Bài giảng Hệ thống SCADA

LỜI NÓI ĐẦU SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) hệ thống thu thập liệu, điều khiển giám sát trình từ xa Người vận hành nhận biết điều khiển hoạt động thiết bị thơng qua máy tính mạng truyền thơng Nói cách khác, SCADA dùng để hệ thống máy tính thiết kế để thực chức năng: - Thu thập liệu từ thiết thiết bị công nghiệp cảm biến - Xử lý thực phép tính liệu thu thập - Hiển thị liệu thu thập kết xử lý - Nhận lệnh từ người điều hành gửi lệnh đến thiết bị nhà máy - Xử lý lệnh điều khiển tự động tay kịp thời xác Với mục tiêu giúp sinh viên tiếp cận nắm bắt vấn đề hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu, Tập giảng “Hệ thống SCADA” biên soạn với nội dung bao gồm: phần cứng; phần mềm truyền thông hệ thống Về phần cứng tập giảng trình bày chi tiết cấu trúc thành phần phần cứng, từ thiết bị cấp trường, RTU, PLC MTU Phần mềm nhóm tác giả giới thiệu tổng quát phần mềm SCADA sau tập trung chủ yếu vào hướng dẫn sử dụng khai thác phần mềm WINCC hãng Siemens với phiên sử dụng phổ biến WinCC flexible 2008 Về truyền thông tập giải giới thiệu tổng quan mạng, mơ hình phân cấp chức cấp mạng công nghiệp, chuẩn giao tiếp Bên cạnh nhóm tác giả trình bày chi tiết số bus giao tiếp thông dụng AS-I, Profibus, Modbus, Ethernet… Tập giảng tài liệu cho việc giảng dạy học tập môn học Hệ thống SCADA lớp đại học nghành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Là sở để thống nội dung giảng dạy kiểm tra đánh giá sinh viên Tập giảng gồm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống SCADA Chương 2: Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA Chương 3: Truyền thông Chương 4: Phần mềm cho SCADA Chương 5: Thiết kế mơ hình SCADA Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp khoa Điện - Điện tử, đồng nghiệp trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định giúp chúng tơi hồn thành tài liệu Trong lần biên soạn đầu tiên, chắn không tránh khỏi số sai sót, mong người đọc đóng góp ý kiến cho tác giả để tập giảng hồn thiện Chúng tơi xin chân thành cảm ơn Nam Định, tháng 11 năm 2016 Nhóm biên soạn Đoàn Ngọc Sỹ Trần Hiếu DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ACC Area Control Center Trung tâm điều khiển vùng A/D Analog/Digital Chuyển đổi tương tự/số AI Analog Input Vào tương tự AO Analog Output Ra tương tự ASCII American Standard Code for Information Interchange Bảng mã chuẩn Mỹ để trao đổi thông tin BI Binary Input Đầu vào tín hiệu nhị phân BF Bus Field Bus trường CPU Central Processing Unit Khói xử lý trung tâm CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect Điều khiển truy nhập mơi trường có phát xung đột DA Distributed Automation Tự động hóa hệ thống phân tán DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán DI Digital Input Vào số DMM Digital Multifunction Meter Đồng hồ số đa DO Digital Output Đầu số DNS Domain Name Service Dịch vụ tên miền DP Decentralised Peripherals Thiết bị ngoại vi phân tán DR Digital Relay Rơ le số FMS Fieldbus Message Specification FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file GUI Graphical User Interface Giao tiếp người dùng HDD Hard Disk Drive Ổ cứng HDLC High Level Data Link Control Điều khiển liên kết liệu mức cao HMI Human Machine Interface Giao tiếp người máy HHU Hand Hold Unit Thiết bị cầm tay IED Intelligent Electronic Device Thiết bị điện tử thông minh IO Input Output Vào LAN Local Area Network Mạng cục LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic LLI Lower Layer Interface Giao tiếp lớp thấp MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MODEM Modulation/Demodulation Bộ điều chế/ giải điều chế Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt MPI Multi Point Interface Giao tiếp đa điểm MTU Master Terminal Unit Trạm chủ PA Process Automation Tự động hóa q trình PC Personal Computer Máy tính cá nhân PID Proporation Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PLC Programmale Logic Control Điều khiển logic lập trình OSI Open Systems Interconnection Kết nối hệ thống mở RAM Ramdom Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối từ xa SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát Acquisition System thu thập liệu SMS Sub Master Station Trạm thu thập liệu SS Substation Server Điều khiển mức trạm TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol Giao thức điều khiển truyền/Giao thức Internet MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA 13 1.1 Khái niệm hệ thống SCADA 13 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống SCADA 13 1.3 Các thành phần hệ thống SCADA 14 1.3.1 Phần cứng .14 1.3.2 Phần mềm .16 1.3.3 Truyền thông 17 1.3.4 Những yêu cầu chung hệ thống SCADA 18 1.4 Sự khác PLC, DCS SCADA 19 1.5 Các chức hệ thống SCADA .21 1.5.1 Kiểm soát truy cập .21 1.5.2 MMI (Man Machine Interface) 21 1.5.3 Lập biểu đồ (Trending) 22 1.5.4 Điều khiển báo động (Alarm Handling) 22 1.5.5 Ghi kiện lưu trữ (Logging/Archiving) 22 1.5.6 Xuất báo cáo (Report Generation) .22 1.5.7 Tự động hoá (Automation) 22 1.6 Một số ứng dụng SCADA 23 Câu hỏi ôn tập chương 23 Chương CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA .24 2.1 Các thiết bị trường 24 2.2 Thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices) .24 2.2.1 Chức IED .24 2.2.2 Rơ le kỹ thuật số 24 2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá .26 2.3 Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Termainal Unit) 28 2.3.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit) 29 2.3.2 Khối vào tương tự (Analog Input Modules) 29 2.3.3 Khối tương tự (Analog Output Mudules) 29 2.3.4 Khối vào số (Digital Input Modules) 30 2.3.5 Khối số (Digital Output Modules) 30 2.3.7 Bộ đếm số (Digital Counters) 31 2.4 Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC 32 2.4.1 Khối vào/ra (Basic I/O Unit): 33 2.4.2 Bộ định tương tự (Analog Timer Unit) 34 2.4.3 Khối vào/ra đặc biệt (Special I/O Unit): 34 2.4.4 Khối điều khiển PID (PID Control Unit) 35 2.4.5 Khối truyền thông (Communication Unit): 35 2.5 Trạm chủ MS (MTU - Master Terminal Unit) 36 2.6 Thiết bị giao tiếp người máy HMI 37 Câu hỏi ôn tập chương 39 Chương 3: TRUYỀN THÔNG 40 3.1 Tổng quan mạng 40 3.1.1 Khái niệm mạng 40 3.1.2 Mạng truyền thơng cơng nghiệp gì? 40 3.1.3 Cấu trúc mạng Error! Bookmark not defined 3.2 Các cấp mạng truyền thông hệ thống SCADA 42 3.2.1 Bus trường, bus thiết bị 43 3.2.2 Bus hệ thống, bus điều khiển 44 3.2.3 Mạng xí nghiệp 44 3.2.4 Mạng công ty 45 3.3 Các chuẩn giao tiếp 45 3.3.1 Các phương thức truyền dẫn 45 3.3.2 Giao tiếp RS -232 46 3.3.3 Giao tiếp RS -422 49 3.3.4 Giao tiếp RS -485 51 3.4 Các hệ thống bus tiêu biểu 56 3.4.1 Bus AS -I 56 3.4.2 Bảo toàn liệu 61 3.4.3 PROFIBUS (Program field bus) 62 3.4.4 ModBus 82 3.4.5 MPI (Multi Point Interface) 91 3.4.6 Ethernet 91 3.4.7 Kiến trúc giao thức Error! Bookmark not defined Câu hỏi ôn tập chương 101 Chương PHẦN MỀM CHO SCADA 102 4.1 Giới thiệu chung phần mềm SCADA 102 4.2 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC 103 4.2.1 Giới thiệu phần mềm WINCC 103 4.2.2 Các chức ứng dụng 106 4.2.3 Hướng dẫn lập trình 109 4.2.4 Ứng dụng công nghệ Web SCADA 139 Câu hỏi ôn tập chương 142 Chương THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH SCADA 143 5.1 Phân tích yêu cầu thiết kế hệ thống SCADA 143 5.2 Xây dựng lưu đồ hoạt động 147 5.3 Kết nối phần cứng 148 5.4 Viết chương trình điều khiển hệ thống 150 5.5 Tải chương trình kiểm tra 157 5.5.1 Cấu hình HMI: 157 5.5.2 Cấu hình máy tính (PC) 159 5.5.3 Kiểm tra kết nối Ethernet 161 5.5.4 Cấu hình WinCC Flexible 162 Câu hỏi ôn tập chương 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO 168 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc mạng SCADA đơn giản 15 Hình 1.2: Cấu hình mạng SCADA lớn tiêu biểu 16 Hình 2.1: Cấu trúc rơ le kỹ thuật số 24 Hình 2.2: Rơ le kỹ thuật số Mikro 25 Hình 2.3: Sơ đồ khối công tơ điện tử nhiều biểu giá 26 Hình 2.4: Cơng tơ điện tử nhiều biểu giá 28 Hình 2.5: Cấu trúc RTU tiêu biểu 29 Hình 2.6: Hình minh họa cấu trúc khối vào số 30 Hình 2.7: Hình minh họa cấu trúc khối đếm 31 Hình 2.8: Một số loại RTU 32 Hình 2.9: Cấu hình tiêu biểu PLC 32 Hình 2.10: Hình minh họa hoạt động khối vào ngắt 33 Hình 2.11: Hình minh họa khối định 34 Hình 2.12: Hình minh họa khối xuất nhập đặc biệt 34 Hình 2.13: Hình minh họa khối PID 35 Hình 2.14: Hình minh họa khối truyền thơng 35 Hình 2.15: Kiến trúc MTU tiêu biểu 36 Hình 2.16: Hình minh họa kiến trúc Sub-Master station 36 Hình 2.17: Hình minh họa thành phần hình HMI 37 Hình 2.18: Hình minh họa chức Recipe 37 Hình 2.19: Hình minh họa tính nâng cấp OS 38 Hình 2.20: Hình minh họa tính Script 38 Hình 3.1: Mơ hình phân cấp chức mạng truyền thơng cơng nghiệp 42 Hình 3.2: Mơ hình truyền dẫn khơng đối xứng 46 Hình 3.3: Mơ hình truyền dẫn không đối xứng 46 Hình 3.4: Quy định trạng thái logic tín hiệu RS-232 47 Hình 3.5: Sơ đồ chân Jack RS-232 48 Hình 3.6: Một số ví dụ ghép nối với RS-232 49 Hình 3.7: Sơ đồ phát thu RS 485 52 Hình 3.8: Quy định trạng thái logic RS-485 52 Hình 3.9: Cấu hình mạng RS-485 kiểu dây 53 Hình 3.10: Cấu hình mạng RS-485 kiểu dây 54 Hình 3.11: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 .55 Hình 3.12: Ghép nối cảm biến cấu chấp hành số với AS-i 57 Hình 3.13: Nguyên tắc ghép nối thiết bị hệ AS-i 58 Hình 3.14: Cấu trúc điện AS-i 59 Hình 3.15: Cấu trúc lệnh gọi từ trạm chủ AS-i .60 Hình 3.16: Mã hóa đường truyền AS-i sử dụng phương pháp APM 61 Hình 3.17: Cấu hình Multi-Master Frofibus 66 Hình 3.18: Các dịch vụ truyền liệu PROFIBUS 68 Hình 3.19: Ký tự khung UART sử dụng PROFIBUS 70 Hình 3.20: Kiến trúc FMS mơ hình OSI 71 Hình 3.21: Các kiểu quan hệ giao tiếp PROFIBUS 74 Hình 3.22: Nguyên tắc trao đổi liệu tuần hoàn Master/slaver 78 Hình 3.23: Giao tiếp trực tiếp trạm tớ .80 Hình 3.24: Chu trình yêu cầu-đáp ứng modebus 85 Hình 3.25: Khung thơng báo Modbus chế độ ASCII 86 Hình 3.26: Khung thơng báo Modbus Modbus Plus 90 Hình 3.27: Mạng MPI 91 Hình 3.28: Ethernet/IEEE 802.3 tập chuẩn IEEE 802 92 Hình 3.29: Ba kiểu mạng Ethernet với cáp đồng trục đôi dây xoắn 93 Hình 3.30: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/Ethernet 95 Hình 4.1: Đặc tính mở phần mềm WinCC 104 Hình 4.2: Khởi động phần mềm WinCC Flexible 2008 109 Hình 4.3: Lựa chọn tạo project 110 Hình 4.4: Lựa chọn kiểu mạng kết nối thiết bị HMI PLC 110 Hình 4.5: Lựa chọn thiết bị HMI, thiết bị điều khiển kiểu kểt nối 111 Hình 4.6: Lựa chọn thiết bị HMI 112 Hình 4.7: Lựa chọn hình mẫu cho project 112 Hình 4.8: Lựa chọn hình điều hướng 113 Hình 4.9: Lựa chọn hình hệ thống chuẩn 113 Hình 4.10: Chọn thư viện chuẩn cho project 114 Hình 4.11: Đặt tên cho project thích cần thiết 114 Hình 4.12: Màn hình làm việc project 115 Hình 4.13: Cửa sổ tạo Tag kết nối với PLC 116 Hình 4.14: Màn hình giao diện hệ thống bình trộn nước trái 119 Hình 4.15: Bảng xây dựng thuộc tính hình 120 Hình 4.16: Thư viện hình ảnh WinCC Flexible 121 Hình 4.17: Thư viện nút ấn WinCC flexible 121 Hình 4.18: Chọn kiểu nút ấn tag xử lý cho nút ấn kiểu hình ảnh 122 Hình 4.19: Chọn kiểu nút ấn đặt tên nút ấn nút ấn kiểu Text 122 Hình 4.20: Bảng lựa chọn chức nút ấn Tag liên kết 122 Hình 4.21: Thư viện công tắt WinCC flexible 123 Hình 4.22: Chọn Tag xử lý cho công tắc 123 Hình 4.23: Chọn chức tag liên kết cho công tắc 123 Hình 4.24: Biểu đồ cấu hình biểu đồ 124 Hình 4.25: Chọn tag xử lý cho thước đo 124 Hình 4.26: Chọn tính biểu đồ 126 Hình 4.27: Khai báo thông số trường vào 125 Hình 4.28: Thư viện đèn báo WinCC flexible 126 Hình 4.29: Cấu hình đèn báo 126 Hình 4.30: Cấu trúc khung làm việc NET 141 Hình 5.1: Điều khiển giám sát nhiệt độ tank nấu gạo 148 Hình 5.2: Các Tag kết nối HMI 150 Hình 5.3: Màn hình “auto” 151 Hình 5.4: Giao diện khởi động hệ thống ủ 151 Hình 5.5: Thư viện cơng tắc WinCC flexible 152 Hình 5.6: Chọn Tag xử lý cho công tắc 152 Hình 5.7: Chọn chức cho công tắc 153 Hình 5.8: Bảng chọn chế độ hoạt động 153 Hình 5.9: Cấu hình chức cho phím tự động 153 Hình 5.10: Cấu hình chức cho phím 153 Hình 5.11: Giao diện điều khiển tự động 154 Hình 5.12: Bảng hiển thị điều chỉnh nhiệt độ 154 Hình 5.13: Cấu hình cho trường đầu vào đặt 155 10 Hình 5.30: Màn hình kiểm kết nối Nếu vượt q thời gian (khơng có trả lời từ node), kiểm tra thực cơng việc sau đây: • Kiểm tra cần, thay cáp Ethernet (ví dụ, khơng dùng cáp đấu chéo sử dụng hub switch) • Kiểm tra địa IP subnet mask Panel cấu hình máy tính • Chọn kích hoạt Ethernet adapter • Kiểm tra thiết lập truyền "Control Panel> Transfer Settings" • Kiểm tra thiết lập tường lửa cấu hình máy tính Nếu khơng vượt thời gian, cấu hình kết nối mức hệ điều hành OK ta đóng giao diện điều khiển lệnh Window 5.5.4 Cấu hình WinCC Flexible 1) Tạo kết nối cách: vào tab "connection" chọn "insert->New Object-> Connection." Hình 5.31: Mở cửa sổ Connection 2) Xác định tham số có liên quan quy định panel PG/PC interface Đối với kết nối thông qua Ethernet ta phải thay đổi interface WinCC Flexible thành "Ethernet" hay "HMI IE" 162 Hình 5.32: Thiết lập giao tiếp 3) Nếu khơng kết nối với S7-300/400 CPU phải thay đổi communication driver 4) Truyền chương trình xuống HMI thực sau: "Project-> Transfer-> Transfer settings " Ngược lại ta mở thơng qua toolbar Hình 5.33: Chọn thiết bị Transfer 5) Trong trường hợp có nhiều panel, hộp thoại "Transfer settings" ta chọn panel cần truyền 6) Chọn chế độ truyền "Ethernet" nhập địa IP Panel Sau chọn "Transfer" để truyền chương trình xuống panel Chú ý chọn "Transfer WinCC Flexible" panel chọn "Transfer" trước Câu hỏi ôn tập chương Bài 1: Thiết kế SCADA cho hệ thống trộn sản phẩm với chức sau: 163 Chức :  Có khả chạy chế độ tự động tay  Hiển thị thời gian động valve  Có khả nhập