LỜI CAM ĐOAN
Thiết kế luận văn này do tôi tự thực hiện bằng chính khả
năng của mình. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối bản
luận văn, tôi đảm bảo không sao chộp cỏc công trình khoa học hay
thiết kế tốt nghiệp của người khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những nội dung đã trình bày
trong bản luận văn.
Người cam đoan
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BèA ……………………………………………………………1
LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………2
MỤC LỤC ……………………………………………………………………3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……………………….6
DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ …………………………………… 7
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….10
Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát …………………….12
1.1 Tính thời sự, khoa học, thực tiễn của vấn đề cần nghiên cứu ……….12
1.2 Ứng dụng hệ thống điều khiển giỏm sỏt…………………………… 14
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ……………………… 14
1.3.1. Mục tiêu của đề tài…………………………………………….14
1.3.2. Nội dung của đề tài ………………………………………… 15
1.3.3. Bố cục luận văn……………………………………………….16
1.4 Mô hình phân cấp và cấu trúc hệ thống điều khiển…………………17
1.4.1. Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển ………………… 17
1.4.2. Mô hình phân cấp chức năng………………………………….18
1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển…………………………… 21
1.4.4. Phân loại các hệ thống điều khiển ……………………………24
1.4.5. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp……………………25
3.2 Các yêu cầu về hệ thống tự động điều khiển giám sát kho chứa LPG 67
2.1 Yêu cầu chung………………………………………………… 67
2.2 Yêu cầu về hệ thống đo lường……………………………… 67
2.3 Yêu cầu bài toán công nghệ xuất nhập LPG…………………69
2.4 Yêu cầu hệ thống điều khiển giám sát xuất nhập LPG………70
2.5 Yêu cầu hệ thống đóng mở van an toàn khi có sự cố ……….70
2.6 Tủ điều khiển trung tõm…………………………………… 71
3.2 Một số hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG…………………72
2.1 Hệ thống điều khiển giám sát kho cảng của hãng Varec……….72
2.2 Giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển hãng SAAB tank(Emerson)
………………………………75
Chương 4 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG…… 80
4.1 Phân tích lựa chọn giải pháp hãng siemens………………………… 80
4.1.1 Giới thiệu hãng sản xuất tự động hóa Siemens……………… 80
4.1.2 Phân tích lựa chọn giải pháp và thiết bị hãng siemens…………83
4.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển giám sát kho chứa LPG……………… 85
2.1. Các thành phần hệ thống……………………………………… 85
2.2. Thiết lập cấu hình hệ thống sử dụng phần mềm Step7 ……… 97
4.3 Xây dựng phần mềm………………………………………………… 102
4.3.1 Yêu cầu công nghệ quá trình điều khiển xuất nhập…………….102
4.3.2 Yêu cầu về giám sát hệ thống LPG…………………………… 105
4.3.3 Qui trình xây dựng giao diện phần mềm WinCC……………….105
4.1 Xây dựng giao diện mô phỏng hệ thống LPG……………………… 113
4.4.1 Phần mềm mô phỏng PLCsim………………………………… 113
4.4.2 Mô tả hoạt động chương trình điều khiển giỏm sỏt…………… 114
Chương 5 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet… 121
5.1 Đặt vấn đề …………………………………………………………… 121
5.2 Cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển qua mạng internet……………….124
5.2.1 Giao thức mạng internet……………………………………… 124
5.2.2 Mô hình phân lớp địa chỉ internet…………………………… 125
PPI Point to point interface
QCS Quality control system
RDU Remote display unit
RTU Remote terminal unit
SCADA Supervisory
STP Shield twist pair
UHF High frequency
UTP Unshied twist pair
VHF Very high frequency
WAN Wide area network
Danh mục các bảng
Bảng 2.1: Bảng kết hợp dịch vụ và kiểu truyền thụng……………………… 43
Bảng 2.2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485…………………… 44
Bảng 2.3: Dữ liệu kỹ thuật của mạng PROFIBUS……………………………53
Bảng 2.4: Dữ liệu kỹ thuật của IE……………………………………………56
Bảng 2.5: Dữ liệu kỹ thuật của các bộ điều khiển……………………………58
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Phân cấp chức năng hệ thống………………………………… 19
Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung…………………………………… 21
Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền………………………………… 22
Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán…………………………………… 23
Hình 2.1: Chế độ truyền tín hiệu…………………………………………… 29
Hình 2.2: Cấu trúc dạng bus………………………………………………… 34
Hình 2.3: Cấu trúc dạng mạch vòng……………………………………… 34
Hình 2.4: Cấu trúc mạng hình cây………………………………………… 35
Hình 2.5: Cấu trúc hình sao………………………………………………… 35
Hình 2.6: Mô hình OSI 7 lớp…………………………………………………37
Hình 2.7: Các phương pháp truy nhập đường truyền……………………… 39
Hình 2.8: Các kiểu kết nối 42
Hình 2.9: Kết nối giữa các module………………………………………… 43
Hình 4.24: Chế độ xuất nhập thủ công………………………………………117
Hình 4.25: Trang giao diện khu bồn 1……………………………………….118
Hình 4.26: Trang giao diện khu bồn 2……………………………………….119
Hình 4.27: Trang giao diện khu họng xuất………………………………… 119
Hình 4.28: Đồ thị trends và cảnh báo khu họng xuất……………………… 120
Hình 5.1: Biểu diễn liên kết hai mạng……………………………………….127
Hình 5.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng…………………129
Hình 5.3: Cấu hình Webnavigator………………………………………… 131
Hình 5.4: Xây dựng các trang đồ họa qua web………………………………131
Hình 5.5: Mô hình liên kết IIS……………………………………………….132
Hình 5.6: Giao diện SCADA tổng quan qua web………………………… 133
Hình 5.7: Giao diện SCADA khu cầu cảng qua web……………………….133
Hình 5.8: Giao diện SCADA khu bồn chứa qua web……………………….134
Hình 5.9: Giao diện SCADA khu họng xuất qua web………………………134
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển và kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ thông tin với mạng công
nghiệp trong những năm gần đây đã mang lại hướng đi mới cho các giải pháp tự
động hoá, và tạo ra sự chuyển biến tích cực trong mọi ngành kinh tế quốc dân.
Trong số các hệ thống tích hợp tự động hoá nói chung, hệ SCADA chiếm
vị trí đặc biệt quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển ưu việt các
quá trình công nghệ sản xuất. Việc xây dựng và kế thừa dựa trên các thành tựu
của kỹ thuật truyền thông, kỹ thuật vi xử lý và công nghệ phần mềm đã tạo điều
kiện cho cỏc hóng tự động hoỏ trờn thế giới đưa ra nhiều hệ thống mạng rất tối ưu
và hiện đại như của SIEMENS, ALLEN-BRADLEY, MOTOROLA,
HONEYWELL,… Trên thế giới, các hệ thống này đã được áp dụng rộng rãi và
hiệu quả vào các ngành điện lực, dầu khí, hoá chất, xăng dầu, khí tượng thuỷ văn,
hệ thống cung cấp nước, giám sát ô nhiễm môi trường v.v.
Hiện nay, xu hướng xây dựng một hệ SCADA diện rộng có thể áp dụng vào
nhiều lĩnh vực và mở rộng trên phạm vi cả nước, thậm chí khu vực đang là mục
tiêu chính cho các nhà tích hợp giải pháp. Với sự phát triển không ngừng, các hệ
phẩm này đều có tính năng vượt trội so với các sản phẩm cũ. Các thiết bị đo được
tích hợp với bộ vi xử lý vừa thực hiện chức năng đo và vừa xử lý tại chỗ, tự tính
toán và chuẩn đoán lỗi và vừa có chức năng truyền thông tin. Các bộ điều khiển số
ngày càng hoàn thiện, có thể thực hiện nhiều chức năng, số lượng các đầu vào ra
ngày càng lớn, độ chính xác và hoạt động tin cậy cao. Hệ thống mạng truyền
thông liên kết các thiết bị ngày càng hoàn thiện, kĩ thuật truyền ứng dụng kĩ thuật
số sẽ làm giảm sự suy hao tín hiệu, giảm sự tác động của nhiễu và làm tăng tốc độ
và độ tin cậy trong giao tiếp. Đặc biệt hầu hết các thiết bị có cấu trúc mở chính vì
vậy dễ dàng tích hợp với nhau theo một chuẩn chung giúp cho hệ thống điều khiển
mang tính mềm dẻo và dễ ràng mở rộng. Hiện nay, máy tính là công cụ rất phổ
biến trên thị trường, các hệ thống điều khiển hiện đại đều phải sử dụng máy tính.
Máy tính không chỉ thực hiện chức năng giám sát và thu thập dữ liệu mà còn tích
hợp thêm chức năng điều khiển. Thuật ngữ “computer based control” được sử
dụng phổ biến. Kết hợp với máy tính là sự phát triển mạnh của ngành công nghệ
thông tin, hiện tại các hệ thống điều khiển hiện đại,qui mô lớn không thể tách rời
với công nghệ thông tin. Đặc biệt là sự bùng nổ của internet, các hệ thống điều
khiển không chỉ ứng dụng trong phạm vi của nhà máy mà còn mở rộng trên phạm
vi cỏc vựng thậm trí là các quốc gia. Trong tương lai, nền sản xuất ngày càng mở
rộng kết hợp sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật các hệ thống điều khiển
giám sát ngày càng thay đổi với qui mô lớn hơn hiện đại hơn và ngày càng ứng
dụng sâu rộng vào trong quá trình sản xuất, là yếu tố quan trọng góp phần thúc
đẩy sự phát triển của các ngành sản xuất.
Trên thế giới, đặc biệt các nước phát triển các hệ thống tự động hóa hiện
đại đã được áp dụng sâu rộng vào trong sản xuất. Kể cả trong những ngành nông
nghiệp mức độ tự động hóa không cao. Chính vì vậy, các hệ thống này đã nâng
cao được năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Nước ta hiện là nước đang
phát triển tuy đã có sự tiến bộ trong ứng dụng công nghệ hiện đại, tự động hóa vào
trong sản xuất nhưng chưa thực sự cao. Mức độ đầu tư các thiết bị, công nghệ hiện
đại chưa tương xứng với tiềm năng. Hầu hết các ngành then chốt như dầu khí, chế
biến, viễn thông, điện lực đều đã ứng dụng các công nghệ hiện đại. Tuy nhiên các
- Tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển giám
sát, phân biệt được các hệ thống SCADA, DCS và hệ thống PLC.
- Tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết mạng truyền thông công
nghiệp, hiểu được bản chất các loại giao thức, phân biệt được các loại mạng với
nhau.
- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng cho đối
tượng là các bồn chứa LPG ( Liquidfied petrol gas).
- Nắm vững và làm chủ các phần mềm lập trình điều khiển (Step7),
phần mềm giám sát ( WINCC).
- Hoàn thành viết chương trình điều khiển theo bài toán công nghệ và
chương trình mô phỏng bằng phần mềm giám sát ( WinCC).
- Nắm vững cơ sở lý thuyết và bản chất mạng internet và các ứng
dụng của mạng internet trong cuộc sống và trong sản xuất.
- Thực hiện mô phỏng hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG
qua mô hình mạng internet bằng phần mềm giám sát qua mạng Internet ( WinCC
webnavigator server, client ).
1.3.2. Nội dung đề tài
Trình bày về tính cấp thiết, tính khoa học và thực tiễn của hệ thống điều
khiển giám sát trong quá trình sản xuất. Phân loại các hệ thống điều khiển theo cấu
trúc, chức năng.
Trình bày về cơ sở lý thuyết truyền thông gồm có các chế độ truyền
thông, cấu trúc mạng truyền thông, các chuẩn kết nối, các giao thức mạng truyền
thông và các phương pháp truy cập bus. Từ cơ sở lý thuyết sẽ tìm hiểu các thành
phần mạng truyền thông công nghiệp Simatic của siemens.
Trình bày về hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG. Trong phần
này sẽ tìm hiểu tổng quan về LPG bao gồm cấu trúc thành phần, đặc tính hóa lý.
Tiếp theo sẽ phân loại cấu trúc hệ thống tự động hóa kho chứa LPG, đưa ra các
yêu cầu công nghệ để xây dựng hệ thống điều khiển, đưa ra các qui trình hoạt
động của cả tổng kho. Tiếp theo đó, đề tài sẽ giới thiệu một số hệ thống điều khiển
giám sát tổng kho LPG của cỏc hóng nổi tiếng Varec, Emerson đưa ra những đánh
khoảng 250 năm trước công nguyên để giữ mức nguyên liệu không đổi.
