Luận Văn Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công nghiệp

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công nghiệp

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ii
LỜI CẢM ƠN . iii
MỤC LỤC . iv
DANH MỤC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH viii
LỜI MỞ ĐẦU .1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ SCADA 3
1.1. Khái niệm về SCADA 4
1.2. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản .5
1.3. Cấu trúc của hệ SCADA hiện đại .6
1.3.1. Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA theo SIEMENS 6
1.3.2. Luồng thông tin trong hệ thống scada .7
1.3.2.1. Cấp thiết bị 7
1.3.2.2. Cấp điều khiển cục bộ 7
1.3.2.3. Cấp giám sát .7
1.3.2.4. Cấp quản lý .8
1.4. Cấu trúc phần cứng hệ SCADA .8
1.4.1. PLC trong hệ SCADA .8
1.4.1.1. Cấu trúc chung của một PLC 9
1.4.1.2. Cấu trúc, chức năng PLC S7_300 .9
1.4.1.3. Ngôn ngữ lập trình 12
1.4.2. Compurter trong hệ SCADA .13
1.4.3. Data Acquisition Cards .13
1.5. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA 14
1.5.1. Tồng quan phần mềm WinCC 14
1.5.2. Các khái niệm thường dùng trong WinCC .16
- v -
1.5.2.1. WinCC Explorer .16
1.5.2.2. Các loại Project .17
1.5.2.3. Các thành phần cơ bản trong 1 dự án của WinCC 20
1.5.3. Các công cụ soạn thảo của WinCC 22
1.5.3.1. Thiết kế đồ họa của WinCC (Graphic Desginer) 22
1.5.3.2. Các đối tượng của WinCC 24
1.5.3.3. Hệ thống lưu trữ và hiển thị (Tag Logging) 27
1.5.3.4. Hệ thống cảnh báo (Alarm Logging) 29
1.5.3.5. Hệ thống báo cáo (Report Designer) 29
1.5.4. Hàm trong WinCC .30
1.5.4.1. Nhóm hàm chuẩn (Standard Function) 30
1.3.4.2. Nhóm hàm trong (Internal function) .31
1.5.5.1. Truyền thông trên mạng MPI 33
1.5.5.2. Truyền thông PROFIBUS .35
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .40
2.1. Phương pháp nghiên cứu 41
2.2. Nội dung nghiên cứu 41
2.2.1. Khảo sát thực tế quy trình công nghệ nhà máynước sạch Phước
Nhơn – Ninh Thuận .41
2.2.1.1. Tổng quan về ngành sản xuất nước sạch ở Việt Nam .42
2.2.1.2. Quy trình xử lý nước tại nhà máy .43
2.2.1.3. Các thiết bị điện sử dụng trong nhà máy 50
2.2.2. Ứng dụng WinCC và S7-300 thiết kế hệ SCADA cho nhà máy
nước sạch Phước Nhơn – Ninh Thuận .53
2.2.2.1. Hiện trạng nhà máy và yêu cầu thiết kế 54
2.2.2.2. Bổ sung, thay thế thiết bị trong nhà máy theo hệ SCADA .56
2.2.2.3. Giải thích quy trình điều khiển bán tự động trong nhà máy .65
2.2.2.4. Một số chú ý trong việc kết nối và thiết kế giao diện trên WinCC .66
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .81
- vi -
3.1. Đặt vấn đề .82
3.2. Thực nghiệm và kết quả .82
3.2.1. Giao diện chính 82
3.2.1.1. Quy trình thực hiện .82
3.2.1.2. Kết quả và đánh giá .85
3.2.2. Giao diện điều khiển khối rửa lọc 85
3.2.2.1. Quy trình thực hiện .85
3.2.2.2. Kết quả và đánh giá .87
3.2.3. Giao diện điều khiển bằng tay .87
3.2.2.1. Quy trình thực hiện .87
3.2.2.2. Kết quả và đánh giá .88
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN - ĐỀ XUẤT 89
4.1. Kết luận 90
4.2. Đề xuất 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .92
- vii -
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Bộ xử lý truyền thông trên mạng MPI 34
Bảng 1.2. Số lượng điểm kết nối truyền thông .35
Bảng 1.3. Bộ xử lý truyền thông trên mạng PROFIBUS 36
Bảng 1.4. Trình điều khiển truyền thông trên mạng PROFIBUS .36
Bảng 1.5. Số lượng các kết nối theo trình điều khiển truyền thông 37
Bảng 2.1. Chỉ số tiêu chuẩn tại nhà máy nước PhướcNhơn .50
Bảng 2.2. Đầu vào/ra trong nhà máy nước Phước Nhơn 67
- viii -
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản .5
Hình 1.2. Cấu trúc phân cấp SCADA SYSTEM theo SIEMENS 6
Hình 1.3. Luồng thông tin trong hệ SCADA 7
Hình 1.4. PLC S7_300 8
Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình 9
Hình 1.6. Sơ đồ khối tổng quát của CPU 9
Hình 1.7. Máy tính công nghiệp 13
Hình 1.8. Cấu trúc của WinCC 16
Hình 1.9. Cấu trúc của dự án đơn .17
Hình 1.10. Cấu trúc của dự án nhiều người dùng .18
Hình 1.11. Cấu trúc của dự án multi- client 19
Hình 1.12. Cửa sổ chính của 1 dự án trong WinCC .20
Hình 1.13. Cửa sổ soạn thảo Graphics 23
Hình 1.14. Cửa sổ soạn thảo Tag Logging 27
Hình 1.15. Mạng truyền thông giữa máy tính và PLC 32
Hình 1.16. Mô hình truyền thông qua mạng MPI .34
Hình 1.17. Mô hình truyền thông qua mạng Profibuss DP .38
Hình 1.18. Mô hình truyền thông qua Profibus FMS. 39
Hình 1.19. Khả năng truyền thông mạng Profibus củaWinCC .39
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ nhà máy nước Phước Nhơn .43
Hình 2.2. Bể chứa nước thô nhà máy nước Phước Nhơn .44
Hình 2.3. Hệ thóng bể phản ứng, bể lắng nhà máy nước Phươc Nhơn 46
Hình 2.4. Hệ thóng bể lọc nhà máy nước Phươc Nhơn 47
Hình 2.5. Hệ thóng khử trùng bằng Clo tại nhà máy nước Phươc Nhơn 49
Hình 2.6. Máy bơm sử dụng trong nhà máy nước Phước Nhơn .51
Hình 2.7. Tủ điện điều khiển trong nhà máy nước Phước Nhơn 52
Hình 2.8. Phao đo mực nước tại đài chứa nước 53
- ix -
Hình 2.9. Biến tần .57
Hình 2.10. Nguyên lý của biến tần 58
Hình 2.11. Van điện từ 2W KLED .59
Hình 2.12. Cảm biến đo dộ đục mức thấp 1720E .61
Hình 2.13. Màn hình giao diện chính 69
Hình 2.14. Màn hình giao diện khối điều khiển bằng tay .70
Hình 2.15. Màn hình giao diện khối điều khiển rửa lọc .71
Hình 2.16. Màn hình giao diện khối hiển thị 72
Hình 2.17. Màn hình giao diện khối cảnh báo 73
Hình 3.1. Thực nghiệm trên màn hình giao diện chính 84
Hình 3.2. Thực nghiệm giao diện khối điều khiển rửalọc .86
Hình 3.3. Thực nghiệm giao diện khối điều khiển bằng tay .88
- 1 -
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày nay đã phát triển đột phá lên một tầm cao mới, nó đã
xuất hiện ở tất cả mọi lĩnh vực trong đời sống xã hội của con người. Đặc biệt là lĩnh
vực Điện tử - Tự động hóa và công nghệ phần mềm đang được ứng dụng hầu hết
trong các nhà máy và dây truyền sản xuất hiện đại. Nhiệm vụ thu thập dữ liệu, giám
sát, báo cáo và điều khiển các quá trình sản xuất không cần dàn trải mà đã được tích
hợp với sự trợ giúp của tự động hoá và công nghệ phần mềm. Nó đóng một vai trò
tích cực trong sự phát triển của các ngành công nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất
lượng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao động cho con người, năng xuất lao động
nhờ thế mà được nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung.
Trong hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát thì giao diện người máy
(HMI) là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các
cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện Người - Máy để phục vụ cho việc quan sát
và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ được sử dụng ngày càng rộng rãi trong
công nghiệp như là một giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa quá trình sản xuất.
Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ điều khiển logic khả trình đã đạt
được những ưu thế cơ bản trong những ứng dụng điều khiển công nghiệp, đó là dễ
dàng lập trình và lập trình lại, nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển, độ tin
cậy cao trong môi trường công nghiệp, cấu tạo nhỏ gọn so với hệ thống điều khiển
truyền thống dùng rơle. Vì vậy việc học tập, nghiêncứu và ứng dụng PLC trong các
hệ thống điều khiển là một nhu cầu rất cần thiết.
Sau một thời gian tìm hiểu,với mong muốn được tiếp cận những công nghệ
mới trong ngành cơ điện tử - tự động hoá. Tôi đã nhận đề tài tốt nghiệp “Nghiên
cứu ứng dụng WinCC để mô phỏng hệ SCADA trong công nghiệp”. Với nhiệm vụ
của đồ án là:
- Tìm hiểu và nắm vững quy trình công nghệ sản xuấtcủa nhà máy.
- Nghiên cứu về hệ SCADA và lựa chọn các thiết bị cũng như phần mềm
dùng để điều khiển giám sát.
- 2 -
- Ứng dụng phần mềm WinCC và Step7-300 để xây dựng hệ thống điều
khiển và giám sát tại nhà máy.

CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ
SCADA
- 4 -
1.1. Khái niệm về SCADA
SCADA system (Supervisory Control And Data Acquisition system) – Hệ
thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển. Là “hệ thống thu thập dữ liệu thời
gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diễn, lưutrữ, phân tích và có khả năng
điều khiển được những đối tượng này thông qua máy tính và mạng truyền thông”.
Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cảcác hệ thống máy tính được
thiết kế để thực hiện các chức năng sau:
- Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến.
- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đãxử lý.
- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnhđó đến các thiết bị của
nhà máy.
- Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính
xác.
Ngày nay hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh
vực công nghiệp. Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:
- Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát.
- Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân
bay, bến cảng.
- Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí.
- Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu.
- Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện.
- Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển
trong các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một
số ngành công nghiệp công nghệ cao khác.
- 5 -
1.2. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản
Hình 1.1. Cấu trúc của hệ SCADA cơ bản
- RTU (Remote Terminal Unit): thiết bị đầu cuối từ xa.
Nhiệm vụ: thu thập số liệu, xử lý & điều khiển ở chế độ thời gian thực.
Phân loại: Các cảm biến thu thập dữ liệu, các máy móc có bộ xử lý, xử lý dữ liệu và
điều khiển đối tượng trong chế độ thời gian thực.
- MTU (Master Terminal Unit): trung tâm điều phối.
Nhiệm vụ:thực hiện công việc thu thập số liệu và điều khiểnở mức cao ở chế độ
thời gian thực.
Phân loại:Có giao diện người - máy (HMI), có thể là một máy tính đơn hoặc một
hệ thống máy tính lớn bao gồm Servers và Clients.
- CS (Communication System): hệ thống truyền thông.
Nhiệm vụ: truyền dữ liệu từ RTU đến MTU và truyền tín hiệu điều khiển từ MTU
đến RTU.
Phân loại:nhiều phương thức truyền thông, có dây, không dây,
- Phân chia chức năng trên hệ SCADA :
Có 4 thành phần chức năng cơ bản trên hệ SCADA:

Con người.
- 6 -

Máy tính tương tác với con người.

Máy tính tương tác với đối tượng được điều khiển.

Đối tượng được điều khiển.
1.3. Cấu trúc của hệ SCADA hiện đại
1.3.1. Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA theo SIEMENS
Phan Duy Anh Ver. 1
Cấp thiết bị
Cấp điều
khiển cục bộ
Cấp điều
khiển giám
sát
Cấp quản lý
Cấp
điều
khiển
quá
trình
Hình. 1.2. Cấu trúc phân cấp SCADA SYSTEM theo SIEMENS
- 7 -
1.3.2. Luồng thông tin trong hệ thống scada
Cấp thiết bị
Cấp điều khiển cục bộ
Cấp điều khiển giám sát
Cấp quản lý Kế hoạch sản xuất,
Yêu cầu kinh tế
Tín hiệu điều khiển
Thông số đo được
từ quá trình
Thông số quá trình
Thông tin về trạng thái
quá trình, chỉ số kinh tế,
Chất lượng
Hình 1.3. Luồng thông tin trong hệ SCADA
1.3.2.1. Cấp thiết bị
- Chấp hành tín hiệu điều khiển thời gian thực (realtime)từ cấp trên.
- Trả lại thông số vận hành thời gian thực (realtime)cho cấp trên.
1.3.2.2. Cấp điều khiển cục bộ
- Thu thập dữ liệu thời gian thực từ cấp thiết bị.
- Tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển theo thuật toán cài đặt trước.
- Báo hiệu về việc vượt quá ngưỡng cho phép của các thông số từ quá trình.
- Kiểm soát những hành động lỗi của Operator và thiết bị điều khiển.
1.3.2.3. Cấp giám sát
- Thu thập thông tin từ cấp dưới, xử lý, lưu trữ vàhiển thị.
- Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thông tin.
- Chuyển thông tin về việc sản xuất ở các xưởng, xínghiệp cho cấp cao hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TS. Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt vàcông nghiệp, Nhà xuất bản
Xây Dựng, năm 2004.
2. ThS. Trần Thu Hà, KS. Phạm Quang Huy, Lập trình với S7 và WinCC, Tự
động hóa trong công nghiệp với WinCC, Nhà xuất bản Hồng Đức, năm
2008.
3. Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học
kỹ thuật Hà Nội, năm 2006.
4. www.diendandientu.com.
5. www. dientuvietnam.net.
6. www.diendantudonghoa.net.
7. Communication mit SIMATIC_en_US.