Luận văn Ứng dụng hệ scada vào hệ thống pha trộn hóa chất

PHẦN 3 ỨNG DỤNG HỆ SCADA VÀO HỆ THỐNG PHA TRỘN HÓA CHẤT Chương 1: Hệ Thống SCADA GIỚI THIỆU HỆ SCADA. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition = hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu) là hệ thống cho phép người điều hành giám sát và điều khiển các quá trình mà chúng được phân bố trong các nơi ở xa. Có nhiều quá trình sử dụng hệ thống SCADA như: thủy điện, các khâu xử lý và phân phối nước , khí tự nhiên, v.v…Các hệ thống SCADA cho phép các nơi xa liên lạc với phương tiện điều khiển và cung cấp dữ liệu điều khiển cần thiết cho các quá trình điều khiển. Khi khoảng cách đến các nơi xa tăng thì càng khó truy cập hơn, khi đó SCADA trở thành sự chọn tốt nhất cho người điều hành để điều chỉnh và quan sát. Khoảng cách và sự ở xa là hai yếu tố chính để cài đặt các hệ thống SCADA . Các hệ thống SCADA hiện đại có nhiều đặc tính tiên tiến như: kiến trúc phân bố, cơ sở dữ liệu phân bố, giao tiếp đồ họa với người sử dụng (GUI = Graphic User Interface), các đơn vị đo lường từ xa thông minh v.v… Hệ SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến/ chuyển đổi năng lượng. Xử lý và thực hiện các phép tính trên dữ liệu thu thập được. Hiển thị dữ liệu thu thập và dữ liệu được suy ra. Nhận lệnh từ người điều hành và thực hiện gởi các lệnh điều khiển đến các thiết bị của nhà máy. Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay đúng lúc và tin cậy. Các hệ thống như vậy có thể được gọi bằng các tên khác trong các tình huống và các kỹ nghệ khác, như: DAC (Data Acquition and Control = Điều khiển và thu thập dữ liệu), DCS (Distributed Control Systems = Các hệ thống điều khiển phân bố), v.v…Tất cả các hệ thống này về cơ bản thực hiện cùng các chức năng. Xuất phát từ các công việc ứng dụng cụ thể mà có sự khác biệt giữa chúng ở các đặc điểm sau: Vị trí và sự phân bố các nguồn dữ liệu công nghiệp (các thiết bị nhà máy). Lượng dữ liệu được thu thập. Tốc độ thu thập dữ liệu. Các lệnh điều khiển có thể được tạo ra một cách tự động bởi các hệ thống này ở mức độ nào. Kiểu tính toán và vị trí mà các tính toán và các tác động điều khiển sẽ được thực hiện. Hệ thống SCADA có 4 phần tử chính: người điều hành (operator), phần tử thiết bị đầu cuối chính MTU (Master Terminal Unit), truyền thông liên lạc và phần tử thiết bị đầu cuối ở xa RTU (Remote Terminal Unit). Người điều hành thực hiện điều khiển qua thông tin được mô tả trong khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit). Phần nhập của hệ thông thường xuất phát từ người điều hành qua bàn phím của MTU. Thông tin từ các nơi ở xa được MTU giám sát và hiển thị các thông tin này cho người điều hành . Quan hệ giữa MTU và RTU tương tự như giữa chủ và tớ. MTU (Master Terminal Unit) MTU Outputs to Other Devices Inputs from Operator Outputs to RTU Inputs from RTU Hình 3.1: Các phần nhập và xuất của MTU. Trung tâm của hệ thống là MTU. Nhiệm vụ của MTU là khởi động tất cả các công việc: truyền thông liên lạc, thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin, gửi thông tin đến các hệ thống khác, và giao tiếp với người điều hành. Sự khác biệt chính giữa MTU và RTU là MTU khởi động ảo tất cả các truyền thông bằng lập trình giữa nó và con người. Hầu hết tất cả các truyền thông được thực hiện bởi MTU. MTU cũng liên lạc với các thiết bị ngoại vi khác như: monitor, máy in hoặc các hệ thống thông tin khác. Thành phần giao tiếp cơ bản với người điều hành là monitor mà trong đó hiển thị các valve, bơm v.v…Khi dữ liệu đến thay đổi thì màn hình được cập nhật. RTU (Remote Terminal Unit): RTU thu thập thông tin ở xa từ nhiều thiết bị nhập như các valve, bơm, báo động (alarm), đồng hồ đo (meter)…Chủ yếu dữ liệu dạng analog (số thực), digital (on/off), hoặc dữ liệu xung (như đếm số vòng xung của các meter). Nhiều RTU giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ và đợi yêu cầu từ MTU để truyền dữ liệu. Các RTU hiện đại hơn có các máy vi tính và các PLCs có thể điều khiển trực tiếp qua địa điểm từ xa không cần định hướng của MTU. . RTU Outputs to Field Devices Inputs from Field Devices Outputs to MTU Inputs from MTU Hình 3.2: Các phần nhập và xuất của RTU. CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông. Các giao thức có thể mở rộng như TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng riêng. Những luồng dữ liệu tổng quát chứa các thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức, truyền thông và dữ liệu. RTU nhận thông tin của nó nhờ vào mã nhận dạng của nó trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này được diễn dịch và CPU điều khiển tác động thích hợp tại chỗ. CÁC ĐẶC TÍNH CHÍNH CỦA HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI. Kiến trúc hệ thống: Hiện nay các hệ SCADA thế hệ mới được xây dựng theo kiến trúc phân bố, trong đó công suất của máy chủ được phân bố trên một số bộ xử lý được nối cùng với nhau bằng mạng cục bộ (LAN). Trong đó mỗi bộ xử lý có một trách nhiệm nhất định như : thu thập và xử lý, tạo hiển thị, thiết lập báo cáo v.v… và một số bộ xử lý dùng để dự phòng. Nhờ vào các công nghệ diện rộng (WAN), hệ thống SCADA có thể được phân bố trên một miền địa lý rộng. Hệ thống được thiết kế theo hệ thống mở và cơ cấu server_client. Kiến trúc tiêu biểu của một hệ SCADA phân bố: IOS HDC APPS GW HMI Hình 3.3: Kiến trúc tiêu biểu của một hệ SCADA phân bố. Trong đó: IOS = Data Input/Output Module. HMI = Human_Machine Interface Module. HDC = Historical Data Collection and Storage Module. GW = Gateway for inter_LAN communications. APPS = Application Calculations and Processing Module. Các bộ xử lý máy tính: sử dụng các vi xử lý tiên tiến. Thiết bị giao tiếp giữa người_máy (HMI = HumanMachine Interface) SCADA trang bị các VDU (Visual Display Unit = Đơn vị hiển thị) đầy đủ đồ họa có kèm mouse, trackball jottick và bàn phím. Các nút điều khiển nối cứng được thay thế bằng các biểu tượng trên màn hình được tác động bằng chuột hay bàn phím. Các phương tiện này giúp cho người điều hành: Nhanh chóng hoán đổi giữa các màn hình hiển thị. Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin. Tạo và sửa đổi các màn hình hiển thị trực tiếp ở hệ thống. Có những hiệu ứng đặc biệt để tăng khả năng phân biệt rõ dữ liệu (ví dụ các màu khác nhau cho các lô khác nhau trong một đường ống dẫn dầu). Với các VDU hoạt động trong môi trường Windows hay X-Windows, người điều hành cũng có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin mà thường trải ra trên nhiều màn hình hiển thị. Trên cùng màn hình, truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo vùng hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau. Do đó, những phương tiện HMI hiện đại cho phép người điều hành truy cập số lượng thông tin lớn dễ hơn và nhanh hơn. Các đơn vị đo lường từ xa RTU (Remote Telemetry Unit) Các RTU không còn là những thiết bị thụ động nữa, mà mục đích chính của nó là thu thập và lưu trữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiện ở các RTU. Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết bị lấy chuẩn và đo bồn chứa v.v… Các RTU có thể được sắp xếp theo kiến trúc phân bố hoặc phân cấp. Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ. Cơ sở dữ liệu Dữ liệu được lưu trữ không những là dữ liệu đo đạc từ xa, được tính toán mà còn có các thông số báo về các sự kiện và các cảnh báo. Do bản chất phân bố của hệ SCADA, cơ sở dữ liệu cũng phân bố. Về vấn đề bảo mật thì cho nhiều cấp truy cập sử dụng: điều hành viên, giám sát viên, huấn luyện, kỹ sư, v.v… Cơ sở dữ liệu cũng liên hệ với hệ thông tin quản trị MIS (Geographic Information System). Truyền thông máy tính Truyền thông LAN/WAN giữa các máy tính dựa trên một số tiêu chuẩn công nghiệp phù hợp với mô hình OSI (Open System Interconnection). Hiện nay đã có các công nghệ: Fast Internet, FDDI, Frame Relay, ATM, v.v…Trong tương lai người ta có khuynh hướng chuyển sang ATM. Chương 2: Thực Hiện Chương Trình GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHA TRỘN. Giới thiệu tổng quát. Hệ thống điều khiển pha trộn hóa chất được hoàn tất dựa trên sự kết hợp logic giữa lập trình phần mềm và mô hình thật. Chương trình sử dụng các ngôn ngữ lập trình: S7-300 và WinCC. Phần mềm WinCC cho phép điều khiển kết nối giữa các hình đồ họa được tạo, đồng thời là giao diện giữa người điều hành và hệ thống điều khiển. Ngôn ngữ lập trình S7-300 được dùng để tạo thao tác vận hành cũng như quy luật hoạt động và điều khiển hệ thống. Hệ thống pha trộn bao gồm: 3 loại chất lỏng chứa sẵn ở 3 bồn cung cấp, dẫn qua bơm và valve trước khi vào bồn pha trộn, một bồn để chứa chất lỏng sau khi trộn, và một động cơ dùng để khuấy trộn. Do không có các sensor báo mực chất lỏng, sensor đo lưu lượng nên phần lập trình điều khiển chủ yếu dựa vào bộ định thời Timer và đặc điểm của các valve, bơm. Tuy vậy, nó vẫn cho kết quả chấp nhận được. Phần mô hình gồm: 3 bồn cung cấp mỗi bồn chứa được tối đa là 4.5 lít, bồn dùng cho pha trộn chứa tối đa 9 lít, bơm có tốc độ 1lít/30giây, động cơ, các valve và các rờle đóng ngắt. Hoạt động của hệ thống. Khi nhấn nút “RUN”, 3 van cung cấp A, B, C và bơm được tác động, cho phép chất lỏng từ 3 bồn chảy vào bồn pha trộn theo tỉ lệ nhất định. Chẳng hạn, chất A: 60%, chất B: 25%, chất C: 15%. Khi van cuối cùng (van A) đóng lại thì động cơ bắt đầu hoạt động với thời gian bằng ½ thời gian mở van A. Động cơ dừng, làm tín hiệu kích bơm và van xả hoạt động (thời gian xả bằng tổng thời gian 3 van cung cấp nếu các bơm có cùng tính chất). Sau khi xả xong tức là một lần trộn đã hoàn tất, bộ đếm số thùng tăng lên 1. Đồng thời delay 5s trước khi hệ thống lặp vòng trở lại. Và cứ thế tiếp tục cho đến khi ta nhấn nút “STOP” thì dừng. Đặc biệt khi động cơ đang quay hoặc khi van xả đang hoạt động, ta có thể nhấn nút “PAUSE”, toàn bộ hệ thống sẽ dừng lại cho đến khi nhấn “PAUSE” lần nữa. Hệ thống tiếp tục hoạt động trở lại với giá trị thời gian đã lưu giữ trong bộ nhớ. Với chức năng này của nút “PAUSE”, hệ thống của ta sẽ hoạt động linh hoạt hơn tùy vào ý muốn của người điều hành. Lưu đồ giải thuật của hệ thống pha trộn hóa chất: Y 3 van cung cấp hoạt động 1 “Stop” “Pause” Delay N N Y Y Ngừng động cơ Begin Đặt giá trị Nhấn “Run” 0<giá trị đặt<7 Đưa ra “message” 3 N Cho phép khóa van cung cấp “Stop” N N Y Y Cho phép ngừng động cơ “Pause” Dừng động cơ 2 N Y Động cơ quay Khóa 3 van cung cấp Y N N Delay 5s “Stop” Khóa van û xả “Pause” Delay 3 N N Y Y Y 2 1 Mở van