Điều khiển và giám sát hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng

CHƯƠNG 1 Hệ thống điều khiển giám sát.CHƯƠNG 2 Tổng quan về đối tượng điều khiển giám sát.CHƯƠNG 3 Phân thích và thiết kế mô hình hệ thống.CHƯƠNG 4 Lập trình điều khiển hệ thống.CHƯƠNG 5 Xây dựng giao diện giám sát hệ thống.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO MƠN HỌC Đề tài : ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG CẤP NƯỚC CHO TÒA NHÀ CAO TẦNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN : ThS.ĐỖ THỊ MAI : NGUYỄN TRUNG KIÊN TRẦN VĂN KIÊN LỚP : TỰ ĐỘNG HÓA K14A Thái Nguyên, Ngày 22 tháng 10 năm 2019 LỜI NĨI ĐẦU Nền cơng nghiệp giới đà phát triển ngày cao, vấn đề điều khiển tự động mối quan tâm hàng đầu ứng dụng khoa học sản xuất Nó đòi hỏi xác, tính tiêu chuẩn khả xử lý nhanh mức hoàn hảo, đáp ứng nhu cầu ngày gia tăng xã hội Từ hệ thống máy tính to lớn cồng kềnh phức tạp, nhà khoa học khơng ngừng cải tiến hồn thành phần cứng lẫn phần mềm để đáp ứng yêu cầu công nghiệp với sản phẩm gọn nhẹ, tiện dụng, độ linh hoạt cao, giá thành rẻ Từ lập trình PLC đời Cùng với phần mềm điều khiển giám sát hệ thống tự động phát triển nhằm tăng tính tương tác người dùng hệ thống tự động, giúp cho trình điều khiển thực dễ dàng Từ yêu cầu cấp thiết việc phát triển phần mềm điều khiển giám sát hệ thống mạng điện hạ PLC SCADA, đề tài nghiên cứu phát triển phần mềm điều khiển cho mô-đun PLC Mục tiêu đề tài nghiêu cứu, phát triển phần mềm giám sát, điều khiển hiệu quả, đáp ứng nhu cầu làm việc học tập nhà trường Với đề tài báo cáo môn học lần này, em lựa chọn đề tài “Điều khiển giám sát hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng” Đề tài gồm chương :      CHƯƠNG Hệ thống điều khiển giám sát CHƯƠNG Tổng quan đối tượng điều khiển giám sát CHƯƠNG Phân thích thiết kế mơ hình hệ thống CHƯƠNG Lập trình điều khiển hệ thống CHƯƠNG Xây dựng giao diện giám sát hệ thống Do điều kiện, kiến thức thời gian hạn chế nên đề tài chưa hoàn thiện cách tốt Em kính mong thầy giáo góp ý để em hồn thành tập lớn hồn thiện sau Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC CHƯƠNG – HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN GIẢM SÁT 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát 1.1.1 Định nghĩa SCADA SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu Hình 1.1 Đối tượng điều khiển hệ thống SCADA Đây hệ thống hỗ trợ người việc giám sát, điều khiển hệ thống điều khiển tự động như: Nhà máy sản xuất, hệ thống thông tin viễn thông, hệ thống điện lưới nhà máy cung cấp nước sạch… Để làm cơng việc hệ SCADA phải có hệ thống sau:  Hệ thống truy cập liệu  Hệ thống truyền tải liệu  Dao diện người - máy HMI (Humen Machine Interface) HMI sử dụng cấp điều khiển giám sát cấp hơn, để thuận tiện cho người vận hành hệ thống thiết bị Các loại dao diện HMI bao gồm:  PO-Perator Panel: Màn hình vận hành  TP-Touch Panel: Màn hình cảm ứng  Multy Panel… Do phát triển chuẩn truyền thông công nghiệp phần mềm công nghiệp, nên việc trọng vào thiết kế hệ SCADA lựa chọn công cụ phần mềm để thiết kế giao diện HMI giải pháp tích hợp hệ thống vấn đề cốt lõi để xây dựng hệ thu thập điều khiển giám sát 1.1.2 Các loại hệ thống SCADA Hệ thống SCADA chia thành nhóm với chức sau: Là hệ SCADA mang tính độc lập nối mạng, hệ SCADA khơng có khả đồ họa loại có khả xử lý đồ họa thông tin thời gian thực a) Hệ thống SCADA mờ (Blind) Đây hệ thống SCADA giản đơn, khơng có phận giám sát mà có nhiệm vụ thu thập xử lý liệu đồ thị Ưu điểm là: Do cơng nghệ cấu thành mạng đơn giản nên có giá thành thấp b) Hệ thống SCADA độc lập Đây hệ có khả giám sát thu thập liệu với vi xử lý Hệ điều khiển hai máy móc, nên chủ yếu sử dụng đơn vị sản xuất có quy mơ nhỏ vừa c) Hệ thống SCADA Mạng Đây hệ thống có khả giám sát thu thập liệu với nhiều vi xử lý Các máy tính giám sát nối mạng với Thường chúng sử dụng nhiều dây chuyền sản xuất nơi có nhiều máy móc cần phải điều khiển Thơng qua mạng truyền thơng, tồn hệ thống kết nối với phòng điều khiển cấp phân xưởng, phòng giám sát cấp cơng ty Hoặc có nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý phòng thiết kế d) Hệ thống SCADA xử lí đồ họa thơng tin thời gian thực Hệ thống có khả giám sát thu thập liệu Nhờ thông tin thu thập trước máy tính mà hệ có khả mơ q trình hoạt động hệ thống sản xuất Nhờ máy tính ghi lại tồn liệu trình hoạt động hệ thống nên xảy cố hệ thống báo cho người vận hành, tự động xử lý lỗi xảy e) Đánh giá hệ SCADA Để đánh giá hệ điều khiển giám sát SCADA cần phải phân tích đặc điểm hệ thống theo số tiêu chuẩn như:  Khả hỗ trợ công cụ phần mềm điều khiển việc thực xây dựng hình giao diện • Số lượng chất lượng thành phần đồ họa có sẵn, khả truy cập cách kết nối liệu từ trình kỹ thuật có tốt khơng • Tính mở hệ thống, chuẩn hóa giao diện q trình, khả hỗ trợ xây dựng chức trao đổi tin tức (Messaging), xử lý kiện cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and history) lập báo cáo (Reporting) • Tính thời gian thực hiệu suất trao đổi thơng tin, với Windown hỗ trợ sử dụng mơ hình phần mềm ActiveX Control OPC • Xem xét giá thành tổng thể hệ thống 1.1.3 Sự phân cấp quản lí hệ thống SCADA Việc giám sát, thu thập số liệu điều khiển cần thiết hệ thống công nghiệp Đặc thù hệ tự động quy mô hệ thống sản xuất lớn, trải không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với chức năng, nguyên lý làm việc khác Do việc sử dụng hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhận tất chức giám sát điều khiển phức tạp Chính mà tùy theo mức độ quan trọng yêu cầu tính giám sát, điều khiển mà chức giám sát, điều khiển thu thập liệu phân phối phân cấp cho thiết bị khác Cấp thứ nhất: Là phần tử có chức năng: - Giám sát thông số vận hành hệ thống, lệnh cho phần tử chấp hành thực chức điều khiển, ghi chụp, phân tích cố xảy trình hoạt động hệ thống - Thu thập số liệu, thông số vận hành chế độ bình thường để gửi lên máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server) thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) Trong hệ thống đại, phần tử gọi chung thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices) Cấp thứ hai Là trạm điều khiển SS (Substation Server) RTU có chức chủ yếu thu thập số liệu từ IED quản lý, lưu lại sở liệu phục vụ nhu cầu đọc liệu chỗ qua giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) truyền liệu thu thập lên cấp quản lý cao theo chuẩn truyền thông Cấp thứ ba Cấp thứ ba trung tâm điều khiển toàn hệ thống, nơi thực việc thu thập số liệu từ Điều khiển trạm SS (Substation Server) RTU, thực chức tính tốn, đánh giá trạng thái hệ thống, thực chức điều khiển quan trọng, lên kế hoạch vận hành toàn hệ thống Do quy mô rộng lớn hệ thống điều khiển giám sát đại, trạm điều khiển trung tâm chia thành cấp điều khiển trung tâm (Central Control) trạm điều khiển vùng (Area Control Center) Luồng thông tin hệ thống điều khiển tích hợp: Hình 1.2 Phân cấp chức hệ SCADA Bảng 1.1 Bảng chức nhiệm vụ cấp hệ SCADA Level Level I Level II Chức năng, nhiệm vụ Thu thập liệu trình cơng nghệ thời gian thực; Tính tốn theo algorithm đưa tín hiệu điều khiển theo qui luật cho trước; Báo hiệu việc vượt ngưởng cho phép thông số; Block hành động lổi Operator thiết bị điều khiển; Ngăn ngừa xãy Alarm Thu thập thông tin từ cấp dưới, xữ lý, lưu trữ monitoring; Level III Đưa tín hiệu điều khiển sở phân tích thơng tin; Chuyển thông tin việc sản xuất xưởng, xí nghiệp cho cấp cao hơn; Tính tốn thơng số thứ cấp, đó, số chất lượng sản phẩm, số kinh tế-kỹ thuật; Lưu trữ thông tin; Đưa report; Chuẩn đoán hư hỏng phần tử hệ thống; Xác định thơng số, cấu hình thiết bị điều khiển điều khiển cục Level 1; Thay đổi cấu trúc hệ thống điều khiển cục bộ, thay đổi trạng thái làm việc thiết bị điều khiển Tối ưu số kinh tế sản xuất; Điều khiển theo số kinh tế, kinh tế-kỹ thuật; Quản lý tài nguyên công ty; Lưu trữ thông tin; Đưa kế hoạch sản xuất 1.1.4 Chức hệ thống SCADA - Chức giám sát: Giám sát đảm bảo tính xác tồn thơng số vận hành hệ thống - Chức điều khiển: + Điều khiển q trình xác, tin cậy + Cài đặt thơng số từ xa có nhu cầu thay đổi cấu trúc, quy mô hệ thống, yêu cầu công nghệ dẫn tới số thông số vận hành hệ thống bị thay đổi theo - Chức quản lý, lưu trữ liệu: + Giám sát cố xảy trình hoạt động hệ thống, cảnh báo cố âm thanh, màu sắc, thông báo hình hiển thị + Ghi nhận, lưu trữ liệu, thông tin vận hành, thông tin cố hệ thống (logging/archiving) + Lập biểu đồ (Trending): sản phẩm SCADA hỗ trợ tiện ích lập biểu đồ + Điều khiển báo động (Alarm handing): thực báo động dựa kiểm tra giới hạn trạng thái thực server + Xuất báo cáo (Report Generation): xuất báo cáo dạng truy vấn SQL cho lưu trữ file, bảng ghi kiện dạng text, file kiện dạng html, báo cáo xuất, in lưu trữ tự động - Tính thời gian thực: SCADA hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu thời gian thực, tính thời gian thực hệ thống cân thiết quan trọng Tính thời gian thực ảnh hưởng tới độ xác, đắn kết đầu Một hệ thống có tính thời gian thực khơng thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng phải có phản ứng kịp thời yêu cầu tác động bên ngồi Một hệ thống có tính thời gian thực yêu cầu hệ thống BUS phải có tính năng: Độ nhanh nhạy, tính tiền định, độ tin cậy,kịp thời, tính bền vững - Kiểm soát truy cập: Người dùng định vào nhóm, nhóm định nghĩa quyền truy cập đọc/ghi (read/write) thơng số q trình điều khiển 1.2 Cấu trúc hệ thống SCADA Trong hệ thống SCADA cảm biến cấu chấp hành đóng vai trò giao diện thiết bị điều khiển với q trình sản xuất Còn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện người máy Các thiết bị phận hệ thống ghép nối với theo kiểu điểm - điểm (Point to Point), thông qua mạng truyền thơng cơng nghiệp Tín hiệu thu từ cảm biến tín hiệu nhị phân, tín hiệu số tím hiệu tương tự Khi xử lý máy tính phải chuyển đổi cho phù hợp với chuẩn giao diện vào/ra máy tính Các thành phần chính:  Giao diện q trình: Là phần tử chấp hành, cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi…  Thiết bị điều khiển tự động: Bao gồm điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controller), điều khiển chuyên dụng tỷ lệ vi tích phân PID, thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) máy tính điều khiển với phần mềm điều khiển chuyên dụng  Hệ thống điều khiển giám sát: Bao gồm phần mềm hỗ trợ giao diện người-máy HMI (Human Machine Interface), trạm kỹ thuật, trạm vận hành giám sát điều khiển cao cấp  Hệ thống truyền thông: gồm thiết bị ghép nối điểm - điểm (Point to Point), Bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống Hình 1.3 Minh họa cấu trúc hệ SCADA Hình 1.4 Minh họa thống SCADA đại Bảng 1.2 Một số hệ thống SCADA tiêu biểu SCADA Intouch WinCC Trace Mode Vijeo Look LabView Citect Company Wonderware Siemens AdAstra Schneider Electric National Instrument Ci Technologies Country USA Germany Russia France USA Australia 1.3 Cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển giảm sát - - - - - Một mạng SCADA chất kết hợp máy chủ, máy tớ thiết bị trường kết nối với mạng truyền thông Thông tin sử dụng máy chủ thu thập bửi điều khiển/cảm biến Các máy tớ giao tiếp sử dụng người vậ hành để tương tác với hệ thống Các máy chủ thường đặt nhà máy chính/trạm Chúng truyền thơng với điều khiển cục vị trí xa Cơ cấu hệ thống SCADA sau: Trạm thu thập liệu trung gian: khối thiết bị vào/a đầu cuối từ xa RTU khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC có chức giao tiếp với thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, cấu chấp hành ) Trạm điều khiển giám sát trung tâm: hay nhiều máy chủ trung tâm (Center host computer server) Giao diện người – máy (Human – Machine Interface): hiển thị trình hoạt động hệ thống Hệ thống truyền thông: bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông thiết bị chuyển đổi dòng kênh có chức truyền liệu cấp trường đến khối điều khiển máy chủ Một hệ thống SCADA (điều khiển, giám sát thu thập liệu) hệ thống bao gồm thiết bị đầu cuối (hay RTU) thu thập liệu hệ thống sau liên kết trở trạm chủ thông qua hệ thống giao tiếp Trạm chủ hiển thị liệu thu thập cho phép người vận hành thực tác vụ điều khiển từ xa Đối với hệ thống SCADA phức tạp cần thiết phải có cấp: - Các thiết bị cấp trường cấp điều khiển - Các thiết bị đầu cuối RTU - Hệ thống giao tiếp - Các trạm chủ (MTU) - Bộ phận xử lý liệu Bộ RTU cung cấp goao thức kết nối tới cảm biến tương tự (analog) cảm biến số tương tự ứng với tín hiệu thực tế 10 Thống kê bit đầu vào Tên biến START STOP CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CB6 MANUAL AUTO Van Van Van Van Van Van BIT I0.0 I0.1 M2.0 M2.1 M2.2 M2.3 M2.4 M2.5 M0.0 M0.1 M1.0 M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 M1.5 Thống kê biến đầu Tên biến Đèn hệ thống Máy bơm V1 V2 V3 BIT Q0.0 Q0.1 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Thống kê biến nhớ Tên biến Tank1 Tank2 Tank3 BIT MB20 MB22 MB24 25 4.2 Lưu đồ thuật toán 26 4.3 Các mạch lực, mạch điều khiển 4.4 Sơ đồ đấu nối PLC 27 4.5 Chương trình điều khiển 28 29 30 31 32 33 34 CHƯƠNG – XÂY DỰNG GIAO DIỆN GIÁM SÁT HỆ THỐNG 5.1 Bảng tag ngoại 5.2 Xây dựng hình ảnh trình 5.2.1 Hình ảnh tồn hệ thống 35 5.2.2 Chế độ bơm nước tay (MANUAL) 5.3.3 Chế độ bơm nước tự động (AUTO) 36 5.3 Xác định hình ảnh động, hình ảnh tĩnh, đối tượng điều khiển lập trình C Hình ảnh tĩnh ống nước Toàn nhà Cây Xe CHƯƠNG - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 37 4.1 Kết trình nghiên cứu Tiếp xúc với phần mềm lập trình Step & mơ PLCSIM Mô ảnh động WinCC với nhiều hiệu ứng, giám sát điều khiển trình hoạt động hệ thống giao diện WinCC 4.2 Thuận lợi khó khăn : - Được hướng dẫn tận tình từ cán hướng dẫn có kinh nghiệm thực tế - Trao đổi hang tuần cán hướng dẫn bạn bè Tuy nhiên: - Chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế nên hạn chế việc thiết kế áp - dụng công nghệ Vì sinh viên nên điều kiện sở vật chất thiếu thốn, gặp khó khăn q trình mơ đồ họa chất lượng cao WinCC 4.3 Hướng giải phát triển: - Khảo sát thực tế máy móc cơng nghệ nay, để cải tiến - xuất hệ thống cấp nước Đưa mô vào ứng dụng để khắc phục lỗi thực tế (tác nhân bên tác động vào) TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 [1] TS Lê Ngọc Bích, PGS TS Trần Thu Hà, KS Phạm Quang Huy, Điều khiển giám sát với S7-200, S7-300 PC Access & WinCC, Nxb Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2011 [2] PGS TS Trần Thu Hà, KS Phạm Quang Huy, CAD tự động hóa, Tự học S7 WinCC hình ảnh, Nxb Hồng Đức,2012 [3] https://tailieu.vn/ 39 ... thể cho đảm bảo áp lực đồng cho toàn hệ thống đường ống cấp nước Nếu nhà cao tầng dùng sơ đồ hệ thống cấp nước giống hệ thống cấp nước cho nhà thấp tầng, nghĩa dùng loại máy bơm cấp nước cho. .. - Hệ thống điều hòa khơng khí - Hệ thống cung cấp điện động lực chiếu sang - Hệ thống thong - Hệ thống cung cấp khí đốt… 2.2 Giải pháp cấp nước cho nhà cao tầng Nhà cao tầng thường có chiều cao. .. tập nhà trường Với đề tài báo cáo môn học lần này, em lựa chọn đề tài Điều khiển giám sát hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng Đề tài gồm chương :      CHƯƠNG Hệ thống điều khiển giám sát