Khảo sát, xây dựng hệ SCADA cho hệ thống FMS của trường đại học sư phạm kỹ thuật hưng yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐẶNG QUANG ĐỒNG KHẢO SÁT, XÂY DỰNG HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG FMS CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN TRỌNG THUẦN Hà Nội – Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn GS TS Nguyễn Trọng Thuần Các liệu luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Tác giả luận văn Đặng Quang Đồng LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Trọng Thuần thầy cô giáo môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp khoa Điện, viện Sau Đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ em hoàn thành luận văn MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: Tổng quan hệ thống SCADA 1.1 Cấu trúc hệ thống 1.1.1 Các chức hệ thống 1.1.2 Mô hình phân cấp chức 1.1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát 1.1.4 Cấu trúc vào/ra 1.1.4.1 Vào/ra tập trung 1.1.4.2 Vào/ra phân tán với bus trường 1.1.4.3 Vào/ra trực tiếp với bus trường 1.1.5 Cấu trúc điều khiển 1.1.5.1 Điều khiển song song 1.1.5.2 Điều khiển tập trung 1.1.5.3 Điều khiển phân tán 1.2 Hệ thống SCADA 1.2.1 Khái niệm chung 1.2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA 1.2.3 Chức hệ thống SCADA 10 1.2.4 Đặc điểm hệ thống SCADA 11 1.2.5 Ưu nhược điểm hệ thống SCADA 12 CHƯƠNG 2: Mạng truyền thông công nghiệp điển hình SIEMENS 2.1 Mô hình hệ thống mở OSI 13 2.2 Truyền thông công nghiệp với Industrial Ethernet 14 2.2.1 Khái niệm Industrial Ethernet 14 2.2.2 Industrial Ethernet mô hình quy chiếu OSI 14 2.2.2.1 Lớp 15 2.2.2.2 Phương pháp truy nhập bus 16 2.2.2.3 Giao thức vận chuyển (lớp 4) 17 2.2.3 Các dịch vụ cung cấp cho mạng 18 2.2.3.1 Các dịch vụ FTP 19 2.2.3.2 Các dịch vụ E-mail 20 2.2.3.3 Các dịch vụ SNMP 21 2.2.3.4 Các dịch vụ OPC 22 2.2.3.5 Các dịch vụ TCP 23 2.2.3.6 Dịch vụ vận chuyển ISO 24 2.2.3.7 Dịch vụ UDP 25 2.2.3.8 Dịch vụ truyền thông với PG/OP 25 2.2.3.9 Dịch vụ truyền thông S7 26 2.3 Truyền thông công nghiệp với PROFIBUS 27 2.3.1 Khái niệm PROFIBUS 27 2.3.2 PROFIBUS mô hình quy chiếu OSI 27 2.3.2.1 Lớp 28 2.3.2.2 Lớp 29 2.3.2.3 Lớp tới lớp 29 2.3.2.4 Phương pháp truy nhập bus 30 2.3.3 Các dịch vụ cung cấp cho mạng 31 2.3.3.1 Dịch vụ Profibus DP 31 2.3.3.2 Dịch vụ Profibus PA 33 2.3.3.3 Dịch vụ Profibus FMS 35 2.3.3.4 Dịch vụ truyền thông PROFIBUS FDL 35 2.3.3.5 PROFIdrive 36 2.3.3.6 PROFIsafe 36 2.3.3.7 Dịch vụ truyền thông với PG/OP 38 2.3.3.8 Giao thức S7 cho PROFIBUS 38 CHƯƠNG 3: Xây dựng hệ thống SCADA cho hệ thống FMS 3.1 Tổng quan hệ thống FMS 41 3.1.1.1 Trạm Distribution 42 3.1.1.2 Trạm Testing 43 3.1.1.3 Trạm Handing Handing 44 3.1.1.4 Trạm Processing 45 3.1.1.5 Trạm Sorting 46 3.2 Thiết lập cấu hình phần cứng lập trình PLC 3.2.1 Mô tả chức module PLC 47 47 3.2.1.1 Module CPU313C-2DP (6ES7 313-6CE00-0AB0) 48 3.2.1.2 Module CP343-1IT (6GK7 343-1GX11-0XE0) 49 3.2.1.3 Modul ET200M (153-1AA03-0XB0) 52 3.2.1.4 Card CP5611A2 (6GK1561-1AA01) 53 3.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng 55 3.2.2.1 Thiết lập cấu hình phần cứng cho cấp trường 55 3.2.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng cho cấp điều khiển 59 3.2.3 Lập trình PLC cho trạm Handing 72 3.2.3.1 Bảng địa 72 3.2.3.2 Lưu đồ điều khiển 72 3.2.3.3 Chương trình PLC 74 3.3 Thiết lập cấu hình lập trình Wincc 74 3.3.1 Thiết lập cấu hình 74 3.3.2 Lập trình Wincc cho trạm Handing 77 3.3.3 Kết mô thực tế 80 CHƯƠNG 4: Giám sát cảnh báo 4.1 Yêu cầu giám sát cảnh báo 87 4.2 Tạo cảnh báo dòng text 87 4.2.1 Lập trình wincc 87 4.2.2 Kết mô 88 4.3 Tạo cảnh báo gửi tin nhắn SMS đến điện thoại di động 91 4.3.1 Cài đặt dịch vụ imail cho điện thoại di động 91 4.3.2 Cài đặt phần mền mail server 91 4.3.3 Lập trình wincc 94 4.3.4 Kết mô kiểm nghiệm thực tế 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1-1 Các chức hệ thống Hình 1-2 Mô hình phân cấp chức Hình 1-3 Cấu trúc hệ điều khiển giám sát Hình 1-4 Cấu trúc vào/ra tập trung Hình 1-5 Cấu trúc vào/ra phân tán Hình 1-6 Cấu trúc vào/ra trực tiếp với bus trường Hình 1-7 Cấu trúc điều khiển song song Hình 1-8 Cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng bus trường Hình 1-9 Cấu trúc điều khiển phân tán Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA 10 Hình 2-1 Mô hình hệ thống mở OSI 13 Hình 2-2 Industrial Ethernet mô hình quy chiếu OSI 14 Hình 2-3 Lưu đồ phương pháp truy nhập Bus CSMA/CD 16 Hình 2-4 Khung liệu IEEE 802.3 17 Hình 2-5 Các sản phẩm SIMATIC cho kết nối OPC 23 Hình 2-6 Kết nối sản phẩm cho dịch vụ PG/OP communication 25 Hình 2-7 Dịch vụ S7 communication 26 Hình 2-8 PROFIBUS mô hình quy chiếu OSI 28 Hình 2-9 Token passing 29 Hình 2-10 Kiểu thiết bị PROFIBUS DP 32 Hình 2-11 PROFIBUS PA 33 Hình 2-12 Cấu hình PROFIsafe với PROFINET PROFIBUS 37 Hình 2-13 Dữ liệu an toàn liệu chuẩn truyền qua 40 đường bus Hình 3-1 Hệ thống FMS 41 Hình 3-2 Trạm Distribution 42 Hình 3-3 Trạm Testing 43 Hình 3-4 Trạm Handing Handing 44 Hình 3-5 Trạm Processing 45 Hình 3-6 Trạm Sorting 47 Hình 3-7 Modul CPU 313C-2DP 48 Hình 3-8 Modul CP343-1IT 49 Hình 3-9 Các đèn hiển thị modul CP343-1IT 50 Hình 3-10 Giao diện ET200M 52 Hình 3-11 Thiết lập địa ET200M 53 Hình 3-12 Card CP5611 A2 53 Hình 3-13 Kết nối mạng Profibus DP 60 Hình 3-14 Cấu trúc mạng Profibus DP cho hệ thống FMS 66 Hình 3-15 Kết nối mạng Ethernet 66 Hình 3-16 Cấu trúc mạng Ethernet cho hệ thống FMS 72 Hình 3-17 Lưu đồ điều khiển 73 Hình 3-18 Mô trạm Handing vị trí ban đầu 80 Hình 3-19 Trạm Handing vị trí ban đầu 81 Hình 3-20 Mô tay kẹp vị trí kẹp phôi 82 Hình 3-21 Tay kẹp vị trí kẹp phôi 82 Hình 3-22 Mô tay kẹp nâng phôi vị trí 83 Hình 3-23 Tay kẹp nâng phôi vị trí 83 Hình 3-24 Mô tay máy chuyển phôi vị trí trạm sau 84 Hình 3-25 Tay máy chuyển phôi vị trí trạm sau 84 Hình 3-26 Mô tay kẹp xống vị trí nhả phôi 85 Hình 3-27 Tay kẹp xuống vị trí nhả phôi 85 Hình 3-28 Mô tay kẹp lên vị trí 86 Hình 3-29 Tay kẹp lên vị trí 86 Hình 4-1 Lỗi kẹt phôi 89 Hình 4-2 Lỗi không đưa tay máy trạm sau 89 Hình 4-3 Lỗi không nhả phôi 90 Hình 4-4 Lỗi không đưa tay máy trạm trước 90 Hình 4-5 Bảng kết lỗi 96 Hình 4-6 Test mail gửi 96 10 4.3 Tạo cảnh báo gửi tin nhắn SMS đến điện thoại di động Ta thực việc chuyển tiếp nội dung cảnh báo đến chủ tài khoản điện thoại đăng ký Sau cấu hình Webmail trang webViettel để tiếp nhận mail kích hoạt tin nhắn qua chủ tài khoản, đồng thời chuyển tiếp email thông báo đến người quản lý nhà máy Vì vậy, giúp nhà quản lý dù đâu cập nhật thông tin hoạt động nhà máy dễ dàng định xử lý kịp thời 4.3.1 Cài đặt dịch vụ imail cho điện thoại di động Soạn tin IMAIL gửi 1234 trung tâm mạng thiết lập cho ta email 0989424348@mobimail.viettel.com.vn 4.3.2 Cài đặt phần mềm mail server ™ Trong lisence name company or distributor ghi utehy: ™ Trong primary DNS IP Address Backup DNS IP Address điền địa 192.168.1.108 (địa IP địa kết nối mạng internet): 103 ™ Trong full name mailbox điền quangdong: ™ Vào Control Panel, chọn Wincc flexible Internet Setting điền thông tin “quangdong” “quangdong@company.com” ™ Vào Message Router-Company.mail → Setup → Primary domail → Domail/ISP đặt tham số: 104 ™ Vào Message Router-Company.mail → Setup → Account Manager → New: 4.3.3 Lập trình wincc Tạo cảnh báo: Trong project → alarm management → kích đúp vào discrete alarms → kích đúp vào text đặt tên cố → chọn triger tag 105 Kích vào text → chọn propeties → event → activate → chọn hàm sendemail Tại address ghi 0989424348@mobimail.viettel.com.vn Tại subject ghi loi Tại text ghi ket phoi Tại return address ghi 0989424348@mobimail.viettel.com.vn Trong project → alarm management → setting → alarm classes phần email address error ghi 0989424348@mobimail.viettel.com.vn sau: Trong project vào device setting điền thông tin vào → server name → name of sender → email address sau: 106 4.3.4 Kết mô thực tế Để kiểm tra tính xác tin nhắn SMS đến điện thoại di động hoạt động hệ thống FMS ta sử dụng mô hệ thống cài đặt vận hành thực tế Thực mô thực tế trạm Handing, trạm khác kiểm tra hoàn toàn tương tự Kết mô trạm Handing có lỗi giao diện Wincc hình 4-5 Kết tin nhắn SMS 4-6 Hình 4-5 Bảng kết lỗi 107 Hình 4-6 Test mail gửi 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài tiến hành nghiên cứu ứng dụng xây dựng mạng SCADA cho đối tượng công nghệ cụ thể, mạng SCADA thiết kế với giao diện WinCC flexible 2008 đơn giản, dễ hiểu, mạng có tính mở theo chiều dọc chiều ngang, thuận tiện cho việc mở rộng nâng cấp hệ thống hay liên kết với mạng khác Các kết đạt mô máy tính minh bạch, linh hoạt đáp ứng đúng, đủ yêu cầu hệ thống Các kết mô kiểm nghiệm chạy thực hệ thống, chứng tỏ tính đắn khoa học đề tài Kết đề tài tài liệu quan trọng để xây dựng module đào tạo sâu chuyên ngành điều khiển - tự động hóa Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Mặt khác, việc nghiên cứu ứng dụng mạng SCADA vào thực tế tạo định hướng cho việc nghiên cứu ứng dụng công cụ tự động đại vào sản xuất nước ta Kiến nghị Đề tài có tính “mở”, phát triển theo hướng sau: Thiết lập gửi tin nhắn trực tiếp từ modul CP343-1IT sử dụng giao thức SMTP.như sau: Trước tiên, ta cấu hình CP343 -1IT để có cố hay cảnh báo gửi tới địa Email Server mặc định sẵn Sử dụng giao thức SMTP cổng 25 điều khiển việc truyền Email Khi có cố xảy nhà máy, mô đun truyền thông CP343-1IT đọc giá trị yêu cầu tương ứng từ S7-300 đưa vào thông tin mà gửi Mô đun truyền thông CP343 -1IT thực việc gửi email cấu hình người lập trình đến email server thông qua địa IP cổng 25 định sẵn trình cấu hình Thiết lập Web Navigator WINCC thiết lập tài khoản truy cập hệ thống quyền hạn tài khoản Xây dựng điều khiển, giám sát hệ thống FMS qua trang HTML Ý tưởng nhận gửi tin nhắn SMS, email cảnh báo từ hệ thống điều khiển trở lại hệ thống từ di động sử dụng modul hỗ trợ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thượng Hàn (chủ biên) (2008), Hệ thống thông tin công nghiệp, Nhà xuất Giáo dục, tr 168-216 Hoàng Minh Sơn (2009), Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, tr 134-160 Trần Thu Hà (chủ biên), Phạm Quang Huy, Lập trình với S7 & WINCC giao diện người-máy HMI, Nhà xuất Hồng Đức, 11 Lê Thánh Tôn Q1 TPHCM Trần Thu Hà (chủ biên), Phạm Quang Huy (2007), Tự động hóa công nghiệp với WINCC, Nhà xuất Hồng Đức, 11 Lê Thánh Tôn Q1 TPHCM Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2007), Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo Hà Nội David Bailey, Edwin Wright (2003), Practical SCADA for industry, Newnes an imprint of Elsevier, Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, BRITAIN Siemens (2005), Profibus in Process Industry, Siemens AG, Postfach 4848, D90327 Nürnberg, GEMANY Siemens (2000), SIMATIC NET Profibus networks manual, AD&AS Siemens AG, Postfach 4848, D-90327 Nürnberg, GEMANY Siemens (2005), Simatic S7-300 Siemens, Siemens AG, Postfach 4848, D-90327 Nürnberg, GEMANY 110 PHỤ LỤC Phần chương trình viết cho PLC điều khiển hệ thống điều hòa trung tâm Phần chương trình viết cho PLC điều khiển trạm biến áp Một số hình ảnh mô hệ SCADA 111 112 S m ch i n k t n i ph n t tr m Handing 113 114 115 116 117 ... điều hành hệ thống FMS mạng SCADA wincc nhu cầu cấp thiết thực tế sở Đó lý cho việc lựa chọn đề tài “ Khảo sát, xây dựng hệ SCADA cho hệ thống FMS Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Lịch... Test mail gửi 96 10 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hệ thống FMS khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên sử dụng để phục vụ cho môn học chuyên ngành điều khiển & tự động hóa hạn chế... máy tính RS232 Hệ thống thiết kế cho từ máy tính chủ người vận hành can thiệp đến điểm trường 21 Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA 1.2.3 Chức hệ thống SCADA Hệ SCADA hệ thống điều khiển