ứng dụng hệ thống scada trong công nghệ sản xuất thép

Vậy nên vấn đề ứng dụng hệ thống SCADA vào qúa trình quản lý và điều khiển tự động trong các dây chuyền sản xuất hiện đại đang rất được quan tâm ở Việt Nam cũng như trên thế giới, với sự

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG Cán bộ nhận xét 1:

Cán bộ nhận xét 2:

Luận văn được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày , tháng 12, năm 2008

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Bách Khoa Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ và tên học viên: Lê Khánh Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24/03/1980 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên nghành: Tự Động Hóa

Khóa: 2006-2008

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng hệ thống SCADA trong công nghệ sản xuất thép

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sỹ đã được Hội Đồng Chuyên Nghành thông qua

TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt qúa trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn

sâu sắc về sự giúp đỡ qúy báu này

Tôi xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong Bộ Môn Điều Khiển Tự Động, các thầy cô đã dạy dỗ và giúp em có được kiến thức cần thiết để hoàn thành các học phần cao học, cảm ơn Thầy TS Trương Đình Châu, thầy đã dạy cho tôi môn học SCADA, để tôi có được những kiến thức như ngày hôm nay và cụ thể là qua những kết qủa Luận văn này đã phần

nào thể hiện

Đặt biệt, tôi xin cảm ơn lãnh đạo Công Ty Thép Tấm Lá Phú Mỹ đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành sản phẩm này, bên cạnh đó là sự trợ giúp, động viên to lớn về mặt vật chất cũng như tinh thần của gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn tốt nghiệp

TP.HCM, tháng 12 năm 2008

Học Viên Lê Khánh

MỤC LỤC LUẬN VĂN

*****

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất thép

1.1 Kỹ thuật sản xuất thép

1.2 Công nghệ sản xuất thép băng và thép lá cán nguội

Chương 2: Tổng quan về hệ thống scada hiện đại

2.1 Tổng quan về hệ thống scada hiện đại

2.1.1 Hệ thống SCADA

2.1.2 Các thành phần của hệ thống SCADA

2.1.3 Cơ chế thu thập dữ liệu

2.1.4 Xử lý dữ liệu

2.2 Cấu trúc hệ thống SCADA hiện đại

2.2.1 Cấu trúc phần cứng

2.2.2 Luồng thông tin trong hệ thống SCADA hiện đại

2.2.3 Cấu trúc phần mềm

2.2.4 Phần mềm điều khiển

2.2.5 Codesys cho MES

2.3 Chức năng, nhiệm vụ của các cấp trong hệ thống SCADA hiện đại 2.3.1 Chức năng, nhiệm vụ của cấp chấp hành

2.3.2 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều khiển (RTUs)

2.3.3 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát (MTUs)

2.3.4 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất (MES)

2.3.5 Chức năng, nhiệm vụ của cấp hệ thống dự án nguồn doanh nghiệp (ERP) 2.4 Mối liên hệ giữa các cấp trong hệ thống SCADA hiện đại

2.4.1 Mối liên hệ giữa cấp chấp hành và cấp điều khiển (RTUs)

2.4.2 Mối liên hệ giữa RTUs và cấp điều khiển giám sát (MTUs)

2.4.3 Mối liên hệ giữa MTUs và cấp điều hành sản xuất (MES)

2.4.4 Mối liên hệ giữa MES và cấp hệ thống dự án nguồn doanh nghiệp (ERP)

2.5 Quản lý và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống scada

2.6 I/O Driver vaØ OPC trong hệ thống SCADA

2.6.1 I/O Driver

2.6.2 OPC-OLE trong điều khiển qúa trình

2.7 Vai trò của người sử dụng

2.7.1 Người vận hành trực tuyến

2.7.2 Người điều hành sản xuất

Chương 3: Các gói giải pháp toàn diện của Wonderware

3.1 Đặt vấn đề

3.2 Tổng quan về Wonderware

3.2.1 Một số sản phẩm modules chính

3.2.2 Một số gói giải pháp trọn bộ

3.2.3 Truyền thông trong hệ thống SCADA

3.3 Các gói giải pháp toàn diện của Wonderware

3.3.1 Geo-SCADA

3.3.2 Gói giải pháp phần mềm MES & EMI

3.3.3 Gói giải pháp dành riêng cho các doanh nghiệp sản xuất thép

3.3.4 Ứng dụng gói giải pháp dành riêng cho các doanh nghiệp sản xuất thép tại

nhà máy sản xuất Nucor tại California _ Hoa Kỳ

Chương 4: Ưùng dụng của SCADA tại Công Ty Sản Xuất Thép

Tấm Lá Phú Mỹ

4.1 Các công đoạn sản xuất

4.1.1 Dây chuyền tẩy rửa

4.1.2 Dây chuyền cán nguội đảo chiều

4.1.3 Phân xưởng lò ủ

4.1.4 Dây chuyền cán và là nắn

4.1.5 Dây chuyền cuộn lại

4.1.6 Kiểm tra và thử nghiệm

4.2 Các đối tượng điều khiển

4.2.1 Valves

4.2.2 Motors

4.2.3 Bộ Điều Khiển PID

Chương 5: Mô hình thực nghiệm (CRM_COLD REVERSING

MILL)

5.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống (CRM)

5.1.1 Cấu trúc phần cứng của mô hình

5.1.2 Chức năng nhiệm vụ của các cấp

5.1.3 Phân tích quan hệ giữa các cấp trong hệ thống

5.2 Tổ chức qúa trình trao đổi dữ liệu (CRM)

5.2.1 Yêu cầu đặt ra

5.2.1 Trao đổi dữ liệu giữa cấp cảm biến/cơ cấu chấp hành với cấp điều khiển

cục bộ 5.2.2 Trao đổi dữ liệu giữa cấp điều khiển với cấp điều khiển giám sát

5.2.3 Trao đổi dữ liệu giữa cấp điều khiển giám sát với cấp điều hành sản xuất 5.2.4 Trao đổi dữ liệu giữa cấp điều hành sản xuất với cấp hệ thống dự án

nguồn doanh nghiệp 5.3 Xây dựng hệ thống phần mềm

5.3.1 Tổng quan hệ thống phần mềm

5.3.2 Xây dựng giao diện quản lý hệ thống

5.3.3 Xây dựng server dữ liệu thời gian thực (Realtime Data Server)

5.3.4 Chương trình kết nối dữ liệu thời gian thực

5.3.5 Xây dựng cơ sở dữ liệu quan hệ (Database Server)

5.3.6 Chương trình điều khiển thiết bị ngõ vào/ra

5.3.7 Chương trình giám sát, điều khiển trung tâm

5.3.8 Xây dựng webserver

5.3.9 Giao diện điều hành từ xa qua mạng Internet

Chương 6: Kết luận

6.1 Các kết qủa đạt được

6.1.1 Kết qủa sau qúa trình nghiên cứu

6.1.2 Kết qủa sau khi xây dựng giải pháp hệ thống công nghệ sản xuất thép

6.1.3 Kết qủa sau khi xây dựng phần mềm

6.2 Khả năng ứng dụng của luận văn

6.3 Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Danh Mục Các Chữ Viết Tắt