xả Cho phép khóa van xả “Pause” Dừng van xả N Y Giản đồ xung về quá trình hoạt động của hệ thống: 5s tA tD tM tB tC Tín hiệu lệnh Van A Van B Van C Động cơ Van xả Cách vận hành: Có hai cách vận hành hệ thống: điều khiển bằng các công tắc vật lý (giả lập làm nút nhấn) hoặc điều khiển trên máy tính nhờ phần mềm WinCC. TẠO CÁC GIAO DIỆN KẾT NỐI BẰNG WINCC. Các tags và nhóm tag đã tạo trong chương trình. Các nhóm tag gồm có: nhóm tag “điều khiển”, nhóm tag “thời gian thực thi” và nhóm tag “thể tích”. Các tag độc lập: tag “giá trị đặt”, tag “số thùng”. Các tags trong nhóm tag”điều khiển”: Các tags trong nhóm tag “thời gian thực thi”: Các tags trong nhóm tag “thể tích”: Các giao diện cho chương trình. Màn hình chính: Đây là màn hình tổng quát cho phép liên kết với tất cả các hình trong chương trình. Bao gồm các nút điều khiển: “Giới thiệu”, “Thông tin”, “Điều khiển”, “Mô hình”, “Xem dữ liệu”, “Thu thập”, “Đồ thị”, “Thông báo”, “Thoát”. Mỗi nút được nhấn sẽ gọi đến từng hình có nội dung tương ứng. Riêng với nút “Thoát”, khi nhấn sẽ thoát khỏi WinCC RunTime. Màn hình “ Giới thiệu”: Màn hình này cung cấp một đoạn Video giới thiệu về công nghệ và thành tựu của hãng Siemens. Màn hình “Thông tin”: Cho các thông tin về tên đề tài và người thực hiện. Màn hình “Điều khiển”: Bao gồm : Một I/O field: cho phép đặt vào số lít cần pha trộn. Giá trị này có thể lên đến 999.999 (số thực) nhưng thực tế do bồn chứa có dung tích là 9 lít, và mỗi bồn cung cấp có dung tích là 4.5 lít, nên mỗi lần pha trộn chỉ cho phép tối đa là 7 lít. Do đó, nếu đặt quá giá trị này, một message sẽ tạo ra thông báo người vận hành đặt lại giá trị cho thích hợp. Nút nhấn “Run”: cho chạy chương trình. Nút nhấn “Stop”: dừng chương trình. Nút nhấn “Reset”: xóa bộ đếm số thùng về 0. Công tắc “Pause”: cho phép dừng tạm thời chương trình (các nút nhấn “Pause” ngoài thực tế chính là các công tắc). Màn hình “Mô hình”: Ta hoàn toàn có thể giám sát hoạt động của hệ thống trên máy tính mà không cần mô hình thực tế thông qua phần giao diện này. Nó bao gồm các I/O field và các thanh Bar giúp ta dễ dàng hình dung và quan sát giá trị của các bồn chứa. Màn hình “Xem dữ liệu”: Các dữ liệu được quy ra thời gian để dễ dàng theo dõi thời gian hoạt động của các van và động cơ ứng với mỗi giá trị đặt khác nhau. Đồng thời ta quan sát được số thùng đã pha trộn. Màn hình “Thu thập”: Đây là màn hình quan trọng cho phép ta thu thập dữ liệu từ quá trình. Và cũng là một trong ba chức năng chính của hệ SCADA. Ta thu thập các giá trị bằng số cụ thể theo dạng bảng (Table). Màn hình “Đồ thị”: Màn hình này có chức năng giống màn hình “Thu thập”, nghĩa là cũng thu thập các giá trị từ quá trình nhưng theo dạng đồ thị (Trends). Màn hình “Thông Báo”: Thực tế chương trình không dùng các cảm biến cảnh báo về: mức đầy, mức cạn, sự cố máy bơm v.v…cho nên màn hình này chỉ mô phỏng, không áp dụng cho chương trình. Tuy nhiên, em vẫn thực hiện giao diện này để khai thác hết chức năng của WinCC. LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG BẰNG SIMATIC S7-3OO. Đặc tính thiết bị. Chương trình sử dụng CPU 314 IFM. Cấu hình: Kích thước module:WxHxD : 160 x 125 x 130 (mm) Hoặc : 6.24 x 4.88 x 5.07 (in.) Địa chỉ các ngõ vào, ra được tích hợp trong CPU 314 IFM. Vào/ ra Địa chỉ 20 ngõ vào số 124.0 đến 126.3. có 4 kênh đặc biệt: 126.0 đến 126.3. 16 ngõ ra số 124.0 đến 125.7. 4 ngõ vào tương tự 1 ngõ ra tương tự 128 đến 135. 