THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC TRẠM BƠM XĂNG DẦU

Công nghệ tự động hóa đóng một vai trò hết sức to lớn trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống trên toàn thế giới cũng như tại Việt nam. Có thể nói rằng hiện nay các giải pháp tự động hoá có mặt hầu hết trong các lĩnh vực khác nhau như sản xuất công nghiệp, viễn thông, giao thông, dân dụng, nông nghiệp,…Nhưng hiện nay tại Việt Nam đa số các giải pháp phần cứng và phần mềm của các hệ thống tự động hoá đều được nhập về từ các nước tiên tiến khác. Để phát triển bền vững và giảm thiểu sự phụ thuộc về công nghệ của các nước khác, chúng ta cần tiến hành nghiên cứu một cách toàn diện về bản chất của các hệ thống tự động hoá, từ đó chúng ta có thể xây dựng và thiết kế được các giải pháp tự động hoá thích hợp có tính khả thi cao nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hiện nay tại Việt Nam. Chúng ta đều biết rằng xăng dầu là loại nhiên liệu có vai trò hết sức quan trọng trong mọi mặt của đời sống hằng ngày. Sự hiện diện của nó góp phần rất lớn trong việc thúc đẩy hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp ngày càng phát triển. Đặc biệt, nó là thành phần không thể thiếu đối với các phương tiện giao thông giúp cho sự di chuyển hàng hóa cũng như việc đi lại của con người trở nên thuận lợi hơn. Ngày nay, việc đổ xăng để có thể vận hành các phương tiện giao thông là điều quá quen thuộc với chúng ta. Vấn đề đặt ra là: làm sao đo được chính xác lượng xăng dầu và tính toán số tiền khách hàng phải trả thật nhanh chóng, đồng thời quản lý được lượng xăng đã bán và lượng xăng còn lại trong kho, tránh việc gian lận và mất cắp để không gây thiệt hại cho chủ đầu tư cũng như khách hàng. Đồng thời quá trình bơm xăng và các dữ liệu về quá trình bơm xăng phải được điều khiển và giám sát từ xa qua mạng máy tính. Để giải quyết vấn đề này, luận văn thực hiện nghiên cứu, phân tích bản chất hệ thống SCADA đa cấp, từ đó xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu với các thiết bị hiện đại và quen thuộc như máy vi tính, vi điều khiển, PLC, phần mềm SCADA VIJEO CITECT… ta có thể xây dựng một hệ thống đáp ứng được các nhu cầu trên.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Lê Kim Phụng hiện đang là học viên lớp Cao học ngành Tự động hóa khóa 2008 của Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan và hoàn toàn chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung của luận văn này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Trương Đình Châu

Học viên

Lê Kim Phụng

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:

− Quý thầy cô Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy cho

em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình nghiên cứu

− Quý thầy cô Phòng Khoa học Công nghệ và Đào Tạo sau Đại học Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này

− Các bạn học viên, sinh viên đã học tập và đang giảng dạy tại Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Trường Cao Đẵng Kinh tế Kỹ thuật Phú Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh

đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

− Đặc biệt em xin được gởi lời biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Trương Đình Châu, người hướng dẫn và định hướng đề tài đã tận tình giúp đỡ để

em hoàn thành được luận văn này

− Cuối cùng em xin cảm ơn các bạn học viên Cao học, đồng nghiệp, người thân

và gia đình đã giúp đỡ em trên con đường học tập và nghiên cứu

Học viên

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU

Chương 1 – TỔNG QUAN 12 

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 13 

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN 14 

1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN 14 

Chương 2 - GIẢI PHÁP HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC TRẠM BƠM XĂNG DẦU 15 

2.1 GIỚI THIỆU CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP 16 

2.1.1 Cấu trúc phần cứng 16 

2.1.2 Phần mềm của hệ thống SCADA 17 

2.2 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18 

2.2.1 Đặt vấn đề 18 

2.2.2 Phân tích yêu cầu của hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu… 19 

2.2.3 Giải pháp hệ thống phần cứng 19 

2.2.4 Giải pháp phần mềm 20 

2.2.5 Giải pháp quản lý và lưu trữ dữ liệu 20 

2.3.1 Cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu 21 

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 22 

2.3.3 Chức năng nhiệm vụ của các cấp trong hệ thống 23 

2.4 GIẢI PHÁP PHẦN MỀM 25 

2.4.1 Tổng quan hệ thống phần mềm 25 

2.4.2 Xây dựng Server dữ liệu thời gian thực 26 

2.4.3 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quan hệ 27 

Chương 3 - THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC TRẠM BƠM XĂNG DẦU 27 

3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 28 

3.1.1 Cấu trúc phần cứng của mô hình 29 

3.1.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống 31 

3.1.3 Thiết kế hệ thống phần cứng 32 

3.2 TRUYỀN THÔNG 57 

3.2.1 Cáp PC/PPI 57 

3.2.2 Các chuẩn giao tiếp 60 

3.2.3 Thiết kế mạch truyền thông 65

3.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 73 

3.3.1 Lưu đồ giải thuật trên vi điều khiển PIC 73 

3.3.2 Lưu đồ giải thuật trên PLC 79 

3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM GIAO DIỆN 81 

3.4.1 Tổng quan hệ thống phần mềm 81 

3.4.2 Xây dựng giao diện quản lý hệ thống 82 

Chương 4 - KẾT LUẬN 91 

4.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 91 

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 93 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 - Vị trí công tắc chọn tốc độ truyền cáp PC/PPI 58 

