao hơn nữa nhằm mục đích đảm bảo chất lượng sản phẩm hiệu quả kinh doanh và khả năng cạnh tranh trên thị trường. Dây chuyền sản xuất của phân xưởng sản xuất trải rộng trên diện tích khoảng 5.00m 2 với đội ngũ cán bộ quản lý phân xưởng khoảng 10 người và làm việc ba ca liên tục là một thực tế khó khăn cho công tác điều hành sản xuất. Các phòng ban trong công ty làm việc vẫn còn dựa nhiều trên giấy tờ và chưa thực sự cập nhật nhanh các yêu cầu về vật tư, nguyên vật liệu, thiết bị phụ tùng thay thế, sản lượng chất lượng sản phẩm để đảm bảo cho quản lý sản xuất, kinh doanh đạt hiệu quả cao nhất. Việc đưa xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát toàn công ty là một nhu cầu thực sự cấp thiết. Dựa trên nhu cầu thực tế tại công ty, luận văn này được thể hiện trên cơ sở bám sát thực tế sản xuất nhằm khắc phục những khó khăn đang tồn tại của quá trình sản xuất đồng thời giám sát và điều khiển các công đoạn sản xuất đạt hiệu suất tối ưu. Tôi xin chân thành cảm ơn sự góp ý xây dựng của các cán bộ quản lý trong công ty. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Văn Khang đã hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ SCADE 1.1. TỔ CHỨC HỆ THỐNG 1.1.1. Cấu trúc hệ SCADA SCADA là viết tắt cảu cụm từ “Supervisory Control And Data Acquisition” hoặc “System Control And Data Acquisition” – hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu. Công nghệ SCADA cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị khách nhau từ xa và đưa một số lệnh điều khiển đến các thiết bị từ xa đó. Hệ SCADA không có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống mà đặt trọng tâm vào cấp độ giám sát. Hệ thống SCADA trước kia thường chạy trên DOS, VMS và UNIX. Trong những năm gần đây các nhà cung cấp hệ thống phát triển để có thể chạy trên Windows NT, Windows XP, Windows server 2003, Linux. Hai lớp cơ bản trong hệ SCADA: Lớp Client và lớp Data Server. Lớp Client: cung cấp giao diện người – máy Lớp Data Server: truyền thống với các thiết bị trường thông qua các bộ điều khiển quá trình (Process Controler) để thu thập dữ liệu và đưa tín hiệu điều khiển. Hình 1.1: Cấu trúc phần cứng hệ SCADA Client Dedicated Server Client Client Data Server Data Server E thernet ……… Can - tialler Can - tialler Can - tialler Can - tialler Can - tialler Các bộ điều khiển quá trình là các PLC có thể được kết nối trực tiếp với Data Server hoặc thông qua mạng truyền thông công nghiệp. Các Client và Data Server được nối với nhau thông qua mạng ethernet LAN. Các phần mềm SCADA đều là phần mềm đa nhiệm và được xây dựng trên nguyên tắc thời gian thực (Real Time) và được cài đặt trên các Server. Server chịu trách nhiệm thu nhập và lưu giữ dữ liệu. Tuy nhiên ta cũng có thể sử dụng mỗi Server cho một nhiệm vụ nhất định (dedicated server) như lưu trữ, cảnh báo … 1.1.2. Cấu trúc phần mềm Cấu trúc phần mềm của các hệ SCADA có thể được chia thành 3 thành phần chính sau: Phầm mềm phát triển: Gồm các công cụ thiết kế đồ họa, các thư viện hình ảnh, các công cụ import/export, các công cụ phát triển điều khiển truyền thông với các bộ điều khiển PLC. Phần mềm giao tiếp với các bộ điều khiển và thực hiện việc thu thập số liệu: được cài đặt trên Server: Phần mềm giám sát, hiển thị: được cài đặt trên Client Hình 1.2: Cấu trúc phần mềm hệ SCADA 1.1.3. Truyền thông trong hệ SCADA Hệ SCADA có hai cấp truyền thông chính: truyền thông nội bộ (Internal Communication) và truyền thông truy cập thiết bị (Access to Devices)  Truyền thông nội bộ: Là truyền thông giữa máy chủ với máy trạm và giữa