Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật
truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự
chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp.
Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng
cho sự thay đổi này. Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm
giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống. Việc kiểm soát và vận
hành liên tục quá trình sản xuất trong các nhà máy đóng một vai trò đặc biệt
quan trọng. Để tạo ra một sản phẩm, nhà máy thường được phân thành nhiều
khâu chuyên môn khác nhau, các khâu lại có mối quan hệ ràng buộc logic nhịp
nhàng. Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu đặc thù như: Điều khiển thiết bị máy móc
đơn lẻ; tự động hóa công nghiệp; điều khiển giám sát các hệ thống giao thông
vận tải, phân phối năng lượng, tòa nhà, hệ thống quốc phòng, thủy lợi…
Qua một thời gian học tập và nghiên cứu môn học đến nay em đã học hỏi,
tổng hợp được một lượng kiến thức nhất định và trình bày những hiểu biết của
bản thân thông qua bài tập lớn này. Trong quá trình thực hiện đề tài vì còn hạn
chế về tài liệu và kinh nghiệm thực tiễn nên mặc dù đã rất cố gằng nhưng không
thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo và bạn bè để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội


Bộ điều khiển

Điểm đặt

Tín hiệu phản hồi

Biến điều khiển

Cơ cấu chấp hành

Cảm biến

Quá trình công nghệ
Các đầu ra quá trình

Các đầu vào quá trình

Nhiễu

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chung

Cấu trúc điều khiển:
3


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL


và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ
thống điều khiển và giám sát hiện đại.
Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh
tế cũng đóng vai trò quan trọng. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin,
chức năng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề cho
kiến trúc “trí tuệ phân tán” trong tương lai.
1.1.2 Thành phần cơ bản của hệ thu thập điều khiển và giám sát
4


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hệ thống điều khiển giám sát
NI

Thiết bị điều khiển
NI

I/O

I/O NI

Cảm biến và chấp hành

Quá trình kỹ thuật

Nối qua mạng
Nối trực tiếp

khả trình PLC…
Các hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện
người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành…
Hệ thống truyền thông: Giao diện ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp
hành, bus trường, bus hệ thống…
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn…

Cụ thể bao gồm:
Phần cứng:
- Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo
- Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân
kênh,Modem, các bộ thu phát.
- Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC,Workstation), các bộ tập trung dữ
liệu(Dataconcentrater, PLC, PC)
- Trạm vận hành (Operater Station)
Phần mềm:
- Giao diện vào ra, dưới các dạng I/O driver
- I/O server (DDE, OPC,…)
- Giao diện người máy HMI
- Cơ sở dữ liệu quá trình
- Hệ thống cảnh báo, báo động
- Lập báo cáo tự động
- Điều khiển cao cấp
Các lĩnh vực công nghiệp như: điện, nước, xử lý nước thải, dầu và khí tự
nhiên, hóa chất, giao thong vận tải, dược phẩm, giấy và bột giấy, thực phẩm và
nước giải khát và các hệ thống sản xuất riêng biệt( ví dụ: ô tô, hang không…).
Tất cả các lĩnh vực ứng dụng này không những đóng vai trò quyết định cho sự
phát triển hạ tầng, mà còn liên quan lẫn nhau, phụ thuộc lẫn nhau. Cấu trúc mô
tả đều có phần kết nối mạng.


(PSN)
cho mục đích giám sát. Nhiều hệ thống được giám sát sử dụng hạ tầng mạng
cục bộ LAN hoặc mạng diện rộng WAN. Công nghệ truyền thông không dây
hiện nay cũng đang được triển khai rộng rãi cho mục đich giám sát.
Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)
DCS là hệ thống điều khiển phân tán , thường ứng dụng cho một hệ thống
sản xuất, một quá trình hoặc bất kỳ một hệ thống động học nào. Trong đó các
bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà được phân tán trên toàn hệ
thống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều
khiển. Toàn bộ hệ thống được nối mạng với nhau để có thể truyền thông và
giám sát. Cấu trúc của hệ thống DCS tương tự với hệ thống SCADA, cũng
bao gồm các thiết bị giao diện dữ liệu trường, hệ thống truyền thông các máy
chủ trung tâm và tập hợp các phần mềm. Tuy nhiên, các chức năng chính và
các yêu cầu đối với các phần cũng khác nhau. Trong hệ thống DCS, chức


7


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

năng chính của các thiết bị giao diện dữ liệu trường là các bộ điều khiển mà ở
đó các thuật toán điều khiển
Quá trình được thực thi. Thêm vào đó, hệ thống truyền thông phải đảm
bảo việc trao đổi dữ liệu giữa các đơn vị điều khiển là theo thời gian thực.
Trong một vài lĩnh vực công nghiệp có sự lẫn lộn giữa hai khái niệm
SCADA và DCS. Nói chung một hệ thống SCADA là một hệ thống phối
hợp, chứ không điều khiển các quá trình theo thời gian thực. Khái niệm điều

- Hỗ trợ chuẩn đặc biệt đối với các hệ thống hiện nay sự tương thích với
các chuẩn công nghiệp là tiền đề cho tính năng mở của hệ thống;
- Công cụ phần mềm được hỗ trợ bởi các công cụ lập trình và cấu hình
mạnh cùng các thư viện phần mềm đóng gói chuẩn dựa theo các chuẩn
quốc tế;
8


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

1.3.2 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán
Một hệ thống thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của
nó không phải chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc
vào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài. Hệ thống có
lỗi khi thời gian yêu cầu không được thỏa mãn. Một hệ thống thời gian thực
có đặc điểm tiêu biểu sau:
- Tính bị động
- Tính nhanh nhạy
- Tính tiền định
Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán không chỉ
phụ thuộc vào tính năng thời gian của từng thành phần trong hệ thống, mà
còn phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó.
Xử lý thời gian thực
Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để
đảm bảo tính năng thời gian thực của nó. Như vậy, xử lý thời gian thực cũng
có các đặc điểm tiêu biểu nêu trên như tính năng bị động, tính nhanh nhạy và
tính tiền định. Để có thể phản ứng với nhiều sự kiện diễn ra cùng một lúc,
một hệ thống xử lý thời gian thực được sử dụng các quá trình tính toán đồng

điều hành đa nhiệm, hỗ trợ xử lý cạnh tranh hoặc xử lý song song. Lập lịch,
đồng bộ hóa quá trình và giao tiếp liên quá trình là các khái niệm quan trọng
trong một hệ điều hành thời gian thực.
Đồng bộ hóa quá trình
Khi các quá trình tính toán cùng sử dụng một tài nguyên loại trừ lẫn nhau
như một vùng nhớ, cổng vào/ra , hoặc chúng phụ thuộc lẫn nhau, ví dụ quá
trình 1 chờ kết quả quá trình 2…sẽ rất dễ dấn đến tính trạng tắc nghẽn. Do
vậy việc đồng bộ hóa các quá trình là điều rất cần thiết.
-

Xử lý phân tán
Xử lý phân tán giúp làm nâng cao năng lực xử lý thông tin của một hệ
thống, góp phần cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và
tính linh hoạt của hệ thống
Phân biệt các khái niệm:
- Xử lý cục bộ - Ứng dụng đơn độc;
- Xử lý cạnh tranh - Ứng dụng đa nhiệm;
- Xử lý tập trung - Ứng dụng tập trung;
- Xử lý nối mạng - Ứng dụng nối mạng;
- Xử lý phân tán - Ứng dụng phân tán;
1.3.3.Công nghệ hướng tới đối tượng điều khiển phân tán
1.3.3.1. Lập trình đối tượng
Lập trình đối tượng được coi là phương pháp lập trình chuẩn hiện nay bởi
nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp cổ điển. Mục tiêu mà lập
trình hướng đối tượng đặt ra là:
- Đơn giản hóa việc xây dựng và sử dụng các thư viện;
- Cho phép dùng lại mã;
- Cải thiện khả năng bảo trì của mã, mã phải dễ hiểu, dễ sửa đổi;
- Cho phép tạo ra chương trình dễ mở rộng;
-

Việc trừu tượng hóa thế giới tự nhiên thành các lớp đối tượng như vậy
được gọi là mô hình hóa đối tượng. Dựa trên mô hình đối tượng thu được,
phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng sẽ được bổ sung
them các liên kết và lớp đối tượng mới, tinh chỉnh lại, để tạo ra một mô hình
đối tượng chi tiết của phần mềm. Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế
phần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanh
tốn ít công sức mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử
dụng lại những thành quả đã xây dựng được như mã lệnh hay bản thiết kế.
1.3.3.3.Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML
Ngôn ngữ UML (Unified Modeling Language) được sử dụng rộng rãi.
UML – một chuẩn quốc tế được quản lý bởi tổ chức OMG (Object
Mamagement Group) – là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực quan hóa, đặc
tả, xây dựng và tư liệu hóa hệ thống thiên về phần mềm. UML đem lại cho
người sử dụng phương pháp chuẩn để viết bản thiết kế hệ thống bao trùm từ
những thứ cụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, các
thành phần phần mềm có thể tái sử dụng, cho đến các yêu tố trừu tượng như
chức năng hóa của toàn bộ hệ thống. Vì lý do này, ngôn ngữ UML không chỉ
được sử dụng để mô tả, xây dượng kiến trúc và thiết kế của các hệ thống
phần mềm mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ thống kỹ
thuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói rêng.
1.3.3.4.Mẫu thiết kế
Mẫu thiết kế là sự hình thức hóa của cách tiếp cận tới một vấn đề thường
gặp trong ngữ cảnh cụ thể. Mỗi mẫu thiết kế mô tả một giải pháp cho một
vấn đề thiết kế cụ thể trong một ngữ cảnh xác định. Giải pháp này đã được
chứng minh là hợp lý, sử dụng nhiều lần đem lại kết quả tốt và do đó được
trừu tượng hóa thành một mẫu. Nói một cách ngắn gọn, Mẫu thiết kế là kinh
nghiệm thiết kế đúc kết lại. Bằng cách sử dụng các mẫu thiết kế, người thiết
11



đối tượng khác thuộc cùng một quá trình tính toán hoặc thuộc một trạm khác
trong mạng theo một phương thức thống nhất thông qua giao tiếp ngầm.

1.4 Chức năng xây dựng HMI trong hệ thu thập dữ liệu điều khiển
1.4.1 Giới thiệu chung về HMI
HMI là hệ thống phần mềm hỗ trợ con người theo dõi quá trình các diễn
biến của kỹ thuật, trạng thái và các thông số làm việc của các thiết bị trong hệ
thống, qua đó có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp từ xa tới hệ
thống điều khiển phía dưới. Ngày nay, các phần mềm giao diện người-máy
chủ yếu được xây dựng trên nền máy tính cá nhân, dựa trên các kỹ thuật đồ
12


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

họa hiện đại. Giao diện người-máy là một trong các thành phần chính của hệ
thống điều khiển giám sát. Tuy nhiên không phải chỉ ở cấp điều khiển giám
sát,, mà ngay ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người-máy
phục vụ việc quan sát và thao tác vận hành cục bộ.
1.4.2 Các chức năng chính của HMI
- Hiển thị quá trình: Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI. Màn hình
trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động. Điều này được dựa
trên các sự chuyển tiếp quá trình
- Điều khiển vận hành quá trình:Người vận hành có thể điều khiển quá trình
bởi GUI.
- Hiện thị các cảnh báo: Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo
động
- Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình: Hệ thống HMI có thể ghi lại các

XILANH


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống
Các thành phần cơ bản của hệ thống:
-

Hai động cơ: ĐC 1 và ĐC2;
Hai băng tải: BT1 và BT2;
Các cảm biến: S1, S2, S3, S4, S5;
Xilanh thủy lực;

Bài toán được đặt ra ở đây là kết nối các thành phần trên thành một dây
chuyền đóng bao sản phẩm hoàn chỉnh điều khiển bằng PLC S7-300 và được
giám sát thông qua hệ thống HMI, WinCC trên máy tính.
Hai động cơ Đ C1 và Đ C2 được dùng để kéo băng tải chuyển động đưa sản
phẩm di chuyển, hai động cơ này có thể hoạt động thông qua các khởi động từ
có cuộn hút được điều khiển thông qua các tiếp điểm thường đóng và mở của
PLC. Sự hoạt động của động cơ hay băng tải sẽ được thể hiện trên màn hình
hiển thị giám sát HMI.
Các cảm biến có chức năng thu thập, nhận biết tín hiệu từ dây chuyền cụ thể
là: Xác định vị trí thùng hàng, vị trí xilanh, đếm số lượng sản phẩm được xếp
vào thùng. Sau đó truyền các tín hiệu này đến trung tâm điều khiển ở đây là PLC
để xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển cần thiết như dừng động cơ, khởi động
lại động cơ, nâng – hạ xilanh thủy lực.
Xy lanh thủy lực có tác dụng nâng hạ sản phẩm từ băng tải xuống vùng làm

HMI
WinCC
PROFINET (Ethernet)

S7-300

2.1.2 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

Quá trình công nghệ

Động cơ

Xi lanh

Băng tải

Vùng cơ cấu chấp hành

15


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống

2.2 Cấp trường
2.2.1 Xác định yêu cầu công nghệ
Quy trình hoạt động của hệ thống:

Start

I0.6

Stop
S1

24V
DC

220V
AC

S2
S3
S4
S5

16

M

L


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây


HTTDL ĐK & TSL

Hình 2.7
e) Ta chọn tiếp khối OB1 như hình. Nhấn “Next” để sang bước tiếp theo:

Hình 2.8

f) Cuối cùng ta đặt tên cho dự án và nhấn “Finish”:

19


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.9
g) Dự án mới được thành lập, lúc này kích đúp vào OB1

Hình 2.10
h) Lúc này sẽ hiện ra giao diện để viết chương trình.

Hình 2.11
i) Muốn đặt tên biến ta chọn mục S7 Program - Symbol

20

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

OFF
ON
Nâng PITTONG
Hạ PITTONG
S1

Address
Q0.0
Q0.1
I0.1
I0.0
Q0.3
Q0.2
I0.2

Data type
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL
BOOL

8

S2

I0.3



Đếm
sản
phẩm
Có hộp
Có hộp sản
phẩm
Dừng
PITTONG
Điều chỉnh
PITTONG

2.3.1.2 Kết nối PLC S7-300 với cấp trường
Hình 2.15
PLC với
trường

Băng tải 2

Kết nối
cấp

Chọn lựa

2.3.2 Thiết
đồ thuật
viết
trình trên
2.3.2.1
lập lưu đồ

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.16 Lưu đồ thuật toán

2.3.2.2 Viết chương trình trên S7-300

23

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

24

HTTDL ĐK & TSL


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

25

HTTDL ĐK & TSL