Hệ SCADA công nghiệp

2.2.1 Giới thiệu về hệ SCADA

Hình 2.11: Hệ SCADA công nghiệp.

Hệ thống SCADA (hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) là một hệ thống bao gồm một số đơn vị thiết bị đầu cuối từ xa (RTUs) thu thập trường dữ liệu được kết nối trở lại một trạm chủ thông qua một hệ thống thông tin liên lạc. Trạm chủ hiển thị thu được dữ liệu và cũng cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điều khiển từ xa [3].

Dữ liệu chính xác và kịp thời (thông thường là thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động của nhà máy và quy trình. Một lợi ích nữa là hiệu quả hơn, đáng tin cậy và quan trọng nhất, hoạt động an toàn hơn. Tất cả điều này dẫn đến chi phí hoạt động thấp hơn so với hệ thống không tự động trước đó. Trên một hệ thống SCADA phức tạp hơn, về cơ bản có năm cấp hoặc phân cấp:

 Thiết bị đo đạc và điều khiển cấp trường.  Thiết bị đầu cuối Marshall và RTU.

13 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

 Hệ thống thông tin liên lạc.  Các trạm chủ.

 Hệ thống máy tính của bộ xử lý dữ liệu thương mại.

RTU cung cấp giao diện cho tín hiệu tương tự và tín hiệu số tại mỗi trường trang web từ xa. Hệ thống thông tin liên lạc cung cấp con đường liên lạc giữa trạm chủ và các trang web từ xa. Hệ thống liên lạc này có thể là radio, điện thoại đường dây, sóng điện từ và thậm chí có thể là vệ tinh. Giao thức cụ thể và phát hiện lỗi được sử dụng để truyền dữ liệu hiệu quả và tối ưu. Trạm chủ (và chương trình con) thu thập dữ liệu từ các RTU khác nhau và nói cung cấp giao diện vận hành để hiển thị thông tin và kiểm soát các trang web từ xa. Trong hệ thống từ xa lớn, các trang web phụ thu thập thông tin từ các trang web từ xa và hoạt động như một chuyển tiếp trở lại trạm chủ điều khiển.

Công nghệ SCADA đã tồn tại từ đầu những năm sáu mươi và bây giờ có hai phương pháp cạnh tranh khác nhau là hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và lập trình bộ điều khiển logic (PLC). Ngoài ra, đã có một xu hướng ngày càng tăng để sử dụng thiết bị thông minh như là một thành phần quan trọng trong tất cả các hệ thống. Tất nhiên, trong thế giới thực, nhà thiết kế sẽ trộn và kết hợp bốn phương pháp để tạo ra một hệ thống phù hợp hiệu quả ứng dụng. Những cân nhắc khi kết hợp một hệ thống SCADA là:

 Yêu cầu kiểm soát tổng thể.  Trình tự logic.

 Điều khiển vòng lặp tương tự.

 Tỷ lệ và số lượng điểm tương tự với kỹ thuật số.  Tốc độ kiểm soát và thu thập dữ liệu.

 Trạm điều khiển chính, vận hành.  Loại màn hình cần thiết.

 Yêu cầu lưu trữ lịch sử.  Xem xét hệ thống.  Độ tin cậy, sẵn có.

 Tốc độ truyền thông, thời gian cập nhật, tốc độ quét hệ thống.  Dự phòng hệ thống.

14 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

 Phần mềm ứng dụng và mô hình hóa.

2.2.2 Phần cứng trong hệ SCADA 2.2.2.1 RTU (Remote Terminal Units) 2.2.2.1 RTU (Remote Terminal Units)

RTU là một đơn vị độc lập thu thập và kiểm soát dữ liệu, thường dựa trên bộ vi xử lý, theo dõi và điều khiển thiết bị tại một số vị trí xa từ trạm trung tâm. Nhiệm vụ chính của nó là để kiểm soát và thu thập dữ liệu từ thiết bị xử lý tại địa điểm từ xa và chuyển dữ liệu này trở lại một trạm trung tâm [3].

Nó thường có chương trình cấu hình và điều khiển được nạp từ trạm trung tâm. Ngoài ra còn có thể cấu hình cục bộ bởi một số đơn vị lập trình RTU. Mặc dù theo truyền thống, RTU liên lạc trở lại một số trạm trung tâm, nhưng nó cũng là có thể giao tiếp trên cơ sở ngang hàng với các RTU khác. RTU cũng có thể hành động như một trạm chuyển tiếp (được gọi là trạm lưu trữ và chuyển tiếp) đến một RTU khác, mà không truy cập từ các trạm trung tâm.

Các mô-đun phần cứng RTU điển hình bao gồm:

 Bộ điều khiển và bộ nhớ liên quan.  Đầu vào analog.

 Đầu ra tương tự.  Đầu vào bộ đếm.  Đầu vào kỹ thuật số.  Đầu ra kỹ thuật số.  Giao diện truyền thông.  Cung cấp năng lượng.  Giá đỡ và vỏ RTU.

2.2.2.2 PLC (Programmable Logic Controller)

PLC (bộ điều khiển khả trình logic) là một thiết bị trạng thái rắn dựa trên máy tính điều khiển các thiết bị và quy trình công nghiệp. Ban đầu nó được thiết kế để thực hiện chức năng logic thực hiện bởi rơle, công tắc trống và bộ đếm thời gian, bộ đếm cơ học. Tương tự điều khiển hiện nay là một phần tiêu chuẩn của hoạt động PLC. Ưu điểm của PLC so với các sản phẩm RTU là nó có thể được sử dụng trong vai trò mục đích chung và có thể dễ dàng thiết lập cho nhiều loại chức năng khác nhau.

15 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Cấu trúc thực tế của PLC có thể rất khác nhau và không nhất thiết phải khác nhau nhiều theo khái quát tiêu chuẩn RTU.

2.2.2.3 Trạm chủ (The master station)

Hình 2.12: Hệ SCADA công nghiệp.

Trang web trung tâm, trạm chủ có thể được xem là có một hoặc nhiều trạm điều hành (liên kết với một mạng cục bộ) được kết nối với một hệ thống truyền thông bao gồm của modem và máy thu, phát radio. Có thể sử dụng hệ thống điện thoại cố định trong vị trí của hệ thống vô tuyến, trong trường hợp này, modem sẽ giao tiếp trực tiếp với điện thoại cố định.

Thông thường không có mô-đun đầu vào, đầu ra được kết nối trực tiếp với các trạm chủ mặc dù có thể có một RTU nằm gần phòng điều khiển chính. Các các tính năng nên có sẵn là:

 Giao diện vận hành để hiển thị trạng thái của RTU và cho phép điều khiển toán tử.

 Ghi nhật ký dữ liệu từ RTU.  Báo động dữ liệu từ RTU.

Như đã thảo luận trước đó, một trạm chủ có hai chức năng chính:  Lấy dữ liệu trường định kỳ từ RTU và trạm phụ.

16 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

2.2.3 Phần mềm trong hệ SCADA

Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại, độc quyền hoặc mở. Công ty phát triển phần mềm độc quyền để giao tiếp với phần cứng của họ. Các hệ thống này được bán dưới dạng giải pháp quan trọng. Vấn đề chính với hệ thống này là sự phụ thuộc quá lớn vào nhà cung cấp hệ thống. Các hệ thống phần mềm mở đã trở nên phổ biến vì khả năng tương tác họ mang đến hệ thống. Khả năng tương tác là khả năng pha trộn khác nhau nhà sản xuất thiết bị trên cùng một hệ thống.

Citect và WonderWare chỉ là hai trong số các gói phần mềm mở có sẵn trong thị trường cho các hệ thống SCADA. Một số gói hiện bao gồm quản lý cơ cấu tích hợp trong hệ thống SCADA.

Các tính năng chính của phần mềm SCADA là:  Giao diện người dùng.

 Đồ họa hiển thị.  Báo động.  Xu hướng.

 Giao diện RTU (và PLC).  Khả năng mở rộng.

 Truy cập dữ liệu.  Cơ sở dữ liệu.  Mạng.

 Dung sai và dự phòng lỗi.

 Xử lý phân tán máy khách, máy chủ.

2.2.4 Ứng dụng của hệ SCADA

Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các ứng dụng điều khiển có thể được phân chia thành ba loại sau:

 Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control).

 Điều khiển điều chỉnh (regulatory control).

 Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA).

Các hệ thống điều khiển được xây dựng trong thực tế phải đáp ứng yêu cầu của quá trình sản xuất hay thiết bị sử dụng nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu của về cả ba loại ứng dụng điều khiển nêu trên. Có hai cách để thực hiện các ứng dụng:

17 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

 Thực hiện mỗi ứng dụng này bằng một hệ thống riêng biệt. Theo đó ứng dụng

điều khiển logic sẽ được thực hiện bằng các PLC. Ứng dụng điều khiển điều chỉnh sẽ được thực hiện bởi các controller. Ứng dụng SCADA sẽ được thực hiện bởi một hệ SCADA riêng biệt. Nhiều nhà máy cỡ nhỏ và vừa đã được xây dựng theo cách thức này.

 Sử dụng một hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp thực hiện cả ba ứng dụng này. Mỗi một ứng dụng sẽ như một chức năng của hệ thống điều khiển. Các hệ thống điều khiển sản xuất hiện đại đều được xây dựng theo cách này. Người ta gọi hệ thống như vậy là “Hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp (Integrated Control and Monitoring System – ICMS)”.

2.3 Truyền thông Profinet của PLC S7-1200 2.3.1 Giới thiệu chung 2.3.1 Giới thiệu chung

CPU S7-1200 có một cổng PROFINET được tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP [2]. Các giao thức ứng dụng sau đây được hỗ trợ bởi CPU S7-1200:

 Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol – TCP).  ISO trên TCP (RFC 1006).

CPU S7-1200 có thể giao tiếp với các CPU S7-1200 khác, với thiết bị lập trình STEP 7 Basic, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của Siemens bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn. Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET:

 Kết nối trực tiếp: sử dụng kết nối trực tiếp khi ta đang sử dụng một thiết bị lập trình, HMI hay một CPU khác được kết nối đến một CPU riêng lẻ.

 Kết nối mạng: sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với hơn hai thiết bị (ví dụ các CPU, HMI, các thiết bị lập trình, và các thiết bị không phải của Siemens).

Một bộ chuyển mạch Ethernet là không cần thiết đối với một kết nối trực tiếp giữa một thiết bị lập trình hay HMI với một CPU. Bộ chuyển mạch Ethernet chỉ được yêu cầu cho một mạng với nhiều hơn 2 CPU hay các thiết bị HMI. Bộ chuyển mạch Ethernet 4 cổng CSM1277 của Siemens có thể được dùng để kết nối các CPU và các

18 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

thiết bị HMI. Cổng PROFINET trên CPU S7-1200 không chứa một thiết bị chuyển mạch Ethernet.

2.3.2 Truyền thông với thiết bị lập trình

2.3.2.1 Thành lập kết nối truyền thông phần cứng

Các giao diện PROFINET thành lập các kết nối vật lý giữa một thiết bị lập trình và một CPU. Bởi vì chức năng Auto-Cross-Over được tích hợp bên trong CPU, một cáp Ethernet tiêu chuẩn hoặc xuyên chéo có thể được sử dụng cho giao diện. Một bộ chuyển mạch Ethernet không được yêu cầu để kết nối một thiết bị lập trình một cách trực tiếp đến một CPU.

Thực hiện theo các bước sau đây để tạo ra kết nối phần cứng giữa thiết bị lập trình và một CPU:

1. Lắp đặt CPU.

2. Cắm cáp Ethernet vào trong cổng PROFINET được thể hiện dưới đây. 3. Kết nối cáp Ethernet đến thiết bị lập trình.

Hình 2.13: Cổng Profinet.

2.3.2.2 Gán các địa chỉ IP (Internet Protocol) 2.3.2.2.1 Gán các địa chỉ IP đến thiết bị lập trình

Gán giá trị hay kiểm tra địa chỉ IP của thiết bị lập trình với các lựa chọn trình đơn sau đây:

 (Nhấp chuột phải) “My Network Places”.  “Properties”.

19 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

 (Nhấp chuột phải) “Local Area Connection”.

Trong hộp thoại “Local Area Connection Properties”, trong trường “This connection uses the following items”, cuộn chuột xuống đến “Internet Protocol (TCP/IP)”. Nhấp vào “Internet Protocol (TCP/IP)”, và nhấp vào nút “Properties”. Lựa chọn “Obtain an IP address automatically (DHCP)” hay “Use the following IP address” (để nhập vào một địa chỉ IP tĩnh).

2.3.2.2.2 Gán các địa chỉ IP đến CPU

Ta có thể gán một địa chỉ IP cho một thiết bị trong mạng một cách trực tuyến. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc cấu hình thiết bị ban đầu. Sử dụng thủ tục sau đây để gán một địa chỉ IP theo cách trực tuyến:

1. Trong “Project tree” (Hình 2.14), kiểm chứng rằng không có địa chỉ IP nào được gán đến CPU, với các lựa chọn trong trình đơn sau đây:

 “Online access”.

 <Mạch giao tiếp dành cho mạng mà thiết bị được đặt trong đó>.  “Updates accessible devices”.

Hình 2.14: Project tree.

Trong “Project tree” (Hình 2.14), thực hiện các lựa chọn trong trình đơn sau đây:  “Online access”.

 <Mạch giao tiếp dành cho mạng mà thiết bị được đặt trong đó>.  “Updates accessible devices”.

 <địa chỉ thiết bị>.  “Online & diagnostics”.

20 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Trong hộp thoại “Online & diagnostics” (Hình 2.15), thực hiện các lựa chọn trong trình đơn sau đây:

 “Function”.

 “Assign IP address”.

Hình 2.15: Hộp thoại “Online & diagnostics”. 2. Trong trường “IP address” (Hình 2.16) nhập địa chỉ IP mới.

Hình 2.16: Trường “IP address".

3. Trong “Project tree” (Hình 2.14), kiểm nghiệm rằng địa chỉ IP mới đã được gán đến CPU, với các lựa chọn trình đơn sau đây:

 “Online access”.

 <Adapter for the network in which the device is located>.  “Update accessible devices”.

21 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Sau khi hoàn tất sự cấu hình, ta tải xuống project vào CPU (Hình 2.17). Tất cả các địa chỉ IP được cấu hình khi ta tải xuống project.

Hình 2.17: Tải project vào CPU.

2.3.3 Giao tiếp HMI & PLC S7-1200

Trong cổng “Devices and Networks”, sử dụng “Network view” để tạo ra các kết nối mạng giữa các thiết bị trong project. Để tạo ra kết nối mạng, lựa chọn hộp màu xanh lá (Ethernet) trên CPU. Kéo một đường đến hộp Ethernet trên thiết bị HMI. Thả chuột và kết nối Ethernet đã được nối.

22 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Bảng 2.1: Thao tác kết nối PLC với HMI.

Thao tác KẾT QUẢ

Lựa chọn “Network view” để hiển thị các thiết bị dùng để kết nối.

Lựa chọn cổng trên một thiết bị và kéo kết nối đến cổng trên thiết bị thứ hai.

23 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM Chương 3: KẾT NỐI PHẦN CỨNG 3.1 Lựa chọn thiết bị  PLC S7-1200 (hình 3.1): PLC s7-1200 CPU 1215c dc/dc/dc mã 215-1AG40- 0XB0. Có 2 analog input và 2 analog output bên cạnh đó là 14 digital input và 10 digital output.

Hình 3.1: PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC

 Biến tầnSiemens Inverter Drive, 3-Phase In, 0-550Hz, Out 4 kW, 400 V ac SINAMICS V20, IP20 (Hình 3.2):

Hình 3.2: Biến tần Sinamics V20 6SL3210-5BE24-0CV0.

 Relay điện từ Omron LY2N-J (24V A/C Coil) 10A Cube Relay with Socket Base PTF08A (Hình 3.3):

24 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Hình 3.3: Relay Omron LY2N-J.

 Động cơ 3 pha xk Italya 0.75kW, 1Hp, 1400 rpm (Hình 3.4):

Hình 3.4: Động cơ 3 pha xk Italya.

 Cảm biến tiệm cận omron E2B-S08KS01-WP-B1 2M (Hình 3.5):

Hình 3.5:Cảm biến tiệm cận Omron.

Mã sp: E2B-S08KS01-WP-B1 2M. Chủng loại: Cảm biến tiệm cận. Hình dáng: Hình tròn.

Kích thước: Ф8. K/C phát hiện: 1.5mm

25 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Nguồn cấp: 10-30VDC. Ngõ ra: PNP/ NO.

 Cảm biến laser đo khoảng cách omron ZX1-LD50A66 0.5M (Hình 3.6): Độ phân giải: 2mm.

Khoảng cách đo: 0.5m. Nguồn cấp: 0-30VDC. Ngõ ra: 0-10VDC.

Hình 3.6: Động cơ 3 pha xk Italya.

3.2 Sơ đồ mạch động lực

Với các cơ cấu đã nêu ra ở phần 2.1.2, nhóm đã tìm hiểu và thiết kế mạch động lực như sau:

26 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Hình 3.7: Mạch động lực xilanh ép nhiệt, xilanh cắt.

Cơ cấu ép nhiệt và cắt được hoạt động bởi xilanh khí nén tác động đơn thông qua van điện từ 3/2 được điều khiển lần lượt bởi các relay K1, K2 (hình 3.1).

Hình 3.8: Mạch động lực xilanh ép vai xách, xilanh kẹp.

Cơ cấu ép vai xách và kẹp gắp được hoạt động bởi xilanh khí nén tác động đơn và xilanh thủy lực tác động đơn thông qua van điện từ 3/2 được điều khiển lần lượt bởi các relay K3, K4 (hình 3.2).

27 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

Hình 3.9: Mạch động lực cho hệ con lăn, kẹp gắp, băng tải. Mạch động lực (Hình 3.3) bao gồm:

 CB1: (circuit breaker) dùng đóng ngắt mạch điện.  PP: (protect pulse) dùng để bảo vệ pha cho mạch.  IVT: (inveter) biến tần điều khiển động cơ M1.

 K5, K6 K7: là các relay K5, K6, K7 dùng để điều khiển M2, M3.