Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
1

MỤC LỤC
Mục lục 1
Mở đầu ……………………………………………………… 3
PHẦN I: Giới thiệu về mạng SCADA 4
I. định nghĩa SCADA 4
II. Các loại hệ thống SCADA 5
1. Hệ thống SCADA mờ 5
2. Hệ thống SCADA độc lập 6
3. Hệ thống SCADA mạng 6
4. Hệ thống SCADA xử lý đồ họa 6
5. Đánh giá một hệ SCADA 6
III. Cấu trúc hệ thống SCADA 7
IV. Mô hình phân cấp chức năng 9
1. Mô hình phân cấp 10
2. Nhiệm vụ chức năng của từng cấp 12
PHẦN II: Ưng dụng SCADA cho hệ thống 14
I. Nguyên lý hoạt động cơ bản và 14
1. Nguyên lý hoạt động cơ bản 14
2. Quy trình sản xuất của một hệ thống 15
II. Xây dựng mạng SCADA cho hệ thống 16
1. Trung tâm điều độ 16
2. Phòng điều độ xí nghiệp 18
3. Phòng điều độ nhà máy 18
4. Trạm vận hành 18
5. Thiết bị ghép nối ……………………………………. 18
6. Thiết bị chuyển đổi truyền thông 18


Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
3

MỞ ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện đại, việc ghép nối mạng nhằm phối
hợp hoạt động giữa các thiết bị, thu thập thông tin, tập trung xử lý số
liệu, điều khiển quá trình mềm dẻo, linh hoạt và trực quan là xu hướng
phổ biến nhất hiện nay trong ngành tự động hóa (TĐH). Thực tế ta
nhận thấy, phát triển tích hợp hệ thống theo hướng trên thì việc điều
khiển, quản lý, giám sát quá trình sản xuất trở nên linh hoạt và đáng tin
cậy hơn, chi phí giá thành hệ thống cũng giảm đáng kể. Với sự phát
triển của khoa học công nghệ hiện nay, việc ứng dụng kỹ thuật điện tử
công suât, tin học cơ khí chính xác để thực hiện TĐH là mạng tính tất
yếu. Nên đã đáp ứng được tốc độ xử lý lượng thông tin trao đổi giữa
người và máy, giữa máy và máy.
Trong từng xí nghiệp cụ thể của một công ty cung cấp nước sạch, thông
thường có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước sạch; hệ thống đường
ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Đặc điểm lớn của một công cấp nước
sạch là các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp
và công ty cách xa nhau. Các hệ thống đường ống dẫn nước trải rộng
trên một địa bàn rộng lớn. Cho nên việc liên kết tất cả các khâu trong
hệ thống là một yêu cầu quan trọng, để thực hiện tốt quản lý, tổ chức
sản xuất và cung cấp nước sạch. Ưng dụng SCADA chính là tự động
hóa liên kết này.
Việc ứng dụng hệ thống SCADA vào trong hệ thống cung cấp nước
sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đạt được các mục tiêu sau:
 Ổn định chất lượng nước
 Ổn định áp lực nước
 Quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ

mềm công nghiệp, nên việc chú trọng vào thiết kế một hệ SCADA là lựa
chọn công cụ phần mềm để thiết kế giao diện HMI và giải pháp tích hợp
hệ thống là vấn đề cốt lõi để xây dựng một hệ thu thập và điều khiển
giám sát.
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
5
Configuration
and maintenance
Analog I /O,
Discrete I /O
Flow
measur.
T
Temp
measur.
P
Pressure
measur.

Actuator
Control objects
Realtime
DB
SCADA
Station

ở trong các đơn vị sản xuất có quy mô nhỏ và vừa
3. Hệ thống SCADA mạng
Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi
xử lý. Các máy tính giám sát nối mạng với nhau. Thường chúng được sử
dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất nơi có nhiều máy móc cần
phải điều khiển.
Thông qua các mạng truyền thông, toàn bộ hệ thống được kết nối với
phòng điều khiển cấp phân xưởng, phòng giám sát cấp công ty. Hoặc có
nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý và phòng thiết kế.
4. Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực
Hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ các thông tin đã
được thu thập trước của máy tính mà hệ có khả năng mô phỏng quá trình
hoạt động của hệ thống sản xuất. Nhờ máy tính ghi lại toàn bộ dữ liệu
quá trình hoạt động của hệ thống nên khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể
báo cho người vận hành, hoặc tự động xử lý lỗi xảy ra đó.
5. Đánh giá một hệ SCADA
Để đánh giá một hệ điều khiển và giám sát SCADA thì cần phải phân
tích các đặc điểm của hệ thống theo một số tiêu chuẩn như:
 Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm điều khiển việc thực hiện
xây dựng các màn hình giao diện.
 Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ họa có sẵn, khả
năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật có tốt
không.
 Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện quá trình,
khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging),
xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive
and history) và lập báo cáo (Reporting)
 Tính thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, với nền
Windown thì hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX Control và
OPC.
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
8
Hc vin k thut quõn s

H Anh Thng kt2a- Mail: [email protected]
9Hệ thống điều khiển giám sát
Thiết bị điều khiển tự động
Cảm biến và chấp hành
Qúa trình kỹ thuật
NI
NI
NI I/O NI
NI
I/O

có thể đảm nhận được việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên
cấp điều khiển cao hơn.
b. Cấp điều khiển:
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến,
đo lường…Sau đó xử lý các thông tin này theo một thuật toán nhất định
và truyền đạt kết quả trở về lại cơ cấu chấp hành để điều khiển các thiết
bị. Máy tính ở đây cũng có thể được sử dụng, nó có chức năng theo dõi
các công cụ đo lường từ thực hiện các thao tác như ấn nút đóng mở van,
điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Đặc điểm nổi bật nhất của cấp điều
khiển là xử lý thông tin.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành còn được gọi chung là cấp trường
(Field Lever) do các thiết bị như cảm biến và chấp hành. Các bộ điều
khiển thường được lắp ghép trực tiếp tại hiện trường gần với hệ thống kỹ
thuật.
c. Cấp điều khiển và giám sát
Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ
hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám
sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường.
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
11
Ở một số trường hợp cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao
cấp như: điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo
công thức.
Do nhu cầu và sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, đặc
biệt là trong các hệ thống TĐH là mạng truyền thông công nghiệp và
máy tính điều khiển công nghiệp (Controller). Nên việc tích hợp hệ
thống ngày càng được phát triển nhiều hơn, các mô hình sản xuất cần
phải được xây dựng tổng thể kể cả ở cấp điều hành sản xuất và quản lý

nghiệp
Bus hệ
thống
(Bus quá
trình)
Bus truờng
(Bus thiết bị)
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
13
2) Nhiệm vụ, chức năng của từng cấp:
Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân chia thành
nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp đều có những yêu cầu và nhiệm vụ riêng
(Như các cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển riêng…).
Máy móc thiết bị sản xuất được lắp đặt bên trong cấp quản lý phân
xưởng xí nghiệp cấp dưới. Có một số trường hợp thì các đối tượng có thể
nằm ở hai cấp khác nhau vừa là giám sát điều khiển ở cấp trên và cũng
vừa là giám sát điều khiển các thiết bị cụ thể ở cấp dưới.
Ở mỗi cấp SCADA thường điều khiển và giám sát một cấp quản lý ở cấp
ấy. Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới sẽ thu thập số liệu trên máy
móc phân xưởng, phân loại rõ thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi
cấp SCADA nào. Các số liệu thu được sẽ được các hệ thống SCADA
truyền tin từ cấp dưới lên cấp trên theo yêu cầu của các thiết bị cấp cao
hơn, cho đến cấp quản lý để thu thập dữ liệu, hiển thị, in ấn và cài đặt
tham số điều khiển…
Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích và tính toán đã được giao từ
trước, sau đó đưa ra các lệnh để thay đổi các đối tượng thông qua hệ
thống mạng truyền thông, gửi lệnh đó đến cấp SCADA cần điều khiển.
Để giải quyết bài toán này thì các hệ thống SCADA sẽ được trang bị

Tóm lại chức năng chính của một hệ thống SCADA nói chung như sau:
 Điều khiển và giám sát trạng thái của tất cả thiết bị, máy
móc…tại hiện trường
 Thu thập và lưu trữ các thông số của các thiết bị, máy móc, sản
phẩm…
 Phân tích bảo đảm chất lượng sản phẩm
 Cảnh báo và báo lỗi xảy ra tại các thiết bị máy móc…
 Báo cáo, thống kê và in ấn.
 Tạo lập và thực thi hàm, công thức
 Bảo mật và phân quyền sử dụng hệ thống
 Chỉnh sửa Online
Và cấp cao hơn có thể sử dụng mạng thông tin di động toàn cầu Internet
để kết nối toàn bộ hệ thống SCADA. Người vận hành có thể ở bất kỳ
đâu cũng có thể truy cập đến các phòng điều độ và phòng điều khiển.
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
15
PHẦN II: ỨNG DỤNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP
NƯỚC SẠCH THÀNH PHỐ
I. Nguyên lý hoạt động cơ bản và quy trình sản xuất của một hệ thống

hiệu quả điều hành, quản lý. Các quy trình không cần thiết trong hệ
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
16
thống có thể được lược bỏ bớt, giảm thiểu về mặt con người trong công
ty. Quá trình điều khiển sẽ được tối ưu hơn…
2. Quy trình sản xuất của một hệ thống cung cấp nước sạch:
Trong từng xí nghiệp cụ thể của một công ty cung cấp nước sạch, thông
thường có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước sạch; hệ thống đường
ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Đặc điểm lớn của một công cấp nước
sạch là các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp
và công ty cách xa nhau. Các hệ thống đường ống dẫn nước trải rộng
trên một địa bàn rộng lớn. Cho nên việc liên kết tất cả các khâu trong hệ
thống là một yêu cầu quan trọng, để thực hiện tốt quản lý, tổ chức sản
xuất và cung cấp nước sạch. Ưng dụng SCADA chính là tự động hóa
liên kết này.
Quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch cho một công ty cung cấp
nước
Nhận thấy trong hệ thống này, mạng lưới đường ống là phức tạp nhất.
Các đường ống thường có kích thước khác nhau và nó luôn phát triển
rộng lớn tùy thuộc vào mức độ phát triển của các địa chỉ họ tiêu dùng
nước sạch. Cho nên để năng cao hiệu quả điều hành và cung cấp nước
sạch, ta cần phải giám sát các thông sỗ kỹ thuật sau:
 Lượng nước thô khai thác: Thông số này liên quan đến phí phải
trả về khai thác tài nguyên và là một thông số liên quan đến đánh giá tổn
thất nước.

Printer
Screen 32In
`
Clien PC
Modem
Modem Sever PC
Printer
PĐĐ XN
BƯU ĐIỆN
(Port Office)
Modem
`
Cilend PC
Printer
PLC1
KW KW
AP1 PH1 NTU
FLOW
2
FLOW
1
PH2
PH3 AP2
NTU TDS
Tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành
Bể trộn
Tín hiệu thể hiện trạng thái các cơ cấu
chấp hành
Lever
PĐĐ NM

nước
Hình 4: Cấu hình mạng SCADA cho hệ thống cung cấp nước

Từ hình vẽ ta nhận thấy, hệ thống có các dạng tổng thể như sau:
1. Trung tâm điều độ:
Có chức năng giám sát, thu thập dữ liệu về quá trình sản xuất và
cung cấp nước sạch của các xí nghiệp thành viên, để quản lý trong sản
xuất và kinh doanh. Trung tâm này được đặt tại một phòng điều khiển tại
công ty.
Bao gồm :
 Máy tính để bàn : Để giám sát, xử lý và thu thập dữ liệu với cấu
hình tối thiểu như sau :
CPU loại Pentium IV/3Ghz, Ram 512Mb, Monitor 17’’ LCD,
Hard Dish 80Gb, FDD 3
1/2’’
; CD-RW/DVD 52X, Network Card LAN,
Ethernet 10/100 Mbps; Hệ điều hành Windown
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
19
2000Pro/WinNT/WinXP (Khuyên dùng hệ điều hành miễn phí Linux
UBUTU 7.04 trở lên). Và kèm theo đầy đủ các phụ kiện khác như :
Mouse, keyboard, Port USB…
 Màn hình giám sát: LCD, TV/Moniter có kết nối PC/RS232.
 Switch mạng truyền thông (LAN switch): Có cấu hình tối thiểu là
8 Port giao tiếp RJ45, tốc độ truyền dữ liệu 10/100Mbps. Giao thức
truyền thông và hoạt động TCP/IP, UTP, ISO…
 Modem sử dụng công nghệ quay số thuê bao điện thoại có tốc độ
56Kbps, tính bảo mật cao, sử dụng các ứng dụng Internet.

Chức năng kết nối truyền thông giữa PLC và máy tính PC
7. Các tín hiệu đo lường cần thiết để đưa về bộ điều khiển PLC gồm:
 Ap lực nước (AP)
 Hàm lượng Clo dư CLO
 Độ PH
 Độ đục NTU
 Độ lắng cặn TDS
 Lưu lượng nước (Flow)
 Điện năng tiêu thụ giữa các trạm (Kw/TR)
 Mức nước Lever
 Các tín hiệu thể hiện trạng thái của các cơ cấu chấp hành (Bơm
điện, biến tần ), các van
III. Một sô thiết bị sử dụng trong hệ thống cung cấp nước sạch:
1) Cấu hình mạng SCADA biến tần cho các trạm bơm Trong sản xuất và cung cấp nước sạch, việc phải tiêu thụ năng lượng
điện là rất lớn (Đặc biệt là ở các trạm bơm thô và nước sạch). Vì vậy,
việc sử dụng kỹ thuật biến tần trong các hệ truyền động điện của các
trạm bơm là đòi hỏi cấp thiết nhằm tiết giảm năng lượng tiêu thụ điện.
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
21
Lúc này sẽ tạo nên mạng SCADA biến tần tại các trạm bơm đáp ứng
được nhu cầu thực tiễn và hiệu quả trong sản xuất cao hơn.
Hiện nay các doanh nghiệp có nhu cầu thiết lập mạng SCADA biến tần
nhằm thỏa mãn nâng cao năng lực quản lý và tiết giảm năng lượng điện.
Tuy nhiên, để thiết lập hoàn chỉnh và khai thác hết các tính năng (Do
phần mềm quy định) mạng này đòi hỏi nguồn vốn đầu tư lớn, để nâng

của nước chảy trong đường ống dẫn nước qua một từ trường không đổi
do cuộn dây tạo ra. Tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy mà điện áp sinh ra
trên điện cực là khác nhau. Như vậy giá trị điện áp đã mang thông tin về
tốc độ dòng chảy của nước trong đường ống. Điện áp này được đưa về
khối xử lý, và ở đây sẽ hiển thị các thông số về lưu lượng tức thời và lưu
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
23
lượng tích lũy lên màn hình hiển thị LCD, và đồng thời truyền thông tin
về PLC của mạng SCADA.
3) Đo áp lực (AP):
Thông thường áp lực nước trong đường ông được quy định là nhỏ hơn
16 Bar. Phổ biến trong hệ SCADA là sử dụng đầu đo áp lực kèm theo bộ
hiển thị áp lực và truyền dòng 4-20mA.
Đầu đo áp lực hoạt động dựa trên nguyên lý: thay đổi giá trị điện trở bán
dẫn khi có áp lực P ép vào bề mặt tiếp xúc của đầu đo, điện trở thay đổi
làm thay đổi giá trị điện áp (hoặc dòng điện) ở đầu ra và đưa đến bộ hiển
thị áp lực. Đồng thời truyền tín hiệu 4-20mA (Hoặc áp 0-10VDC) mang
thông tin áp lực nước về PLC
4) Đo độ đục (NTU) và độ lắng cặn (TDS):
Đo độ đục (NTU) và độ lắng cặn (TDS) của nước thô và nước sạch gồm
đầu đo kèm theo bộ điều khiển và hiển thị. Hình 6: cấu tạo của cảm biến đo độ lắng cặn và độ đục

Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]

WinCC có các chức năng tiện ích phục vụ cho các nhu cầu thể hiện các
trạng thái động về mặt đại diện của hệ thống điều khiển. Sự thay đổi giá
trị của các biến chương trình sẽ là sự thay đổi thuộc tính của các đối
tượng. Khả năng này mang tính mềm dẻo khi tổ chức chương trình.
 Thể hiện các trạng thái liên động giữa các đối tượng:
Học viện kỹ thuật quân sự

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: [email protected]
25
Mang lại khả năng mềm dẻo hơn nữa trong việc thiết kế đồ họa. Mỗi đối
tượng khi thay đổi thuộc tính của mình sẽ kéo theo sự thay đổi thuộc tính
của các đối tượng khác và ngược lại.
2. Phương pháp tổ chức và xử lý dữ liệu linh hoạt:
Chương trình WinCC có nhiều hàm chuẩn trong thư viện. Mỗi hàm đảm
nhận một chức năng khác nhau. Để mở rộng khả năng và tạo sự linh hoạt
trong việc lập trình ta có thể xây dựng những cơ sở dữ liệu riêng cho
mình để phục vụ cho mục đích nào đó. Cơ sở dữ liệu này được viết bằng
ngôn ngữ C hoặc Visual Basic và được biên dịch bằng phần mềm riêng
trong WinCC.
Việc tổ chức và xây dựng các hàm được thực hiện bằng Global Scrip.
 Các hàm chuẩn (Standard Funtion)
Đây là các hàm chức năng riêng mà WinCC hỗ trợ cho người lập trình
có trong thư viện của WinCC. Các hàm chuẩn này được sử dụng bởi tất
cả các trình ứng dụng. Người lập trình có thể tạo ra những hàm chuẩn
hay thay đổi hàm chuẩn có sẵn. Những yêu cầu xây dựng hoặc thay đổi
hàm chuẩn dựa vào khả năng và hiểu biết bề ngôn ngữ lập trình C
 Các hàm ứng dụng (Project Function)
Các hàm ứng dụng là các hàm mà WinCC cung cấp với mục đích sử
dụng trong phạm vi một ứng dụng cụ thể. Các hàm này được kê khai
trong Hearder file “Acfx.h”. Người lập trình có thể thay đổi hay xây