Xây dựng cấu trúc cho hệ scada

ix, Linux Windows Hệ thu thập số liệu PLC/Transducer RTU/Transducer PC/IED Giao thức truyền tin Dựa trên giao thức của PLC RS232 RS485 Giá cả Trung bình Cao Khá cao Bảng 4-1: Các cấu trúc SCADA trạm Cấu trúc PC/PLC: Kiểu kiến trúc này sử dụng các PLC để thu thập số liệu trong trạm , sau đó gửi lên PC bằng các giao thức riêng của PLC. Kiểu cấu trúc này phù hợp với nhiều cấu hình trạm khác nhau và có giá cả không cao lắm. Cấu trúc PC/RTU: Kiểu kiến trúc này dựa trên các RTU, các RTU này sẽ thu thập số liệu từ các trạm, như vậy các trạm sẽ được định cấu hình RTU slave, sau đó gửi về máy tính ở trung tâm điều độ. Ngoài ra thông qua các khối ghép nối phần cứng và phần mềm mà các RTU này có thể làm việc được với máy tính của trạm nhằm hỗ trợ cho việc thu thập, hiển thị số liệu cũng như điều khiển trong trạm. Tuy nhiên do giá thành của RTU khá cao nên kiểu kiến trúc này có giá thành cao. Cấu trúc PC/IED: Kiểu cấu trúc này sử dụng PC như là máy chủ, làm việc trực tiếp với các thiết bị điện tử thông minh (IED), các IED có thể là các transmitter số, các rơle số... Các IED này có thể được nối thành mạng dựa trên chuẩn truyền tin RS485. Kiểu kiến trúc này phù hợp với nhiều cấu hình trạm khác nhau. Tuy nhiên do hiện nay giá thành của các thiết bị IED còn khá cao nên kiểu kiến trúc này có giá thành khá cao. Trên cơ sở phân tích các ưu nhược điểm của từng kiểu kiến trúc SCADA trạm tôi quyết định chọn kiểu cấu trúc PC/PLC cho hệ thống vì nó phù hợp cấu hình cụ thể của mỗi trạm tổng đài và mức độ tự động hoá, tính đồng bộ chưa cao. Sau đây là phương án thiết kế cụ thể của tôi trên cơ sở các yêu cầu thực tế của tổng đài. Hình 4-1: Sơ đồ hệ SCADA cho hệ thống nguồn trạm tổng đài Mỗi trạm hoạt động độc lập và được kết nối về trung tâm theo chuẩn TCP/IP được hỗ trợ bởi module truyền thông Ethenet Industry. Đường truyền vật lý cáp quang- mạng vòng được sử dụng nhằm tăng độ tin cậy trong quá trình hoạt động đồng thời đáp ứng được khoảng cách truyền giữa các trạm là tương đối xa( hàng chục km). Tại phòng điều hành trung tâm một một máy tính có trang bị card truyền thông theo chuẩn ethenet được kết nối vào mạng cáp quang thông qua tủ RTU với modul chuyển đổi quang-điện chuẩn vật lý JR45. Máy tính, với giao diện điều khiển,có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, hiển thị, và phân tích các số liệu từ các trạm gửi lên. Máy tính cũng có nhiệm vụ gửi lệnh xuống PLC để thực hiện các lệnh cho phép điều khiển từ xa. Mọi dữ liệu từ các trạm được đều được lưu lại phục vụ các công tác sau này. Một máy in phục vụ việc in ấn các số liệu, đồ thị, các báo cáo cũng như các tài liệu khác. 4.2 . Thiết kế cụ thể phần thiết bị cho mỗi trạm tổng đài. Bộ PLC mỗi trạm đóng vai trò thu thập số liệu đo (số và tương tự) từ các thiết bị trong trạm viễn thông. Các tín hiệu yêu cầu giám sát đều được thu về bởi các module Input của PLC. Dựa vào các tín hiệu đã được kê ở chương 3 ta có thể đưa ra được cấu hình bộ điều khiển có thể đáp ứng được yêu cầu giám sát và điều khiển. Lựa chọn PLC và các module của nó Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại PLC do các hãng khác nhau sản xuất như các PLC của Siemens, Omron, Mitsubisi...Tôi lựa chọn PLC do hãng Siemens sản xuất do nó có các ưu điểm sau: Các PLC do hãng Siemens sản xuất khá phong phú đa dạng về chủng loại nên phù hợp và đáp ứng được tất cả các yêu cầu từ nhỏ đến lớn của việc thiết kế hệ thống. Thiết bị PLC tương đối thông dụng trên thị trường, khá gọn nhẹ dễ dàng cho việc lắp đặt, nâng cấp và bảo dưỡng. Việc cấu hình và lập trình cho PLC tương đối dễ dàngvà thuận tiện nhờ phần mềm STEP 7 chuyên dụng, và các tài kiệu khác đi kèm. Trên cơ sở số tín hiệu vào/ra của trạm ta chọn PLC S7 - 300 có cấu hình các module như sau: Bảng 4-2: Cấu hình của PLC STT Tên Mã số SL Ghi chú 1 Rack 6ES7 390-1xxx0-0AA0 3 Dùng để chứa các module 2 Power Supply PS 307 10A 6ES7 307-1KA00-0AA0 1 Cung cấp nguồn cho PLC 3 CPU 313-C 6ES7 313-5BE00-0AB0 1 Bộ xử lý chương trình 6 SM 321 DI32xDC24V 6ES7 321-1BL80-0AA0 2 Module vào số 7 SM 322 DO32xDC24V/0.5A 6ES7 322-1BL00-0AA0 1 Module ra số 8 SM 331 AI8x12bit 6ES7 331-7KF00-0AB0 4 Module vào Analog 9 CP343 LEAN-1 6GK7343-1EX11-0XE0 1 Module truyền thông ethenet 10 Scalance x100 1 Module quang điện Cáp nối giữa PLC và máy tính: ta có thể dùng card PC1511 với dây cable với đầu nổi theo chuẩn JR45 . - Lựa chọn thiết bị điều khiển lập trình PLC, chúng ta phải lập bảng tính trên cơ sở các số liệu của trạm tại chỗ như đã đề cập tại chương 3. - Lý do mà chúng ta lựa chọn CPU 315-2DP là việc thuận tiện cho truyền thông Ethenet từ trạm phòng điều khiển trung tâm với các trạm điều khiển tại chỗ .Các trạm điều khiển tại chỗ có vai trò tương đương nhau và hoạt động song song, tín hiệu được gửi về máy tính trung tâm với chuẩn truyền thông TCP/IP. Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu yêu cầu cho hệ thống khoảng 3 Kbytes. CPU 315 sử dụng thẻ nhớ chương trình, dữ liệu và có nhiều loại dung lượng khác nhau. Đối với hệ thống này chúng ta chọn thẻ nhớ 128 Kbytes, thì có thể phục vụ được mọi nhu cầu lưu trữ, lập trình điều khiển ... cho toàn hệ thống. - Các module I/O được lựa chọn dựa trên số lượng các đầu vào tín hiệu digital và analog kèm và phần trăm dự phòng cần thiết phục vụ cho việc mở rộng sau này. - Module truyền thông Ethenet CP343-1 Lean: là module được thiết kế cho hoạt động của họ PLC S7-300 hãng Siemens, nó cho phép bộ S7-300 có thể kết nối vào mạng Ethenet công nghiệp. Module cho phép xác định cấu hình sử dụng theo kiểu định địa chỉ IP, địa chỉ cổng truyền thông hoặc subnet mask. - Phần mềm cơ sở cho lập trình giao diện và giám sát điều khiển chúng ta dùng là WinCC – V6.0, thì cấu hình máy tính công nghiệp chúng ta có thể chọn loại: 6AG4011-2CA11-2KX0, có cấu hình: SIMATIC RACK PC IL 43; INTERFACES: 1X GBIT; LAN (RJ45); 1X SERIAL (COM1); PENTIUM 4 551-(3.4 GHZ, 800 MHZ FSB, 1024 GB SLC, HAT, EM64T) ; 120 GBYTE HDD SATA; INTERNAL 512 MBYTE DDR2 SDRAM . Thông thường màn hình điều khiển hiện nay cho điều khiển và giám sát hệ thống chúng ta dùng loại LCD-21 Inch, vừa tiết kiệm năng lượng, lại vừa rộng, thoải mái cho người vận hành. Dựa vào các tín hiệu, và các tính toán trên, Cấu hình cho một bộ PLC tại mỗi trạm chi tiết như sau: Hình 4-2 : Cấu hình bộ PLC cho mỗi trạm Ngoài ra, để đo giá trị các thông số dòng điện và điện áp của các thiết bị trong trạm tổng đài, ta dùng thiết bị Power Meter Series 800 kết hợp với module ghép nối PM8M2222 của hãng Merlin Gerin. Module PM8M2222 có 2 đầu vào số, 2 đầu ra số, 2 đầu vào analog và 2 đầu ra analog là tín hiệu dòng điện một chiều (4-20mA) mang thông tin về các thông số dong điện và điện áp của các thiết bị cần đo. Thiết bị này còn có cổng giao tiếp RS485 hỗ trợ MODBUS dùng để truyền thông với máy tính. Tại mỗi thiết bị cần đo các thông số dòng điện và điện áp trong trạm tổng đài ta đặt một thiết bị Power Meter Series 800. 4.3. ứng dụng phần mềm Simatic step7 lập trình cho mỗi trạm tổng đài 4.3.1 Giới thiệu phần mềm STEP 7 STEP 7 là công cụ chuẩn cho SIMATIC và là phiên bản hoàn chỉnh cho các bộ điều khiển PLC SIMATIC S7-300/400, SIMATIC M7-300/400 và SIMATIC C7. STEP 7 sẽ giúp đỡ chúng ta trong việc thực hiện các nhiệm vụ sau: Điều chỉnh và quản lý dự án. Định dạng và cài đặt thông số tới phần cứng và truyền thông. Quản lý biểu tượng. Tạo chương trình, ví dụ: chương trình điều khiển cho S7. Tải chương trình xuống các bộ điều khiển chương trình. Kiểm tra hệ thống tự động. Chuẩn đoán lỗi thiết bị. STEP 7 cung cấp một loạt các ứng dụng (công cụ): Hình 4.3: Các ứng dụng của STEP 7 SIMATIC Manager – Quản lý SIMATIC SIMATIC Manager quản lý tất cả các dữ liệu và các công cụ cần thiết để xử lý các dữ liệu này. Symbol Editor Với Symbol Editor bạn có thể quản lý tất cả các biểu tượng. Những chức năng có thể sử dụng là: Đặt tên biểu tượng và các chú thích cho các tín hiệu quá trình. Phân loại chức năng. Nhập khẩu/xuất khẩu đi hoặc tới các chương trình Window khác. Bảng biểu tượng được tạo với công cụ này có thể dùng cho tất cả các công cụ khác. Diagnosing Hardware – Chuẩn đoán phần cứng Những chức năng này cung cấp cho bạn sự miêu tả về trạng thái của các bộ điều khiển chương trình. Một sự miêu tả có thể là dấu hiệu để chỉ ra nơi các module bị lỗi hay không. Một sự kích đúp chuột vào module lỗi sẽ hiển thị thông tin cụ thể về lỗi. Phạm vi của thông tin này phụ thuộc vào các module cụ thể: Hiển thị thông tin chung về module và trạng thái của chúng Hiển thị module lỗi (ví dụ kênh lỗi) cho các trung tâm vào/ra và các DP khách. Hiển thị các tin nhắn từ bộ đệm chuẩn đoán. Với các CPU thì các thông tin thêm sau sẽ được hiển thị: Nguyên nhân của lỗi trong chương trình của người sử dụng. Hiển thị chu kỳ thời gian. Khả năng giao tiếp MPI và tải. Hiển thị sự thi hành dữ liệu (số lượng đầu vào/ra có thể thực hiện, bit nhớ, bộ đếm, bộ định thời gian, và khối). Programming languages – Ngôn ngữ chương trình Ngôn ngữ chương trình cho S7 -300 và S7-400 là LAD (Ladder Logic), STL (Statement List), FBD (Function Block Diagram). Ngôn ngữ "hình thang", ký hiệu là LAD. Đây là dạng ngôn ngữ thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic. Soạn thảo chương trình trong LAD giống như kết nối một sơ đồ thang rơle logic. Ngôn ngữ "liệt kê lệnh", ký hiệu là STL. Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung "tên lệnh" + "toán hạng". Nếu một chương trình được viết bởi STL thì các chỉ thị riêng lẻ sẽ tương ứng với các bước mà CPU sẽ thực hiện trong chương trình. Ngôn ngữ "hình khối", ký hiệu là FBD, nó sử dụng các hộp logic thân thiện từ đại số logic Boolean để thể hiện logic. Đây là kiểu ngôn ngữ đồ hoạ dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số. Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng STL nhưng ngược lại thì không. Trong STL có nhiều lệnh không có trong LAD hay FBD. Hardware Configuration – Cấu hình phần cứng Bạn có thể sử dụng công cụ này để cấu hình và ấn định thông số cho phần cứng của một dự án. Cụ thể: Cấu hình bộ điều khiển chương trình, bạn lựa chọn các rack từ danh sách và sắp xếp các module được lựa chọn vào trong các slot yêu cầu của các rack đó. Cấu hình phân phối đầu vào/ra. Thực hiện việc ấn định thông số tới CPU, bạn có thể tạo ra thuộc tính, ví dụ như chu kỳ thời gian kiểm tra bởi menu. Thực hiện việc ấn định thông số tới các module bằng cách sử dụng hộp đối thoại. Netpro (Network Configuration) – Cấu hình mạng Bằng cách sử dụng cấu hình mạng dữ liệu sẽ được di chuyển thông qua MPI nếu bạn: Lựa chọn nút kết nối. Ghi nguồn dữ liệu và nguồn mục tiêu vào một bảng, tất cả các khối sẽ được phát ra một cách tự động và tải hoàn toàn xuống CPU một cách tự động. 4.3.2 Đặt cấu hình phần cứng cho toàn hệ thống Đầu tiên ta khởi động SIMATIC Manager, sau đó ta tạo một dự án (project) mới bằng cách kích chuột vào File -> New rồi chọn đường dẫn và đặt tên cho dự án (Ví dụ: Đồ án). Để tạo một cấu hình trạm SIMATIC 300 ta kích chuột phải vào tên dự án rồi chọn Insert New Object -> SIMATIC 300 Station như hình sau: Hình 4.4: Cấu hình các trạm trong step7 Hình 4.5: Cấu hình mạng Cấu hình mạng có thể thể được thiết lập trên step-Netpro (Network Configuration) là điều kiện để khẳng định cấu hình đưa ra từ đầu chương là đúng đắn và hoàn toàn có thể thực hiện được trên hệ thống thiết bị của siemens. Dựa vào phần cứng đã được xác định tâ có thể cấu hình phần cứng cho mỗi trạm trong hardware như sau. Hình 4.6: Cấu hình phần cứng từng trạm - Tạo file symbols theo các địa chỉ của cấu hình phần cứng ứng với các biến đầu vào quá trình cũng như các lệnh điều khiển và các biến analog được trình bày trong phần phụ lục. Chương trình viết cho PLC Chương trình đọc giá trị ở các cổng tương tự lưu vào vùng nhớ DB1.Trước tiên ta phải khai báo vùng nhớ DB1 bằng cách kích chuột phải vào biểu tượng "Blocks" chọn "Insert New Object", sau đó chọn "Data Block" như hình vẽ sau: Hình 4.7: Minh hoạ cách tạo một khối Data Block Sau đó hộp thoại "Properties - Data Block" mở ra, ta gõ tên khối vào ô "Name and Type" (Ví dụ:DB1). Rồi kích nút "OK" đóng hộp thoại lại. Để soạn thảo trong khối DB1, ta kích đúp chuột vào biểu tượng của DB1, sau đó ta khai báo trong khối DB1 một mảng có tên là dữ liệu gồm 100 ô nhớ Word như hình sau: Hình 4.8: Minh hoạ cách khai báo mảng dữ liệu gồm 100 ô nhớ Word Cuối cùng ta "Save" những thứ vừa làm và đóng hộp thoại lại. Để soạn thảo trong khối OB1 ta kích đúp chuột vào nó. Sau đây là chương trình đọc giá trị ở các cổng tương tự rồi lưu vào vùng nhớ DB1: OPN DB1 // Khai báo vùng nhớ DB1 LAR1 P#DBX0.0 // Khai báo địa chỉ bit 0.0 của vùng nhớ DB1 vào con trỏ //AR1 LAR2 P#304.0 // Khai báo địa chỉ bit 304.0 vào con trỏ LAR2 (304 là địa // chỉ vùng nhớ đệm đầu tiên của module Analog). L 81 // Số lần lặp chính là số các biến tương tự cần đọc vào. Next: T MB0 // Ô nhớ chứa số lần lặp. L PIW[AR2, P#0.0] // Đọc giá trị ở bộ đệm có địa chỉ nằm trong con // trỏ AR2. T W[AR1, P#0.0] // Gửi ra vùng nhớ có địa chỉ nằm trong con trỏ AR1. +AR2 P#2.0 // Tăng nội dung con trỏ AR2 lên 2 byte. +AR1 P#2.0 // Tăng nội dung con trỏ AR1 lên 2 byte. L MB0 LOOP Next ._.