128 . Các kênh đặc biệt này có chức năng: bộ đếm, đo tần số, bộ đếm A/B, đo vị trí. Cấu hình điện: Nguồn cung cấp: 24VDC. Dòng: 1A. Công suất : 16W. Một số đặc tính khác: 24 Kbytes RAM. 40 Kbytes bộ nhớ nạp tích hợp trong EPROM, không cần card bộ nhớ. Tốc độ truyền thông: 19.2 Kbps; 187.5 Kbps. Cáp kết nối MPI: MPI ( multi-point interface): là phần giao tiếp của CPU dùng để kết nối, ví dụ như các thiết bị lập trình, được gọi là giao tiếp đa điểm từ nhiều thiết bị mà có thể truy cập CPU thông qua giao tiếp này. Nói cách khác, CPU với giao tiếp đa điểm có thể nối mạng mà không cần thêm module nào khác. Cáp kết nối giữa CPU 314 IFM và WinCC (máy tính) có thể: 9 chân-9 chân. hoặc: 25 chân-25 chân: Giới thiệu chương trình: Các khối sử dụng trong chương trình: Khối OB1: là khối tổ chức chương trình, dùng để gọi các khối khác: khối FB1, FC1, FC2. Khối FB1: lập trình hoạt động cho 3 van cung cấp A, B, C ứng với 3 khối dữ liệu DB1, DB2, DB3. Khối FC1: lập trình hoạt động cho động cơ. Khối FC2: lập trình hoạt động cho van xả. Khối FC3: dùng để quy ra thể tích từ các giá trị thời gian. Khối FC5: kích Timer động cơ chạy tiếp sau khi nhấn lại nút “Pause”. Khối FC6: kích Timer van xả chạy tiếp sau khi nhấn lại nút “Pause”. Khối FC8: load giá trị của Timer động cơ vào ô nhớ MW30. Các khối FC10, FC11, FC12, FC13, FC14: xóa các ô nhớ chứa giá trị thời gian của các van và động cơ. Các khối FC15, FC20, FC21, FC23: xóa các giá trị thể tích về 0. Khối FC22: tính thể tích cần hiển thị. Các khối DB1, DB2, DB3: chứa dữ liệu cho 3 van cung cấp A, B, C tương ứng. Phần lập trình: (xem phụ lục) Chương 3: Kết Quả Thực Hiện Và Hướng Phát Triển Đề Tài. Kết quả thực hiện. Chương trình đã thực hiện chạy ổn định, đúng theo ý tưởng của người lập trình. Hệ thống hoạt động cho sai số không đáng kể. Ngoài các chức năng cơ bản đủ cho một hệ thống pha trộn đơn giản hoạt động, em đã thực hiện thêm một số tính năng khác để dễ dàng cho việc điều khiển và giám sát như tạo thêm nút “Pause”, bộ đếm số lần pha trộn v.v…. Ta có thể điều khiển hệ thống bằng hai cách: điều khiển bằng các công tắc vật lý hoặc điều khiển trên máy tính thông qua các giao diện được thực hiện bằng lập trình WinCC. Trong WinCC, ta có thể kết nối và lấy dữ liệu từ các ô nhớ, trạng thái các bits…để thực hiện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu. Những khó khăn gặp phải: Nhiệm vụ đề tài là thiết kế hệ SCADA cho hệ thống pha trộn hóa chất. Tuy có vẻ là đề tài khá cổ điển, nhưng thực chất sử dụng các ngôn ngữ lập trình hoàn toàn mới. Do vậy, việc thực hiện đề tài chỉ dựa vào các tài liệu tìm hiểu ngôn ngữ lập trình, trong thời gian cho phép chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót. Nhưng những gì đã làm được, em đã đáp ứng gần như đầy đủ các yêu cầu cho đề tài bao gồm: điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu theo đúng nghĩa của một hệ SCADA. Tồn tại hạn chế: nút “Pause” có tác dụng khi động cơ hoặc van xả đang hoạt động, và chỉ áp dụng được cho một van cung cấp ( do tính chất của lệnh gọi CALL trong khối OB1, van thực hiện được là van được gọi trước trong chương trình). Hướng phát triển đề tài. Trên đây, về cơ bản em đã thực hiện được chương trình ứng dụng cho hệ thống pha trộn chất lỏng. Nhưng khó ứng dụng được trong thực tế sản xuất, bởi vì điều kiện thực tại còn thiếu thốn thiết bị. Để có thể áp dụng được trong công nghiệp, trong các hệ thống dây chuyền tự động với quy mô sản xuất lớn thì cần phải có cảm biến báo mức, cảm biến đo lưu lượng, tốc độ dòng chảy hay các