ADO: ActiveX Data Object

ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line

ANSI: American National Standard Institute

ASCII: American Standard Code for Information Interchange

AS-i: Actuator Sensor Interface

ASP: Active Server Page

ATM: Asynchronous Transfer Mode

CAN: Controller Area Network

COM: Component Object Model

CSDL: Cơ sở dữ liệu

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

DCOM: Distributed Component Object Model

DDE: Dynamic Data Exchange

DDEML: Dynamic Data Exchange Management Library

DHTML: Dynamic HyperText Markup Language

DLL: Dynamic Link Library

ERP: Enterprise Resource Planning

Ethernet: Là kiểu mạng cục bộ LAN, được chuẩn hóa trong IEEE 802.3

Fast Ethernet: Là phát triển tiếp theo của Ethernet, được chuẩn hóa trong IEEE 802.3u FDDI: Fibre Distributed Data Interface

FDL: Fieldbus Data Link (Lớp liên kết dữ liệu ở Profibus)

FMS: Fieldbus Message Specification

FTP: File Transfer Protocol – Giao thức truyền tải tập tin

GPS: Global Position System

HMI: Human Machine Interface

HTTP: HyperText Transfer Protocol – Giao thức truyền tải siêu văn bản

HTML: HyperText Markup Language

Hub: Là thiết bị dùng để kết nối mạng LAN

ID: Identify

IDL: Interface Definition language

IEC 61131-5: Chuẩn truyền thông giữa các PLC với nhau và PLC với thiết bị cấp trường IEC 1158-2: Là chuẩn truyền thông của Profibus

PA IEEE 802: Là chuẩn truyền thông mạng LAN

IEEE 802.3: Là chuẩn truyền thông cho mạng Ethernet

IEC/ISA DLL: International Electrotechnical Commission/The International Society of

Measurement and Control - Data Link Layer IIS: Internet Information Service

Industrial Ethernet: Mạng Ethernet công nghiệp

IP: Internet Protocol

IPX/SPX: Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange (cho Foundation

Fielbus)

ISP: Internet Service Provider

JSP: JavaServer Pages hay Java Scripting Preprocessor

LAN: Local Area Network

LLC: Logical Link Control

MAC: Medium Access Control

MAP: Manufactoring Massage ProtocoL

MES: Manufacturing Execution Sysem

Modem: Modulator - Demodulator

MTUs: Master Terminal Unit

NetDDE: Network Dynamic Data Exchange

NTSC: National Television System Committee (USA)

ODBC: Open Database Connectivity

OLE: Object Linking and Embedding

OLE DB: Object Linking and Embedding Database

OPC: OLE for Process Control

OPC-AE: OLE for Process Control - Alarms & Events

OPC-DA: OLE for Process Control - Data Access

OPC-DX: OLE for Process Control - Data eXchange

OPC-HAD: OLE for Process Control - Historical Data Access

OPC XML-DA:OLE for Process Control - XML Data Access

OSI: Open Systems Interconnection

PAL: Phase Alternating lines (Chuẩn của châu Âu và châu Úc)

PC: Personal Computer

PID: Proportional Integral Derivative

PHP: Hypertext Preprocessor

PLC: Programmable Logic Controller

Profibus - DP: Decentralize Periphery - fast data exchange

Profibus - PA: Process Automation - intrinsically safe environment

Profibus - FMS: Fieldbus Message Specification - peer to peer communication Radio: Sóng Radio

RJ45: Registered Jack 45

RS232: Chuẩn truyền thông nối tiếp

RS422: Chuẩn truyền thông nối tiếp với khoảng cách và tốc độ cao hơn

RS485: Chuẩn truyền thông nối tiếp chỉ dùng một đường dẫn

RTUs: Remote Terminal Units

SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

SDI: Single Document Interface

SOAP: Simple Object Access Protocol

SQL Server: Structured Query Language - Server

SQL: Structured Query Language

TCP: Transmission Control Protocol – Giao thức kiểm soát truyền dẫn

TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TDMA: Time Division Multiple Access

TSAP: Transport Service Access Point

UDP: User Datagram Protocol – Giao thức sơ đồ dữ liệu người dùng

USB: Universal Serial Bus

WAN: Wide Area Network

XML: Extensible Markup Language

XML-DA: Extensible Markup Language Data Access 10BASE2: Cáp đồng trục mỏng, chiều dài tối đa 200m

10BASE5: Cáp đồng trục dày, chiều dài tối đa 500m

10BASE-T: Cáp vặn xoắn, chiều dài tối đa 100m

10BASE-F: Cáp quang, chiều dài tối đa 2000m

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thực tế hiện nay cho thấy hầu hết các nhà máy đều được ứng dụng các dây chuyền tự động hóa như các nhà máy luyện kim, sản xuất thép, lọc dầu, xi măng, dược khoa, … Nhiều nhà máy nước ngoài có quy mô, công suất lớn hơn ở Việt Nam nên cũng cùng một thiết bị nhưng khi sử dụng tại nước ta lại không phù hợp, hoặc có những nhà máy tại Việt Nam áp dụng công nghệ bán tự động, điều khiển cơ khí, chỉ có những khâu quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm thì phải ứng dụng tự động hóa Ví dụ trong công nghiệp chế biến bia, khâu chiết và đóng chai cần phải tự động hóa Trong công nghiệp may mặc, trước kia chỉ sản xuất đơn chiếc, nay sản xuất theo dây chuyền, khi áp dụng tự động hóa sẽ xác định rõ sản phẩm bị lỗi và lỗi của ai, ngày giờ nào thông qua việc sử dụng hệ thống SCADA, hệ thống này liên kết các thiết bị hiện trường lại và đưa về trung tâm điều khiển Phần mềm điều khiển trung tâm có thể ghi nhận dữ liệu, điều khiển qúa trình, cung cấp dữ liệu cho các phần mềm ứng dụng quản lý khác

Vậy nên vấn đề ứng dụng hệ thống SCADA vào qúa trình quản lý và điều khiển tự động trong các dây chuyền sản xuất hiện đại đang rất được quan tâm ở Việt Nam cũng như trên thế giới, với sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin thì trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn phần mềm thiết kế giao diện và kế tiếp là các giải pháp tích hợp hệ thống các sản phẩm phù hợp nhu cầu sử dụng trong nước

Học viên đã tìm hiểu và nhận thấy viện nghiên cứu về lĩnh vực SCADA trước đây ở nước ta hiện nay đa phần chỉ tập trung vào các phần mềm phổ thông, mà cụ thể là dùng Win CC để thiết kế giao diện Việc lựa chọn phần mềm này có nhược điểm là chỉ thích hợp với những hệ thống có quy mô vừa và nhỏ, trong khi đó ở các nước phát triển thường sử

dụng các phần mềm chuyên dụng nên rất phù hợp với những nhà máy có quy mô lớn và đáp ứng được nhu cầu mở rộng sản xuất sau này

Nếu nhìn về tương lai thì những công nghệ mới trong SCADA sẽ tập trung vào:

- Web Technology, Active X, Java, …

- OPC được xem như một Module thứ ba, để thực thi giao tiếp nội giữa Client & Server modules

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Việc nghiên cứu, tìm hiểu bản chất của hệ thống SCADA, để từ đó cho ra đời các giải pháp phần mềm toàn diện cho mọi lĩnh vực thật sự xứng đáng để được quan tâmở môi trường Việt Nam cũng như toàn cầu

Nghiên cứu, phân tích

° Nghiên cứu và tìm hiểu cấu trúc hệ thống SCADA hiện đại,

° Phân tích các thành phần trong hệ thống SCADA hiện đại,

° Phân tích các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong hệ thống SCADA hiện đại

Ứng dụng

° Xây dựng cấu trúc hệ thống SCADA cho quy trình sản xuất thép,

° Tổ chức các phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp,

° Xây dựng các giải pháp phần mềm: Phần mềm đọc tín hiệu vào ra, phần mềm điều khiển các thiết bị của hệ thống, phần mềm quản lý_giám sát_điều khiển trung tâm,

° Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu,

° Giải pháp Internet

Xây dựng mô hình thực nghiệm

° Xây dựng cấu trúc phần cứng mô hình,

° Tổ chức phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong mô hình,

° Xây dựng giải pháp phần mềm cho mô hình: Phần mềm đọc các ngõ vào/ra, phần mềm điều khiển các thiết bị của mô hình, phần mềm quản lý_giám sát_điều khiển, ° Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu,

° Xây dựng WebServer

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ đã và đang rất cần được ứng dụng các thành quả của công nghệ điều khiển hiện đại, đó là lĩnh vực sản xuất thép Nhận thấy đây là một trong những lĩnh vực chủ lực của nền công nghiệp Việt Nam, học viên nghiên cứu, ứng dụng hệ thống SCADA để ứng dụng có hiệu quả vào trong lĩnh cực sản xuất thép, nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết ở Việt Nam ở hiện tại và cả tương lai sau này

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong luận văn này sẽ trình bày ứng dụng của hệ thống SCADA để ứng dụng có hiệu qủa vào qúa trình quản lý và điều khiển tự động công nghệ sản xuất thép ở Việt Nam, tìm hiểu mức độ phát triển hiện tại của SCADA trên thế giới và Việt Nam, riêng ở Việt Nam thì có xét đến ưu nhược điểm giữa các công ty trong việc ứng dụng hệ thống, nêu bật hai tiêu chí qúa trình quản lý và điều khiển tự động ứng với việc đưa SCADA lên Web Hệ thống mới đã được cải tạo, nâng cấp sẽ đáp ứng yêu cầu giảm chi phí nhân công, tăng năng suất đồng thới nâng cao khả năng tin cậy và tích hợp hệ thống

Sau đó, mô hình này sẽ được dùng để áp dụng vào dây chuyền công nghệ thực tế, các phương thức điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu sẽ được nghiên cứu ứng dụng, cuối cùng, tất cả các phương thức sẽ được áp dụng và kiểm chứng kết qủa điều khiển thời

gian thực trên mô hình thực tế là công đoạn cán nguội đảo chiều của công nghệ sản xuất thép

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

2.1.1 Hệ thống SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền

thống là một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ con người trong qúa trình giám sát và điều khiển từ xa

Tuy nhiên, trong thực tế có một số hệ thống vẫn thường được gọi là SCADA, mặc dù những hệ thống này chỉ thực hiện duy nhất một chức năng là thu thập dữ liệu

2.1.2 Các thành phần của hệ thống scada

Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau:

- Trạm điều khiển giám sát trung tâm: Gồm một hay nhiều máy chủ trung tâm

(Central Host Computer Server)

- Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Gồm các khối tiết bị vào/ra đầu cuối RTU

(Remote Terminal Units) hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành như: cảm biến cấp

trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các valve chấp hành, …

- Hệ thống truyền thông: Bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị

viễn thông và các thiết bị dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các

khối điều khiển và máy chủ, hệ thống truyền thông

- Giao diện người-máy HMI (Human-Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị

quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ

thống

2.1.3 Cơ chế thu thập dữ liệu

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với các RTU này Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong, các máy chủ quét các RTU với tốc độ chậm hơn để thu thập dữ liệu từ các RTU này, để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ

2.1.4 Xử lý dữ liệu

Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (Analog), dạng số (Digital) hay dạng xung (Pulse), giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ

thống điều khiển giám sát hoặc các tiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA

thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trong màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới

dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố, nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lý sau:

+ Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: Trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng

bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

+ Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết

kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ,… Do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng

khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động Offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra,…)