Alexandria đã cho ra đời quyển sách về hơi khí- Pneumatica về cơ cấu
điều chỉnh mức nước sử dụng máy điều chỉnh phao vào thế kỉ thứ nhất. Tại châu
âu, Cornelis Drebbel đã đưa ra bộ điều chỉnh nhiệt độ, được coi như là một trong
những bộ điều chỉnh phản hồi đầu tiên. Tiếp theo là sự ra đời điều chỉnh áp suất
nồi hơi vào năm 1861 của Dennis Papin. Vào năm 1769 Jame Watt đưa ra bộ điều
khiển phản hồi đầu tiên trong công nghiệp đó là máy điều tốc, để điều khiển tốc độ
của động cơ hơi nước. Nó hoạt động trên nguyên tắc quả cầu li tâm được nối với
trục ra để điều khiển độ mở van cung cấp hơi nước cho động cơ. Khi tốc độ tăng
làm cho quả cầu quay nhanh làm đóng van hơi nước làm cho tốc độ giảm.
Năm 1765, I Polzunow đưa ra máy điều chỉnh mức nước bằng cơ cấu
phao. Trong những năm 1768 sự phát triển của hệ thống điều khiển vẫn nằm trong
giai đoạn khởi đầu do sự không ổn định của hệ thống.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, lý thuyết điều khiển được phát triển ở
Mĩ, các nước tây âu khác với nước Nga và Đông âu sử dụng tín phản hồi dựa trên
các hiện tượng điện tín và dựa trên tín hiệu khuyếch đại điện tử bởi Bode, Nyquist,
Black. Trong thời kì này do đòi hỏi thiết kế và chế tạo các hệ thống trong máy
bay, hệ thống chỉnh súng, hệ thống quân sự dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của hệ
thống phản hồi. Từ những năm 40-80 lý thuyết điều khiển tự động phát triển mạnh
mẽ từ kĩ thuật miền tần số, sử dụng hàm Laplace đến các phương pháp quỹ đạo
pha, các máy tính điều khiển số, tính theo phương pháp trên miền thời gian của
Liapunow, Minosky.
Lý thuyết điều khiển tối ưu ngày nay được phát triển bởi Pontryagin và
Bellman cùng với sự ra đời của các hệ bền vững, các lý thuyết điều khiển hiện đại
như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thông minh.
Ngày nay các hệ thống điều khiển phát triển cả về quy mô, phức tạp mức
độ tự động hoá cao, từ cấu trúc tập trung đến cấu trúc phân tán có tính phức tạp
cao đáp ứng được nhu cầu thực tế.
Sự phát triển của kĩ thuật vi bán dẫn, vi điều khiển, máy tính, trên nền tảng
kĩ thuật số. Hệ thống điều khiển đã phát triển nhảy vọt. Các thiết bị điều khiển, đo,
Management level
Cell level
Field level
Actuator-sensor
level
Cấp điều khiển : Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin
từ các bộ cảm biến , tự động xử lý các thông tin đó theo chương trình của con
người đã cài đặt sẵn và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Những
thông tin và kết quả của việc điều khiển sẽ được chuyển lên cấp điều hành . ở cấp
điều khiển thường đặt các bộ điều khiển PID, các controllers, PLC,
transmitter/RTU số thông minh
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng được gọi chung là cấp trường
(field level) chớnh vỡ cỏc bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực
tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật .
Cấp điều hành : Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển ,
điều chỉnh bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện thì nhiệm vụ của cấp
điều hành là 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. Khác với cấp dưới ,
việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành thường không đòi hỏi phương tiện
thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài cỏc mỏy tính thông thường (máy tớnh cá nhân ,
máy trạm, máy chủ, terminal ) có giao diện mạng gọi chung là máy tính điều
hành.
Việc phân cấp chức năng như trên sẽ rất tiện lợi khi thiết kế hệ thống và
lựa chọn thiết bị . Theo đú cỏc nhà sản xuất cũng đưa ra kiến trúc các tầng mạng
thích hợp với đặc thù trao đổi thông tin của từng cấp.
1.4.3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển
1.4.3.1. Cấu trúc tập chungHình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung
nhiên vẫn tồn tại nhược điểm lớn nhất là dùng số lượng lớn dây nối . Các giải
pháp khắc phục nhược điểm đã dẫn đến những hệ thống điều khiển có cấu trúc
phân tán hay còn gọi là điều khiển phân tán.
Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển phân quyền
1.4.3.3. Hệ thống có cấu trúc phõn tỏn
Điểm nổi bật của cấu trúc phõn tán là việc phân bố trí tuệ cũng như chức
năng cả chiều rộng và chiều sõu, kết hợp với sử dụng mạng truyền thông thay thế
cho bảng điện và phương pháp nối dõy cổ điển. Bên trong hệ thống sử dụng các
cụm vào ra tại chỗ và cơ cấu chấp hành có tích hợp công nghệ vi điện tử. Cấu trúc
Máy tính phối hợp
Máy tính phối hợp
bus xử lý
ranh giới
phòng ĐK
A S
Phân đoạn
quá trình 1
Phân đoạn
quá trình 2
Phân đoạn
quá trình 3
A S A S
Máy tính ĐK 1
I/O
Máy tính ĐK 2
I/O
Máy tính ĐK 3
I/O
phừn tỏn s khc phc nhc im l i dừy tn kộm. Phừn b trớ tu ti tng ni
s giỳp cho h thng iu khin tr lờn linh hot, khụng ph thuc hon ton vo
A S A S A S
I/O
A S
A S A S
- Vớdụ: cỏc hệ điều độ sản xuất, truyền tải và phân phối điện lực Quốc gia,
các khu vực Miền Bắc, Miền Nam, Miền Trung, Cty điện lực Hà nội, Sài gòn, hệ
khai thác và dẫn khí đồng hành dinh cố
- Thường các hệ này chủ yếu thực hiện chức năng giám sát và thu tập dữ
liệu, ít điều khiển (tuy vẫn có chức năng ĐK)
1.4.4.2 DCS/OCS/QCS:
- Hệ Đo lường - Điều khiển - Bảo vệ tập trung trong các nhà máy, xí
nghiệp, số điểm công nghệ lên đến vài ngàn điểm.
- Khoảng cách gần, max là 10 km
- Truyền tin trờn cỏc đường truyền mạng, giao thức công nghiệp
- Có tính thời thực cao cho điều khiển và bảo vệ
- Hệ thống thực hiện điều khiển quá trình công nghệ phức tạp. Các bài
toán điều khiển quá trình. Các hệ DCS thường đi đồng bộ của các hóng. Được ứng
dụng rộng rói trong các nhà máy lọc dầu, xử lý hoá chất, sản xuất giấy.
1.4.4.3 Hệ thống PLC
- Hệ thống ứng dụng trong các nhà máy sản xuất không liên tục. Ví dụ:
Trong các nhà máy lắp ráp ôtô xe máy, đóng gói sản phẩm, sản xuất bánh kẹo.
- Hệ thống có tính thời gian thực rất cao. Thời gian vòng quét bé, đáp ứng
hệ thống nhanh. Số lượng đầu vào ra bé khoảng vài trục đến vài trăm.
- Hệ thống mở, có thể tích hợp nhiều thiết bị của các hóng khác nhau.
Thực hiện giải quyết tối ưu các bài toán logic, tuần tự.
- Phạm vi hoạt động nhỏ phạm vi trong nhà máy, truyền tin qua mạng
truyền thông công nghiệp.
1.4.5. Phân loại mạng truyền thông công nghiệp
1.4.5.1. Bus trường, bus thiết bị
Bus trường là khái niệm chung được dùng trong ngành chế biến để chỉ
động, cung cấp dữ liệu kĩ thuật cho trạm kĩ thuật, trạm quan sát, cũng như các
mệnh lệnh, các tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những
được trao đổi theo chiều dọc mà còn trao đổi theo chiều ngang. Các trạm kĩ thuật,
trạm vận hành, trạm chủ trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in,
báo cáo dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này.
Đối với bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực mà đòi hỏi tính năng thời gian thực
có được cài đặt ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong
khoảng vài trăm miligiõy, trong khi lưu lượng thông tin trao đổi lớn hơn nhiều so
với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong khoảng
vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Khi hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối chiều
ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều
khiển. Vai trò của bus điều khiển là trao đổi dữ liệu giữa các trạm điều khiển trong
hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ không cao
nhưng yêu cầu đòi hỏi về thời gian thực thì rất khắt khe.
Do yêu cầu về tốc độ và khả năng kết nối dễ dàng với các máy tính, hầu
hết các bus hệ thống đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus
Foundation, Hight Speed Ethernet.
1.4.5.3. Mạng xí nghiệp
Mạng xí nghiệp thực chất là mạng Lan bình thường, có chức năng kết nối
các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát.
Thông tin được đưa lên bao gồm các trạng thái làm việc của quá trình kĩ thuật, các
số liệu tính toán, thống kê diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm.