đồ án kỹ thuật viễn thông giải pháp xây dựng một hệ SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống mạng SIMATIC của Siemens, đồng thời áp dụng cụ thể cho các kho chứa LPG

LỜI CAM ĐOAN Thiết kế luận văn này do tôi tự thực hiện bằng chính khả năng của mình. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối bản luận văn, tôi đảm bảo không sao chộp cỏc công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của người khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về những nội dung đã trình bày trong bản luận văn. Người cam đoan MỤC LỤC TRANG PHỤ BèA ……………………………………………………………1 LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………2 MỤC LỤC ……………………………………………………………………3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……………………….6 DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ …………………………………… 7 MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….10 Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát …………………….12 1.1 Tính thời sự, khoa học, thực tiễn của vấn đề cần nghiên cứu ……….12 1.2 Ứng dụng hệ thống điều khiển giỏm sỏt…………………………… 14 1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ……………………… 14 1.3.1. Mục tiêu của đề tài…………………………………………….14 1.3.2. Nội dung của đề tài ………………………………………… 15 1.3.3. Bố cục luận văn……………………………………………….16 1.4 Mô hình phân cấp và cấu trúc hệ thống điều khiển…………………17 1.4.1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển ………………… 17 1.4.2. Mô hình phân cấp chức năng………………………………….18 1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển…………………………… 21 1.4.4. Phân loại các hệ thống điều khiển ……………………………24 1.4.5. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp……………………25 Chương 2: Cơ sở lý thuyết truyền thông………………………………… 27 2.1 Chế độ chuyền tải ………………………………………………… 27 2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp ………………… 28 2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ ………………………….29 2.3 Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn ……….29 2.4 Truyền tải dải cơ sở dải mang và giải rộng …………………30 2.2 Các thành phần của mạng…………………………………………….31 2.1. Đường truyền vật lý ………………………………………… 31 2.2. Cấu trúc mạng…………………………………………………32 2.3. Giao thức mạng ……………………………………………….36 2.4. Phân loại mạng ……………………………………………… 38 2.3 Các phương pháp truy cập mạng …………………………………… 39 2.1 CSMD/CD …………………………………………………… 39 2.2 Master/Slave………………………………………………… 40 2.3 Token passing…………………………………………………40 2.4 Kết nối mạng………………………………………………………… 41 2.1 Phương tiện kết nối …………………………………………….46 2.2 Thiết bị liên kết mạng………………………………………… 47 2.5 Mạng truyền thông công nghiệp của siemens……………………… 49 2.1 Mạng nhiều điểm (MPI)……………………………………… 49 2.2 Mạng profibus……………………………………………… 50 2.3 Mạng công nghiệp ( Industrial Ethernet )…………………….54 2.4 Mạng giao diện điểm tới điểm ( PPI)……………………… 56 2.5 Mạng cảm biến cơ cấu chấp hành ……………………………57 2.6 Mạng SINEC L2…………………………………………… 58 Chương 3 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG………………….60 3.1 Hệ thống quản lý kho cảng LPG …………………………………… 60 2.1 Giới thiệu tổng quan về LPG ………………………………… 60 2.2 Cấu trúc tự động hóa kho cảng LPG………………………… 61 2.3 Qui trình hoạt động của kho chứa LPG……………………… 64 3.2 Các yêu cầu về hệ thống tự động điều khiển giám sát kho chứa LPG 67 2.1 Yêu cầu chung………………………………………………… 67 2.2 Yêu cầu về hệ thống đo lường……………………………… 67 2.3 Yêu cầu bài toán công nghệ xuất nhập LPG…………………69 2.4 Yêu cầu hệ thống điều khiển giám sát xuất nhập LPG………70 2.5 Yêu cầu hệ thống đóng mở van an toàn khi có sự cố ……….70 2.6 Tủ điều khiển trung tõm…………………………………… 71 3.2 Một số hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG…………………72 2.1 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng của hãng Varec……….72 2.