TỔNG QUAN VỂ SCADA VÀ PHẦN MỀM WinCC

trình bày TỔNG QUAN VỂ SCADA VÀ PHẦN MỀM WinCC

TỔNG QUAN VỂ SCADA

VÀ PHẦN MỀM WinCC

NỘI DUNG PHẦN NÀY :

-Giới thiệu chung về SCADA

Hệ SCADA cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau: từ các bộcảm biến, cơ cấu chấp hành, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điềukhiển và giám sát, cho đến các trạm máy tính điều hành và quản lý côngty

Các chức năng cơ bản của hệ SCADA:

-Giám sát (Supervisory): Chức năng này cho phép giám sát liên tục các hoạt động trong hệ thống điều khiển quá trình Hiển thị các báo cáo

tổng kết về quá trình sản xuất, chỉ thị giá trị đo lường, dưới dạng trangmàn hình, trang đồ hoạ, trang sự kiện, trang báo cáo sản xuất, Qua đónhân viên vận hành có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp

từ xa đến các hệ thống phía dưới

-Điều khiển (Control): Chức năng này cho phép người điều hành điềukhiển các thiết bị và giám sát mệnh lệnh điều khiển

-Thu thập dữ liệu (Data Acquisition): Thu thập dữ liệu qua đường

truyền số liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ các số liệunhư: số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố, dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định

II TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM THIẾT KẾ WINCC

1 Giới thiệu chung

-WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nềnWindows), cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diệnđiều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT vàWindows 2000 Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho

C p qu nlí kinh doanh ấp quảnlí kinh doanh ảnlí kinh doanh

Mạnh xí nghiệp

C p qu n lí quá trình ấp quảnlí kinh doanh ảnlí kinh doanh

Trạm

vận hành

bơm

PLCđộng cơ

Van

cảm biến

trạm vận hành

Cơ cấu chấp hành

mạng điều khiển

c p tr ấp quảnlí kinh doanh ường ng

Hình III Cấu hình của một SCADA điển hình

vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA với những chứcnăng hữu hiệu dành cho việc điều khiển.

-Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở Nó có thể sửdụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm củangười sử dụng tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tếmột cách chính xác

-WinCC kết hợp các bí quyết của hãng Siemens-công ty hàng đầu trong

tự động hoá quá trình và Microsoft-công ty hàng đầu trong việc phát triểnphần mềm cho PC

-Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy môlớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứngdụng có quy mô toàn công ty như: việc tích hợp với những hệ thống cấpcao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quản lý việc thựchiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng cóthể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp củaSiemens có mặt khắp nơi trên thế giới

2 Các bước cơ bản tiến hành thiết kế

 Chọn Multi-User Project / OK: tạo một dự án đa người sử dụng

 Chọn Multi-Client Project / OK: tạo một dự án nhiều khách.Đặt tên Project / nhấn Create Khi đó màn hình WinCC hiện ranhư hình III.2

-Kích chuột phải vào biểu tượng có tên Computer để mở hộp thoại thiếtlập các thuộc tính của hệï thống khi chạy chương trình cũng như thay đổicác tên của máy tính.

c Kết nối với PLC

-Để khai báo việc kết nối với một PLC mới ta tiến hành theo trình tự sau:

- Kích chuột phải vào Tag Management / Add New Driver Trong hộpthoại hiện ra ta chọn SIMATIC S7 Protcol Suite và kích vào nút Open

- Tạo một kết nối với thiết bị cấp dưới: kích chuột vào SIMATIC S7Protcol Suite/New Conection / Connection properties Nhập tên đối tượngkết nối và nhấn OK

d Tag và Tag Group

-Tạo Internal tag

-Trong Tag management, kích phải chuột vào Internal Tag/New Tag.Xuất hiện hộp thoại Tag Properties cho phép ta nhập tên, kiểu dữ liệucủa Tag

