Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học bách khoa Hà nội ------------------------------------------------------------------------------------------ LLuuậậnn vvăănn tthhạạcc ssĩĩ kkhhooaa hhọọcc NNggàànnhh:: xxửử llýý tthhôônngg ttiinn vvàà ttrruuyyềềnn tthhôônngg XXââyy ddựựnngg hhệệ tthhốốnngg đđiiềềuu kkhhiiểểnn ggiiáámm ssáátt NNgguuyyễễnn ttrruunngg kkiiêênn HHàà nnộộii 22000066 2 Lời cam đoan Tên tôi là Nguyễn Trung Kiên, Học viên lớp Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2004. Tôi cam đoan những nội dung tôi viết trong luận văn là nghiên cứu của bản thân tôi dới sự hớng dẫn của T.S Nguyễn Linh Giang và không có sự sao chép bất hợp pháp từ nghiên cứu của ngời khác. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2006 Ngời cam đoan: Nguyễn Trung Kiên. 3Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị .7 Mở đầu .9 Chơng 1 - Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát 1.1. Tổng quan về SCADA 11 1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTUs (Remote Terminal Units) . 13 1.1.2. Trạm chủ của hệ thống SCADA (Scada Master Station) 16 1.1.3. Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols) . 17 1.1.4. Truyền thông trong SCADA 19 1.2. Kiến trúc của SCADA 20 1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối 20 1.2.2. Hệ SCADA phân bố . 21 1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng . 23 1.3. Kiến trúc phần mềm 25 1.4. Tính năng của hệ thống SCADA 27 1.4.1. Cảnh báo và giám sát . 27 1.4.2. Thu thập dữ liệu . 28 1.4.3. Thông báo và chia sẻ dữ liệu 28 1.5. Hệ thống SCADA ở Việt Nam .28 Chơng 2 Mạng truyền thông công nghiệp 2.1. Mạng truyền thông của Siemens . 31 2.1.1. Tổng quan về mạng công nghiệp của SEMATIC 31 2.1.2. Mạng nhiều điểm . 33 42.1.3. PROFIBUS . 34 2.1.4. Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) 41 2.1.5. Ghép nối điểm tới điểm (Point to Point Interface) . 42 2.1.6. Giao diện cảm biến-cơ cấu chấp hành . 43 2.2. Một số chuẩn truyền dẫn . 45 2.2.1. Chuẩn RS-232 45 2.2.2. Chuẩn truyền RS-422 . 48 2.2.3. Chuẩn RS-485 50 2.3. Dịch vụ truyền thông . 56 2.3.1. Định nghĩa 56 2.3.2. Dịch vụ truyền thông và subnet . 57 Chơng 3 Truyền thông với PLC 3.1. Tổng quan về PLC . 60 3.1.1. Định nghĩa 60 3.1.2. Đặc điểm 60 3.1.3. Cấu tạo PLC . 62 3.1.4. Cấu hình cứng PLC 62 3.1.5. Ngôn ngữ lập trình . 64 3.1.6. Cơ chế hoạt động 64 3.1.7. Phơng pháp xử lý tín hiệu 65 3.2. Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 của Siemens 65 3.2.1. Các thành phần của một hệ PLC S7-200 65 3.2.2. Phần cứng của PLC S7-200 66 3.2.3. Cổng truyền thông 68 3.2.4. Cấu trúc bộ nhớ 69 3.2.5. Ngôn ngữ lập trình . 71 3.3. Truyền thông trên PLC . 73 53.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông . 73 3.3.2. Tham số truyền thông 74 3.3.3. Các cổng truyền thông . 74 3.3.4. Khoảng cách truyền thông . 75 3.3.5. Điều khiển đờng tín hiệu truyền thông 75 3.3.6. Nghi thức truyền thông 76 Chơng 4 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát 4.1. Phân tích thiết kế hệ thống 78 4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát 78 4.1.2. PLC 80 4.1.3. Hệ thống điều khiển giám sát .80 4.1.4. Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống . 86 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát . 88 4.2.1. Các thành phần và tính năng của hệ thống . 88 4.2.2. Hoạt động của hệ thống . 88 kết luận và khuyến nghị 93 tài liệu tham khảo .94 phụ lục a: Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống phụ lục b: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển Phụ lục c: m nguồn chơng trình điều khiển cho PLC 6Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t STT Từ viết tắt Giải nghĩa 1 ADC Analog Digital Converter 2 AGC Automatic Generation Control 3 DA Distribution Automation 4 DAC Digital Analog Converter 5 DCE Data Communication Equipment 6 FBD Function Block Diagram 7 HMI Human Machine Interface 8 LAD Ladder Logic 9 LAN Local Area Network 10 MMI Man Machine Interface 11 MPI Multi Point Interface 12 MS Master Stations 13 MTU Master Terminal Unit 14 PLC Programable Logic Control 15 PSN Public Switched Network 16 RTU Remote Terminal Unit 17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 18 STL Statement List 19 UCA Utility Communication Architecture 20 WAN Wide Area Network 7Danh mục các hình vẽ, đồ thị Thứ tự Tên hình TrangHình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 12 Hình 1.2 Một RTU điển hình 13 Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên 21 Hình 1.4 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai 22 Hình 1.5 Hệ thống SCADA thế hệ thứ ba 24 Hình 1.6 Kiến trúc chung của phần mềm 26 Hình 2.1 MPI - SURNET 33 Hình 2.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 36 Hình 2.3 Phơng pháp thâm nhập đờng dẫn trong mạng PROFIBUS 37 Hình 2.4 Mạng PROFIBUS 38 Hình 2.5 Mạng PROFIBUS -DP 39 Hình 2.6 Industrial Ethernet 41 Hình 2.7 Kết nối điểm tới điểm 43 Hình 2.8 ASI - Subnet 44 Hình 2.9 Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC 46 Hình 2.10 Kiểu mạng RS-422 bốn dây 49 Hình 2.11 Sơ đồ bộ kích thích và bộ thu RS-485 51 Hình 2.12 Quy định trạng thái logic cảu tín hiệu RS-485 52 8Hình 2.13 Các phơng pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 55 Hình 3.1 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển logic 62 Hình 3.2 Các thành phần của PLC S7-200 66 Hình 3.3 Cấu tạo của CPU 214 67 Hình 3.4 Sơ đồ chân của cổng truyền thông 68 Hình 3.5 Ghép nối máy tính với PLC 69 Hình 3.6 Bộ nhớ trong và ngoài của S7 - 200 69 Hình 4.1 Cấu tạo của lò nhiệt 81 Hình 4.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 84 Hình 4.3 Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 87 Hình 4.4 Hình dáng của PZ-41L 88 Hình 4.5 Bảng điều khiển hệ thống 90 Hình 4.6 Giao diện điều khiển giám sát 91 9Mở đầu Trong những năm gần đây, nhu cầu về ứng dụng tự động hoá kết hợp với truyền thông trong hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp đang phát triển rất mạnh. Rất nhiều nhà máy, xí nghiệp có nhu cầu trang bị hệ thống tự động hoá để phục vụ cho mục đích của họ. Nhng họ không có nhiều thông tin về các hệ thống đó. Trong thực tế, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều hệ thống tự động điều khiển giám sát hoạt động nhng tính tích hợp của nó cha cao. Hầu hết các hệ thống này thờng dành cho các ứng dụng lớn, do đó giá thành tơng đối cao, không phù hợp với nhiều nhà máy, xí nghiệp. Hơn nữa, mỗi nhà máy, xí nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau. Do đó việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý, giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất thiết thực và cần thiết. Chỉ cần có một ngời điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể ứng dụng để : - Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động - Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt - Giám sát số lợng ngời vào/ra khu vực lò - Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập - Giám sát hoạt động của ngời trong phòng/toà nhà thông qua Camera quan sát - Điều khiển chuông báo giờ 10Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của ngời sử dụng, và khi đó giá thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo. Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính. Nội dung của đề tài bao gồm: - Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống. - Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống. - Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống. Đề tài đợc hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S. Nguyễn Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Trờng ĐH Công nghiệp Hà Nội. Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc tìm tài liệu và biên dịch nhng chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài của tôi đợc đầy đủ hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! [...]