Nghiên cứu thiết kế hệ thu thập dữ liệu và điều khiển

---oOo---Việc áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực nhưtin học, điện tử công suất, điện tử … đã trở thành một công cụ vô cùng hiệu quảđược Tự Động Hóa có những b

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.

1

2

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

4

Xác nhận của giáo viên phản biện

5

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan bản Đồ Án: “Nghiên cứu thiết kế hệ thu thập dữ liệu

và điều khiển” do chúng em tự thiết kế dưới và các số liệu và kết quả là hoàn toàn

đúng với thực tế

Để hoàn thành bản đồ án này chúng em chỉ sử dụng những tài liệu được ghitrong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệunào khác

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa đất nước đối với nềncông nghiệp nói chung và ngành điện nói riêng thì lĩnh vực Tự Động Hóa đã vàđang đóng một vai trò vô cùng quan trọng Vì nó nâng cao chất lượng sản phẩm,thân thiện với môi trường, hạ được giá thành sản phẩm, tính cạnh tranh cao vàđặc biệt là nâng cao tính an toàn cho con người

-oOo -Việc áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực nhưtin học, điện tử công suất, điện tử … đã trở thành một công cụ vô cùng hiệu quảđược Tự Động Hóa có những bước tiến bộ và ngày càng phát triển mạnh mẽ.Điển hình là việc ra đời những thiết bị như biến tần để điểu khiển tốc độ củađộng cơ không đồng bộ hay bộ PLC được ứng dụng nhiều trong việc xây dựngcác hệ thống, dây chuyền trong công nghiệp …

Được sự hướng dẫn trực tiếp của cô giáo Tống Thị Lý Bộ môn Tự động

hóa – Khoa Điện – Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, nhóm sinh viên lớpĐIỆN 3 – K6 chúng em đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng đồ án tốt nghiệp với

đề tài “ nghiên cứu hệ thu thập dữ liệu và điều khiển “ Nội dung đồ án tốt nghiệpgồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan chung về hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển Chương 2:Khảo sát mô hình Y-0044B.

Chương 3:Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển.

Chương 4: Kết luận đáng giá kết quả ,hướng phát triển đề tài

Dưới đây là báo cáo chi tiết về nội dung, kết quả thu được và những hạnchế của nhóm sau quá trình thực hiện đề tài

Trong quá trình thực hiện đồ án do thời gian nghiên cứu không nhiều nên

đồ án và báo cáo không thể trách khỏi những thiếu sót Vì vậy nhóm sinh viênrất mong và trân trọng những ý kiến phê bình đóng góp của các thầy cô và các bạnsinh viên đề đồ án được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội,tháng 5 năm 2015Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 5

LỜI CẢM ƠN 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 10

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG ĐỀ TÀI 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỀ TÀI 12

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN CHUNG HỆ THỐNG THU THẬP 14

DỮ LIỆU LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN 14

1.1 Giới thiệu về hệ thống SCADA 14

1.1.1 Khái niệm 14

1.1.2 Phân loại 14

1.1.3 Những chuẩn đánh giá 15

1.1.4 Cấu trúc chung 15

1.1.5 Các thành phần chức năng cơ bản của một hệ SCADA 17

1.1.6 Mô hình phân cấp 18

1.1.7 Chức năng nhiệm vụ của từng cấp 20

1.1.8 Phần mềm điều khiển giám sát 22

1.2 Nguyên tắc thiết kế HMI trên WinCC 24

1.2.1 Các nguyên tắc chung khi thiết kế HMI 24

1.2.2 Đặc điểm của Simatic-WinCC V7.0 25

1.2.3 Các bước thiết kế HMI 27

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌNH Y-0044B 30

2.1 Mô hình hệ thống 30

2.1.1 Mô hình trạm phát và truyền sản phẩm 30

2.2.2 Các thành phần hệ thống gia công: 31

2.2.3 Trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm 32

2.2.3.1 Mô hình trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm 32

2.2.3.2 Hệ thống kiểm tra phân loại sản phẩm: 32

2.3 Các biến điều khiển sử dụng trong mô hình 33

2.3.1 PLC S7-200 CPU224XP và ứng dụng 33

2.3.2 Cáp truyền thông RS485 35

2.3.3 Áp kế 37

2.3.4 Nhóm van solenoit 38

2.3.5 Băng tải 39

2.3.6 Động cơ 40

2.3.7 Xi lanh 41

2.3.8 Công tắc hành trình 42

2.3.9 Cảm biến áp suất 43

2.3.10 Cảm biến quang 44

2.3.11 Cảm biến tiệm cận 45

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU 48

VÀ ĐIỀU KHIỂN 48

3.1 Sơ đồ khối, lưu đồ thuật toán 48

3.1.1 Sơ đồ khối 48

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 48

3.2 Yêu cầu công nghệ, mục đích và các biến cần điều khiển 49

3.2.1 Yêu cầu công nghệ 49

3.2.2 Mục đích 49

3.2.3 Các biến cần điều khiển 50

3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển PLC S7-200 51

3.3.1 Sơ đồ đi dây 51

3.3.1.1 Sơ đồ khối trạm gia công 52

3.3.1.2 Sơ đồ khối trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm 52

3.3.2 Thuật toán điều khiển 53

3.4 Kết nối WinCC với S7-200 sử dụng PC Access 66

3.4.1 Tạo sự kết nối cho một PLC 66

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện Đồ án Chúng em đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều

-oOo -từ cô Tống Thị Lý, -oOo -từ việc hỗ trợ chúng em về các thiết bị trong mô hình, việc tạođiều kiện cho chúng em được thử nghiệm trên phòng thực hành, đến việc hướng dẫnbước khởi đầu cho chúng em trong quá trình tìm hiểu về một giao thức mạng.Chúng em xin cảm ơn Cô rất nhiều

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong Khoa Điện, các bạntrong lớp đã giúp đỡ, trao đổi các thiết bị, các kiến thức về mạch điện, giúp chúng

em hoàn thành bài Đồ án tốt nghiệp này

Thế nhưng, do kiến thức còn hạn chế và thời gian thực hiện vẫn chưa đượchoạch định rõ ràng, thế nên trong bài đồ án không tránh khỏi thiếu sót Chúng emrất mong được sự cảm thông và đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn để bài

Đồ án của chúng em được hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !!!

Hà Nội,ngày tháng năm 2015

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Logic Controller

Thiết bị điều khiển logic khảtrình

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG ĐỀ TÀ

Bảng 3.1 Các biến điều khiển của PLC1 49 Bảng 3.2 Các biến điều khiển của PLC2 49 Bảng 3.3 Các biến điều khiển của PLC3 50

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỀ TÀ

Hình 1.1: Cấu trúc chung của một hệ SCADA

Hình 2.8: Kiểm tra và phân loại sản phẩm

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN CHUNG HỆ THỐNG THU THẬP

DỮ LIỆU LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Giới thiệu về hệ thống SCADA

1.1.1 Khái niệm

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thểthiếu được trong một hệ thống tự động hóa hiện đại Từ những năm gần đây, tiến

bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm đã thực

sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới

Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệmSCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) cũng được hiểu với những

ý nghĩa hơi khác nhau, tùy theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian

Có thể, khi nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng

và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải

về một khu trung tâm để xử lý Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khaithác dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu Theo cách hiểunày, vấn đề truyền thông được đặt lên hàng đầu

Trong nhiều trường hợp, các khái niệm SCADA và “None SCADA” lạiđược dùng để phân biệt các giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phầnmềm chuyên dụng (ví dụ FIX, InTouch, WinCC, Lockout,…) hay phần mềm phổthông (Access, Excel, Visual Basic, Delphi, Jbuilder,…) ở đây, công nghệ phầnmềm là vấn đề quan tâm chủ yếu

Nói một cách khái quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ thốngđiều khiển giám sát, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc quan sát vàđiều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường Đươngnhiên, để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có hệ thống truy nhập(không chỉ thu thập) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần phải có giao diện người –máy (Human – machine Interface, HMI) Tùy theo trọng tâm của nhiệm vụ màngười ta có thể có những cách nhìn khác nhau

 SCADA có khả năng xử lí đồ họa thông tin thời gian thực

Trong đó hai hệ SCADA cơ bản:

-Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ

liệu với một bộ vi xử lí Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máymóc Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

-Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ

liệu với nhiều bộ vi xử lí Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này

có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất.Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điềukhiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từphòng thiết kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị

ở xa

1.1.3 Những chuẩn đánh giá

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phântích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợcủa công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện

Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ họa có sẵn, khả năng truycập và cách kết nối dữ liệu từ quá trình kĩ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấphành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường)

Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện quá trình, khả năng

hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự

cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive And History) và lập báo cáo(Reporting)

Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nềnWindows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá thànhtổng thể của hệ thống

1.1.4 Cấu trúc chung

Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trìnhđược minh họa trên hình 1.1 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò làgiao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kĩ thuật Trong khi đó, hệthống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy.Các thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểm – điểm, hoặc thông qua mạngtruyền thông

Hệ thống điều khiển giám sát

Hình 1.1: Cấu trúc chung của một hệ SCADA

Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng ta đưa ra có thể là tín hiệu nhịphân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khácnhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA,.v v.) Trước khi có thể xử lý trong máytính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/racủa máy tính Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh

sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị Đó chính là các chức năng của cácmodule vào/ra (I/O)

Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phầnchức năng chính sau đây:

 Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,chuyển đổi tín hiệu

 Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiểnchuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable LogicController), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) vàmáy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng

 Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện ngườimáy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển caocấp.

 Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành,bus trường, bus hệ thống

 Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.1.5 Các thành phần chức năng cơ bản của một hệ SCADA.

Xét một các tổng quát, một hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu baogồm những thành phần chức năng cơ bản như liệt kê dưới đây:

1.1.5.1 Phần cứng.

 Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo

 Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân kênh,Modem, các bộ thu phát

 Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC, Workstation), các bộ tập trung dữliệu (Data concentrator, PC, PLC)

 Trạm vận hành (Operator Station)

1.1.5.2 Phần mềm.

 Giao diện vào/ra (phần mềm giao diện quá trình), dưới các dạng I/ODrivers

 I/O – Servers (DDE, OPC, )

 Giao diện người – máy

 Cơ sở dữ liệu quá trình

 Hệ thống cảnh báo, báo động

 Lập báo cáo tự động

 Điều khiển cao cấp: Điều khiển mẻ, điều khiển trình tự, điều khiển côngthức

Giao diện máy (HMI)

người-CƠ SỞ DỮ LIỆU QUÁ TRÌNH

Hệ thống cảnh báo, báo động

Điều khiển cao cấp

Lập báo cáo tự động

(reporting)

Hình 1.2: Các thành phần phần mềm trong một hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu.

1.1.6 Mô hình phân cấp

Theo mô hình phân cấp chức năng, càng ở những cấp dưới thì các chứcnăng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanhnhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên cácchức năng ở cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấpdưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều.Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điềukhiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điềuhành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chứcnăng tổng thể cho các công ty sản xuất chuyên nghiệp

1.1.6.1 Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động vàchuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảmbiến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng choviệc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bịthông minh cũng có thể đảm nhận việc xử lý thông tin, trước khi đưa lên cấp điềukhiển

1.1.6.2 Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử

lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuốngcác cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được ngườiđứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lương, sử dụngkiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/

mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v… Trong một hệ thống điều khiển tựđộng hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằngmáy tính.

Tính toán giá thành, lãi suất, thống

kê số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý

đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên

Đánh giá kết quả, lập kế hoạch

sản xuất, bảo dưỡng máy móc,

tính toán tối ưu hóa sản xuất.

Điều hành sản xuất

Điều khiển giám sát

Điều khiển

Chấp hành

Cấp điều khiển quá trình

Quá trình kỹ thuật

Cấp trường

Hình 1.3: Mô hình phân cấp chức năng.

1.1.6.3 Cấp điều khiển giám sát.

Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình

kĩ thuật Khi đa số các chức năng như điều khiển, đo lường, điều chỉnh, bảo toàn

hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát

là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sátvận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trườnghợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phốihợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dượcphẩm, hóa chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điềukhiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệtngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ,termimal…)

Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệthống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thểkhác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấutrúc hệ thống cụ thể Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển

trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm,…), sự phân chianhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại, trong tự động hóa một nhàmáy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chianhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi.