Bảng 3.2 - Các chân của cổng RS – 232 ở cáp PC/PPI 59 

Bảng 3.3 - Thời gian quay vòng của cáp PC/PPI 59 

Bảng 3.4 – Chức năng các chân của rãnh cắm RS232 61 

Bảng 3.5 - Các chân của cổng truyền thông S7-200 63 

Bảng 3.6 - So sánh các chuẩn truyền thông nối tiếp 64 

Bảng 3.7 - Hoạt động truyền 67 

Bảng 3.8 - Hoạt động nhận 68 

Bảng 3.9 - Nguyên tắc truyền nhận dữ liệu 68 

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 - Cấu trúc chung của hệ thống SCADA đa cấp 17

Hình 2.2 - Cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu 22

Hình 2.3 - Cấu trúc cấp 1 23

Hình 2.4 - Cấu trúc cấp 2 23

Hình 2.5 - Cấu trúc cấp 3 24

Hình 2.6 - Cấu trúc cấp 4 25

Hình 2.7 - Hệ thống phần mềm các trạm bơm xăng dầu 26

Hình 2.8 - Cấu trúc hệ thống cơ sở dữ liệu 27

Hình 3.1 - Cấu trúc mô hình hệ thống bơm xăng dầu 29

Hình 3.2 - Sơ đồ kết nối vật lí của hệ thống 31

Hình 3.3 - Cấu trúc tổng quát của hệ thống 32

Hình 3.4 - Bộ nguồn 24VDC/5A 33

Hình 3.5 - PIC 16F877A 33

Hình 3.6 - Sơ đồ khối mạch điều khiển 35

Hình 3.7 - Mạch vi điều khiển PIC 16F877A 36

Hình 3.8 - Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V 37

Hình 3.9 - Sơ đồ mạch bàn phím 37

Hình 3.10 - Sơ đồ mạch phím nhấn 38

Hình 3.11 - Sơ đồ mạch hiển thị LCD 38

Hình 3.12 - Sơ đồ mạch giải mã LED 7 đoạn 39

Hình 3.13 - Sơ đồ mạch công suất điều khiển động cơ 40

Hình 3.14 - Sơ đồ mạch đếm xung 41

Hình 3.15 - PLC SIEMENS S7-200 42

Hình 3.16 - MODULE ANALOG EM235 45

Hình 3.17 - Van điện từ 46

Hình 3.18 - Lưu lượng kế tua bin 47

Hình 3.19 - Nguyên lý lưu lượng kế điện từ 49

Hình 3.20 - Lưu lượng kế điện từ 50

Hình 3.21 - Lưu lượng kế khối lượng nhiệt 51

Hình 3.22 - Cảm biến lưu lượng 52

Hình 3.23 – Cảm biến siêu âm SRF06 53

Hình 3.24 - Xác định khoảng cách qua cảm biến 54

Hình 3.25 - Đấu dây cho cảm biến siêu âm 54

Hình 3.26 - Cấu tạo bồn xăng 56

Hình 3.27 - Sơ đồ bố trí chân cắm RS 232 ở PC 60

Hình 3.28 - Cổng truyền thông S7-200 63

Hình 3.29 - IC Max232 66

Hình 3.30 - IC Max 485 67

Hình 3.31 - Lưu đồ giải thuật chương trình chính 73

Hình 3.32 - Lưu đồ giải thuật chương trình quét phím 74

Hình 3.33 - Lưu đồ giải thuật chương trình con giải mã phím 75

Hình 3.34 - Lưu đồ giải thuật chương trình bơm 76

Hình 3.35 - Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt ngoài 77

Hình 3.36 - Lưu đồ giải thuật ngắt port nối tiếp 78

Hình 3.37 - Lưu đồ giải thuật chương trình chính 79

Hình 3.38 - Lưu đồ giải thuật chương trình nhận dữ liệu 80

Hình 3.39 - Lưu đồ giải thuật chương trình gửi dữ liệu 81

Hình 3.40 - Giao diện quản lý toàn hệ thống 83

Hình 3.41 - Các Items tương ứng với PLC các trạm 84

Hình 3.42 - Giao diện chương trình Realtime Data Server 85

Hình 3.43 - Giao diện giám sát trạm bơm xăng 1 86

Hình 3.44 - Giao diện giám sát trạm bơm xăng 2 87

Hình 3.45 - Giao diện quản lý dữ liệu trạm 1 88

Hình 3.46 - Giao diện quản lý dữ liệu trạm 2 88

Hình 3.47 - Giao diện quản lý dữ liệu hai trạm 89

Hình 3.48 - Giao diện báo trạng thái tắt mở trạm 89 Hình 3.49 - Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu 90

MỞ ĐẦU

Công nghệ tự động hóa đóng một vai trò hết sức to lớn trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống trên toàn thế giới cũng như tại Việt nam Có thể nói rằng hiện nay các giải pháp tự động hoá có mặt hầu hết trong các lĩnh vực khác nhau như sản xuất công nghiệp, viễn thông, giao thông, dân dụng, nông nghiệp,…Nhưng hiện nay tại Việt Nam đa số các giải pháp phần cứng và phần mềm của các hệ thống tự động hoá đều được nhập về từ các nước tiên tiến khác Để phát triển bền vững và giảm thiểu sự phụ thuộc về công nghệ của các nước khác, chúng ta cần tiến hành nghiên cứu một cách toàn diện về bản chất của các hệ thống tự động hoá, từ đó chúng ta có thể xây dựng và thiết kế được các giải pháp tự động hoá thích hợp có tính khả thi cao nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hiện nay tại Việt Nam

Chúng ta đều biết rằng xăng dầu là loại nhiên liệu có vai trò hết sức quan trọng trong mọi mặt của đời sống hằng ngày Sự hiện diện của nó góp phần rất lớn trong việc thúc đẩy hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp ngày càng phát triển Đặc biệt, nó là thành phần không thể thiếu đối với các phương tiện giao thông giúp cho sự di chuyển hàng hóa cũng như việc đi lại của con người trở nên thuận lợi hơn

Ngày nay, việc đổ xăng để có thể vận hành các phương tiện giao thông là điều quá quen thuộc với chúng ta Vấn đề đặt ra là: làm sao đo được chính xác lượng xăng dầu và tính toán số tiền khách hàng phải trả thật nhanh chóng, đồng thời quản lý được lượng xăng đã bán và lượng xăng còn lại trong kho, tránh việc gian lận và mất cắp để không gây thiệt hại cho chủ đầu tư cũng như khách hàng Đồng thời quá trình bơm xăng và các dữ liệu về quá trình bơm xăng phải được điều khiển và giám sát từ xa qua mạng máy tính

Để giải quyết vấn đề này, luận văn thực hiện nghiên cứu, phân tích bản chất

hệ thống SCADA đa cấp, từ đó xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển các trạm

bơm xăng dầu với các thiết bị hiện đại và quen thuộc như máy vi tính, vi điều khiển, PLC, phần mềm SCADA VIJEO CITECT… ta có thể xây dựng một hệ thống đáp ứng được các nhu cầu trên Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

- Đặt vấn đề

- Tính cấp thiết của luận văn

- Mục tiêu của luận văn

Chương 2: Giải pháp hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu

- Giới thiệu cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp

- Giải pháp thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu

- Xây dựng cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu

Chương 3: Thiết kế mô hình giám sát điều khiển các trạm bơm xăng dầu

- Xây dựng hệ thống phần cứng

- Truyền thông

- Lưu đồ giải thuật

- Xây dựng hệ thống phần mềm giao diện

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ tự động hóa đóng một vai trò hết sức to lớn trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống trên toàn thế giới cũng như tại Việt nam Có thể nói rằng hiện nay các giải pháp tự động hoá có mặt hầu hết trong các lĩnh vực khác nhau như sản xuất công nghiệp, viễn thông, giao thông, dân dụng, nông nghiệp,…Nhưng hiện nay tại Việt Nam đa số các giải pháp phần cứng và phần mềm của các hệ thống tự động hoá đều được nhập về từ các nước tiên tiến khác Để phát triển bền vững và giảm thiểu sự phụ thuộc về công nghệ của các nước khác, chúng ta cần tiến hành nghiên cứu một cách toàn diện về bản chất của các hệ thống tự động hoá, từ đó chúng ta có thể xây dựng và thiết kế được các giải pháp tự động hoá thích hợp có tính khả thi cao nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hiện nay tại Việt Nam

Chúng ta đều biết rằng xăng dầu là loại nhiên liệu có vai trò hết sức quan trọng trong mọi mặt của đời sống hằng ngày Sự hiện diện của nó góp phần rất lớn trong việc thúc đẩy hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp ngày càng phát triển Đặc biệt, nó là thành phần không thể thiếu đối với các phương tiện giao thông giúp cho sự di chuyển hàng hóa cũng như việc đi lại của con người trở nên nhanh chóng và thuận lợi hơn

Ngày nay, việc đổ xăng để có thể vận hành các phương tiện giao thông là điều quá quen thuộc với chúng ta Vấn đề đặt ra là: làm sao đo được chính xác lượng xăng dầu và tính toán số tiền khách hàng phải trả thật nhanh chóng, đồng thời quản lý được lượng xăng đã bán và lượng xăng còn lại trong kho, tránh việc gian lận và mất cắp xăng dầu để không gây thiệt hại cho khách hàng và chủ đầu tư Đồng thời quá trình bơm xăng và các dữ liệu về trạm xăng phải được điều khiển và giám sát từ xa qua mạng máy tính

Nhằm giải quyết vấn đề này, học viên thực hiện nghiên cứu, phân tích bản

chất hệ thống SCADA đa cấp, trên cơ sở đó ứng dụng vào việc Thiết kế hệ thống

giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu để quản lý việc tiêu thụ xăng dầu

một cách hiệu quả nhất phù hợp với điều kiện hiện nay

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN VĂN

Nghành công nghiệp xăng dầu của Việt Nam có vai trò hết sức quan trọng trong mọi mặt của đời sống hằng ngày Các trạm bơm xăng dầu ở Việt Nam chưa ở mức

tự động hóa cao, việc đổ xăng chưa đáp ứng tốt với nhu cầu của khách hàng Thêm vào đó hệ thống SCADA là một hệ thống được sử dụng phổ biến trong điều khiển công nghiệp vì có độ tin cậy cao

1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Nghiên cứu:

− Nghiên cứu và xây dựng các giải pháp tự động cho các trạm bơm xăng dầu ở Việt Nam

Xây dựng mô hình giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu:

− Xây dựng các cấp điều khiển để điều khiển hệ thống

Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu hoàn chỉnh ứng dụng vào thực tế

− Tìm hiểu các đặc tính của thiết bị điều khiển, các cảm biến, động cơ, đối tượng điều khiển…từ đó hiểu và xử lý những lỗi thường gặp cũng như căn chỉnh sao cho phù hợp với việc điều khiển

− Lập trình hệ thống: (SCADA Vijeo Citect, PLC, vi điều khiển PIC, PC Access

và SQL 2005) để điều khiển hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu theo công nghệ hiện đại

− Hệ thống phải bảo đảm an toàn cho người và thiết bị

Chương 2

GIẢI PHÁP HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC TRẠM BƠM XĂNG DẦU

2.1 GIỚI THIỆU CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA ĐA CẤP

2.1.1 Cấu trúc phần cứng

Hệ thống SCADA đa cấp (Supervisory Control and Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Hệ thống thường bao gồm 5 cấp, thành phần các cấp như sau:

Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị chấp hành và các cơ cấu điều khiển

như: động cơ, val solenoid, đèn, máy bơm …

Cấp điều khiển: Bao gồm các bộ điều khiển RTUs (Remote Terminal Unit),

PLC (Programmable Logic Controller) hay các máy tính trạm (operating stations), card điều khiển

Cấp điều khiển giám sát: Các MTUs (Master Terminal Unit), PLC và các

máy tính đóng vai trò trạm trung tâm (central stations), chứa phần mềm SCADA, quản lý dữ liệu thời gian thực

Cấp điều hành sản xuất: Cấp MES (Manufacturing Execution Sysem), gồm

các máy tính nối mạng với nhau , cơ sở dữ liệu quan hệ nằm ở cấp này

Cấp quản lý công ty: Cấp ERP (Enterprise Resource Planning),gồm các máy

tính nối mạng với nhau.Hệ thống các máy tính nối mạng với nhau rất đa dạng như: mạng công ty, mạng LAN, mạng Internet…

Hệ thống SCADA đa cấp có cấu trúc chung như hình 2.1

Printer

Work stations (General Manager)

CẤP CHẤP HÀNH

CẤP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

CẤP QUẢN LÝ CÔNG TY

Bus trường, bus thiết bị

CẤP ĐIỀU HÀNH SẢN XUẤT

Web Sarver

Word stations (Web Client)

Relation Database Server

LAN, Internet, GPS,

LAN, Internet, Mosbus,

Bus hệ thống, bus điều khiển

Printer SCADA Station

Client

Sprinter Work Station

VB, C++

Applications Client

SCADA Realtime server

Controller Configuration Controller Controller

And maintenanos

SCADA Station Client

CẤP ĐIỀU KHIỂN

Relation Database

Realtime Database

Hình 2.1 - Cấu trúc chung của hệ thống SCADA đa cấp

2.1.2 Phần mềm của hệ thống SCADA

Phần mềm của hệ thống SCADA có hai dạng cơ bản sau:

- Phần mềm độc quyền: Là do các nhà sản xuất phần cứng hay do các công

ty phát triển phần mềm, họ xây dựng sẵn các phần mềm đi cùng với các phần cứng của họ

- Phần mềm mở: Do người sử dụng tự xây dựng bằng các công cụ lập trình

phổ biến hay chuyên dụng

Sử dụng các công cụ phần mềm lập trình phổ biến cơ bản (như C, C++, C#, VC++, VB,… và các hệ cơ sở dữ liệu như Oracle, MSSQL, SQL Server, MSACCESS, …) để xây dựng phần mềm SCADA cho hệ thống của mình

Sử dụng các phần mềm xây dựng hệ thống SCADA chuyên dụng: hiện nay cách này được sử dụng rất phổ biến, có rất nhiều các hãng lớn như CiTechnologies, Wonderware, Advantech, Siemens, … có bán các phần mềm SCADA chuyên dụng cho khách hàng

Một số đặc điểm chính của phần mềm hệ thống SCADA:

- Giao diện người dùng (User Interface)

- Hiển thị đồ họa (Graphics displays)

- Thu thập dữ liệu (Data Acquisition)

- Các cảnh báo (Alarms)

- Truy cập dữ liệu (Access to Data)

- Cơ sở dữ liệu (Database)

- Mạng máy tính (Networking)

- Báo cáo và chia sẻ thông tin (Report and Information sharing)

- Chuẩn đoán lỗi và dự phòng (Fault Diagnostic and Redundancy)

- Xử lý phân tán Client/Server (Client/Server distributed processing)

- Giám sát và điều khiển qua mạng Internet (Control & supervisory via the Internet), mạng điện thoại, radio, GPS, …

2.2 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.2.1 Đặt vấn đề

Qua quá trình nghiên cứu và phân tích bản chất cấu trúc phần cứng, quá trình trao đổi dữ liệu cũng như phần mềm hệ thống SCADA đa cấp, học viên xây dựng giải pháp cho hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu có cấu trúc các cấp dựa trên cấu trúc của hệ thống SCADA Từ đó lựa chọn phương thức trao đổi dữ liệu giữa các cấp trong hệ thống, cũng như việc xây dựng giải pháp phần mềm để xây

dựng một giải pháp cho hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu hoàn thiện có tính khả thi cao phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt nam

2.2.2 Phân tích yêu cầu của hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu

Đối với một hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu, về phía khách hàng yêu cầu được đặt ra là làm sao quá trình bơm xăng dầu phải nhanh chóng, chính xác về số lượng xăng được bơm và số tiền phải trả, đặc biệt là yêu cầu

về an toàn.…Về phía các nhà quản lý, kinh doanh các trạm bơm xăng thì họ mong muốn có được một hệ thống trạm bơm xăng dầu đáp ứng các yêu cầu trên của khách hàng, đồng thời việc bơm xăng và tính tiền phải được quản lý và giám sát trên hệ thống Toàn bộ dữ liệu phải được lưu lại để thuận tiện cho việc xử lý về sau, và giá đầu tư xây dựng hệ thống phải chấp nhận được Như vậy khi thiết kế một hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu phải đảm bảo các yếu tố sau:

− Yêu cầu hệ thống đáp ứng nhanh (tính thời gian thực của hệ thống cao) − Hệ thống đảm bảo an toàn cho người và cho phương tiện

− Việc bơm xăng và tính toán số tiền tương ứng với số lượng xăng đã bơm phải được thực hiện nhanh chóng tránh việc khách hàng phải chờ đợi lâu

− Hệ thống hoạt động ngay cả khi mất điện

− Thiết bị làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt

− Toàn bộ dữ liệu tính toán phí và số lượng xăng phải được lưu lại và bảo mật dữ liệu, khả năng lưu trữ dữ liệu phải cao

− Quản lý tốt quá trỉnh bơm xăng tránh việc gian lận và mất cắp

− Điều khiển, giám sát toàn bộ hệ thống, thông qua một trung tâm điều khiển

2.2.3 Giải pháp hệ thống phần cứng

Qua nghiên cứu hệ thống SCADA hiện đại cùng với các yêu cầu chung của

giải pháp hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu có cấu trúc bao gồm các cấp như sau:

− Cấp 1: Cấp chấp hành bao gồm các thiết bị dùng để bơm xăng

− Cấp 2: Cấp điều khiển cục bộ bao gồm các bộ vi điều khiển, PLC để điều khiển việc bơm xăng

− Cấp 3: Cấp điều khiển giám sát (SCADA), máy tính giám sát điều khiển trung tâm, máy tính đặt giá tiền bán xăng, giám sát lượng xăng trong bồn, giám sát lượng xăng đã bán, giám sát số tiền thu được…

− Cấp 4: Cấp điều hành kinh doanh, giám sát hệ thống từ xa, gồm các máy tính nối mạng LAN trao đổi dữ liệu với cấp 3 thông qua mạng Internet

2.2.4 Giải pháp phần mềm

Các giải pháp phần mềm cho hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu như sau:

− Chương trình đặt giá xăng

− Chương trình tính toán số lượng xăng bán được

− Chương trình tính toán số lượng xăng còn lại trong bồn

− Chương trình tính toán tiền xăng đã bán

− Chương trình nhập số tiền bơm xăng từ phím bấm

− Chương trình điều khiển toàn bộ các thiết bi bơm xăng

− Chương trình quản lý, giám sát và điều khiển trung tâm (SCADA)

− Hệ thống cơ sở dữ liệu cho toàn hệ thống

− Giải pháp Internet

2.2.5 Giải pháp quản lý và lưu trữ dữ liệu

Có hai loại cơ sở dữ liệu trong hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu đó là:

Cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database): Chính là Server dữ liệu

thời gian thực như là OPC Server, ta có thể truy suất dữ liệu thời gian thực bên

trong OPC Server của hệ thống thông qua các chuẩn trao đổi dữ liệu thời gian thực như: OPC-DA (Data Access) nó cung cấp truy xuất dữ liệu thời gian thực Chúng ta

có thể truy vấn (query) đến các kiểu dữ liệu điều khiển quá trình từ OPC-DA server Server dữ liệu thời gian thực thường nằm ở cấp điều khiển giám sát trở xuống đó là trung tâm cho các cấp phía trên có thể truy xuất dữ liệu thời gian thực của hệ thống

Cơ sở dữ liệu quan hệ (Relation Database): Là SQL Server, Oracle,

Microsoft Access, DB2, Informix, FoxPro,… cho phép ta xây dựng một hệ thống cơ

sở dữ liệu cho toàn bộ hệ thống và thường nằm ở cấp Điều khiển giám sát trở lên nhằm mục đích quản lý, lưu trữ và chia sẽ dữ liệu với các phòng ban khác nhau

2.3 XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG

2.3.1 Cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu

Dựa trên cấu trúc của hệ thống SCADA đa cấp, học viên xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu với cấu trúc 4 cấp như sau:

− Cấp 1: Cấp chấp hành bao gồm các thiết bị dùng để bơm xăng

− Cấp 2: Cấp điều khiển cục bộ bao gồm các bộ vi điều khiển và các PLC đểđiều khiển quá trình bơm xăng

− Cấp 3: Cấp điều khiển giám sát (SCADA), máy tính giám sát điều khiển trung tâm

− Cấp 4: Cấp điều hành kinh doanh, giám sát hệ thống từ xa, gồm các máy tính nối mạng LAN trao đổi dữ liệu với cấp 3 thông qua mạng Internet

Nhập

tiền đổ

xăng

Hiển thị tiền Xăng, lít xăng

Đo lưu lượng xăng

Cò bơm xăng

TRẠM BƠM XĂNG 1 TRẠM BƠM XĂNG 2

CẤP CHẤP HÀNH

CẤP ĐIỀU KHIỂN

CẤP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT (SCADA)

Động cơ bơm xăng

Đo thể

tích xăng

trong bồn

Nhập tiền đổ xăng

Hiển thị tiền Xăng, lít xăng

Đo lưu lượng xăng

Động cơ bơm xăng

Đo thể tích xăng trong bồn

Cò bơm xăng

Bus trường, bus thiết bị

Bus hệ thống,bus điều khiển

Hình 2.2 - Cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu cung cấp xăng dầu hoạt động như sau:

− Giá tiền một lít xăng đã được cài đạt sẵn trong hệ thống giám sát

Khi khách hàng đi vào: Người phụ trách việc bán xăng sẽ nhấn bàn phím nhập số tiền khách hàng yêu cầu sẽ mua xăng, sau đó thực hiện thao tác bơm xăng

Số lít xăng và số tiền tương ứng đã đổ cùng với lượng xăng còn lại trong bồn sẽ được đưa lên máy tính quản lý, sau đó được đưa vào cơ sở dữ liệu (Database

Server) tại máy tính Server trung tâm Các dữ liệu này sẽ được gời lên cấp điều hành giám sát từ xa thông qua mạng Internet

2.3.3 Chức năng nhiệm vụ của các cấp trong hệ thống

2.3.3.1 Chức năng nhiệm vụ các thiết bị cấp 1

ở cấp trên thực hiện việc đổ xăng

2.3.3.2 Chức năng nhiệm vụ các thiết bị cấp 2

Hình 2.4 - Cấu trúc cấp 2

Cấp 2 hay còn gọi là cấp điều khiển cục bộ bao gồm các thiết bị sau: các bộ vi điều khiển, các PLC

Chức năng nhiệm vụ chính của các thiết bị cấp 2: Là các thiết bị điều khiển

− Phần mềm hệ thống SCADA quản lý giám sát, điều khiển toàn bộ hệ thống, xử

lý, lưu trữ dữ liệu, chia sẻ dữ liệu và có chức năng điều khiển toàn bộ hệ thống thông qua các chuẩn trao đổi dữ liệu thời gian thực (Realtime Data Access)

− Quản lý chương trình, giám sát và điều khiển quá trình bơm xăng dầu

2.3.3.4 Chức năng nhiệm vụ các thiết bị cấp 4

Hình 2.6 - Cấu trúc cấp 4

Cấp 4 hay còn gọi là cấp điều hành, bao gồm các thiết bị sau: Máy tính giám sát hệ thống, máy tính điều hành sản xuất, máy tính quản lý vật tư, các máy tính này nối mạng LAN và trao đỗi dữ liệu với máy tính Server tại phòng trung tâm ở cấp 3 thông qua mạng Internet Chức năng chính của các thiết bị cấp 4 là:

− Phân tích hoạt động kinh doanh

− Quản lý chiến lược phát triển, quản lý điều hành kinh tế

− Quản lý điều hành tòan bộ hệ thống

− Quản lý nguồn nhân lực

− Ra các quyết định, thông báo kế hoạch thiết bị cũng như bảo trì, bảo dưỡng

2.4 GIẢI PHÁP PHẦN MỀM

2.4.1 Tổng quan hệ thống phần mềm

Hệ thống phần mềm quản lý, điều hành hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu sẽ bao gồm các module chương trình như sau:

− Chương trình đặt giá tiền xăng

− Chương trình nhập số tiền cần bơm

− Chương trình tính toán số lít bơm tương ứng với số tiền cần bơm

− Chương trình quản lý, giám sát và điều khiển trung tâm (SCADA)

− Chương trình đo lưu lượng xăng đang chảy

− Chương trình xác định thể tích xăng trong bồn chứa

− Chương trình cho phép mở và khóa xăng

− Hệ thống cơ sở dữ liệu

− WebServer (dùng cho việc giám sát điều hành qua mạng Internet)

Hình 2.7 – Hệ thống phần mềm các trạm bơm xăng dầu

2.4.2 Xây dựng Server dữ liệu thời gian thực

Quản lý toàn bộ việc sử dụng khai thác các dữ liệu Chứa các Items của PLC các trạm xăng phục vụ việc truy xuất để giám sát điều khiển toàn bộ hệ thống theo chuẩn OPC Data Access Học viên sử dụng phần mềm PC Access của Siemens để xây dưng Server dữ liệu thời gian thực cho hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu Xây dựng Server dữ liệu thời gian thực sử dụng phần mềm PC Access của Siemens như sau:

− Tạo sự kết nối đến các PLC

− Tạo các Groups quản lý các Items của các PLC

− Tạo các Items là các biến nhớ, biến vào ra của các PLC

− Kiểm tra trạng thái kết nối giữa OPC Server với các PLC

2.4.3 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quan hệ (Database Server)

Học viên sử dụng SQL 2005 (Structured Query Language) Server để xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ cho toàn hệ thống giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu, một máy tính Server để lưu trữ toàn bộ dữ liệu hệ thống (dữ liệu xăng, dữ liệu tiền, ngày, giờ …) nhằm mục đích quản lý, lưu trử và chia sẽ dữ liệu với các phòng ban khác nhau Hệ thống cơ sở dữ liệu có các chức năng và nhiệm vụ chính sau: Là nơi chứa toàn bộ dữ liệu ngày, giờ bơm xăng, số lượng xăng đã bơm, số tiền thu được, số lượng xăng có trong bồn Chứa dữ liệu phục vụ công tác hậu kiểm Chứa dữ liệu phục vụ công tác báo cáo Chứa dữ liệu phục vụ cho việc truy xuất từ cấp điều hành giám sát từ xa qua mạng Internet Cấu trúc tổng quát của hệ cơ sở dữ liệu được mô tả như hình 2.8

Hình 2.8 – Cấu trúc hệ thống cơ sở dữ liệu

Chương 3

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ

THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC TRẠM BƠM

XĂNG DẦU

3.1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHẦN CỨNG

Trong đề tài này, học viên xây dựng hệ thống thu thập số liệu và điều khiển trạm bơm xăng điện tử bằng việc kết nối giữa kit vi điều khiển sử dụng PIC 16F877A với PLC S7-200 (thông qua chế độ Free port) Các trụ bơm được điều khiển bằng các kit vi điều khiển tương ứng, chúng làm việc độc lập bằng cách điều khiển từ bàn phím giao tiếp với kit vi điều khiển và mỗi lần bơm các trụ bơm sẽ gửi

dữ liệu lên máy tính sử dụng phần mềm Vijeo Citect thông qua PLC S7-200 Máy tính có chức năng điều khiển, giám sát, quản lý và thu thập số liệu từ các trụ bơm xăng thông qua việc giao tiếp giữa PIC 16F877A, PLC S7-200 kết hợp module analog EM235 và phần mềm SCADA Vijeo Citect của Schneider và PC Access của Siemens

3.1.1 Cấu trúc phần cứng của mô hình

Cấu trúc của mô hình giám sát và điều khiển các trạm bơm xăng dầu như hình 3.1

Hình 3 1- Cấu trúc mô hình hệ thống bơm xăng dầu

− Cấp 1: Cấp chấp hành bao gồm các thiết bị dùng để bơm xăng động cơ bơm xăng, cảm biến lưu lượng, cảm biến siêu âm, van điện, các bảng hiển thị số tiền đặt bơm xăng, số tiền và số lít xăng đã bơm

− Cấp 2: Cấp điều khiển cục bộ bao gồm các bộ vi điều khiển PIC 16F877A, các PLC PLC S7-200 kết hợp MODULE ANALOG EM235 để khiển quá trình bơm xăng

− Cấp 3: Cấp điều khiển giám sát (SCADA), là một máy tính giám sát điều khiển trung tâm, máy tính đặt giá tiền bán xăng, giám sát lượng xăng trong bồn, lượng xăng đã bán và số tiền thu được,…, quản lý quá trình bơm xăng tránh thất thoát xăng dầu

3.1.1.1 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị cấp 1

Chức năng và nhiệm vụ chính của cấp 1: Là các thiết bị chấp hành phục vụ cho quá trình điều khiển và kiểm soát việc đổ xăng Nhận tín hiệu điều khiển từ các

bộ điều khiển ở cấp trên, các các thiết bị này thực hiện quá trình bơm xăng Dữ liệu sau quá trình thực hiện bơm xăng sẽ được đưa lên cấp điều khiển (cấp 2) để quản lý

và lưu trữ

3.1.1.2 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị cấp 2

Chức năng và nhiệm vụ chính của các thiết bị cấp 2: Là các thiết bị điều khiển và thu thập dữ liệu từ cấp chấp hành (cấp 1) Các thiết bị này nhận lệnh điều khiển từ cấp điều khiển giám sát (cấp 3), xử lý và điều khiển các các thiết bị cấp 1

3.1.1.3 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị cấp 3

Chức năng và nhiệm vụ chính của các thiết bị cấp 3: Là máy tính giám sát điều khiển trung tâm (còn gọi là máy Server) Bao gồm toàn bộ phần mềm SCADA của hệ thống: hệ cơ sở dữ liệu (SQL Server 2005), giao diện quản lý giám sát hoạt động toàn bộ hệ thống sử dụng phần mềm Vijeo Citect, PC Access

3.1.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống

Sơ đồ kết nối vật lý của hệ thống như hình 3.2

Hình 3.2 - Sơ đồ kết nối vật lí của hệ thống

Cấu trúc tổng quát của hệ thống như hình 3.3

Hình 3.3 - Cấu trúc tổng quát của hệ thống

− Cảm biến lưu lượng: Dùng để đo lượng xăng

− Cảm biến siêu âm: Dùng để đo thể tích xăng chứa trong bồn

− Động cơ: Dùng để bơm xăng

− Van điện: Dùng để mở và khóa xăng

− Bộ điều khiển: PIC 16F877A đóng vai trò là bộ điều khiển chính Bộ vi điều khiển dùng để tính toán, lưu trữ, hiển thị, đọc xung từ cảm biến lưu lượng, đóng

mở van điện và động cơ bơm

− Bộ chuyển đổi RS-232/RS-485: Dùng để chuyển đổi tín hiệu theo chuẩn RS-232 (±12V so với đường mass chung) thành chuẩn RS-485 (điện áp vi sai giữa

BỘ CHUYỂN ĐỔI RS-232/RS-485

RS - 232

BỘ ĐIỀU KHIỂN

2

CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

ĐỘNG CƠ VAN ĐIỆN

SCADA STATION

PLC S7-200

PC Access

RS - 485

BỘ CHUYỂN ĐỔI RS-232/RS-485

RS - 232

BỘ ĐIỀU KHIỂN

n

CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

ĐỘNG CƠ VAN ĐIỆN

-Cảm biến siêu âm

hai đường truyền) nhằm mục đích có thể truyền dữ liệu đi xa Các bộ vi điều khiển giao tiếp với PLC S7-200 thông qua bộ chuyển đổi này

− PLC S7-200: Đóng vai trò là bộ điều khiển tập trung tất cả các dữ liệu thu thập được từ các bộ vi điều khiển, từ đó gửi dữ liệu lên Scada station để xử lý Ngoài ra nó còn có vai trò xử lý các tín hiệu từ cảm biến siêu âm hay các bộ báo cháy, … để điều khiển các trạm

− PC Access: Là môi trường để PLC S7-200 bắt tay với Citect

− SCADA Station: Được xây dựng bằng phần mềm Vijeo Citect, bao gồm các giao diện dùng để điều khiển, giám sát toàn bộ hệ thống

3.1.3 Thiết kế hệ thống phần cứng

3.1.3.1 Nguồn cung cấp cho hệ thống

Học viên sử dụng nguồn 220VAC dùng làm nguồn cung cấp cho PLC

S7-200, các động cơ bơm xăng, các van điện từ

Nguồn 5V cấp cho vi điều khiển PIC 16F877A

Ngoài ra còn sử dụng nguồn ổn áp xung 24VDC/5A như hình 3.4 cấp cho cảm biến siêu âm

Hình 3.4 - Bộ nguồn 24VDC/5A

3.1.3.2 Bộ điều khiển trung tâm PIC 16F877A

Hình 3.5 - PIC 16F877A

PIC là tên viết tắt của máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent Computer) do hãng General Instrument đặt tên, vi điều khiển đầu tiên của hãng là PIC1650 Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này Cho đến nay, các sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ 12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx, 16FxxxA, 16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx PIC 16F877A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế

PIC 16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặc tính sau:

Ngôn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có độ dài 14 bit

− Tất cả các câu lệnh thực hiện trong 1 chu kỳ lệnh ngoại trừ một số câu

lệnh rẽ nhánh thực trong 2 chu kỳ lệnh Chu kỳ lệnh bằng 4 lần chu kỳ dao động của thạch anh

− Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words, với khả năng ghi xóa khoảng 100 ngàn lần

− Bộ nhớ RAM 368x8bytes

− Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes

− Khả năng ngắt ( lên tới 18 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài)

− Ngăn nhớ Stack được chia làm 8 mức

− Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

− Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V đến 5.5V

− Có 2 kênh Cature/so sánh điện áp (Compare)/điều chế độ rộng xung PWM 10 bit/(CCP)

− Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

− Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I2C (chủ/phụ) Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bit địa chỉ

− Cổng phụ song song (PSP) với 8 bit mở rộng, với RD, WR và CS điều khiển

− Công cụ lập trình hệ thống có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình ASEMBLY hoặc

C Với trình dịch MPLAP được hãng Microchip cung cấp miễn phí Phần mềm giao diện sử dụng ngôn ngữ lập trình VB rất thông dụng và dễ tiếp cận Đây chính là cơ

sở thuận lợi trong việc giảm giá thành khi xây dựng, nâng cấp và bảo trì hệ thống

Bàn phím

Mạch hiển thị đơn giá_tiền_lít đổ Động cơ

Cảm biến siêu

âm

Vi điều khiển PIC 16F877A

Mạch đếm xung

Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển

Mạch vi điều khiển PIC 16F877A

31 VSS12

MCLR*/VPP

1

RE0/RD*/AN5 8RE1/WR*/AN6 9RE2/CS*/AN7 10

J1 CON8

1 2 3 4 5 6 7 8

J2 CON8

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2

PIN_C7

PIN_C0 PIN_C1 PIN_C2 PIN_C3 PIN_C4 PIN_C5

PIN_B6 PIN_B5 PIN_B4 PIN_B7

PIN_B3 PIN_B2 PIN_B1 PIN_B0

PIN_E0 PIN_E1 PIN_E2

Hình 3.7 - Mạch vi điều khiển PIC 16F877A

Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V

U2 LM7805

R2 R

D6 LED

Hình 3.8 - Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V

R26 R

R27 R

R28 R

VCC

R3 RESISTOR VAR VCC

Hình 3.11 – Sơ đồ mạch hiển thị LCD

Mạch hiển thị LED 7 đoạn

a4 a6

U8 LED7SEG

a5 a7 U9 LED7SEG

VCC

R5

R

a0 a3 a1

VCC

a4 a7 a5

U10 LED7SEG

VCC

R6

R

a0 a2

R4

R

a5 a7 U11 LED7SEG

VCC

R7

R

a0 a3

a6 a4 a7 U12 LED7SEG

VCC

R8

R

a1 a3 a4

a7

a5

U13 LED7SEG

VCC

J11

CON6

1 2 3 5

J12

CON6

1 3 4 6

J13

CON4

1 3

J15

CON8

1 3 5 6 8

5 LT3

Mạch công suất điều khiển động cơ

RELAY 2

CON2

1 2

VCC_BAR

Q9 C1815

GAC_BOM

CON2 1 2

Q10 C1815

CO_PUMP

CON2 1 2

R14 R

R15 R

R16

R

R12 R

R13 R

Q7 C1815 R10

R

VCC

Hình 3.13 - Sơ đồ mạch công suất điều khiển động cơ