các máy chủ với nhau. Giao thức truyền thông sử dụng trong trường hợp này là giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)  Truyền thông truy cập thiết bị: ODBC ASCII File Editor Com mercial DB Com mercial Devel opt tools Graphic s E ditor Libeary SCADA Developt. Env iron Export / Import ASCII Files Project Editor Driver Toolkit SCADA Client Active X Controls 3 rd Partv Applic Active X Container HMI Tren ding Racipa DB Recipe Managt Ref DB Client / Server Publish/ Subscribe - TCP/IP Alam Display Long Display RT & Event Manager SCADA Server Data Proces -ging Report Gener RT DB Alarm Log Archive Alarm DB Log DB Archive DBSQL DDE API/DLL OPC Private Application EXCEL Data R/W Driver PLC PLC VME Data Server sẽ truy cập các bộ điều khiển theo một chu kỳ được đặt trước để cập nhật dữ liệu và đưa một số tín hiệu điều khiển đến các thiết bị. Các tham số quá trình được cập theo một chu kỳ nhất định gọi là chu kỳ lấy mẫu (time – stamping). Chu kỳ lấy mẫu có thể khác nhau cho từng tham số. Những tham số biến thiên nhanh như áp suất, tốc độ ….có chu kỳ lấy mẫu ngắn, trong khi các tham số biến thiên chậm như nhiệt độ có thể có chu kỳ lấy mẫu dài hơn. Việc đặt chu kỳ lấy mẫu của từng tham số phải do người engineering thực hiện trên cơ sở kinh nghiệm và hiểu biết công nghệ. Trong từng chu kỳ lấy mẫu, bộ điều khiển sẽ chuyển dữ liệu yêu cầu của tham số tương ứng lên Server. Để truyền thông được với các bộ điều khiển (PLC), các hệ thống SCADA phải cung cấp chương trình điều khiển truyền thông (Driver) cho từng loại PLC. Thông thường khi xây dựng giải pháp cho hệ SCADA, người thiết kế cần phải xác định rõ chủng loại PLC cần sử dụng để từ đó lựa chọn các Driver thích hợp cho ứng dụng của mình. 1.1.3. Đặc điểm của hệ SCADA  Giao diện Một công việc không kém phần quan trọng khi xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn giao diện. Khi lựa chọn giao diện, người thiết kế phải xác định được loại PLC mình dự định sử dụng, từ đó biết được các chuẩn giao diện nào có thể áp dụng. Ngày nay ngoài việc áp dụng chuẩn giao diện khá phổ biến là OPC (OLE for Process Control), người thiết kế có thể tự viết chương trình giao diện với các PLC theo chuẩn Modbus – một chuẩn mực đã được công khai và khá phổ biến cho bất cứ ai muốn tự viết giao diện truyền thống với PLC. Hệ thống SCADA là hệ điều khiển giám sát có giao diện truyền thông mở, có thể sử dụng giao diện OPC, Modbus hoặc tự định nghĩa giao diện truyền thông với các PLC.  Tính linh hoạt: Hệ SCADA là một hệ thống có độ linh hoạt rất cao. Cho phép kết nối nhiều server với các bộ điều khiển khác nhau, mỗi Data Server có thể có một cấu trúc cơ sở dữ liệu khác nhau và có nhiệm vụ giám sát với một số biến nhất định.  Khả năng dự phòng: Do nhiệm vụ chính của hệ SCADA không phải là điều khiển toàn hệ thống mà chỉ tập trung giám sát nên yêu cầu về khả năng dự phòng là không cao. Thông thường chỉ có dự phòng ở cấp Data Server. Ngoài ra các hệ SCADA cũng cho phép giải phóng dự phòng một cách đầy đủ nếu cần thiết. 