GVHD: Th.s Tống Thị Lý

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.
.......................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
1

1



...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
3

3


GVHD: Th.s Tống Thị Lý

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Xác nhận của giáo viên phản biện

4

4


LỜI CAM ĐOAN

Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển

Được sự hướng dẫn trực tiếp của cô giáo Tống Thị Lý. Bộ môn Tự động
hóa – Khoa Điện – Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, nhóm sinh viên lớp
ĐIỆN 3 – K6 chúng em đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng đồ án tốt nghiệp với
đề tài “ nghiên cứu hệ thu thập dữ liệu và điều khiển “. Nội dung đồ án tốt nghiệp
gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan chung về hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển
Chương 2:Khảo sát mô hình Y-0044B.
Chương 3:Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển.
Chương 4: Kết luận đáng giá kết quả ,hướng phát triển đề tài
Dưới đây là báo cáo chi tiết về nội dung, kết quả thu được và những hạn
6

6


LỜI NÓI ĐẦU

Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển

chế của nhóm sau quá trình thực hiện đề tài.
Trong quá trình thực hiện đồ án do thời gian nghiên cứu không nhiều nên
đồ án và báo cáo không thể trách khỏi những thiếu sót. Vì vậy nhóm sinh viên
rất mong và trân trọng những ý kiến phê bình đóng góp của các thầy cô và các bạn
sinh viên đề đồ án được hoàn thiện hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội,tháng 5 năm 2015
Nhóm sinh viên thực hiện

7


Đồ án của chúng em được hoàn chỉnh hơn .
Chúng em xin chân thành cảm ơn !!!
Hà Nội,ngày tháng năm 2015

9

9


MỤC LỤC

Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PLC

Programable
Logic Controller

Thiết bị điều khiển logic khả
trình

HMI

Human- Machine Interface

Giao diện người và máy

PC

dụng

10

OSI

Open System
Interconnection

Hệ thống mở

TxD

Transfer Data

Chuyển dữ liệu

RxD

Receive Data

Nhận dữ liệu

CRC

Cyclic Redundancy Check

Vòng kiểm tra lỗi

10

1.1 Giới thiệu về hệ thống SCADA
1.1.1 Khái niệm

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể
thiếu được trong một hệ thống tự động hóa hiện đại. Từ những năm gần đây, tiến
bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm đã thực
sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới.
Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệm
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) cũng được hiểu với những
ý nghĩa hơi khác nhau, tùy theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian.
Có thể, khi nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng
và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải
về một khu trung tâm để xử lý. Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai
thác dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu. Theo cách hiểu
này, vấn đề truyền thông được đặt lên hàng đầu.
Trong nhiều trường hợp, các khái niệm SCADA và “None SCADA” lại
được dùng để phân biệt các giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phần
mềm chuyên dụng (ví dụ FIX, InTouch, WinCC, Lockout,…) hay phần mềm phổ
thông (Access, Excel, Visual Basic, Delphi, Jbuilder,…) ở đây, công nghệ phần
mềm là vấn đề quan tâm chủ yếu.
Nói một cách khái quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ thống
điều khiển giám sát, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc quan sát và
điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Đương
nhiên, để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có hệ thống truy nhập
(không chỉ thu thập) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần phải có giao diện người –
máy (Human – machine Interface, HMI). Tùy theo trọng tâm của nhiệm vụ mà
người ta có thể có những cách nhìn khác nhau.
1.1.2 Phân loại

Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

liệu với nhiều bộ vi xử lí. Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau. Hệ này
có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất.
Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều
khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ
phòng thiết kế. Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị
ở xa.
1.1.3 Những chuẩn đánh giá

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân
tích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ
của công cụ phần mềm đối với 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 quá trình kĩ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp
hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).
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 năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nền
Windows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá thành
tổng thể của hệ thống.

14

14


CHƯƠNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra,
chuyển đổi tín hiệu.

•

Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển
chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic
Controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và
máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng.

•

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 cảm biến/chấp hành,
bus trường, bus hệ thống.

•

Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.

1.1.5 Các thành phần chức năng cơ bản của một hệ SCADA.

Xét một các tổng quát, một hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu bao
gồm những thành phần chức năng cơ bản như liệt kê dưới đây:

CHƯƠNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

•

I/O – Servers (DDE, OPC,...)

•

Giao diện người – máy

•

Cơ sở dữ liệu quá trình.

•

Hệ thống cảnh báo, báo động.

•

Lập báo cáo tự động.

•

Điều khiển cao cấp: Điều khiển mẻ, điều khiển trình tự, điều khiển công
thức...

Hình 1.2: Các thành phần phần mềm trong một hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu.

lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống
các cơ cấu chấp hành. Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người
đứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lương, sử dụng
kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút
đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v… Trong một hệ thống điều khiển
tự động hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng
máy tính.

18

18


CHƯƠNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.3: Mô hình phân cấp chức năng.

1.1.6.3 Cấp điều khiển giám sát.
Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình
kĩ thuật. Khi đa số các chức năng như điều khiển, đo lường, điều chỉnh, bảo toàn
hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát
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. Ngoài ra, trong 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 (ví dụ trong chế biến dược
phẩm, hóa chất). Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều
khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt
ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ,

động hóa bằng một hệ SCADA của cấp ấy. Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới
thấp sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại
rõ máy móc thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào. Các số
liệu phân loại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên trên
theo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập dữ
liệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp.
-Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính đưa ra
các lệnh thao tác thay đổi ’ien hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng của
mình, qua hệ truyền tin gửi lệnh đó đến cấp SCADA có ’ien quan để thực hiện.
Để giải quyết những bài toán điều khiển phân tích riêng này của mình thì
SCADA mỗi cấp thường được trang bị ’ien những phần cứng máy tính, phần
mềm phân tích chuyên dụng. Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA
cung cấp để giải bài toán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành và cho hệ
SCADA.
Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
-Thứ nhất: thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất
và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất,
sự kiện thao tác, báo động, …)
-Thứ hai: Dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển,
giám sát hệ sản xuất.
-Thứ ba: Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn hình,
trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất…)
20
20


CHƯƠNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP




CHƯƠNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Cơ sở dữ liệu quá trình
Chức năng:
Cơ sở dữ liệu quá trình thực hiện chức năng quản lý, lưu trữ nhưng dữ liệu,
thông tin về quá trình, về hệ thống bao gồm:
1.1.8.2
a.

•

Dữ liệu quá trình.

•

Dữ liệu tình trạng hệ thống

•

Dữ liệu quá khứ

•

Dữ liệu cảnh báo

•

d.
•

Sơ đồ khối (hệ thống): Hiển thị tình trạng các thiết bị, máy móc.

•

Lưu đồ công nghệ (phân đoạn, nhóm): Hiển thị các giá trị quá trình, các
hình ảnh động minh họa, các phím điều khiển.

•

Biểu đồ chức năng trình tự (SFC)

•

Faceplates: Hiển thị và can thiệp chi tiết một vòng điều khiển (chế độ
điều khiển, các giá trị biến và tham số điều khiển, tình trạng báo động).

22

22


CHƯƠNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

•



Các hệ PLC+SCADA/HMI: Các trạm vận hành/trạm chủ.

•

Gửi cảnh báo/báo động.

•

Trạm được quyền can thiệp.

•

Mức ưu tiên, tính cấp thiết.

•

Lưu trữ dữ liệu cảnh báo/báo động.

•

Hiển thị cảnh báo/báo động.

•

Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết.

•

Sắp xếp theo thời gian xảy ra.


1.2 Nguyên tắc thiết kế HMI trên WinCC
1.2.1 Các nguyên tắc chung khi thiết kế HMI

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phần mềm cho hệ SCADA như WinCC
(Siemens), Fix-Intellution, Wonderware, Scitect, Plantscape (Honeywell)... Tuy
nhiên, trong giới hạn đồ án chúng em xin giới thiệu phần mềm WinCC sử dụng
cho hệ SCADA trạm vận chuyển gia công và phân loại sản phẩm.
WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển
chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để
thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như
Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1). Trong dòng các sản
phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ
hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.
WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động
hóa quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên
phần mềm cho PC.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn
nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có qui
mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES
(Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và
ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy
mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới.
Hệ thống WinCC bao gồm các hệ thống con:

24

•

Hệ thống đồ họa (Graphics system)

-

-

-

-

-

-

-

25

Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: WinCC sử dụng công nghệ phần
mềm mới nhất. Nhờ sự cộng tác chặt chẽ giữa Siemens và Microsoff, người
dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà
Microsoft là người dẫn đầu.
Hệ thống khách/chủ với các chức năng SCADA: Ngay từ hệ thống WinCC
cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi
động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình ảnh (picture), các
cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ
dàng được thiết lập.
Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp: WinCC là một
mô đun trong hệ thống tự động hóa, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ
thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy
tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc
phân tán với nhiều máy chủ (server)