Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống scada cho hệ thống cung cấp nước sạch tại xí nghiệp nước sạch

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÝ THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa THÁI NGUYÊN - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Lý Thị Thu Hường Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Nơi công tác: Trường Cao đẳng nghề số - Bộ Quốc phòng Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG” Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Tơi xin cam đoan vấn đề trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tôi, hướng dẫn TS Vũ Quốc Đông giúp đỡ cán Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Ngun Mọi thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm số liệu luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên thực Lý Thị Thu Hường ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn nhận hướng dẫn, bảo tận tình TS Vũ Quốc Đơng, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tơi Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới Thầy Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ tốt để tơi hồn thành đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu bạn lớp động viên giúp đỡ trình thực đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến quan xí nghiệp giúp tơi khảo sát tìm hiểu thực tế lấy số liệu phục vụ cho luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hồn thiện luận văn Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Lý Thị Thu Hường iii năm 2019 MỤC LỤC THÔNG TIN ĐỀ TÀI ix LỜI MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA 1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG SCADA 1.1.1 Giai đoạn năm 1940 1.1.2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode năm 1950 1.1.3 Hệ thống SCADA phát minh năm 1960 1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA 1.2.1 MTU (Master Terminal Unit) 1.2.2 RTU (Remote Terminal Unit) 1.2.3 Khối truyền thông 1.2.4 Giao diện hệ thống SCADA 1.3 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI 1.3.1 Cấu trúc hệ thống 1.3.2 Các đặc tính hệ thống 1.3.3 Đặc điểm giao tiếp người máy 1.3.4 Các ứng dụng hệ thống SCADA 10 1.4 HỆ THỐNG SCADA TRONG KỶ NGUYÊN IOT 12 1.4.1 Hệ thống IoT 12 1.4.2 IoT ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT 13 1.4.3 IoT so với SCADA 14 1.4.4 Tích hợp SCADA IoT 16 1.4.5 Tương lai SCADA IoT 17 1.5 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH 19 1.5.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống 20 1.5.2 Khái quát quy trình sản xuất cung cấp nước 21 1.5.3 Cấu hình hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước 23 1.5.4 Cấu hình mạng SCADA - Biến tần cho trạm bơm 26 iv 1.5.5 Các chức hệ thống SCADA 26 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ SCADA CHO XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG 32 2.1 THÔNG TIN VỀ NHÀ MÁY NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG 32 2.1.1 Khái quát chung nhà máy nước Tích Lương 32 2.1.2 Yêu cầu Hệ SCADA 35 2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA - IoT 37 2.2.1 Lựa chọn phương án 37 2.2.2 Thực thi phần cứng Hardware 38 2.2.3 Thực thi phần mềm Software 46 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM & KẾT LUẬN 48 3.1 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH 48 3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49 3.3 KẾT LUẬN 53 3.4 ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các tủ điều khiển hệ thống SCADA Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống SCADA [4] Hình 1.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU Hình 1.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy Hình 1.5: Phối hợp IoT SCADA 17 Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống cấp nước dùng nguồn nước sông (nước mặt) [13] 21 Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống SCADA cho nhà máy cung cấp nước 23 Hình 1.8: Cấu hình mạng SCADA biến tần cho trạm bơm 26 Hình 1.9: Mơ trang hình giao diện hệ thống phân phối 27 Hình 2.1: Sơ đồ cơng nghệ trình xử lý nước Nhà máy nước Tích Lương 33 Hình 2.2: Sơ đồ cơng nghệ nhà máy nước Tích Lương 34 Hình 2.3: Động bơm 160KW trạm bơm cấp 35 Hình 2.4: Mác động bơm 160KW 36 Hình 2.5: Cảm biến áp suất 36 Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 37 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý Mô đun MCU 42 Hình 2.8: Sơ đồ mạch in khối MCU 42 Hình 2.9: Hình ảnh thực tế Mô đun MCU 43 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mô đun giáo tiếp phần 44 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý Mô đun giao tiếp phần 44 Hình 2.12: Sơ đồ mạch in mơ đun giao tiếp COMU 45 Hình 2.13: Hình ảnh thực tế mơ đun giao tiếp COMU 45 Hình 2.14: Giao diện hình chương trình lập trình cho mạch điều khiển 46 Hình 2.15: Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển STM32 47 Hình 3.1: Tủ điều khiển hệ SCADA 48 Hình 3.2: Màn hình đăng nhập WEB 49 Hình 3.3: Giao diện hình Web sau đăng nhập thành cơng 49 vi Hình 3.4: Màn hình Web thể kết đảm bảo áp suất đặt 3.0 Bar 50 Hình 3.5: Màn hình WEB Điều khiển- Giám sát hệ thống 50 Hình 3.6: Màn hình cài đặt thơng số điều khiển cho hệ thống 51 Hình 3.7: Biểu đồ Áp suất đường ống hệ thống 51 Hình 3.8: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo 52 Hình 3.9: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo ngày 52 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SCADA Supervisory Control And Data Acquisition MTU Master Terminal Unit RTU Remote Terminal Unit TCP\IP Transmission Control Protocol and Internet Protocol CNTT Công nghệ Thông Tin IOS Data Input/Output Modules HMI Human- Machine Interface HDC Historical for Data Collection Storage GW Gateway for Inter-LAN Comunication APPS Aplication Calculation and Processing Module VDU Video Display Unit GIS Geographic Information System IoT Internet of Things IoT-GSI Global Standards Initiative on Internet of Things KPI Key Performance Indicator TTĐĐCTY Trung tâm điều độ cơng ty PĐĐXN Phịng điều độ xí nghiệp PĐ ĐNM Phòng điều độ nhà máy DMA Direct Memory Access MIS Managerment Information System GIS Geographic Information System viii THÔNG TIN ĐỀ TÀI Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG  Đặt vấn đề Đối với doanh nghiệp chuyên sản xuất cung cấp nước sạch, vấn đề nâng cao hiệu vận hành nhà máy sản xuất nước hệ thống cung cấp nước đòi hỏi cấp bách nhằm đến mục tiêu: ổn định chất lượng nước, ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác lượng nước tiêu thụ, vận hành quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước… tương lai quản lý đến tận địa chỉ, hộ tiêu thụ nước Với doanh nghiệp sản xuất cung cấp nước cấp Cơng ty phổ biến có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất cung cấp nước sạch; xí nghiệp có hai (thường một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp Các cơng ty chun ngành nước thường có đặc điểm: nhà máy sản xuất nước, phịng chức xí nghiệp cơng ty… cách xa (có cơng ty khoảng cách xa lên đến vài chục km), hệ thống đường ống… thường trải địa bàn rộng lớn Và điều hiển nhiên theo thể thống phịng chức cấp Cơng ty, xí nghiệp, nhà máy thiết bị, máy móc… trường phải có “liên kết” với để thực việc tổ chức sản xuất cung cấp nước Việc ứng dụng công nghệ SCADA đại hóa liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách Luận văn nhằm giới thiệu vấn đề việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao lực quản lý, điều hành sản xuất cung cấp nước nhằm thỏa mãn mục tiêu nêu Kết luận văn việc cung cấp kết mặt lý thuyết giúp cho việc học tập nghiên cứu có ý nghĩa mặt khoa học thực tế  Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về hệ SCADA nói chung hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước nói riêng Cụ thể luận văn thiết kế, thi công phần cứng phần mềm cho hệ SCADA cho hệ thống cung ix cấp nước Tác giả thực kiểm chứng chất lượng hệ SCADA thông qua mô kiểm chứng thực nghiệm  Kết dự kiến - Về mặt lý thuyết: Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về hệ SCADA nói chung hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước nói riêng; ứng dụng phương pháp tính tốn mơ để đánh giá, kiểm tra sơ hệ thống - Về mặt thực nghiệm: Nếu có