Thiết kế hệ SCADA sử dụng vi diều khiển PIC

Thiết kế hệ SCADA sử dụng vi diều khiển PIC TS. Nguyễn Đức Khoát SV: Đỗ Văn Dương Đại học: Mỏ - Địa Chất Tóm tắt: Ngày nay, công nghệ vi xử lý đã có những bước phát triển mạnh mẽ trở thành công cụ không thể thay thế trong thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Hệ điều khiển sử dụng vi xử lý có mức độ tích hợp cao và hoạt động với độ chính xác hoàn hảo do các giải pháp điều khiển, luật điều khiển được xây d ựng thông qua phần mềm hệ thống. Chính vì vậy, bài báo này đề cập đến một ứng dụng cụ thể mang lại hiệu quả trong thực tế với công cụ vi xử lý đó là thiết kế hệ SCADA sử dụng họ vi điều khiển PIC. 1. Đặt vấn đề 2. Đứng trước yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở nước ta, việc áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật v ào trong sản xuất và đời sống đang là một yêu cầu tất yếu. Sử dụng hệ SCADA trong các dây chuyền công nghiệp là một trong những ứng dụng như vậy. Hình 1.1 Khối vào ra số Trên thực tế, các dây chuyền công nghiệp ở nước ta thường sử dụng hệ SCADA được thiết kế bởi các h ãng nước ngoài có giá thành rất cao nhưng lại khó khăn trong việc sửa chữa và nâng cấp. Vì vậy, tác giả đã có ý tưởng xây dựng một hệ SCADA sử dụng vi điều khiển có tính năng tương đương với các sản phẩm của nước ngoài và khắc phục được những hạn chế đã nêu trên. Trong h ệ SCADA, khối máy chủ trung tâm là hệ thống máy tính công nghi ệp có cấu hình mạnh sử dụng để hiển thị và trao đổi thông tin với khối RTU. Trên thực tế, với sự phổ biến của máy tính, người thiết kế chỉ cần lựa chọn một cấu hình máy chủ cho phù hợp với hệ thống của mình. Vì vậy, bài báo ch ỉ trình bày quá trình thiết kế khối điều khiển và thu thập dữ liệu (RTU ), giao diện người máy (HMI) và phần mềm hệ thống trong hệ SCADA. 2. Thiết kế khối RTU Với một hệ SCADA, khối RTU thường được thiết kế bằng bộ điều khiển khả trình PLC. Điểm mạnh của PLC là tính chuẩn hóa trong công nghiệp, và độ ổn định cao nhưng vẫn còn nhiều hạn chế là giá thanh cao, các công cụ hổ trợ độc quyền của nhà sản xuất. Với những ứng dụng vừa và nhỏ, một mạch điện được thiết kế sử dụng vi điều khiển hoàn toàn thay thế được chức năng của PLC trong hệ SCADA. Qua tìm hiểu, vi điều khiển PIC16F877A được lựa chọn để thiết kế khối RTU. Khối RTU được chia thành các module: - Module vào ra s ố. - Module vào ra tương tự. - Module hiển thị. - Module giao tiếp máy tính. Trong đó, module nhận tín hiệu tương tự sử dụng chính 9 kênh chuyển đổi ADC có độ phân giải 10 bit được tích hợp bên trong vi điều khiển. 2.1 Thiết kế mạch 16 đầu vào và 16 đầu ra số Trong một hệ SCADA, lượng đầu vào là các tín hiệu số thường là rất nhiều. Để hệ thống có thể nhận được các tín hiệu n ày trong khối RTU đã tích hợp module nhận dữ liệu chuyên năng hoạt động theo nguyên lý dồn kênh. Mạch được thiết kế phải thỏa m ãn tính năng và tác dụng như các chân vào của PLC, tiết kiệm tối đa chân vi điều khiển. Ngược lại, mạch cũng phải tăng số lượng đầu ra số để đảm báo chức năng như một PLC. Khối v ào ra số được thiết kế như hình. V ới module mạch mở rộng đầu vào số theo chuẩn công nghiệp 24V có thể tương thích với tín hiệu ra của các loại cảm biến tr ên thị trường hoặc nhận dữ liệu số theo chuẩn 5V từ các bộ chuyển đổi ADC ngoài. Tương tự mạch đầu ra số có thể giao tiếp với các thiế t bị điều khiển như biến tần, khởi động mềm hoặc các máy đóng cắt, cũng như điều khiển hiển thị led 7 thanh hoặc các thiết bị báo động như một PLC. 2.2 Khối hiển thị Mạch hiển thị LCD có chức năng hiển thị các thông số đo lường và các chỉ thị trạng thái làm việc của hệ thống. Hình 1.2 mạch hiể thị LCD 2.3 Module giao tiếp giữu máy tính và khối RTU Với CPU của khối RTU là PIC16F877A, có tích hợp các cổng truyền thông nối tiếp USART theo chuẩn RS232. USART (Universal Synchronous Asynchronous Reciver Transmitter) là một trong hai chuẩn giao tiếp nối tiếp. USART còn được gọi là giao diện nối tiếp SCI (Serial Comunication Interface). Có thể dùng giao diện này để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, với các vi điều khiển hay với máy tính. Trên các máy tính công nghiệp, chuẩn RS232 được tích hợp trên cổng COM. Tuy nhiên để giao tiếp được giữa máy tính v à khối RTU cần có một mạch điện đồng bộ điện áp hoặc cách ly về điện. V ới một hệ SCADA, chức năng quan trọng nhất chính là giám sát. Bởi vậy xây dựng một thuật toán phù hợp sẽ nâng cao chất lượng của hệ thống. Khối RTU được xây dựng bằng hệ vi xử lý 8 bit tuy nhiên với những dữ liệu có độ d ài lớn hơn một byte vi điều khiển hoàn toàn có thể truyền nhận và xử lý chính xác. Thuật toán đơn giản chỉ là tách các chuỗi lý tự thành các ký tự riêng rẽ và truyền theo chuẩn mã ASCII. Hình 1.3 Mạch giao tiếp giữa khối RTU và máy tính 2.4 Thiết kế giao diện HMI Với những công cụ truyền thông hoàn chỉnh, giao diện người máy của hệ được thiết kế bằng ngôn ngữ lập tr ình Visual Basic(VB), Visual C++. Giao di ện có chức năng trao đổi dữ liệu với khối RTU theo chuẩn truyền thông RS232, hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống và các số liệu đo được từ hiện trường. Giao diện có có vai tr ò phân biệt và lưu thông tin của sự cố vào cơ sở dữ liệu. Hiển thị trạng thái thông qua giao diện đồ họa. Ngoài ra giao diện viết bằng ngôn ngữ VB có thể thực hiện chức năng cảnh báo, tư vấn giám sát. Đặc biệt giao diện có thể chia sẻ công việc xử lý dữ liệu cùng với khối RTU để có thể nâng cao được tốc độ xử lý của hệ thống. 3. Kết luận Sau một thời gian nghiên c ứu, hệ SCADA sử dụng vi điều khiển đ ã được thiết kế hoàn chỉnh cả về phần cứng cũng như phần mềm. Tuy nhiên hướng của đề t ài là xây d ựng một hệ SCADA dựa trên công cụ vi điều khiển mà cụ thể ở đây là vi điều khiển PIC16F877A. Kh ối RTU được thiết kế với chức năng như một PLC từ đó có thể áp dụng cho các hệ thống SCADA khác nhau. 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. Sản phẩm đã được triển khai thử nghiệm ứng dụng trong quản lý hệ thống cung cấp điện. Với các khối trong hệ như trên hình. Kh ối RTU đã bao gồm hoàn chỉnh các mạch thu thập dữ liệu ở dạng số và tương tự từ các đầu ra của cảm biến. Mạch hiển thị và các mạch ra số. Hình 3.2 Sản phẩm thực tế . Thiết kế hệ SCADA sử dụng vi diều khiển PIC TS. Nguyễn Đức Khoát SV: Đỗ Văn Dương Đại học: Mỏ - Địa Chất Tóm tắt: Ngày nay, công nghệ vi xử lý. ứng dụng vừa và nhỏ, một mạch điện được thiết kế sử dụng vi điều khiển hoàn toàn thay thế được chức năng của PLC trong hệ SCADA. Qua tìm hiểu, vi điều khiển