thơng số thời gian cho động valve Yêu cầu  Thiết kế mơ hình phân cấp chức hệ thống  Lựa chọn thiết bị cho hệ thống  Lựa chọn kết nối thiết bị  Thiết kết hình HMI  Tự đề xuất hướng cho nâng cấp hệ thống 164 Bài 2: Thiết kế hệ thống SCADA cho hệ thống tự động kiểm tra cho diesel máy phát với thông số sau: - Nhiệt độ nước làm mát cao - Nhiệt độ dầu bôi trơn cao - Nhiệt độ khí xả cao - Áp suất nước làm mát thấp - Áp suất dầu bôi trơn thấp Tự động báo động thông số vượt ngồi ngưỡng cho phép (chng kêu đèn nhấp nháy), chấp nhận cố đèn ngừng nhấp nháy, thơng số trở trạng thái ban đầu đèn tắt  Có khả nhập ngưỡng báo động thơng số kiểm tra đèn cịn tốt hay xấu  Có khả tự động bảo vệ máy phát thông số vượt ngưỡng báo động sau thời gian không xử lý Yêu cầu  Thiết kế mơ hình phân cấp chức hệ thống  Lựa chọn thiết bị cho hệ thống  Lựa chọn kết nối thiết bị  Thiết kết hình HMI  Tự đề xuất hướng cho nâng cấp hệ thống … 165 Bài 3: Thiết kế hệ thống SCADA cho hệ thống tự động xử lý nước đóng chai: Chức  Có khả chạy chế độ tự động tay  Hiển thị thời gian động cơvà valve  Có khả nhập thông số thời gian cho động valve Yêu cầu      Thiết kế mơ hình phân cấp chức hệ thống Lựa chọn thiết bị cho hệ thống Lựa chọn kết nối thiết bị Thiết kết hình HMI Tự đề xuất hướng cho nâng cấp hệ thống … Bài 4: Thiết kế hệ thống SCADA cho hệ thống phân lọai sản phẩm tự động: Chức  Có khả chạy chế độ tự động tay 166  Hiển thị trọng lượng sản phẩm  Có khả nhập trọng lượng sản phẩm cần phân loại u cầu  Thiết kế mơ hình phân cấp chức hệ thống  Lựa chọn thiết bị cho hệ thống  Lựa chọn kết nối thiết bị  Thiết kết hình HMI  Tự đề xuất hướng cho nâng cấp hệ thống … Bài 5: Thiết kế SCADA cho hệ thống điều khiển đèn giao thơng sau: Chức năng:  Có khả chạy chế độ tự động, đêm tay  Hiển thị thời gian đèn  Có khả nhập thơng số thời gian đèn  Tự đề xuất hướng cho đèn giao thơng u cầu  Thiết kế mơ hình phân cấp chức hệ thống  Lựa chọn thiết bị cho hệ thống  Lựa chọn kết nối thiết bị  Thiết kết hình HMI 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: [1] Nguyễn Kim Ánh , Nguyễn Mạnh Hà; Mạng truyền thông công nghiệp [2] Ngơ Bá Hùng , Nguyễn Quang Huy; Giáo trình lập trình mạng truyền thơng; Đại Học Cần Thơ [3] Hồng Minh Sơn; Mạng truyền thơng cơng nghiệp; NXB KHKT; 2008 Tài liệu tiếng Anh: [4] Bailey D; Practical SCADA for Industry; Elsevier; 2003 [5] CL Beaver, DR Grallup, WD NeuMan and MD Torgerson; Key management for SCADA; Sand report; March 2000 [6] Draft Standard for Substation Intergrated protection, Control and Data Acquisition Communication; IEEE P1525D4R3; December 2000 [7] Siemens AG Industry Sector; WinCC flexible 2008 Compact / Standard / Advanced User's Manual; 2008 168 PHỤ LỤC A CHƯƠNG TRÌNH PLC CHO VÍ DỤ 169 170 171 172 173 B CHƯƠNG TRÌNH PLC CHO VÍ DỤ CHƯƠNG 174 175 176 ... Bảng 5.1 Địa đầu vào hệ thống 149 Bảng 5.2 Địa đầu 149 12 Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA 1.1 Khái niệm hệ thống SCADA Hệ thống SCADA hay gọi hệ thống điều khiển giám... Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA 13 1.1 Khái niệm hệ thống SCADA 13 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống SCADA 13 1.3 Các thành phần hệ thống SCADA 14 1.3.1 Phần... phần cấu trúc nguyên tắc thực hệ thống SCADA Trình bày khái niệm DCS, phân biệt khác PLC, DCS hệ thống SCADA Trình bày chức hệ thống SCADA Hãy cho biết ứng dụng SCADA trình bày ứng dụng cụ thể?