điều kiện cụ thể tiến hành kiểm nghiệm mơ hình thực hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước  Phương pháp phương pháp luận * Phương pháp luận: Trên sở nghiên cứu lý thuyết để giải thành công mặt lý thuyết cho hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước từ kiểm nghiệm thơng qua hệ thống thực * Phương pháp nghiên cứu: - Lý thuyết: + Tìm hiểu cơng nghệ, u cầu hệ điều khiển + Nghiên cứu lý thuyết hệ thống SCADA + Nghiên cứu lý thuyết IoT để ứng dụng nâng cao chất lượng hệ SCADA thông qua mạng internet tốc độ cao - Kiểm nghiệm: + Ứng dụng phần mềm để kiểm tra sơ hệ thống + Thực nghiệm hệ thống thực  Cấu trúc luận văn Luận văn dự định gồm có phần Chương 1: Tổng quan về hệ SCADA Tổng quan về hệ SCADA nói chung hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước nói riêng Chương 2: Thiết kế hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước x Hình 2.7: Sơ đồ ngun lý Mơ đun MCU Hình 2.8: Sơ đồ mạch in khối MCU 42 Hình 2.9: Hình ảnh thực tế Mơ đun MCU  Mô đun giao tiếp COMU Mô đun COMU thiết kế sử dụng Vi điều khiển STM32F103 đảm nhận chức giao chuẩn công nghiệp (MODBUS RTU MODBUS TCP/IP) nhận/truyền thông tin để hiển thị, lưu trữ điều khiển hệ thống 43 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mô đun giáo tiếp phần Hình 2.11: Sơ đồ ngun lý Mơ đun giao tiếp phần 44 Hình 2.12: Sơ đồ mạch in mơ đun giao tiếp COMU Hình 2.13: Hình ảnh thực tế mô đun giao tiếp COMU 45 2.2.3 Thực thi phần mềm Software Phần mềm viết cho Vi điều khiển STM32F103 sử dụng EDA µVision V5 chuyên dùng hãng ST Phần mềm chia thành phần:  Phần mềm cho Mơ đun MCU thực chức điều khiển theo chương trình, phần ổn định áp suất thực thuật toán PID  Phần mềm cho Mô đun giao chuẩn công nghiệp MODBUS RTU MODBUS TCP/IP, Internet qua tín hiệu 3G  Phần mềm cho Web Server: - Phần mềm cho Web Server thực việc truyền giá trị cài đặt cho hệ thống Áp suất đặt Pset thông qua giao tiếp 3G qua mô đun giao tiếp COMU đến Mô đun MCU; đồng thời nhận giá trị thực tế Áp suất thực Pvar, lưu lượng Q để hiển thị hình Web Hình 2.14: Giao diện hình chương trình lập trình cho mạch điều khiển 46 Hình 2.15: Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển STM32 47 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH Hình 3.1: Tủ điều khiển hệ SCADA Kết cuối hệ thống SCADA cho nhà máy nước Tích lương hồn thiện phần cứng phần mềm Hình 3.1 tủ điều khiển sau lắp đặt đầy đủ thiết bị, bao gồm:  Mơ đun MCU thực chức điều khiển theo chương trình, phần ổn định áp suất thực thuật tốn PID 48  Mơ đun giao chuẩn cơng nghiệp MODBUS RTU MODBUS TCP/IP, Internet qua tín hiệu 3G  Biến tần Inverter Schneider ATV610 để điều khiển động bơm  Đồng hồ lưu lượng để thu thập tín hiệu lưu lượng đầu đường ống nhà máy 3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 3.2: Màn hình đăng nhập WEB Hình 3.3: Giao diện hình Web sau đăng nhập thành cơng 49 Hình 3.4: Màn hình Web thể kết đảm bảo áp suất đặt 3.0 Bar Hệ thống SCADA cho nhà máy nước Tích Lương đưa vào vận hành ổn định từ tháng năm 2019 Hệ thống đảm bảo điều khiển ổn định áp suất đầu đường ống D800 theo giá trị đặt trước theo thời gian thực Hình 3.5: Màn hình WEB Điều khiển- Giám sát hệ thống 50 Hình 3.6: Màn hình cài đặt thơng số điều khiển cho hệ thống Hình 3.7: Biểu đồ Áp suất đường ống hệ thống 51 Hình 3.8: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo giờ Hình 3.9: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo ngày 52 3.3 KẾT LUẬN Tuy công nghệ SCADA-IoT xuất tương đối lâu việc ứng dụng vào giám sát, điều hành, điều khiển vận hành nhà máy sản xuất nước theo yêu cầu công nghệ tối ưu vận hành áp lực theo thời gian nhằm giảm thiểu giá thành tương đối mới, cần có nhiều đề tài nghiên cứu vấn đề Thơng qua hệ thống SCADA-IoT quản lý, giám sát hệ thống địa điểm thông qua mạng truyền thông liệu Do khái niệm khoảng cách khơng cịn trở ngại việc điều hành, điều khiển hệ thống Hệ thống SCADAIoT giúp trình xử lý tình diễn nhanh chóng có hỗ trợ tính tốn điều khiển tiên tiến lưu trữ liệu lâu dài, giúp công tác quản lý, đánh giá dự đốn xác bối cảnh thị trường cung cấp nước cạnh tranh