Luận văn Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

Bộ giáo dục và đào tạo Tr−ờng đại học bách khoa Hà nội --------------------------------------------- Luận văn thạc sĩ khoa học Ngành: xử lý thông tin và truyền thông Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát Nguyễn trung kiên Hà nội 2006 2 Lời cam đoan Tên tôi là Nguyễn Trung Kiên, Học viên lớp Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2004. Tôi cam đoan những nội dung tôi viết trong luận văn là nghiên cứu của bản thân tôi d−ới sự h−ớng dẫn của T.S Nguyễn Linh Giang và không có sự sao chép bất hợp pháp từ nghiên cứu của ng−ời khác. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2006 Ng−ời cam đoan: Nguyễn Trung Kiên. 3 Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................. 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................... 7 Mở đầu......................................................................................................... 9 Ch−ơng 1 - Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát 1.1. Tổng quan về SCADA.......................................................................... 11 1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTUs (Remote Terminal Units)............... 13 1.1.2. Trạm chủ của hệ thống SCADA (Scada Master Station) .............. 16 1.1.3. Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols) ............. 17 1.1.4. Truyền thông trong SCADA .......................................................... 19 1.2. Kiến trúc của SCADA.......................................................................... 20 1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối...................................................... 20 1.2.2. Hệ SCADA phân bố ....................................................................... 21 1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng........................................................... 23 1.3. Kiến trúc phần mềm ............................................................................ 25 1.4. Tính năng của hệ thống SCADA ........................................................ 27 1.4.1. Cảnh báo và giám sát ..................................................................... 27 1.4.2. Thu thập dữ liệu ............................................................................. 28 1.4.3. Thông báo và chia sẻ dữ liệu.......................................................... 28 1.5. Hệ thống SCADA ở Việt Nam ............................................................. 28 Ch−ơng 2 – Mạng truyền thông công nghiệp 2.1. Mạng truyền thông của Siemens......................................................... 31 2.1.1. Tổng quan về mạng công nghiệp của SEMATIC .......................... 31 2.1.2. Mạng nhiều điểm ........................................................................... 33 4 2.1.3. PROFIBUS ..................................................................................... 34 2.1.4. Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) ........................................ 41 2.1.5. Ghép nối điểm tới điểm (Point to Point Interface)......................... 42 2.1.6. Giao diện cảm biến-cơ cấu chấp hành ........................................... 43 2.2. Một số chuẩn truyền dẫn ..................................................................... 45 2.2.1. Chuẩn RS-232 ................................................................................ 45 2.2.2. Chuẩn truyền RS-422 ..................................................................... 48 2.2.3. Chuẩn RS-485 ................................................................................ 50 2.3. Dịch vụ truyền thông ........................................................................... 56 2.3.1. Định nghĩa...................................................................................... 56 2.3.2. Dịch vụ truyền thông và subnet ..................................................... 57 Ch−ơng 3 – Truyền thông với PLC 3.1. Tổng quan về PLC ............................................................................... 60 3.1.1. Định nghĩa...................................................................................... 60 3.1.2. Đặc điểm ........................................................................................ 60 3.1.3. Cấu tạo PLC ................................................................................... 62 3.1.4. Cấu hình cứng PLC ........................................................................ 62 3.1.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 64 3.1.6. Cơ chế hoạt động............................................................................ 64 3.1.7. Ph−ơng pháp xử lý tín hiệu ............................................................ 65 3.2. Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 của Siemens .................. 