Mạng truyền thông công nghiệp Scada : Lý thuyết - thực hành

TS. LÊ NGỌC BÍCH S ĩ » KS. PHẠM QUANG HUY

MẠNG THYẾR THONG CiNG NGHIỆF

Dùng cho các trường Đại học ụà Cao đẳng chuyên ngành Điện.

Điện tử cống nghiệp. ĩự động hóa. Giao thống ụận tải...

TS. LÊ NGỌC BÍCH - KS. PHẠM QUANG HUY

MẠNG TRUYẼN THỐNG

CÔNG NGHIỆP

SCADA

( l í T IU V Ê T - THỰC HẦMH)

TRƯỜNG £)At HfC QUY NHƠN

_______ TH Ư 1ỆN________

vvo m G ( o

NHÀ XUẤT BẢN THANH NIÊN

LÚI M Í BẤU MAUS TBUYÉH THỜHB GỔHS HBHIỆP SCAPA (LÝ THUYẾT ■ THựC HÀHH)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.S7 USER'S MANUAL

2. WINCC USER'S MANUAL

3. http://profibus.felser.ch/en/

4. LẬP TRÌNH VỚI PLC S7 1200 VÀ S7 1500

Ngô Văn Thuyên - Phạm Quang Huy

Nhà xuất bản Thanh Niên - 2019

5. ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VỚI S7-TIA PORTAL

Phạm Quang Huy - Nguyễn Duy Ngọc

Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 2015

6. Tự ĐỘNG HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP VỚI S7 VÀ WINCC7

Trần Thu Hà - Phạm Quang Huy

Nhà xuất bản Giao Thông - 2011

7. GIAO DIỆN NGUỜI VÀ MÁY - LẬP TRÌNH VỚI S7 VÀ WINCC

Trần Thu Hà - Phạm Quang Huy

Nhà xuất bản Giao Thông - 2008

8. TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN PROFIBUS DP&FMS

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM-Trung tâm Việt Đức - 2006

9. Tự ĐỘNG HÓA TÍCH Hộp TOÀN DIỆN VỚI SIMATIC S7

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM-Trung tâm Việt Đức - 2006

10. MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Hoàng Minh Sơn.

Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật - 2005

11. PRACTICAL SCADA FOR INDUSTRY

David Bailey - Edwin Wright

Nhà xuất bản Elsevier - 2003

MẠNG TRUYỀN THỜH6 CỒNG N6HIỆP 8CADA (LÝ THUYẾT • THựC HÀNH) 101 MỞ BÁU

LỜI MỞ ĐẦU

SCADA viết tắt từ các chữ đầu (Supervisory Control And Data

Acquisition) có thể hiểu là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập

dữ liệu nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ

xa. Nói một cách khác, Scada là hệ thống hỗ trợ con người trong việc

giám sát và điều khiển từ xa ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông

thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa, một hệ SCADA phải có

hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người - máy

(HMI - Human Machine interface).

Cấu trúc chung của hệ SCADA được minh họa như hình sau:

Hệ thống điều khiển giám sát

Nối trực tiếp

Nối qua mạng

NI: (Network Interface)

Giao diện mạng

I/O: ịlnpuưOutput)

Vào/Ra

9

LỜI M Ỉ BẦU MẠHB TBIIYÉH THÕNG CỔNG H6HIỆP SCADA (LỶ TBUYẼT • THựC HÀNH)

CÁC. THÀNH PHẦN cơ BẢN CỦA MỘT HỆ SCADA

Trong’hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp

hành đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ

thuật. Còn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa

người và máy. Các thiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối

với nhau theo kiểu điểm - điểm (Point to Point) hoặc qua mạng truyền

thông. Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu

số hoặc tương tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải được chuyển đổi

cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.

Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

• Giao diện quá trình: Bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị

chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.

• Thiết bị điều khiển tự động: Gồm các bộ điều khiển chuyên

dụng (PID), các bộ điều khiển khả trình PLC, các thiết bị điều

chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC

với các phần mềm điều khiển tương ứng.

• Hệ thống điều khiển giám sát: Gồm các phần mềm và giao diện

người - máy HMI, các trạm kỹ thuật, 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: Thực hiện chức năng an toàn.

M ẠNt TI1IYẼN TIÔNG CÕNG HMIỆP «CAPA (IỸ TIUYẾT - TBựC lÀ M ) L0I Mở BẦU

CẤU TRÚC PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG ĐỂU KHIEN v à giám sát sc a d a

Trong hệ thống điều khiển giám sát, 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. Với sự phát triển nhanh chóng nhiều

nhà máy tại các khu công nghiệp, việc tìm hiểu, khai thác, thiết kế các hệ

thống Scada ngày càng phức tạp đòi hỏi cán bộ kỹ thuật phải tìm hiểu và

có kinh nghiệm về lĩnh vực này.

Một khó khăn lớn là tài liệu tiếng Việt cả lý thuyết lẫn thực hành về

Scada rất thiếu. Tài liệu thực hành thì hầu như không có, chỉ ỏ dạng bài

giảng thực hành cơ bản tại các trường chuyên ngành.

Tài liệu lý thuyết về Scada tuy có nhưng không nhiều, thiên về

hướng truyền thông trong Điện - Điện tử viễn thông hơn là ứng dụng trong

công nghiệp. Điều này dẫn đến, sinh viên chuyên ngành Điện, Tự động

hóa, Cơ điện tử... khi ra trường chưa đủ kiến thức cũng như kinh nghiệm để

tự thiết kế, điều khiển và giám sát một hệ Scada đơn giản.

Trong năm 2018-2020, tủ sách STK sẽ lần lượt giới thiệu các chuyên

dề nằm trong họ sách “CAD TRONG Tự ĐỘNG HÓA” chủ yếu hướng dẫn

sử dụng, khai thác và sử dụng các chương trình của các hãng nổi tiếng

trong lãnh vực điều khiển và giám sát như: S7-200, S7 300, S7 1200, S7

1500, WinCC, WinCC Flexible của Siemens, GX Developer, Gto... của

Mitshubishi, Intouch của Wonderware, Rockwell...

s

L ÍI MỞ BẦU MẠH6 HUYỄN THÕH6 CÔHS NGHIỆP SCADA (LÝ THUYẾT • THựC HÀNH)

Cuốn sách này là một trong hai chuyên đề về Scada thuộc họ sách

trên, trình bàý không theo kiểu truyền thống sau:.

Lý thuyết — ► Bài tập (phần cơ bản) — ►Bài tập (phần nâng cao).

Với cách trình bày theo dạng trên sẽ khó khăn cho các kỹ thuật

viên, cán bộ kỹ thuật không có điều kiện tới trường lớp khi tìm hiểu

phần lý thuyết của Scada mà trình bày theo cấu trúc sau:

Bài tập (phần cơ bản)— ►Lý thuyết — ► Bài tập (phần nâng cao).

Một khi đã thực hành điều khiển-giám sát hệ Scada cơ bản và có

thêm nền tảng lý thuyết về Scada, người học sẽ có thể thiết kế các hệ

thống Scada phức tạp hơn. Chuyên đề này giới thiệu tới bạn đọc một

cách tiếp cận với Scada, qua việc khai thác các công cụ phần mềm lập

trình trên một hệ Scada đơn giản được trình bày VỚI 9 chương cả lý thuyết

lẫn thực hành sử dụng thiết bị của hãng SIEMENS rất phổ biến tại các

trường dạy nghề, Cao đẳng, Đại học chuyên ngành Điện, Điện tử, Cơ

điện tử, Giao thông, Tự động hóa và nhiều hơn nữa. Tất nhiên, để hiểu rõ

bản chất một vấn đề kỹ thuật nào đó người thiết kế cần hiểu rõ phần lý

thuyết. Scada cũng không nằm trong ngoại lệ này.

