BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG QUANG ĐỒNG

KHẢO SÁT, XÂY DỰNG HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG FMS
CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS NGUYỄN TRỌNG THUẦN

Hà Nội – Năm 2010

1


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của GS. TS. Nguyễn Trọng Thuần. Các dữ liệu trong luận văn là trung thực và
có nguồn gốc rõ ràng.

Tác giả luận văn

Đặng Quang Đồng

2

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát

2

1.1.4 Cấu trúc vào/ra

3

1.1.4.1 Vào/ra tập trung

3

1.1.4.2 Vào/ra phân tán với bus trường

4

1.1.4.3 Vào/ra trực tiếp với bus trường

5

1.1.5 Cấu trúc điều khiển

6

1.1.5.1 Điều khiển song song

6


12

CHƯƠNG 2: Mạng truyền thông công nghiệp điển hình của SIEMENS
2.1 Mô hình hệ thống mở OSI

13

2.2 Truyền thông công nghiệp với Industrial Ethernet

14

4


2.2.1 Khái niệm Industrial Ethernet

14

2.2.2 Industrial Ethernet trong mô hình quy chiếu OSI

14

2.2.2.1 Lớp 1

15

2.2.2.2 Phương pháp truy nhập bus

16


24

2.2.3.7 Dịch vụ UDP

25

2.2.3.8 Dịch vụ truyền thông với PG/OP

25

2.2.3.9 Dịch vụ truyền thông S7

26

2.3 Truyền thông công nghiệp với PROFIBUS

27

2.3.1 Khái niệm PROFIBUS

27

2.3.2 PROFIBUS trong mô hình quy chiếu OSI

27

2.3.2.1 Lớp 1

28


35

2.3.3.5 PROFIdrive

36

2.3.3.6 PROFIsafe

36

5


2.3.3.7 Dịch vụ truyền thông với PG/OP

38

2.3.3.8 Giao thức S7 cho PROFIBUS

38

CHƯƠNG 3: Xây dựng hệ thống SCADA cho hệ thống FMS
3.1 Tổng quan hệ thống FMS

41

3.1.1.1 Trạm Distribution

42


3.2.1.3 Modul ET200M (153-1AA03-0XB0)

52

3.2.1.4 Card CP5611A2 (6GK1561-1AA01)

53

3.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng

55

3.2.2.1 Thiết lập cấu hình phần cứng cho cấp trường

55

3.2.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng cho cấp điều khiển

59

3.2.3 Lập trình PLC cho trạm Handing

72

3.2.3.1 Bảng địa chỉ

72

3.2.3.2 Lưu đồ điều khiển



6


4.2.1 Lập trình wincc

87

4.2.2 Kết quả mô phỏng

88

4.3 Tạo cảnh báo gửi tin nhắn SMS đến điện thoại di động

91

4.3.1 Cài đặt dịch vụ imail cho điện thoại di động

91

4.3.2 Cài đặt phần mền mail server

91

4.3.3 Lập trình wincc

94

4.3.4 Kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế



Hình 1-6 Cấu trúc vào/ra trực tiếp với bus trường

5

Hình 1-7 Cấu trúc điều khiển song song

6

Hình 1-8 Cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng bus trường

7

Hình 1-9 Cấu trúc điều khiển phân tán

8

Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA

10

Hình 2-1 Mô hình hệ thống mở OSI

13

Hình 2-2 Industrial Ethernet trong mô hình quy chiếu OSI

14

Hình 2-3 Lưu đồ phương pháp truy nhập Bus CSMA/CD


Hình 2-11 PROFIBUS PA

33

Hình 2-12 Cấu hình PROFIsafe với PROFINET và PROFIBUS

37

Hình 2-13 Dữ liệu an toàn và dữ liệu chuẩn được truyền qua cùng một

40

đường bus
Hình 3-1 Hệ thống FMS

41

Hình 3-2 Trạm Distribution

42

8


Hình 3-3 Trạm Testing

43

Hình 3-4 Trạm Handing 1 và Handing 2


Hình 3-12 Card CP5611 A2

53

Hình 3-13 Kết nối mạng Profibus DP

60

Hình 3-14 Cấu trúc mạng Profibus DP cho hệ thống FMS

66

Hình 3-15 Kết nối mạng Ethernet

66

Hình 3-16 Cấu trúc mạng Ethernet cho hệ thống FMS

72

Hình 3-17 Lưu đồ điều khiển

73

Hình 3-18 Mô phỏng trạm Handing tại vị trí ban đầu

80

Hình 3-19 Trạm Handing tại vị trí ban đầu


Hình 3-27 Tay kẹp xuống tại vị trí nhả phôi

85

Hình 3-28 Mô phỏng tay kẹp lên tại vị trí trên

86

Hình 3-29 Tay kẹp lên tại vị trí trên

86

Hình 4-1 Lỗi kẹt phôi

89

Hình 4-2 Lỗi không đưa được tay máy về trạm sau

89

9


Hình 4-3 Lỗi không nhả được phôi

90

Hình 4-4 Lỗi không đưa tay máy được về trạm trước


dụng cho dây chuyền FMS ở từng trạm kỹ thuật.
Đối tượng nghiên cứu là hệ SCADA cho dây chuyền FMS.
Phạm vi nghiên cứu là mạng truyền thông công nghiệp, điều khiển và tự động
hóa.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về mạng SCADA, tìm hiểu cấu trúc phần cứng, phần
mềm ,chức năng và nhiệm vụ của hệ SCADA.
Nghiên cứu đặc điểm, ứng dụng một vài mạng truyền thông công nghiệp điển
hình của Siemens là Ethernet và Profibus.
Khảo sát tổng quan hệ thống FMS: tìm hiểu công nghệ, sơ đồ mạch điện, đánh

11


giá thực trạng quản lý điều hành hệ thống FMS.
Nghiên cứu khai thác và sử dụng phần mềm PLC S7-300 và WINCC flexible
2008 của hãng Siemens, làm cơ sở để xây dựng mạng SCADA quản lý hệ thống
FMS.
Xây dựng hệ thống mạng cấp trường, cấp điều khiển sử dụng mạng truyền thông
công nghiệp Profibus DP và Ethernet bằng phần mềm PLC S7-300.
Xây dựng một trung tâm điều khiển để quản lý toàn bộ hệ thống FMS bằng máy
tính thông qua phần mềm giao diện WINCC.
5. Phương pháp nghiên cứu
Từ thực tiễn cơ sở, tác giả phân tích hiện trạng và xây dựng giải pháp thực hiện
để giải quyết vấn đề. Sử dụng phần mềm mô phỏng hỗ trợ và đánh giá kết quả đạt
được. Kiểm nghiệm thực tế và tiến hành hiệu chỉnh nếu cần thiết. Đưa ra kết luận về
tính đúng đắn, ứng dụng thực tiễn và kiến nghị hướng phát triển đề tài.

12


™ Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương
ứng với số cấp nhiều hoặc ít hơn.
™ Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng.
™ Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn và đòi hỏi yêu
cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng.
™ Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi
và xử lý càng lớn hơn.
™ Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị.
1.1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển giám sát
Hệ thống điều khiển giám sát là một thành quan trọng của một hệ thống tự động
hóa hiện đại. Điều khiển, giám sát hiểu theo nghĩa hẹp là tạo ra giá trị đặt và hiệu

14


chỉnh các tham số cho các bộ điều khiển tự động phía dưới và theo nghĩa rộng là tất
cả các chức năng điều khiển phía trên điều khiển tự động và có sự giám sát của con
người. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám như hình 1-3:

Hình 1-3 Cấu trúc hệ điều khiển giám sát
™ Hệ thống máy tính điều khiển (MTĐK): Các thiết bị điều khiển như các bộ
điều khiển chuyên dụng, các bộ điều khiển khả trình PLC (Programable
Logic Controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ và máy tính cá nhân cũng như
các phần mền điều khiển tương ứng.
™ Giao diện quá trình: Giao diện giữa máy tính điều khiển với hệ thống kỹ
thuật thông qua các thiết bị đo lường và truyền động.
™ Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người
máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
™ Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm - điểm, bus trường, bus hệ thống.
™ Hệ thống bảo vệ: Các thiết bị bảo vệ và cơ chế thực hiện chức năng an toàn.

Hình 1-5 Cấu trúc vào/ra phân tán
™ Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển xuống tới các
và/ra phân tán chỉ cần một đường dây duy nhất.
™ Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn.
™ Tăng độ tin cậy của hệ thống: Truyền kỹ thuật số nên hạn chế lỗi và nếu có
lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu
của hệ thống bus.
™ Tăng độ linh hoạt của hệ thống: Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị I/O và
trong thiết kế cấu trúc hệ thống. Khả năng mở rộng hệ thống dẽ dàng hơn.
™ Vào ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần thiết bị hiện trường.
1.1.4.3 Vào/ra trực tiếp với bus trường
Sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh có khả năng nối mạng
trực tiếp không cần thông qua các module I/O như hình 1-6. Cấu trúc vào/ra trực
tiếp với bus trường có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-6 Cấu trúc vào/ra trực tiếp với bus trường

17


™ Cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt.
™ Giảm chi phí cáp truyền, các khối vào/ra và các phụ kiện khác.
™ Giảm kích thước tủ điều khiển.
™ Đưa vào vận hành và khả năng chuẩn đoán các thiết bị trường qua mạng một
cách dẽ dàng.
™ Khả năng tích hợp các chức năng điều khiển tự động xuống các thiết bị
trường.
1.1.5 Cấu trúc điều khiển
1.1.5.1 Điều khiển song song
Các kênh điều khiển được truyền song song từ đầu đến cuối và làm việc hoàn

Một dây chuyền sản xuất được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể bố trí
cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu
trúc điều khiển trung tâm và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển
mỗi phân đoạn bằng một hay nhiều máy tính cục bộ. Các máy tính điều khiển cục
bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, ở vị trí
không xa với quá trình kỹ thuật. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì
vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy

19


tính điều khiển. Trong nhiều trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng
với nhau và với một hay nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ
thống như hình 1-9. Cấu trúc điều khiển này có ưu và nhược điểm sau:

Hình 1-9 Cấu trúc điều khiển phân tán
™ Phân chia chức năng điều khiển xuống các máy tính điều khiển tại các trạm
cục bộ (ở vị trí không xa so với quá trình kỹ thuật).
™ Điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển có thể diễn ra trực tiếp
hoặc thông qua các máy tính giám sát trung tâm.
™ Độ linh hoạt cao hẳn so với cấu trúc tập trung.
™ Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự
phân tán chức năng xuống các cấp dưới.
™ Mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống.
1.2 Hệ thống SCADA
1.2.1 Khái niệm chung
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống tự động điều
khiển giám sát và thu thập quản lý số liệu. Các hệ SCADA được thực hiện trên sự
phát triển ứng dụng máy tính, vi điều khiển vào điều khiển và truyền tin, kết hợp
với kỹ thuật đo lường và các S thông minh trong công nghiệp.

điểm nào trên hiện trường.

21


Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA
1.2.3 Chức năng hệ thống SCADA
Hệ SCADA là hệ thống điều khiển tập trung, trong đó chức năng chính là
thu thập dữ liệu và giám sát, chỉ thực hiện một phần chức năng điều khiển. Thu
thập từ xa các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở dữ
liệu. Dùng các cơ sở dữ liệu đó để cung cấp những dịch vụ điều khiển - giám sát
sản xuất. Chức năng hệ thống SCADA gồm có:
™ Hiện thị báo cáo tổng kết và quá trình sản xuất.
™ Điều khiển từ xa quá trình sản xuất.
™ Thực hiện các dịch vụ truyền số liệu trong hệ và ra ngoài.
™ Khả năng phát triển Driver cho các phần cứng: Thông thường các nhà
cung cấp công cụ phát triển hệ SCADA đều đã xây dựng sẵn các Driver
cho các PLC thông dụng.

22


Nghĩa là hệ SCADA đảm nhận hầu hết các chức năng cơ bản của một hệ
thống thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp đó là: Chức năng đo
lường, hiển thị, lưu giữ số liệu đo; chức năng kiểm tra tự động, giám sát; chức
năng nhận dạng phân loại sản phẩm ; chức năng chẩn đoán kỹ thuật; chức năng
điều khiển quá trình.
Ngoài ra hệ còn có thể truyền số liệu ra ngoài thông qua Ethenet.
Về chức năng dự phòng chỉ có các máy chủ được dự phòng còn các PLC,
module I/O đều không có dự phòng do đó mà giảm độ tin cậy của hệ thống.

™ Cấu trúc phần cứng của hệ SCADA đơn giản, giá thành rẻ.
™ Các thiết bị phần cứng có thể được cung cấp từ nhiều nhà cung cấp khác
nhau.
™ Có thể vận hành hệ thống từ máy điều khiển trung tâm.
™ Quản lý được hệ thống vừa và nhỏ (nhỏ hơn 100 điểm).
™ Sử dụng các S thông minh trong công nghiệp.
Từ đặc điểm và chức năng hệ thống SCADA, ta thấy hệ thống SCADA có các
nhược điểm sau:
™ Hệ SCADA là hệ thống tập trung nên không quản lý được những hệ
thống lớn, phức tạp vì quá tải.
™ Không có phần mềm chuyên dụng phục vụ cho dự phòng.
™ Khả năng cho phép mở rộng các điểm đo và điều khiển là rất khó khăn.
™ Tính ổn định của hệ thống không cao.
™ Chỉ quản lý được những hệ thống nhỏ (dưới 100 điểm đo).

24


Chương 2
Mạng truyền thông công nghiệp điển hình của
SIEMENS
2.1 Mô hình hệ thống mở OSI
Năm 1978, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Organization for
Standardization) định nghĩa một hệ thống mở OSI (Open System Interconnection)
phải theo tiêu chuẩn bao gồm 7 lớp và có thể thay thế các thiết bị của các hãng sản
xuất khác nhau. Mô hình hệ thống mở như hình 2-1 dưới đây:

Hình 2-1 Mô hình hệ thống mở OSI
™