Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa MỞ ĐẦU Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể thiếu được trong một hệ thống tự động hoá hiện đại. Từ những năm gần đây, sự tiến bộ trong lónh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mền đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới. Chưa bao giờ, việc tạo dựng các ứng dụng SCADA lại đơn giản như bây giờ. Nếu như trước đây, ngành điện cần phải có những panel điều khiển bằng cả một bức tường với chi chít những đèn báo, công tắc, đồng hồ và vài người đứng xem xét, theo dõi mạng lưới cung cấp điện: nơi non tải, hay những sự cố đứt dây, chập mạch thì nay với giải pháp dùng hệ SCADA, ta chỉ dùng tay tác động vào “chuột” thì các thông số ở vùng nào muốn theo dõi sẽ hiện lên.Việc điều điện áp, cắt tải hay mở rộng cửa xả nước để tăng công suất phát điện đó còn được truyền đến các nhà máy phát điện khác để cùng tham gia hòa điện lên trên mạng lưới điện quốc gia.Với sự tiến bộ như vậy, em đã chọn đề tài này để củng cố nhiều kiến thức. Và từ đó có nhiều khả năng để xây dựng nên các giải pháp SCADA mà trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp này trong thời điểm hiện nay là dùng công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống.Vì vậy trong đề tài về phần mềm em chọn phần mềm SCADA là WinCC. Còn các thiết bò bao gồm các bộ đo điện năng là Mach 30, PLC S7-300 CPU 314IFM, PLC S7-200 CPU 226, các contactor, các relay, và tải là các bóng đèn và động cơ không đồng bộ ba pha. Trừ động cơ ra tất cả các thiết bò trên được gắn trên panel. Và với nhiệm vụ của đề tài là tìm hiểu về WinCC, Simatic S7- 200/300, chuẩn truyền thông Modbus, chuẩn truyền thông Ducati (hỗ trợ cho việc truyền thông giữa máy tính với Mach 30), thiết kế hệ SCADA- giám sát và thu thập số liệu điện năng. Nên trong luận văn này ở chương một em giới thiệu về SCADA và HMI. Và vì hệ thống SCADA một phần phát triển trên cơ sở của sự phát triển mạng máy tính và truyền thông công nghiệp nên em giới thiệu khái quát về mạng công nghiệp ở chương hai. Và trong chương ba giới thiệu về PLC S7-200, PLC S7-300. Thêm vào đó trong chương bốn giới thiệu về Mach 30. Cuối cùng trong chương năm giới thiệu về WinCC. Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên trong luận văn này không trách khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy cô và độc giả nhiệt tình bỏ qua. Tp.HCM, ngày 12/1/2002 Sinh viên thực hiện Lưu Văn Khoa Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa MỤC LỤC Trang Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI 1 I Khái niệm về SCADA và HMI 1 II Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA 3 III Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA 4 IV Phân loại hệ thống SCADA 5 V Tiêu chuẩn đánh giá 6 VI SCADA lên WEB 9 VII Nhìn về tương lai 9 Chương 2 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 11 I Khái niệm 11 1 Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp 11 2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN 12 II Cơ sở kỹ thuật 16 1 Khái niệm về thời gian thực 16 2 Kiến trúc giao thức 17 3 Chuẩn truyền dẫn 35 III Modbus 43 1 Cơ chế giao tiếp 44 2 Chế độ truyền dẫn 46 3 Cấu trúc bức điện 47 4 Bảo toàn dữ liệu 51 5 Modbus Plus 52 IV Lập trình cổng COM(RS-485) 53 V Cáp chuyển đổi RS-232/485 58 Chương 3 PLC 61 A.Giới thiệu VỀ PLC 61 I Khái niệm về PLC 61 II Đặc điểm bộ điều khiển lập trình 61 III Cấu trúc 65 IV Cổng truyền thông 66 V Ưu nhược điểm của PLC 67 VI Một vài lónh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 68 B.PLC SIEMENS S7-200 70 I Giới thiệu 70 II Bộ nhớ 70 III Tập lệnh PLC S7-200 72 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa IV Bảng sự kiện ngắt và thứ tự ưu tiên 76 V Vùng nhớ đặc biệt 77 VI Giới thiệu về SIEMENS SIMATIC S7-200 (CPU 226) 78 C.PLC Siemems S7-300 80 I Thiết bò điều khiển logic khả trình 80 II Ngôn ngữ lập trình 87 III Tổ chức bộ nhớ CPU 88 IV Giới thiệu về CPU 314IFM 90 Chương IV MACH 30 98 I Giới thiệu 98 1 Các tính năng của MACH 30 99 2 Các thông số của MACH 30 99 3 Công suất trung bình 99 4 Hệ số dạng THDF 99 5 Các giá trò đo được hiển thò sẵn 100 6 Mạng nối kết các thiết bò và máy tính 101 7 Ứng dụng 102 II Cách sử dụng MACH 30 102 1 Các menu và các phím chức năng 102 2 Cách kết nối nguồn cung cấp 103 3 Cách kết nối MACH 30 với tải 103 4 Cogeneration 104 5 Hai ngõ vào analog 105 6 Bốn ngõ ra cực thu hở 106 7 Các thông số trong menu đặt cấu hình 107 III Giao thức truyền thông của Ducati 108 1 Giới thiệu 108 2 Ứng dụng 108 3 Diễn tả 108 4 Frame yêu cầu dữ liệu 111 5 Những frame lệnh 119 Chương 5 SIMATIC WINCC CONTROL CENTER 124 A.Giới thiệu 124 I Control Center trong hệ thống WinCC 124 II Project 133 B.Cách lập trình WinCC 136 I Khái niệm 136 1 Cấu trúc 136 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa 2 Giao diện của WinCC 136 II Cách lập trình 138 1 Khái niệm về tag của WinCC 138 2 Driver của WinCC 139 3 Tạo picture 139 4 Cách tạo thư viện liên kết động 140 5 Sử dụng tập tin liên kết động 143 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa BÁO CÁO KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 1.Kết quả thi công Thu thập tốt dữ liệu từ các bộ đo Mach 30 về máy tính thông qua bộ chuyển đổi RS-232/485 và phần mềm WinCC và đồng thời từ máy tính thông qua phần mềm này đã điều khiển được các ngõ ra của Mach 30 Vì WinCC có hỗ trợ Driver cho PLC S7-300 nên việc kết nối giữa máy tính với S7-300 CPU 314IFM rất dễ dàng nên em đă kết nối thành công trong việc đọc dữ liệu cũng như điều khiển . Còn S7-200 thì WinCC không hỗ trợ nên em viết chương trình con riêng và viết theo frame truyền của Ducati cho PLC S7-200 và WinCC. Kết quả đã kết nối thành công WinCC có hỗ trợ trong việc lưu trữ xử lý dữ liệu (ví dụ như các giá trò đo và các thông tin báo động)và nên em đã tìm hiểu được các thức mà WinCC lưu dữ liệu và có thể đọc các dữ liệu mà WinCC thu thập được từ Mach 30 cũng như PLC S7-220 và S7-300 từ các phần mềm khác như Excel, Access, ISQL…Và em đã thực hiện trên các phần mềm này thành công trong việc đọc và xử lý dữ liệu đó Cụ thể: Đây là hình chụp panel: Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa Kết quả thu thập được từ Mach30 các giá trò:tần số, điện áp tương đương ba pha, áp dây 1-2, áp dây 2-3, áp dây 3-1: Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa Đồ thò U12(t),U23(t),U31(t): Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa 2.Hướng phát triển của đề tài Đề tài này một phần khẳng đònh tính năng mở, độ linh hoạt trong hệ thống SCADA tức là có thể dùng mạng truyền thông dựa theo giao thức Modbus và chuẩn RS-485 này có thể ghép nối nhiều thiết bò (có hỗ trợ giao thức và chuẩn này) thuộc các hãng khác nhau. Hơn nữa với sự hỗ trợ mạnh về cơ sở dữ liệu của như khả năng tích hợp của WinCC nên ta có thể ghép nối với các hệ thống khác và có khả năng mở rộng đến cấp quản lý, chứ không nhất thiết là ở cấp chấp hành và cấp điều khiển. Vì vậy hệ thống SCADA này có khả năng mở rộng và ứng dụng vào nhiều lónh vực như: khu công nghiệp, khách sạn, nhà hàng, bảo tàng, trung tâm thương mại, hệ thống chuyển mạch ATS, hệ thống kho chứa và phân phối xăng dầu,… Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành SVTH: Lưu Văn Khoa TÀI LIỆU THAM KHẢO  WinCC Configuration Manual(Volume1/Volume2) –Edition February 1999 (Siemens)  WinCC Getting Started Manual -Edition August 1997 (Siemens)  Tự động hoá với SIMATIC S7-300 (Nguyễn Đoãn Phước-Phan Xuân Minh-Vũ Văn Hà )  Tự động hoá với SIMATIC S7-200 (Nguyễn Đoãn Phước-Phan Xuân Minh)  Tạp chí Tự Động Hoá Ngày Nay(Automation Today)  Mạng Truyền Thông Công Nghiệp (Hoàng Minh Sơn)  SIMATIC Loadable Driver for Point-to-Point CPs: MODBUS Protocol, S7 is master/slave manual Edition 2(Siemens)  SIMATIC Data Highway Reference Manual (Siemens)  SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation Manual(Siemens)  SIMATIC S7-300 Programmable Controller Integrated Functions CPU 312 IFM/314 IFM Manual (Siemens)  SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual (Siemens)  Các Kỹ Xảo Lập Trình Với Visual Basic Và Borland Delphi (Lê Hữu Đạt)  Kỹ Thuật Lập Trình C (Phạm Văn t)  Tin Học II (Đặng Thành Tín)  Serial Port Complete (Jan Alexlson)  Kỹ Thuật Ghép Nối Máy Tính (Ngô Diên Tập)  Các Luận Văn Tốt Nghiệp của các khoá trước trong bộ môn ĐKTĐ [...]... thông tin kỹ thu t của hệ thống trên màn hình, cho phép tự động giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tín hiệu điều khiển đến máy SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 3 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức năng giám sát và điều khiển) Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghóa : +Con người theo dõi và điều khiển +Máy tính giám sát và điều khiển... sản xuất, các thông số công nghệ của các máy công tác(dữ liệu tham khảo) Nhờ các bộ phận cảm biến, các thiết bò đo lường mà trong quá trình sản xuất luôn thông báo cho người giám sát biết được các thông tin về tiến trình hoạt động sản xuất, các thông số kỹ thu t ,số lượng sản phẩm Việc giám sát ở đây bao hàm hai ý nghóa: +Máy tính giám sát +Con người giám sát Việc theo dõi giám sát chủ yếu là do máy... phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành thấp 2 .Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (run time) : Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất nhờ các tập tin cấu hình của máy đã được khai báo trước đó Tập tin cấu hình sẽ ghi lại khả năng hoạt động của hệ thống, các giới hạn không gian hoạt động, giới hạn về khả năng, ... biết trước khả năng hoạt động của hệ thống sản xuất mà khi có tín hiệu vượt quá tải hay có vấn đề đột ngột phát sinh, hệ thống sẽ báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp vào hoặc tín hiệu vượt quá mức cho phép hệ thống sẽ lập tức cho máy công tác ngưng hoạt động 3 .Hệ thống SCADA độc lập: Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với một bộ xử lý, thông thường loại hệ thống SCADA này chỉ điều... biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thu t truyền tin số để kết nối các thiết bò thu c cấp điền khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bò ở cấp chấp hành, các thiết bò trường Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Các thiết bò có khả năng nối mạng là các bộ vào / ra phân tán (distributed I/O) , các thiết bò cảm biến... Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau nhưng trên cơ bản chúng được chia làm 4 nhóm với những tính năng cơ bản sau : +SCADA độc lập /SCADA nối mạng SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 5 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành +SCADA không có chức năng đồ hoạ(Blind) /SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực(real time) 1 .Hệ thống SCADA mờ (Blind) : Là hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu thu được bằng... một hoặc hai máy công cụ hay còn gọi là workcell Do khả năng điều khiển ít máy công tác nên hệ thống sản xuất chỉ đáp ứng được cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên được dây chuyền sản xuất lớn 4 .Hệ thống SCADA mạng: Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với nhiều bộ xử lý có nhiều bộ phận giám sát được kết nối với nhau thông qua mạng Hệ thống này cho phép điều khiển phối hợp được nhiều máy... +Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thu t (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các module vào / ra, qua các thiết bò điều khiển khả trình PLC hay các hệ thống bus trường) +Tính năng mở rộng của hệ thống +Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập... tính Các thiết bò này thay thế dần các máy tự động “cứng” Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm nhiều vấn đề phức tạp như: cấu trúc tổ chức, quản lý các phần tử cơ bản trong hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, các vấn đề xã hội mà hệ thống sản xuất gây ra Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phương thức tiên tiến điều khiển hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp và phương... được hiểu với những ý nghóa khác nhau, tuỳ theo lónh vực ứng dụng và theo thời gian Có thể, khi nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng và thiết bò có nhiệm vụ thu n tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về một khu trung tâm để xử lý Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai thác dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu Theo cách hiểu này, vấn đề . giữa máy tính với Mach 30), thiết kế hệ SCADA- giám sát và thu thập số liệu điện năng. Nên trong luận văn này ở chương một em giới thiệu về SCADA và HMI. Và vì hệ thống SCADA một phần phát triển. bộ phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành thấp 2 .Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (run time) : Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng. THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI 1 I Khái niệm về SCADA và HMI 1 II Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA 3 III Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA 4 IV Phân loại hệ thống SCADA 5