1.1.4. Chức năng của hệ SCADA Điều khiển quyền truy nhập hệ thống: Các hệ thống SCADA phải có chương trình quản lý, giám sát truy cập hệ thống. Chương trình này sẽ phân loại người dùng theo nhóm. Mỗi nhóm được định nghĩa các quyền khác nhau đối với các khu vực và các tham số quá trình khác nhau. HMI (Human – Machine Interface): Cung cấp giao diện với người sử dụng: Thông qua các thư viện đồ họa, hệ CSADA cung cấp giao diện điều khiển giám sát một cách đầy đủ, trực quan và sinh động. Ngày nay bằng công nghệ Microsoft Active X, cho phép chúng ta có thể sử dụng lại các công cụ đồ họa một cách dễ dàng và có thể xây dựng các công cụ đồ'họa trên nền các chương trình phát triển như Microsoft Visual Basic hoặc Microsoft Visual C cho phù hợp với từng ứng dụng. Hiển thị tham số dưới dạng đồ thị (Trend): Thông thường một cửa sổ có thể biểu diễn được 8 đồ thị. Trên các cửa sổ này cho phép thực hiện các thao thác như phóng to, thu nhỏ hoặc hiển thị giá trị tại bất cứ vị trí nào. Hiển thị cảnh báo (Alarm Handling): Hiển thị các giá trị, tín hiệu cảnh báo, báo động. Đây chính là tín hiệu về giới hạn và các trạng thái của thiết bị. Chức năng lưu trữ : Cho phép lưu trữ ngắn hạn (Logging) trên ổ đĩa hoặc lưu trữ dài hạn (Archiving) trên các thiết bị lưu trữ khác. Lưu trữ ngắn hạn chỉ thực hiện theo một chu trình định sẵn hoặc khi có sự thay đổi. Các file lưu trữ ngắn hạn (logged data) khi đầy có thể được đưa vào lưu trữ dài hạn. Chức năng báo cáo (Report Generation): Cho phép lập các báo cáo, in ra các báo cáo và lưu trữ các báo cáo theo định kỳ hoặc theo yêu cầu. 1.1.5. Phát triển ứng dụng: ♦Phát triển cấu hình: Phát triển ứng dụng được chia làm hai giai đoạn: Đầu tiên là các thông số quá trình và các thông tin khác (như liến quan tới điều kiện báo động) được định nghĩa thông qua các dạng mẫu mặc định thông số. Tiếp đến là các biểu đồ, hiển thị báo động. Hệ SCADA cũng cung cấp ASCII Export/Import cho dữ liệu cấu hình (các giới hạn đặt thông số). 'Ta có thể sử dụng các công cụ bên ngoài như Excel để sửa đổi và sau đó nhập dữ liệu vào cơ sở dữ liệu cấu hình. Sửa đổi trực tuyến cơ sở dữ liệu cấu hình và đồ thị hoàn toàn có thể thực hiện được với các mức ưu tiên thích hợp. ♦Công cụ phát triển hệ SCADA Để xây dựng được một hộ SCADA ta cần có các công cụ sau: - Công cụ thiết kế giao diện đồ họa: bao gồm các thư viện đồ họa, hình ảnh và các công cụ vẽ. - Công cụ cấu hình cơ sở dữ liệu (thường thông qua các mẫu thông số). Công cụ này có thể xuất dữ liệu dưới dạng file ASCII để có thể sửa đổi bằng trình sửa đổi ASCII hoặc Excel. - Công cụ lập trình (theo chuẩn IEC - 61131-3). - Công cụ phát triển Driver cho các phần cứng: thông thường các nhà cung cấp công cụ phát triển SCADA đều đã xây dựng sẵn các Driver cho hầu hết các PLC thông dụng. 1.2. LÝ THÔNG TIN 1.2.1. Xử lý thông tin thời gian thực Tính năng thời gian thực (real time) là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hoá nói chung và hệ thống SCADA nói riêng. Sự hoạt động bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đẩu ra mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có cả khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông. Tính năng thời gian của một hệ thống điểu khiển phân tán phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống bus trường. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau: - Độ nhanh nhạy. Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp úng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể. - Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. - Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. - Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống. 1.2.2. Giao thức Trong kỹ thuật truyền thông công nghiệp nói chung và truyền thông trong hệ SCADA nói riêng, các server và client đều phải tuân thủ theo các qui tắc, các qui ước để có thể hiểu các thông tin đã được mã hoá và ta gọi đó là giao thức. Giao thức cấp cao gần với người sử dụng, thường được thực hiện bằng phần mềm ví dụ như FTP (File Transfer Protocol), HTML (Hypertext Transfer Protocol), MMS (Manufactoring Message specification). Giao thức cấp thấp gần với phần cứng, thường được thực hiện trực tiếp bởi các mạch điện tử ví dụ như TCP/IP (Transmission Control Protocol), HART Highway Ađressabỉe Remote Transducer), HDLC (High Level Data Link Control), UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter). 1.2.3. Kiến trúc giao thức OSI Bên gửi Hình l.3: Mồ hình OSI 7 tầng Các chương trình ứng Bên gửi Các chương trình ứng Bên nhận Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical 7 6 5 4 3 2 1 Ứng dụng Trình diễn Kiểm soát nối Vận chuyển Mạng Kết nối dữ liệu Vật lý 7 6 5 4 3 2 1 Đường truyền vật lý Chức năng các tầng trong mô hình OSI: 1. Physical: Liên quan đến nhiệm vụ truyền dòng bit không có cấu trúc qua đường truyền vật lý, truy nhập đường truyền vật lý nhờ các phương tiện cơ, điện, hàm, thủ tục. 2. Data Link: Cung cấp phương tiện để truyền thông tin qua liên kết vật lý đảm bảo tin cậy; gửi các khối dữ liệu (Frame) với các cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu cần thiết. 3. Network: Thực hiện việc chọn đường và chuyển tiếp thông tin với công nghệ chuyển mạch thích hợp, thực hiện kiểm soát luồng dữ liệu và cắt / hợp dữ liệu nếu cần. 4. Transport: Thực hiện việc truyền dữ liệu giữa hai đầu mút (end- to - end); thực hiện cả việc kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu giữa 2 đầu mút. Cũng có thể thực hiện việc ghép kênh (multiplexing), cắt / hợp dữ liệu nếu cần. 5. Session: Cung cấp phương tiện quản lý truyền thông giữa các ứng dụng; thiết lập, duy trì, đồng bộ hoá và huỷ bỏ các phiên truyền thông giữa các ứng dụng. 6. Presentation: Chuyển đổi cú pháp dữ liệu để đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu của các ứng dụng qua môi trường OSI. 7. Application'. Cung cấp các phương tiện để người sử dụng có thể truy nhập được vào môi trường OSI, đồng thời cung cấp các dịch vụ thông tin phân tán. 1.2.4. Chuẩn giao tiếp công nghiệp OPC (OLE for Process Control) 1.2.4.1 Giới thiệu chung Tiến bộ của các hệ thống bus trường cùng với sự phổ biến của các thiết bị cận trường thông minh là hai yếu tố quyết định đến sự chuyển hướng sang các cấu trúc phân tán trong các giải pháp tự động hóa. Sự phân tán này một mặt mang lại nhiều ưu thế so với cấu trúc xử lí thông tin tập trung cổ điển như [...]... dữ liệu 1.4.ỨNG DỤNG HỆ SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP Hệ thống SCADA với đặc tính chú trọng đến việc thu thập và giám sát dữ liệu và có thể thực hiện các điều khiển tới các cơ cấu chấp hành Hệ thống - SCADA đã được ứng dụng trong nhiều ngành như: - Công nghệ sản xuất ô tô - Công nghiệp hoá chất và dược phẩm - Sản xuất và truyền tải điện năng - Công nghiệp nhựa và cao su - Công nghiệp luyện kim - Công nghệ... xuất Bằng việc áp dụng các tiến bộ của kỹ thu t vi điện tử và công nghệ truyền thông, các công nghệ điều khiển và truyền thông mới đã làm thay đổi phạm vi điều khiển và giám sát không chỉ còn hạn chế ở cấp thao tác viên hay người điều hành xưởng máy mà còn mở rộng lền cấp quản lí hay lãnh đạo công ty Các công ty chuyên thiết kế, chế tạo các thiết bị và hệ thống tự động hoá đã không ngừng nghiên cứu... kết nối giữa các ứng dụng cơ sở như đo lường, điều khiển với các ứng dụng cao cấp hơn như điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (supervisory control and data acquisition, SCADA), giao diện người- máy( human- machine interface, HM1) và hệ thống điều hành sản xuất (manufactoring excution system, ME3) Việc sử dụng một chuẩn giao diện vì vậy trở thành một điều kiện tiên