Lưu ý: Muốn tìm hiểu và khai thác Scada, người học cần phải tìm

hiểu cũng như lập trình nhiều về S7-200, S7-300, S7 1200, S7 1500,

WinCC của Siemens cũng như các PLC của những hãng khác. Các tác giả

xem như bạn đọc đã biết qua lập trình Ladder cho PLC và tạo giao diện

HMI đdn giản với WinCC nên một sô' phần bài tập hưởng dẫn trình bày hdi

tắt, dẫn đến gây khó khăn cho những ai bắt đầu làm quen vôi Scada. cần

lưu ý: Phiên bản S7 300 để liên kết được với WinCC 7 phải từ v5.4 trở lên.

Cần cài PC Access hay Kepware OPC Server để có thể liên kết giữa S7-

200 và WinCC. Với phiên bản TIA PORTAL trình bày trong sách, các bạn

có thể vào trang web www.stkbook.com để tham khảo bài viết cách tải

chưdng trình, sách điện từ, phim với utorrent. Lưu ý rằng phiên bản tải về

đầy đủ (Full) có dung lượng rất lớn xấp x ỉ từ 12 tới 25 GB tùy vào phiên bản

tải về là V12 hay V13.

Phần lý thuyết và thực hành chuyên sâu về Scada và truyền

thông công nghiệp (Tập 2) sẽ được các tác giả trình bày trong chuyên

đề tiếp theo, dự kiến hoàn thành trong đầu năm 2020.

I

MANE TÍIDYỀH THỞHG CỦHB H6HIỆP SCADA (IỶ TgpYẾT - THựC HÃHH) L0IMỞ BẦU

Nội dung trình bày trong sách gồm 9 chương, ba chương 1, 8, 9

trình bày lý thuyết, sáu chương còn lại (2, 3, 4, 5, 6, 7) là bài tập thực

hành hướng dẫn kết nối các phần tử trong hệ thống với nhau qua

Protibus và Modbus.

Chương 1: Tổng quan Scada.

Chương 2: Kết nối trạm chủ S7-300 với trạm ìớ S7-200 thông

qua mạng Protibus.

Chương 3: Kết nối máy tính với S7-200 qua Ethernet.

Chương 4: Kết nối, điều khiển và giám sát hệ thống với

WinCC và S7-200.

Chương 5: Kết nối, điều khiển và giám sát hệ thống với

WinCC và S7-300.

Chương 6: Điều khiển và giám sát WinCC từ nhiều trạm tớ

thông qua mạng nội bộ

Chương 7: Điều khiển S7-1200 thông qua mạng Modbus.

Chương 8: Phần cứng của hệ thống Scada.

Chương 9: Giao thức của các hệ thống Scada.

Với một chuyên đề trình bày hệ thống điều khiển và giám sát

trong công nghiệp của nhiều thiết bị của các hãng khác nhau không

phải là điều dễ dàng. Thiết bị trình bày trong sách là của Siemens

nhưng cũng chỉ là một phần rất nhỏ của hãng chưa phải là các thiết bị

tiêu biểu của Siemens. Trong quá trình biên soạn, chắc chắn còn nhiều

điểm chưa rõ cũng như chưa sát với yêu cầu thực tế của từng người học

và người sử dụng. Nếu các bạn quan tâm nhiều hơn nữa về các thiết bị

của Siemens có thể vào trang web của hãng để có các thông tin cũnp

như hỗ trợ tốt nhất. Tác giả hy vọng sẽ nhận được sự đóng góp chân

thành và nhiều ý kiến thiết thực từ bạn đọc đặc biệt là các thầy, cô

giảng dạy về lĩnh vực này để những lần biên soạn sau rõ ràng, mạch

lạc hơn góp phần vào việc dạy và học tốt hơn theo hướng công nghệ.

7

101 MỞ BẨU MẠH8 THIIYỄH TBÛH6 CÙH6 HGHIỆP SCAĐA (LỶ THUYẾT • THựC HÂHH)

Mọi thắc mắc, góp ý xin gửi về hộp thư:

[email protected].

TỦ SÁCH STK

742 ĐIỆN BIÊN PHỦ - QUẬN 10 - TP H ổ CHÍ MINH

(08) 38334168 - 0903728344 - 0903096857

Email: [email protected] hay [email protected]

TP Hồ Chí Minh 25-4-2019

I

M Ạ M THUYỀN TIÙNG cở HQ H 8IIỆP SCADft (IỸ H U Y Ế T • Tlực M l ) CTƯƠH61: 6101 TIIỆIIKAIA

GI0I THIỆU SCADA

CHĨdNG1

SCADA viết tắt của từ Supervisory Control And Data Acquisition

(Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu), đây là hệ .thống xuất hiện và

tồn tại cùng với các hệ thống điều khiển. Các hệ thống SCADA đầu tiên

thu thập dữ liệu bằng các bảng đồng hồ, các đèn báo và các biểu đồ

được vẽ bằng kim lên giấy cuộn dài. Các thiết bị này vẫn còn được sử

dụng cho mục đích giám sát và thu thập dữ liệu cho đến ngày nay trong

các nhà máy, cấc công trường và các thiết bị năng lượng. Hình dưới mô

tả một hệ thống cảm biến và bảng điều khiển.

- Mô hình đơn giản, không CPU, không RAM, ROM và không cần

lập trình phần mềm.

- Các cảm biến dược kết nối trực tiếp đến các đồng hồ đo, công tắc

và các đèn báo trên bảng điều khiển.

- Khi muốn thêm các phần tử đơn giản như các nút gạt hoặc các

đèn hiển thị thì rất dơn giản và chi phí thấp.

Các nhược điểm của hệ thống kết nối trực tiếp cảm biến đến bảng

điểu khiển là:

- Sẽ không kiểm soát nổi các dây nối sau khi bạn lắp đặt hàng trăm

cảm biến.

- Sô' lượng và loại dữ liệu rất ít và rất đơn giản.

CBIÍƠH61 :6IỠI THIỆU SEADA MẠHS TRUYỀN THỔHG CỔH6 HGMỆP SCflDfl (LỶ THUYẾT • THựC HÀNH)

- Việc'lắp đặt thêm vào các cảm biến sẽ trở nên khó khăn hờn khi

hệ thống rigày càng lớn.

- Lắp đặt lại hệ thống trở nên cực kỳ khó khăn với hệ thống

phức tạp.

- Việc mô phỏng sử dụng dữ liệu thực tế là không thể thực hiện

được.

- LƯU trữ dữ liệu rất ít và rất khó quản lý.

- Không cỏ sự giám sát hoặc cảnh báo từ bên ngoài hệ thống.

- Cần có người giám sát các đồng hồ báo, các đèn hiển thị trong

suốt thời gian vận hành.

Các nguyên lý cơ bản của hệ thống SCADA hiện dại

Trong các quá trình công nghiệp và sản xuất, công nghiệp mỏ,

các công trình công cộng hoặc dân dụng, điều khiển và giám sát từ xa

thường rất cần thiết để kết nối các thiết bị và các hệ thống riêng lẻ cách

xa nhau. Khoảng cách có thể từ vài mét đến hàng nghìn kí lô mét. Bộ

điều khiển và giám sát từ xa dùng để gởi lệnh điểu khiển, lập trình và

nhận các thông tin giám sát từ các trạm từ xa.

SCADA được dùng để chỉ sự kết hợp của giám sát từ xa và thu

thập dữ liệu. SCADA thu thập các thông tin, truyền chúng trở về trạm

trung tâm, thực hiện các phân tích và điều khiển cần thiết và sau đó

hiển thị các thông tin đó lên một số các màn hình điều khiển. Các lệnh

điều khiển tác vụ và thực thi sẽ được truyền đến bộ phận điều khiển

chấp hành tương ứng.

Trong giai đoạn đầu sơ khai của thu thập dữ liệu, logic rơ le được

dùng để điều khiển các hệ thống sản xuất. Với sự xuất hiện của CPU

và các thiết bị điện tử khác, các dây chuyền sản xuất đã kết hợp thêm

các thiết bị điện tử số vào các thiết bị rơ le. PLC hay bộ điều khiển logic

khả trình vẫn là một trong các bộ điểu khiển được sử dụng rộng rãi nhất

trong công nghiệp.

Khi cần giám sát và điều khiển thêm nhiều thiết bị trong hệ thống,

các PLC được phân bố và hệ thống trở nên thông minh hơn và nhỏ

hơn. PLC và DCS (Distributed Control System: Hệ thống điều khiển

phân bố) được dùng như sau:

II

MẠNG TRUYẼH THÙNG CÙM H8HIỆP «CADA (LÝ TMUYẾT • THựD HÀHH) CBƯƠHG1: H đ l TWÉU SCABA

Các ưu điểm của hệ thống SCADA dùng PLC/DCS:

- Máy tính có thể lưu trữ một lượng rất lớn dữ liệu.

- Dữ liệu có thể được hiển thị theo bất cứ định dạng nào nếu

người dùng yêu cầu.

- Hàng nghìn cảm biến trên một diện rộng có thể được kết

nối vào hệ thống.

- Người vận hành có thể kết hợp các mô phỏng dữ liệu thực

tế vào hệ thống.

- Nhiều loại dữ liệu khác nhau có thể được nhận về từ các

thiết bị đầu cuối.

- Dữ liệu có thể được xem ở bất cứ nơi đâu.

Các nhược điểm:

- Hệ thống phức tạp hơn so VỚI loại cảm biến kết nối trực tiếp tới

bảng điểu khiển.

- Đòi hỏi nhiều kỹ năng khác nhau như là phân tích hệ thống và

lập trình.

- Với hàng nghìn cảm biến thì vẫn phải làm việc với rất nhiéu

dây nối.

Khi mà nhu cầu đòi hỏi các hệ thông phát triển ngày càng nhỏ

hơn và thông minh hơn thì các cảm biến được thiết kê' với sự thông

minh của các PLC và các DCS.

11

CMtfdHB 1: aửl THIỆU SCADA MẠH8 TBI1YẼH THÖH6 CỔNG NGHIỆP SCADA (LÝ THUYẾT - THỰC HÂHH)

Các' thiết bị này được gọi là IED (Intelligent Electronic Devices:

Các thiết bí-điện tử thông minh). Các IED được kết nối thông qua mạng

tieldbus như là Profibus, Devicenet hay Foundation Fieldbus đến máy

tính. Chúng có đủ thông minh để thu thập dữ liệu, liên lạc với các thiết

bị khác. Mỗi cảm biến siêu thông minh này có thể có nhiều hơn một

cảm biến bên trong. Thông thường, một IED có thể bao gồm một cảm

biến ngõ vào analog, ngõ ra analog, điều khiển PID, hệ thống giao tiếp

và bộ nhớ lập trình trong một thiết bị.

i

-+

Các Ưu điểm của hệ thống máy tính - IED:

- Rất ít dây nối cần thiết.

- Người vận hành có thể nhìn thấy đến cấp độ cảm biến.

- Dữ liệu nhận từ thiết bị có thể bao gồm các thông tin như là các

số nối tiếp, các số hiệu, khi nào chúng được lắp đặt và lắp đặt

bởi người nào.

- Tất cả các thiết bị đều plug and play (cắm và hoạt động), do đó

việc lắp đặt và thay thế rất dễ dàng.

- Thiết bị nhỏ hơn có nghĩa là cần ít không gian hơn cho hệ

thống thu thập dữ liệu.

Các nhược điểm:

- Hệ thống phức tạp hơn đòi hỏi các nhân viên vận hành được

đào tạo nhiều hơn và tốt hơn.

- Giá thành cảm biến đắt hơn (tuy nhiên chúng có thể bù vào

việc không sử dụng .các PLC).

¡ý .

S

CÁP NỐI FIELDBUS

lED’s

ETHERNET

12

MẠN6 TBUYẼH THÙH6 CÛHS H6HIỆP SCABA (LỸ THUYẾT - TMựC MÀNH) CIƯỨNE1:6101 THÉO SCABA

- Các IED phụ thuộc nhiều vào hệ thống giao tiếp.

Phẩn cứhg của hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA bao gồm một số các đơn vị đầu cuối từ xa

(RTU) dùng để thu thập dữ liệu và gửi chúng về cho trạm chủ thông

qua một hệ thống giao tiếp. Trạm chủ hiển thị dữ liệu thu thập được và

cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điềú khiển từ xa. Sự

chính xác và nhanh chóng giúp cho phép sự tối ưu hóa của thao tác và

quá trình. Các lợi ích khác bao gồm hiệu quả cao hơn, đáng tin cậy hơn

và quan trọng hơn cả là thao tác an toàn hơn. Điều này giúp hạ giá

thành hơn so với các hệ thống không tự động trước đây.

Đối với hệ thống SCADA phức tạp hơn thì cần thiết phải có 5 cấp:

- Các thiết bị điều khiển.

- Các thiết bị đầu cuối RTU.

- Hệ thống giao tiếp.

- Các trạm chủ.

- Bộ phận xử lý dữ liệu.

Thiết bị đầu cuối cung cấp giao tiếp đến các cảm biến tương tự

(analog) hoặc số (digital) tại các điểm từ xa.

Hệ thống thông tin cung cấp đường giao tiếp giữa trạm chủ và các

điểm từ xa. Hệ thống giao tiếp này có thể là dây nối, cáp quang, sóng

radio, đường dây điện thoại, vi sóng hoặc thậm chí có thể là vệ tinh.

Các giao thức riêng và các phương pháp xác định lỗi được dùng để tối

ƯU hóa và tăng hiệu quả truyền dữ liệu.

Trạm chủ thu thập dữ liệu từ các RTU khác nhau và cung cấp một

giao diện vận hành cho việc hiển thị thông tin và điều khiển các điểm

từ xa.

Phần mềm SCADA

Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại: Có bản quyền

và tự do.

Các công ty phát triển phần mềm có bản quyền để giao tiếp với

các phần cứng của họ. vấn đề chính của hệ thống này là sự quá

phụ thuộc vào nhà cung cấp hệ thống. Các phần mềm mở thu hút

được nhiều người sử dụng hơn bởi vì tính kết hợp khả năng hoạt động

cho hệ thống.

CHƯƯH91 :6IƠI THIỆU SCAĐA MẠỊỊg TBUVÉH THÙNG cù HE H6HIỆP SCftPfl (LỶ THUYẾT • THỰC HftHH)

Tính, kết hợp khả năng hoạt động là khả năng kết hợp nhiều thiết

bị của các nhà-sản xuất khác nhau trên cùng một hệ thống. Citect và

WonderWare là hai trong sô' rất ít gói phần mềm mở trên thị trường

dùng cho các hệ thống SCADA. Một số phần mềm hiện nay bao gồm

cả việc quản lý quyền sở hữu được tích hợp trong hệ thống SCADA.

Các thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA được mô tả trong sơ

đồ sau:

Các đặc điểm chính của phần mềm SCADA là:

- Giao diện người dùng.

- Các hiển thị đồ họa.

- Cảnh báo.

- Đồ thị.

- Giao tiếp RTU (và PLC).

- Khả năng tỉ lệ.

- Cơ sở dữ liệu.

- Truy xuất dữ liệu.

- Khả năng kết nối mạng.

- Khả năng xử lý chủ/khách.