2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

2.2.1 Cấu trúc phần cứng

Có hai lớp cơ bản nổi bật trong hệ SCADA là: ”Lớp Client _ Client Layer” phục vụ cho tương tác người – máy và “Lớp quản lý dữ liện _ Data Server Layer” làm nhiệm

vụ xử lý hầu hết các hoạt động điều khiển dữ liệu tiến trình, lớp quản lý dữ liệu giao tiếp với các thiết bị ở cấp trường thông qua các bộ điều khiển tiến trình Các bộ điều khiển tiến trình như PLC được kết nối đến lớp quản lý dữ liệu một cách trực tiếp hoặc thông qua mạng hoặc các bus trường là các sản phẩm độc quyền (Siemens H1) hoặc không độc quyền (Profibus), lớp quản lý dữ liệu gồm các Data Servers liên kết với

nhau và nối với các trạm Client thông qua mạng Ethernet LAN

SITE MAP |

Hình 2.1: Cấu trúc phần cứng điển hình

Cấu trúc phần cứng của hệ thống SCADA hiện đại cho nhà máy sản xuất công nghiệp tiêu biểu được biểu diễn như hình vẽ sau:

Hình 2.2: Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và yêu cầu cao hơn về độ nhạy, thời gian phản ứng, mỗi chức năng ở cấp trên đều được thực hiện dựa trên các chức năng của cấp dưới, tuy nhiên không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin can trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chức năng cho cả hệ thống tự động hóa nói chung cũng như hệ thống truyền thông nói riêng của moat công ty

Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp truyền thông trong hệ thống, từ

cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “Bus” thường được dùng thay cho

“Mạng”, bởi vì các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu

Bus

Mô hình phân cấp chức năng sẽ giúp ích cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị, trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể hơi khác so với trình bày

ở nay, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc hệ thống cụ thể, trong trường hợp ứng dụng đơn giản, như điều khiển thiết bị đơn giản thì việc phân chia nhiều cấp là không cần thiết Ngược lại, việc tự động hóa mộ nhà máy lớn, hiện đại như điện nguyên tử, dầu khí, thì ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi tất cả các tiến trình công nghệ

2.2.2 Luồng thông tin trong hệ thống scada hiện đại

Luồng thông tin trong hệ thống SCADA hiện đại được biểu diễn như hình 2.3 sau:

Hình: Luồng thông tin trong hệ thống SCADA hiện đại

2.2.3 Cấu trúc phần mềm

Các sản phẩm phần mềm đa nhiệm và dựa trên cơ sở dữ liệu thời gian thực

(RTDB_Realtime DataBase) của một hay nhiều Servers, các servers làm nhiệm vụ thu

thập dữ liệu và xử lý (ví dụ: Điều khiển tuần tự, kiểm tra cảnh báo, tính toán, đăng nhập – đăng xuất và thực thi) theo bảng liệt kê thông số, điển hình bởi kết nối như hình

2.5 sau:

Hình 2.5: Cấu trúc tổng quát phần mềm hệ thống SCADA

Tuy nhiên, phần mềm này cho phép hiển thị các nhiệm vụ đặc biệt như dữ liệu lịch sử, đăng xuất–đăng nhập dữ liệu, xử lý cảnh báo, hình vẽ trên đây mô tả kiến trúc

phần mềm hệ SCADA tổng quát

Sản phẩn phần mềm cho hệ thống SCADA là hoạt động đa nhiệm và dựa trên cơ sở dữ liệu thời gian thực (Real-Time DataBase) được đặt trên một hay nhiều máy Server Những máy Server này có khả năng đáp ứng cho việc thu thập dữ liệu và các tham số điều khiển như: gọi vòng các bộ điều khiển, kiểm tra các cảnh báo, tính toán và ghi nhận dữ liệu Một cấu trúc phần mềm SCADA tiêu biểu được kết nối theo các khối như hình vẽ trên

Dữ liệu lấy từ phần cứng thông qua các I/O Driver (tùy thuộc loại phần cứng) hay thông qua OPC Server, dữ liệu sau khi lấy từ phần cứng về là dữ liệu thô, sau đó dữ

liệu được xử lý và cho vào khối dữ liệu thời gian thực, các chức năng ứng dụng trong SCADA Server lấy dữ liệu thông qua khối dữ liệu thời gian thực này

Trong SCADA Server cung cấp các khối để giao tiếp với các phần mềm ứng dụng khác thông qua cơ sở dữ liệu ODBC, trao đổi dữ liệu động DDE hay API/DLL, SCADA Server cung cấp dữ liệu cho SCADA Client

2.2.4 Phần mềm điều khiển

Có 2 dạng phần mềm SCADA

- Phần mềm độc quyền: Được xây dựng bởi các công ty phát triển phần mềm hoặc

các nhà sản xuất phần cứng, họ xây dựng sẳn các phần mềm đi kèm với các phần cứng của họ, và sau đó cung cấp cho khách hàng theo dạng chìa khóa trao tay

- Phần mềm mở: Do người dùng tự xây dựng bằng các công cụ lập trình phổ biến hay

chuyên dụng:

 Phần mềm lập trình phổ biến: C, C++, C#, VC++, VB, … và các hệ cơ sở dữ liệu như SQL Server, MSSQL, MSACCESS, Oracle, …

 Phần mềm chuyên dụng: Do các hãng lớn như CiTechnologies, Wonderware,

Advantech, Siemens, … cung cấp

2.5 Codesys cho MES

2.3 CÁC CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ CỦA CÁC CẤP TRONG HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

2.3.1 Chức năng, nhiệm vụ của cấp chấp hành

Cấp chấp hành bao gồm các cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu điều khiển (tín hiệu liên tục hay tín hiệu số) từ cấp điều khiển Các cảm biến ghi nhận trạng thái hiện tại của các thiết bị và phản hồi về các thiết bị điều khiển, các tính iệu chuẩn công nghiệp:

0÷5V; 0÷10V hay 0÷20mA; 4÷20mA, hoặc là các tín hiệu số

2.3.2 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều khiển (RTUs)

Cấp điều khiển RTUs có thể là PLC, hay là các bộ điều khiển nhiệt độ, bộ điều khiển PID, có các chức năng sau:

 Chức năng điều khiển: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị chấp hành thông qua

các cảm biến ở cấp chấp hành và thực hiện các thuật toán điều khiển thiết bị theo yêu cầu như thuật toán PID, logic mờ, …

 Chức năng thu thập dữ liệu: Thu thập thông tin, dữ liệu từ các thiết bị thuộc

cấp chấp hành, sau đó gửi những dữ liệu thu thập được lên cấp điều khiển giám sát

 Khả năng mở rộng: Có thể mở rộng các RTUs này thành một mạng RTUs,

ngoài ra các RTUs này còn có chức năng nhận lệng điều khiển từ cấp điều

khiển giám sát để điều khiển và xử lý cá thiết bị chấp hành

2.3.3 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát (MTUs)

Cấp điều khiển giám sát MTUs là cấp trung tâm của hệ thống SCADA bao gồm các bộ điều khiển PLC, các máy tính, … chứa phần mềm SCADA có chức năng điều khiển, quản lý, thu thập và lưu trữ tất cả các thông tin dữ liệu và hệ thống cơ sở thời gian thực (Realtime DataBase)

Khả năng mở rộng: Có thể kết nối nhiều MTUs lại với nhau tạo thành một hệ

thống MTUs theo chuẩn mạng công nghiệp hay mạng LAN (Ethetnet, Token ring, Token bus, …

2.3.4 Chức năng, nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất (MES)

MES là một hệ thống mạng máy tính kết nối theo LAN, WAN Làm nhiệm vụ quản lý nguồn tài nguyên của toàn bộ hệ thống, lập chương trình hoạt động, thu thập và lưu trữ dữ liệu (thu hập dữ liệu qúa trình từ cấp dưới), quản lý lao động, quản lý chất lượng, quản

lý qúa trình, quản lý bảo dưỡng máy móc thiết bị.Các chức năng của MES bao gồm:

° Quản lý và phân phối nguồn tài nguyên

° Mô tả qúa trình hoạt động và thiết lập chương trình chi tiết

° Quản lý những đơn vị sản xuất nhanh

° Quản lý tài liệu

° Thu thập dữ liệu

° Quản lý lao động

° Quản lý chất lượng sản phẩm

° Quản lý qúa trình hoạt động

° Quản lý công tác bảo trì, bảo dưỡng máy móc, thiết bị

° Theo dõi sản phẩm

° Tiến hành phân tích

2.3.5 Chức năng, nhiệm vụ của cấp ERP

ERP là cấo cao nhất trong hệ thống SCADA hiện đại, cũnfg bao gồm các máy tính nối mạng LAN, WAN Làm nhiệm vụ phân tích hoạt động kinh doanh, quản lý chiến lược phát triển, quản lý điều hành kinh tế, quản lý điều hành toàn bộ nhà máy, quản lý nguồn nhân lực

2.4 MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC CẤP ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

2.4.1 Mối liên hệ giữa cấp chấp hành và cấp điều khiển (RTUs)

2.4.1.1 Cấu trúc chung

Cấp chấp hành và cấp điếu khiển có cáu cấu trúc như hình sau:

Tùy vào loại bus sử dụng mà ta có được các cấu trúc và cách nối mạng tương ứng cho hai cấp này

4.1.2 Khái niệm bus trường, bus thiết bị

Bus trường (FieldBus) được dùng để kết nối:

 Các thiết bị chấp hành được kết nối với nhau,

 Hoặc các thiết bị chấp hành với các thiết bị chấp hành với thiết bị điều khiển,

 Hoặc nối các thiết bị cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau

Bus trường làm nhiệm vụ chuyển dữ liệu qúa trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành nên yêu cầu tính thời gian thực được đặt lên hàng đầu, thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm

vi từ 0.1ms tới vài ms, trong khi đó yêu cầu của lượng thông tin trong một bức điện chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, chính vì vậy tốc độ truyền thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s việc trao đổi thông tin về các biến qúa trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, chỉ có thông tin cảnh báo là có tính bất thường Để đảm bảo tính năng htời gian thực một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau đây:

- Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu

trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

- Tính tiền định: Dự đoán 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 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 hợo để kgông gây hại

thêm cho toàn bộ hệ thống

Ở đây học viên chọn PROFIBUS để kết nối, nên chỉ trình bày PROFIBUS

DP, PROFIBUS PA Ngoài ra, chúng ta còn có thể sử dụng các bus trường khác cho

hai cấp này như:- Modbus,- Foundation Fieldbus, - DeviceNet, - Interbus-S, - AS-I

2.4.1.3 Mạng ứng dụng PROFIBUS

 Mạng PROFIBUS-DP (Decentralize Periphery):

Cấu trúc mạng Profibus-DP

Xây dựng tối ưu để kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển, đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian thực trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường

Trao đổi dữ liệu này chủ yếu được thực hiện theo cơ chế chủ tớ, dịch vụ truyền thông được định nghĩa qua các chức năng DP cơ sở theo chuẩn EN 50170 Số trạm tối đa trong một mạng là 126 Profibus-DP chỉ thực hiện các lớp 1 và 2 trong mô hình OSI và sử dụng phương thức truyền thông không đồng bộ Các chuẩn truyền dẫn là RS485, RS-485-IS và cáp quang Truy cập bus DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Mater), hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master), sử dụng phương pháp Token-Passing và Master/Slave Dịch bụ truyền dữ liệu: thuộc 2 lớp trong mô hình OSI hay còn gọi là lớp FDL (Field Data Link)

 Mạng PROFIBUS-PA (Process Automation):

Cấu trúc mạng Profibus-PA

Profibus-PA là loại bus trường thích hợp với các hệ thống điều khiển yêu cầu cao về cháy nổ Cho phép nối mạng các thiết bị đo lường và điều khiển tự động bằng một cáp đôi dây xoắn duy nhất, sử dụng kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester-code Bus Powered) theo IEC 1158-2

Sử dụng tốc độ truyền cố định là 31.25 bits/s, Profibis-PA cho phép thực hiện bảo trì bảo dưỡng, thay thế khi vận hành Dịch vụ truyền dữ liệu: thuộc 2 lớp trong mô hình OSI (Open Systems Interconnection) hay còn gọi là lớp FDl (Fieldbus Data Link) Truy cập bus: Pa cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono-Master), hoặc nhiều trạm chủ (Multi-Master), sử dụng phương pháp Token-Passing và Master/Slave

 Mạng kết hợp PROFIBUS-DP và PROFIBUS-PA:

Cấu hình ghép nối Profibus-DP/PA

Do có cùng dịch vụ truyền dữ liệu thuộc 2 lớp trong mô hình OSI hay còn gọi là lớp FDL (Fieldbus Data Link), nên để tích hợp các đoạn mạng DP và PA ta có thể dùng các bộ chuyển đổi (PD/PA Link, DP/PA Coupler)

2.4.2 Mối liên hệ giữa cấp điều khiển (RTUs) và cấp điều khiển giám

sát (MTUs)

2.4.2.1 Cấu trúc chung

Cấp điếu khiển và cấp điều khiển giám sát có cáu cấu trúc như hình sau:

Tùy vào loại bus sử dụng mà ta có được các cấu trúc và cách nối mạng tương ứng cho hai cấp này

2.4.2.2 Bus hệ thống (Bus quá trình), bus điều khiển

Sử dụng bus hệ thống (System bus) hay bus qúa trình (Process Bus) để nối các bộ điều khiển với các máy tính cấp điều khiển giám sát, thông qua hệ thống Bus này mà cấp điều khiển phối hợp hoạt động đồng thời trao đổi và cung cấp dữ liệu cho cấp điều khiển giám sát, có thể gián tiếp thông qua các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ, cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ cấp đìeu khiển giám sát Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang, các trạm kỹ thuật, trạm thao tác, và các trạm chủ cũng trao đổi dữ

liệu qua bus hệ thống Ngoài ra các máy in báo cáo dữ liệu và lưu trữ cũng được kết nối qua mạng này, đối với bus hệ thống này tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường, tốc độ truyền tiêu biểu của hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s do yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nố dễ dàng nhiều loại máy tính

Ở đây học viên chọn Industrial Ethernet để kết nối, nên chỉ trình bày Industrial Ethernet Ngoài ra, chúng ta còn có thể sử dụng các bus trường khác cho hai cấp này như:

- PROFIBUS – FMS,- Modbus Plus, - Fieldbus Foundation’s High Speech Ethernet

2.4.2.3 Mạng ứng dụng Ethernet (Ethernet/IP, PROFInet, High-Speech

Ethernet)

Cấu trúc mạng Ethernet

Ethernet là một mạng LAN được sử dụng rộng rãi hiện nay cho việc liên kết

2 cấp điều khiển (RTUs) và cấp diều khiển giám sát (MTUs), Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu) vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó tập giao thức TCP/IP là tập giao thức được sử dụng phổ biến nhất, tuy vậy các nhà cung cấp sản phẩm có thể thực hiện giao thức riêng hay theo theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sở Ethernet

Kiến trúc giao thức của Ethernet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802, lớp liên kết dữ liệu được chia thành 2 lớp con là lớp LLC (Logical Link Control), cấu trúc mạng, kỹ thuật truyền dẫn: Ethernet có cấu trúc Bus, cấu trúc mạng vật lý có thể là đường thẳng hay hình sao tùy theo phương tiện truyền dẫn, có 4 loại cáp được sử dụng phổ biến đó là:

 10BASE: Cáp đồng trục dày, chiều dài tối đa 500m, số trạm tối đa 100, màu

vàng, tốc độ truyền tối đa 10 Mbit/s, phương pháp truyền tải dải cơ sở

 10BASE2: Cáp đồng trục mỏng, chiều dài tối đa 200m, số trạm tối đa 30, card

giao diện mạng được nối với cáp đồng trục thông qua bộ nối thụ động BNC hình chữ T

 10BASE-T: Cáp dây xoắn, chiều dài tối đa 100m, số trạm tối đa 1024

 10BASE-F: Cáp quang, chiều dài tối đa 2000m, số trạm tối đa 1024, Ghép nối

duy nhất là điểm–điểm, cấu trúc mạng có thể là daisy – chain, hình sao hoặc hình cây

 Bộ nối dọi là vòi hút (vampire) đóng vai trò như một bộ thu phát (trasceiver), thực hiện cấu trúc bus, tuy nhiên các lỗi như đứt cáp, lòng bộ nối khó phát hiện

vì thế phương pháp tin cậy hơn là sử dụng cấu trúc hình sao với bộ chia (Hub) hay bộ truyền mạch (Switch), cấu trúc này thường được áp dụng đối với đôi dây xoắn nhưng cũng áp dụng được với cáp đồng trục (như Industrial Ethernet)

 Trong nhiều trường hợp ta có thể phối hợp nhiều loại cáp trong một mạng Ethernet, các hệ thống theo chuẩn 802.3 sử dụng chế độ truyền đồng bộ với mã Manchester, mức tín hiệu với môi trường cấp điện là +0.85V và -0.85V, tạo mức trung hòa là 0 V

Cơ chế giao tiếp

 Sự phổ biến có được của Ethernet là tính năng mở, thứ nhất, Ethernet chỉ quy định lớp vật lý và lớp MAC, cho phép các hệ thống khác nhau thực hiện các

giao thức và dịch vụ phía trên, thứ hai, phương pháp truy cập bus ngẫu nhiên CSMA/CD không yêu cầu các trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, nên có thể bổ sung hay tách một trạm ra mà không ảnh hưởng đến phần mạng còn lại, thứ ba, việc chuẩn hóa sớm trong IEEE 802.3 giúp cho các nhà cung cấp sản phẩm thực hiện dễ dàng hơn

 Trong một mạng Ethernet không kể tới bộ chia hay bộ chuyển mạch thì tất cả các trạm đều bình đẳng như nhau, mỗi trạm (module giao diện mạng, card mạng) có một địa chỉ Ethernet riêng biệt thống nhất toàn cầu, việc giao tiếp giữa các trạm được thực hiện thông qua các giao thức phía trên như NetBUI, IPX/SPX hay TCP/IP

Truy nhập bus

Phương pháp truy cập bus ngẫu nhiên CSMA/CD, mạng Ethernet bao gồm các loại mạng như sau: Mạng LAN 802.3 chuyển mạch, Fast Ethernet, High Speech Ethernet, Industrial Inthernet, mạng Industrial Ethernet là mạng quản lý ở cấp độ cell sử dụng kỹ thuật băng cơ sở (Baseband) thích hợp với chuẩn IEEE 802.3 và sử

dụng giao thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

Các ưu điểm của mạng Industrial Ethernet:

 Là mạng tối ưu cho các thiết bị trong công nghiệp, có hiệu qủa cao ngay với mạng có nhiều nút và khoảng cách lớn,

 Truyền dữ liệu an toàn, không gây nhiễu do các thiết bị đảm bảo phù hợp với môi trường công nghiệp,

 Chi phí thấp do giảm chi phí lắp đặt,

 Là mạng công nghiệp hàng đầu trên thế giới,

 Cùng tồn tại với các ứng dụng Ethernet: mạng Novell, mạng LAN, mạng TCP/IP,

…

Các khái niệm mạng Industrial Ethernet cung cấp thêm

 Khái niệm về cơ chế dư thừa,

 Kiểm tra và chẩn đoán lỗi,

 Có khả năng lập trình từ xa,

 Truy cập tới PC và các mạng trên toàn thế giới,

 Thích hợp trong môi trường công nghiệp,

 Quản lý mạng (SNMP)

2.4.3 Mối liên hệ giữa cấp MTUs và cấp MES

2.4.3.1 Cấu trúc chung

Cấp điếu khiển giám sát và cấp điều hành sản xuất (MES) có cáu cấu trúc như hình sau:

Cấu trúc mạng cấp giám sát và cấp chấp hành

Tùy vào loại bus sử dụng các thiết bị nào mà ta có được các cấu trúc và kết nối mạng tương ứng cho hai cấp này, sau đây mạng xí nghiệp tiêu biểu

2.4.3.2 Khái niệm mạng xí nghiệp

Mạng xí nghiệp là một mạng LAN làm nhiệm vụ kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành MES với cấp điều khiển giám sát, thông tin được đưa lên từ cấp điều khiển giám sát bao gồm trạng thái làm việc của các qúa trình kỹ thuật, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến qúa trình sản xuất và chất lượng sản phẩm, … Theo thông tin chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều

khiển và mệnh lệnh điều hành, … Ngoài ra thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất với nhau, như hỗ trợ làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án hay sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (như máy chủ, máy khách, máy in, …), khác với các hệ thống ở cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực

Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte, các loại mạng được dùng phổ biến cho việc trao đổi dữ liệu giữa cấp điều khiển giám sát và cấp điều hành sản xuất

Ở đây học viên chọn Ethernet, Token-Ring, trên cơ sở giao thức như TCP/IP

để kết nối Ngoài ra, chúng ta còn có thể sử dụng các bus trường khác cho hai cấp

này như:- Internet,- Radio, - GPS.

24.4 Mối liên hệ giữa cấp MES và cấp ERP

2.4.4.1 Cấu trúc chung

Cấp điều hành sản xuất (MES) và cấp quản lý công ty (ERP) có cáu cấu trúc như hình sau:

2.4.4.2 Khái niệm mạng công ty

Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống SCADA hiện đại, đặc trưng của mạng công ty này gần với một mạng máy tính diện rộng nhiều

hơn trên các phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật

Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ với các khách hàng như thư điện tử, thư viện điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, … Hình thức tổ chức ghép nối mạng cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty Trong nhiều trường hợp mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt Mạng công ty có vai trò như một một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy

Ở đây học viên chọn Fast Ethenet để kết nối, nên chỉ trình bày Industrial Ethernet Ngoài ra, chúng ta còn có thể sử dụng các bus trường khác cho hai cấp này

như:- FDDI,- ATM

2.4.4.3 Mạng ứng dụng Fast Ethernet

2.5 QUẢN LÝ VÀ LƯU TRỮ DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG SCADA

Trong thực tế một hệ thống SCADA luôn đòi hỏi chúng ta phải quản lý và lưu trữ một lượng dữ liệu lớn, chính vì thế khi thiết kế ta cần xem xét đến việc thiết kế hệ thống

cơ sở dữ liệu như thế nào và quản lý làm sao, hầu hết các hãng đều cung cấp các phần mềm chuyên dụng để xây dụng hệ thống SCADA đều có thể kết hợp trong việc lưu trữ, truy xuất và thao tác với các hệ cơ sở dữ liệu như SQL, Server, Oracle, Microsoft Access, DB2, Informix, FoxPro, … Ngoài ra các hãng phần mềm SCADA lớn cũng xây dựng những hệ cơ sở dữ liệu cho các sản phẩm phần mềm của mình như với hãng Wonderware thì có IndustrialSQL ServerTM (InSQL Server), còn Siemens thì có thể kết hợp với hệ cơ sở dữ

liệu SQL Server 2000, … nói chung hầu hết các hãng đều có hỗ trợ hệ cơ sở dữ liệu của Microsoft Có hai loại dữ liệu trong hệ thống SCADA mà chúng ta cần quan tâm đó là:

- Cơ sở dữ liệu quan hệ (relation Database): Đó chính là SQL Server, Oracle, Microsoft

Access, BD2, Informix, FoxPRO, … cho phép ta xây dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu cho toàn bộ hệ thống và thường nằm ở cấp Điều khiển giám sát trở lên nhằm mục đích quản lý,

lưu trữ và chia sẽ dữ liệu với các phòng ba khác nhau

- Cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database): Đó chính là Server dữ liệu thời gian

thực như OPC Server, ta có thể truy suất dữ liệu thời gian thực bên trong OPC Server của hệ thống thông qua các chuẩn trao đổi dữ liệu thời gian thực như: OPC-DA (data Access), nó cung cấp truy xuất dữ liệu thời gian thực, chúng ta có thể truy vấn (query) đến các kiểu dữ liệu điều khiển qúa trình từ OPC-DA Server Server dữ liệu thời gian thực thường nằm ở cấp điều khiển giám sát trở xuống đó là trung tâm cho các cấp phía trên có thể truy xuất dữ liệu thời gian thực của hệ thống

6 I/O DRIVER VÀ OPC TRONG HỆ THỐNG SCADA

6.1 Giới thiệu về I/O Driver

6.1.1 Giới thiệu về I/O Driver

Thông tin giữa phần mềm SCADA và thiết bị phần cứng (hệ thống tự động AS) trong công nghiệp được trao đổi qua lại bằng đơn vị Tag Tùy vào số lượng Tag này mà chúng ta có thể đánh giá hệ thống là lớn hay nhỏ

Tag được xem như một biến phần mềm, được dùng để chứa giá trị của biến qúa trình được đọc về từ phần cứng hay để ghi giá trị đến phần cứng, mỗi thiết bị phần cứng có một cách đọc/ghi các Tag này theo cách đặc thù riêng, một cơ cấu phần mềm để đọc, ghi các Tag này là I/O Driver, I/O Driver là một phần tử phần mềm cài đặt liên kết phần cứng AS và Tag trong SCADA, thông thường phần mềm

SCADAcho phép nhiều I/O Driver hoạt động cùng một lúc kết nối đến nhiều hệ thống tự động AS

Vị trí của I/O Driver được thể hiện trên hình vẽ sau:

Hình 3.3: Vị trí của I/O Driver

6.2 Giới thiệu về OPC (OLE for Process Control)

6.1.1 Nguyên tắc cơ bản của OPC

OPC là chuẩn trao đổi dữ liệu dựa trên cơ chế Client/Server, vị trí của OPC trong hệ thống SCADA như hình vẽ sau:

