ỨNG DỤNG HỆ SCADA VÀO HỆ THỐNG PHA TRỘN HÓA CHÂT

Trên đây, về cơ bản em đã thực hiện được chương trình ứng dụng cho hệ thông pha trộn chất lỏng. Nhưng khó ứng dụng được trong thực tế sản xuất, bởi vì điều kiện thực tại còn thiếu thôn thiết bị. Để có thể áp dụng được trong công nghiệp, trong các hệ thông dây chuyền tự động với quy mô sản xuất lớn thì cần phải có cảm biến báo mức, cảm biến đo lưu lượng, tốc độ dòng chảy hay các cảm biến báo động, báo sự cố máy bơm v.v...Khi đó chương trình sẽ thực hiện hoàn chỉnh hơn. Tuy nhiên cũng có thể phát triển dựa theo chương trình mà em đã thực hiện. Hướng phát triển có thể cho đồi tượng là các ngành sản xuất, chế biến thực phẩm; ngành pha chế hóa chất, hay cho các hệ thông pha trộn xăng dầu tự động, pha nhớt v.v...

PHAN 3 ỨNG DỤNG HỆ SCADA VÀO HỆ • • • THỐNG PHA TRỘN HÓA CHÂT Chương 1: Hệ ThôngSCADA I. GIỚI THIỆU HỆ SCADA. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition = hệ thông giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu) là hệ thống cho phép người điều hành giám sát và điều khiển các quá trình mà chúng được phân bô" trong các nơi ở xa. Có nhiều quá trình sử dụng hệ thông SCADA như: thủy điện, các khâu xử lý và phân phôi nước , khí tự nhiên, v.v Các hệ thông SCADA cho phép các nơi xa liên lạc với phương tiện điều khiển và cung cấp dữ liệu điều khiển cần thiết cho các quá trình điều khiển. Khi khoảng cách đến các nơi xa tăng thì càng khó truy cập hơn, khi đó SCADA trở thành sự chọn tốt nhất cho người điều hành để điều chỉnh và quan sát. Khoảng cách và sự ở xa là hai yếu tô" chính để cài đặt các hệ thông SCAD A . Các hệ thông SCADA hiện đại có nhiều đặc tính tiên tiến như: kiến trúc phân bô", cơ sở dữ liệu phân bô", giao tiếp đồ họa với người sử dụng (GUI = Graphic User Interface), các đơn vị đo lường từ xa thông minh v.v Hệ SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thông máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau: • Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến/ chuyển đổi năng lượng. • Xử lý và thực hiện các phép tính trên dữ liệu thu thập được. • Hiển thị dữ liệu thu thập và dữ liệu được suy ra. Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 1 • Nhận lệnh từ người điều hành và thực hiện gởi các lệnh điều khiển đến các thiết bị của nhà máy. • Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay đúng lúc và tin cậy. Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 2 Các hệ thông như vậy có thể được gọi bằng các tên khác trong các tình huống và các kỹ nghệ khác, như: DAC (Data Acquition and Control = Điều khiển và thu thập dữ liệu), DCS (Distributed Control Systems = Các hệ thông điều khiển phân bố), v.v Tất cả các hệ thông này về cơ bản thực hiện cùng cácchức năng. Xuất phát từ các công việc ứng dụng cụ thể mà có sự khác biệt giữa chúng ở các đặc điểm sau: • Vị trí và sự phân bô" các nguồn dữ liệu công nghiệp (các thiết bị nhà máy). • Lượng dữ liệu được thu thập. • Tốc độ thu thập dữ liệu. • Các lệnh điều khiển có thểđược tạo ra một cách tự động bởi các hệ thông này ở mức độ nào. • Kiểu tính toán và vị trí mà các tính toán và các tác động điều khiển sẽ được thực hiện. Hệ thống SCADA có 4 phần tử chính: người điều hành (operator), phần tử thiết bị đầu cuối chính MTU (Master Terminal Unit), truyền thông liên lạc và phần tử thiết bị đầu cuối ở xa RTU (Remote Terminal Unit). Người điều hành thực hiện điều khiển qua thông tin được mô tả trong khôi hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit). Phần nhập của hệ thông thường xuất phát từ người điều hành qua bàn phím của MTU. Thông tin từ các nơi ở xa được MTU giám sát và hiển thị các thông tin này cho người điều hành . Quan hệ giữa MTU và RTU tương tự như giữa chủ và tớ. ♦♦♦ MTU (Master Terminal Ưnit) Outputs to Other Devices MT U Outputs to RTUInputs from RTU Inputs from Operator Hình 3.1: Các phần nhập và xuất của MTU. Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 3 Trung tâm của hệ thông là MTU. Nhiệm vụ của MTU là khởi động tất cả các công việc: truyền thông liên lạc, thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin, gửi thông tin đến các hệ thông khác, và giao tiếp với người điều hành. Sự khác biệt chính giữa MTU và RTU là MTU khởi động ảo tất cả các truyền thông bằng lập trình giữa nó và con người. Hầu hết tất cả các truyền thông được thực hiện bởi MTU. MTU cũng liên lạc với các thiết bị ngoại vi khác như: monitor, máy in hoặc các hệ thông thông tin khác. Thành phần giao tiếp cơ bản với người điều hành là monitor mà trong đó hiển thị các valve, bơm v.v Khi dữ liệu đến thay đổi thì màn hình được cập nhật. *♦* RTU (Remote Terminal Unit): RTU thu thập thông tin ở xa từ nhiều thiết bị nhập như các valve, bơm, báo động (alarm), đồng hồ đo (meter) Chủ yếu dữ liệu dạng analog (sô" thực), digital (on/off), hoặc dữ liệu xung (như đếm sô" vòng xung của các meter). Nhiều RTU giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ và đợi yêu cầu từ MTU để truyền dữ liệu. Các RTU hiện đại hơn có các máy vi tính và các PLCs có thể điều khiển trực tiếp qua địa điểm từ xa không cần định hướng của MTU. Outputs to Field Devices RT Ư Outputs to MTUInputs from MTU Inputs from Field Devices Hình 3.2: Các phần nhập và xuất của RTU. Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 4 CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông. Các giao thức có thể mở rộng như TCP/ĨP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng riêng. Những luồng dữ liệu tổng quát chứa các thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức, truyền thông và dữ liệu. RTU nhận thông tin của nó nhờ vào mã nhận dạng của nó trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này được diễn dịch và CPU điều khiển tác động thích hợp tại chỗ. II. CÁC ĐẶC TÍNH CHÍNH CỦA HỆ THÔNG SCADA HIỆN ĐẠI. Kiến trúc hệ thông: Hiện nay các hệ SCADA thế hệ mới được xây dựng theo kiến trúc phân bô", trong đó công suất của máy chủ được phân bô" trên một sô"bộ xử lý được nôi cùng với nhau bằng mạng cục bộ (LAN). Trong đó mỗi bộ xử lý có một trách nhiệm nhất định như : thu thập và xử lý, tạo hiển thị, thiết lập báo cáo v.v và một sô" bộ xử lý dùng để dự phòng. Nhờ vào các công nghệ diện rộng (WAN), hệ thông SCADA có thể được phân bô" trên một miền địa lý rộng. Hệ thông được thiết kế theo hệ thông mở và cơ cấu server_client. Kiến trúc tiêu biểu của một hệ SCAD A phân bô: Hình 3.3: Kiến trúc tiêu biểu của một hệ SCADA phân bố. Trong đó: IOS = Data Input/Output Module. Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 5 HMI = Human_Machine Interface Module. HDC = Historical Data Collection and Storage Module. GW = Gateway for inter_LAN communications. APPS = Application Calculations and Processing Module. > Các bộ xử lý máy tính: sử dụng các vi xử lý tiên tiến. > Thiết bị giao tiếp giữa người_máy (HMI = HumanMachine Interface) SCADA trang bị các VDU (Visual Display Unit = Đơn vị hiển thị) đầy đủ đồ họa có kèm mouse, trackball jottick và bàn phím. Các nút điều khiển nốì cứng được thay thế bằng các biểu tượng trên màn hình được tác động bằng chuột hay bàn phím. Các phương tiện này giúp cho người điều hành: • Nhanh chóng hoán đổi giữa các màn hình hiển thị. • Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin. • Tạo và sửa đổi các màn hình hiển thị trực tiếp ở hệ thông. • Có những hiệu ứng đặc biệt để tăng khả năng phân biệt rõ dữ liệu (ví dụ các màu khác nhau cho các lô khác nhau trong một đường ông dẫn dầu). Với các VDU hoạt động trong môi trường Windows hay X-Windows, người điều hành cũng có thể: ■ Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin mà thường trải ra trên nhiều màn hình hiển thị. ■ Trên cùng màn hình, truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo vùng hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau. Do đó, những phương tiện HMI hiện đại cho phép người điều hành truy cập số lượng thông tin lớn dễ hơn và nhanh hơn. Các đơn vị đo lường từ xa RTU (Remote Telemetry Unit) Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 6 Các RTU không còn là những thiết bị thụ động nữa, mà mục đích chính của nó là thu thập và lưu trữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiện ở các RTU. Nhiều loại thiết bị có thể được nốì vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết bị lấy chuẩn và đo bồn chứa v.v Các RTU có thể được sắp xếp theo kiến trúc phân bô" hoặc phân cấp. Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ. > Cơ sở dữ liệu Dữ liệu được lưu trữ không những là dữ liệu đo đạc từ xa, được tính toán mà còn có các thông sô" báo về các sự kiện và các cảnh báo. Do bản chất phân bô" của hệ SCADA, cơ sở dữ liệu cũng phân bô". về vấn đề bảo mật thì cho nhiều cấp truy cập sử dụng: điều hành viên, giám sát viên, huấn luyện, kỹ sư, v.v Cơ sở dữ liệu cũng liên hệ với hệ thông tin quản trị MIS (Geographic Information System). > Truyền thông máy tính Truyền thông LAN/WAN giữa các máy tính dựa trên một sô" tiêu chuẩn công nghiệp phù hợp với mô hình OSĨ (Open System Interconnection). Hiện nay đã có các công nghệ: Fast Internet, FDDI, Frame Relay, ATM, V.v Trong tương lai người ta có khuynh hướng chuyển sang ATM. Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC TrangìOl Chương 2: Thực HiệnChương Trình I. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHA TRỘN. 1. Giới thiệu tổng quát. Hệ thông điều khiển pha trộn hóa chất được hoàn tất dựa trên sự kết hợp logic giữa lập trình phần mềm và mô hình thật. Chương trình sử dụng các ngôn ngữ lập trình: S7-300 và WinCC. Phần mềm WinCC cho phép điều khiển kết nôi giữa các hình đồ họa được tạo, đồng thời là giao diện giữa người điều hành và hệ thông điều khiển. Ngôn ngữ lập trình S7-300 được dùng để tạo thao tác vận hành cũng như quy luật hoạt động và điều khiển hệ thông. Hệ thông pha trộn bao gồm: 3 loại chất lỏng chứa sẩn ở 3 bồn cung cấp, dẫn qua bơm và valve trước khi vào bồn pha trộn, một bồn để chứa chất lỏng sau khi trộn, và một động cơ dùng để khuấy trộn. Do không có các sensor báo mực chất lỏng, sensor đo lưu lượng nên phần lập trình điều khiển chủ yếu dựa vào bộ định thời Timer và đặc điểm của các valve, bơm. Tuy vậy, nó vẫn cho kết quả chấp nhận được. Phần mô hình gồm: 3 bồn cung cấp mỗi bồn chứa được tối đa là 4.5 lít, bồn dùng cho pha trộn chứa tôi đa 9 lít, bơm có tốc độ 1 lít/30giây, động cơ, các valve và các rờle đóng ngắt. 2. Hoạt động của hệ thông. Khi nhấn nút “RUN”, 3 van cung cấp A, B, c và bơm được tác động, cho phép chất lỏng từ 3 bồn chảy vào bồn pha trộn theo tỉ lệ nhất định. Chẳng hạn, chất A: 60%, chất B: 25%, chất C: 15%. Khi van cuối cùng (van A) đóng lại thì động cơ bắt đầu hoạt động với thời gian bằng Vz thời gian mở van A. Động cơ dừng, làm tín hiệu kích bơm và van xả hoạt động (thời Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 8 gian xả bằng tổng thời gian 3 van cung cấp nếu các bơm có cùng tính chất). Sau khi xả xong tức là một Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 9 lần trộn đã hoàn tất, bộ đếm sô" thùng tăng lên 1. Đồng thời delay 5s trước khi hệ thông lặp vòng trở lại. Và cứ thế tiếp tục cho đến khi ta nhấn nút “STOP” thì dừng. Đặc biệt khi động cơ đang quay hoặc khi van xả đang hoạt động, ta có thể nhấn nút “PAUSE”, toàn bộ hệ thông sẽ dừng lại cho đến khi nhấn “PAUSE” lần nữa. Hệ thông tiếp tục hoạt động trở lại với giá trị thời gian đã lưu giữ trong bộ nhớ. Với chức năng này của nút “PAUSE”, hệ thông của ta sẽ hoạt động linh hoạt hơn tùy vào ý muôn của người điều hành. ❖ LƯU đồ giải thuật của hệ thông pha trộn hóa chất: Nhấn “Run” Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 [...]... thu thập dữ liệu Những khó khăn gặp phải: Nhiệm vụ đề tài là thiết kế hệ SCADA cho hệ thông pha trộn hóa chất Tuy có vẻ là đề tài khá cổ điển, nhưng thực chất sử dụng các ngôn ngữ lập trình hoàn toàn mới Do vậy, việc thực hiộn đề tài chỉ dựa vào các tài liệu tìm hiểu ngôn ngữ lập trình, trong thời gian cho phép chắc Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC TrangìOl ... \ ỉ ;w Mô Hình I 1—r THIẾT KẾ HỆ SCADA DÙNG WINCC SV: Trần Thị An Điều Khiển C: \An_WinCC\G raCSVTHONGTIN.pdl d Màn hình “Điều khiển Bao gồm : • Một I/O fi el d: cho phép đặt vào sô" lít cần pha trộn Giá trị này có thể lên đến 999 999 (sô" thực ) nhưn g thực tế do bồn chứa có • • • • dung tích là 9 lít, và mỗi bồn cung cấp có dung tích là 4.5 lít, nên mỗi lần pha trộn chỉ cho phép tồi đa là 7 lít... \An_WinCC\G raCS Mhongbao pdl Thu Thập Đồ Thị Trở về III LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG BANG SIMATIC S7-300 1 Đặc tính thiết bị Chương trình sử dụng CPU 314 ĨFM a Câu hình: ♦> Kích thước module:WxHxD : 160 X 125 X 130 (mm) Hoặc : 6.24 X 4.88 X 5.07 (in.) ❖ Địa chỉ các ngõ vào, ra được tích hợp trong CPU 314 TFM Vào/ ra 20 ngõ vào sô" 16 ngõ ra sô' 4 ngố vào tương tự 1 ngõ ra tương tự Đỉa chỉ 124.0 đến 126.3 có 4 kênh... thực hiện chạy ổn định, đúng theo ý tưởng của người lập trình Hệ thông hoạt động cho sai sô" không đáng kể Ngoài các chức năng cơ bản đủ cho một hệ thông pha trộn đơn giản hoạt động, em đã thực hiện thêm một số tính năng khác để dễ dàng cho việc điều khiển và giám sát như tạo thêm nút “Pause”, bộ đếm sô" lần pha trộn V.V Ta có thể điều khiển hệ thông bằng hai cách: điều khiển bằng các công tắc vật lý... van xả ❖ Giản đồ xung về quá trình hoạt động của hệ thông: Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 11 Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 Tín hiêu lệnh tA Van A Van B tR Van c tc Đông cơ Van xả t\1 ÍD ❖ Cách vận hành: Có hai cách vận hành hệ thống: điều khiển bằng các cồng tắc vật lý (giả lập làm nút nhấn) hoặc điều khiển trên máy tính nhờ phần mềm WinCC Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 12 Luận Văn Tốt Nghiệp Phần... Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Update started TrangìOl Luận Văn Tốt Nghiệp Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Phần 3 TrangìOl Luận Văn Tốt Nghiệp Phần 3 h Màn hình “Đồ thị”: Màn hình này có chức năng giông màn hình “Thu thập”, nghĩa là cũng thu thập các giá trị từ quá trình nhưng theo dạng đồ thị (Trends) ^ WinCCRuntime JLl JL ầi tt 1/10/02 № |»JH | 21:35:56.6 21:36:26.6 [£ |«J ©j j 21:36:56.6 Thiết Kế Hệ SCADA. .. chân: Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC Trang 34 Luận Văn Tốt Nghiệp WinCC Station WinCC Station 2 Giới 9 Pin Connector a Các chương • • • • • • • • • • • • Phần 3 Controller Controlle r 9 Pin Connector thiệu chương trình: khôi sử dụng trong trình: Khôi OB1: là khôi tổ chức chương trình, dùng để gọi các khôi khác: khối FBI, FC1, FC2 Khôi FBI: lập trình hoạt động cho 3 van cung cấp A, B, c ứng với 3 khôi... Khôi FC8: load giá trị của Timer động cơ vào ô nhớ MW30 Các khối FC10, FC11, FC12, FC13, FC14: xóa các ô nhớ chứa giá trị thời gian của các van và động cơ Các khối FC15, FC20, FC21, FC23: xóa các giá trị thể tích về 0 Khôi FC22: tính thể tích cần hiển thị Các khôi DB1, DB2, DB3: chứa dữ liệu cho 3 van cung cấp A, B, c tương ứng b Phần lập trình: Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC TrangìOl Luận Văn Tốt Nghiệp... Types Name ^ DIEUKHIEN 01/05/02 01/08/021 1 THOIGIANTHUCTHI Tag group ^ MD50 THETICH Tag group ~ t giatridat Floating-point sothung U nsigned 16-bit v ❖ Các tags trong nhóm tag”điều khiển”: Thiết Kế Hệ SCADA Dùng WinCC 01/08/02 0 MW40 12/18/01 1 num PLC 0 01 /05/02 0 Tag group Trang 13 Ç* Control Center - [An] File Edit View Editors Tools Help D *1 Name B ^ An HÜ I Para I Last change | Computer $11... có thể giám sát hoạt động của hệ thông trên máy tính mà không cần mồ hình thực tế thông qua phần giao diện này Nó bao gồm các I/O fi eld và các thanh Ba r giúp ta dễ dàng hình dung và quan sát giá trị của các bồn chứa C: \An_WinCC\G raCSVmohinh.pdl f Màn hình “Xem dữ liệu Các dữ liệu được quy ra thời gian để dễ dàng theo dõi thời gian hoạt động của các van và động cơ ứng với mỗi giá trị đặt khác nhau