WinCC (Windows Control Center) được phát triển bởi hãng Siemens là phần mềm tích hợp giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điều khiển với quá trình tựđộng hoá. Những thành phần dễ
65
sử dụng của WinCC giúp tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào.
Chương trình WinCC được thiết kế với những module chức năng phù hợp với yêu cầu công nghiệp. Ví dụ như các giao diện đồ họa, các message, các báo cáo…
Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tựđộng hoá một cách dễ dàng.
WinCC còn có đặc điểm là đặc tính mở. Phần mềm này có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau như: SIEMENS, MITSUBISHI, ALLEN BRADLEY... Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ
thống.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn nhỏ
khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những hệ thống cấp cao như
MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resourse Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của SIEMENS có mặt trên khắp thế giới.
WinCC là một phần mềm chạy trên các máy tính PC với các yêu cầu về cấu hình như sau:
- Hệđiều hành: Windows XP, Windows 7, Windows Server 2008. - CPU: Intel Pentium 4; 1.7 GHz.
- RAM: tối thiểu 1GHz.
66
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BMS DỰA TRÊN PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM CỦA HÃNG SIEMENS
4.1. Bài toán đặt ra
Như đã giới thiệu ở các chương trước, hệ thống BMS tích hợp sẽ quản lí rất nhiều hệ thống quản lí thành phần. Trong phạm vi luận văn này, tác giả chỉ tập trung vào một vài thành phần của hệ thống BMS. Cụ thể đó là phần điều khiển, giám sát hệ thống bơm nước sinh hoạt và chiếu sáng tòa nhà, cấu hình cho hệ thống quản lí điện năng.
67
Hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng thể hiện ở hình 3.1 gồm có bể I dưới mặt đất chứa nước sạch, bể II ở trên tháp nước cấp cho các đơn vị, nước từ bể I
được bơm lên bể II bằng 2 bơm P1 và P2 dùng chung đường ống. Dưới bể I có 1 phao S1L báo mức nước thấp, bể II có phao S2L báo mức nước thấp và phao S2H báo mức nước cao. Hệ thống 2 bơm có 2 role nhiệt bảo vệ quá tải và dung chung 1 công tắc dòng chảy báo bơm không có nước hoặc bơm yếu. Yêu cầu xây dựng bộ điều khiển 2 bơm chạy luân phiên theo số lần khởi động để tăng tuổi thọ 2 bơm (mỗi khi bơm đầy bể thì lần bơm tiếp theo chuyển sang bơm còn lại chạy). Khi một trong 2 bơm lỗi (do tín hiệu báo từ công tắc dòng chảy từ 10s trở lên hoặc do role nhiệt) thì tự động chuyển sang bơm còn lại. Ngoài yêu cầu điều khiển, hệ thống bơm nước sinh hoạt phải được quản lí từ phòng điều khiển trung tâm đặt các máy tính của hệ thống BMS để người vận hành có thể giám sát trạng thái bơm, cảnh báo khi bơm lỗi .
Hệ thống chiếu sáng gồm các đèn trong tầng hầm và khu vực xung quanh tòa nhà. Đặc điểm của hệ thống chiếu sáng là nhu cầu về độ sáng thay đổi theo thời gian trong ngày. Ví dụ khoảng thời gian từ 22h đến 6h sáng thì chỉ cần bật một nửa các đèn. Hệ thống chiếu sáng cũng được điều khiển và giám sát từ hệ thống BMS.
Đối với hệ thống quản lí điện năng thì tại các tủ điện trong phòng kĩ thuật có các đồng hồđa năng Multimeter đểđo các thông sốđiện như P, Q, U, I, cosφ… Các thông số này cũng cần được giám sát bởi hệ thống BMS. Tại phòng điều khiển trung tâm, người vận hành có thể giám sát các thông số điện, biểu đồ… Qua đó, có thể quản lí được điện năng và phát hiện sự cố.
4.2. Giải pháp xây dựng hệ thống
Đối với hệ thống bơm nước sinh hoạt, các bơm sẽ được đấu cáp lực nối tiếp với contactor đặt trong tủ điều khiển. Các contactor phải chịu được dòng điện lớn qua bơm. Tủ điều khiển chạy/dừng bơm từ xa thông qua việc đóng/cắt contactor. Contactor có tiếp điểm phụ báo trạng thái đưa về PLC để điều khiển bơm tựđộng. Chương trình nạp trong PLC sẽ thực hiện việc điều khiển bơm tự động. Đầu ra
68
output PLC điều khiển đóng/cắt cuộn hút của contactor. PLC được kết nối truyền thông với hệ thống BMS qua truyền thông đểđiều khiển, giám sát trên màn hình đặt tại phòng điều khiển trung tâm.
Hình 4.2: Sơđồ điều khiển khiển bơm
Hệ thống chiếu sáng được điều khiển và giám sát từ xa qua PLC kết nối truyền thông với hệ thống BMS tương tự như hệ thống bơm. Các đồng hồ Multimeter của hệ thống quản lí điện năng cũng được kết nối truyền thông với hệ thống BMS. Nhờ đó, tại phòng điều khiển trung tâm có thể điều khiển đèn chiếu sáng cũng như quản lí được năng lượng tiêu thụ trong tòa nhà.
Từ các phân tích ở trên ta xây dựng được cấu hình phần cứng và cấu hình mạng cho hệ thống như thể hiện ở hình 4.3.
69
Hình 4.3: Cấu hình mạng cho hệ thống Các sản phẩm sơ bộở từng cấp như sau:
- Thiết bị cấp trường: gồm các contactor điều khiển đóng/cắt bơm, đèn chiếu sáng, đồng hồđa năng Multimeter.
Contactor có thể chọn của nhiều hãng như LS, ABB, Siemens… Tiếp điểm phụ của contactor sẽđấu nối với đầu vào của PLC. Cuộn hút của contactor đấu với đầu ra của PLC. Với nguồn 24VDC đầu vào DI và đầu ra DO của PLC quy
định mức 0 và 1 ứng với điện áp <5VDC và >8VDC. Do điện trở của dây đồng là rất nhỏ và khoảng điện áp cho phép lớn nên có thể kéo dây đồng từ cảm biến mức nước, contactor tới PLC ở khoảng cách xa. Đểđảm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ta sử dụng cáp có vỏ bọc kim loại.
Đồng hồ Multimeter: Để đơn giản và tiết kiệm cổng truyền thông, ta sẽ mắc nối tiếp truyền thông 3 đồng hồ Multimeter bằng giao thức Modbus RTU. Kỹ
70
thuật truyền dẫn chọn RS-485 với khoảng cách cho phép giữa đồng hồ đầu và
đồng hồ cuối là 1200m nên có thể đáp ứng được trong tòa nhà. Multimeter 1 phải chọn loại tích hợp sẵn gateway chuyển đổi giao thức từ MODBUS RTU sang TCP/IP để có thể chuyển thông tin với dung lượng lớn của 3 đồng hồ lên máy tính chủ của hệ thống quản lí điện năng.
- Thiết bị cấp điều khiển vùng: PLC Siemens S7-300 hỗ trợ giao thức truyền thông Ethernet TCP/IP, các bộ switch kết nối mạng.
Do dung lượng dữ liệu truyền tải lớn nên chọn giao thức truyền thông Ethernet TCP/IP. Từđó, phải chọn PLC S7-300 loại có hỗ trợ giao thức truyền thông Ethernet TCP/IP.
Khi đấu nối truyền thông Ethernet cho PLC phải chú ý đến khoảng cách quy
định của chuẩn Ethernet đã đề cập trong bảng 2.3 chương 2.
Số lượng bộ PLC cần thiết phụ thuộc vào số lượng tín hiệu vào/ra, số lượng cổng truyền thông theo yêu cầu của bài toán. Các tín hiệu này được liệt kê chi tiết ở mục 4.3.1
- Thiết bị cấp điều khiển, giám sát: gồm các máy chủ có hỗ trợ giao thức Ethernet TCP/IP để giao tiếp với PLC S7-300 và đồng hồ Multimeter.
Máy chủ 1 cài phần mềm Step7 để cấu hình PLC.
Máy chủ 2 cài đặt phần mềm WinCC để giám sát và điều khiển từ xa hệ
thống bơm nước sinh hoạt, hệ thống chiếu sáng.
Máy chủ 3 cài đặt phần mềm SENTRON Powermanager V3.2 để đọc thông
số từ các đồng hồ Multimeter.
4.3. Cấu hình chi tiết hệ thống
4.3.1. Chọn các module PLC S7-300
Từ yêu cầu bài toán đặt ra ở mục 4.1 và giải pháp xây dựng ở mục 4.2, ta liệt kê các tín hiệu vào/ra, giao thức truyền thông của PLC S7-300
71
STT Loại tín hiệu Địa chỉ Mô tả
1 Tín hiệu đầu vào DI
I0.0 Tín hiệu từ phao S1L báo bể 1 mức nước thấp I0.1 Tín hiệu từ phao S2L báo bể 2 mức nước thấp I0.2 Tín hiệu từ phao S2H báo bể 2 mức nước cao I0.3 Tín hiệu báo lỗi từ công tắc dòng chảy
I0.4 Tín hiệu báo bơm 1 lỗi từ role nhiệt I0.5 Tín hiệu báo bơm 2 lỗi từ role nhiệt I0.6 Tín hiệu báo trạng thái từ Contactor K1 I0.7 Tín hiệu báo trạng thái từ Contactor K2
2 Tín hiệu đầu ra D0 Q4.1 Tín hiệu điều khiển chạy/dừng bơm 1 Q4.2 Tín hiệu điều khiển chạy/dừng bơm 2 Q4.3 Tín hiệu điều khiển bật/tắt cụm đèn số 1 Q4.4 Tín hiệu điều khiển bật/tắt cụm đèn số 2 3 Giao thức truyền
thông của CPU Ethernet TCP/IP
Bảng 4.1. Bảng liệt kê các tín hiệu của PLC S7-300 điều khiển bơm
Từ bảng trên ta lựa chọn được cấu hình chi tiết của PLC S7-300 điều khiển bơm.
- Module nguồn: Chọn nguồn PS 307 5A.
- Module CPU: Chọn CPU 315-2 PN/DP hỗ trợ Ethernet TCP/IP. - Module đầu vào: Chọn module 16 cổng vào DI16xDC24V.
72
- Module đầu ra: Chọn module 8 cổng ra DO8xDC24V/2A.
Hình 4.4: PLC S7-300
4.3.2. Chọn đồng hồ Multimeter
Từ yêu cầu bài toán đặt ra ở mục 4.1 và giải pháp xây dựng ở mục 4.2, ta chọn các loại đồng hồ như sau:
- Multimeter 2, 3: Chọn đồng hồ SENTRON PAC3100 có module hỗ trợ truyền thông MODBUS RTU.
- Multimeter 1: Chọn đồng hồ SENTRON PAC4200 có module hỗ trợ truyền thông MODBUS RTU và tích hợp gateway để chuyển thông tin của 3 đồng hồ lên máy chủ hệ thống quản lí điện năng.
73
4.3.3. Chọn Switch Ethernet
Từ cấu hình mạng ta chọn được Switch như sau: - Mã sản phẩm: RUGGEDCOM RSG2100. - Số cổng Ethernet: tối thiểu 5 cổng. - Tính năng nổi bật: VLAN, SNMPv3, QoS. Hình 4.6: Switch Ethernet 4.3.4. Chọn máy tính chủ vận hành, giám sát Máy tính chủ 1 có cấu hình như sau: - Hệđiều hành: Windows 7 32bit.
- Chip Core i3 3240M 3.2Ghz, RAM 4Gb, Hỗ trợ ít nhất 1 cổng mạng LAN. - Phần mềm cài đặt: Phần mềm cấu hình PLC STEP7 Professional.
Máy tính chủ 2 có cấu hình như sau: - Hệđiều hành: Windows 7 32bit.
- Chip Core i3 3240M 3.2Ghz, RAM 4Gb, Hỗ trợ ít nhất 1 cổng mạng LAN. - Phần mềm cài đặt: Phần mềm giao diện người máy HMI Wincc 7.2.
Máy tính chủ 3 có cấu hình như sau: - Hệđiều hành: Windows 7 32bit.
74
- Phần mềm cài đặt: Phần mềm quản lí điện năng SENTRON Powermanager V3.2 đểđọc thông số từ các đồng hồ Multimeter.