Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet sử dụng plc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH DANH ĐỨC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET SỬ DỤNG PLC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ VÂN HÀ Hà Nội – 2014 MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Mục lục ………………………………………………………………… 01 Lời cam đoan …………………………………………………………… 05 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ……………………………… 06 Danh mục bảng …………………………………………………… 07 Danh mục hình vẽ, đồ thị ……………………………………… 08 LỜI MỞ ĐẦU ……………………………………………………… 11 CHƯƠNG I- TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET…………………… ……….…… 12 1.1 Các cấu hình điều khiển giám sát (SCADA) …………… 12 1.1.1 Phân loại hệ thống SCADA …………………… 12 a Hệ thống SCADA khơng có chức đồ họa “Blind” 12 b Hệ thống SCADA đồ họa xử lý thông tin thời gian thực 12 c Hệ thống SCADA độc lập…………………………….… 12 d Hệ thống SCADA mạng …………………………….… 12 Ưu điểm hệ thống SCADA qua mạng internet …… 13 1.2 Giới thiệu hệ thống SCADA qua mạng internet Siemens 13 1.2.1 Giới thiệu WinCC Web Navigator Siemens …… 13 1.2.2 Tổng quan cài đặt ……………………………………… 14 1.2.3 Cài đặt Internet Information Services (IIS) …………… 14 1.2.4 Cấu hình WinCC Web Navigator Server ……………… 16 1.2.5 Phát hành hình ảnh trình điều khiển ……….… 18 1.2.6 Máy client truy cập vào dự án Web …………….…….… 22 1.3 Thiết bị điều khiển khả trình PLC ………………………….… 26 1.1.2 1.3.1 Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-300 ………….… 26 1.3.2 Các module PLC S7-300………….… ………….… 28 1.3.3 Xác định địa module mở rộng………………… 30 a Qui tắc xác định địa cho module số …………… -1- 31 b Qui tắc xác định địa cho module tương tự …… 31 1.3.4 Chương trình điều khiển - Phần mềm Step7 ………… 32 1.3.5 Kỹ thuật lập trình ……………………………………… 34 a Lập trình tuyến tính …………………………………… 34 b Lập trình có cấu trúc …………………………………… 34 CHƯƠNG II - TỔNG QUAN DÂY CHUYỀN CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN…………………………………… 37 2.1 Quy trình mơ hình dây chuyên sản xuất mì ăn liền 37 2.2 Giải thích quy trình …………………………………………… 39 Chuẩn bị ngun liệu ………………………………… 39 a Chuẩn bị nước trộn …………………………………… 39 b Chuẩn bị nước lèo ……………………………………… 39 c Tỉ lệ thành phần ………………………………………… 39 Trộn bột ………………………………………………… 40 a Mục đích ……………………………………………… 40 b Thiết bị ………………………………………………… 40 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 41 Cán bột ………………………………………………… 41 a Mục đích ……………………………………………… 41 b Thiết bị ………………………………………………… 41 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 42 Cắt sợi-Tạo ……………………………………… 42 a Mục đích ……………………………………………… 43 b Thiết bị ………………………………………………… 43 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 43 Hấp mì ………………………………………………… 43 a Mục đích ……………………………………………… 43 b Thiết bị ………………………………………………… 44 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 44 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 -2- Quạt ráo1 ……………………………………………… 44 a Mục đích ……………………………………………… 44 b Thiết bị ………………………………………………… 45 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 45 Cắt định lượng gấp đơi vắt mì …………………… 45 a Mục đích ……………………………………………… 45 b Thiết bị ………………………………………………… 45 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 46 Tưới nước lèo ………………………………………… 46 a Mục đích ……………………………………………… 46 b Thiết bị ………………………………………………… 46 c Nguyên lý làm việc …………………………………… 47 Quạt ……………………………………………… 47 a Mục đích……………………………………………… 47 b Thiết bị………………………………………………… 47 c Nguyên lý làm việc…………………………………… 47 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.9 2.2.10 Chiên mì……………………………………………… 48 a Mục đích……………………………………………… 48 b Thiết bị………………………………………………… 48 c Nguyên lý làm việc…………………………………… 49 Làm nguội……………………………………………… 50 a Mục đích……………………………………………… 50 b Thiết bị………………………………………………… 50 c Nguyên lý làm việc…………………………………… 51 2.2.11 Phân loại………………………………………………… 51 a Mục đích…………………………………………… 51 b Thiết bị………………………………………………… 51 c Nguyên lý làm việc,…………………………………… 52 Đóng gói………………………………………………… 52 2.2.12 2.2.13 -3- a Mục đích………………………………………………… 52 b Thiết bị………………………………………………… 52 c Nguyên lý làm việc……………………………………… 53 Quy trình sản xuất gói gia vị dầu ăn…………… 54 a Quy trình cơng nghệ sản xuất gói gia vị……………… 54 b Quy trình cơng nghệ sản xuất gói dầu ăn……………… 55 2.2.14 CHƯƠNG III - THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA QUA MẠNG INTERNET CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN ………………………………………………………… 56 3.1 Chọn thiết bị …………………………………………………… 56 3.2 Cấu hình phần cứng điều khiển PLC S7-300……………… 68 3.3 Mạch điều khiển động lực ……………………………… … 68 3.3.1 Các địa vào/ ra……………………………………… 68 3.3.2 Sơ đồ phần cứng mạch điều khiển PLC S7-300………… 77 3.4 Lưu đồ thuật toán ……………………………………………… 77 3.5 Các khối hàm chức sử dụng………………………… 79 3.6 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát qua mạng internet sử dụng WinCC/Web Navigator V7.0 ………………………….… 3.6.1 Tạo Tag trình…………………………………… 3.6.2 Giao diện điều khiển giám sát trình sản xuất mì ăn liền ……………………………………………………… 81 82 84 CHƯƠNG IV - MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG LAN (THAY CHO INTERNET) CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN…………………… 90 4.1 Thiết bị sử dụng cho mơ phỏng………………………………… 90 4.2 Mơ q trình…………………………………………… 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………… 92 Danh mục tài liệu tham khảo …………………………… 93 Bản vẽ mạch điều khiển động lực ………………… 94 PHỤ LỤC: -4- LỜI MỞ ĐẦU Trong trình cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nước Điều khiển Tự động hóa yếu tố khơng thể thiếu cơng nghiệp đại Nói đến điều khiển tự động hóa thiết bị điều khiển khả trình-PLC đóng vai trị lớn sử dụng nhiều nhà máy, xí nghiệp với hỗ trợ đắc lực máy tính Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường, điều khiển giám sát đem lại nhiều kết đầy tính ưu việt Bên cạnh mạng Internet phát triển mạnh mẽ phủ khắp toàn cầu Vì vậy, Tơi chọn đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET SỬ DỤNG PLC” Đề tài Tôi nghiên cứu PLC phần mềm WinCC Web Navigator V7.0 hãng Siemens để điều khiển giám sát trình sản xuất qua mạng Internet, đồng thời sử dụng mạng LAN (thay cho mạng Internet) thực thi ứng dụng điều khiển giám sát q trình sản xuất mì ăn liền Trong có máy tính Server kết nối với PLC S7-300 SIM máy tính Client kết nối với máy Server qua mạng LAN (thay cho Internet) Trong trình làm luận văn hướng dẫn tận tình người hướng dẫn khoa học TS.Vũ Vân Hà thân tác giả cố gắng tham khảo tài liệu tìm hiểu thời gian kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp nhận xét đánh giá q báu thầy bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình chu đáo thầy khoa, đặc biệt người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Vân Hà giúp đỡ Tơi nhiều để Tơi hồn