Application OPC I/F ServerOPC

OPC I/F SCADASystem

Physical I/F

Physical I/F PhysicalI/O

Physical I/O

Hình : Chuẩn OPC trong hệ thống SCADA

Thông qua phần mềm SCADA HMI các OPC Client được kết nối tới OPC Server thông qua mạng LAN để trao đổi dữ liệu với nhau làm nhiệm vụ trao đổi dữ liệu trong hệ thống thông tin công nghiệp

6.1.2 Kiến trúc OPC

OPC có cấu trúc Client/Server như hình vẽ sau:

OPC Server B OPC Server

A

OPC Server C

Application X

OPC Client

Application Y

OPC Client

Hình : Kiến trúc OPC

Các ứng dụng của OPC Clients có thể là Display Aplication, Trend Aplication hoặc Report Aplication OPC có hai thành phần quan trọng, thứ nhất là OPC Server làm nhiệm vụ quản lý toàn bộ dữ liệu của các thiết bị thu thập dữ liệu như PLC, I/O, RTUs, … thứ hai là OPC Group làm nhiệm vụ sắp xếp các Items thành từng nhóm để tiện cho việc truy cập

Với việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng trong qúa trình xây dựng một hệ thống điều khiển SCADA, ta luôn có thể tổ chức quá trình trao đổi dữ liệu dùng OPC

6.1.3 Các chuẩn OPC

OPC gồm các chuan sau:

Wonderware là tập đoàn sản xuất phần mềm, cung cấp giải pháp tự động hóa lớn nhất thế giới của Hoa Kỳ, được thành lập vào cuối năm 1986, đến nay Wonderware chiếm lĩnh 26% thị trường phần mềm công nghiệp trên toàn cầu Hằng ngày có 33% các nhà máy

lớn trên thế giới sử dụng các sản phẩm của Wonderware cho các hoạt động sản xuất và

kinh doanh của họ, các sản phẩm của Wonderware bao gồm các giải pháp và các module

sau:

2.1 Một số sản phẩm modules chính

1-Intouch: Module thiết kế giao diện người máy HMI (Human Machine Interface),

cho phép người vận hành quan sát trực quan những hoạt động đang diễn ra trong nhà máy trên màn hình máy tính

2-Wonderware Historian: Module thu thập dữ liệu từ sàn nhà máy vào máy tính chủ

Server trên nền MS SQL, để chia sẻ thông tin cho các phòng ban Module này có

khả năng nén tới 80% dữ liệu, giảm thiểu gánh nặng về phần cứng cho hệ thống và khả năng kết nối dự phòng với các bộ điều khiển để tránh mất thông tin trong các trường hợp kết nối bị lỗi

3-Wonderware Analyst and Roporting: Module phân tích và lập báo cáo từ cơ sở dữ

liệu Wonderware Historian, Module này cho phép các nhà quản lý có được thông tin, báo cáo trung thực theo thời gian thực, để có được những quyết định kịp thời và những kế hoạch sản xuất hợp lý

4-Information Server: Module cho phép người vận hành, nhà quản lý theo dõi thông

tin sản xuất trên Website ở chế độ thời gian thực, “Ở đâu có Internet, ở nơi đó bạn

có thể giám sát được nhà máy”, là khẩu hiệu của Wonderware.

2.2 Một số gói giải pháp trọn bộ

Các gói giải pháp toàn diện của wonderware:

1-Geo-SCADA (Geograhically Distributed – Supervisory Control And Data

Acquisition) Là gói SCADA dàng cho các nhà máy xử lý nước thải, nghành phát

điện, truyền tải điện năng, dầu khí, vận tải, và truyền thông, …, với tính năng dễ sử

dụng, dễ thi hành

2-MES & EMI (Manufacturing Execution System & Enterprise Manufacturing

Intelligence) là gói giải pháp phần mềm tổng thể dành cho các nhà máy sản xuất

thức ăn, đồ uống, dược phẩm, hóa phẩm, hóa dầu, …

3-Gói giải pháp dành riêng cho công nghệ sản xuất thép

Các giải pháp phần mềm bổ sung của wonderware:

- Supervisory HMI Software Solutions _ Wonderware còn cung cấp thêm các giải

pháp phần mềm HMI giám sát, có thể mở rộng lên đến một triệu I/O và giảm đáng kể chi phí chu kỳ sống của hệ thống

- Production and Performance Management Software Solutions _ Thêm vào đó, Wonderware cung cấp các giải pháp quản lý cấu hình và sản phẩm, các giải pháp này được thiết kế để tăng cường tính năng hoạt động và giảm chi phí tổng

Những giải pháp này cung cấp những tính năng đồng nhất, có thể giúp ích cho các công ty dễ dàng thực thi một giải pháp SCADA hoàn toàn mới hoặc nâng cấp hệ thống SCADA hiện hành, những tính năng này là:

- Đơn giản và hiệu qủa, giải pháp phần mềm mở đối với hệ thống SCADA

- Các ứng dụng SCADA mở, rất thực tế và hiệu qủa

- Có sẵn phần mềm dự phòng

- Hỗ trợ kiến trúc AchestrA để dễ dàng trong mô tả tiến trình, quản trị và bảo mật

hệ thống tương thích với hệ thống bảo mật IT hiện hành

- Cho phép người dùng thiết kế, xây dựng, triển khai và bảo trì các ứng dụng hệ

SCADA chuẩn

- Chi phí tổng thấp cho chu kỳ làm việc của hệ thống.

3.3 Gói giải pháp dành riêng cho các doanh nghiệp sản xuất thép

Wonderware có riêng một gói giải pháp phần mềm tự động hóa dành cho các nhà máy thép, gói phần mềm này dựa trên kiến trúc ArchestrA dùng các phần mềm Industrial System Platform để kết nối với các bộ điều khiển, PLC và tích hợp với hệ thống sẵn có để

trao đổi thông tin, thu thập dữ liệu vào Module Historian cho mục đích chuẩn hóa cơ sở dữ liệu và chia sẻ thông tin sản xuất, InTouch để theo giõi, giám sát và điều khiển, Analyst

and Reporting cho báo cáo, xử lý theo thời gian thực và Information Server cho việc thu

thập dữ liệu và báo cáo từ xa

Hình 1: Mô hình ArchestrA _ Giám sát, điều khiển của Wonderware