...11 Chơng 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) 1.1 Tổng quan về SCADA: SCADA là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hoá Các thiết bị tự động... d thừa ở hệ thống thế hệ đầu tiên là việc đợc hoàn thành bằng cách sử dụng 2 hệ thống mainframe đợc trang bị giống hệt nhau, một hệ thống chính và một hệ thống dự phòng, kết nối ở mức bus Chức năng cơ bản của hệ thống dự phòng là để giám sát hệ thống chính là thay thế trong trờng hợp có lỗi xảy ra 1.2.2 Hệ SCADA phân bố: Thế hệ tiếp theo của hệ thống SCADA tiếp tục phát triển và cải tiến hệ thống nhỏ,... kiểm soát và đo dầu khí; Hệ thống điều khiển giao thông; Hệ thống quản lý nớc; Hệ thống trộn nhiên liệu; Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi, lò nhiệt; Hệ thống điều khiển giám sát toà nhà thông minh 31 Chơng 2 mạng truyền thông công nghiệp 2.1 Mạng truyền thông của Siemens: 2.1.1 Tổng quan về mạng công nghiệp của SIMATIC: Theo những yêu cầu về chức năng của các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý và... Hiện nay, việc điều khiển giám sát mới chủ yếu đợc thực hiện ở các trạm biến áp, trong tơng lai không xa dựa trên hệ thống SCADA sẽ triển khai hệ thống truyền số liệu nh công tơ điện từ có lập trình (PPM GEC METERS) thông qua MODEM tới các trung tâm điều độ vùng 30 Ngoài ra, hệ SCADA đặc biệt phát huy thế mạnh ở các hệ thống điều khiển giám sát trong các hệ thống nh: Sản xuất xi măng; Hệ thống kiểm soát... hành hệ thống SCADA/EMS (Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận số liệu/ hệ thống quản lý năng lợng) phục vụ sản xuất Các trung tâm điều độ của mỗi vùng sẽ thực hiện điều khiển giám sát trong từng vùng đồng thời phải thơng xuyên gửi các thông báo tới trung tâm điều độ Quốc gia Trung tâm điều độ Quốc gia gửi các yêu cầu tới các trung tâm ở mỗi vùng khi cần và thống nhất hoạt độngcủa các trung tâm điều. .. và độ tin cậy của hệ thống tích hợp Hơn nữa, việc dự phòng h hỏng ở đây đơn giản hơn so với trong nhiều hệ thống đầu tiên, kiến trúc phân bố thờng giữ tất cả các hệ thống trên LAN trong trạng thái trực tuyến ở mọi thời điểm Ví dụ, nếu một hệ thống HMI bị hỏng, hệ thống HMI khác có thể đợc sử dụng để điều khiển hệ thống mà không cần đợi để chuyển quyền từ hệ thống thứ nhất sang hệ thống thứ hai Mạng... chức nhất định Hệ thống SCADA có thể ở dạng đơn giản, nh một hệ thống giám sát điều kiện môi trờng; nhng có thể rất phức tạp, nh hệ thống giám sát các hoạt động của một nhà máy năng lợng hạt nhân Trớc đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạch chung (PSN Public Switched Network) để phục vụ mục đích giám sát Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng của LAN/WAN (Local Area Network/Wide... công nghệ mạng LAN để sắp xếp lại việc xử lý các hệ thống phức tạp Với các hệ thống tích hợp, mỗi hệ thống với một chức năng riêng biệt, đợc kết nối với một LAN và chia sẻ thông tin với mỗi hệ thống khác theo thời gian thực Các hệ thống này đặc trng cho loại máy tính mini, nhỏ hơn và giảm giá thành hơn so với thế hệ đầu tiên 22 Hình 1.4: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2 Một số hệ thống phân... máy (HMI - Human Machine Interface) cho ngời vận hành hệ thống Một số hệ thống còn lại đợc dùng để tính toán các bộ xử lý hoặc các máy chủ cơ sở dữ liệu Việc phân bố các chức năng của hệ thống SCADA riêng thành nhiều hệ thống sẽ tạo ra nhiều khả năng xử lý khác nhau cho hệ thống tích hợp hơn là ở trong một hệ thống riêng Các mạng kết nối với các hệ thống riêng này thờng dựa trên các giao thức mạng LAN... thứ 2 Phân bố (Distributed) Thế hệ thứ 3 Mạng lới (Networked) 1.2.1 Hệ thống SCADA nguyên khối: Khi hệ thống SCADA đợc phát triển đầu tiên, nội dung của tính toán thờng tập trung vào hệ thống main frame Khi đó không tồn tại mạng và mỗi hệ thống thờng độc lập Kết quả, hệ thống SCADA là hệ thống độc lập lập và không kết nối với hệ thống nào khác Mạng WAN đợc dùng để truyền thông với các RTU ở xa đợc . của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo. Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ. là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự