4. Xõy dựng hệ SCADA trờn cơ sở bộ điều khiển đa năng
4.3. Xõy dựng phần mềm SCADA
ỉ Lựa chọn cụng nghệ xõy dựng phần mềm
Hiện nay cỏc phần mềm web-base rất phổ biến và là xu hướng phỏt triển trong tương lai, khụng chỉ trong cỏc ứng dụng thụng thường mà cả trong cỏc ứng dụng tự động
hoỏ. Ưu điểm của ứng dụng web-base so với cỏc ứng dụng one-tier và multi-tier (xõy dựng khụng trờn nền web) rất nhiều, tuy nhiờn ở đõy chỉ nờu ra một vài ưu điểm
chớnh:
ự Chỉ cần cài đặt trờn một mỏy chủ, cỏc mỏy trạm chỉ cần dựng web-browser
tương thớch rất phổ biến hiện nay (trong khi đú cỏc ứng dụng one-tier và multi- tier phải viết thờm giao diện phớa client).
ự Bảo trỡ, nõng cấp cho toàn hệ thống dễ dàng vỡ chỉ cần thực hiện tại server ự Lập trỡnh tương đối đơn giản so với ứng dụng multi-tier khụng trờn web-base Ngoài ra ứng dụng multi-tier và web-based cú ưu điểm chung (hơn so với one-tier) là xử lý phõn tỏn (một phần được xử lý trờn cỏc mỏy trạm, một phần trờn cỏc mỏy chủ
cấu hỡnh mạnh ) nờn tài nguyờn chung của hệ thống được tăng lờn rất nhiều. Hơn nữa nếu kết hợp với một mạng truyền thụng tốc độ cao thỡ hiệu quả sử dụng tài nguyờn
chung hệ thống và tốc độ xử lý dữ liệu tăng đỏng kể.
Nhược điểm: tốc độ cập nhật dữ liệu khụng cao nếu tốc độ đường truyền thấp, cỏc
trang web-page hiển thị tương đối chậm hơn so với cỏc ứng dụng thụng thường (vỡ
qua nhiều tầng xử lý trung gian). Tuy nhiờn với tốc độ truyền 100Mbps khỏ phổ biến trong mạng LAN và tốc độ của CPU của PC (sử dụng mỏy chủ chuyờn dụng sẽ cú tốc
độ cao hơn nhiều) ngày càng tăng nhanh cựng với cỏc kỹ thuật mới được ỏp dụng trờn
web thỡ cỏc nhược điểm này ngày càng giảm. Nếu chạy web-browser ngay trờn mỏy
chủ thỡ tốc độ cú thể nhanh hơn vỡ khụng mất thời gian truyền dữ liệu qua mạng. Căn cứ cỏc phõn tớch trờn, nhúm thực hiện quyết định phỏt triển phần mềm SCADA
trờn nền web với ngụn ngữ lập trỡnh sử dụng là JavaScript và cơ sở dữ liệu MySQL. ... FID1 FID2 FID3 FID1 FIDxx FID2 FID3 ...
FID1 FID2 FID3 FID1 FID2 FIDxx FID3 ...
... FID1 FID1 FID1 FIDxx ... LUỒNG 1
LUỒNG 2
LUỒNG 3
t
ỉ Cấu trỳc phần mềm SCADA
Đề tài đặt ra mục tiờu nghiờn cứu thiết kế chế tạo được bộ điều khiển đa năng cú khả
năng ứng dụng trong cụng nghiệp, tức cú thể ỏp dụng cho nhiều bài toỏn tự động hoỏ khỏc nhau nờn phần mềm SCADA cần phỏt triển theo hướng là một phần mềm nền, cú tớnh tổng quỏt và tương đối độc lập với ứng dụng cụ thể. Để cú được cấu trỳc đảm bảo tớnh độc lập cao chỳng tụi đó tham khảo cỏc phần mềm nền SCADA WinCC,
Intouch để thiết kế. Phần mềm nền WinCC bao gồm nhiều process như Tag Logging, Alarm Logging, Global Script, Report System,....Cỏc process trao đổi dữ liệu với
nhau thụng qua cơ sở dữ liệu (Sybase SQL Anywhere-WinCC V5, Microsoft SQL Server-WinCC V6), do đú hiệu quả hiển thị cao (cú thể vừa làm bỏo cỏo, vừa xem được giỏ trị online). Tuy nhiờn trong WinCC cũn cú hạn chế, vớ dụ : cỏc actions nằm
trong một process là Global Script, nhưng thực hiện tuần tự cỏc actions chứ khụng đa luồng nờn khi một action bị treo thỡ cỏc action sau đú cũng khụng được thực hiện. Trờn Hỡnh 69 thể hiện cấu trỳc phần mềm tự xõy dựng. Cơ sở dữ liệu và phần mềm HMI được xõy dựng trờn cơ sở đỏp ứng cỏc chức năng chung của cỏc hệ thống tự động hoỏ (tham khảo WinCC) và cú thể ỏp dụng cho hầu hết cỏc ứng dụng. Phần
khỏc biệt giữa cỏc ứng dụng khỏc nhau là module Master_Comm vỡ module này phụ
thuộc hoàn toàn vào giao thức truyền thụng. Như vậy với mụ hỡnh mạng truyền thụng khỏc theo giao thức khỏc thỡ chỉ cần xõy dựng lại module này mà thụi.
Ưu điểm của cấu trỳc này là: cú khả năng dựng lại cao, mở rộng dễ dàng, ớt phụ thuộc
vào phần truyền thụng.
Nhược điểm: phương phỏp truy cập thụng qua cơ sở dữ liệu sẽ chậm hơn truy cập
biến trực tiếp trong cựng process hoặc cỏc vựng nhớ khỏc. Tuy nhiờn thụng thường chậm đỏng kể chỉ khi truy vấn bảng cú số bản ghi lớn (đặc biệt khi lập bỏo cỏo tống kờ) . Chỳng tụi đó cú cỏc giải phỏp giảm thiếu hạn chế này bằng cỏc biện phỏp như: phõn chia cỏc bảng hợp lý (bảng lớn chỉ là bảng lưu trữ lõu dài – archive, cũn bảng phục vụ hiển thị online lại rất bộ nờn tốc độ truy cập nhanh); phõn mảnh cỏc bảng;
backup và xoỏ bớt cỏc dữ liệu đó bạk-up; mở cỏc kờnh liờn tục với cơ sở dữ liệu; lập trỡnh đa luồng (luồng tạo bỏo cỏo, truy vấn bảng dữ liệu lớn để một luồng riờng, phần giỏm sỏt online để luồng riờng) làm cho cỏc luồng ớt ảnh hưởng đến nhau; phõn mức ưu tiờn cho cỏc tiến trỡnh: vớ dụ đặt tiến trỡnh lập bỏo cỏo ở mức ưu tiờn thấp hơn tiến
trỡnh hiển thị cỏc thụng số online (vỡ theo dừi online cần thiết hơn trong hệ thống tự
động hoỏ); dựng phương thức cập nhật dữ liệu arsynchronous của hệ quản trị cơ sở dữ
liệu để tiết kiệm tài nguyờn; tận dụng thế mạnh đặc biệt của cơ sở dữ liệu là cho phộp xõy dựng cỏc store-procedure được hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự thực hiện. Tất cả cỏc biện phỏp trờn đó giảm thiểu đỏng kể tiờu tốn tài nguyờn CPU mà ứng dụng sử dụng và đó được thử trờn cơ sở dữ liệu >1 triệu bản ghi. Kết quả thử với 120 tag online, lưu trữ liờn tục vào cơ sở dữ liệu chu kỳ 1s/lần, tiờu tốn trung bỡnh khoảng 5% tài nguyờn CPU mỏy chủ.
Hỡnh 69 Cấu trỳc phần mềm trờn PC
ỉ Xõy dựng cỏc chức năng phần mềm
Việc phõn chia màn hỡnh và cấu trỳc cỏc giao diện của chương trỡnh SCADA được
thực hiện trờn cơ sở tham khảo hệ PCS7 của hàng Siemens. Cỏc màn hỡnh giao diện chia làm 4 vựng chớnh (Hỡnh 70)
ự Vựng 1: bao gồm cỏc thụng tin chung về hệ thống như: logo, tiờu đề hệ thống, thời gian và một số trạng thỏi chung của hệ thống như mode, alarm, intlock,.... ự Vựng 2: là vựng chớnh, thay đổi nội dung khi bấm cỏc phớm chức năng. Khi bắt
đầu vào chương trỡnh thỡ màn hỡnh ngầm định là màn hỡnh cụng nghệ chớnh
của hệ thống tự động hoỏ. ự Vựng 3: bao gồm cỏc nỳt menu
ự Vựng 4: thể hiện dũng thụng bỏo cảnh bỏo/bỏo động gần nhất và nỳt xỏc nhận bỏo động (acknowlege alarm)
Để ỏp dụng vào một ứng dụng cụ thể chỳng tụi chọn hệ thống tự động hoỏ xử lý nước
cụng nghệ cho nhà mỏy bia tại Cụng ty CP Bia Hà Nội - Hải Dương vỡ cú cỏc khõu
điều khiển cú thể dựng bộ điều khiển đa năng, hệ thống tự động hoỏ cú quy mụ và
tớnh chất phự hợp để ỏp dụng bộ điều khiển đa năng (quy mụ tương đối nhỏ và cú cỏc cụng đoạn cú thể điều khiển tương đối độc lập) đồng thời là nơi chỳng tụi tiến hành
thử nghiệm sản phẩm đề tài.
Chức năng giỏm sỏt
Chức năng giỏm sỏt bao gồm hiển thị và cảnh bỏo tự động đối với cỏc thụng số cụng nghệ, tỡnh trạng thiết bị. Những thụng số cụng nghệ là pH, độ dẫn và cỏc khống chế mức, khống chế ỏp suất cao ; cỏc thiết bị chấp hành là mỏy bơm cỏc loại, mỏy khuấy, quạt, valve khớ nộn . PC-MASTER HMI (VB, VC,.NET, Web,... ) Master_Comm Ethernet Card DATABASE
Hỡnh 70 Màn hỡnh giao diện chớnh hiển thị cỏc thụng số cụng nghệ
Phần mềm SCADA trờn PC cung cấp đầy đủ nhất cỏc chức năng hiển thị và cảnh bỏo (alarm). Tất cả sơ đồ cụng nghệ được thể hiện trờn PC, trờn sơ đồ này người vận hành sẽ bao quỏt được toàn bộ dõy chuyền cụng nghệ như: đường nước chảy qua cỏc valve và tank, vị trớ thiết bị, tỡnh trạng thiết bị, thụng số cụng nghệ, diễn biến quỏ trỡnh cụng nghệ.
Những thụng số pH, độ dẫn được hiển thị dưới 2 dạng nhằm mục đớch tạo điều kiện
thuận lợi cho người vận hành trong việc giỏm sỏt :
ự Dạng ụ số (text-box): đặt trực tiếp trờn sơ đồ cụng nghệ, thể hiện giỏ trị tức
thời.
ự Dạng đồ thị trực tuyến (online-trend): thể hiện sự biến thiờn thụng số theo thời gian.(Hỡnh 71)
Hỡnh 71 Đồ thị online
Trạng thỏi thiết bị được thể hiện dưới 2 dạng:
ự Dạng ụ chữ đặt trong một bảng: ON, OFF tương ứng trạng thỏi "làm việc",
"dừng mỏy".
ự Dạng màu sắc của đối tượng trờn sơ đồ cụng nghệ: xanh, xỏm tương ứng trạng thỏi "làm việc", "dừng mỏy".
Đường nước chảy được thể hiện bằng màu sắc:
ự Màu xanh là cú nước chảy qua, màu xỏm là khụng Cảnh bỏo trờn PC được thể hiện bằng 2 cỏch:
ự Bằng màu sắc (màu đỏ) tại nơi xảy ra cảnh bỏo: khi cỏc thụng số vượt ngưỡng hoặc sự cố thiết bị .
ự Bằng bảng thống kờ: trờn bảng cú nhiều thụng tin chi tiết hơn phương phỏp thể hiện núi trờn, trong đú chỉ rừ địa điểm xảy ra cảnh bỏo, hướng dẫn xử lý sự cố, dự đoỏn nguyờn nhõn sự cố.(Hỡnh 72)
Hỡnh 72 Hiển thị cỏc cảnh bỏo
Chức năng lưu trữ
Chức năng này thực hiện thu thập, ghi lại, thống kờ, bảo quản cỏc thụng tin đó diễn ra của quỏ trỡnh cụng nghệ, cần thiết cho cỏc chuyờn gia cụng nghệ, kỹ thuật và cỏc nhà quản lý trong việc điều chỉnh hoạt động của hệ thống để đạt chế độ làm việc tối ưu;
phỏt hiện, dự bỏo sự cố; bảo trỡ, thay thế kịp thời mỏy múc thiết bị; điều hành sản xuất và tớnh toỏn hiệu quả kinh tế.
Cỏc thụng số cụng nghệ được lưu trữ theo chu kỳ thời gian đặt trước (Hỡnh 73). Cỏc
bài lưu sẽ được kớch hoạt theo yờu cầu sử dụng (Hỡnh 74). Cỏc alarm được lưu một
lần tại thời điểm xuất hiện. Những thụng tin cần lưu trữ là: ự Giỏ trị thụng số pH ,độ dẫn.
ự Tất cả cỏc sự cố đó xảy ra. ự Cấu hỡnh hệ thống tự động hoỏ .
Hỡnh 73 Đặt chu kỳ lưu trữ
Chức năng kết xuất bỏo cỏo
Lập bỏo cỏo thống kờ được thực hiện trờn mỏy tớnh PC. làm bỏo cỏo thống kờ theo
nhiều tiờu chớ khỏc nhau:(Hỡnh 75) ự Thống kờ theo tờn thụng số. ự Thống kờ theo thời gian. ự Thống kờ theo sự cố. Dạng thể hiện bỏo cỏo gồm cú:
ự Bảng biểu. ự Đồ thị.
Hỡnh 75 Chức năng lập bỏo cỏo theo nhiều tiờu chớ
Chức năng cấu hỡnh cấu trỳc cho bộ điều khiển
Cỏc hàm đó dựng sẵn trong bộ điều khiển sẽ được kết nối với nhau bởi cỏc switch hai hoặc nhiều vị trớ để tạo ra một chương trỡnh điều khiển phự hợp với yờu cầu cụng
nghệ cụ thể. Cấu trỳc này sẽ được lưu trữ trờn PC và nạp xuống bộ điều khiển từ xa qua mạng Ethernet hoặc trực tiếp trờn bàn phớm của bộ điều khiển. Vỡ kớch thước màn hỡnh bị hạn chế nờn sơ đồ cấu trỳc được phõn làm 03 mảnh (Hỡnh 76, Hỡnh 77, Hỡnh 78). Tối đa mỗi bộ điều khiển cho phộp thực hiện 04 hàm PID cựng một lỳc.
Hỡnh 76 Cấu hỡnh cấu trỳc điều khiển - 1
Hỡnh 78 Cấu hỡnh cấu trỳc điều khiển - 3
Chức năng đặt tham số cho bộ điều khiển thực hiện cài cỏc tham số liờn quan tới cỏc vũng điều khiển close-loop, như cỏc tham số P,I,D, setpoint, chu kỳ lấy mẫu, tần số
lọc,...(Hỡnh 79 ). Cỏc tham số này sẽ được lưu trữ trờn PC và nạp xuống bộ điều khiển từ xa qua mạng Ethernet hoặc trực tiếp trờn bàn phớm của bộ điều khiển
Chức năng hiển thị online cỏc IO
Chức năng này hiển thị tất cả cỏc giỏ trị hiện thời của cỏc IO của mỗi bộ điều khiển trong hệ thống (Hỡnh 80)
Chương 3 - THỬ NGHIỆM