65 3.2.1. Các thành phần của một hệ PLC S7-200........................................ 65 3.2.2. Phần cứng của PLC S7-200............................................................ 66 3.2.3. Cổng truyền thông.......................................................................... 68 3.2.4. Cấu trúc bộ nhớ .............................................................................. 69 3.2.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 71 3.3. Truyền thông trên PLC ....................................................................... 73 5 3.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông................................................. 73 3.3.2. Tham số truyền thông .................................................................... 74 3.3.3. Các cổng truyền thông ................................................................... 74 3.3.4. Khoảng cách truyền thông ............................................................. 75 3.3.5. Điều khiển đ−ờng tín hiệu truyền thông ........................................ 75 3.3.6. Nghi thức truyền thông .................................................................. 76 Ch−ơng 4 – Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát 4.1. Phân tích thiết kế hệ thống .................................................................. 78 4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát ...................................................... 78 4.1.2. PLC ................................................................................................ 80 4.1.3. Hệ thống điều khiển giám sát ....................................................... 80 4.1.4. Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống....... 86 4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát ............................................... 88 4.2.1. Các thành phần và tính năng của hệ thống..................................... 88 4.2.2. Hoạt động của hệ thống ................................................................. 88 kết luận và khuyến nghị................................................................ 93 tài liệu tham khảo............................................................................. 94 phụ lục a: Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống phụ lục b: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển Phụ lục c: m∙ nguồn ch−ơng trình điều khiển cho PLC 6 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt STT Từ viết tắt Giải nghĩa 1 ADC Analog Digital Converter 2 AGC Automatic Generation Control 3 DA Distribution Automation 4 DAC Digital Analog Converter 5 DCE Data Communication Equipment 6 FBD Function Block Diagram 7 HMI Human Machine Interface 8 LAD Ladder Logic 9 LAN Local Area Network 10 MMI Man Machine Interface 11 MPI Multi Point Interface 12 MS Master Stations 13 MTU Master Terminal Unit 14 PLC Programable Logic Control 15 PSN Public Switched Network 16 RTU Remote Terminal Unit 17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 18 STL Statement List 19 UCA Utility Communication Architecture 20 WAN Wide Area Network 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Thứ tự Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 12 Hình 1.2 Một RTU điển hình 13 Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên 21 Hình 1.4 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai 22 Hình 1.5 Hệ thống SCADA thế hệ thứ ba 24 Hình 1.6 Kiến trúc chung của phần mềm 26 Hình 2.1 MPI - SURNET 33 Hình 2.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 36 Hình 2.3 Ph−ơng pháp thâm nhập đ−ờng dẫn trong mạng PROFIBUS 37 Hình 2.4 Mạng PROFIBUS 38 Hình 2.5 Mạng PROFIBUS -DP 39 Hình 2.6 Industrial Ethernet 41 Hình 2.7 Kết nối điểm tới điểm 43 Hình 2.8 ASI - Subnet 44 Hình 2.9 Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC 46 Hình 2.10 Kiểu mạng RS-422 bốn dây 49 Hình 2.11 Sơ đồ bộ kích thích và bộ thu RS-485 51 Hình 2.12 Quy định trạng thái logic cảu tín hiệu RS-485 52 8 Hình 2.13 Các ph−ơng pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 55 Hình 3.1 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển logic 62 Hình 3.2 Các thành phần của PLC S7-200 66 Hình 3.3 Cấu tạo của CPU 214 67 Hình 3.4 Sơ đồ chân của cổng truyền thông 68 Hình 3.5 Ghép nối máy tính với PLC 69 Hình 3.6 Bộ nhớ trong và ngoài của S7 - 200 69 Hình 4.1 Cấu tạo của lò nhiệt 81 Hình 4.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 84 Hình 4.3 Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 87 Hình 4.4 Hình dáng của PZ-41L 88 Hình 4.5 Bảng điều khiển hệ thống 90 Hình 4.6 Giao diện điều khiển giám sát 91 9 Mở đầu Trong những năm gần đây, nhu cầu về ứng dụng tự động hoá kết hợp với truyền thông trong hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp đang phát triển rất mạnh. Rất nhiều nhà máy, xí nghiệp có nhu cầu trang bị hệ thống tự động hoá để phục vụ cho mục đích của họ. Nh−ng họ không có nhiều thông tin về các hệ thống đó. Trong thực tế, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều hệ thống tự động điều khiển giám sát hoạt động nh−ng tính tích hợp của nó ch−a cao. Hầu hết các hệ thống này th−ờng dành cho các ứng dụng lớn, do đó giá thành t−ơng đối cao, không phù hợp với nhiều nhà máy, xí nghiệp. Hơn nữa, mỗi nhà máy, xí nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau. Do đó việc nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý, giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất thiết thực và cần thiết. Chỉ cần có một ng−ời điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể ứng dụng để : - Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động - Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt - Giám sát số l−ợng ng−ời vào/ra khu vực lò - Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập - Giám sát hoạt động của ng−ời trong phòng/toà nhà thông qua Camera quan sát - Điều khiển chuông báo giờ … 10 Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của ng−ời sử dụng, và khi đó giá thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo. Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát” với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính. Nội dung của đề tài bao gồm: - Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống. - Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống. - Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống. Đề tài đ−ợc hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S. Nguyễn Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Tr−ờng ĐH Bách Khoa Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Tr−ờng ĐH Công nghiệp Hà Nội. Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc tìm tài liệu và biên dịch nh−ng chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài của tôi đ−ợc đầy đủ hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! 11 Ch−ơng 1 – Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) 1.1. Tổng quan về SCADA: SCADA là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hoá. Các thiết bị tự động hoá ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp. Một hệ thống SCADA bao gồm 1 hay nhiều máy tính, dùng kèm với 1 phần mềm ứng dụng thích hợp. Chúng hình thành các Trạm chính (MS - Master Stations) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đ−ờng dây hữu tuyến, vô tuyến, đ−ờng dây truyền tải, cáp quang, mạng Internet…) kết nối với các Đơn vị tải đầu cuối (RTU - Remote Terminal Units). Các RTU đ−ợc đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống và thông báo định kỳ kết quả về máy tính chủ. Một hệ thống SCADA sẽ thu thập thông tin, truyền thông tin trở lại vị trí trung tâm, sau đó cảnh báo trạm chính rằng đã có sự cố xảy ra, cần thực hiện các phân tích và điều khiển, xem xét liệu sự cố đó có nguy cấp hay không, rồi hiển thị thông tin theo một dạng logic và có tổ chức nhất định. Hệ thống SCADA có thể ở dạng đơn giản, nh− một hệ thống giám sát điều kiện môi tr−ờng; nh−ng có thể rất phức tạp, nh− hệ thống giám sát các hoạt động của một nhà máy năng l−ợng hạt nhân. Tr−ớc đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạch chung (PSN – Public Switched Network) để phục vụ mục đích giám sát. Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng của LAN/WAN (Local Area Network/Wide Area Network). Kỹ thuật không dây cũng đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi cho mục đích giám sát. 12 Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống SCADA Nh− vậy, hệ thống SCADA bao gồm: • Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu, th−ờng là các RTU hoặc PLC. • Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị giao tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong máy chủ trung tâm SCADA. Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại, cáp, vệ tinh…. hoặc là sự kết hợp của bất kỳ loại nào ở đây. • Một hoặc nhiều máy tính chủ ở trung tâm (còn đ−ợc gọi là SCADA Center, Master Station, hoặc Master Terminal Unit – MTU). • Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống phần mềm (đôi khi đ−ợc gọi là phần mềm giao diện ng−ời – máy (HMI – Human Machine Interface hoặc MMI – Man Machine Interface)) sử dụng để hỗ trợ cho máy chủ 13 trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ trợ hệ thống truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu từ xa. 1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units): RTU là một thiết bị giao tiếp với các đối t−ợng trong hệ SCADA bằng cách truyền dữ liệu của phép đo từ xa tới hệ thống và/hoặc cảnh báo trạng thái của các đối t−ợng đã kết nối dựa trên các thông báo điều khiển nhận đ−ợc từ hệ thống. Một RTU điển hình có một giao diện truyền thông (th−ờng là nối tiếp, Ethernet, giao diện riêng hoặc bất kỳ sự kết hợp nào ở đây), một bộ xử lý đơn giản, một vài cảm biến, một vài chuyển mạch, và một bus sử dụng để liên lạc với các thiết bị và/hoặc các board giao diện. Bus