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển hãng SAAB tank(Emerson) ………………………………75 Chương 4 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG…… 80 4.1 Phân tích lựa chọn giải pháp hãng siemens………………………… 80 4.1.1 Giới thiệu hãng sản xuất tự động hóa Siemens……………… 80 4.1.2 Phân tích lựa chọn giải pháp và thiết bị hãng siemens…………83 4.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển giám sát kho chứa LPG……………… 85 2.1. Các thành phần hệ thống……………………………………… 85 2.2. Thiết lập cấu hình hệ thống sử dụng phần mềm Step7 ……… 97 4.3 Xây dựng phần mềm………………………………………………… 102 4.3.1 Yêu cầu công nghệ quá trình điều khiển xuất nhập…………….102 4.3.2 Yêu cầu về giám sát hệ thống LPG…………………………… 105 4.3.3 Qui trình xây dựng giao diện phần mềm WinCC……………….105 4.1 Xây dựng giao diện mô phỏng hệ thống LPG……………………… 113 4.4.1 Phần mềm mô phỏng PLCsim………………………………… 113 4.4.2 Mô tả hoạt động chương trình điều khiển giỏm sỏt…………… 114 Chương 5 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet… 121 5.1 Đặt vấn đề …………………………………………………………… 121 5.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển qua mạng internet……………….124 5.2.1 Giao thức mạng internet……………………………………… 124 5.2.2 Mô hình phân lớp địa chỉ internet…………………………… 125 5.2.3 Kiến trúc mạng internet……………………………………… 126 5.2.4 Định tuyến trong mạng internet……………………………… 127 5.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng…………………… 129 2.4 Thiết lập chương trình điều khiển giám sát qua mạng internet……… 130 KẾT LUẬN ………………………………………………………………… 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 136 PHỤ LỤC………………………………………………………………………137 Danh mục cỏc kớ hiệu và chữ viết tắt ADSL Asymetric Digital Subscriber line ASI Actual sensor interface ATM Asynchronous Transfer Mode BMS Building managerment system CP Comunication process CSMA/CD Carrier Sence Multiple Access/ Collision Detection DCS Distributed control System ESD Emergency shutdown FBM Field bus modem FCU Field communication unit IP Internet protocol LAN Local area network LLC Logical link control LPG Liquidfied petrol gas MAC Media Access Address MAN Metropolitan Area Network MPI Multiple point interface MST Multiple spot temperature OPC OLE process control OSI Open System Interconnection PID Proportion intergrate derivative PLC Programble logic control PPI Point to point interface QCS Quality control system RDU Remote display unit RTU Remote terminal unit SCADA Supervisory STP Shield twist pair UHF High frequency UTP Unshied twist pair VHF Very high frequency WAN Wide area network Danh mục các bảng Bảng 2.1: Bảng kết hợp dịch vụ và kiểu truyền thụng……………………… 43 Bảng 2.2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485…………………… 44 Bảng 2.3: Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS……………………………53 Bảng 2.4: Dữ liệu kỹ thuật của IE……………………………………………56 Bảng 2.5: Dữ liệu kỹ thuật của các bộ điều khiển……………………………58 Danh mục các hình vẽ Hình 1.1: Phân cấp chức năng hệ thống………………………………… 19 Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung…………………………………… 21 Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền………………………………… 22 Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán…………………………………… 23 Hình 2.1: Chế độ truyền tín hiệu…………………………………………… 29 Hình 2.2: Cấu trúc dạng bus………………………………………………… 34 Hình 2.3: Cấu trúc dạng mạch vòng……………………………………… 34 Hình 2.4: Cấu trúc mạng hình cây………………………………………… 35 Hình 2.5: Cấu trúc hình sao………………………………………………… 35 Hình 2.6: Mô hình OSI 7 lớp…………………………………………………37 Hình 2.7: Các phương pháp truy nhập đường truyền……………………… 39 Hình 2.8: Các kiểu kết nối 42 Hình 2.9: Kết nối giữa các module………………………………………… 43 Hình 2.10 : MPI Subnetwork……………………………………………………… 49 Hình 2.11: Phương pháp truy nhập đường dẫn…………………………… 51 Hình2.12: Kết nối điểm tới điểm…………………………………………….56 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa…………………………… 62 Hình 3.2: Sơ đồ P&ID hệ thống…………………………………………… 66 Hình 3.3: Giải pháp hệ thống điều khiển giám sát của Varec……………….72 Hình 3.4: Giải pháp hệ thống đo bồn chứa của SAAB TANK…………… 75 Hình 4.1: CPU 315-2PN/DP……………………………………………… 86 Hình 4.2: Module đầu vào tương tự………………………………………….88 Hình 4.3: Module đầu ra số………………………………………………… 88 Hình 4.4: Switch chuyển mạch………………………………………………89 Hình 4.5: Thiết bị đo mức bằng Radar………………………………………90 Hình 4.6: Cấu trúc bộ transmitter radar…………………………………… 91 Hình 4.7: Thiết bị đo nhiệt độ……………………………………………… 92 Hình 4.8: Bộ hiển thị tại chỗ…………………………………………………93 Hình 4.9: Thiết bị đo khối lượng massflow………………………………….94 Hình 4.10: Sensor đo khối lượng massflow………………………………….95 Hình 4.11: Van điều khiển xuất nhập……………………………………… 96 Hình 4.12: Khởi tạo chương trình step7…………………………………… 98 Hình 4.13: Cấu hình trạm điều khiển PLC………………………………… 99 Hình 4.14: Cấu hình thiết bị đo Radar………………………………………100 Hình 4.15: Cấu hình thiết bị đo Massflow………………………………… 101 Hình 4.16: Cấu hình mạng Ethernet……………………………………… 102 Hình 4.17: Lưu đồ thuật toán nhập LPG…………………………………….103 Hình 4.18: Lưu đồ thuật toán xuất LPG…………………………………… 104 Hình 4.19: Mô hình PLCsim mô phỏng hệ thống………………………… 113 Hình 4.20: Trang giao diện tổng quan hệ thống…………………………… 114 Hỡnh 4.21:Mô tả xuất LPG tự động…………………………………………115 Hình 4.22: Trang giao diện khu cầu cảng……………………………………116 Hình 4.23: Đồ thị trends và cảnh báo khu cầu cảng…………………………117 Hình 4.24: Chế độ xuất nhập thủ công………………………………………117 Hình 4.25: Trang giao diện khu bồn 1……………………………………….118 Hình 4.26: Trang giao diện khu bồn 2……………………………………….119 Hình 4.27: Trang giao diện khu họng xuất………………………………… 119 Hình 4.28: Đồ thị trends và cảnh báo khu họng xuất……………………… 120 Hình 5.1: Biểu diễn liên kết hai mạng……………………………………….127 Hình 5.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng…………………129 Hình 5.3: Cấu hình Webnavigator………………………………………… 131 Hình 5.4: Xây dựng các trang đồ họa qua web………………………………131 Hình 5.5: Mô hình liên kết IIS……………………………………………….132 Hình 5.6: Giao diện SCADA tổng quan qua web………………………… 133 Hình 5.7: Giao diện SCADA khu cầu cảng qua web……………………….133 Hình 5.8: Giao diện SCADA khu bồn chứa qua web……………………….134 Hình 5.9: Giao diện SCADA khu họng xuất qua web………………………134 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển và kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ thông tin với mạng công nghiệp trong những năm gần đây đã mang lại hướng đi mới cho các giải pháp tự động hoá, và tạo ra sự chuyển biến tích cực trong mọi ngành kinh tế quốc dân. Trong số các hệ thống tích hợp tự động hoá nói chung, hệ SCADA chiếm vị trí đặc biệt quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển ưu việt các quá trình công nghệ sản xuất. Việc xây dựng và kế thừa dựa trên các thành tựu của kỹ thuật truyền thông, kỹ thuật vi xử lý và công nghệ phần mềm đã tạo điều kiện cho cỏc hóng tự động hoỏ trờn thế giới đưa ra nhiều hệ thống mạng rất tối ưu và hiện đại như của SIEMENS, ALLEN-BRADLEY, MOTOROLA, HONEYWELL,… Trên thế giới, các hệ thống này đã được áp dụng rộng rãi và hiệu quả vào các ngành điện lực, dầu khí, hoá chất, xăng dầu, khí tượng thuỷ văn, hệ thống cung cấp nước, giám sát ô nhiễm môi trường v.v. Hiện nay, xu hướng xây dựng một hệ SCADA diện rộng có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực và mở rộng trên phạm vi cả nước, thậm chí khu vực đang là mục tiêu chính cho các nhà tích hợp giải pháp. Với sự phát triển không ngừng, các hệ thống SCADA hiện đại không chỉ dừng lại ở phạm vi giám sát thuần tuý mà còn có khả năng chẩn đoán sự cố và cách khắc phục dựa trên các số liệu thu thập được. Với nước ta, việc áp dụng hệ thống SCADA là xu thế tất yếu của các ngành kinh tế trọng điểm quốc gia gồm điện lực và dầu khí. Các hệ thống SCADA cho thuỷ lợi, khí tượng thuỷ văn và môi trường hiện nay là vấn đề đang được đặt ra một cách cấp thiết. Theo định hướng phát triển đó, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp xây dựng một hệ SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống mạng SIMATIC của Siemens, đồng thời áp dụng cụ thể cho các kho chứa LPG. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn - TS. Nguyễn Văn Khang - Người đó luụn động viên, chỉ bảo và hướng dẫn tận tình để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Xin cảm ơn công ty PETECARE đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em trong suốt thời gian làm đề tài. Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Sinh viên CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT [...]... Simatic ca siemens Trỡnh by v h thng iu khin giỏm sỏt kho cng LPG Trong phn ny s tỡm hiu tng quan v LPG bao gm cu trỳc thnh phn, c tớnh húa lý Tip theo s phõn loi cu trỳc h thng t ng húa kho cha LPG, a ra cỏc yờu cu cụng ngh xõy dng h thng iu khin, a ra cỏc qui trỡnh hot ng ca c tng kho Tip theo ú, ti s gii thiu mt s h thng iu khin giỏm sỏt tng kho LPG ca cc húng ni ting Varec, Emerson a ra nhng ỏnh giỏ... sn xut Cỏc h thng iu khin, cụng ngh hin i s gúp phn nõng cao cht lng sn phm, hiu qu trong sn xut, tng tin cy, gim bt chi phớ v sc lao ng, tng kh nng cnh tranh ca cỏc doanh nghip trờn th trng Bờn cnh ú, thnh tu khoa hc nhng nm qua ú cỳ nhng bc phỏt vt bc Cụng ngh s ó dn thay th cho cụng ngh tng t Hu ht cỏc tp on hựng mnh v t ng húa nh siemens, ABB, AB, Omron, Emerson vv ó cho ra nhiu sn phm trờn c s... Ethernet, Token-ring trờn c s cỏc giao thc chun TCP/IP, IPX/SPX 1.4.5.4 Mng cụng ty Mng cụng ty nm trong mụ hỡnh phõn cp h thng truyn thụng ca cỏc cụng ty sn xut trong cụng nghip c trng ca mng cụng ty gn lin vi mng vin thụng hoc mng mỏy tớnh din rng nhiu hn trờn phm vi hỡnh thc dch v , phng phỏp truyn thụng v yờu cu k thut.Chc nng ca mng cụng ty l kt ni cỏc mỏy tớnh vn phũng ca cỏc xớ nghip, Cung cp cỏc dch... v tin cú a ch, dng format cho cỏc khung tin (frame) v kim tra li Trong lp ny thc hin cỏc phng phỏp truy nhp nh ethernet hay token ring Nú cng cung cp cỏc a ch cho lp vt lý cho khung tin c truyn Layer 3(Lp mng-Network): ni ng cho cc gỳi tin trờn mng Lp ny iu khin vic gi thụng bỏo gia cỏc trm, cho phộp s liu chy tun t gia hai trm theo con ng logic v vt lý c kinh t nht Lp ny cho phộp cỏc s liu c truyn... quỏ trỡnh cụng ngh phc tp Ta cú cu trỳc s Trạm thao tác(OS) Trạm kỹ thuật( ES) Máy tính điều khiển Máy tính điều khiển Trung tâm điều khiển giám sát Trạm phục vụ(SS) Bus xử lý Bus trờng Máy tính ĐK A S A I/O S A I/O S Trung tâm điều khiển Máy tính phối hợp A A S A S S Hỡnh 1.4: Cu trỳc iu khin phõn tỏn 1.4.4 Phõn loi cỏc h thng iu khin 1.4.4.1 SCADA : - Trờn c s h truyn thụng mnh, tc cao, khong cỏch... (tuy vn cú chc nng K) 1.4.4.2 DCS/OCS/QCS: - H o lng - iu khin - Bo v tp trung trong cỏc nh mỏy, xớ nghip, s im cụng ngh lờn n vi ngn im - Khong cỏch gn, max l 10 km - Truyn tin trn cc ng truyn mng, giao thc cụng nghip - Cú tớnh thi thc cao cho iu khin v bo v - H thng thc hin iu khin quỏ trỡnh cụng ngh phc tp Cỏc bi toỏn iu khin quỏ trỡnh Cỏc h DCS thng i ng b ca cỏc húng c ng dng rng rúi trong cỏc nh... ng dng cho i tng l cỏc bn cha LPG ( Liquidfied petrol gas) - Nm vng v lm ch cỏc phn mm lp trỡnh iu khin (Step7), phn mm giỏm sỏt ( WINCC) - Hon thnh vit chng trỡnh iu khin theo bi toỏn cụng ngh v chng trỡnh mụ phng bng phn mm giỏm sỏt ( WinCC) - Nm vng c s lý thuyt v bn cht mng internet v cỏc ng dng ca mng internet trong cuc sng v trong sn xut - Thc hin mụ phng h thng iu khin giỏm sỏt kho cha LPG qua... mỡnh Nhng iu khin s dng tớn hiu phn hi, mt trong nhng nn tng c bn trong iu khin, iu khin c h thng ra i vo khong 300 nm trc cụng nguyờn ng dng u tiờn l c cu phao iu chnh ti Hi Lp, sau ú l ng h nc ca Ktesibios, thit b ốn du ca Philon khong 250 nm trc cụng nguyờn gi mc nguyờn liu khụng i Alexandria ó cho ra i quyn sỏch v hi khớ- Pneumatica v c cu iu chnh mc nc s dng mỏy iu chnh phao vo th k th nht Ti chõu... chnh ỏp sut ni hi vo nm 1861 ca Dennis Papin Vo nm 1769 Jame Watt a ra b iu khin phn hi u tiờn trong cụng nghip ú l mỏy iu tc, iu khin tc ca ng c hi nc Nú hot ng trờn nguyờn tc qu cu li tõm c ni vi trc ra iu khin m van cung cp hi nc cho ng c Khi tc tng lm cho qu cu quay nhanh lm úng van hi nc lm cho tc gim Nm 1765, I Polzunow a ra mỏy iu chnh mc nc bng c cu phao Trong nhng nm 1768 s phỏt trin... tớnh khoa hc v thc tin ca h thng iu khin giỏm sỏt trong quỏ trỡnh sn xut Phõn loi cỏc h thng iu khin theo cu trỳc, chc nng Trỡnh by v c s lý thuyt truyn thụng gm cú cỏc ch truyn thụng, cu trỳc mng truyn thụng, cỏc chun kt ni, cỏc giao thc mng truyn thụng v cỏc phng phỏp truy cp bus T c s lý thuyt s tỡm hiu cỏc thnh phn mng truyn thụng cụng nghip Simatic ca siemens Trỡnh by v h thng iu khin giỏm sỏt kho . ra một cách cấp thiết. Theo định hướng phát triển đó, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp xây dựng một hệ SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống mạng SIMATIC của Siemens, đồng thời áp dụng cụ thể. hệ thống tự động hóa kho chứa LPG, đưa ra các yêu cầu công nghệ để xây dựng hệ thống điều khiển, đưa ra các qui trình hoạt động của cả tổng kho. Tiếp theo đó, đề tài sẽ giới thiệu một số hệ thống. tổng kho LPG của cỏc hóng nổi tiếng Varec, Emerson đưa ra những đánh giá và phân tích lựa chọn giải pháp. Sau khi đã lựa chọn giải pháp tích hợp hệ thống của siemens, đề tài sẽ đi sâu xây dựng các