quyết Tiêu biểu cho hướng đi này... các chức năng điều khiển và phù hợp với sự thay đổi ở mức 1 + Có khả năng truyền thông trong thời gian thực đối với các thiết bị điều khiển tói các mức điều khiển cao hơn Trong mức này đưa ra các PLC có cấu hình và chức năng mạnh hơn (C200HS, cv - Series) Với các truyền thông dễ dàng với Sysmac Way và Sysmac Link  Mức 3: + Điều khiển, lập trình, giám sát các hoạt động của các lớp điều khiển ở mức 2... và nó trực tiếp tham gia vào quá tình hoạt động của nhà máy, của các thiết bị như Ị senser, các I/O 2.1.3 MẠNG CÔNG NGHIỆP CỦA ALLEN - BRADLEY (AB) Cấu trúc mạng của Allen - Bradley có ba lớp mạng sau: *Ethernet là lớp thu thập thông tin, dữ liệu và bảo vệ ở nhiều các khu sản ất rộng lớn *ControlNet, DH+, DH 485, Remote I/O ở lớp tự động và điều khiển thời gian thực đầu ra, bộ điều khiển phối hợp và. .. chất lượng, hiệu năng và giá thành Một số ASIC thậm chí còn được tích hợp sẵn một số phần mềm ứng dụng như các thu t toán điều khiển, chức năng tiền xử lý tín hiệu và chức năng tự chuẩn đoán Nhờ đó, việc phân tán các chức năng tự động hoá xuống các thiết bị trường được nối mạng không những giảm tải cho máy tính điều khiển cấp trên mà còn cải thiện tính năng thời gian thực hệ thống Tuy nhiên, thông... Việc truyền dữ liệu giữa DPMI và DP -Slave và chúng sẽ nhận được hoàn tất một cách tự động bởi I I DPMI bản thân nó xử lý số liệu theo chu kỳ có thứ tự Trong suốt quá trình t trên đường truyền bus để có gửi dữ liệu lên các DPMI và các DP -slave có thể xác định hoặc huỷ bỏ trong một chu kỳ quét Sự tác động tương hỗ lẫn nhau của chúng có cấu trúc tham số và cấu hình pha Trong cấu trúc tham số và cấu; trúc... các thiết bị trực tiếp tham gia vào quá trình hoạt động thấp nhất ở nhà máy như các senser, các timer, counter  Mức 1: Mức này nó bao quanh các thiết bị như: Máy điều khiển số, các PLC, trạm vận hành, trạm kiểm tra, Robot công nghiệp OMRON đưa ra các PLC kiểm tra quá trình và hệ thống vận hành điều kiển cho mức 1, kết nối mạng Sysmac Bus cho mức 0  Mức 2: Điều khiển và phối hợp cùng các thiết bị ở... thực hiện nhiệm vụ điều khiển cơ sở thay cho một PLC và đảm nhiệm chức năng hiển thị quá trình, điều khiển giám sát từ xa qua hệ thống bus trường Thế mạnh của giải pháp “PC - based control” này chính là giá thành thấp và tính năng mở của hệ thống Một vấn đề cố hữu của máy tính cá nhân là độ tin cậy thấp trong môi trường công nghiệp một phần được khắc phục bởi vị trí đặt xa quá trình kỹ thu t Hơn thế nữa,... mạng: mạng Sysmac Net ysmac Way Hệ thống liên kết mạng Sysmac Way ở lớp này cung cấp thay đổi liên kết dữ liệu tự động qua các liên kết dữ liệu Được kết nối với máy tính chủ và PLC Hệ thống Sysmac Net: Thực hiện với khả năng RAS (Reliability, Availability, Seviceability) đó là độ tin cậy, hiệu quả và có tính khả dụng để vận hành đơn giản và phản ứng nhanh với lỗi Hệ thống liên kết với Sysmac Net sẽ . Acquisition” – hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu. Công nghệ SCADA cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị khách nhau từ xa và đưa một số lệnh điều khiển đến các thiết bị từ xa đó. Hệ SCADA. các hệ thống điều khiển và thu thập số liệu (SCADA) đã được phát triển khá hoàn thiện và trợ giúp rất đắc lực cho các yêu cầu của các xí nghiệp công nghiệp. Việc triển khai một hệ thống điều khiển. có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống mà đặt trọng tâm vào cấp độ giám sát. Hệ thống SCADA trước kia thường chạy trên DOS, VMS và UNIX. Trong những năm gần đây các nhà cung cấp hệ thống phát