này đôi khi đ−ợc gọi là bus thiết bị. Các board giao diện có thể là ở dạng số và dạng t−ơng tự, nó đ−ợc thiết kế chỉ cho đầu vào, chỉ cho đầu ra hoặc cả hai. Chúng th−ờng đ−ợc viết tắt là "DI" (Digital Input), "AO" (Analog Output), … Hình 1.2: Một RTU điển hình Các RTU thực chất là các bộ điều khiển (PLC hoặc bộ vi điều khiển), bên trong nó th−ờng chứa sẵn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters) và DAC (Digital Analog Converters). Các bộ RTU đ−ợc thiết kế rất chặt chẽ, bao gồm: các ngõ vào/ra I/O đ−ợc bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống các xung quá độ điện áp. Các bộ RTU đ−ợc thiết kế để làm việc trong môi 14 tr−ờng có nhiệt độ khắc nghiệt (- 400C đến +850C), đ−ợc cấp nguồn hoặc bằng điện AC 120/240V, hoặc bằng điện DC 125/24VDC. Một RTU có thể có nhiều cổng kết nối sao cho 1 RTU có thể đ−ợc chia sẻ bởi nhiều máy (Master Station). 1.1.1.1. Phân loại RTU: a) RTU dùng cho các trạm trung chuyển: ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung l−ợng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến vài ngàn điểm). Chúng đ−ợc đóng gói trong vỏ bọc dạng tủ đứng, gồm nhiều ngăn gắn Card cho phép kết nối tới nhiều Card vi xử lý, Card ADC&DAC, Card I/O. Nh− vậy, một RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với nhiều RTU khác trên chính trạm đó. Mỗi RTU này có chức năng chuyên biệt riêng, từ điều khiển vòng kín cho đến chuyên xử lý tính toán. b) RTU dùng để tự động hoá l−ới phân phối: ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung l−ợng ngõ nhập/xuất nhỏ hơn. Các RTU loại này (gọi là DA RTU – DISTRIBUTION AUTOMATION RTU) th−ờng là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor, trên đó tích hợp sẵn các ngõ I/O. Các Card I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt, thay cho loại Card cắm trực tiếp. H−ớng phát triển mạnh nhất là các DA RTU tích hợp công (Digital Signal Processing – Xử lý tín hiệu số) có khả năng phát hiện lỗi và xử lý tính toán các đại l−ợng điện cực nhanh. c) Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC – Programable Logic Control): Từ nhiều năm, PLC đã đ−ợc sử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp. Gần đây, PLC lại bắt đầu đ−ợc dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ thống phân phối năng l−ợng. Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất lớn (hàng nghìn đơn vị). Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc đ−ợc điều khiển bằng ch−ơng trình phần mềm nạp sẵn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát từ máy chủ của hệ thống SCADA. Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và 15 gần đây là FLASHROM, ng−ời vận hành có thể dễ dàng chỉnh sửa ch−ơng trình đang nạp cho PLC mà không phải động chạm đến phần cứng. Một −u điểm nữa là hầu hết các PLC đều có cấu trúc I/O và các chức năng chuyên dùng ở dạng Modul, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở gần, hoặc kết nối bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay đôi dây xoắn. Ngôn ngữ lập trình thông dụng cho các PLC là ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER LOGIC – RLL), rất đơn giản và hiệu quả, cho phép ng−ời vận hành chỉnh sửa ch−ơng trình LADDER với các RTU là các PLC dùng bộ nhớ dạng EEPROM. Một −u thế nữa của các RTU dạng PLC hiện đại là khả năng lập trình hoá cả các ứng dụng có điều khiển PID vòng kín, tích hợp các ch−ơng trình điều khiển mờ (FUZZY CONTROLLER) phối hợp với mạng Nơron… d) Bộ chuyển đổi (Transducer): Transducer th−ờng là các modul điện tử dùng để chuyển đổi tín hiệu điện từ dạng này sang dạng khác. Th−ờng tín hiệu AC cần chuyển sang tín hiệu DC để cấp cho ngõ vào Analog của RTU. Tuỳ thiết kế các Transducer có thể cần hoặc không cần nguồn nuôi ngoài cung cấp. e) Bộ dồn xung (Pulse Accumulator): Chuyển động của động cơ, roto máy phát hay đĩa quay đếm công suất tiêu thụ của điện kế có thông số tốc độ (rad/giây) đ−ợc đo hoặc bằng cảm biến chuyển thành điện áp đ−a vào ngõ Input Analog của RTU để xử lý; hoặc qua tiếp điểm đóng mở tạo chuỗi xung truyền trực tiếp vào ngõ Input Digital của RTU để đ−ợc bộ đếm của phần mềm cài đặt trong RTU xử lý. Máy chủ có thể điều khiển từ xa để kích hoạt cho ng−ng hay chạy các bộ đếm này. 1.1.1.2. Phần mềm cài đặt cho RTU: Phần mềm chạy trên RTU đ−ợc nhà sản xuất cung cấp, th−ờng có dạng ngôn ngữ cấp cao nh− C và C++, chứa sẫn trình biên dịch các lệnh gửi từ máy chủ. Với RTU có khả năng xử lý đủ mạnh, nó kiêm luôn khả năng điều khiển 16 tại chỗ (ví dụ chức năng ngắt mạch khi có sự cố). Ngoài ra, ch−ơng trình của RTU vận hành trong hệ thống SCADA còn có thêm một số tính năng nh−: • Khả năng chọn lọc thông tin: máy chủ sàng lọc các thông tin khác biệt so với nội dung các báo cáo đều đặn tr−ớc đó. • Khả năng ngắt để báo cáo đột xuất: cho phép RTU ngắt đột xuất ch−ơng trình máy chủ để báo có biến đổi trạng thái đột ngột hoặc để cảnh báo giới hạn giá trị Analog của 1 biến nào đó bị vi