LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các hệ thống điều khiển và thu thập số liệu (SCADA) đã được
phát triển khá hoàn thiện và trợ giúp rất đắc lực cho các yêu cầu của các xí
nghiệp công nghiệp. Việc triển khai một hệ thống điều khiển giám sát ở một
xí nghiệp công nghiệp sẽ mang lại những hiệu quả không những cho người
trực tiếp vận hành quá trình sản xuất mà còn ở cấp quản lý sản xuất hay lãnh
đạo công ty.
Công ty gạch ốp lát Thái Bình với dây chuyền sản xuất gạch ceramic của
Italy là một dây chuyền hiện đại và sản phẩm đã tạo dựng được những thương
hiệu trên thị trường trong nước và xuất khẩu ra nhiều thị trường lớn trên thế
giới. Vấn đề điều hành và quản lý sản xuất kinh doanh đang được ban lãnh
đạo công ty và các cán bộ công nhân viên nỗ lực hoành thiện và nâng cao hơn
nữa nhằm mục đích đảm bảo chất lượng sản phẩm hiệu quả kinh doanh và
khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Dây chuyền sản xuất của phân xưởng sản xuất trải rộng trên diện tích
khoảng 5.00m
2
với đội ngũ cán bộ quản lý phân xưởng khoảng 10 người và
làm việc ba ca liên tục là một thực tế khó khăn cho công tác điều hành sản
xuất. Các phòng ban trong công ty làm việc vẫn còn dựa nhiều trên giấy tờ và
chưa thực sự cập nhật nhanh các yêu cầu về vật tư, nguyên vật liệu, thiết bị
phụ tùng thay thế, sản lượng chất lượng sản phẩm để đảm bảo cho quản lý sản
xuất, kinh doanh đạt hiệu quả cao nhất. Việc đưa xây dựng một hệ thống điều
khiển và giám sát toàn công ty là một nhu cầu thực sự cấp thiết.
Dựa trên nhu cầu thực tế tại công ty, luận văn này được thể hiện trên cơ
sở bám sát thực tế sản xuất nhằm khắc phục những khó khăn đang tồn tại của
quá trình sản xuất đồng thời giám sát và điều khiển các công đoạn sản xuất
đạt hiệu suất tối ưu.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự góp ý xây dựng của các cán bộ quản lý
trong công ty. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Văn Khang
đã hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn.
tialler
Can -
tialler
Can -
tialler
Các bộ điều khiển quá trình là các PLC có thể được kết nối trực tiếp với
Data Server hoặc thông qua mạng truyền thông công nghiệp.
Các Client và Data Server được nối với nhau thông qua mạng ethernet
LAN.
Các phần mềm SCADA đều là phần mềm đa nhiệm và được xây dựng
trên nguyên tắc thời gian thực (Real Time) và được cài đặt trên các Server.
Server chịu trách nhiệm thu nhập và lưu giữ dữ liệu.
Tuy nhiên ta cũng có thể sử dụng mỗi Server cho một nhiệm vụ nhất
định (dedicated server) như lưu trữ, cảnh báo …
1.1.2. Cấu trúc phần mềm
Cấu trúc phần mềm của các hệ SCADA có thể được chia thành 3 thành
phần chính sau:
Phầm mềm phát triển: Gồm các công cụ thiết kế đồ họa, các thư viện
hình ảnh, các công cụ import/export, các công cụ phát triển điều khiển truyền
thông với các bộ điều khiển PLC.
Phần mềm giao tiếp với các bộ điều khiển và thực hiện việc thu thập số
liệu: được cài đặt trên Server:
Phần mềm giám sát, hiển thị: được cài đặt trên Client
Hình 1.2: Cấu trúc phần mềm hệ SCADA
1.1.3. Truyền thông trong hệ SCADA
Hệ SCADA có hai cấp truyền thông chính: truyền thông nội bộ (Internal
Communication) và truyền thông truy cập thiết bị (Access to Devices)
Truyền thông nội bộ:
Là truyền thông giữa máy chủ với máy trạm và giữa các máy chủ với
nhau. Giao thức truyền thông sử dụng trong trường hợp này là giao thức
3
rd
Partv
Applic
Active X Container
HMI Tren
ding
Racipa
DB
Recipe
Managt
Ref
DB
Client / Server Publish/ Subscribe - TCP/IP
Alam
Display
Long
Display
RT & Event Manager
SCADA Server
Data
Proces
-ging
Report
Gener
RT
DB
Alarm Log Archive
Alarm DB Log DB Archive DBSQL
DDE
định được loại PLC mình dự định sử dụng, từ đó biết được các chuẩn giao
diện nào có thể áp dụng.
Ngày nay ngoài việc áp dụng chuẩn giao diện khá phổ biến là OPC
(OLE for Process Control), người thiết kế có thể tự viết chương trình giao
diện với các PLC theo chuẩn Modbus – một chuẩn mực đã được công khai và
khá phổ biến cho bất cứ ai muốn tự viết giao diện truyền thống với PLC.
Hệ thống SCADA là hệ điều khiển giám sát có giao diện truyền thông
mở, có thể sử dụng giao diện OPC, Modbus hoặc tự định nghĩa giao diện
truyền thông với các PLC.
Tính linh hoạt:
Hệ SCADA là một hệ thống có độ linh hoạt rất cao.
Cho phép kết nối nhiều server với các bộ điều khiển khác nhau, mỗi
Data Server có thể có một cấu trúc cơ sở dữ liệu khác nhau và có nhiệm vụ
giám sát với một số biến nhất định.
Khả năng dự phòng:
Do nhiệm vụ chính của hệ SCADA không phải là điều khiển toàn hệ thống
mà chỉ tập trung giám sát nên yêu cầu về khả năng dự phòng là không cao.
Thông thường chỉ có dự phòng ở cấp Data Server.
Ngoài ra các hệ SCADA cũng cho phép giải phóng dự phòng một cách
đầy đủ nếu cần thiết.
1.1.4. Chức năng của hệ SCADA
Điều khiển quyền truy nhập hệ thống: Các hệ thống SCADA phải có
chương trình quản lý, giám sát truy cập hệ thống. Chương trình này sẽ phân
loại người dùng theo nhóm. Mỗi nhóm được định nghĩa các quyền khác nhau
đối với các khu vực và các tham số quá trình khác nhau.
HMI (Human – Machine Interface): Cung cấp giao diện với người sử
dụng: Thông qua các thư viện đồ họa, hệ CSADA cung cấp giao diện điều
khiển giám sát một cách đầy đủ, trực quan và sinh động.
Ngày nay bằng công nghệ Microsoft Active X, cho phép chúng ta có thể
sử dụng lại các công cụ đồ họa một cách dễ dàng và có thể xây dựng các công
Công cụ này có thể xuất dữ liệu dưới dạng file ASCII để có thể sửa đổi bằng
trình sửa đổi ASCII hoặc Excel.
- Công cụ lập trình (theo chuẩn IEC - 61131-3).
- Công cụ phát triển Driver cho các phần cứng: thông thường các nhà
cung cấp công cụ phát triển SCADA đều đã xây dựng sẵn các Driver cho hầu
hết các PLC thông dụng.
1.2. LÝ THÔNG TIN
1.2.1. Xử lý thông tin thời gian thực
Tính năng thời gian thực (real time) là một trong những đặc trưng quan
trọng nhất đối với các hệ thống tự động hoá nói chung và hệ thống SCADA
nói riêng.
Sự hoạt động bình thường của một hệ thống kỹ thuật làm việc trong thời
gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn của các kết quả
đẩu ra mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. Một hệ thống có tính
năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan
trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên
ngoài. Như vậy, một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải
có cả khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu
của các đối tác truyền thông. Tính năng thời gian của một hệ thống điểu khiển
phân tán phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống bus trường.
Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những
đặc điểm sau:
- Độ nhanh nhạy. Tốc độ truyền thông hữu ích phải đủ nhanh để đáp úng
nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.
- Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và
thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm.
- Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển
dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định.
- Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không
gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống.
2
1
Ứng dụng
Trình diễn
Kiểm soát nối
Vận chuyển
Mạng
Kết nối dữ liệu
Vật lý
7
6
5
4
3
2
1
Đường truyền vật lý
Chức năng các tầng trong mô hình OSI:
1. Physical: Liên quan đến nhiệm vụ truyền dòng bit không có cấu trúc
qua đường truyền vật lý, truy nhập đường truyền vật lý nhờ các phương tiện
cơ, điện, hàm, thủ tục.
2. Data Link: Cung cấp phương tiện để truyền thông tin qua liên kết vật
lý đảm bảo tin cậy; gửi các khối dữ liệu (Frame) với các cơ chế đồng bộ hoá,
kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu cần thiết.
3. Network: Thực hiện việc chọn đường và chuyển tiếp thông tin với
công nghệ chuyển mạch thích hợp, thực hiện kiểm soát luồng dữ liệu và cắt /
hợp dữ liệu nếu cần.
4. Transport: Thực hiện việc truyền dữ liệu giữa hai đầu mút (end- to -
end); thực hiện cả việc kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu giữa 2 đầu
mút. Cũng có thể thực hiện việc ghép kênh (multiplexing), cắt / hợp dữ liệu
không' bị phụ thuộc vào mạng công nghiệp cụ thể. Trong thời điểm hiện nay,
OPC cũng như COM tuy mới được thực hiện trên Windows song đã có nhiều
cố gắng để phổ biến sang các hệ điều hành thông dụng khác.
Chính vì OPC được xây dựng trên cơ sở mô hình thành phần COM nên
có thể sử dụng qua nhiều phương pháp khác nhau, bằng nhiều ngôn ngữ lập
trình khác nhau. Để khai thác thật hiệu quả các dịch vụ OPC, người lập trình
phải hiểu khá rõ về công nghệ hướng đối tượng và phần mềm thành phần nói
chung và COM nói riêng.
1.2.4.2 Tổng quan về kiến trúc OPC
OPC được xây dựng trên ý tưởng ứng dụng công nghệ COM nhằm đơn
giản hoá, chuẩn hoá việc khai thác dữ liệu từ các thiết bị cận trường và thiết bị
điều khiển, tường tự như việc khai thác một hệ thống cơ sở dữ liệu thông
thường. Giống như COM, OPC không quy định việc thực hiện khai thác cụ
thể, mà chỉ định nghĩa một số giao diện chuẩn. Thay cho việc dùng C/C++
dùng để định nghĩa một giao diện lập trình như thông thường, ngôn ngữ dùng
ở đây (gọi là interface definition language hay IDL) không phụ thuộc vào nền
cài đặt hay ngôn ngữ lập trình.
Như được minh họa trên hình, hai kiểu đối tượng thành phần quan trọng
nhất trong kiến trúc OPC là OPC -Server và OPC - Group. Trong khi OPC -
Server có nhiệm vụ quản lí toàn bộ việc sử dụng và khai thác các dữ liệu, thì
các đối tượng OPC - Group có chức năng tổ chức các phần tử dữ liệu(items),
thành từng nhóm để tiện cho việc truy nhập. Thông thường, mỗi item ứng với
một biến trong một quá trình kỹ thuật hay một thiết bị điều khiển.
Hình 1.4 Kiến trúc sơ lược của OPC
Chuẩn OPC hiện nay quy định hai kiểu giao diện là Custom
Interfaces(OPC Taskforce, 1998b) và Automation Interface (OPC Taskforce,
1998c). Kiểu thứ nhất bao gồm một số giao diện theo mô hình COM thuần
tuý, còn kiểu thứ hai dựa trên công nghệ mở rộng OLE- Automation. Sự khác
nhau giữa hai kiểu giao diện này không những nằm ở mô hình đối tượng, ờ
các ngôn ngữ lập trình hỗ trợ mà cũng còn ở tính năng, hiệu suất sử dụng.
Hình 1.5. Phân loại các phương pháp truy nhập
Theo phương pháp tiền định thì trình tự truy nhập bus được xác định rõ
ràng. Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một
trạm chủ (phương pháp Master/Slave), theo sự qui định trước về mặt thời gian
(phương pháp TDMA - Time Division Multiple Access) hoặc phân tán bởi
các thành viên (phương pháp Token Passing). Nếu mỗi hoạt động truyền
thông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất
định, thì thời gian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus có thể tính toán được.
Các hệ thống này vì thế được gọi có khả năng thời gian thực.
Phương pháp truy
nhập bus
Kiểm soát trung tâm
Master/Slave TDMA
Kiểm soát phân tán
Token Passing
Truy nhập
tiền định
Nhận biết xung đột
CDMA/CD
Tránh xung đột
CDMA/CA
Truy nhập
ngẫu nhiên
Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus
không được qui định chặt chẽ trước mà để hoàn toàn theo nhu cầu của các
trạm. Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy nhập bus để gửi thông tin đi
bất cứ lúc nào. Để loại trừ tác hại của việc xung đột gây nên, có những
phương pháp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/ CD - Carrier Sense
Multiple
Access with Collision Detection) hoặc tránh xung đột (CSMA / CA -
Logical Link Control - LLC) làm việc với cùng một giao thức. Môi trường
truyền dẫn và phương pháp điều khiển truy nhập đường dẫn cho mỗi một
mạng con có thể khác nhau. Cầu nối được sử dụng khi liên kết các mạng con
có cấu trúc khác nhau hoặc do một yêu cầu thiết kế đặc biệt nào đó.
Đối chiếu với mô hình OSI thì một cầu nối giảm việc trên cơ sở lớp
LLC, tức phần trên của lớp 2. Như vậy, nó sẽ phải thực hiện các giao thức
phía dưới lớp này cho cả hai phần trên mạng để có thể chuyển đổi các bức
7
6
5
4
3
2
1
Repeater
7
6
5
4
3
CT ứng dụng
1
VD: Profibus
Segent 1
VD: Profibus
Segent 2
CT ứng dụng
2
1
điện qua lại. Bản thân một cầu nối không có địa chỉ mạng riêng.
CT ứng dụng
2
1
VD: Ethernet
MAC
1
1
MAC
1
Hình 1.8. Router trong mô hình OSI
1.3.1.4. Gateway
Gateway được sử dụng để liên kết các hệ thống mạng khác nhau (các hệ
thống bus khác nhau). Nhiệm vụ chính của gateway là chuyển đổi giao thức ở
cấp cao, thường được thực hiện bằng các thành phần phần mềm. Như vậy,
gateway không nhất thiết phải là một thiết bị đặc biệt mà có thể là một máy
tính PC với phần mềm cần thiết. Tuy nhiên, cũng có các sản phẩm phần cứng
chuyên dụng thực hiện chức năng gateway.
Hình 1.9. Gateway trong mô hình OSI
7
6
5
4
3
2
Router
7
6
5
4
3
7
6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
1
Gateway
1.3.2. Phần cứng giao diện mạng
1.3.2.1. Cấu trúc chung các phần cứng giao diện mạng
Một giao diện bao gồm bao gồm các thành phần xử lý giao thức truyền
thông (phần cứng và phần mềm) và các thành phần thích ứng cho thiết bị nối
mạng. Hình 1.10 mô tả một cấu trúc tiêu biểu phần cứng ghép nối bus trường
cho các thiết bị, sử dụng chủ yếu các vi mạch tích hợp cao. Phần cứng này có
thể thực hiện dưới dạng một bảng chuyển mạch riêng để có thể ghép bổ xung
hoặc tích hợp sẵn trong bảng mạch của thiết bị.
Chức năng xử lý giao thức truyền thông có thể được thực hiện bằng một
bộ vi xử lý thông dụng kết hợp với vi mạch thu phát không đồng bộ đa năng
ƯART (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter). Vi mạch ƯART
thực hiện việc chuyển đổi các dữ liệu song song từ vi xử lý sang một dãy bit
nối tiếp. Phần mềm xử lý giao thức được lưu trữ trong bộ nhớ
EPROM/EEPROM hoặc Flash-ROM. Phương pháp này có nhược điểm là
tính năng thời gian xử lý truyền thông rất khó xác định và kiểm nghiệm một
cách chính xác. Bên cạnh đó chi phí cho thiết kế, phát triển, thử nghiệm, thử
dụng (ASIC)
RAM
đoán. Nhờ đó, việc phân tán các chức năng tự động hoá xuống các thiết bị
trường được nối mạng không những giảm tải cho máy tính điều khiển cấp trên
mà còn cải thiện tính năng thời gian thực hệ thống.
Tuy nhiên, thông thường các bảng mạch điện tử “cứng” không đảm
nhiệm toàn bộ chức năng xử lý giao thức truyền thông mà chỉ thực hiện dịch
vụ thuộc các lớp dưới trong mô hình OSI, còn các phần mềm trên thuộc tránh
nhiệm của phần mềm thư viện ứng dụng. Trong một số hệ thống bus hoặc
trong một sản phẩm, nhà sản xuất tạo điều kiện cho người sử dụng tự lựa
chọn một trong nhiều khả năng.
Hầu hết các mạch giao diện bus đều thực hiện cách ly với đường truyền
để tránh ảnh hưởng lẫn nhau. Ngoài ra, cần một bộ cung cấp nguồn nuôi trong
trường hợp đường truyền tín hiệu không đồng tải nguồn. Đa số các thành
phần ghép nối cũng cho phép thay đổi chế độ làm việc hoặc tham số qua các
công tắc jumper và hiển thị trạng thái qua các đèn LED.
1.3.2.2. Ghép nối PLC
Để ghép nối PLC trong một hệ thống mạng, ví dụ bus trường hoặc bus
hệ thống, có thể sử dụng các module truyền thông riêng biệt hoặc trực tiếp các
CPU có tích hợp giao diện mạng.
*Module giao diện mạng
Đối với các PLC có cấu trúc kiểu linh hoạt, mỗi thành phần hệ thống như
bộ cung cấp nguồn (PS - Power Supplier), bộ xừ lý trung tâm (CPU) và các
vào/ra (I/O) đều được thực hiện bed một module riêng biệt, một module
chiếm một khe cắm (slot) trên giá đỡ. Việc giao tiếp giữa CPU và các module
khác nhau được thực hiện thông qua một bus nội bộ đặt trên giá đỡ
(backplane bus), theo chế độ truyền dữ liệu song song. Khi đó, phương pháp
được sử dụng rộng rãi nhất để nối mạng là bổ xung thêm một module giao
diện (interface module
- IM) riêng biệt, tương tự như việc ghép nối các module vào/ra. Các
không cung cấp toàn bộ dịch vụ mạng mà chỉ thực hiện một số chức năng có
bản như đặt chế độ làm việc, trao đổi dữ liệu thuần tuý và chuẩn đoán lỗi. Tuy
nhiên, các hoạt động giao tiếp trực tiếp giữa CPU và các trạm khác nhau trong
mạng đòi hỏi các nhà thiết kế PLC phải tổ chức cách thực hiện vòng quét như
thế nào cho thích hợp với phương thức giao tiếp, nếu không hiệu suất trao đổi
dữ liệu sẽ rất thấp. Đây là một khía cạnh đáng chú ý cho các nhà tích hợp hệ
thống khi thiết kế và lựa chọn mạng truyền thông.
1.3.2.3. Ghép nối PC
Các mạch giao diện mạng cho máy tính cá nhân cũng có cấu trúc tương
tự như cho PLC. Tuy nhiên, vì tính chất đa năng của bộ xử lý trung tâm cũng
PS CPU IM IM DI DO AI AO
PLC
Bus trường (VD: Profibus – DP)
Cổng DP
như của bảng mạch chính (main - board), phương án thứ hai cho PLC (CPU
tích hợp khả năng truyền thông) không thể thực hiện được ở đây. Các module
giao diện mạng cho PC thường được thực hiện dưới một trong các dạng sau:
- Card giao diện mạng cho các khe cắm ISA, PCI, Compact - PCI,
- Bộ thích ứng mạng qua cổng nối tiếp hoặc cổng song song
- Card PCMCIA
Ngoài ra, sử dụng Modem (trong hoặc ngoài) cũng là một phương pháp
thông dụng để có thể truy nhập mạng qua PC và một đường điện thoại sẩn có.
Card giao diện mạng
Tương tự như các PLC, CPU của một máy tính cá nhân sử dụng hộ
thống bus nội bộ (bus song song) để giao tiếp với các module vào /ra cho các
thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, màn hình, Bên cạnh một số module
được tích hợp sãn trên bảng mạch chính, các máy tính cá nhân còn có một khe
cắm cho module vào /ra khác và hỗ trợ việc mở rộng hệ thống. Một card giao
điện cho PC được lắp vào một khe cắm, thông thường theo chuẩn ISA, PCI
hoặc Compact - PCI.
Phổ biến nhất trong các hệ thống bus trường vẫn là đôi dây xoắn. Đối
DeviceNet
Module
Bộ điều khiển số
DeviceNet
Truyền động
với các ứng dụng có yêu cầu cao hơn về tốc độ truyền và độ an toàn, đối với
nhiễu thì cáp đồng trục là sự lựa chọn tốt hơn. Cáp quang cũng được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng có phạm vi địa lý rộng, môi trường xung quanh
nhiễu mạnh hoặc để ăn mòn hoặc có yêu cầu rất cao về độ tin cậy cũng như
tốc độ truyền dữ liệu.
1.4.ỨNG DỤNG HỆ SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP
Hệ thống SCADA với đặc tính chú trọng đến việc thu thập và giám sát
dữ liệu và có thể thực hiện các điều khiển tới các cơ cấu chấp hành. Hệ thống
- SCADA đã được ứng dụng trong nhiều ngành như:
- Công nghệ sản xuất ô tô
- Công nghiệp hoá chất và dược phẩm
- Sản xuất và truyền tải điện năng
- Công nghiệp nhựa và cao su
- Công nghiệp luyện kim
- Công nghệ thực phẩm và đồ uống
- Công nghiệp sắt thép
- Xử lý nước và chất thải
- Công nghiệp in ấn
- Ngành thương mại và dịch vụ
- Kỹ thuật chế tạo máy móc và cơ khí
- Ngành sản xuất giấy
- Ngành giao thông vận tải
Copyright: Tài liệu đại học ©