- i -
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN THỂ Lớp: 50CKCD
Ngành: Công nghệ cơ điện tử Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công
nghiệp”
Số trang: 92 Số chương: 04 Số tài liệu kham khảo: 07
Hiện vật: 02 cuốn báo cáo + 02CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận: ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số Nha Trang, ngày … tháng … năm 2011
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số Nha Trang, ngày … tháng … năm 2011
Cán bộ phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2011
Chủ tịch hội đồng
(Ký và ghi rõ họ tên)

- iii -
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu về đề tài với sự nỗ lực của bản thân
cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy, Cô trong nhà trường và các bạn trong
lớp em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “
Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô
phỏng hệ SCADA trong công nghiệp
” với thời gian đúng quy định.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong nhà trường, các Thầy,
Cô trong khoa Cơ Khí đã tận tình giúp đỡ em trong suốt những năm qua. Thầy,
Cô đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu nhất để làm hành trang
bước vào đời. Và đặc biệt em xin gửi tới các Thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử lời
cảm ơn chân thành nhất. Các Thầy đã và đang ngày đêm miệt mài nghiên cứu, lao
động để truyền đạt cho chúng em những kiến thức vô cùng quý báu, đã tạo cho
chúng em những điều kiện tốt nhất để chúng em được học tập, được sử dụng
thiết bị bộ môn để hoàn thành đồ án tốt và nhanh nhất.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy

1.3.2. Luồng thông tin trong hệ thống scada 7
1.3.2.1. Cấp thiết bị 7
1.3.2.2. Cấp điều khiển cục bộ 7
1.3.2.3. Cấp giám sát 7
1.3.2.4. Cấp quản lý 8
1.4. Cấu trúc phần cứng hệ SCADA 8
1.4.1. PLC trong hệ SCADA 8
1.4.1.1. Cấu trúc chung của một PLC 9
1.4.1.2. Cấu trúc, chức năng PLC S7_300 9
1.4.1.3. Ngôn ngữ lập trình 12
1.4.2. Compurter trong hệ SCADA 13
1.4.3. Data Acquisition Cards 13
1.5. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA 14
1.5.1. Tồng quan phần mềm WinCC 14
1.5.2. Các khái niệm thường dùng trong WinCC 16
- v -
1.5.2.1. WinCC Explorer 16
1.5.2.2. Các loại Project 17
1.5.2.3. Các thành phần cơ bản trong 1 dự án của WinCC 20
1.5.3. Các công cụ soạn thảo của WinCC 22
1.5.3.1. Thiết kế đồ họa của WinCC (Graphic Desginer) 22
1.5.3.2. Các đối tượng của WinCC 24
1.5.3.3. Hệ thống lưu trữ và hiển thị (Tag Logging) 27
1.5.3.4. Hệ thống cảnh báo (Alarm Logging) 29
1.5.3.5. Hệ thống báo cáo (Report Designer) 29
1.5.4. Hàm trong WinCC 30
1.5.4.1. Nhóm hàm chuẩn (Standard Function) 30
1.3.4.2. Nhóm hàm trong (Internal function) 31
1.5.5.1. Truyền thông trên mạng MPI 33
1.5.5.2. Truyền thông PROFIBUS 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

- vii -
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Bộ xử lý truyền thông trên mạng MPI 34
Bảng 1.2. Số lượng điểm kết nối truyền thông 35
Bảng 1.3. Bộ xử lý truyền thông trên mạng PROFIBUS 36
Bảng 1.4. Trình điều khiển truyền thông trên mạng PROFIBUS 36
Bảng 1.5. Số lượng các kết nối theo trình điều khiển truyền thông 37
Bảng 2.1. Chỉ số tiêu chuẩn tại nhà máy nước Phước Nhơn 50
Bảng 2.2. Đầu vào/ra trong nhà máy nước Phước Nhơn 67

- viii -
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản 5
Hình 1.2. Cấu trúc phân cấp SCADA SYSTEM theo SIEMENS 6
Hình 1.3. Luồng thông tin trong hệ SCADA 7
Hình 1.4. PLC S7_300 8
Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình 9
Hình 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của CPU 9
Hình 1.7. Máy tính công nghiệp 13
Hình 1.8. Cấu trúc của WinCC 16
Hình 1.9. Cấu trúc của dự án đơn 17
Hình 1.10. Cấu trúc của dự án nhiều người dùng 18

- 1 -
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày nay đã phát triển đột phá lên một tầm cao mới, nó đã
xuất hiện ở tất cả mọi lĩnh vực trong đời sống xã hội của con người. Đặc biệt là lĩnh
vực Điện tử - Tự động hóa và công nghệ phần mềm đang được ứng dụng hầu hết
trong các nhà máy và dây truyền sản xuất hiện đại. Nhiệm vụ thu thập dữ liệu, giám
sát, báo cáo và điều khiển các quá trình sản xuất không cần dàn trải mà đã được tích
hợp với sự trợ giúp của tự động hoá và công nghệ phần mềm. Nó đóng một vai trò
tích cực trong sự phát triển của các ngành công nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất
lượng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao động cho con người, năng xuất lao động
nhờ thế mà được nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung.
Trong hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát thì giao diện người máy
(HMI) là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các
cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện Người - Máy để phục vụ cho việc quan sát
và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ được sử dụng ngày càng rộng rãi trong
công nghiệp như là một giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa quá trình sản xuất.
Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ điều khiển logic khả trình đã đạt
được những ưu thế cơ bản trong những ứng dụng điều khiển công nghiệp, đó là dễ
dàng lập trình và lập trình lại, nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển, độ tin
cậy cao trong môi trường công nghiệp, cấu tạo nhỏ gọn so với hệ thống điều khiển
truyền thống dùng rơle. Vì vậy việc học tập, nghiên cứu và ứng dụng PLC trong các
hệ thống điều khiển là một nhu cầu rất cần thiết.
Sau một thời gian tìm hiểu,với mong muốn được tiếp cận những công nghệ
mới trong ngành cơ điện tử - tự động hoá. Tôi đã nhận đề tài tốt nghiệp “Nghiên
- 3 - CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ
SCADA

- 4 -
1.1. Khái niệm về SCADA
SCADA system (Supervisory Control And Data Acquisition system) – Hệ
thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển. Là “hệ thống thu thập dữ liệu thời
gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diễn, lưu trữ, phân tích và có khả năng
điều khiển được những đối tượng này thông qua máy tính và mạng truyền thông”.

- RTU (
Remote Terminal Unit)
: thiết bị đầu cuối từ xa.
Nhiệm vụ
: thu thập số liệu, xử lý & điều khiển ở chế độ thời gian thực.
Phân loại
: Các cảm biến thu thập dữ liệu, các máy móc có bộ xử lý, xử lý dữ liệu và
điều khiển đối tượng trong chế độ thời gian thực.
- MTU (
Master Terminal Unit
): trung tâm điều phối.
Nhiệm vụ:
thực hiện công việc thu thập số liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ
thời gian thực.
Phân loại:
Có giao diện người - máy (HMI), có thể là một máy tính đơn hoặc một
hệ thống máy tính lớn bao gồm Servers và Clients.
- CS
(Communication System):
hệ thống truyền thông.
Nhiệm vụ:
truyền dữ liệu từ RTU đến MTU và truyền tín hiệu điều khiển từ MTU
đến RTU.
Phân loại:
nhiều phương thức truyền thông, có dây, không dây,…
-
Phân chia chức năng trên hệ SCADA :
Có 4 thành phần chức năng cơ bản trên hệ SCADA:

Con người.

Cấp điều khiển giám sát
Cấp quản lý
Kế hoạch sản xuất,
Yêu cầu kinh tế
Tín hiệu điều khiển
Thông số đo được
từ quá trình
Thông số quá trình
Thông tin về trạng thái
quá trình, chỉ số kinh tế,
Chất lượng

Hình 1.3. Luồng thông tin trong hệ SCADA
1.3.2.1. Cấp thiết bị
- Chấp hành tín hiệu điều khiển thời gian thực
(realtime)
từ cấp trên.
- Trả lại thông số vận hành thời gian thực
(realtime)
cho cấp trên.
1.3.2.2. Cấp điều khiển cục bộ
- Thu thập dữ liệu thời gian thực từ cấp thiết bị.
- Tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển theo thuật toán cài đặt trước.
- Báo hiệu về việc vượt quá ngưỡng cho phép của các thông số từ quá trình.
- Kiểm soát những hành động lỗi của Operator và thiết bị điều khiển.
1.3.2.3. Cấp giám sát
- Thu thập thông tin từ cấp dưới, xử lý, lưu trữ và hiển thị.
- Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thông tin.
- Chuyển thông tin về việc sản xuất ở các xưởng, xí nghiệp cho cấp cao hơn.
- 8 -
OUTPUT

PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), là loại
thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một
ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số PLC
dùng để thay thế các mạch relay cồng kềnh trước đây.
PLC có vị trí tại cấp điều khiển cục bộ trong hệ SCADA.
1.4.1.1. Cấu trúc chung của một PLC

Cũng như các thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao
gồm 2 phần: khối xử lý trung tâm (
CPU:Central Processing Unit
) và hệ thống giao
tiếp vào/ra
(I/O)
như sơ đồ khối:

INPUT CPU

Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình
Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và
hệ thống nguồn cung cấp. Hình. 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của CPU
1.4.1.2. Cấu trúc, chức năng PLC S7_300
Các khối chức năng :
Processor

Ethernet công nghiệp.
 Module CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài cổng vào
ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào/ra
onboard.

PLC S7_300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Chúng được đặt tên theo
bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện
của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân
biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module).
Ví dụ như Module CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…
Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng
truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các
- 11 -
loại module này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed
Port) như là module CPU315-DP.
 Module mở rộng

Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:
• PS (Power supply)
Module nguồn nuôi. Có 3 loại:2A, 5A, 10A.
• SM (Signal module)
Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số
mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở

- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement List). Đây là dạng ngôn
ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều
câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc
chung là “tên lệnh”+”toán hạng”.
Ví dụ:

- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder Logic). Đây là dạng ngôn
ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.
Ví dụ:

- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram). Đây là
dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số. - 13 -
Ví dụ: 1.4.2. Compurter trong hệ SCADA

Hình 1.7. Máy tính công nghiệp
Có vai trò trong cấp điều khiển giám sát & cấp quản lý.
Cấu trúc (tổng quát):

- CPU (Central Procesing Unit)

Thu thập thông tin.

Xử lý thông tin.


-

Đưa ra các tín hiệu analog (dòng, thế) và tín hiệu discrete.
-

Biến đổi analog- digital (ADC).
-

Biến đổi digital- analog (DAC).
-

Biến đổi thang đo đối với các thông số analog.
- Tạo thông tin và truyền theo địa chỉ định trước.
1.5. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA :
Để thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, ngoài phần cứng có máy tính, ta
cần phải viết chương trình (phần mềm).
Hiện nay, trong lĩnh vực tự động hoá trên thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng có rất nhiều phần mềm SCADA cho phép chúng ta cấu hình và lập trình thu
thập dữ liệu & điều khiển giám sát của các hãng khác nhau, như: WinCC của
Siemens; Intouch của Wonderware; Rsview 32 của Rockwell Automation….Tuy
nhiên chúng có chung đặc điểm của phần mềm SCADA.
Ở đây chỉ xin giới thiệu về phần mềm WinCC của hãng Siemens.
1.5.1. Tồng quan phần mềm WinCC :
Ngày nay các thiết bị điều khiển quá trình PLC (Programmable Logic
Control) được thay thế dần cho các thiết bị điều khiển cũ để thực hiện việc tự động
hoàn toàn một quá trình công nghệ, thực hiện việc tích hợp mạng công nghiệp
(Industrial Ethernet). Trên thế giới các hang lớn về tự động hóa như Omron (Nhật),
Allen Bradly (Mỹ), Siemens (Đức) không ngừng phấn đấu để đưa ra những sản
phẩm mới trong lĩnh vực này với những tính năng của các PLC ngày càng mạnh,
tốc độ xử lý nhanh đáp ứng được các yêu cầu trong nền công nghiệp với các bài

Custom Controls (OCX). Những cơ chế này làm WinCC là một đối tác dễ hiểu, dễ
truyền tải trong môi trường Windows.
- 16 -
Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phần
cứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu của máy
tính cho việc sử dụng phần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ cho việc
truyền thông.

Hình 1.8. Cấu trúc của WinCC
1.5.2. Các khái niệm thường dùng trong WinCC :
1.5.2.1. WinCC Explorer
Nó được xuất hiện khi khởi động WinCC. Tất cả các phần của WinCC đều
được khởi động từ đây. Từ cửa sổ WinCC Explorer có thể xâm nhập vào tất cả các
thành phần mà một dự án giao diện người máy cần có cũng như việc xây dựng cấu
hình cho các phần riêng rẽ đó. Nhiệm vụ của WinCC Eplorer :
- Tạo một dự án mới.
- Đặt cấu hình trọn vẹn.
- Gọi và lưu trữ dự án.
- Quản lí dự án: Mở, lưu, di chuyển và copy.
- Chức năng ấn bản mạng cho nhiều người sử dụng (Client-Server Environment).
- Hiển thị cấu hình dữ liệu.