-Tạo Tag Group

-Kích phải chuột lên kết nối PLC vừa tạo như trên: New Group /Properties Of Tag Group, nhập tên Group sau đó nhấn OK

c Tạo External tag

- Kích phải chuột lên kết nối PLC chọn New Tag / Tag Properties, nhậptên, kiểu dữ liệu của Tag sau đó nhấn OK

- Nhấn nút Select để mở hộp thoại Address Properties sau đó chọn danhsách dữ liệu cho Tag, vùng dữ liệu biến

2.2 Thiết kế giao diện đồ hoạ

-Trong cửa sổ WinCC Explorer ta kích phải chuột vào Graphics Designerchọn New Picture, một bức tranh Newpld0.Pdl sẽ hiện ra trong cửa sổWinCC Explorer

-Để thiết kế đồ hoạ cho bức tranh vừa tạo, ta có thể nhấp đúp chuột vàotên bức tranh hoặc kích phải chuột vào tên bức tranh và chọn OpenPicture

Hình III.2Màn hình giao diện chính của WINCC

-WinCC hỗ trợ một cơng cụ mạnh về đồ hoạ, và hỗ trợ một thư viện rấtlớn về các thiết bị cơng nghiệp rất sinh động, ta cĩ thể chọn và đem ra sửdụng nĩ một cách dễ dàng.

2.3.Thu thập dữ liệu và biểu diễn giá trị quá trình (Tag logging)

a.Mở Tag Logging

-Trong cửa sổ bên trái của WinCC Explorer, kích phải chuột lên TagLogging, chọn Open

-Đối tượng Timer được định vị tại dịng thứ hai trong cửa sổ Timer cĩthể được định cấu hình cho bản ghi hay cho việc lưu trữ

b.Tạo một Archive

-Để tạo một Archive ta tiến hành như sau: kích chuột phải vào Archive,chọn Archive Winzad, trong hộp thoại xuất hiện đầu tiên ta chọn Next,trong hộp thoại xuất hiện tiếp theo ta nhập tên của Archive, chọn kiểu củaArchive là Process value Archive (hình III.4)

-Sau đĩ ta chọn Next / Select, chọn Tag cần thực hiện lưu trữ giá trị quátrình Trong hộp thoại xuất hiện tiếp theo ta nhấn OK để xác nhận, chọnApply để kết thúc việc tạo Archive Winzad (hình III.5)

Hình III.4: Tạo một archive Hình III.5:Kết thúc việ tạo archive

Hình III.3: Màn hình hiển thị chức năng Tag Logging

c.Tạo một Table windows

-Với Table Windows ta cĩ thể biễu diễn các Tag quá trình dưới dạngbảng Để tạo một Table Windows ta tiến hành như sau:

 Trong Graphic Designer tạo một trang Graphic cĩ tên “ĐoThi.Pdl”

 Trong Object Palette / Control / WinCC Online Table Control, kéođối tượng vào trang Graphic, kích đúp chuột lên đối tượng để mở hộpthoại Properties Of WinCC Online Trend Control

Ấn chọn mục General: Ấn chọn mụcColumns:

2.4.Tthu thập cảnh báo dữ liệu (alarm logging)

a.Mở alarm Logging

-Trong cửa sổ WinCC Explorer, kích phải chuột vào Alarm Logging, chọn

Hình III.6: Tạo một Table Windows

Hình III.7: Màn hình giao diện Alarm Logging

báo như mong muốn -Để thiết lập một hệ thống cảnh báo ta tiến hànhtừng bước như sau:

 Chọn File / Select Winzad, xuất hiện hộp thoại System Winzad

 Chọn Selecting Message Blocks, trong System Blocks chọnDate, Time, Number Trong User Text Block chọn Msg Txt, ErrorLocation Trong Process Value Blocks chọn None / Next (hình III.8.a)

 Khi hộp thoại System Winzad: Preset Classes hiện ra ta chọnClass Error With Type Alarm and Warning / Next (hình III.8.b)

 Trong hộp thoại System Winzad: Selecting Archives, thiết lậpShort-Term Archive For 250 Messages (hình III.8.c)

 Cuối cùng ta nhấn nút Finish để kết thúc việc định cấu hình vàthiết lập một hệ thống cảnh báo (Alarm Logging) Trong công đoạn này

ta cần chú ý một số vấn đề sau:

- Ta có thể định cấu hình cho văn bản thông báo như sau: thay đổi chiềudài của Message Text, chọn Message Blocks trong cửa sổ bên trái củatrang Alarm Logging, chọn User Text Block, kích phải chuột vào MessageText / Properties và nhập giá trị mong muốn

- Thay đổi chiều dài của Point Of Error: chọn Message Blocks trong cửa

sổ bên trái của trang Alarm Logging Chọn User Text Block, kích phảichuột vào Point Of Error / Properties, nhập giá trị mong muốn

- Định cấu hình màu của thông báo: thực hiện công việc này nhằm mụcđích giúp người vận hành dễ dàng nhận ra loại thông báo Ta tiến hànhthiết lập như sau:

+ Kích chuột vào Came In: chọn Text Color để định màu cho vănbản, chọn Background Color để định màu nền

+ Kích chuột vào Went Out: chọn Text Color để định màu chovăn bản, chọn Background Color để định màu nền

+ Kích chuột vào Acknowleged: chọn Text Color để định màucho văn bản, chọn Background Color để định màu nền

+ Kích OK để kết thúc

Hình III.7 (a,b,c): Các bước thiết lập Alarm Logging

2.5.Truyền thông trong môi trường WinCC

1 Bản chất truyền thông giữa máy tính (PC) và PLC

-Bản chất của quá trình này được thể hiện như sơ đồ sau đây:

Trong đó :

1.Data Manager (Trình quản trị dữ liệu)

-WinCC Data Manager quản lý dữ liệu (Database) Người sử dụng khôngthấy được trình quản lý dữ liệu này Trình quản lý dữ liệu làm việc với dữliệu được sinh ra từ WinCC Project và được cất trong cơ sở dữ liêïu củaProject Nó quản lý các biến Wincc trong lúc chạy chương trình Tất cảcác người sử dụng WinCC phải yêu cầu dữ liệu từ trình quản lý dữ liệu

ở các dạng biến WinCC Các ứng dụng này gồm Graphic Runtime, AlarmLogging Runtime và Tag Logging Runtime

2 Các trình điều khiển truyền thông (Comunication driver)

-Để cho WinCC truyền thông với các kiểu PLC khác, người sử dụng phảinối trình quản lý dữ liệu với PLC Trình điều khiển truyền thông gồm mộtC++DLL, mà truyền thông giao tiếp với trình quản lý dữ liệu (gọi là kênhAPI) Trình điều khiển truyền thông cung cấp các giá trị quá trình choWinCC Tag

3 Đơn vị kênh (Channel Unit)

-Ngõ vào Communication Driver trong Tag Managerment chứa ít nhấtmột Sub-Entry Sub-Entry của Communication Driver này gọi là Đon vịkênh Mỗi đơn vị tạo nên giao tiếp với một Hardware và như vậy vớiModul truyền thông của PC Người ta phải định nghĩa đơn vị kênh Modultruyền thông này được gán trong hộp thoại System Parameters Hộp này

Hình III.9: bản chất của quá trình truyền thông trong WinCC

được mở bằng cách click chuột phải vào đơn vị kênh tương ứng và chọnSystem Parameter từ Menu hiện lên.

Sự xuất hiện của hộp thoại phụ thuộc vào trình điều khiển truyền thôngđược chọn Tuy nhiên có thể thêm các thông số truyền thông nếu cần

4 Hardware driver: Driver kết nối phần cứng.

5 Communication Processor (CP): bộ xử lý truyền thông.

6 PLC: thiết bị PLC.

-Quá trình truyền thông này có thể được mô tả như sau: WinCC DataManager quản lý các WinCC Tag khi thực thi Nhiều ứng dụng WinCCkhác nhau (trên WinCC Application) yêu cầu các giá trị từ Data Manager.Công việc của Data Manager nhận các tag yêu cầu từ quá trình Nó thựchiện việc này thông qua trình điều khiển truyền thông đã được tích hợptrong WinCC Project Trình điều khiển truyền thông tạo nên giao tiếp giữaWinCC và quá trình bằng cách sử dụng đơn vị kênh của nó Trong phầnlớn các trường hợp, kết nối dựa trên Hardware đến quá trình được càiđặt bằng cách sử dụng một CP Trình điều khiển truyền thông WinCC sửdụng các CP để gởi thông điệp yêu cầu đến PLC Tiếp đến CP gửi cácgiá trị quá trình được yêu cầu từ các thông điệp tương ứng về lại WinCC

7 Thiết lập cấu hình truyền thông:

7.1 Các dịch vụ truyền thông củaWinCC:

a Truyền thông với Simatic S5:

Hình III.10: Keát noái truyeàn thoâng

 Dùng phương tiện truyền thông nối tiếp: Sử dụng giao thứcASCII và giao thức RK512.

 Thông qua Bus: Profibus FMS, Profibus FDL và IndustrialEthernet

b Truyền thông với Simatic S7:

-WinCC truyền thông với S7 qua các chuẩn sau:

c Truyền thông với WinCC.

-Kết nối các trạm WinCC thông qua OPC (OLE For Process Control).Các trạm của WinCC có thể kết nối với nhau bằng bất kỳ phương phápkết nối nào, ví dụ kết nối Ethernet qua TCP/IP

7.2 Hàm truyền thông cơ bản

a.Kiểu dữ liệu của WinCC

Binary Tag: kiểu nhị phân

Unsigned 8 Bit Value: Kiểu nguyên 8 Bit không dấu

Signed 8 Bit Value: Kiểu nguyên 8 Bit có dấu

Unsigned 16 Bit Value: Kiểu nguyên 16 Bit không dấu

Signed 16 Bit Value: Kiểu nguyên 16 Bit có dấu

Unsigned 32 Bit Value: Kiểu nguyên 32 Bit không dấu

Signed 32 Bit Value: Kiểu nguyên 32 Bit có dấu

Floating Point Number 32 Bit IEEE 754 : Kiểu số thực 32 bíttheo tiêu chuẩn IEEE 754

Floating Point Number 64 Bit IEEE 754 : Kiểu số thực 64 Bittheo tiêu chuẩn IEEE 754

Text Tag 8 Bit Character Set: Kiểu kí tự 8 Bit

Text Tag 16 Bit Character Set: Kiểu kí tự 16 Bit

Raw Data Type: Kiểu dữ liệu thô

b.Gửi dữ liệu từ winCC xuống ô nhớ PLC :

-Cấu trúc: (Giá trị trả về) SetTagXXX (“tên biến ngoại”, giá trị )

-Giải thích :

Giá trị trả về: Là kiểu BOOL Nếu quá trình gửi thành công thì giá trị trả

về là TRUE, còn ngược lại thì giá trị trả về là FALSE

XXX: Là Bit, Byte, Word

Nếu XXX là Bit thì “giá trị” là 0 hoặc 1.

Nếu XXX là Byte thì “giá trị” là byte

Nếu XXX là word thì “giá trị” là Word

c.Lấy dữ liệu từ ô nhớ PLC lên biến ngoại nào đó trên WinCC: -Cấu trúc: (Giá trị trả về) GetTagXXX(“tên biến ngoại”)

-Giải thích :

XXX: là Bit, Byte, Word

Nếu XXX là Bit thì giá trị trở về là 0 hoặc 1

Nếu XXX là Byte thì giá trị trở về là Byte

Nếu XXX là Word thì giá trị trở về là Word

- Tên biến ngoại: Là biến được gán tương ứng với ô nhớ nhất định củaPLC được thiết lập ở Tag Management

3 Các chức năng cơ bản của Wincc :

-Tuỳ theo chức năng sử dụng mà người dùng có thể chọn các gói khácnhau của WinCC như là một trong các lựa chọn của sản phẩm Các gói

cơ bản của WinCC chia làm hai loại như sau :

-WinCC Runtime Package (Viết tắt là RT) : chứa các chức năng ứngdụng dùng để chạy các ứng dụng của WinCC như hiển thị , điều khiển,thông báo các trạng thái, các giá trị điều khiển và làm các báo cáo

-WinCC Complete Package (Viết tắt là RC): bao gồm bản quyền để xâydựng cấu hình hệ thống (configuration license) và bản quyền để chạyứng dụng (Runtime)

-Các gói này có các phiên bản khác nhau tuỳ theo số lượng các tham sốlàm việc (power tag) mà nó có thể đáp ứng: 128, 256, 1024, 65536Powertags Powertags là các tham số làm việc mà bộ điều khiển theo dõigiá trị của nó bằng việc nối ghép với quá trình và thiết bị mà nó điềukhiển hoặc giám sát Trong trường hợp người sử dụng muốn nâng cấp

từ một phiên bản có số Powertag nhỏ lên cấp lớn -hơn, họ có thể muacác phiên bản chuyên để nâng cấp gọi là WinCC Powerpacks

-Ngoài các gói phần mềm cơ bản trên, WinCC còn có các modul nângcao dành cho những ứng dụng cấp cao hơn ( WinCC Options) và cácmodul mở rộng đặc biệt ( WinCC Add-on) Các WinCC Options là sảnphẩm của Siemens Automation and Drive (A$ D) Các WinCC Add-on làcác sản phẩm của các bộ phận khác của Siemens hay các đối tác củaSiemens xây dựng lên nhằm mở rộng chức năng hay để phù hợp vớitừng loại ứng dụng

a Chức năng đồ hoạ - Trình soạn thảo Graphic Designer :

-Để thực hiện công việc mô phỏng quá trình bằng những hình ảnh trựcquan Win CC có một giao diện khá hoàn chỉnh dành cho người sử dụngthông qua trình ứng dụng thiết kế đồ hoạ Graphic Designer

-Trình ứng dụng Graphic Designer giúp cho người lập trình có khả năng

vẽ lại toàn bộ quá trình, các mô hình của đối tượng

-Việc mô phỏng hệ thống chia làm hai bước:

 Thể hiện hệ thống ở trạng thái tĩnh: Sử dụng các đối tượngchuẩn vẽ các hình ảnh cần thiết kế Mỗi đối tượng khi đượcthả xuống thì nó có các giá trị thuộc tính mặc định Ngườithiết kế cần đặt các giá trị như vị trí, màu nền, màu đường,phông chữ hiển thị, độ lớn

 Thể hiện hệ thống ở trạng thái động: WinCC có các chứcnăng tiện ích phục vụ cho các nhu cầu thể hiện trạng tháiđộng đồng thời với sự thay đổi về mặt điện của hệ thốngđiều khiển ngoài thông qua mạng

-Để thể hiện được các trạng thái động của hệ thống khi thiết kế cần phảiđặt các biến chương trình (tag) trong Tag management

Các biến chương trình được gắn liền với thuộc tính của đối tượng Đốitượng ở đây là các thiết bị cần được giám sát trong nhà máy Các biếnchương trình thực chất là một vùng nhớ xác định trong máy tính (InternalTag) hay một vùng nhớ điều khiển bên ngoài thay đổi theo quá trình vậnhành (Process Tag) Sự thay đổi thuộc tính của các đối tượng sẽ dẫn đến

sự thay đổi giá trị của các biến chương trình

Các đặc tính của chương trình Graphic Designer :

 Dễ dàng sử dụng, giao diện đơn giản

 Sắp xếp hợp lý với 1 thư viện biểu tượng kín

 Giao diện mở đối với việc chèn đồ hoạ và trợ giúp kết nối ole2.0

 Đặc tính động có khả năng định dạng của các đối tượngtranh với trợ giúp từ “dynamic wizard”

 Liên kết đến các chức năng cộng thêm bằng mã hữu dụng

 Liên kết các đối tượng đồ hoạ được tự tạo ra

b Xây dựng và sử dụng hàm chức năng - Trình soạn thảo “global scripts”

Đây là phần tổng quát của các action và các hàm C mà được dùng trongtoàn bộ project hoặc ngay cả trong các project khác

Các đặc tính:

 Khả năng tạo ra các action và các hàm C

 Khả năng bổ sung các action và các hàm C qua toàn bộ project haytrong các project khác

Thư viện của WinCC chứa nhiều hàm chuẩn, mỗi hàm thực hiện mộtchức năng khác nhau Để mở rộng chức năng và tạo sự linh hoạt trongviệc lập trình ta có thể xây dựng một cơ sở dữ liệu riêng nhằm thực hiệncác mục đích khác nhau Cơ sở dữ liệu này được viết bằng ngôn ngữ lậptrình C và được WinCC biên dịch WinCC chứa các hàm chức năng sau:

 Các hàm ứng dụng (Project Function): Các hàm này được

sử dụng trong trình ứng dụng WinCC Người lập trình có thểthay đổi hay thiết lập một hàm ứng dụng mới tuỳ theo nhữngứng dụng cụ thể

 Các hàm chuẩn (Standard Function): Là các hàm chức năngriêng mà WinCC hỗ trợ cho người lập trình theo chuẩn của

nó Hàm chuẩn được dùng cho tất cả các ứng dụng Có thểthay đổi những hàm sẵn có hay tạo ra những hàm chuẩnmới, các thao tác đó được thực hiện bằng ngôn ngữ C

 Các hàm nội (Internal Function): Đây là các hàm chức năngđặc biệt của WinCC Người lập trình chỉ được sử dụng màkhông được phép thay đổi chúng

 Các hàm nền (Action): Các hàm nền (Background Function)được hiểu như các đoạn mã dữ liệu chạy ngầm trongchương trình để xử lý một công việc xác định Khi thiết kế taphải xây dựng hoàn toàn các hàm này hoạt động theo cácđiều kiện gọi là Trigger có điều kiện đó là:

o Acyclic Trigger: Là điều kiện kích hoạt hàm theo thời gianđịnh sẵn

o Cycle Trigger: Là điều kiện kích hoạt hàm theo thời gian

o Tag Trigger: Là điều kiện kích hàm theo trạng thái cácbiến

c Thiết lập và hiển thị thông báo hệ thống - Trình soạn thảo “alarm logging”:

Trong quá trình điều khiển, hệ thống có chức năng giám sát, dò tìm lỗi,khoanh vùng sự cố, đưa ra các thông báo về tình trạng vận hành của hệthống dưới dạng các trang ghi chép hệ thống hay còn gọi là nhật ký sựkiện Người vận hành có thể dựa vào đó để vận hành hệ thống một cách

tin cậy Chức năng trên được thực hiện nhờ trình ứng dụng Alarm Logging của WinCC Các thông báo bao gồm:

 Thông báo lỗi

 Cảnh báo

 Hiển thị các thông tin về trạng thái hiện hành của hệ thống.Trong WinCC mỗi một thông báo được gán với một biến chương trình.Khi biến chương trình đặt trước hay có một bit xác định nào đó xác lậplên “1” thì tương ứng đó là một thông báo

Các thông báo bao gồm các thông tin thời gian khi hệ thống xác lậpđược điều kiện xảy ra thông báo, bit xác định được dựng lên ngày giờthiết lập thông báo, thông tin cần thiết đi kèm thông báo

Các đặc tính:

 Thông tin toàn diện về tình trạng hoạt động và lỗi

 Tránh và làm giảm thời gian dừng máy