Nghiên cứu ứng dụng SCADA trên nền Web trong phần mềm WinCC WebNavigator

Nghiên cứu ứng dụng SCADA trên nền Web trong phần mềm WinCCChương 1 Tổng quan về phần mềm WinCC WebNavigatorChương 2 Các bước cấu hình WebNavigatorChương 3 Thiết kế giao diện điều khiển minh họa Chương 4 Kết quả mô phỏng.

Bé C«ng TH¦¥NG

§éc lËp - Tù do - H¹nh phóc Bµi tËp lín m«n häc : HÖ THèNG SCADA, DCS Vµ M¹NG

Khoá : 7……… Khoa : Điện………….……….

Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên

NỘI DUNG

Nghiên cứu ứng dụng SCADA trên nền Web trong phần mềm WinCC

PHẦN THUYẾT MINH

Chương 1- Tổng quan về phần mềm WinCC

Chương 2- Các bước cấu hình WebNavigator

Chương 3- Thiết kế giao diện điều khiển minh họa

Chương 4- Kết quả mô phỏng

Ngày giao đề : 5/10/2015 Ngày hoàn thành : 10/12/2015

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hoàng Quốc Xuyên

MÉu: MC - 11)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Tự độnghóa là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại Nói đến tựđộng hóa thì máy tính là một công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếuđược trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong đo lường, điều khiển và giámsát

Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường, điều khiển và giámsát đã đem lại nhiều kết quả đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường,điều khiển và giám sát ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gianthu thập dữ liệu ngắn Nhưng điều đáng quan tâm nhất là mức độ tự động hóatrong việc thu thập và xử lý kết quả đo, kể cả việc lập bảng thống kê, đồ họa,cũng như in ra kết quả

Vì vậy, tôi chọn Đề tài của tôi “Nghiên cứu ứng dụng SCADA trên

nền Web trong phần mềm WinCC”

Trong quá trình làm mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của giáoviên hướng dẫn Hoàng Quốc Xuyên và bản thân tác giả cũng đã cố gắng thamkhảo tài liệu và tìm hiểu nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nênbài tập không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của thầy để bài tập đượchoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo củagiáo viên hướng dẫn Hoàng Quốc Xuyên đã giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoànthành được bài tập này

Xin chân thành cám ơn !

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng 12 năm 2015 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Th.S HOÀNG QUỐC XUYÊN

C HƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM WINCC

1.1 Giới thiệu chung.

WINCC là phần mềm hỗ trợ cho điều khiển hệ thống với quá trình

tự động Ngoài ra WinCC có thể được mở rộng hơn thông qua mạng LAN(Local Area Network), cho dù là để giám sát một phần của hệ thống từ xa vàrời rạc (Ví dụ: trong hệ thống xử lý nước thải hoặc hệ thống các trạm điềukhiển) hoặc để truy xuất thông tin của quy trình trong hiện tại và trong quákhứ

WinCC/WebNavigator hỗ trợ đầy đủ hệ thống điều khiển và giámsát thông qua web nói chung mà không cần phải thay đổi dự án WinCC webserver có thể được cài đặt trên hệ thống WinCC đơn người dùng, WinCCserver hoặc client Vì vậy web client kết nối với web server có thể truy cậpđến tất cả các dự án của WinCC server (có thể đến 12 server) trong hệ thống ởbất kỳ nơi nào trên thế giới

Người quản lý của trạm vận hành trên web thì quản lý cả cơ sở dữliệu của hệ thống mạng Còn với các cấp độ ủy quyền thì chỉ được phép truycập Ngoài ra, sự hỗ trợ của hệ thống bảo mật chuẩn bằng phần cứng trên hệthống Internet được cung cấp Số lượng client được thiết lập bởi người quản

lý hệ thống

Ngoài ra, trong việc lựa chọn WinCC Web Navigator, thông quagiải pháp thin client (SIMATIC Thin Client) và mobile client (PDA –Personal Digital Assistant) cũng có thể kết nối đến hệ thống web server

Hình 1.1: WinCC SCADA Client, Web server và hệ thống client khác trong web

với trung tâm lưu trữ cơ sở dữ liệu.

