Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

ng có sự sao chép bất hợp pháp từ nghiên cứu của ng−ời khác. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2006 Ng−ời cam đoan: Nguyễn Trung Kiên. 3 Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................. 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................... 7 Mở đầu......................................................................................................... 9 Ch−ơng 1 - Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát 1.1. Tổng quan về SCADA.......................................................................... 11 1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTUs (Remote Terminal Units)............... 13 1.1.2. Trạm chủ của hệ thống SCADA (Scada Master Station) .............. 16 1.1.3. Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols) ............. 17 1.1.4. Truyền thông trong SCADA .......................................................... 19 1.2. Kiến trúc của SCADA.......................................................................... 20 1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối...................................................... 20 1.2.2. Hệ SCADA phân bố ....................................................................... 21 1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng........................................................... 23 1.3. Kiến trúc phần mềm ............................................................................ 25 1.4. Tính năng của hệ thống SCADA ........................................................ 27 1.4.1. Cảnh báo và giám sát ..................................................................... 27 1.4.2. Thu thập dữ liệu ............................................................................. 28 1.4.3. Thông báo và chia sẻ dữ liệu.......................................................... 28 1.5. Hệ thống SCADA ở Việt Nam ............................................................. 28 Ch−ơng 2 – Mạng truyền thông công nghiệp 2.1. Mạng truyền thông của Siemens......................................................... 31 2.1.1. Tổng quan về mạng công nghiệp của SEMATIC .......................... 31 2.1.2. Mạng nhiều điểm ........................................................................... 33 4 2.1.3. PROFIBUS ..................................................................................... 34 2.1.4. Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) ........................................ 41 2.1.5. Ghép nối điểm tới điểm (Point to Point Interface)......................... 42 2.1.6. Giao diện cảm biến-cơ cấu chấp hành ........................................... 43 2.2. Một số chuẩn truyền dẫn ..................................................................... 45 2.2.1. Chuẩn RS-232 ................................................................................ 45 2.2.2. Chuẩn truyền RS-422 ..................................................................... 48 2.2.3. Chuẩn RS-485 ................................................................................ 50 2.3. Dịch vụ truyền thông ........................................................................... 56 2.3.1. Định nghĩa...................................................................................... 56 2.3.2. Dịch vụ truyền thông và subnet ..................................................... 57 Ch−ơng 3 – Truyền thông với PLC 3.1. Tổng quan về PLC ............................................................................... 60 3.1.1. Định nghĩa...................................................................................... 60 3.1.2. Đặc điểm ........................................................................................ 60 3.1.3. Cấu tạo PLC ................................................................................... 62 3.1.4. Cấu hình cứng PLC ........................................................................ 62 3.1.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 64 3.1.6. Cơ chế hoạt động............................................................................ 64 3.1.7. Ph−ơng pháp xử lý tín hiệu ............................................................ 65 3.2. Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 của Siemens .................. 65 3.2.1. Các thành phần của một hệ PLC S7-200........................................ 65 3.2.2. Phần cứng của PLC S7-200............................................................ 66 3.2.3. Cổng truyền thông.......................................................................... 68 3.2.4. Cấu trúc bộ nhớ .............................................................................. 69 3.2.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 71 3.3. Truyền thông trên PLC ....................................................................... 73 5 3.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông................................................. 73 3.3.2. Tham số truyền thông .................................................................... 74 3.3.3. Các cổng truyền thông ................................................................... 74 3.3.4. Khoảng cách truyền thông ............................................................. 75 3.3.5. Điều khiển đ−ờng tín hiệu truyền thông ........................................ 75 3.3.6. Nghi thức truyền thông .................................................................. 76 Ch−ơng 4 – Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát 4.1. Phân tích thiết kế hệ thống .................................................................. 78 4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát ...................................................... 78 4.1.2. PLC ................................................................................................ 80 4.1.3. Hệ thống điều khiển giám sát ....................................................... 80 4.1.4. Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống....... 86 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát ............................................... 88 4.2.1. Các thành phần và tính năng của hệ thống..................................... 88 4.2.2. Hoạt động của hệ thống ................................................................. 88 kết luận và khuyến nghị................................................................ 93 tài liệu tham khảo............................................................................. 94 phụ lục a: Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống phụ lục b: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển Phụ lục c: m∙ nguồn ch−ơng trình điều khiển cho PLC 6 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt STT Từ viết tắt Giải nghĩa 1 ADC Analog Digital Converter 2 AGC Automatic Generation Control 3 DA Distribution Automation 4 DAC Digital Analog Converter 5 DCE Data Communication Equipment 6 FBD Function Block Diagram 7 HMI Human Machine Interface 8 LAD Ladder Logic 9 LAN Local Area Network 10 MMI Man Machine Interface 11 MPI Multi Point Interface 12 MS Master Stations 13 MTU Master Terminal Unit 14 PLC Programable Logic Control 15 PSN Public Switched Network 16 RTU Remote Terminal Unit 17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 18 STL Statement List 19 UCA Utility Communication Architecture 20 WAN Wide Area Network 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Thứ tự Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 12 Hình 1.2 Một RTU điển hình 13 Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên 21 Hình 1.4 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai 22 Hình 1.5 Hệ thống SCADA thế hệ thứ ba 24 Hình 1.6 Kiến trúc chung của phần mềm 26 Hình 2.1 MPI - SURNET 33 Hình 2.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 36 Hình 2.3 Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn trong mạng PROFIBUS 37 Hình 2.4 Mạng PROFIBUS 38 Hình 2.5 Mạng PROFIBUS -DP 39 Hình 2.6 Industrial Ethernet 41 Hình 2.7 Kết nối điểm tới điểm 43 Hình 2.8 ASI - Subnet 44 Hình 2.9 Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC 46 Hình 2.10 Kiểu mạng RS-422 bốn dây 49 Hình 2.11 Sơ đồ bộ kích thích và bộ thu RS-485 51 Hình 2.12 Quy định trạng thái logic cảu tín hiệu RS-485 52 8 Hình 2.13 Các ph−ơng pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 55 Hình 3.1 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển logic 62 Hình 3.2 Các thành phần của PLC S7-200 66 Hình 3.3 Cấu tạo của CPU 214 67 Hình 3.4 Sơ đồ chân của cổng truyền thông 68 Hình 3.5 Ghép nối máy tính với PLC 69 Hình 3.6 Bộ nhớ trong và ngoài của S7 - 200 69 Hình 4.1 Cấu tạo của lò nhiệt 81 Hình 4.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 84 Hình 4.3 Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 87 Hình 4.4 Hình dáng của PZ-41L 88 Hình 4.5 Bảng điều khiển hệ thống 90 Hình 4.6 Giao diện điều khiển giám sát 91 9 Mở đầu Trong những năm gần đây, nhu cầu về ứng dụng tự động hoá kết hợp với truyền thông trong hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp đang phát triển rất mạnh. Rất nhiều nhà máy, xí nghiệp có nhu cầu trang bị hệ thống tự động hoá để phục vụ cho mục đích của họ. Nh−ng họ không có nhiều thông tin về các hệ thống đó. Trong thực tế, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều hệ thống tự động điều khiển giám sát hoạt động nh−ng tính tích hợp của nó ch−a cao. Hầu hết các hệ thống này th−ờng dành cho các ứng dụng lớn, do đó giá thành t−ơng đối cao, không phù hợp với nhiều nhà máy, xí nghiệp. Hơn nữa, mỗi nhà máy, xí nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau. Do đó việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý, giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất thiết thực và cần thiết. Chỉ cần có một ng−ời điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể ứng dụng để : - Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động - Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt - Giám sát số l−ợng ng−ời vào/ra khu vực lò - Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập - Giám sát hoạt động của ng−ời trong phòng/toà nhà thông qua Camera quan sát - Điều khiển chuông báo giờ … 10 Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của ng−ời sử dụng, và khi đó giá thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo. Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát” với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính. Nội dung của đề tài bao gồm: - Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống. - Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống. - Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống. Đề tài đ−ợc hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S. Nguyễn Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Tr−ờng ĐH Bách Khoa Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Tr−ờng ĐH Công nghiệp Hà Nội. Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc tìm tài liệu và biên dịch nh−ng chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài của tôi đ−ợc đầy đủ hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! 11 Ch−ơng 1 – Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) 1.1. Tổng quan về SCADA: SCADA là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hoá. Các thiết bị tự động hoá ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp. Một hệ thống SCADA bao gồm 1 hay nhiều máy tính, dùng kèm với 1 phần mềm ứng dụng thích hợp. Chúng hình thành các Trạm chính (MS - Master Stations) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đ−ờng dây hữu tuyến, vô tuyến, đ−ờng dây truyền tải, cáp quang, mạng Internet…) kết nối với các Đơn vị tải đầu cuối (RTU - Remote Terminal Units). Các RTU đ−ợc đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống và thông báo định kỳ kết quả về máy tính chủ. Một hệ thống SCADA sẽ thu thập thông tin, truyền thông tin trở lại vị trí trung tâm, sau đó cảnh báo trạm chính rằng đã có sự cố xảy ra, cần thực hiện các phân tích và điều khiển, xem xét liệu sự cố đó có nguy cấp hay không, rồi hiển thị thông tin theo một dạng logic và có tổ chức nhất định. Hệ thống SCADA có thể ở dạng đơn giản, nh− một hệ thống giám sát điều kiện môi tr−ờng; nh−ng có thể rất phức tạp, nh− hệ thống giám sát các hoạt động của một nhà máy năng l−ợng hạt nhân. Tr−ớc đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạch chung (PSN – Public Switched Network) để phục vụ mục đích giám sát. Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng của LAN/WAN (Local Area Network/Wide Area Network). Kỹ thuật không dây cũng đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi cho mục đích giám sát. 12 Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống SCADA Nh− vậy, hệ thống SCADA bao gồm: • Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu, th−ờng là các RTU hoặc PLC. • Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị giao tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong máy chủ trung tâm SCADA. Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại, cáp, vệ tinh…. hoặc là sự kết hợp của bất kỳ loại nào ở đây. • Một hoặc nhiều máy tính chủ ở trung tâm (còn đ−ợc gọi là SCADA Center, Master Station, hoặc Master Terminal Unit – MTU). • Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống phần mềm (đôi khi đ−ợc gọi là phần mềm giao diện ng−ời – máy (HMI – Human Machine Interface hoặc MMI – Man Machine Interface)) sử dụng để hỗ trợ cho máy chủ 13 trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ trợ hệ thống truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu từ xa. 1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units): RTU là một thiết bị giao tiếp với các đối t−ợng trong hệ SCADA bằng cách truyền dữ liệu của phép đo từ xa tới hệ thống và/hoặc cảnh báo trạng thái của các đối t−ợng đã kết nối dựa trên các thông báo điều khiển nhận đ−ợc từ hệ thống. Một RTU điển hình có một giao diện truyền thông (th−ờng là nối tiếp, Ethernet, giao diện riêng hoặc bất kỳ sự kết hợp nào ở đây), một bộ xử lý đơn giản, một vài cảm biến, một vài chuyển mạch, và một bus sử dụng để liên lạc với các thiết bị và/hoặc các board giao diện. Bus này đôi khi đ−ợc gọi là bus thiết bị. Các board giao diện có thể là ở dạng số và dạng t−ơng tự, nó đ−ợc thiết kế chỉ cho đầu vào, chỉ cho đầu ra hoặc cả hai. Chúng th−ờng đ−ợc viết tắt là "DI" (Digital Input), "AO" (Analog Output), … Hình 1.2: Một RTU điển hình Các RTU thực chất là các bộ điều khiển (PLC hoặc bộ vi điều khiển), bên trong nó th−ờng chứa sẵn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters) và DAC (Digital Analog Converters). Các bộ RTU đ−ợc thiết kế rất chặt chẽ, bao gồm: các ngõ vào/ra I/O đ−ợc bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống các xung quá độ điện áp. Các bộ RTU đ−ợc thiết kế để làm việc trong môi 14 tr−ờng có nhiệt độ khắc nghiệt (- 400C đến +850C), đ−ợc cấp nguồn hoặc bằng điện AC 120/240V, hoặc bằng điện DC 125/24VDC. Một RTU có thể có nhiều cổng kết nối sao cho 1 RTU có thể đ−ợc chia sẻ bởi nhiều máy (Master Station). 1.1.1.1. Phân loại RTU: a) RTU dùng cho các trạm trung chuyển: ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung l−ợng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến vài ngàn điểm). Chúng đ−ợc đóng gói trong vỏ bọc dạng tủ đứng, gồm nhiều ngăn gắn Card cho phép kết nối tới nhiều Card vi xử lý, Card ADC&DAC, Card I/O. Nh− vậy, một RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với nhiều RTU khác trên chính trạm đó. Mỗi RTU này có chức năng chuyên biệt riêng, từ điều khiển vòng kín cho đến chuyên xử lý tính toán. b) RTU dùng để tự động hoá l−ới phân phối: ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung l−ợng ngõ nhập/xuất nhỏ hơn. Các RTU loại này (gọi là DA RTU – DISTRIBUTION AUTOMATION RTU) th−ờng là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor, trên đó tích hợp sẵn các ngõ I/O. Các Card I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt, thay cho loại Card cắm trực tiếp. H−ớng phát triển mạnh nhất là các DA RTU tích hợp công (Digital Signal Processing – Xử lý tín hiệu số) có khả năng phát hiện lỗi và xử lý tính toán các đại l−ợng điện cực nhanh. c) Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC – Programable Logic Control): Từ nhiều năm, PLC đã đ−ợc sử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp. Gần đây, PLC lại bắt đầu đ−ợc dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ thống phân phối năng l−ợng. Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất lớn (hàng nghìn đơn vị). Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc đ−ợc điều khiển bằng ch−ơng trình phần mềm nạp sẵn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát từ máy chủ của hệ thống SCADA. Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và 15 gần đây là FLASHROM, ng−ời vận hành có thể dễ dàng chỉnh sửa ch−ơng trình đang nạp cho PLC mà không phải động chạm đến phần cứng. Một −u điểm nữa là hầu hết các PLC đều có cấu trúc I/O và các chức năng chuyên dùng ở dạng Modul, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở gần, hoặc kết nối bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay đôi dây xoắn. Ngôn ngữ lập trình thông dụng cho các PLC là ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER LOGIC – RLL), rất đơn giản và hiệu quả, cho phép ng−ời vận hành chỉnh sửa ch−ơng trình LADDER với các RTU là các PLC dùng bộ nhớ dạng EEPROM. Một −u thế nữa của các RTU dạng PLC hiện đại là khả năng lập trình hoá cả các ứng dụng có điều khiển PID vòng kín, tích hợp các ch−ơng trình điều khiển mờ (FUZZY CONTROLLER) phối hợp với mạng Nơron… d) Bộ chuyển đổi (Transducer): Transducer th−ờng là các modul điện tử dùng để chuyển đổi tín hiệu điện từ dạng này sang dạng khác. Th−ờng tín hiệu AC cần chuyển sang tín hiệu DC để cấp cho ngõ vào Analog của RTU. Tuỳ thiết kế các Transducer có thể cần hoặc không cần nguồn nuôi ngoài cung cấp. e) Bộ dồn xung (Pulse Accumulator): Chuyển động của động cơ, roto máy phát hay đĩa quay đếm công suất tiêu thụ của điện kế có thông số tốc độ (rad/giây) đ−ợc đo hoặc bằng cảm biến chuyển thành điện áp đ−a vào ngõ Input Analog của RTU để xử lý; hoặc qua tiếp điểm đóng mở tạo chuỗi xung truyền trực tiếp vào ngõ Input Digital của RTU để đ−ợc bộ đếm của phần mềm cài đặt trong RTU xử lý. Máy chủ có thể điều khiển từ xa để kích hoạt cho ng−ng hay chạy các bộ đếm này. 1.1.1.2. Phần mềm cài đặt cho RTU: Phần mềm chạy trên RTU đ−ợc nhà sản xuất cung cấp, th−ờng có dạng ngôn ngữ cấp cao nh− C và C++, chứa sẫn trình biên dịch các lệnh gửi từ máy chủ. Với RTU có khả năng xử lý đủ mạnh, nó kiêm luôn khả năng điều khiển 16 tại chỗ (ví dụ chức năng ngắt mạch khi có sự cố). Ngoài ra, ch−ơng trình của RTU vận hành trong hệ thống SCADA còn có thêm một số tính năng nh−: • Khả năng chọn lọc thông tin: máy chủ sàng lọc các thông tin khác biệt so với nội dung các báo cáo đều đặn tr−ớc đó. • Khả năng ngắt để báo cáo đột xuất: cho phép RTU ngắt đột xuất ch−ơng trình máy chủ để báo có biến đổi trạng thái đột ngột hoặc để cảnh báo giới hạn giá trị Analog của 1 biến nào đó bị vi phạm. • Khả năng l−u trữ dữ liệu: RTU phải đ−ợc cấp đủ bộ nhớ để có thể l−u giữ dữ liệu đ−ợc lấy mẫu theo thời gian. Khi cần có thể xuất ra d−ới dạng đồ thị theo thời gian hoặc bằng thông báo. 1.1.2. Trạm chủ của hệ thống SCADA (SCADA MASTER STATION): Trạm chủ trong hệ thống SCADA có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các RTU. Khả năng t−ơng tác đồ hoạ ngày càng cao của các máy tính dùng trong trạm cho phép ng−ời vận hành dễ dàng truy cập theo dõi toàn bộ hệ thống. Trạm chủ chạy các trình ứng dụng SCADA trên nền hệ điều hành UNIX hoặc Windows, các ch−ơng trình này đ−ợc viết bởi nhà cung cấp và có thể đ−ợc ng−ời sử dụng hiệu chỉnh bổ sung. Trạm chủ không chỉ giám sát điều khiển các RTU mà còn có thể truy cập dữ liệu của khách hàng. Khai thác cơ sở dữ liệu cho phép ta viết các ch−ơng trình thông minh cho phép lọc các sự cố cảnh báo và thực hiện 1 số hiệu chỉnh mà không cần ng−ời điều hành can thiệp. Dựa vào loại thiết bị của trạm chủ, ta có thẻ phân ra: a) Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC Based Systems): Xu h−ớng chính hiện nay là dùng máy tính cho các trạm chủ chạy trên hệ điều hành WINDOWS, UNIX hay OS-2. Các máy tính có thể nối mạng để chia sẻ tài nguyên & cùng khai thác khả năng t−ơng tác đồ hoạ. Các hệ điều 17 hành hiện nay đều cho phép máy tính vận hành đa nhiệm (MULTI- TASKING), nghĩa là cứ chạy nhiều ch−ơng trình song song và quản lý cùng lúc nhiều cửa sổ. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET . b) Hệ thống trạm làm việc (Workstation Systems): Các workstations của các hãng lớn nh− SUN, DEC, HP, IBM ,.. th−ờng vận hành trên hệ điều hành UNIX ,có thể đạt mức độ điều khiển tinh xảo hơn so với loại trên (dựa trên PC). Chúng rất mạnh, dựa trên tập lệnh đ−ợc rút gọn RISC (Reduced Instruction Set). Các trạm làm việc cũng có thể nối mạng với cấu trúc quen thuộc là 1 trạm chủ có ổ cứng dùng làm Server trong khi các trạm còn lại là vệ tinh kết nối. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET. c) Hệ thống dùng máy tính Mini (Minicomputer Systems): Đ−ợc dùng khi cần đạt tốc độ tính toán cực cao,chẳng hạn l−ới SCADA dùng trong các hệ thống AGC (Automatic Generation Control) & EMS. Do năng lực của 2 hệ thống loại trên ngày một nâng cao, nên hệ thống thứ ba này ngày một ít đ−ợc dùng . 1.1.3. Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols): Các giao thức (PROTOCOLs) rất cần thiết để giúp máy chủ của hệ thống SCADA tạo xa lộ trao đổi thông tin với các RTU. Nó giúp thiết lập các chuẩn (standard) của thông số kênh nối, chuẩn (standard) của thông số dữ liệu đ−ợc trao đổi,… Do đó giao thức có bản chất là 1 khái niệm logic hơn là một kết nối vật lý. Ta th−ờng gọi kết nối vật lý là một giao diện (INTERFACE). Tr−ớc đây mỗi hãng sản xuất tự thiết kế giao thức gắn kết với RTUs mà không hề nghĩ đến việc chuẩn hoá. Hậu quả là RTU của hãng này không thể kết nối đ−ợc với máy chủ của hãng khác do chúng đ−ợc cài đặt các giao thứ khác hẳn nhau. Hiện nay các nhà thiết kế các hệ thống SCADA cố gắng xây dựng các tiện ích kết nối giúp dung hợp các giao thức rất khác nhau trên đây, trong khi nhiều công ty lớn vẫn ra sức bảo vệ bản quyền và ra sức mở rộng ứng dụng 18 cho giao thức của họ. Theo trình tự thời gian, với mức phức tạp tăng dần, ta có thể phân loại các nhóm giao thức chính nh− sau: a) Bit Protocols: Cho đến đầu thập niên 80, hầu hết các giao thức thuộc loại định h−ớng BIT. Mạch phần cứng th−ờng do khách hàng tự ráp, chạy chậm và chi phí đắt. có thể kể các Bit protocols đã đ−ợc đăng ký nh− ACS, L&N Conitel, Westinghouse REDAC, BBI/CSI, TELEGYR 7500, ROCWELL,.. Với loại này, trạng thái 1 bit thay đổi kéo theo sự thay đổi trạng thái điều khiển. b) Byte Protocols: Mỗi Byte dùng trong giao thức th−ờng cần 10 bit (1 start, 8 data và 1 stop) th−ờng đ−ợc dùng để biểu diễn một ký tự của bảng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Bảng mã ASCII gồm 136 ký tự dữ liệu và ký tự điều khiển, chứa đầy đủ các ký tự của bàn phím chuẩn dùng với máy tính PC (gồm cả các ký tự điều khiển không in nh− Esc, Ctrl, Del, Shift, Backspace & Alt). Các byte protocols t−ơng thích tốt với các RTUs sử dụng các bộ vi điều khiển 8-bit (8-Bit MICROCONTROLLER). Thuận lợi lớn của các giao thức mức BYTE này là các ngôn ngữ lập trình máy tính cấp cao cũng nh− đ−ờng truyền nối tiếp tiêu chuẩn (STANDARD SERIAL INTERFACE) của máy tính đều dựa trên bảng mã ASCII và t−ơng thích với chúng. Tiêu biểu cho các giao thức nhóm này là PG&E, Harris 5000, Ferranti 5000 & Duke Power SDLC. c) Hệ thống mở UCA (UCA Open System): Từ 1991, Viện Nghiên Cứu năng l−ợng điện EPRI (Electric Power Electric Institute) triển khai dự án EPRI Project RP2949 nhằm tích hợp các hệ thống liên lạc. Hai giai đoạn đầu của dự án là UCA (Utility Communication Architecture) & DAIS (Data Access Integration Services) đã đ−ợc hoàn thành, cụ thể hoá bằng các đặc tả UCA 1.0 & DAIS 1.0. Nội dung 2 đặc tả có xét đến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin cùng công nghệ máy tính, 19 xét đến các yêu cầu của hệ thống điện. Nội dung của UCA 1.0 cũng phù hợp với mô hình chuẩn tham khảo gồm 7 lớp của ISO (International Standardisation Organisation). Từ đó, năm 1992 đã thông qua đ−ợc giao thức mở MMS (Manufacturing Message Specification), thuộc lớp ứng dụng (Application Layer) trong mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection) dùng để giao tiếp giữa các RTUs dùng cho các trạm điện, cho chức năng phân phối tự động (Distribution Automation). Qua đó cho thấy sự chậm chạp trong việc chuẩn hoá các Protocols nói riêng và các quy định khác nói chung của các tổ chức chính danh nh− IEEE, ISO, IEC tr−ớc sự phát triển vũ bão của công nghiệp và khoa học kỹ thuật. 1.1.4. Truyền thông trong SCADA: Để kết nối vật lý giữa máy chủ với các đầu cuối RTUs, th−ờng cần 1 mạng LAN (Local Area Network) hay WAN (Wide Area Network). ở khoảng cách xa (hàng trăm Km trở lên), đ−ờng truyền tải điện đ−ợc dùng hỗ trợ để truyền dự liệu kèm theo đ−ờng điện thoại cùng các trạm thu phát vô tuyến. Từ những năm 80 trở lại đây mới bổ xung thêm đ−ờng cáp quang truyền tải thông tin đ−ờng dài. Hiện tại, ta có thể khai thác các ph−ơng tiện truyền tải sau để thực hiện kết nối liên lạc cho các hệ thống SCADA nói chung: • Đ−ờng truyền dùng cáp kim loại • Kênh truyền dùng dây điện thoại • Mạng truyền sóng vô tuyến • Mạng thu phát vệ tinh • Mạng cáp quang 20 1.2. Kiến trúc của SCADA: SCADA đ−ợc phát triển song song với sự phát triển của công nghệ tính toán hiện đại. Có 3 thế hệ của SCADA bao gồm: • Thế hệ thứ nhất – Nguyên khối (Monolithic) • Thế hệ thứ 2 – Phân bố (Distributed) • Thế hệ thứ 3 – Mạng l−ới (Networked) 1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối: Khi hệ thống SCADA đ−ợc phát triển đầu tiên, nội dung của tính toán th−ờng tập trung vào hệ thống “main frame”. Khi đó không tồn tại mạng và mỗi hệ thống th−ờng độc lập. Kết quả, hệ thống SCADA là hệ thống độc lập lập và không kết nối với hệ thống nào khác. Mạng WAN đ−ợc dùng để truyền thông với các RTU ở xa đ−ợc thiết kế chỉ với một mục đích truyền thông với các RTU mà không có mục đích nào khác. Ngoài ra, các giao thức WAN đ−ợc sử dụng hiện nay đa số đều không tồn tại ở thời điểm đó. Các giao thức truyền thông sử dụng trong các mạng SCADA đ−ợc phát triển bởi các nhà cung cấp thiết bị RTU và th−ờng có đặc tính riêng. Thêm vào đó, các giao thức này đ−ợc thiết kế rất sơ sài và không dựa trên yêu cầu điều khiển các điểm trong thiết bị ở xa. Nó cũng không khả thi khi trộn lẫn các loại l−u l−ợng dữ liệu khác nhau với RTU truyền thông trong mạng. 21 Hình 1.3: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên Việc kết nối với chính trạm chủ SCADA là rất hạn chế bởi nhà cung cấp hệ thống. Việc kết nối trạm chủ đặc thù đ−ợc thực hiện ở mức bus thông qua một adapter riêng bộ điều khiển đ−ợc gắn với mặt phẳng ở phía sau CPU. Sự d− thừa ở hệ thống thế hệ đầu tiên là việc đ−ợc hoàn thành bằng cách sử dụng 2 hệ thống mainframe đ−ợc trang bị giống hệt nhau, một hệ thống chính và một hệ thống dự phòng, kết nối ở mức bus. Chức năng cơ bản của hệ thống dự phòng là để giám sát hệ thống chính là thay thế trong tr−ờng hợp có lỗi xảy ra. 1.2.2. Hệ SCADA phân bố: Thế hệ tiếp theo của hệ thống SCADA tiếp tục phát triển và cải tiến hệ thống nhỏ, công nghệ mạng LAN để sắp xếp lại việc xử lý các hệ thống phức tạp. Với các hệ thống tích hợp, mỗi hệ thống với một chức năng riêng biệt, đ−ợc kết nối với một LAN và chia sẻ thông tin với mỗi hệ thống khác theo thời gian thực. Các hệ thống này đặc tr−ng cho loại máy tính mini, nhỏ hơn và giảm giá thành hơn so với thế hệ đầu tiên. 22 Hình 1.4: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2 Một số hệ thống phân bố này đ−ợc dùng nh− các bộ xử lý truyền thông, tr−ớc hết là truyền thông với các thiết bị khác nh− là các RTU. Một số khác đ−ợc dùng nh− các giao diện vận hành, cung cấp giao diện ng−ời - máy (HMI - Human Machine Interface) cho ng−ời vận hành hệ thống. Một số hệ thống còn lại đ−ợc dùng để tính toán các bộ xử lý hoặc các máy chủ cơ sở dữ liệu. Việc phân bố các chức năng của hệ thống SCADA riêng thành nhiều hệ thống sẽ tạo ra nhiều khả năng xử lý khác nhau cho hệ thống tích hợp hơn là ở trong một hệ thống riêng. Các mạng kết nối với các hệ thống riêng này th−ờng dựa trên các giao thức mạng LAN và không có khả năng v−ợt quá giới hạn của môi tr−ờng cục bộ. Một số giao thức mạng LAN đ−ợc sử dụng là của một dạng độc quyền, ở đây nhà cung cấp đã tạo ra giao thức mạng hoặc phiên bản của riêng mình rồi từ đó xoá bỏ cái đang tồn tại. Điều này cho phép nhà sản xuất tối −u giao thức LAN của mình cho l−u l−ợng thời gian thực, nh−ng nó chỉ giới hạn (hoặc có 23 hiệu quả) khi kết nối của mạng từ các nhà cung cấp khác tới LAN SCADA. Hình 1.4. thể hiện kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2. Việc phân bố các chức năng hệ thống thành các hệ thống có nối mạng không những dùng để tăng khả năng tính toán mà còn để cải thiện việc d− thừa và độ tin cậy của hệ thống tích hợp. Hơn nữa, việc dự phòng h− hỏng ở đây đơn giản hơn so với trong nhiều hệ thống đầu tiên, kiến trúc phân bố th−ờng giữ tất cả các hệ thống trên LAN trong trạng thái trực tuyến ở mọi thời điểm. Ví dụ, nếu một hệ thống HMI bị hỏng, hệ thống HMI khác có thể đ−ợc sử dụng để điều khiển hệ thống mà không cần đợi để chuyển quyền từ hệ thống thứ nhất sang hệ thống thứ hai. Mạng WAN sử dụng để truy._.ền thông với các thiết bị trong phạm vi này không thay đổi nhiều so với sự phát triển của LAN kết nối giữa các trạm cục bộ của SCADA master. Các mạng truyền thông mở rộng này vẫn bị giới hạn với các giao thức RTU và không sẵn sàng cho các loại l−u l−ợng mạng khác. Cũng giống nh− trong hệ thống ở thế hệ đầu tiên, thế hệ thứ hai của hệ thống SCADA cũng bị giới hạn bởi phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi là những thành phần đ−ợc cung cấp hoặc lựa chọn tuỳ theo nhà cung cấp. 1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng: Thế hệ hiện nay của kiến trúc hệ thống SCADA master gần giống với thế hệ thứ 2, với khác biệt cơ bản là kiến trúc hệ thống mở hơn so với môi tr−ờng riêng, đ−ợc kiểm soát bởi nhà cung cấp nh− ở thế hệ thứ 2. ở đây vẫn tồn tại hệ thống mạng tích hợp, có sự chia sẻ các chức năng của trạm chính. ở đây vẫn có các RTU sử dụng các giao thức riêng của nhà cung cấp. Cải tiến chính trong thế hệ thứ 3 này là việc mở kiến trúc hệ thống, sử dụng các chuẩn mở và các giao thức cho phép phân chia các chức năng của SCADA trên mạng WAN chứ không chỉ ở mạng LAN. 24 Hình 1.5: Hệ thống SCADA thế hệ thứ 3 Các chuẩn mở đã loại bỏ một số giới hạn của các thế hệ tr−ớc đó của hệ thống SCADA. Việc sử dụng hệ thống mở làm cho nó dễ dàng hơn đối với ng−ời sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi thứ 3 (nh− màn hình, máy in, ở đĩa…) với hệ thống và/hoặc mạng. Cùng với việc sử dụng hệ thống mở, các nhà cung cấp cũng từ bỏ dần việc chỉ phát triển kinh doanh phần cứng. Các nhà cung cấp này đã mong đợi các nhà cung cấp hệ thống nh− Compacq, Hewlett-Packard và Sun Microsystems dành trí tuệ của họ trong việc phát triển phần mềm điều hành hệ thống. Điều này cho phép các nhà cung cấp SCADA tập trung sự phát triển của họ vào một lĩnh vực mà tại đây họ có thể thêm những tính năng nhất định vào phần mềm của hệ thống SCADA master. Cải tiến chính trong các hệ thống SCADA thế hệ thứ 3 là việc sử dụng các giao thức WAN nh− giao thức Internet (IP) cho truyền thông giữa trạm 25 chính và thiết bị truyền thông. Điều này cho phép phân chia trạm chính – trạm có nhiệm vụ truyền thông với các thiết bị thành các trạm riêng qua một WAN. Hiện nay các nhà cung cấp đã sản xuất các RTU có thể truyền thông với trạm chính sử dụng một kết nối Ethernet. Hình 1.5 thể hiện một hệ thống SCADA nối mạng. Một −u điểm khác của việc phân chia chức năng hệ thống SCADA qua một WAN là khả năng tránh các thảm hoạ. Việc phân chia SCADA xử lý qua một LAN trong hệ thống thứ 2 đã cải thiện đáng kể, nh−ng trong tr−ờng hợp mất toàn bộ các thiết bị của SCADA master, thì toàn bộ hệ thống có thể mất. Bằng cách phân chia xử lý thành cục bộ, nó có thể xây dựng một hệ thống SCADA có thể tồn tại khi hỏng ở toàn bộ một trạm cục bộ nào. Với tính năng này, một số tổ chức đã coi SCADA nh− một chức năng siêu tới hạn. 1.3. Kiến trúc phần mềm: Các sản phẩm phần mềm th−ờng là phần mềm đa nhiệm, đ−ợc dựa trên một cơ sở dữ liệu thời gian thực (RTDB) đặt trong một hoặc nhiều Server. Các Server có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và xử lý (ví dụ: điều khiển kiểm soát vòng lặp, kiểm tra cảnh báo, tính toán…) trên một tập các tham số. Ngoài ra nó có thể phải chỉ ra các Server cho những nhiệm vụ đặc biệt, ví dụ tìm ra Server xử lý cảnh báo. Hình 1.6 thể hiện kiến trúc chung của phần mềm. 26 Hình 1.6: Kiến trúc chung của phần mềm Theo quan điểm mới hiện nay, hệ thống phần mềm chính là trọng tâm của hệ thống SCADA. Trong đó, hệ thống phần mềm chú trọng đến: Các công cụ phát triển, tạo dựng giao diện ng−ời - máy; các phần mềm kết nối; ứng dụng công nghệ mới (h−ớng đối t−ợng, phần mềm thành phần, Web…). Để tạo dựng ứng dụng phần mềm, hiện nay có 2 ph−ơng pháp: • Ph−ơng pháp lập trình: Ph−ơng pháp này th−ờng sử dụng các ngôn ngữ bậc cao ( C++, Java, Visual Basic, Delphi…) và có sự tham gia của một compiler. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là: Đòi hỏi trình độ lập trình chuyên sâu, hiệu quả không cao do khả năng thực hiện các tính năng bị hạn chế. Do đó nó chỉ thích hợp với các hệ thống qui mô nhỏ, ít thay đổi. 27 • Ph−ơng pháp tạo cấu hình: Ph−ơng pháp này không phải lập trình mà sử dụng một công cụ chuyên dụng. Ph−ơng pháp này sử dụng các ký hiệu đồ hoạ, script để xây dựng cấu hình và sử dụng các phần tử đồ hoạ đối thoại để đặt các tham số. So với ph−ơng pháp trên thì ph−ơng pháp này có hiệu quả cao hơn, dễ thực hiện hơn, không cần compiler. Do đó nó thích hợp với các hệ thống lớn, phức tạp hơn. 1.4. Tính năng của hệ thống SCADA: 1.4.1. Cảnh báo và giám sát: Một hệ thống SCADA phải có khả năng kiểm tra, hiển thị và cảnh báo các khả năng có thể xảy ra. Khi hệ thống SCADA có vấn đề, hệ thống phải báo cho ng−ời vận hành để họ có hành động khắc phục. Các cảnh báo phải đ−ợc ghi lại để các kỹ s− hoặc các lập trình viên có thể nhìn các cảnh báo để xác định nguyên nhân gây ra cảnh báo và ngăn không cho chúng xảy ra lần nữa. 1.4.2. Thu thập dữ liệu: Hệ thống có khả năng nhận dữ liệu từ các PLC và các phần cứng khác, xử lý và thực hiện các phép phân tích dựa trên dữ liệu thu thập đ−ợc. Sau đó có thể hiển thị dữ liệu thu đ−ợc và dữ liệu sau khi phân tích. Hệ thống SCADA phải có khả năng đọc và ghi nhiều nguồn dữ liệu khác nhau. −u điểm nổi bật của hệ thống SCADA là nó có thể tăng l−ợng dữ liệu ghi lên đĩa để xem xét về sau. Điều này giúp cho việc giải quyết các vấn đề cũng nh− cung cấp thông tin để cải tiến các quá trình. Để thực hiện tính năng này hệ thống có thể sử dụng kết hợp với XML, Excel, Access, SQL, SQL Server, ODBC, các dịch vụ Web… 28 1.4.3. Thông báo và chia sẻ thông tin: Một hệ thống có thể tạo ra các thông báo sử dụng truy vấn SQL đối với dữ liệu thu đ−ợc, cơ sở dữ liệu thời gian thực hoặc các bản ghi. Hệ thống có thể cho phép nhúng các biểu đồ Excel trong thông báo nh−ng không cho phép khả năng “cut và paste”. Các thông báo có thể đ−ợc tạo ra tự động và có thể in đ−ợc. Ng−ời sử dụng có thể chia sẻ thông tin với các ng−ời sử dụng khác, ví dụ nh− các dịch vụ web. Điều này cho phép các máy tính trên khắp thế giới có thể truy cập và sử dụng thông tin miễn là họ đ−ợc phép truy cập. 1.4.4. Điều khiển: Hệ thống có khả năng tự động áp dụng các giải thuật nhằm điều khiển các quá trình hoạt động. Ng−ời sử vận hành có thể sử dụng máy tính để thực hiện điều khiển trực tiếp một phần hoặc toàn bộ các quá trình. 1.5. Hệ thống SCADA ở Việt Nam: ở Việt Nam, khái niệm SCADA ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Hệ thống SCADA có khả năng đo l−ờng, điều khiển và thu nhập dữ liệu. Trên cơ sở đó cho ta những phân tích, đánh giá và dự báo về hệ thống một cách chính xác gián tiếp. Khái niệm SCADA xuất hiện vào thập niên 70 của thế kỷ XX và ngày càng phát triển hoàn thiện đáp ứng đ−ợc những nhu cầu mà thực tế đặt ra. Do đáp ứng đ−ợc rất nhiều tính năng trong quá trình quản lý điều hành các hệ thống công nghiệp lớn nên hiện nay hệ thống SCADA đã đ−ợc ứng dụng nhiều ở Việt Nam. ứng dụng cụ thể tiêu biểu nhất phải kể đến là hệ thống SCADA trong ngành điện Việt Nam. Hệ thống SCADA trong ngành điện Việt Nam sử dụng các thiết bị điện thông minh nh− các rơle, sensor điện,... có khả năng thu nhận và truyền tín hiệu về các trung tâm sử lý. Việc điều khiển giám sát cũng đ−ợc thực hiện d−ới nhiều cấp độ, 29 hiện nay phát triển tới 3 cấp đó là các trung tâm điều độ cấp tỉnh, cấp vùng (Bắc - Trung - Nam) và cấp quốc gia. Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia Việt nam đặt tại 18 Trần Nguyên Hãn – Hoàn Kiếm - Hà Nội thực hiện một số chức năng chính: • Chỉ huy điều hành hệ thống sản xuất, truyền tải, phân phối điện năng trong hệ thống điện theo quy trình điều độ hệ thống điện Quốc gia đã đ−ợc Bộ công nghiệp duyệt nhằm đạt kết quả tối −u về kỹ thuật và kinh tế đảm bảo hệ thống điện Quốc gia vận hành liên tục và đúng chất l−ợng. • Lập ph−ơng thức vận hành và sửa chữa các phần tử chính trong hệ thống điện Quốc gia đảm bảo việc cung cấp điện an toàn, liên tục và đúng chất l−ợng. • Tính toán và thực hiện các ph−ơng thức, các chế độ vận hành bao gồm cả tính toán rơle, tự động, ổn định nhằm đảm bảo cho hệ thống điện Quốc gia vận hành an toàn, kinh tế và ổn định. • Quản lý vận hành hệ thống SCADA/EMS (Hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận số liệu/ hệ thống quản lý năng l−ợng) phục vụ sản xuất. Các trung tâm điều độ của mỗi vùng sẽ thực hiện điều khiển giám sát trong từng vùng đồng thời phải th−ơng xuyên gửi các thông báo tới trung tâm điều độ Quốc gia. Trung tâm điều độ Quốc gia gửi các yêu cầu tới các trung tâm ở mỗi vùng khi cần và thống nhất hoạt độngcủa các trung tâm điều độ trên toàn quốc. Hiện nay, việc điều khiển giám sát mới chủ yếu đ−ợc thực hiện ở các trạm biến áp, trong t−ơng lai không xa dựa trên hệ thống SCADA sẽ triển khai hệ thống truyền số liệu nh− công tơ điện từ có lập trình (PPM GEC METERS) thông qua MODEM tới các trung tâm điều độ vùng. 30 Ngoài ra, hệ SCADA đặc biệt phát huy thế mạnh ở các hệ thống điều khiển giám sát trong các hệ thống nh−: Sản xuất xi măng; Hệ thống kiểm soát và đo dầu khí; Hệ thống điều khiển giao thông; Hệ thống quản lý n−ớc; Hệ thống trộn nhiên liệu; Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi, lò nhiệt; Hệ thống điều khiển giám sát toà nhà thông minh… 31 Ch−ơng 2 – mạng truyền thông công nghiệp 2.1. Mạng truyền thông của Siemens: 2.1.1. Tổng quan về mạng công nghiệp của SIMATIC: Theo những yêu cầu về chức năng của các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý và thực hiện sản xuất mạng công nghiệp đ−ợc chia ra thành nhiều lớp bao gồm: lớp điều hành và quản lý, lớp cell, lớp tr−ờng và lớp cơ cấu chấp hành - cảm biến - đối t−ợng. Theo ph−ơng pháp tổ chức hệ thống nh− trên, SIMATIC cung cấp các loại subnet sau: 1. Mạng nhiều điểm (MultiPoint Interface) là một subnet của SIMATIC gọi tắt là mạng MPI. Mạng MPI đ−ợc sử dụng cho các subnet thuộc lớp tr−ờng hay lớp cell với yêu cầu về khoảng cách giữa các trạm không lớn. Mạng cho phép liên kết tại nhiều điểm trên mạng và liên kết với các thiết bị của SIMATIC nh− S7/M7 và C7. Thiết lập mạng MPI đ−ợc thực hiện thông qua máy lập trình PG. Mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số l−ợng nhỏ các CPU không quá 32 trạm và dung l−ợng truyền thông nhỏ. 2. Mạng PROFIBUS là một mạng thiết lập theo ph−ơng pháp hệ truyền thông mở không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các lớp cell và lớp tr−ờng. Mạng FROFIBUS đ−ợc cung cấp theo hai chủng loại: - Fieldbus PROFIBUS-DP phục vụ cho việc trao đổi một dung l−ợng thông tin nhỏ, nh−ng đòi hởi tốc độ truyền nhanh và tuần hoàn. - Trao đổi một l−ợng dữ liệu có dung l−ợng trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng. 3. Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) gọi tắt là mạng IE, là một hệ thống truyền thông mở không phụ thuộc vào nhà chế tạo của SIMATIC. 32 Mạng IE dành cho lớp cell và lớp quản lý. Mạng chiếm −u thế cho các hệ truyền thông yêu cầu tốc độ cao với dung l−ợng thông tin lớn. Thông qua Gateway có thể liên kết nhiều subnet có cấu trúc khác nhau. 4. Giao diện điểm tới điểm (Point to Point Interface) gọi tắt là PPI không phải là một subnet theo đúng nghĩa của nó. SIMATIC sử dụng giao diện này để thực hiện ghép nối các thiết bị xử lý truyền thông Communication Processor CP) của hai trạm đ−ợc nối với nhau. 5. Giao diện cơ cấu chấp hành-cảm biến (Acuator Sensor Interface) gọi tắt là ASI là giao diện ở mức thấp nhất trong hệ điều khiển và giám sát sản xuất. Nó phục vụ cho việc ghép nối mạng bao gồm các cảm biến và cơ cấu chấp hành số. Dung l−ợng truyền dữ liệu cực đại cho mỗi trạm là 4 bit Một điều cần quan tâm nữa là ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn của các thành viên trong mạng. Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn quyết định ph−ơng thức và kiểu trao đổi thông tin của các thành viên trong mạng. Khi muốn gửi một thông tin đi các trạm phải đ−ợc cho phép gửi (hay nói một cách khác là phải đ−ợc phép thâm nhập vào đ−ờng dẫn). Có các ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn khác nhau: - CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access/Collision Detection) - Token - Master-Slave Mỗi một ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn thích hợp cho từng loại subnet. Môi tr−ờng truyền thông chính là hệ các đ−ờng dẫn (Bus System), nơi mà các thông tin trao đối giữa các trạm đ−ợc truyền thông qua nó. Môi tr−ờng truyền thông đ−ợc phần làm hai loại: - Cable điện - Cable quang 33 2.1.2. Mạng nhiều điểm: Mạng nhiều điểm hay còn gọi là mạng MPI đ−ợc sử dụng cho các mạng thuộc lớp cell và lớp tr−ờng với rất ít nhu cầu về khả năng mở rộng mạng. Mạng MPI cho phép liên kết các trạm trong mạng tại nhiều điểm và các trạm là những thiết bị tự động hoá của SIMATIC nh− S7/M7 và C7. Mạng đ−ợc thiết lập thông qua máy lập trình PG và phục vụ cho việc liên kết một số l−ợng nhỏ các CPU với nhau. Ph−ơng thâm nhập đ−ờng dẫn đ−ợc chọn cho mạng MPI là Token passing. Mạng MPI có những tính cơ bản sau đây: 1. Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7, vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản 2. Mạng đ−ợc thiết lập với số l−ợng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung l−ợng thông tin nhỏ 3. Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data). Bằng ph−ơng pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng tr−ớc khi thực hiện truyền thông. 4. Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau. Dữ liệu kỹ thuật của mạng MPI đ−ợc biểu diễn trong Bảng 2.1. Chuẩn Của Siemens Số luợng thành viên cho phép Max 32 thành viên Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn Token Tốc độ truyền 187,5 kBit/s Môi tr−ờng truyền thông Dây dẫn kép có bọc OP S7-400 S7-300 PG Hình 2.1: MPI-SURNET 34 Cable quang (thuỷ tinh hoặc nhựa) Mở rộng mạng 50 m, với repeater 1100m Với cable quang qua OLM >100 km Topology Đ−ờng thẳng, cây, hình sao & tròn Dịch vụ truyền thông Các hàm chức năng của S7 Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục GD Bảng 2.1: Dữ liệu kỹ thuật của mạng MPI 2.1.3. PROFIBUS: • Định nghĩa: PROFIBUS (Process Field Bus) là một mạng trong hệ truyền thông mở không phụ thuộc vào nhà chế tạo của SIMATIC cho lớp cell và lớp tr−ờng. Về ph−ơng diện vật lý, PROFIBUS là một mạng điện mà các đ−ờng dẫn là cable đồng trục đ−ợc bọc kín hoặc là cable quang. PROFIBUS là một hệ thống bus tr−ờng đ−ợc phát triển tại Đức từ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác. Sau khi đ−ợc chuẩn hoá quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS còn đ−ợc đ−a vào trong chuẩn IEC 61784 - một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158 cho các hệ thống sản xuất công nghiệp. Với sự ra đời của các chuẩn mới IEC 61158 và IEC 61784 cũng nh− với các phát triển mới gần đây PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn đ−ợc coi là một công nghệ tự động hoá. PROFIBUS định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị tr−ờng cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển và giám sát. PROFIBUS định nghĩa 3 loại giao thức là PROFIBUS -FMS, PROFIBUS -DP và PROFIBUS - PA. FMS là giao thức nguyên bản của PROFIBUS, đ−ợc dùng chủ yếu cho việc giao tiếp giữa các máy tính điều khiển giám sát. B−ớc tiếp theo là sự ra đời của DP vào năm 1993- một giao thức đơn giản và nhanh hơn nhiều so với FMS. PROFIBUS - 35 DP đ−ợc xây dựng tối −u cho việc kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị tr−ờng với các máy tính điều khiển PROFIBUS -FMS và PROFIBUS - DP lúc đầu đ−ợc sử dụng phổ biến trong các nghành công nghiệp chế tạo lắp ráp. Tuy nhiên gần đây, vai trò của PROFIBUS - FMS ngày càng mờ nhạt bởi sự cạnh tranh của các hệ dựa trên nền ethernet (Ethernet/IP, Profinet, high- speed-ethernet,…). Trong khi đó phạm vi ứng dụng của PROFIBUS -DP ngày càng lan rộng sang nhiều lĩnh vực khác. PROFIBUS -PA là kiểu đặc biệt đ−ợc sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bị tr−ờng trong các lĩnh vực tự động hoá các quá trình có môi tr−ờng dễ cháy nổ đặc biệt trong công nghiệp chế biến. Thực chất PROFIBUS -DP chính là sự mở rộng của PROFIBUS - DP xuống cấp tr−ờng cho lĩnh vực công nghiệp chế biến. Ngày nay PROFIBUS là hệ bus tr−ờng hàng đầu thế giới với hơn 20% thị phần và với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500 000 ứng dụng. • Kiến trúc giao thức PROFIBUS chỉ thực hiện các lớp 1, lớp 2 và lớp 7 theo mô hình qui chiếu OSI, nh− minh họa trên Hình 2.2. Tuy nhiên, PROFIBUS-DP và -PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối −u hoá việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển với cấp chấp hành. Một số chức năng còn thiếu đ−ợc bổ sung qua giao diện sử dụng nằm trên lớp 7. Bên cạnh các hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng đ−ợc quy định tại lớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI còn đ−a ra một số qui định chuyên biệt về đặc tính và ch−c năng đặc thù của thiết bị cho một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu. Các đặc tả này nhằm mục đích tạo khả năng t−ơng tác và thay thế lẫn nhau của thiết bị của nhiều nhà sản xuất. 36 PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA DP-Profiles PA-Profiles Các chức năng DP mở rộng Giao diện sử dụng FMS - Profiles Các chức năng DP cơ sở Lớp 7 Fieldbus Message Specification (FMS) Lớp 3-6 Không thể hiện Lớp 2 Fieldbus Data Link (FDL) Lớp 1 RS-485/ RS-485IS/ Cáp quang MBP (IEC 1158-2) Hình 2.2: Kiến trúc giao thức của PROFIBUS Cả ba giao thức FMS, DP, PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu (Lớp FDL). PROFIBUS-PA có cùng giao diện sử dụng nh− DP, tuy nhiên tính năng của các thiết bị đ−ợc qui định nhằm phù hợp với môi tr−ờng làm việc dễ cháy nổ. Kỹ thuật truyền dẫn MPB (Manchester Code, Bus Powered) theo ICE 1158-2 cũ ở đây đảm bảo vấn đề an toàn và cung cấp nguồn cho các thiết bị qua cùng dây dẫn bus. Để tích hợp các đoạn mạng DP vàPA có thể dùng các bộ chuyển đổi (DP/PA-link, DP/PA-Coupler) có sẵn trên thị tr−ờng. Lớp ứng dụng của FMS bao gồm 2 lớp con là FMS (Fieldbus Message Specification) và LLI (Lower Layer Interface). Trong đó FMS chính là tập con của chuẩn MMS. Lớp FMS đảm nhiệm nhiệm vụ xử lý giao thức sử dụng và cung cấp các dich vụ truyền thông trong khi đó LLI có vai trò trung gian cho FMS kết nối với lớp 2 mà không phụ thuộc vào các thiết bị riêng biệt. Lớp LLI còn có nhiệm vụ thực hiện các chức năng bình th−ờng thuộc lớp 3-6, ví dụ tạo ngắt nối kiểm soát l−u thông. Lớp vật lý của PROFIBUS qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu môi tr−ờng truyền dẫn, cấu trúc mạng và giao diện cơ học, các kỹ thuật truyền dẫn 37 sử dụng ở đây là RS-458, RS-558-IS (IS: Intrinsically Safe) và cáp quang đối với DP và FMS cũng nh− MBP đối với PA. RS-458-IS đ−ợc phát triển trên cơ sở RS-458 để có thể sử dụng trong môi tr−ờng đòi hỏi an toàn cháy nổ. Lớp liên kết dữ liệu ở PROFIBUS đ−ợc gọi là FDL (Fieldbus Data Link), có chức năng kiểm soát truy nhập bus, cung cấp các dịch vụ cơ bản cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy không phụ thuộc vào ph−ơng pháp truyền dẫn ở lớp vật lý. • Ph−ơng pháp thâm nhập : PROFIBUS sử dụng các ph−ơng pháp thâm nhập vào mạng đ−ợc qui định ở EN 50170, Volume 2 bao gồm các ph−ơng pháp: 1. Token Bus cho các trạm chủ 2. Master-Slave (chủ-tớ) cho các trạm tớ Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn hoàn toàn không phụ thuộc vào môi tr−ờng truyền thông. Hình 2.3 minh hoạ ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn của một mạng PROFIBUS. Truyền thông của các trạm chủ (hay còn gọi là trạm tích cực) đ−ợc điều khiển bằng một vòng logic (Logical Ring-LR). Vòng này đ−ợc thiết lập tr−ớc khi đ−a mạng vào hoạt động. Vòng này quyết định tại thời điểm nào, trạm chủ Hình 2.3: Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn trong mạng PROFIBUS Master 1 Master 1 Master 1 Slave Slave Slave Slave Slave Slave Token Master-Slave 38 nào tích cực và tích cực trong bao lâu. Trạm chủ đ−ợc tích cực còn gọi là trạm chiếm giữ token. Trong thời giam trạm nào chiếm giữ token trạm đó có quyền thâm nhập vào đ−ờng dẫn để gửi các điện tín. Vòng logic hoàn toàn không phụ thuộc vào cấu trúc của các trạm chủ với nhau trong mạng. Khoảng thời gian cho phép một trạm chủ thâm nhập vào đ−ờng dẫn, hay nói một cách khác khoảng thời gian trạm chủ chiếm giữ token, đ−ợc gọi là thời gian token. Nếu hết thời gian token mà trạm vẫn ch−a gửi xong dữ liệu, thì chỉ có dữ liệu nào của trạm có mức −u tiên cao nhất đ−ợc tiếp tục truyền đi, nếu không phải tr−ờng hợp nh− vậy, thì trạm chủ đó phải ngừng quá trình truyền thông và đợi cho đến l−ợt sau. Nếu trạm nào đ−ợc chiếm giữ token nh−ng lại không có nhu cầu truyền thông thì token đ−ợc tự động chuyển sang trạm đến l−ợt tiếp theo đó trong hàng theo qui định của vòng logic. Thông th−ờng thời gian token đ−ợc qui định chung cho các trạm chủ trong mạng. Nếu một trạm tớ đ−ợc nối với một trạm chủ đang chiếm giữ token thì trong thời gian token trạm tớ sẽ bị hỏi và phải nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp. Một trạm tớ không bao giờ đ−ợc chiếm giữ token. PROFIBUS S5 md PG OP S7-300 PROFIBUS_DP S7-400 PROFIBUS_DP Hình 2.4: Mạng PROFIBUS 39 PROFIBUS phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu giữ các thiết bị tr−ờng với dung l−ợng thông không lớn. Các trạm chỉ thực hiện đ−ợc việc trao đổi trong thời gian mạng còn hoạt động. Trong SIMATIC mạng PROFIBUS th−ờng đ−ợc nối với một CP. PROFIBUS-DP cung cấp dịch vụ truyền thông giữa các trạm SIMATIC S7 và các thiết bị tr−ờng (DP-LAVE) để thực hiện trao đổi dữ liệu vào/ra của một quá trình. Quá trình trao đổi dữ liệu giữa DP-Master và DP-Slave đ−ợc thực hiện theo chu trình lặp lại và với một dung l−ợng thông tin không lớn. Những tính chất đặc tr−ng của mạng PROFIBUS: 1. Thông qua PROFIBUS có thể thực hiện đ−ợc đồng thời những hàm chức năng của các dịch vụ truyền thông sau : − FDL,FMS và các hàm chức năng của S7 − DP, FDL và các hàm chức năng của S7 2. Thời gian thâm nhập mạng do ph−ơng pháp token quyết định 3. PROFIBUS-DP tạo ra khả năng trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ của các nhà sản xuất khác nhau. Theo DP mà không cần có giao diện đặc biệt nào. PROFIBUS-CP AS95U/DP-SLAVE Hình 2.5: Mạng PROFIBUS-DP S7-300 DP-Slave PROFIBUS- CP PROFIBUS PG OP DP-SLAVE của các nhà chế tạo khác DP-MASTER S7-315-2-DP ET200-M/U/B 40 4. Đối với SIMATIC S7/M7 tồn tại các giao diện tích hợp PROFIBUS-DP (2 giao diện đối với S7 hoặc một module giao diện cho các M7-CPU). Điều đó có nghĩa là: - Đối với mạng chỉ có duy nhất một chủ (Monomaster) tại giao diện tích hợp có thời gian đáp ứng nhỏ (1-2ms đối với tốc độ truyền 12Mbit/s). - Giao diện tích hợp rất kinh tế vì có giá thành rẻ và chiếm ít diện tích. 5. Thời gian đáp ứng nhanh (1-5ms) khi đòi hỏi một trạm tớ DP (DP-Slave) phục vụ trạm chủ. 6. PROFIBUS cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thạm theo FMS hoặc FDL mà không cần phải có thiết bị liên kết đặc biệt. Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS đ−ợc biểu diễn trong bảng 2.2. Chuẩn EN 50170 Volume 2 PROFIBUS Số l−ợng trạm 127 Ph−ơng pháp thâm nhập mạng Token Bus Master-slave Cho các trạm chủ Cho các trạm tớ Tốc độ truyền 9,6 kbit/s - 12 Mbit/s Môi tr−ờng truyền thông Dây dẫn có bọc Cable quang Tốc độ truyền Độ dài Điện Từng phân đoạn 9,6-93,75kbit/s 187,5kbit/s 500kbit/s 1,5Mbit/s 1000m 800m 400m 100m Bảng 2.2: Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS 41 2.1.4 . Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet): Mạng công nghiệp gọi tắt là IE, là mạng phục vụ cho lớp quản lý và lớp cell để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một dung l−ợng thông tin lớn và truyền thông trong một khoảng cách lón. Về ph−ơng diện vật lý mạng IE cũng là một mạng điện. Các cable dùng trong mạng là cable đồng trục có tráng cách điện và có bọc, cable quang. Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn là ph−ơng pháp CSMA/CD. Tr−ớc khi điện tín đ−ợc gửi đi các trạm trong mạng đ−ợc kiểm tra xem có ở trong quá trình truyền thông không. Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi điện tin đi. Nếu xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi điện tín đi cùng một lúc thì quá trình truyền thông trên mạng bị ngừng ngay lại và quá trình đó đ−ợc thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời gian này đ−ợc xác định theo thuật toán ngẫu nhiên. Mạng IE có những tính chất đặc tr−ng sau đây: 1. Mạng IE sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TPC/IP 2. Theo ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn đã chọn thì các thành viên trong mạng IE đều bình đẳng với nhau. 3. Theo chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì các trạm lạ cũng có khả năng tích hợp vào mạng. Hay nói một cách khác, IE là một hệ thống truyền thông hở. Bảng dữ liệu kỹ thuật của IE đ−ợc biểu diễn trong bảng 2.3. S7-400 với IE-CP S7-300 với IE-CP PG với IE-CP PC với IE-CP M7 với IE-CP S5 với IE-CP Industrial Ethernet Hình 2.6: Industrial Ethernet 42 Chuẩn truyền thông IEEE 802.3 Số l−ợng trạm Nhiều hơn 1.000 Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn CSMA/CD (Carrier sense multiple access/ collision detection) Tốc độ truyền thông 10 MBit/s Môi tr−ờng truyền thông Dây dẫn Cable quang Cable đồng trục có tráng và bọc cable thuỷ tinh hoặc nhựa Dây dẫn: Cable quang: 1,5 km 4,5 km Topology Đ−ờng thẳng, cây, hình sao và vòng tròn Dịch vụ truyền thông S7-Funktionen ISO-Transport ISO-on-TCP Bảng 2.3: Dữ liệu kỹ thuật của mạng IE 2.1.5. Ghép nối điểm tới điểm (point to point Interface): Ghép nối điểm tới điểm còn gọi là PPI, thực hiện truyền thông nối tiếp. Ghép nối điểm tới điểm có thể là ghép nối giữa hai thiết bị tự động hoá với nhau, hay ghép nối với máy tính hoặc với thiết bị truyền thông khác. Ghép nối điểm với điểm không phải là mạng. PPI có những tính chất đặc tr−ng sau đây: 1. Ghép nối giữa hai thiết bị truyền thông một cách trực tiếp hay thông qua driver đặc biệt. 2. Có thể sử dụng các procedure riêng đ−ợc định nghĩa truyễn kiểu ASCII. 43 Các dữ liệu kỹ thuật của PPI đ−ợc minh hoạ trong bảng 2.4. Số l−ợng trạm 2 Cổng vật lý RS 232C (V24) 20 mA (TTY) RS 422/485 Tốc độ truyền 300 bit / s-76,8 kbit / s cho cổng RS 232C 300 bit/s-19,2 kbit / s cho cổng RS422/485 Khoảng cách truyền 10m cho cổng RS232 1000m cho cổng RS422/485 với tốc độ 9,6kbit/s 1200m cho cổng RS422/RS485 với tốc độ 9,2kbit/s Procedure ASCII – Driver 3964 (R) RK 512 Printdriver Các loại Driver đặc biệt khác Bảng 2.4: Dữ liệu kỹ thuật của PPI 2.1.6. Giao diện cảm biến-cơ cấu chấp hành (acuator-sensor Interface): Giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành gọi tắt là ASI, là mạng chỉ có một chủ duy nhất. Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn là ph−ơng pháp Master- Slave, một ph−ơng pháp hoàn toàn tối −u cho những mạng chỉ có duy nhất một thiết bị làm chủ. ASI sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu nh− các cơ cấu chấp hành và các cảm biến đều là các thiết bị kiểu số (Digital Output/Digital Input- Hình 2.7: Kết nối điểm tới điểm S7-400 với PPI-CP PG 44 DO/DI). Trong mạng chỉ có trạm chủ có quyền điều khiển quá trình trao đổi thông tin. Trạm chủ (master) gọi tuần tự từng trạm tớ một và đòi hỏi các trạm này gửi dữ liệu lên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từ trạm chủ. Thời gian thâm nhập mạng kiểu Master/Slave đã đ−ợc mặc định tr−ớc theo yêu cầu công nghệ của quá trình sản xuất (đó là khoảng thời gian master gửi những đòi hỏi dến trạm tớ và trạm tớ đáp ứng lại). Những tính chất đặc tr−ng của ASI: 1. ASI là mạng tối −u cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số. Quá trình trao đổi dữ liệu đ−ợc thực hiện thông qua đ−ờng dẫn giữa cơ cấu chấp hành/cảm biến với trạm chủ, đ−ờng dẫn này đồng thời là đ−ờng cung cấp nguồn cho các cảm biến. 2. ASI có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích th−ớc 1-8 bit theo tiêu chuẩn IP65 và liên kết trực tiếp với quá trình. 3. Hoạt động của ASI không cần thiết lập tr−ớc. Các dữ liệu kỹ thuật của ASI đ−ợc minh hoạ trong Bảng 2.5. ASI-BUS ASI-Rẽ nhánh ASI-Module ASI-Module Cảm biến/ Cơ cấu chấp hành Nguồn cung cấp cho ASI SIMATIC S7-300 CP342-2 Hình 2.8: ASI- Subnet 45 Chuẩn ASI theo IEC TG 178 Số l−ợng trạm cho phép 1 Master và Max 31 Slave Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn Ph−ơng pháp Master-Slave Tốc độ truyền 167kbit/s Môi tr−ờng truyền thông Dây dẫn không tráng Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng 300m với Repeater Topology đ−ờng thẳng, cây Dịch vụ truyền thông ASI-Funktion Bảng 2.5: Dữ liệu kỹ thuật của ASI 2.2. Một số chuẩn truyền dẫn: 2.2.1. RS-232: RS-232 lúc đầu đ−ợc xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm- điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE – Data Terminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC…), giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE – Data Communication Equipment), ví dụ giữa máy tính và Modem. • Chuẩn giao tiếp RS-232: Cổng nối tiếp RS-232 là giao diện phổ biến rộng rãi nhất. Ng−ời dùng máy tính PC còn gọi các cổng này là COM1, COM2. Giống nh− cổng máy in, cổng nối tiếp RS-232 cũng đ−ợc sử dụng một cách rất thuận tiện cho mục đích đo l−ờng và điều khiển. Chuẩn RS-232 dùng với tốc độ truyền dữ liệu là 20 Kbps với khoảng cách truyền lớn nhất gần 15m. Đây là một dạng giao tiếp dạng TTL và bộ kích đ−ờng dây không cân bằng. 46 Việc truyền dữ liệu qua cổng RS-232 đ−ợc tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa là các bit dữ liệu đ−ợc gởi đi nối tiếp nhau trên một đ−ờng dẫn. Trên hình là sự bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC. Hình 2.9: Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC Trong đó: AA: Protective Ground (nối đất bảo vệ) TxD: Transmitter Data (truyền dữ liệu) RxD: Received Data (nhận dữ liệu) RTS: Request To Send (yêu cầu gởi) CTS: Clear To Send (xóa việc gởi) DSR: Data Set Ready (dữ liệu sẵn sàng) SG: Signal Ground (nối đất) CD: Carrier Detect (dò sóng mang) ST: Select Stanty 47 ._. List hay còn gọi là ngôn ngữ liệt kê lệnh. Ngôn ngữ ngôn ngữ này thích hợp với những ng−ời có thói quen lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao nh− C/C++, Pascal… Một ch−ơng trình đ−ợc ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và có cấu trúc chung: Ví dụ: “Tên lệnh” + “Toán hạng” A I0.0 b) Ngôn ngữ lập trình hình thang (LAD): LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ thích hợp với ng−ời quen thiết kế mạch điều khiển logic. Để hiểu rõ và có thể lập trình tốt bằng ngôn ngữ LAD ta phải hiểu những thành phần cơ bản dùng trong LAD t−ơng ứng vơia các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle, trong ch−ơng trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic nh− sau: Tiếp điểm: Mô tả các tiếp điểm của rơle Cuộn dây: Mô tả Rơle đ−ợc mắc theo chiều dòng điện ( ) Hộp (box): Biểu diễn các bộ định thời, bộ đếm và các hàm toán học khác. Mạng LAD: Là các đ−ờng nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, đi từ nguồn bên trái sang đ−ờng nguồn bên phải. Ví dụ: Tiếp điểm th−ờng mở Tiếp điểm th−ờng đóng 73 c) Ngôn ngữ hình khối FBD Đây cũng là một ngôn ngữ đồ hoạ dành cho ng−ời có thói quen thiết kế mạch điều khiển số. Tuy nhiên, do tính chất đặc thù của ngôn ngữ là bắt đầu thiết kế từ đầu ra sau đó đi ng−ợc trở lại để tìm đầu vào nên khó cho bài toán có nhiều đầu vào ra. Do đó ngôn ngữ này ít đ−ợc dùng so với 2 ngôn ngữ trên. Nhận xét: STL là ngôn ngữ mạnh nhất trong 3 loại ngôn ngữ trên. một ch−ơng trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển đ−ợc sang dạng STL nh−ng ng−ợc lại thì có thể không. Trong STL có nhiều lệnh không có trong LAD hoặc FBD. 3.3. Truyền thông trên PLC: Khả năng trao đổi dữ liệu giữa các PLC và với các thiết bị khác trong máy điều khiển tự động đều có thể thực hiện trên tất cả các PLC (trừ các PLC loại nhỏ). Thông th−ờng, khả năng truyền thông đ−ợc thiết kế sẵn trong PLC. Và để thực hiện truyền thông phải có thêm các modul chuyên dùng thực hiện sự chuyển đổi giữa các chuẩn giao tiếp và cổng truyền thông. Sau đây ta sẽ xem xét các vấn đề liên quan đến truyền thông. 3.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông: Truyền thông trên PLC đáp ứng đ−ợc các yêu cầu sau: 1. Hiển thị dữ liệu động, thông báo và thông tin khác thông qua máy in hay màn hình. 2. Thu nhận và cập nhật dữ liệu vào tập tin trên máy vi tính hay máy tính mini, để phân tích quá trình hoạt động và quản lý thông tin trên phần mềm đ−ợc cung cấp bởi nhà sản xuất PLC. 3. Nhập dữ liệu và tham số vào ch−ơng trình PLC từ ng−ời điều khiển thông qua các thiết bị nhập liệu hay từ các bộ điều khiển giám sát, PLC hay máy vi tính. 74 4. Thay đổi ch−ơng trình điều khiển: nạp vào hoặc lấy ra từ bộ điều khiển giám sát. 5. Thay đổi c−ỡng bức trạng thái các ngõ ra và xem trạng thái ngõ vào từ các thiết bị ở xa. 6. Nối kết PLC vào hệ thống gồm nhiều loại PLC và máy vi tính. 3.3.2. Tham số truyền thông: Các yếu tố cần xem xét trong truyền thông nối tiếp bao gồm: • Tốc độ truyền: là số bit truyền mỗi giây và độ rộng của mỗi bit này, đơn vị là bps. • Mức logic: qui định loại tín hiệu biểu diễn logic 1, 0 và thứ tự truyền đi của chúng. • Ph−ơng pháp đồng bộ dữ liệu: cho phép thiết bị nhận hiểu đ−ợc dữ liệu truyền đến. Các thiết bị gửi và nhận dữ liệu phải hoạt động cùng tốc độ truyền, cùng khuân dạng dữ liệu, nếu không dữ liệu nhận đ−ợc sẽ không đúng. 3.3.3. Các cổng truyền thông: • Cổng RS 232 và RS 422/423: Truyền thông th−ờng đ−ợc thực hiện thông qua cổng nối tiếp. Ví dụ: gửi dữ liệu từ máy tính đến PLC, máy in hoặc màn hình hiển thị. Việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa 2 thiết bị th−ờng dùng chuẩn RS 232 và sau đó là RS 422/423. Đây là các chuẩn do EIA (Electronics Industry Association – Hiệp hội Công nghiệp Điện tử Hoa Kỳ) đ−a ra. Chi tiết về 2 cổng này ta đã xét ở ch−ơng 2. • Nguồn dòng kín 20mA: Khi khoảng cách truyền xa thì nguồn dòng kín 20mA thích hợp hơn RS232. Chuẩn này đ−ợc dùng trong nhiều hệ thống công nghiệp vì nó có khả 75 năng chống nhiễu cao. Một mạch thực hiện đóng mở nguồn dòng 20mA để xuất đi dữ liệu nối tiếp. Chuẩn này không t−ơng thích hoàn toàn với RS232 nên phải có mạch giao tiếp trung gian để thực hiện việc chuyển đổi khi truyền thông giữa 2 máy. Sự bất tiện của loại truyền thông này là không có sự chuẩn hoá về mạch điện, không có đ−ờng tín hiệu điều khiển nh− ở RS232. 3.3.4. Khoảng cách truyền thông: Tuỳ theo chuẩn, loại cáp và tốc độ truyền khác nhau, ta sẽ có khoảng cách truyền thông khác nhau. Cụ thể nh− sau: Giao tiếp Khoảng cách truyền (m) Tốc độ tối đa (bps) RS232 10 100 10000 10000 1000 - RS422 10 100 1000 1000000 100000 10000 Nguồn dòng 20mA 100 300 2000 10000 10000 1000 3.3.5. Điều khiển đ−ờng tín hiệu truyền thông: Trong truyền thông giữa các máy vi tính, máy tính lớn hay PLC, ta phải xem xét đến điều khiển của dòng thông tin: chiều dữ liệu truyền thông và truyền thông một chiều hay hai chiều. Truyền thông một chiều là một thiết bị gửi và thiết bị còn lại nhận dữ liệu. Ví dụ nh− PLC gửi dữ liệu đến máy in. Trong tr−ờng hợp này, máy in không cần biết thông tin về máy tính, có nghĩa là PLC luôn là máy truyền dữ liệu và máy in là máy nhận dữ liệu. Tr−ờng hợp truyền thông giữa máy vi tính và PLC thì cần phải truyền thông 2 chiều. Ta có 2 loại truyền thông: một thiết bị 76 truyền và sau đó đến thiết bị còn lại (half-duplex) hay cả hai thiết bị truyền đồng thời (full-duplex). 3.3.6. Nghi thức truyền thông (Protocol): Để có thể truyền dữ liệu đ−ợc đúng giữa hai thiết bị, ta phải điều khiển đ−ợc dòng dữ liệu, để một thiết bị có thể gửi thông báo cho thiết bị kia. Ví dụ, giả sử máy vi tính gửi dữ liệu sang PLC với tốc độ cao hơn khả năng nhận của PLC, khi đó máy vi tính phải đ−ợc thông báo để dừng hay tạm dừng quá trình truyền dữ liệu đó cho đến khi PLC sẵn sàng nhận tiếp dữ liệu. Việc điều khiển dòng truyền thông hay nghi thức truyền thông đ−ợc xử lý bằng cách dùng thêm một đ−ờng tín hiệu hoặc bằng cách đ−a thêm ký tự điều khiển vào chuỗi dữ liệu truyền. • Dùng thêm đ−ờng tín hiệu: Th−ờng dùng thêm 2 đ−ờng tín hiệu, tín hiệu handshake, đ−ợc nối giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận: một đ−ờng dây thông báo cho máy nhận rằng máy gửi sẵn sàng truyền dữ liệu, gọi là RTS (Ready To Send) và một đ−ờng dây thông báo cho máy gửi rằng máy nhận sẵn sàng nhận dữ liệu, gọi là CTS (Clear To Send). Hoạt động của 2 đ−ờng tín hiệu này nh− sau: - Một thiết bị yêu cầu truyền dữ liệu bằng cách đ−a RTS xuống mức thấp. - Thiết bị đầu kia trả lời bằng cách đ−a CTS xuống mức thấp. - Dữ liệu đ−ợc truyền đi cho tới khi CTS tắt (có mức cao) từ thiết bị nhận. - Đ−ờng tín hiệu RTS/CTS có trong chuẩn RS232 và chúng th−ờng đ−ợc dùng trong truyền thông giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. • Dùng thêm ký tự điều khiển: Hai dạng nghi thức rất thông dụng dùng ký tự điều khiển trên các đ−ờng truyền/nhận là XON/XOFF và ENQ/ACK (ENQ: Enquiry; ACK: Acknowledge). 77 - Với nghi thức XON/XOFF: Khi một thiết bị đang nhận dữ liệu muốn dừng tác vụ thì nó gửi lệnh XOFF đến thiết bị gửi, tín hiệu này làm dừng tác vụ gửi dữ liệu của máy gửi và chờ nhận lệnh XON từ máy nhận để gửi tiếp dữ liệu. - Với nghi thức ENQ/ACK: Gửi gói dữ liệu đến máy nhận cùng với một ký ký tự ENQ. Ký tự này báo hiệu kết thúc một gói dữ liệu. Và khi máy nhận thực hiện xử lý dữ liệu gửi đến thì nó có thể yêu cầu khối dữ liệu khác bằng cách gửi về ký tự ACK. 78 Ch−ơng 4 – thiết kế hệ thống điều khiển giám sát 4.1. Phân tích thiết kế hệ thống: Hệ thống SCADA đầy đủ sẽ là một hệ thống rất lớn, phức tạp. Tuỳ theo từng mục đích sử dụng khác nhau, cấu hình của từng hệ thống SCADA sẽ khác nhau. Để xây dựng một hệ thống SCADA dạng đơn giản nhất, ta cần có các thành phần sau: - Một máy tính có cài phần mềm điều khiển giám sát. - Một PLC: là thiết bị trực tiếp điều khiển thu thập dữ liệu. - Một hệ thống đang hoạt động bình th−ờng và đ−ợc điều khiển, giám sát thông qua phần mềm cài đặt trên máy tính. - Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác để tăng tính năng cho hệ thống. Trên cơ sở đã phân tích ở trên, ta có thể lựa chọn các thành phần của hệ thống này nh− sau: 4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát: Ta có thể thực hiện bằng một trong 2 cách: • Dùng các ngôn ngữ lập trình để tạo ra một phần mềm theo mục đích sử dụng. Hiện nay có rất nhiều ngôn ngữ lập trình có thể hỗ trợ ta để thực hiện theo mục đích này. Ví dụ, nh− ngôn ngữ: Pascal, C, C++, Visual C, Visual Basic... −u điểm của những phần mềm này là chúng có thể giúp ta thiết kế ra các phần mềm ứng dụng có tính năng và giao diện thay đổi tuỳ theo khả năng, mong muốn của ng−ời lập trình. Ngoài ra chúng đơn giản trong qúa trình sử dụng và giá thành rất rẻ, giúp chúng ta có thể tiết kiệm đ−ợc nhiều về việc chi phí mua bản quyền. Nh−ợc điểm lớn lớn nhất của ph−ơng pháp này là phần mềm đ−ợc thiết kế ra th−ờng không chuyên nghiệp về tính năng sử dụng, không tối −u 79 trong quá trình sử dụng. Do đó, khi thực hiện kết nối thiết bị th−ờng đem lại độ ổn định không cao. • Dùng các phần mềm chuyên dụng để tạo ra các giao diện điều khiển tuỳ theo mục đích sử dụng. Những phần mềm chuyên dụng tồn tại rất nhiều trong thực tế. Tuy nhiên, trong khuôn khổ đề tài của tôi, tôi chỉ nêu ra 2 phần mềm phổ biến và phù hợp nhất có thể ứng dụng trong hệ thống SCADA. a) Phần mềm Win CC: Đây là một phần mềm chạy thời gian thực hỗ trợ cho việc tạo giao diện điều khiển hệ thống. −u điểm của phần mềm này là: Độ ổn định cao, chuyên dụng cho PLC của Siemen và giao diện rất đẹp. Đặc biệt phần mềm này rất phù hợp với những PLC thế hệ mới hiện nay. Nh−ợc điểm lớn nhất của phần mềm này đó là: giá thành đắt, sử dụng phức tạp. b) Phần mềm Protool: Protool là một phần mềm của Siemens dùng để tạo màn hình giao diện trao đổi dữ liệu với các loại PLC họ SIMATIC và của nhiều hãng khác. Đây là phần mềm điều khiển, giám sát theo thời gian thực, nó có thể đọc hoặc ghi dữ liệu thực dễ dàng. Protool cho phép ta: - Tạo giao diện đồ hoạ. - L−u trữ số liệu và các thông báo. - Cho phép ng−ời sử dụng tạo hàm riêng bằng Basic và tích hợp chung trong ch−ơng trình giám sát, điều khiển. - Có thể ghép nối với Simatic S5, S7, 500/505 và nhiều loại PLC của các hãng khác. 80 −u điểm của phần mềm này là: Độ ổn định cao, chuyên dụng cho PLC của Siemen và giao diện khá đẹp. Nó phù hợp với nhiều PLC thế hệ cũ. Nh−ợc điểm lớn nhất của phần mềm này đó là: giá thành đắt (nh−ng vẫn rẻ hơn Win CC). Từ phân tích ở trên ta thấy: Hai phần mềm này đều có thể phù hợp với ứng dụng của ta. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của đề tài, để sử dụng PLC thế hệ cũ nên ta chọn phần mềm Protool để sử dụng. 4.1.2. PLC: Hiện nay, có rất nhiều hãng sản xuất PLC. Nh−ng để sử dụng tối −u nhất cho mục đích truyền thông, ta có thể lựa chọn thiết bị của một trong hai hãng: Mitsubishi và Siemens. Về PLC của Siemens: Các PLC của Siemens đ−ợc ứng dụng rất phổ biến trong thực tế. Các sản phẩm PLC này khá đa dạng, hoạt động ổn định, hỗ trợ truyền thông tốt. Đặc biệt, tài liệu về PLC của Siemens rất sẵn có, rất nhiều thiết bị kết nối phù hợp với PLC của Siemens. Về PLC của Mitsubishi: Các PLC của Mitsubishi hoạt động khá ổn định và hỗ trợ tốt cho ứng dụng truyền thông. Các PLC này ra đời sau PLC của Siemens và mới đ−ợc ứng dụng nhiều ở Việt Nam trong thời gian gần đây. Vì vậy ứng dụng PLC của Mitsubishi trong thực tế ở Việt Nam ít hơn nhiều so với PLC của Siemens. Từ phân tích trên tôi đã lựa chọn sử dụng PLC của hãng Siemens. 4.1.3. Hệ thống điều khiển giám sát: a) Giới thiệu hệ thống: Trong thực tế, có rất nhiều hệ thống khác nhau có thể đ−ợc điều khiển, giám sát trong quá trình hoạt động của nó. Tuy nhiên, với mục đích xây dựng một hệ thống đơn giản nh−ng thể hiện đ−ợc đầy đủ các tính năng của một hệ 81 thống điều khiển giám sát nên ở đây tôi đã xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của một lò nhiệt. Hệ thống điều khiển giám sát đ−ợc thiết kế ở đây để thể hiện một số tính năng của hệ thống SCADA. Đối t−ợng chính của hệ thống là một lò nhiệt. Trong thực tế, tại một số nhà máy, xí nghiệp luôn tồn tại những lò hoạt động ở nhiệt độ cao, do đó để điều khiển và giám sát những lò này đòi hỏi phải dùng thiết bị tự động hoá ở mức cao. Hơn nữa có những khu vực của lò rất nguy hiểm, không cho phép con ng−ời đi vào những khu vực đó. b) Lò nhiệt (lò điện trở): • Cấu tạo của lò nhiệt: Lò nhiệt là một thiết bị dùng để biến đổi điện năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối l−u và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng đ−ợc truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò nhiệt th−ờng dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu… Lò nhiệt có nguồn nhiệt là những điện trở nung hoặc thanh nung toả nhiệt theo định luật Jun-Lenx. Dòng điện chạy qua sẽ làm nóng thanh đốt và sinh ra l−ợng nhiệt: Q= C. R. I2. t C: Hệ số tỷ lệ I: C−ờng độ dòng điện chạy trong dây đốt. R: Điện trở dây nung t: Thời gian dòng điện chạy trong dây nung Q: Nhiệt l−ợng toả ra Hình 4.1: Cấu tạo của lò nhiệt Vỏ kim loại Lớp cách nhiệt Gạch chịu lửa 82 • Các ph−ơng pháp điều khiển lò nhiệt độ: Công suất đặt vào lò có thể đ−ợc tính theo công thức: P = I2. R I: Dòng điện chạy qua dây nung R: Điện trở của dây nung Theo công thức này ta thấy có 2 ph−ơng án thay đổi P: - Điều chỉnh về phía tiêu thụ: Thay đổi R, ph−ơng án này ít đ−ợc sử dụng bởi tính không liên tục và hạn chế phạm vi điều khiển. - Điều chỉnh về phía cung cấp tức làm thay đổi c−ờng độ dòng điện chạy qua thanh nung. Điều này có thể thực hiện bằng biến áp, Rơle hoặc Thyistor. Từ các ph−ơng án này ta có các ph−ơng pháp cụ thể nh− sau: ắ Ph−ơng pháp dùng biến áp: Đây là ph−ơng pháp điều chỉnh điện áp theo cấp, nó đòi hỏi biến áp phải có công suất lớn. Ph−ơng pháp dùng biến áp để thay đổi mức điện áp cung cấp cho lò là ph−ơng pháp thô sơ ít đ−ợc dùng trong hệ thống điều khiển tự động. ắ Ph−ơng pháp dùng rơle kết hợp với thyristor: Khi sử dụng ph−ơng pháp này thì khả năng điều chỉnh với các phạm vi khác nhau là t−ơng đối tốt. Tuy nhiên ph−ơng pháp này không thực hiện điều chỉnh liên tục đ−ợc bởi vì khi tiếp điểm của rơle đóng ta luôn có các chu kỳ cung cấp cho tải, khi mở nguồn thì cung cấp phía diot bị ngắt. Do đó việc cung cấp cho lò chỉ hoàn toàn là do thyristor và nh− vậy công suất đ−a vào lò chỉ điều khiển đ−ợc 1/2 chu kỳ. ắ Ph−ơng pháp dùng 2 thyristor mắc xung đối : Khi có xung điều khiển thì 2 thyristor sẽ lần l−ợt mở cho dòng đi qua. Ta có thể điều khiển cho 2 thyristor liên tục chuyển từ đóng sang mở t−ơng ứng với công suất lò thay đổi từ không đến giá trị lớn nhất. 83 Ph−ơng pháp này cho phép điều khiển trong phạm vi rộng, đáp ứng yêu cầu chất l−ợng. Tuy nhiên ph−ơng pháp này phức tạp, khó lắp đặt, với đối t−ợng công suất lớn thì còn phức tạp hơn nhiều và giá thành cao. ắ Ph−ơng pháp dùng Rơle: Ph−ơng pháp này có đặc biệt là có thể khống chế mức nhiệt độ lò ở những mức điện áp khác nhau. Hạn chế của điều khiển bằng rơle là độ dao động nhiệt độ lớn, vì thế độ chính xác điều chỉnh không cao, rơle phải đóng cắt nhiều lần nên độ tin cậy kém. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh của kỹ thuật điện tử và vi xử lý, hiện nay các rơle có độ chính xác cao, độ an toàn là rất tốt do đó chất l−ợng điều khiển của hệ thống không hề thua kém so với các ph−ơng pháp khác. Ph−ơng pháp này hiện đ−ợc ứng dụng rất nhiều bởi nó có −u điểm là đơn giản dễ ghép nối, giá thành thấp Căn cứ vào yêu cầu chất l−ợng và các thiết bị có sẵn, ở đây ta sử dụng ph−ơng pháp dùng Rơle kết hợp với phần mềm PID của S7-200. c) Xây dựng đặc tính động cho lò điện trở bằng ph−ơng pháp thực nghiệm: Để thiết kế đ−ợc một hệ thống điều khiển, vấn đề đặt ra là nghiên cứu khảo sát đối t−ợng cần phải giải quyết tr−ớc tiên. Nhận dạng đối t−ợng là xác định đ−ợc mô hình toán học của đối t−ợng cần điều khiển từ đó có thể lựa chọn luật điều khiển và các tham số đảm bảo hệ thống ổn định và đảm bảo chỉ tiêu chất l−ợng điều khiển đặt ra. Thông th−ờng với các đối t−ợng công nghệ, ng−ời ta th−ờng dùng ph−ơng pháp thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học. Để thực hiện ta đ−a tín hiệu dạng 1(t) vào, và ghi lại đáp ứng h(t) của đối t−ợng để xác định các tham số của lò. Trong tr−ờng hợp này, nung lò bằng điện áp l−ới đáp ứng đầu ra đ−ợc ghi lại bằng phần mềm Protool/ ProCS. 84 Máy tính PC có cài đặt phần mềm Protool/ Pro CS để ghi lại đặc tính quá độ của lò. PLC S7-200 CPU 214 để đ−a tín hiệu 1(t) vào lò và thu thập tín hiệu ra của lò từ cặp nhiệt điện lò đ−ợc đốt bằng điện áp 220V từ nhiệt độ ban đầu của môi tr−ờng. d) Bộ điều khiển PID kinh điển: Bộ điều khiển PID đ−ợc coi là bộ điều khiển lý t−ởng đối với các đối t−ợng có mô hình liên tục chính xác. Bộ PID thực sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặc tính động và đặc tính tĩnh của hệ thống điều khiển tự động. Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển đ−ợc mô tả bằng ph−ơng trình sau: Trong đó e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu ra của bộ điều khiển, KP là hệ số khuyếch đại của luật điều khiển tỷ lệ, Ti hằng số thời gian tích phân và TD là hằng số thời gian vi phân. Hình 4.2: Bộ điều khiển PID kinh điển. Từ năm 1975 trở lại đây, do sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi xử lý, các PID số ngày càng đ−ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. PID số đ−ợc mô tả qua ph−ơng trình vi sai phân sau: uk =uk-1 + r0ek + r1ek-1 + r2ek-2 0 u(t) = Kp. e(t) + 1 Ti ∫ e(τ)dτ + TD . e(t) Ti PID Đối t−ợng Đo - x e u y 85 hoặc bằng hàm truyền gián đoạn: Với bộ điều khiển PID ng−ời sử dụng có thể dễ dàng tích hợp các luật điều khiển khác nh− luật điều khiển tỷ lệ - tích phân (luật PI), luật điều khiển tỷ lệ -vi phân (luật PD). Bộ điều khiển PID luôn là một phần tử không thể thay thế đ−ợc trong các quá trình tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả khi lý thuyết điều khiển tự động hiện đại đ−ợc ứng dụng vào việc thiết kế, các bộ điều khiển nh− bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển nơ ron, bộ điều khiển bền vững thì việc kết hợp giữa các ph−ơng pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ mà không bộ điều khiển nào có khả năng đem lại. e. Tín hiệu phản hồi : Khi thực hiện điều khiển đối t−ợng để đảm bảo độ chính xác và việc điều khiển tự động có thể thực hiện đ−ợc thì buộc chúng ta phải có tín hiệu phản hồi lấy từ đối t−ợng đ−a quay trở về bộ điều khiển để so sánh với tín hiệu đặt. Từ đó bộ điều khiển sẽ đ−a ra tín hiệu thích hợp để điều khiển đối t−ợng. ở đây chúng ta sử dụng cặp nhiệt làm phần tử lấy tín hiệu phản hồi. Bộ PID sẽ so sánh giá trị đặt tr−ớc với giá trị đ−a về của cặp nhiệt để đ−a ra tín hiệu điều khiển Rơle đóng cắt nguồn cấp điện cho Lò. Nh− ta đã biết ở trên, tín hiệu mà cặp nhiệt đ−a về là tín hiệu Analog có dải từ 0 đến 40 mV. Mặt khác bộ PID xử lý tín hiệu là tín hiệu số do vậy ta phải chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự thành tín hiệu số. Điều này có nghĩa là PLC S7 200 phải có cổng vào Analog. 1 2 2 1 10* 1 )( − −− + ++= z zrzrrzW 86 Trên thực tế CPU C214 chỉ có các đầu vào, ra Logic và không có đầu vào t−ơng tự. Nh−ng nó lại cho phép mở rộng thêm các đầu vào/ra t−ơng tự bằng việc ghép nối thêm modul t−ơng tự với PLC. ở đây chúng ta thực hiện ghép nối modul mở rộng EM235 với PLC C214. Modul này có 4 đầu vào t−ơng tự có chức năng nh− nhau. Ta sử dụng 1đầu vào t−ơng tự t−ong ứng với địa chỉ AIW2 để đọc tín hiệu vào từ cặp nhiệt. Tín hiệu đọc vào này sẽ đ−ợc chuyển đổi thành tín hiệu số và đ−ợc ghi vào từ đơn AIW2. 4.1.4. Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống: a) Cảm biến nhiệt độ: Trên thực tế có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ đ−ợc sử dụng, tuỳ theo sự tiện lợi của chúng trong từng lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, một số cảm biến thông dụng nh−: Cảm biến nhiệt độ dạng IC, Nhiệt điện trở Nikel, Cảm biến nhiệt điện trở Platin. Trong 3 loại này thì loại dùng phổ biến, chính xác, ổn định và phù hợp nhất với hệ thống của ta nhất chính là cảm biến nhiệt điện trở Platin, ở đây ta sử dụng loại Pt-100. Nhiệt độ đ−ợc đo nhờ một cặp nhiệt hoặc một nhiệt điện trở chính bằng nhiệt độ của cảm biến. Nhiệt độ này phụ thuộc nhiệt độ môi tr−ờng và sự trao đổi nhiệt trong đó. Để tăng độ chính xác của phép đo cần giảm hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ môi tr−ờng đo và nhiệt độ của cảm biến xuống nhỏ nhất bằng cách: - Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi tr−ờng đo. - Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi tr−ờng bên ngoài. Nhiệt điện trở Platin đ−ợc chế tạo từ kim loại platin, đây là một loại cảm biến nhiệt độ rất thông dụng trong công nghiệp ở dải đo từ -2000C đến 8500C. Các đặc tr−ng: - R0: Pt-100 R0 = 100 Ohm - Sự thay đổi nhiệt độ: Pt-100 0,4 Ohm/0K 87 b) Bộ điều khiển số MR13: Đây là một thiết bị tích hợp của hãng Shimaden với nhiều tính năng: - Tích hợp sẵn bộ khuếch đại tín hiệu. - Có 3 kênh điều khiển, 3 kênh vào, 3 kênh ra và có thể hiển thị đồng thời 3 kênh. - Cho phép thiết lập các thông số điều khiển PID và truyền thông với PLC. - Có giao diện RS232/RS485. Hình 4.3: Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 c) Cảm biến hồng ngoại: Trong thực tế đang tồn tại rất nhiều loại cảm biến hồng ngoại khác nhau. Th−ờng có 2 dạng cảm biến hồng ngoại th−ờng gặp: - Cảm biến hồng ngoại dạng tia: Cảm biến này sẽ phát ra 1 tia laser, khi gặp vật cản nó sẽ nhận đ−ợc tín hiệu phản hồi. - Cảm biến hồng ngoại dạng chùm: Cảm biến này sẽ phát ra 1 chùm tia laser, nó giống nh− một bức t−ờng vô hình trong 1 khu vực nhất định. Khi gặp vật cản nó sẽ nhận đ−ợc tín hiệu phản hồi. 88 Do tính chất của đề tài, ở đây cảm biến hồng ngoại đ−ợc sử dụng ở đây là cảm biến hồng ngoại dạng tia, loại PZ-41L của hãng KEYENCE. Hình dạng của cảm biến có dạng nh− Hình 4.4. • Cảm biến này là loại phản xạ có khuếch tán, với đặc tr−ng cơ bản: - Kích th−ớc rất nhỏ - Không thấm n−ớc - C−ờng độ chùm tia lớn - Dễ quan sát nhờ đèn LED chỉ báo • Hoạt động: - Khi hoạt động ổn định: Cả LED đỏ và xanh đều sáng, lúc đó cảm biến ở chế độ LIGHT-ON. - Khi hoạt động không ổn định: Đèn xanh tắt và đầu ra cảnh báo đ−ợc kích hoạt. • ứng dụng: Để phát hiện đối t−ợng vào/ra khỏi khu vực quản lý. 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát: 4.2.1. Các thành phần và tính năng của hệ thống: Dựa vào những phân tích ở trên, hệ thống điều khiển giám sát đã đ−ợc thiết kế ra với những thành phần và những tính năng sau: • Các thành phần của hệ thống: - Một máy tính có cài đặt phần mềm điều khiển giám sát Protool. Hình 4.4: Hình dáng của PZ-41L 89 - Một PLC S7 - 200 có gắn thêm modul truyền thông. - Một lò nhiệt, có gắn cảm biến nhiệt độ. - Một cảm biến hồng ngoại, để phát hiện có đối t−ợng đi vào khu vực cấm. - Một hệ thống đèn báo động sẽ sáng khi có đối t−ợng b−ớc vào khu vực cấm. • Tính năng của hệ thống: - Khi lò làm việc bình th−ờng, nhiệt độ của lò sẽ ở trong một giới hạn nhất định. Cảm biến nhiệt độ sẽ báo nhiệt độ của lò về trung tâm điều khiển và đ−ợc hiển thị ở màn hình máy tính. - Khi nhiệt độ của lò v−ợt ra khỏi giới hạn cho phép, trên màn hình của trung tâm điều khiển sẽ xuất hiện cảnh báo, đồng thời hệ thống sẽ tự động điều chỉnh điện áp cấp cho lò để đ−a nhiệt độ của lò về đúng giới hạn quy định. - Gần khu vực lò có gắn cảm biến hồng ngoại. Thông qua cảm biến này ta hệ thống sẽ giám sát số l−ợng ng−ời vào/ra khỏi khu vực lò nhiệt. Đồng thời khi quá giờ quy định, nếu có đối t−ợng lạ vào khu vực này thì cảm biến hồng ngoại sẽ phát hiện ra và ra lệnh báo động. - Khi có báo động thì đèn ở khu vực lò sẽ sáng để ng−ời bảo vệ biết và xử lý. 4.2.2. Hoạt động của hệ thống: Sau khi bật nguồn cung cấp cho các thiết bị của hệ thống, các thiết bị trong hệ thống sẽ ở trạng thái sẵn sàng hoạt động. Để thiết lập các thông số điều khiển của hệ thống, ta có thể thực hiện bằng một trong 2 cách: • Cách 1: Thiết lập thông qua bảng điều khiển trên lò nhiệt. Ngoài việc thực hiện các chức năng điều khiển, ta có thể thiết lập nhiệt độ ổn định của lò nhiệt và một số thông số điều khiển P, I, D. 90 Bảng điều khiển có các chức năng hiển thị nhiệt độ, hiển thị trạng thái đầu vào ra thông qua các đèn hệ thống. Bao gồm: Hình 4.5: Bảng điều khiển hệ thống - Đèn Power: Báo trạng thái nguồn cung cấp. - Đèn Stop: Thông báo hệ thống đang ở trạng thái Stop - Đèn Start: Thông báo hệ thống đang ở trạng thái hoạt động - Đèn F1: Thông báo chức năng F1 (Function 1) đang ở trạng thái hoạt động. - Đèn F2: Thông báo chức năng F2 đang ở trạng thái hoạt động. - Đèn Output: Hiển thị trạng thái đầu ra tăng nhiệt độ. - Nút Stop: đ−a hệ thống trở về trạng thái ngừng hoạt động. - Nút Start: Kích hoạt cho hệ thống hoạt động. - Nút F1: Kích hoạt chức năng F1, chức năng này đ−ợc lập trình thành chế độ tăng nhiệt c−ỡng bức bằng tay. - Nút F2: Kích hoạt chức năng F2, chức năng này đ−ợc lập trình là chức năng giảm nhiệt c−ỡng bức bằng tay STOP START F1 F2 STOP RUN PV SV OUPUT POWER BANG DIEU KHIEN hệ thống điều khiển giám sát học viên thực hiện: nguyễn trung kiên 91 - Bộ hiển thị, nhận giá trị đặt, nhận dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ, phân tích dữ liệu và truyền tín hiệu về PLC xử lý. - Cách 2: Thiết lập thông qua giao diện điều khiển giám sát trên máy tính. Về cơ bản nó t−ơng tự nh− bảng điều khiển trên lò nhiệt. Cụ thể, giao diện điều khiển giám sát có hình dạng nh− sau: Hình 4.6: Giao diện điều khiển giám sát Giao diện điều khiển giám sát HMI, đ−ợc xây dựng từ phần mềm Protool của hãng Siemens. Giao diện HMI cho phép giám sát toàn bộ trạng thái hệ thống, điều khiển can thiệp và sao l−u dữ liệu của hệ thống. Giao diện HMI bao gồm các phần: - Các nút t−ơng ứng với bảng điều khiển, cho phép điều khiển trực tiếp, tăng giảm nhiệt độ từ máy tính. 92 - Các đèn hiển thị t−ơng ứng với bảng điều khiển, cho phép giám sát trực tiếp trạng thái t−ơng ứng của hệ thống từ máy tính. - Chức năng l−u lại trạng thái hệ thống, các sự kiện (event), lập các bản thông báo (report) theo thời gian thực. - Chức năng bật/tắt cảnh báo: Nếu chức năng này đ−ợc bật hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái treo (báo động) khi cửa lò ch−a đ−ợc đóng hoặc khi có ng−ời tiến gần đến phía tr−ớc bảng điều khiển (hệ thống tạm dừng hoạt động, các đèn trên bảng điều khiển và trên màn hình máy tính liên tục nháy). Qua thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động rất ổn định. Ta có thể đặt nhiệt độ cho lò nhiệt trong khoảng từ 500C đến 2000C. Tín hiệu điều khiển từ máy tính tới lò nhiệt và tín hiệu phản hồi từ lò nhiệt về máy tính rất chính xác, độ trễ không đáng kể. Hệ thống điều khiển giám sát này đã mô phỏng khá đầy đủ những tính năng của một hệ thống SCADA. 93 Ket luận và kiến nghị Luận văn đã thể hiện rõ đặc điểm, cấu trúc và tính năng của hệ thống SCADA. Qua đó ta có thể hình dung đ−ợc cấu hình và hoạt động thực tế của một hệ thống SCACDA. Đồng thời, thông qua việc xây dựng hệ thống điều khiển giám sát, ta đã có thể hiểu rõ hơn về cách xây dựng một hệ thống SCADA cụ thể. Đặc biệt, thông qua những tính năng này của hệ thống, ta có thể xây dựng thêm những tính năng khác, để có thể xây dựng đ−ợc một hệ thống điều khiển giám sát tích hợp nhiều tính năng, sao cho phù hợp với nhu cầu thực tế, mục đích sử dụng mà không phụ thuộc vào một hệ thống lớn, tốn kém của n−ớc ngoài. Luận văn đã đề cập đến các vấn đề của một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Tuy nhiên ch−a đi sâu vào việc xử lý tín hiệu ảnh thu đ−ợc từ camera của hệ thống giám sát, để từ đó hệ thống phân biệt đ−ợc đối t−ợng xuất hiện là kẻ gian hay không, từ đó có cách xử lý hợp lý. Trong t−ơng lai, đây sẽ là một h−ớng nghiên cứu để ta có thể phát triển để luận văn này đ−ợc nghiên cứu sâu hơn. Ngoài ra, hệ thống điều khiển giám sát đ−ợc đề cập ở đây mới nghiên cứu chủ yếu đến hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp. Nh−ng trong thực tế, nhu cầu ứng dụng một hệ thống điều khiển giám sát tích hợp nhiều tính năng trong các công sở, tr−ờng học cũng rất lớn. Vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các tính năng phù hợp cho một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu sẽ là h−ớng phát triển tiếp theo của luận văn. 94 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt 1. Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh (2006), Trang bị Điện - Điện tử, NXB Giáo dục. 2. Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2001), Giáo trình cảm biến, NXB Khoa học và kỹ thuật. 3. Nguyễn Doãn Ph−ớc, Phan Xuân Minh (1997), Tự động hoá với SIMATIC S7 – 200, NXB Nông nghiệp. 4. Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (1999), Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng, NXB Khoa học và kỹ thuật. 5. Hoàng Minh Sơn (2006), Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa học và kỹ thuật. 6. Nguyễn Thu Thiên, Mai Xuân Vũ (2004), Sổ tay h−ớng dẫn lập trình PLC, NXB Trẻ. Tiếng Anh 7. A.Daneels, W.Salter, "Technology Survey Summary of Study Report", IT- CO/98-08-09, CERN, Geneva 26/08/1998. 8. Office of The Manager National Communications System (2004), Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) Systems, National Communications System. Websites: 9. 10. 11. 12. Phụ lục a Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống Bố trí hộp điều khiển và lò nhiệt: Kết cấu khung mô hình: Kích th−ớc hộp điều khiển: Kích th−ớc lò nhiệt: Mặt sau hộp điều khiển: Phía trong hộp điều khiển gồm Rơle và cầu chì: POWER Phụ lục B Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển Phụ lục c m∙ nguồn ch−ơng trình điều khiển cho PLC Ch−ơng trình dạng Ladder ._.