1.1.7 Chức năng nhiệm vụ của từng cấp.

Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân nhiệm thànhnhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển lênnhững đối tượng trong hệ thống Các đối tượng máy móc thường lắp đặt trong địaphương của cấp quản lý phân xưởng xí nghiệp cấp dưới Đồng thời, cũng có mộtđặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc giám sát – điều khiển của cấp trên vềmặt sản xuất nhưng cũng thuộc sự giám sát – điều khiển vật lý cụ thể về mặt vậnhành chuẩn đoán và bảo dưỡng của các cấp khác thấp hơn Những điều này là cơ

sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấp SCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay

Những nguyên tắc chính sau:

-Thông thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý được trợ giúp tựđộng hóa bằng một hệ SCADA của cấp ấy Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dướithấp sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại

rõ máy móc thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào Các sốliệu phân loại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên trêntheo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập dữliệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp

-Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính đưa racác lệnh thao tác thay đổi ien hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng của mình,qua hệ truyền tin gửi lệnh đó đến cấp SCADA có ien quan để thực hiện Để giảiquyết những bài toán điều khiển phân tích riêng này của mình thì SCADA mỗicấp thường được trang bị ien những phần cứng máy tính, phần mềm phân tíchchuyên dụng Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp đểgiải bài toán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành và cho hệ SCADA

Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:

-Thứ nhất: thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất

và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất,

sự kiện thao tác, báo động, …)

-Thứ hai: Dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển,giám sát hệ sản xuất

-Thứ ba: Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn hình,trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất…)

-Thứ tư: Điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng cắt các máy móc thiết

bị, ien giảm nấc phân áp …)

-Thứ năm: Thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài(đọc viết số liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu cầucủa cấp trên về số liệu, về thao tác hệ)

Nhìn chung, SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tựđộng hóa việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất côngnghiệp Tùy theo yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hóa ta có thể xây dựng hệSCADA thực hiện một số những nhiệm vụ tự động hóa như: thu thập giám sát từ

xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động từ xavới các đối tượng và các cấp quản lý

Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng ien kết với các hệthống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ liệu chuẩnnhư Oracle, Access, Microsoft SQL …

1.1.8 Phần mềm điều khiển giám sát.

Trong giải pháp điều khiển giám sát, hệ thống truyền thông ở cấp dưới(bus trường, bus chấp hành-cảm biến) đã có sẵn Nếu như mạng máy tính của mộtcông ty cũng đã được trang bị (chủ yếu ung Ethernet), thì cơ sở hạ tầng cho việctruyền thông không còn là vấn đề lớn phải giải quyết Vì vậy, trọng tâm của việcxây dựng các giải pháp SCADA trong thời điểm hiện nay là vấn đề lựa chọn công

cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống

1.1.8.1 Cấu trúc chung của các phần mềm điều khiển giám sát.

Giao diện máy (HMI)

người-CƠ SỞ DỮ LIỆU QUÁ TRÌNH

Hệ thống cảnh báo, báo động

Điều khiển cao cấp

Lập báo cáo tự

động (reporting)

Hình 1.4: Cấu trúc chung của phần mềm điều khiển giám sát.

1.1.8.2 Cơ sở dữ liệu quá trình

b Đặc điểm của cơ sở dữ liệu quá trình:

Về cơ bản, cơ sở dữ liệu quá trình trong các phần mềm công nghiệpchuyên dụng cũng giống các hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường

Do yêu cầu về tính ổn định, bảo mật, khả năng lưu trữ, tìm kiếm,… nêncác cơ sở dữ liệu quá trình trong các phần mềm công nghiệp thường được xâydựng trên cơ sở một thương phẩm như SQL Server, Sybase, Informix,…

c Các yêu cầu đặc biệt:

 Tần suất cập nhật cao, mang tính tuần hoàn

 Tính năng thời gian thực

 Quản lý hiệu quả cơ sở dữ liệu lớn liên tục rất nhanh

d Giao diện người – máy.

Giao diện người máy thương bao gồm các thành phần cơ bản sau:

 Sơ đồ khối (hệ thống): Hiển thị tình trạng các thiết bị, máy móc

 Lưu đồ công nghệ (phân đoạn, nhóm): Hiển thị các giá trị quá trình, cáchình ảnh động minh họa, các phím điều khiển

 Biểu đồ chức năng trình tự (SFC)

 Faceplates: Hiển thị và can thiệp chi tiết một vòng điều khiển (chế độđiều khiển, các giá trị biến và tham số điều khiển, tình trạng báo động)

 Đồ thị thời gian thực: Hiển thị các giá trị quá trình (tức thời)

 Đồ thị quá khứ: Hiển thị các giá trị lưu trữ

 Các cửa sổ báo động

 Các cửa sổ chỉ dẫn

e Chức năng cảnh báo/báo động:

Chức năng cảnh báo/báo động của phần mềm hệ thống cần đảm bảo cácchức năng cơ bản sau:

 Phát hiện tình trạng cảnh báo/báo động

 Các hệ DCS: Các trạm điều khiển cục bộ

 Các hệ PLC+SCADA/HMI: Các trạm vận hành/trạm chủ

 Gửi cảnh báo/báo động.

 Trạm được quyền can thiệp

 Mức ưu tiên, tính cấp thiết

 Lưu trữ dữ liệu cảnh báo/báo động

 Hiển thị cảnh báo/báo động

 Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết

 Sắp xếp theo thời gian xảy ra

 Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo động

 Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhấp nháy

 Xác nhận cảnh báo/báo động

 Quyền người sử dụng

 Xác nhận theo nhóm hoặc xác nhận theo từng thông báo

 Xóa cảnh báo/báo động

1.2 Nguyên tắc thiết kế HMI trên WinCC

1.2.1 Các nguyên tắc chung khi thiết kế HMI

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phần mềm cho hệ SCADA như WinCC(Siemens), Fix-Intellution, Wonderware, Scitect, Plantscape (Honeywell) Tuynhiên, trong giới hạn đồ án chúng em xin giới thiệu phần mềm WinCC sử dụngcho hệ SCADA trạm vận chuyển gia công và phân loại sản phẩm

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiểnchạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm đểthiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft nhưWindows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sảnphẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứhạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điềukhiển

WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự độnghóa quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉênphần mềm cho PC

Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớnnhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có qui

mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES(Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) vàERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy

mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới

Hệ thống WinCC bao gồm các hệ thống con:

 Hệ thống đồ họa (Graphics system)

 Ghi nhận cảnh báo (Alarm logging)

 Hệ thống lưu trữ (Archiving System)

 Hệ thống cảnh báo (Report System)

 Truyền thông (communication)

 Quản trị người dùng (user administration)

1.2.2 Đặc điểm của Simatic-WinCC V7.0

- Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: WinCC sử dụng công nghệ phầnmềm mới nhất Nhờ sự cộng tác chặt chẽ giữa Siemens và Microsoff, ngườidùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm màMicrosoft là người dẫn đầu

- Hệ thống khách/chủ với các chức năng SCADA: Ngay từ hệ thống WinCC

cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởiđộng các yêu cầu hiển thị phức tạp Việc gọi những hình ảnh (picture), cáccảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễdàng được thiết lập

- Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp: WinCC là một

mô đun trong hệ thống tự động hóa, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệthống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máytính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúcphân tán với nhiều máy chủ (server)

- Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC): Các giao diệnchuẩn như DDE và OLE dùng cho việc chuyển dữ liệu từ các chương trìnhchạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC Các tính năngnhư ActiveX control và OPC server và lient cũng được tích hợp sẵn

- Ngôn ngữ vạn năng: WinCC được phát triển dùng ngôn ngữ lập trình

ANSI–C

- Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữliệu: Tất cả các mô đun của của WinCC đều có giao diện mở cho giao diệnlập trình dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API) Điều đó cónghĩa là người dùng có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC và các hàmthực hiện (runtime) vào một chương trình của người sử dụng

- Có thể cài đặt cấu hình trực tuyến bằng các Wizards: Người thực hiện việccài đặt cấu hình hệ thống có một thư viện đầy đủ cùng với các hộp thoại và

Wizards Tại giai đoạn hiệu chỉnh hệ thống, các thay đổi có thể thực hiệntrực tuyến (on line).

- Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ: Phần mềm WinCC

được thiết kế trên cở sở nhiều ngôn ngữ Nghĩa là, người dùng có thể chọntiếng Anh, Đức, Pháp hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sửdụng Các ngôn ngữ này cùng có thể thay đổi trực tuyến

- Giao tiếp với hầu hết các loại PLC: WinCC có sẵn các kênh truyền thông đểgiao tiếp với các loại PLC của Siemens như SIMATIC S5/S7/505 cũng nhưthông qua các giao thức chung như Profibus DP, DDE hay OPC Thêm vào

đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn như là những lựa chọn hay phần

bổ sung

- WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hóa tích hợp toàn diện(Totally Integrated Automation-TIA): WinCC đóng vai trò như của sổ của

hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ

- Là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens: PCS 7 là hệ thốngđiều khiển quá trình, một trong những giải pháp của Tự động hóa được tíchhợp toàn diện

1.2.3 Các bước thiết kế HMI

1.2.3.1 Các yêu cầu khi thiết kế.

a Yêu cầu chung

- Đơn giản, dễ sử dụng (easy-to-use)

- Bền vững, khó gây lỗi (robustness)

- Tính thông tin cao (informativeness)

b Yêu cầu cấu trúc các màn hình.

- Gần với các máy móc, thiết bị, công nghệ thực

- Khoa học, kết hợp hợp lý phương pháp sử dụng chuyển cấp hoặc lựachọn nhanh

c Yêu cầu phân cấp màn hình.

- Tổng quan hệ thống (system overview), hệ thống con (subsystemoverview)

- Tổng quan nhóm (group overview)

- Hiển thị nhóm (group display)

- Hiển thị chi tiết (details display)

- Hình ảnh hệ thống, hình ảnh phạm vi/công đoạn/máy móc dưới dạng lưu

đồ công nghệ (process diagram) hoặc hình ảnh dây chuyền sản xuất

- Đồ thị (trends): Đồ thị thời gian thực, đồ thị quá khứ

- Cửa sổ báo động (alarm windows)

1.2.3.2 Các nguyên tắc thiết kế.

a Màu sắc

- Chỉ dùng màu sắc khi thật cần thiết

- Nền: màu tối, ví dụ xám sẫm hoặc xanh lam đậm

- Máy móc, thiết bị: Sử dụng hình phẳng, màu và độ sáng khác ít so vớinền, cố gắng tránh 3D, tránh các mẫu hoa văn

- Hình tĩnh (đường ống, máy móc): tránh các màu tươi, chói

- Tín hiệu trạng thái, hình động: Chọn các màu tươi, chói

b Chữ viết

- Hạn chế số font chữ, kiểu chữ, chênh lệch độ lớn

- Chân phương, tránh các hiệu ứng đặc biệt (3D, lượn sóng, đường viền, )

c Các hình ảnh động

- Hỗ trợ phân biệt trạng thái, ví dụ nhấp nháy

- Nhất quán trong tất cả các màn hình

- Các số nên chỉnh căn phải, các biến liên quan trực tiếp để gần nhau vàcùng cách biểu diễn

- Biểu diễn các đơn vị vật lý với giá trị số và không dùng %

1.2.3.3 Các bước thiết kế

a Đặt vấn đề

- Yêu cầu thực tế của ứng dụng, quy mô hệ thống, giá thành

- Hiệu năng của hệ thống: khả năng cập nhật dữ liệu, cập nhật màn hình,hiệu suất sử dụng đường truyền

- Độ tin cậy của hệ thống

- Khả năng hỗ trợ bởi các công cụ phần mềm

b Cấu trúc một người sử dụng (single-user)

- Ghép nối điểm-điểm

- Ghép nối nhiều điểm: vai trò của mạng truyền thông

c Cấu trúc nhiều người sử dụng (multi-user)

- Một màn hình/một trạm

- Nhiều màn hình/một trạm

- Kiến trúc Client/Server: Cấu trúc mạng phẳng v cấu trúc mạng phân cấp

d Cấu trúc hệ thống quy mô lớn

- Số lượng lớn các thiết bị thu thập dữ liệu: Vai trò của các bộ tập trung

dữ liệu

- Hệ thống diện rộng: Vai trò các bộ dồn kênh/phân kênh, các bộ thu/phát,modem, mạng viễn thông, Internet

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌNH Y-0044B

2.1 Mô hình hệ thống

2.1.1 Mô hình trạm phát và truyền sản phẩm

Hình 2.1: Trạm phát và truyền sản phẩm

2.2.1.1 Các thành phần hệ thống đẩy sản phẩm:

Hình 2.2 : Hệ thống đây sản phẩm

2.2.1.2 Các thành phần hệ thống truyền sản phẩm:

Hình 2.3 Hệ thống truyền sản phẩm

2.2.2 Các thành phần hệ thống gia công:

Hình 2.5:Hệ thống gia công

2.2.2.1 Các thành phần hệ thống vận chuyển:

7 Trục điều chỉnh băng truyền

8 Công tắc giới hạn sang trái

14 Công tắc giới hạn sang phải

15.động cơ di chuyển trái/phải

Hình 2.6 : Hệ thống vận chuyển

2.2.3 Trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm

2.2.3.1 Mô hình trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm

Hình 2.7: Mô hình trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm

13 Công tắc giới hạn sang trái

14 Nâng máy hút

15 Van xuống Pittong

16 Van pittong lên

17 Cặp pittong

18 Đai truyền

19 Công tắc giới hạn sang phải

20 Động cơ 1 chiều

2.2.3.2 Hệ thống kiểm tra phân loại sản phẩm:

2.3 Các biến điều khiển sử dụng trong

mô hình

2.3.1 PLC S7-200 CPU224XP và ứng dụng

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens (CHLBĐức), có cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng Các module nàyđược sử dụng với những mục đích khác nhau

Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trongtrường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưuchương trình và dữ liệu (Catridge)

Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X (loại cũ) và 22X (loại mới), trong đó

họ 21X không còn sản xuất nữa Họ 21X có các đời sau: 210, 212, 214, 2DP, 216; họ 22X có các đời sau: 221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

215-Trong đồ án này, nhóm chúng em chọn PLC S7-200 CPU 224XP

107

Digital I/0 cực đại

Analog I/0 cực đại

Bộ đếm

Tốc độ thi hành lệnh

Khả năng lưu trữ khi mất điện

Xung xuất tốc độ cao

Truyền thông

128/12832/322560.22μss100h2x100 KHz2xRS485

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của CPU224XP

2.3.1.1 Đầu vào

- Tầm điện áp mức 1 logic 1 :15-30VDC, dòng điện nhỏ nhất 4mA,35V

ở thòi gian tức 500ms

- Trạng thái mức 1 chuẩn 24 VDC, 7mA

- Đáp ứng thời gian lớn nhất ở các chân I0.0 đến I1.5 có thể chỉnh từ 0.8 ms mặc định là 0.2 ms

0.2 Các chân từ I0.0 đến I1.5 được sủ dụng bởi bộ đếm tốc độ

- Trạng thái mức logic 0 tối đa VDC ,1mA

- Sự cách ly về quang 500 VCA 1 min

2.3.1.2 Đầu ra

- Kiểu đầu ra Relay hoặc transitor

- Tầm điện áp 24,4 đến 28,8 VDC

- Dòng tải tối đa 2A điểm, 8A I common

- Quá dòng 7A với contact đúng

sử dụng nhất 24 VDC và 220 VAC

- Điện áp nguồn 20,4 -24,8 VDC

- Dòng vào Max 900mA tại 24 VDC

- Cách ly điện ngõ vào không có

- Thời gian duy trì khi mất nguồn 10ms tại 24VDC

- Cầu chì bên trong 2A; 250V

2.3.1.4 Cổng truyền thông của PLC

- S7-200 sủ dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích 9 chân đểphục vụ cho viêc ghép nối với thiết bị lập trình

- Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 nối thẳng cáp MPI, máylập trình đi kèm với cáp

Ghép nối với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PCI với bộ chuyển đổi RS232/RS456

2.3.2 Cáp truyền thông RS485

Việc truyền dữ liệu được thực hiện trên 2 dây A, B Chuẩn này truyền tínhiệu theo phương pháp lấy vi sai cân bằng Có nghĩa là tín hiệu truyền đi nhờ cả 2dây Và dữ liệu nhận được được căn cứ theo sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này Hình2.9 trình bày rõ hơn về cách truyền dữ liệu theo chuẩn truyền RS485

Giả sử khi A = 0, B = 1 thì dữ liệu được nhận biết đó là data = 1, và khi A =

1, B = 0 thì dữ liệu được nhận biết là data = 0 Nhờ việc so sánh như trên, nên khi

có nhiễu xảy ra, thì cả 2 tín hiệu A, B điều bị suy giảm như nhau, thế nên độchênh lệch điện áp giữa chúng là không đổi, vì vậy ở thiết bị nhận vẫn có thể nhậnđược tín hiệu một cách chính xác

Hình 2.9 Truyền dữ liệu theo chuẩn truyền RS485.

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng -1,6V đến -6V thì

dữ liệu được nhận tương ứng với mức 1

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến +6V thì

dữ liệu được nhận tương ứng với mức 0

Ưu điểm: Giảm đi sự sai lệch dữ liệu ở thiết bị nhận, và việc truyền thông tin

đi được xa hơn Ngoài ra, ta còn có thể kết nối được nhiều thiết bị trên cùng mộtmạng, (chuẩn truyền RS485 sử dụng cách kết nối multidrop : kết nối đa điểm ) sửdụng chuẩn truyền RS485 này

Nhược điểm: Trên thực tế các linh kiện RS-485 chỉ chịu được sự chênh lệchđiện áp giữa các đất trong giới hạn chỉ định trong Datasheet Một cách khác đểkhử hoặc giảm vấn đề điện áp đất này là cách ly đường kết nối để điện thế đất của

bộ truyền và bộ nhận không bị ảnh hưởng lẫn nhau

Một số đặc tính của chuẩn truyền RS485: Khoảng cách truyền lên đến 1200m, tốc

độ truyền có thể lên đến 10Mbps, số lượng thiết bị tối đa có thể kết nối là 32 thiết

bị phát và 32 thiết bị thu

2.3.3 Áp kế

Hình 2.10 Áp kế

Nguyên lý làm việc bộ lọc khí nén có điều chỉnh áp suất:

Khi đi vào bộ lọc, không khí phải đi qua một cánh có dạng xoắn, dòng khí

sẽ bị xoắn lại Các chất bẩn thô ( các hạt nước, các vật thể rắn ), dưới tác dụng củalực ly tâm sẽ bị đẩy vào vách phía bên trong của chén lọc, sau đó các chất bẩn này

sẽ rơi xuống buồng chứa Không khí nén đi qua ngăn lọc rồi đến bộ điều tiết ápsuất, áp suất thứ cấp sẽ tác động vào một phía màng và tạo ra lực để cân bằng vớilực của lò xo đã được định chỉnh bằng núm vặn

Nếu áp suất sơ cấp cao hơn nó sẽ đẩy đĩa đệm kín vào bệ van, ngăn cảnkhông khí nén đi đến phía thứ cấp Nếu phía thứ cấp có tiêu thụ khí nén, lực tácđộng lên màng sẽ giảm xuống Lò xo sẽ nâng đĩa đệm kín lên khỏi bệ van vàkhông khí nén có thể lưu thông qua phía thứ cấp Để tránh cho van khỏi bị daođộng, người ta lắp thêm bộ phận giảm chấn Hai lỗ thông hơi trên vỏ bộ điều tiết

áp suất cần được giữ cho thông thoát

2.3.4 Nhóm van solenoit

Hình 2.11 Nhóm van solenoit Thành phần:

1.van đẩy xi lanh

2.Van lùi xi lanh

3.Van đẩy xuống

4.Van đưa lên5.Van giữ khí

Chức năng:

Truyền khí nén cần thiết cho sựu vận hành của hệ thống, các van có thể kiểmsoát được các năng lượng điện bằng cách áp dụng điện báo hiệu qua các van mongmuốn

2.3.5 Băng tải

Hình 2.12 Băng tải Thành phần cấu tạo:

-Một động cơ giảm tốc trục vít và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ-Hệ thống dây băng hoặc con lăn

-Bộ con lăn, truyền lực chủ động

-Hệ thống khung đỡ con lăn

Ứng dụng:

Trong các cơ sở sản xuất qui mô vừa và nhỏ, các công trình thi công vĩ mô, việc

sử dụng các loại băng tải sẽ giúp tiết kiệm sức lao động, nhân công, nhân lực, thờigian và tăng hiệu quả rõ rệt Mỗi loại băng tải được sử dụng trong những trườnghợp nhất định, cần tìm hiểu để có thể sử dụng đúng và đạt hiệu quả cao

Ứng dụng:

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hóa chúng được ứngdụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điềukhiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc,điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong

các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máybay

Hình 2.16 Xi lanh đôi

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên tắc hoạt động của xilanh tác động kép là áp suất khí nén được dẫnvào cả 2 phía của xilanh Xilanh tác động 2 chiều có giảm chấn ngăn chặn sự vađập của pitton vào thành của xilanh ở vị trí cuối hành trình

2.3.8 Công tắc hành trình

Hình 2.17 Công tắc hành trình

COM: Đầu giữa

NC: Đầu đóng

NO: Đầu mở