1.2.WinCC / Web Navigator - Hệ thống điều khiển và giám sát thông qua web

1.2.1.Những lợi ích

• Người điều khiển và giám sát ở khoảng cách xa, lên đến 50 trạmvận hành hoạt động đồng thời

• Tốc độ cập nhật nhanh do truyền thông điều khiển theo sự kiện

• Tối ưu client với chức năng đặc biệt để vận hành, giám sát, phântích, phục vụ và chẩn đoán

• Giải pháp thin client trên nhiều nền khác nhau (PC, on-site panel,mobile PDA)

• Có thể thêm vào Web và client cuối bất cứ lúc nào khi cần

• Phí bảo trì thấp do phần mềm quản lý trung tâm

• Chấp nhận sự thiết lập dữ liệu cho web mà không thay đổi

• Tăng cường sự bảo mật và tính sẵn sàng do sự cách ly giữaWinCC và web server.

• Cung cấp sự truy cập hợp pháp cho việc sử dụng hệ thống thôngqua nhà quản lý người sử dụng hệ thống

1.2.2 Các tiêu chuẩn bảo mật Internet cao

WinCC Web Navigator cung cấp khả năng vận hành và giám sát hệthống thông qua Internet, intranet trong nội bộ công ty hoặc mạng LAN màkhông cần phải thay đổi dự án WinCC Việc này dẫn đến khả năng hiển thị,vận hành và truy cập như là vận hành máy trạm trực tuyến Việc này cũng cónghĩa là màn hình hiển thị quá trình chứa đoạn mã VB hoặc C, giao diệnngười vận hành có thể chuyển sang vài ngôn ngữ khác nhau và máy trạm trênweb cũng được hợp nhất với nhà quản trị người dùng của hệ thống trực tuyến

1.2.3.Những lĩnh vực ứng dụng mới

Ngoài ra cách dùng điển hình của WinCC Web Navigator trongmạng WANs (Wide Area Networks), WinCC Web Navigator cũng có thểđược dùng cho những ứng dụng mà có thể thêm vào với chi phí tối thiểu Đặcbiệt là những ứng dụng có cấu trúc phân tán rõ rệt (hệ thống nước hoặc xử lýnước thải), hoặc trong những hệ thống cần truy cập thông tin quá trình rời rạc(quản lý tòa nhà) Thêm vào đó, web client cũng có thể được sử dụng như làtrạm vận hành bình thường trong LAN

1.2.4 Web server and clients

Với giải pháp web, Web Navigator được cài đặt trên hệ thốngWinCC đơn người dùng hoặc trên server và Web Navigator client được càiđặt trên bất kỳ máy PC nào Việc này cho phép dự án WinCC đang chạy đượcvận hành và giám sát thông qua Microsoft Internet Explorer mà không cầnphải có WinCC trên máy tính Ngoài Microsoft Internet Explorer, ta có thểdùng web client Web server cũng có thể cài đặt cho WinCC client, nghĩa là

web client có thể được kết nối đến web server, có thể được truy cập các dự áncủa WinCC server phức tạp trong hệ thống từ bất kỳ nơi nào trên thế giới.Các dự án WinCC có thể hiển thị đồng thời trên nhiều tab bằng chức năng cósẵn của Microsoft Internet Explorer V7.