thành luận văn Tác giả xin chân thành cám ơn Học viên: Đinh Danh Đức - 11 - CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET 1.1 Các cấu hình điều khiển giám sát (SCADA) 1.1.1 Phân loại hệ thống SCADA Có nhiều loại hệ thống SCADA khác chúng chia làm nhóm với tính sau : + SCADA khơng có chức đồ hoạ (Blind)/SCADA có khả xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (real time) + SCADA độc lập/SCADA nối mạng a) Hệ thống SCADA khơng có chức đồ họa (Blind) Là hệ thống thu nhận, xử lý liệu thu hình ảnh đồ thị Do khơng có phận giám sát nên hệ thống đơn giản giá thành thấp b) Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực (real time) Là hệ thống giám sát thu nhận liệu có khả mơ tiến trình hoạt động hệ thống sản xuất nhờ tập tin cấu hình máy khai báo trước Tập tin cấu hình ghi lại khả hoạt động hệ thống, giới hạn không gian hoạt động, giới hạn khả năng, công suất làm việc máy Nhờ biết trước khả hoạt động hệ thống sản xuất mà có tín hiệu vượt tải hay có vấn đề đột ngột phát sinh, hệ thống báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp tín hiệu vượt mức cho phép hệ thống cho máy dừng hoạt động c) Hệ thống SCADA độc lập Là hệ thống giám sát thu nhận liệu với xử lý, thông thường loại hệ thống SCADA điều khiển hai máy công cụ hay gọi workcell Do khả điều khiển máy cơng tác nên hệ thống sản xuất đáp ứng cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên dây chuyền sản xuất lớn d) Hệ thống SCADA mạng - 12 - Là hệ thống giám sát thu nhận liệu với nhiều xử lý có nhiều phận giám sát kết nối với thông qua mạng Hệ thống cho phép điều khiển phối hợp nhiều máy công tác nhiều nhóm workcell tạo nên dây chuyền sản xuất tự động Đồng thời hệ thống kết nối tới nơi quản lý - nơi định sản xuất hay trực tiếp sản xuất theo yêu cầu khách hàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế 1.1.2 Ưu điểm hệ thống SCADA qua mạng Internet Do kết nối mạng internet nên điều khiển từ xa thiết bị cơng tác nơi có điều kiện làm việc nguy hiểm (như làm việc nơi có mơi trường phóng xạ, nơi có từ trường mạnh …) khơng cho phép người đến gần Chúng ta giám sát nhà máy đâu mà cần dùng trình duyệt Internet Explorer (IE), cấp quản lý dễ dàng giám sát hoạt động nhà máy đâu giới mà khơng cần phải xuống trực tiếp phịng điều khiển trung tâm 1.2 Giới thiệu hệ thống SCADA qua mạng Internet Siemens 1.2.1 Giới thiệu WinCC Web Navigator Siemens Hình 01 : Cấu hình WinCC/ Web Navigator Siemens - 13 - Với SIMATIC WinCC Web Navigator Siemens, điều khiển, giám sát thu thập liệu từ mạng Internet Ta cài đặt Web Server Navigator máy tính Server Web Navigator Client máy tính Client Việc cài đặt Web Server Navigator Web Navigator Client chọn ta cài phần mềm WinCC Chúng ta điều khiển giám sát dự án WinCC máy chủ liên tục thông qua trình duyệt Internet với ActiveX hỗ trợ máy tính Trong WinCC Web Navigator bạn thiết lập Web server Điều có nghĩa máy tính kết nối với Web Server truy cập vào dự án WinCC Server nơi giới Gói phần mềm Web Navigator bao gồm WinCC Web Navigator Server cài đặt máy tính Server WinCC Web Navigator Client cài máy tính Client có nối mạng Internet Hình ảnh WinCC Web Navigator Client điều chine giám sát giống hệ thống WinCC Server Việc giúp cho máy tính nơi giới điều khiển giám sát dự án chạy máy tính Server 1.2.2 Tổng quan cài đặt Trước cài đặt WinCC/Web Navigator(V7.0), ta cần cài đặt Internet Information Services (IIS) 1.2.3 Cài đặt Internet Information Services (IIS) Khi sử dụng Windows Server XP, Internet Information Services (IIS) phải cài đặt trước cài WinCC/Web Navigator Đưa đĩa cài đặt Windows vào ổ đĩa Từ Start menu Windows Server/XP chọn "Settings" > "Control Panel" click vào icon "Add/Remove Programs" Trong hộp thoại "Add/Remove Programs", click vào biểu tượng "Add/Remove Windows Components" Hộp thoại sau xuất - 14 - Hình 02: Cài đặt Internet Information Services (IIS) Trong cửa sổ lựa chọn, kích hoạt "Internet Information Services (IIS)" click "Next" Hình 03: Quá trình cài đặt IIS - 15 - Hình 55: Lưu đồ thuật toán khâu trộn bột 3.5 Các khối hàm chức sử dụng - 79 - Hình 56: Các khối hàm chức sử dụng Tên khối Chức khối OB1 Chương trình OB35 Interupt Cycle 100ms FB41 Điều khiển liên tục PID, tuyến tính FB42 Điều khiển bước PID, role DB1 Lưu liệu cho FB41 Nhiệt độ hấp DB3 Lưu liệu cho FB42 Nhiệt độ chiên DB4 Lưu liệu cho FB42 Hàn mí bao DB5 Lưu liệu cho FB41 Nhiệt độ hàn bụng bao SFC40 Kích ngắt 10 FC1 Chọn chế độ AUTO/MAN 11 FC2 Chế độ AUTO 12 FC3 Chế độ MANUAL 13 FC4 Trộn bột Auto 14 FC5 Cán bột Auto 15 FC6 Cắt sợi mì Auto 16 FC7 Hấp mì Auto 17 FC8 Quạt Auto TT - 80 - Ghi 18 FC9 Cắt định lượng gấp đôi Auto 19 FC10 Tưới nước lèo Auto 20 FC11 Quạt Auto 21 FC12 Chiên mì Auto 22 FC13 Làm nguội vắt mì sau chiên Auto 23 FC14 Loại sản phẩm line Auto 24 FC15 Đóng gói line Auto 25 FC16 Loại sản phẩm line Auto 26 FC17 Đóng gói line Auto 27 FC18 Báo giá tải động Auto/Man 28 FC19 Báo mức nước, mức dầu Auto/Man 29 FC20 Đọc giá trị từ module AI Auto/Man 30 FC21 Manual- Trộn bột Manual 31 FC105 Hàm tỉ lệ Bảng 05 : Các khối sử dụng chương trình 3.6 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát qua mạng internet sử dụng WinCC/ Web Navigator V7.0 Tạo dự án mới, khởi động chương trình WinCC/Web Navigator 7.0-SP2 Kích vào biểu tượng WinCC hình bên để tạo dự án - 81 - 3.6.1 Tạo Tag trình Hình 57: Phần mềm thiết kế giao diện điều khiển giám sát qua mạng internet WinCC/Web Navigator V7.0 - 82 - Hình 58: Tạo Tag group Hình 59 : Tạo Tag trình - 83 - 3.6.2 Giao diện điều khiển giám sát trình sản xuất mì ăn liền Hình 60: Tạo trang hình điều khiển giám sát - 84 - - 85 - Hình 61: Màn hình – Mơ hình giám sát q trình sản xuất mì ăn liền (M.O.P) - 86 Hình 62: Màn hình điều khiển AUTO MANUAL(M.C.P) - 87 - Hình 63: Màn hình điều khiển trình chế độ Manual giám sát mức ầ - 88 Hình 64: Màn hình giám sát trạng thái tải động (S.O.M) - 89 - Hình 65: Màn hình đặt tỉ lệ bột nước trộn,thời gian trộn,nhiệt độ CHƯƠNG IV MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG LAN (THAY CHO INTERNET) CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT MÌ ĂN LIỀN 4.1 Thiết bị sử dụng cho mô - Sử dụng máy tính Client có địa IP: 192.168.0.2 máy Server có địa IP: 192.168.0.1 - Máy Client kết nối với máy Server qua mạng LAN/Intranet (thay cho mạng Internet) - Máy Server kết nối với PLC S7-300 SIM - Từ máy Client ta điều khiển giám sát q trình sản xuất mì ăn liền thơng qua máy Server Hình 66: Cấu hình mạng LAN (thay cho mạng Internet) cho mơ 4.2 Mơ q trình - Sau cài đặt cho máy Server máy Client xong, từ máy Client mở - 90 - trình duyệt IE nhập địa http://192.168.0.1 , sau nhập User name: danhduc82 Password: 198241, ta truy cập vào trang Web để điều khiển giám sát trình sản xuất mì ăn liền - Chạy chế độ AUTO : + Từ trang hình số [MCP] ta chọn chế độ [AUTO] sau chuyển sang trang hình số 5[SETTING] để đặt khối lượng bột ướt cần trộn 500Kg (tỉ lệ bột mì, tinh bột nước trộn lập trình sẵn), thời gian trộn 25phút ( trộn khơ phút, trộn ướt 20 phút lập trình sẵn) + Từ trang hình số [SETTING] ta đặt nhiệt độ sau:  Nhiệt độ buồng hấp mì: 120oC  Nhiệt độ dầu chiên mì : 160o C  Nhiệt độ hàn mí bao line1 (line2): 130oC  Nhiệt độ hàn bụng bao line (line2): 210oC + Quay trở lại hình số [MCP] ta nhấn nút [RUN]-AUTO, hệ thống bắt đầu hoạt động đủ điều kiện nhiệt độ (đạt 90% giá trị đặt trở lên), mức nước trộn, mức nước lèo dầu chiên (đều không mức thấp) + Hệ thống dừng báo đèn, cịi để kiểm tra khơng thỏa mãn điều kiện động tải Để xem trạng thái động tải hay không (chạy/dừng) ta vào hình số [SOM], động tải báo đèn vàng, chạy báo đèn xanh dừng đèn khơng sáng (màu xám) + Ta quan sát trạng thái động chạy dừng hình [MOP], động chạy báo đèn xanh nhấp nháy, động dừng báo màu xám - Chạy chế độ MANUAL : + Từ hình số (MCP) ta nhấn nút [MANUAL] + Khi chạy chế độ MANUAL trình điều khiển độc lập với Ta đặt khối lượng bột mì, tinh bột, nước trộn thời gian trộn tùy theo ý muốn - 91 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết thực luận văn với yêu cầu giao: “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát qua mạng Internet sử dụng PLC” Khuyết điểm: Do điều kiện hạn chế chưa thuê đường truyền Internet nên phần mô điều khiển giám sát thực mạng LAN thay cho mạng Internet Hướng phát triển: Do thiết bị điều khiển giám sát có kết nối qua mạng Internet nên ta tích hợp thêm nhiều thiết bị tiện ích khác, áp dụng cho nhiều đối tượng có quy mơ lớn rộng khắp tồn cầu Trao đổi thơng tin nhà máy quốc gia khác giới Ứng dụng: Hệ thống điều khiển giám sát qua mạng Internet có thể:  Ứng dụng cho việc điều khiển giám sát cho nhà nhà máy với quy mô khác nhau, giám sát viên điều khiển giám sát hoạt động hệ thống nhiều nhà xưởng đâu giới Đặc biệt hệ thống ứng dụng tốt cho nhà máy sản xuất có mơi trường độc hại, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe người  Ứng dụng hệ thống điều khiển phân tán (DCS)  Có thể ứng dụng tốt cho hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) hay ứng dụng thiết kế cho nhà thông minh  Hệ thống điều khiển giám sát qua mạng Internet ứng dụng tốt cho lưới điện thông minh mà giới quan tâm - 92 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà (2007), Tự động hóa với Simatic S7-300, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy (2012), Tự động hóa công nghiệp với WinCC, Nhà xuất Hồng Đức Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy (2012), CAD Tự động hóa – Tự học S7&WinCC hình ảnh, Nhà xuất Hồng Đức Siemens – Manual (2008), WinCC/Web Navigator 7.0 Guide Siemens – Manual (2006), System software for S7-300/400 System and Standard Funtions/ Reference Manual - 93 - ... I- TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET? ??………………… ……….…… 12 1.1 Các cấu hình điều khiển giám sát (SCADA) …………… 12 1.1.1 Phân loại hệ thống SCADA …………………… 12 a Hệ thống SCADA... KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET SỬ DỤNG PLC? ?? Đề tài Tôi nghiên cứu PLC phần mềm WinCC Web Navigator V7.0 hãng Siemens để điều khiển giám sát trình sản xuất qua mạng Internet, ... - 11 - CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUA MẠNG INTERNET 1.1 Các cấu hình điều khiển giám sát (SCADA) 1.1.1 Phân loại hệ thống SCADA Có nhiều loại hệ thống SCADA khác chúng