Ứng dụng mạng internet vào hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG trên nền simaticnet

Bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học ứng dụng mạng internet vào hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG simaticnet ngành: tự động hóa Phan đình Hiếu Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Khang Hµ Néi - 2008 LỜI CAM ĐOAN Thiết kế luận văn tơi tự thực khả Ngồi tài liệu tham khảo dẫn cuối luận văn, đảm bảo khơng chép cơng trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp người khác Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung trình bày luận văn Người cam đoan Phan Đình Hiếu MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA ……………………………………………………………1 LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………2 MỤC LỤC ……………………………………………………………………3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……………………….6 DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ …………………………………… MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….10 Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát …………………….12 1.1 Tính thời sự, khoa học, thực tiễn vấn đề cần nghiên cứu ……….12 1.2 Ứng dụng hệ thống điều khiển giám sát…………………………… 14 1.3 Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài ……………………… 14 1.3.1 Mục tiêu đề tài…………………………………………….14 1.3.2 Nội dung đề tài ………………………………………… 15 1.3.3 Bố cục luận văn……………………………………………….16 1.4 Mơ hình phân cấp cấu trúc hệ thống điều khiển…………………17 1.4.1 Lịch sử phát triển hệ thống điều khiển ………………… 17 1.4.2 Mơ hình phân cấp chức năng………………………………….19 1.4.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển…………………………… 21 1.4.4 Phân loại hệ thống điều khiển ……………………………23 1.4.5 Phân loại mạng truyền thông công nghiệp……………………25 Chương 2: Cơ sở lý thuyết truyền thông………………………………… 28 2.1 Chế độ chuyền tải ………………………………………………… 28 2.1.1 Truyền bit song song truyền bit nối tiếp ………………… 28 2.1.2 Truyền đồng không đồng ………………………….29 2.1.3 Truyền chiều, hai chiều toàn phần gián đoạn ……….29 2.1.4 Truyền tải dải sở dải mang giải rộng …………………30 2.2 Các thành phần mạng…………………………………………….31 2.2.1 Đường truyền vật lý ………………………………………… 31 2.2.2 Cấu trúc mạng…………………………………………………32 2.2.3 Giao thức mạng ……………………………………………….36 2.2.4 Phân loại mạng ……………………………………………… 38 2.3 Các phương pháp truy cập mạng …………………………………… 39 2.3.1 CSMD/CD …………………………………………………… 39 2.3.2 Master/Slave………………………………………………… 40 2.3.3 Token passing…………………………………………………40 2.4 Kết nối mạng………………………………………………………… 42 2.4.1 Phương tiện kết nối …………………………………………….42 2.4.2 Thiết bị liên kết mạng………………………………………… 43 2.5 Mạng truyền thông công nghiệp siemens……………………… 45 2.5.1 Mạng nhiều điểm (MPI)……………………………………… 45 2.5.2 Mạng profibus……………………………………………… 46 2.5.3 Mạng công nghiệp ( Industrial Ethernet )…………………….51 2.5.4 Mạng giao diện điểm tới điểm ( PPI)……………………… 51 2.5.5 Mạng cảm biến cấu chấp hành ……………………………53 2.5.6 Mạng SINEC L2…………………………………………… 55 Chương Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG………………….57 3.1 Hệ thống quản lý kho cảng LPG …………………………………… 57 3.1.1 Giới thiệu tổng quan LPG ………………………………… 57 3.1.2 Cấu trúc tự động hóa kho cảng LPG………………………… 58 3.1.3 Qui trình hoạt động kho chứa LPG……………………… 61 3.2 Các yêu cầu hệ thống tự động điều khiển giám sát LPG 64 3.2.1 Yêu cầu chung………………………………………………… 64 3.2.2 Yêu cầu hệ thống đo lường……………………………… 64 3.2.3 u cầu tốn cơng nghệ xuất nhập LPG…………………66 3.2.4 Yêu cầu hệ thống điều khiển giám sát xuất nhập LPG………66 3.2.5 Yêu cầu hệ thống đóng mở van an tồn có cố ……….67 3.2.6 Tủ điều khiển trung tâm…………………………………… 67 3.2 Một số hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG…………………68 3.3.1 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng hãng Varec……….68 3.3.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển hãng SAAB tank…… 71 Chương Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG…… 76 4.1 Phân tích lựa chọn giải pháp hãng siemens………………………… 76 4.1.1 Giới thiệu hãng sản xuất tự động hóa Siemens……………… 76 4.1.2 Phân tích lựa chọn giải pháp thiết bị hãng siemens…………77 4.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển giám sát kho chứa LPG……………… 79 4.2.1 Các thành phần hệ thống……………………………………… 79 4.2.2 Thiết lập cấu hình hệ thống sử dụng phần mềm Step7 ……… 91 4.3 Xây dựng phần mềm………………………………………………… 96 4.3.1 Yêu cầu cơng nghệ q trình điều khiển xuất nhập…………… 96 4.3.2 Yêu cầu giám sát hệ thống LPG…………………………… 98 4.4 Xây dựng giao diện mô hệ thống LPG……………………… 99 4.4.1 Phần mềm mô PLCsim………………………………… 99 4.4.2 Mô tả hoạt động chương trình điều khiển giám sát…………… 99 Chương Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet… 105 5.4 Đặt vấn đề …………………………………………………………… 105 5.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển qua mạng internet……………….108 5.2.1 Giao thức mạng internet……………………………………… 108 5.2.2 Mô hình phân lớp địa internet…………………………… 110 5.2.3 Kiến trúc mạng internet……………………………………… 110 5.2.4 Định tuyến mạng internet……………………………… 111 5.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng…………………… 113 5.4 Thiết lập chương trình điều khiển giám sát qua mạng internet……… 114 KẾT LUẬN ………………………………………………………………… 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 121 PHỤ LỤC………………………………………………………………………122 Danh mục kí hiệu chữ viết tắt ADSL ASI ATM BMS CP CSMA/CD DCS ESD FBM FCU IP LAN LLC LPG MAC MAN MPI MST OPC OSI PID PLC PPI QCS RDU RTU SCADA STP UHF UTP VHF WAN Asymetric Digital Subscriber line Actual sensor interface Asynchronous Transfer Mode Building managerment system Comunication process Carrier Sence Multiple Access/ Collision Detection Distributed control System Emergency shutdown Field bus modem Field communication unit Internet protocol Local area network Logical link control Liquidfied petrol gas Media Access Address Metropolitan Area Network Multiple point interface Multiple spot temperature OLE process control Open System Interconnection Proportion intergrate derivative Programble logic control Point to point interface Quality control system Remote display unit Remote terminal unit Supervisory Shield twist pair High frequency Unshied twist pair Very high frequency Wide area network Danh mục bảng Bảng 2.1: Dữ liệu kỹ thuật mạng PROFIBUS……………………………49 Bảng 2.2: Dữ liệu kỹ thuật IE……………………………………………52 Bảng 2.3: Dữ liệu kỹ thuật điều khiển……………………………53 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Phân cấp chức hệ thống………………………………… 19 Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung…………………………………… 21 Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền………………………………… 22 Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán…………………………………… 23 Hình 2.1: Chế độ truyền tín hiệu…………………………………………… 29 Hình 2.2: Cấu trúc dạng bus………………………………………………… 34 Hình 2.3: Cấu trúc dạng mạch vịng……………………………………… 34 Hình 2.4: Cấu trúc mạng hình cây………………………………………… 35 Hình 2.5: Cấu trúc hình sao………………………………………………… 35 Hình 2.6: Mơ hình OSI lớp…………………………………………………37 Hình 2.7: Các phương pháp truy nhập đường truyền……………………… 39 Hình 2.8 : MPI Subnetwork……………………………………………………… 45 Hình 2.9: Phương pháp truy nhập đường dẫn…………………………… .47 Hình2.10: Kết nối điểm tới điểm…………………………………………… 53 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động hóa…………………………… 59 Hình 3.2: Sơ đồ P&ID hệ thống…………………………………………… 63 Hình 3.3: Giải pháp hệ thống điều khiển giám sát Varec……………… 68 Hình 3.4: Giải pháp hệ thống đo bồn chứa SAAB TANK…………… 71 Hình 4.1: CPU 315-2PN/DP……………………………………………… 81 Hình 4.2: Module đầu vào tương tự………………………………………….82 Hình 4.3: Module đầu số………………………………………………… 82 Hình 4.4: Switch chuyển mạch……………………………………………….83 Hình 4.5: Thiết bị đo mức Radar……………………………………….84 Hình 4.6: Cấu trúc transmitter radar…………………………………… 85 Hình 4.7: Thiết bị đo nhiệt độ……………………………………………… 86 Hình 4.8: Bộ hiển thị chỗ…………………………………………………87 Hình 4.9: Thiết bị đo khối lượng massflow………………………………….88 Hình 4.10: Sensor đo khối lượng massflow………………………………….89 Hình 4.11: Van điều khiển xuất nhập……………………………………… 90 Hình 4.12: Khởi tạo chương trình step7…………………………………… 92 Hình 4.13: Cấu hình trạm điều khiển PLC………………………………… 93 Hình 4.14: Cấu hình thiết bị đo Radar……………………………………… 94 Hình 4.15: Cấu hình thiết bị đo Massflow……………………………………95 Hình 4.16: Cấu hình mạng Ethernet……………………………………… 96 Hình 4.17: Lưu đồ thuật tốn nhập LPG…………………………………… 97 Hình 4.18: Lưu đồ thuật tốn xuất LPG…………………………………… 98 Hình 4.19: Mơ hình PLCsim mơ hệ thống………………………… 99 Hình 4.20: Trang giao diện tổng quan hệ thống…………………………… 100 Hình 4.21:Mơ tả xuất LPG tự động…………………………………………100 Hình 4.22: Trang giao diện khu cầu cảng……………………………………101 Hình 4.23: Đồ thị trends cảnh báo khu cầu cảng…………………………102 Hình 4.24: Chế độ xuất nhập thủ cơng………………………………………102 Hình 4.25: Trang giao diện khu bồn 1……………………………………….103 Hình 4.26: Trang giao diện khu bồn 2……………………………………….103 Hình 4.27: Trang giao diện khu họng xuất………………………………… 104 Hình 4.28: Đồ thị trends cảnh báo khu họng xuất……………………… 104 Hình 5.1: Biểu diễn liên kết hai mạng……………………………………… 111 Hình 5.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng………………….113 Hình 5.3: Cấu hình Webnavigator………………………………………… 115 Hình 5.4: Xây dựng trang đồ họa qua web……………………………….116 Hình 5.5: Mơ hình liên kết IIS……………………………………………… 117 Hình 5.6: Giao diện SCADA tổng quan qua web………………………… 117 Hình 5.7: Giao diện SCADA khu cầu cảng qua web……………………… 118 Hình 5.8: Giao diện SCADA khu bồn chứa qua web……………………… 118 Hình 5.9: Giao diện SCADA khu họng xuất qua web……………………….119 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển kết hợp hồn hảo cơng nghệ thơng tin với mạng công nghiệp năm gần mang lại hướng cho giải pháp tự động hố, tạo chuyển biến tích cực ngành kinh tế quốc dân Trong số hệ thống tích hợp tự động hố nói chung, hệ SCADA chiếm vị trí đặc biệt quan trọng khả thu thập, giám sát điều khiển ưu việt q trình cơng nghệ sản xuất Việc xây dựng kế thừa dựa thành tựu kỹ thuật truyền thông, kỹ thuật vi xử lý công nghệ phần mềm tạo điều kiện cho hãng tự động hoá giới đưa nhiều hệ thống mạng tối ưu đại SIEMENS, ALLEN-BRADLEY, MOTOROLA, HONEYWELL,… Trên giới, hệ thống áp dụng rộng rãi hiệu vào ngành điện lực, dầu khí, hố chất, xăng dầu, khí tượng thuỷ văn, hệ thống cung cấp nước, giám sát ô nhiễm môi trường v.v Hiện nay, xu hướng xây dựng hệ SCADA diện rộng áp dụng vào nhiều lĩnh vực mở rộng phạm vi nước, chí khu vực mục tiêu cho nhà tích hợp giải pháp Với phát triển không ngừng, hệ thống SCADA đại không dừng lại phạm vi giám sát t mà cịn có khả chẩn đốn cố cách khắc phục dựa số liệu thu thập Với nước ta, việc áp dụng hệ thống SCADA xu tất yếu ngành kinh tế trọng điểm quốc gia gồm điện lực dầu khí Các hệ thống SCADA cho thuỷ lợi, khí tượng thuỷ văn môi trường vấn đề đặt cách cấp thiết Theo định hướng phát triển đó, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ SCADA diện rộng sở hệ thống mạng SIMATIC Siemens, đồng thời áp dụng cụ thể cho kho chứa LPG Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng A L 20.0 BLD 102 = M 5.3 A L 20.0 L S5T#10S SD T NOP NOP NOP NOP Network15: Mo cac van tai cau cang tu dong va thu cong O M 5.3 O A M 0.1 A M 10.1 = Q 0.1 Network16: O M 5.3 O A M 0.1 A M 10.2 = Q 0.2 = Q 2.1 Network17: Dong mo van V4 va V3 tai cau cang bang thu cong va tu dong A M 5.3 A M 1.0 O A M 0.1 A M 10.4 = Q 0.4 = M 6.0 Network18: Dong mo van V7 va V6 tai cau cang bang tu dong va thu cong A A M M 5.3 1.1 O A A = = M M Q M 0.1 10.7 0.7 6.1 Network19: Dong van dung hoac bao muc bon bao HH A M 0.5 A M 0.0 A( O M 0.3 O M 5.4 O I 5.1 O M 7.0 O M 20.1 ) = L 20.0 A L 20.0 BLD 102 = M 5.4 A L 20.0 L S5T#10S SD T NOP NOP NOP NOP Network20: Bao loi co van chua dong A A( A A( ON ON ON ON T M 1.0 I I I I 0.1 0.2 0.3 2.1 ON I 0.4 ) O A M 1.1 A( ON I 0.1 ON I 0.2 ON I 0.6 ON I 2.1 ON I 0.7 ) ) = M 5.6 Network21: thong bao tin hieu loi ( Phan biet voi tin hieu bao dung xuat ) A( O M 5.5 O M 5.6 ) AN M 8.1 = Q 6.0 Network22: Tin hieu mo van V3, hoac tu dong hoac thu cong A M 5.7 AN M 0.1 O A M 6.0 AN M 0.1 O A M 0.1 A M 10.3 = Q 0.3 Network23: Tin hieu mo van V6 bang tu dong hoac thu cong A M AN M 6.1 0.1 O A M 6.2 AN M 0.1 O A M 0.1 A M 10.6 = Q 0.6 Network24: Thuc hien bieu thi so lieu ve muc chat long LPG o bon A T A I 0.1 A I 0.2 A I 2.1 A( A I 0.3 A I 0.4 O A I 0.6 A I 0.7 ) AN M 7.0 AN M 20.1 AN M 6.4 L S5T#2S SD T 10 NOP NOP NOP A T 10 = M 6.3 Network25: Dem gia tri muc bon chua A T 10 A M 1.0 JNB _001 L MW 100 L +I T MW 100 _001: NOP Network26: Dem gia tri bon chua A T 10 A M 1.1 JNB _002 L MW 102 L +I T MW 102 _002: NOP Network27: Sau mot khoang thoi gian thi reset Timer A M 6.3 = M 6.4 Network28: Thuc hien so sanh neu muc bon1 ma lon hon gia tri cao nhat thi canh bao A M 1.0 A( L MW 100 L 18 >=I ) = M 6.6 Network29: Thuc hien so sanh neu muc bon lon hon gia tri cao nhat thi canh bao A A( L L >=I ) = M 1.1 MW 102 18 M 6.7 Network30: Dua tin hieu canh bao O M 6.6 O M 6.7 = M 7.0 Network31: Khi co tin hieu Reset muc LPG bon tro lai gia tri ban dau A M 7.1 = L 20.0 A L 20.0 JNB _003 L T MW 100 _003: NOP A L 20.0 JNB _004 L T MW 102 _004: NOP Network32: Hien thi gia tri khoi luong LPG tren duong ong xuat LPG hoan toan tu dong A( O Q 4.0 O Q 4.1 O Q 4.2 ) AN M 20.0 AN M 20.4 AN M 8.0 L S5T#2S SD T 11 NOP NOP NOP NOP Network33: Xac dinh khoi luong LPG tren duong long va duong hoi va hieu khoi luong cua chung de tinh duoc gia tri luu luong thuc A T 11 = L 20.0 A L 20.0 A Q 4.0 = L 20.1 A L 20.1 JNB _005 L MW 28 L 200 +I T MW 28 _005: NOP A L 20.1 JNB _006 L MW 22 L 10 +I T MW 22 _006: NOP A L 20.1 JNB _007 L MW 28 L MW 22 -I T MW 24 _007: NOP A L 20.0 A Q 4.1 = L 20.1 A L 20.1 JNB _008 L MW 38 L 200 +I T MW 38 _008: NOP A L 20.1 JNB _009 L MW 32 L 10 +I T MW 32 _009: NOP A L 20.1 JNB _00a L MW 38 L MW 32 -I T MW 34 _00a: NOP A L 20.0 A Q 4.2 = L 20.1 A L 20.1 JNB _00b L MW 48 L 200 +I T MW 48 _00b: NOP A L 20.1 JNB _00c L MW 42 L 10 +I T MW 42 _00c: NOP A L 20.1 JNB _00d L MW 48 L MW 42 -I T MW 44 _00d: NOP Network34: Xac dinh khoang thoi gian cua suon len timer A T 11 = M 8.0 Network35: Thuc hien so sanh gia tri luu luong thuc voi gia tri dat.Neu gia tri thuc lon hon hoac bang gia tri dat thi ngat bom va van A Q 4.0 A( L MW 24 L MW 26 >=I ) O A Q 4.1 A( L MW 34 L MW 26 >=I ) O A Q 4.2 A( L MW 44 L MW 26 >=I ) = M 20.0 Network36: Tin hieu dung da xuat du de phan biet voi tin hieu bao loi van A M 20.0 S M 8.1 Network37: Xoa cac gia tri da xuat xong A = M 7.1 L 20.0 A L 20.0 JNB _00e L T MW 24 _00e: NOP A L 20.0 JNB _00f L T MW 22 _00f: NOP A L 20.0 JNB _010 L T MW 28 _010: NOP A L 20.0 BLD 102 R M 8.1 A L 20.0 JNB _011 L T MW 34 _011: NOP A L 20.0 JNB _012 L T MW 32 _012: NOP A L 20.0 JNB _013 L T MW 38 _013: NOP A L 20.0 JNB _014 L T MW 44 _014: NOP A L 20.0 JNB _015 L T MW 42 _015: NOP A L 20.0 JNB _016 L T MW 48 _016: NOP Network38: Xac dinh gia tri khoi luong LPG nhap tu tau vao bon chua A T A I 0.1 A I 0.2 A I 2.1 A( A I 0.3 A I 0.4 O A I 0.6 A I 0.7 ) AN M 20.1 AN M 7.0 AN M 8.2 L S5T#2S SD T 12 NOP NOP NOP NOP Network39: Thuc hien phep tinh gia tri khoi luong LPG tren duong ong A A O A A T 12 M 1.0 T 12 M 1.1 = L 20.0 A L 20.0 JNB _017 L MW 58 L 50 +I T MW 58 _017: NOP A L 20.0 JNB _018 L MW 52 L +I T MW 52 _018: NOP A L 20.0 JNB _019 L MW 58 L MW 52 -I T MW 54 _019: NOP Network40: Tao khoang thoi gian giua cac suon len cua timer A T 12 = M 8.2 Network41: Thuc hien so sanh giua gia tri luu luong thuc va luu luong dat A T A( O M O M ) A( L MW L MW >=I 1.0 1.1 54 56 ) = M 20.1 Network42: Thuc hien reset ve gia tri ban dau A M 7.1 = L 20.0 A L 20.0 JNB _01a L T MW 52 _01a: NOP A L 20.0 JNB _01b L T MW 54 _01b: NOP A L 20.0 JNB _01c L T MW 58 _01c: NOP Network43: Xac dinh muc LPG bon chua thuc hien qua trinh xuat A( O O ) A( O O O ) AN AN AN L SD M M 1.5 1.6 Q Q Q 4.0 4.1 4.2 M 20.4 M 20.0 M 8.3 S5T#2S T 13 NOP NOP NOP NOP Network44: Thuc hien mo ta qua trinh giam muc LPG bon A T 13 = L 20.0 A L 20.0 A M 1.5 JNB _01d L MW 100 L -I T MW 100 _01d: NOP A L 20.0 A M 1.6 JNB _01e L MW 102 L -I T MW 102 _01e: NOP Network45: Xac dinh khoang thoi gian giua suon len cua timer A T 13 = M 8.3 Network46: Khi muc bon chua1 muc thap se xuat hien canh bao A M 1.5 A( L MW 100 L