1.2.5 Khái niệm về bảo mật

Sự cách li của WinCC server và web server đảm bảo bằng chế độbảo mật và có hiệu quả cao, và việc này có thể tăng cường trong các webserver độc lập trên các SCADA client độc lập Trạm vận hành trên web baogồm nhà quản trị người dùng của hệ thống trực tuyến Các cấp phân quyềnkhác nhau quản lý sự truy cập của các cấp dưới

Người vận hành có thể xem hệ thống hoặc vận hành một phần hoặctoàn bộ hệ thống, tùy thuộc vào cách thiết lập của server Mọi sự đăng nhậphoặc đăng xuất được giám sát bằng chức năng báo động của hệ thống

Ngoài ra, chức năng bảo mật còn có thể giới hạn thời gian truy cậpcủa client, vô hiệu hóa các nút nhấn Hơn nữa, Web Navigator còn hỗ trợ cáctiêu chuẩn bảo mật bằng phần cứng cho ứng dụng trong Internet như là router,firewall, proxy server, mã hóa SSL và kỹ thuật VPN

1.2.6 Giải pháp thin client

Thông qua giải pháp thin client với Microsoft Terminal Services,máy tính đơn giản dưới hệ điều hành Windows, thiết bị lướt web đơn giản(SIMATIC Thin Client), và mobile client (PDA – Personal Digital Assistant)dưới hệ điều hành Windows CE cũng có thể kết nối Những giải pháp này cómột vài yêu cầu về phần cứng bởi vì những client này chỉ hiển thị được mànhình trong khi đó Web Navigator client chạy trên server cuối dưới Windows

Có đến 25 thin client có thể kết nối đến một server cuối

Ngược lại với đặc điểm của Web Navigator, thin client được định vịtrên cùng mạng LAN với server Sự truy cập bằng WAN, RAS thậm chí là

intranet hoặc internet cũng cho phép Thiết bị di động có thể kết nối qua nhiềuphương tiện truyền thông như sóng radio hoặc LAN không dây.

Hình 3.2: Thin client trên các nền điều hành khác nhau trong WinCC Web Navigator server

1.2.7 Sự cân bằng tải tại máy server

Nếu có quá nhiều trạm vận hành web cần hoạt động đồng thời thìtrạm server có thể được cấu hình trên nhiều web server Việc này đòi hỏi phải

có bản quyền Load Balancing (cân bằng tải) để tham gia vào web server VớiLoad Balancing, sự bù đắp tải có khả năng chỉ định web client mới kết nối tựđộng kết nối đến web server có tải thấp nhất Web server có thể truy cập đếnweb server khác cùng WinCC project và có thể có 50 web client được chỉđịnh Tất cả có đến vài trăm trạm vận hành trên web Nếu sự chỉ định webserver thất bại thì client được truy cập tạm thời sang web server khác trongtrạm server

Hình 1.3: Trạm web server (tải cân bằng) với nhiều web client

• Yêu cầu bản quyền

Phần mềm Web Navigator client có thể được cài đặt nhiều lần màkhông cần bản quyền Bản quyền tương đương được sử dụng trên WebNavigator server Có các bản quyền 3, 10, 25, hoặc 50 client truy cập đồngthời đến web server PowerPacks dùng để nâng cấp số client hoạt động đồngthời trên web

Ngoài ra, bản quyền phần mềm chẩn đoán client thì thích hợp cho

hệ thống tích hợp có nhiệm vụ bảo trì và phục vụ cho hệ thống phân tán rộnglớn Không kể đến số lượng truy cập, phần mềm chẩn đoán client của WinCCWeb Navigator đảm bảo truy cập đến tất cả các web server với bản quyềnWinCC Web Navigator hoặc bản quyền chẩn đoán server của WinCC WebNavigator

1.3 WinCC Server – Dùng cài đặt cho hệ thống client hoặc server 1.3.1 Những lợi ích

• Cài đặt cho hệ thống client hoặc server cho trạm vận hành vàgiám sát hệ thống lớn lên đến 12 WinCC server và 32 máy trạm vận hànhngang hàng

• Có chức năng phân tán và nhiều ứng dụng trên vài máy servervới số lượng lớn các cấu trúc có đặc tính hệ thống cao.

• Quan sát tổng quan và truy cập đến tất cả các server trong hệthống từ một trạm vận hành

• Các client cũng có thể được cấu hình từ xa thông qua web server

• Sự cấu hình có lợi cho client

• Giảm bớt chi phí cài đặt cho các client chuẩn không cần SQLserver

Thông qua việc lựa chọn sử dụng web server, ta có thể khai thác hệthống WinCC đơn người dùng đến hệ thống client / server đầy đủ Bằng cáchnày, ta có thể vận hành vài hệ thống điều khiển ngang hàng và giám sát máytrạm trong nhóm với hệ thống nối mạng tự động Một server cung cấp đến 32kết nối đến client với lưu trữ dữ liệu và tiến trình, báo động, màn hình và báocáo Trước tiên cần phải có mạng TCP/IP giữa máy server và các máy client

Hình 1.4: Hệ thống đa người dùng lên đến 32 client trên một server.

1.3.2 Yêu cầu của server và client

Tùy thuộc vào quy mô của hệ thống, có thể có 12 server phức tạpđược dùng trong giải pháp client / server Hệ thống được vận hành thông quaclient SCADA, có thể truy cập server hoặc quan sát vài server Với client, chỉ

cần có bản quyền RT 128 hoặc nếu cần cấu hình trên client thì phải có bảnquyền RC 128 Việc này làm cho hệ thống có khả năng thiết lập máy hiệu quả

và cấu hình máy trạm trong mạng Sự thiết lập màn hình có thể được tách rời

mà không ảnh hưởng đến chức năng của server và máy trạm Máy trạm cũng

có thể được bổ sung vào form của web client Việc cấu hình hỗn hợp vớiSCADA và web client có những hạn chế số lượng và cấu trúc như sau:

• 50 WinCC web client và 1 WinCC SCADA trên một cấu hìnhclient, hoặc

• 32 WinCC SCADA client và 3 WinCC web client

F Chuẩn Ethernet tốc độ cao 100Mbps dùng các loại cáp 100baseFX,100base4 và 100baseTX

Trên mạng có máy tính trung tâm và các máy trạm; máy trung tâm

là máy tính có tốc độ nhanh có nhiều vi xử lý, bộ nhớ lớn và có nhiều đĩacứng, cài đặt hệ điều hành mạng (Windows NT…)

Trước kia Ethernet được xem như mạng nội bộ, chỉ dùng để traođổi thông tin quản lý; ngày nay Ethernet được xem như là trụ cột của mạngcông nghiệp kết nối các trạm với PLC và quá trình sản xuất do giá thànhmạng thấp và có sẵn ở hầu hết các công ty xí nghiệp

Ethernet xác định hai lớp 1 và 2 của OSI (lớp vật lý và lớp dữ liệu).Thông tin truyền đi trên mạng là tín hiệu số mã hóa manchester và điều chếsóng mang theo kiểu baseband Mã hóa manchester truyền bit tích cực trong

nửa đầu thời gian bit và bit không tích cực trong nửa sau thời gian bit (hìnhxxx)

Hình 1.5: Mã hóa Manchester

Vấn đề cần giải quyết đối với mạng là tránh xung đột khi có hai haynhiều nút mạng đồng thời cùng phát tin Một phương pháp thường dùng làCSMA/CD đa truy cập cảm biến sóng mang phát hiện xung đột Một nútmuốn truyền tin sẽ xem có sóng mang trên đường dây không, nếu không nó sẽtruyền tin Tuy nhiên, có thể có hai nút cùng truyền, các nút sẽ theo dõi chấtlượng tín hiệu truyền, nếu có xung đột nó sẽ ngừng truyền và phát một tínhiệu nhiễu ngắn để báo Thời gian phát hiện xung đột phụ thuộc khoảng cáchhai nút, khoảng tối đa 50μs gọi là khe thời gian Sau thời gian chờ đợi các nútlại bắt đầu truyền Phương pháp này không dùng được cho mạng công nghiệp

do tính bất định trong thời gian truyền

Phương pháp thứ hai là dùng thẻ bài tuyến là một mẫu bit đặc biệtlưu thông trong vòng logic cho đến khi nó truyền đến một nút cần truyền, nútnày sẽ chiếm giữ thẻ và truền tin Khi truyền xong nút sẽ trả thẻ bài cho nút

kế lưu thông trong mạng khi mới cấp điện hay khi thẻ bị hủy thì phải tạo lạithẻ mới Do tính chất tin cậy của việc truyền nên phương pháp thẻ bài đượcdùng nhiều trong công nghiệp

Ethernet chỉ liên quan đến hai lớp dưới cùng, các lớp trên liên quanđến hệ điều hành mạng Máy nối mạng nhờ card mạng và cáp nối, hệ điềuhành mạng cho phép trao đổi thông tin giữa các máy nhờ các giao thức mạng

IP (Internet Protocol): Có nhiệm vụ đóng gói thông tin và chuyển

đến đúng địa chỉ Địa chỉ nguồn và đích được qui định là 4 byte (32 bit), gọi

là địa chỉ internet và thường được biểu diễn dưới dạng thập phân

Ví dụ: địa chỉ 1100 0000 1010 1000 0000 0000 0000 0001 viết là192.168.0.1 Có đến 4 294 967 296 địa chỉ

Các địa chỉ dùng trên interntet được quản lý bởi NIC (NetworkInformation Center) Còn các mạng địa phương có địa chỉ được quy định bởingười quản trị mạng cục bộ

TCP (Transmission Control Protocol): Điều khiển kết nối bắt tay

giữa nguồn và đích, truyền thông tin và đảm bảo tin cậy Vì cùng lúc có thể

có nhiều ứng dụng cùng hoạt động nên ngoài địa chỉ IP còn có địa chỉ port,kết hợp thành địa chỉ socket

UDP (User Datagram Protocol): Gởi thông tin nhưng không đảm

bảo đến được đích

FTP (File Transfer Protocol): Truyền file giữa các máy tính, cho

phép download hoặc upload file

PING (Packet Internet Grouper): Chương trình ứng dụng kiểm tra

kết nối giữa hai nút trong mạng

Telnet: Cho phép đăng nhập máy chủ.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Truyền e-mail.

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): Trao đổi file html trên

mạng internet

DNS (Domain Name System): Dịch các tên miền, ví dụ

www.google.com.vn thành địa chỉ IP

HSE/FF (High Speed Ethernet / Field Foundation): Dùng trong

mạng công nghiệp

Kết nối PC, PLC vào mạng Ethernet được thực hiện thông qua cardmạng hay module truyền thông Hãng Siemens dùng module CP343 – 1communication process ghép PLC S7 – 300 vào mạng Ethernet Với phầnmềm phù hợp có thể lập trình cho PLC từ trung tâm và thực hiện giám sátPLC từ xa.

C HƯƠNG 2 : CÁC BƯỚC CẤU HÌNH Web Navigator

2.1 Giới thiệu

Gói phần mềm Web Navigator bao gồm WINCC Web NavigatorServer được cài đặt trên máy tính server và WINCC Web Navigator Clientđược cài trên máy tính mạng Internet

Hình ảnh hiện trên WINCC Web Navigator Client có thể được điềukhiển giống như trên hệ thống WINCC bình thường Việc này giúp cho máytính ở bất kỳ nơi nào trên thế giới cũng có thể điều khiển và giám sát dự ánđang chạy trên máy tính server

2.2.Các bước cấu hình WebNavigator

-Bước 1: Tạo project trên máy server

-Bước 2: Cấu hình web bằng WinCC Web Configurator:

Trên cửa sổ bên trái của WinCC Explorer click phải vào "WebNavigator" và click Web Configurator

Sau đó click “Next” trên cửa sổ hiện ra:

-Bước 3: Xác định Standard Website:

Khi khởi động WinCC Web Configurator lần đầu, hộp thoại xuấthiện cho ta hai lựa chọn

Chọn "Create a new standard Website (stand-alone)" và click

"Next" cửa sổ sau sẽ xuất hiện:

Trên cửa sổ hiện ra ta đặt tên cho trang Web tại ô “Name of theWeb site” và đặt địa chỉ IP tại “IP Address” Sau đó nhấn “Finish” để hoànthành cấu hình cho server

-Bước 4: Kiểm tra trang Web đã được kích hoạt:

Để kiểm tra trang Web đã kích hoạt ta click phải vào biểu tượng

“My Computer” trên Desktop và chọn “Manage”

Trên cửa sổ hiện ra, ta chọn “Services and Applications” > “InternetInformation Services” > “Web Sites” Nếu thấy trên cửa sổ bên phải có dòngWebNavigator đang Running và có địa chỉ IP thì trang Web đã được kíchhoạt Sau đó đóng cửa sổ lại

Cấu hình WebNavigator

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN MINH HỌA 3.1 Cài đặt client truy cập vào dự án Web

- Bước 1: Thiết lập Internet Explorer

Khởi động Internet Explorer Trong cửa sổ Internet Explorer, thanhmenu click “Tools” > “Internet Options”

Trong cửa sổ "Internet Options" chọn tab "Security" và chọn "LocalIntranet" và click vào nút “Custom level…”

Hình 3.1 Cấu hình cho Local Intranet (1)

Hình 3.2 Cấu hình cho Local Intranet (2)

Trong cửa sổ “Security Settings – Local Intranet Zone” chọn

"Enable" trong mục "Script ActiveX controls marked safe for scripting" và

"Download signed ActiveX controls" rồi click “OK”

Hình 3.3: Cấu hình cho Local Intranet (3)Sau đó click “Apply” và “OK” trong cửa sổ "Internet Option" đểhoàn thành những cài đặt cần thiết cho Internet Explorer.

- Bước 2: Cài đặt WinCC Web Navigator Client

Trên thanh địa chỉ của Internet Explorer, nhập địa chỉ IP của máyserver Ví dụ http://192.168.0.1 và nhấn phím “Enter” Cửa sổ sau sẽ xuấthiện, yêu cầu nhập tên đăng nhập và password để truy cập server Nhập xongtên và password, click “OK”

Hình 3.4: Hộp thoại đăng nhập vào hệ thốngSau đó màn hình hiện ra “WinCC Web Navigator V7.0”, click vàolink “OK”.

Hình 3.5: Giao diện lần đầu tiên dùng WinCC Web Navigator

Tiếp theo click vào link “7.0.0.0” để cài đặt “WinCC Basic ProcessControl” Và click “Save”.

Hình 3.6: Cài đăt Web Navigator trên máy client thông qua Web

Hình 3.7: Hộp thoại lưu chương trình cài đặt Web Navigator

- Bước 3: Dự án Web

Cuối cùng trên máy client hiện ra giao diện giám sát quá trình hoạtđộng của hệ thống trên máy server.

Hình 3.8: Hình ảnh hiển thị trên Internet Explorer của server

3.2 Ứng dụng WinCC Web Navigator

Nghiên cứu ứng dụng WinCC Web Navigator vào hệ thống điềukhiển đèn giao thông Trong đó có ba máy tính nối mạng LAN với nhau; mộtmáy làm server kết nối với PLC điều khiển hệ thống, giám sát những yêu cầu

từ client; hai máy làm client có chức măng quan sát server điều khiển đồngthời có thể gởi yêu cầu server điều khiển

3.2.1 chương trình plc

Bảng địa chỉ.

3.2.2 Liên kết biến giữa PCAccess với PLC

Hình 3.9: Tạo biến trong PCAccess

3.3 Thiết kế giao diện

Liên kết biến trong WinCC

Hình 3.10 : Liên kết biến ngoại giữa WinCC với PCAccess

Hình 3.11: Liên kết biến nội trong WinCC

4.1 Hình ảnh kết quả

Hình 4.1: Kết quả Runtime trong WinCC

Hình 4.2: Kết quả giao diện Client 1 trên Internet Explorer

Hình 4.3: Kết quả giao diện Client 2 trên Internet Explorer