dần hình thành Hệ thống thiết kế có ưu điểm sau: • Giá thành thấp • Hệ thống thích hợp cho nhà máy vừa nhỏ • Trong hệ thống không dùng PLC mà sử dụng điều khiển tự thiết kế sử dụng Vi điều khiển STM32 • Hệ thống mở rộng dễ dàng • Hệ thống tích hợp điều khiển giám sát q trình với điều khiển giám sát điện (thông qua biến tần điều khiển động cơ) Web • Có thể lựa chọn tự thành phần (thiết bị, phần mềm) cho hệ thống • Giảm thiểu thời gian lắp đặt hệ thống 3.4 ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN Thông qua kết nghiên cứu luận văn có thêm nhiều hệ thống cơng trình cung cấp nước áp dụng cơng nghệ SCADA-IoT vào quản lý vận hành nước ta việc sử dụng công nghệ vào quản lý, khai thác, giám sát cơng trình cấp nước đầu mối nhà máy sản xuất nước theo số toán điều khiển tối ưu nhằm làm giảm lượng tiêu thụ điện, giảm tổn thất chưa nhiều Cần nâng cao kỹ bảo trì bảo dưỡng, xử lý hư hỏng hệ thống giám sát tự 53 động hóa cho kỹ sư, cơng nhân nhà máy để quản lý sữa chữa hệ thống kịp thời Trong thời gian tới, hệ thống SCADA-IoT cần phát triển mạnh nhằm tận dụng mạnh cơng nghệ để giám sát điều khiển từ xa, thực thuật toán điều khiển phức tạp 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [Trực tuyến] Available: https://ktdien.com/mo-hinh-he-thong-dieu-khienscada/ [Đã truy cập 01 10 2019] [2] V Q H Đặng Tiến Trung, Hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu SCADA, Hà Nội: Nhà xuất Xây dựng, 2013 [3] H P Corporation [Trực tuyến] Available: https://haophuong.net/qua-trinhhinh-thanh-va-phat-trien-cua-he-thong-scada/ [Đã truy cập 01 10 2019] [4] [Trực tuyến] Available: https://techway.vn/danh-gia-tong-quan-ve-he-thongscada/ [Đã truy cập 01 10 2019] [5] E Brown, 13 09 2016 [Trực tuyến] Available: https://www.linux.com/news/who-needs-internet-things/ [Đã truy cập 02 10 2019] [6] E Brown, 20 09 2016 [Trực tuyến] Available: https://www.linux.com/NEWS/21-OPEN-SOURCE-PROJECTS-IOT/ [Đã truy cập 02 10 2019] [7] [Trực tuyến] Available: https://web.archive.org/web/20170713004533/http://www.itu.int/en/ITUT/gsi/iot/Pages/default.aspx [Đã truy cập 02 10 2019] [8] A Nordrum, 18 08 2016 [Trực tuyến] Available: https://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/internet/popular-internet-of-thingsforecast-of-50-billion-devices-by-2020-is-outdated [Đã truy cập 02 10 2019] [9] Wikipedia [Trực tuyến] Available: https://vi.wikipedia.org/wiki/Internet_V%E1%BA%A1n_V%E1%BA%ADt [Đã truy cập 02 10 2019] [10] [Trực tuyến] Available: https://ifactory.com.vn/ung-dung-cua-iot-internet-ofthings-trong-san-xuat-cong-nghiep/ [Đã truy cập 02 10 2019] 55 [11] UVT [Trực tuyến] Available: http://uvt.vn/he-thong-giam-sat-scada-vaiot.html [Đã truy cập 02 10 2019] [12] H D Hoa [Trực tuyến] Available: http://hiendaihoa.com/tu-dong-hoa/plcdsc-pac-scada/1087-ung-dung-cong-nghe-scada-trong-san-xuat-va-cung-capnuoc-sach-tai-cac-doanh-nghiep-chuyen-nganh-cap-nuoc-.html [Đã truy cập 03 10 2019] [13] D T Lượng, GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG CẤP NƯỚC, Hà Nội: Nhà xuất Xây dựng, 2006 [14] Q Wang, The application of microcomputer in high-rise constant pressure water supply system, China: Ocean university, 2006 [15] F Zhou, “The constant pressure water supply system based on Siemens PLC controller,” Journal of TianJin University, tập 7, pp 3-6, 2010 [16] ARM [Trực tuyến] Available: http://www.arm.vn/TinChiTiet/tabid/105/id/114/Default.aspx [Đã truy cập 04 10 2019] 56 ... hệ SCADA Tổng quan về hệ SCADA nói chung hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước nói riêng Chương 2: Thiết kế hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước x Nghiên cứu yêu cầu hệ SCADA cho hệ thống cung cấp. .. HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH 19 1.5.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống 20 1.5.2 Khái quát quy trình sản xuất cung cấp nước 21 1.5.3 Cấu hình hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước. .. Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Nơi công tác: Trường Cao đẳng nghề số - Bộ Quốc phòng Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP