CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. Tinh cấp thiết của luận văn Với sự phát triển của xã hội ngày nay các hệ thống SCADA tự động hóa trong công nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống con người nhiều hơn. Vì vậy, để đáp ứng nhu cau điều khiển ngay cảng cao và chất lượng điều khiến hệ thống là rất quan trọng. Ngày nay các hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu, hệ thống điều khiển đa cấp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp trên toàn thế giới.
Những hệ thống SCADA diện rộng thì số lượng kênh Input/Output có thé lên đến hàng ngàn hay vai chục ngàn I/O, bộ trung tâm xử lý PLC với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vao các giao thức mở va các mạng truyền thông như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, ENTHENET và cả mạng INTERNET. Vì thế khi nghiên cứu, xây dựng và thiết kế cho hệ thong SCADA có quy mô lớn và độ phức tạp cao thì không thé xây dựng mô hình thí nghiệm hoặc mô phỏng sát với ứng dụng thực tế. Chính vì điều nảy, các nhà nghiên cứu thiết kế hệ thong SCADA trong thực tế phải luôn đi tìm những giải pháp tối ưu hóa các quá trình điều khiển và xây dựng hệ thống thực nhằm giảm sai sót và chi phí phát sinh trước khi thi công hệ thống SCADA thực tế. Vì vậy một câu hỏi đặt ra cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiến tự động là: Tai sao chúng ta không thé nghiên cứu và xây dựng quá trình-mô phỏng cho hệ thong SCADA công nghiệp ở Việt Nam? 1.
Một số công trình nghiên cứu trên thé giới Dé trả lời câu hỏi trên, các nhà nghiên cứu chuyên môn trong lĩnh vực điều khiển các hệ thống SCADA tự động hóa công nghiệp ngày nay đã bắt tay vào việc nghiên cứu nhăm mục đích nâng cao chất lượng mô phỏng và điều khiến sát với ứng dụng thực tế hơn. Hiện nay các phần mém mô phỏng hệ thống SCADA ngảy càng nhiều như là: Simulink Guide của Matlab, Labview, Winsim. Nhóm nghiên cứu thuộc trường hoc ‘Department of Control and Instrumentation Brno University of Technology Kolejni, Brno CZECH REPUBLIC’ với tên dé tai là “Real-Time Communication between MATLAB/Simulink and PLC via Process Visualization Interface”[4]. tác gia dùng ngôn ngữ Matlab Simulink dé mô phỏng đối tượng thực HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 13 LUẬN VĂN THẠC SỸ giao tiép với PLC qua các bộ chuyển đôi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại để điều khiến quá trình.
Các tín hiệu thu thập và điều khiển thông qua Matlab xuống PLC như sơ đồ khối ở (hình 1). PLC BER D/A converter > Physical A/D Model .« Ethernet rN Simulink ¥v Reference — Control > mk _ pvi Process Value algorithm | output Hình 1. Sơ đồ khối Mô phỏng thực Simulink va PLC Đầu tiên tác giả mô phỏng trên mô hình Simulink của Matlab, sau đó liên kết mô phỏng Simulink Matlab với PLC và thử nghiệm trên mô hình vật lý thực. Thong thường trước khi thi công hệ thống thực thì các nhà nghiên cứu phải thiết kế xây dựng mô hình mô phỏng để chạy thử hệ thống, và đánh giá chính xác kết quả điều khiến thực.
Điều này đòi hỏi chi phí thi công mô hình thử nghiệm cao, chi phí về thiết bi dat tiền, mất thời gian nhiều về thử nghiệm, nhưng lại kém linh hoạt khi thay đôi cơ cấu như mô hình mô phỏng, chính vì thé một nhóm tác giả khác 'STOJAN PERSIN, BORIS TOVORNIK and NENAD MUSKINJA’ lại nghiên cứu về ‘OPC-driven Data Exchange between MATLAB and PLC-controlled System’[9], nhóm này xây dựng hệ thống SCADA thu thập dit liệu và mô phỏng quá trình điều khiển thông qua OPC liên kết với ngôn ngữ Matlab chạy mô phỏng như sơ đồ khối ở (hình 2). HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 14 LUẬN VĂN THẠC SỸ 4 Process; AS Aas daa Cam RS 132 | ¡ OPC Server ; A ý ol OPC Client SCADA | AOD PLC ‘Al OPC Client wat Hình 2. So đồ khói về điều khién quá trình SCADA thông qua OPC giao tiếp Matlab Xuất phát từ sự khai triển thế mạnh của ngôn ngữ Simulink trong Matlab, Nhóm tác giả “Y V Pavan Kumar, Y Jaganmohan Reddy, S Srinivas Kumar’ sẽ nghiên cứu dé tai “MATLAB/Simulink Versus Refined Real Time Simulation of an Alternative Electrical Energy System in Dynamic Aspects”[16], nhóm này mô phỏng va điều khiến năng lượng băng bộ điều khiến HPS Controller như (hình 3). Dé gia lập tín hiệu về cho máy tính mô phỏng quá trình năng lượng điện năng.
Programmer-1 Programmer-2 Human Machine Interface Programmer-3 MATLAB | PLC CODE | = MODEL | [--~~. GENERATION eae Load Demand a _ | EEO a Rou) i | gaaTƯwn 20000000 0Y oan Power Generated A ^ˆ — A kủ H ' Vv A H + ' + + £ i Ỷ Vv c.««e ee = eee be == HPS CONTROLLER Hình 3. So đồ khối về hệ SCADA mô hình mô phỏng HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 15 LUẬN VĂN THẠC SỸ Phòng thí nghiệm làm mô phỏng. Programmer-1& Programmer-2 Programmer-3 HPS Simulator (PLC) PLC I/O Ports Human-Machine Interface (HMI) Controller I/O Ports HPS Controller Hình 4.
Phòng thí nghiệm về mô hình mô phỏng. Từ các yêu cầu cân thiết về sự mô phỏng như trên, nhưng vẫn chưa có một tác giả nào xây dựng được hệ thống mô phỏng quá trình thực có thể áp dụng được cho ứng dụng công nghiệp. Giới thiệu đề tài Từ những khảo sát những nghiên cứu va tính cấp thiết trên cho thay rang: những hệ thống SCADA công nghiệp trong thực tế rất lớn, cần phải có đội ngũ kỹ thuật cao, giỏi cả phần cứng lẫn phần mềm và các kinh nghiệm thực tế. Cần có nhiều chỉ phí và thời gian thi công.
Vì thế để xây dựng một hệ thống SCADA có quy mô lớn như trên thì cần phải thực hiện mô phỏng quá trình cho hệ thống trước khi bắt tay thi công hệ thống thực là hết sức cần thiết nhăm giảm được sai sót và chi phí phát sinh không cần thiết trong quá trình xây dựng hệ thống SCADA thực. Vì vậy, tác giả sẽ HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 16 LUẬN VĂN THẠC SỸ xây dựng mô hình mô phỏng thực để giám sát và điều khiến quá trình hệ thống SCADA trong các phân xưởng sản xuất nhựa. Thi công mô hình mô phỏng- quá trình thực cho luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 17 LUẬN VĂN THẠC SỸ ° Mô hình mô phỏng quá trình được thi công bởi phần mềm Labview THONGSO | TEU EUAN MP NA (0 ƠI ĐNGTUN MŨCN Rap ff of fh AULTOC —ALTocWol) KHUON P.KH(mm) A0KHẬGR a0CHD % sử 0 fo yo ADPUMP 11pUMP(Vot) pxEO(mm) AOLKEOWot) SPEED ABSIT ABNOC THONG 50 HE THONG of? LS CUASAU LS CUATRUOC 2 — - LS BK LSLK - Hình 6.
Mô hình mô phỏng Labview cho hệ thống máy ép keo. ° Mô hình mô phỏng quá trình được thi công bởi phần mềm GT- Designers HMI Got-1000. HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 18 /“¬—— en renin han ————II eS/ii/e0le 05:01 PM Hình 7. Mô hình mô phỏng HMI cho hệ thống máy ép keo.
° Mô hình mô phỏng quá trình được thi công bởi phần mềm Citect SCADA 4 H 0.0 imm) MOTO& ị MCNMIET TIMER BOM KEO. TIMER LAM NGUOI| SO LAN LOI SAN PHAM | MOTOR |LUULUONG 2 | 0 | 0 | 3 |1109 | 1399 12 60 1 4 | 1300 | 1800 Hình 8. Mô hình mô phỏng SCADA Citect cho hệ thông máy ép keo. HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 19 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trong quá trình học tập và làm việc tác giả may man được làm việc với các hãng tự động lớn trên thê giới như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Schneider, Fuji,.
Xuât phát từ nhu câu thực tiên của tác giả nên tác giả đã chọn đê tài nghiên cứu và xây dựng quá trình-mô phỏng máy ép nhựa cho bệ thông SCADA công nghiệp 1. Y nghĩa về việc mô phỏng-quá trình hệ thong SCADA công nghiệp Việc mô phỏng các hệ thống thực là một nhu cau tất yếu, đặc biệt khi các hệ thống ngày càng trở nên phức tạp. Nhu cầu này xuất phát từ nhiều yếu tô khác nhau, nên ta có thê đưa ra một sô nguyên nhân sau: v Đầu tư cho các hệ thống thực (ngay cả hệ thống thí nghiệm hoặc bán công nghiệp) thường rất cao, đặc biệt là các thiết bị công nghiệp. Chi phí nay bao gồm tiền mua thiết bị, chi phí bảo dưỡng, sửa chữa.
v Mô phỏng các hệ thống thực cho phép thực hiện việc đánh giá, kiểm tra chất lượng hệ thống trước khi áp dụng trong thực tế, nhất là với các hệ thống lớn và phức tạp. v Mô phỏng hệ thống thực cho phép quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống được thực hiện linh hoạt, hiệu quả. Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ đề xuất ý tưởng thiết kế cho đến thực hiện và vận hành hệ thống thực, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá nhiều phương án khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án thích hợp nhất. Việc mô phỏng quá trình trên máy tính: khác với mô phỏng thuần túy toán học, việc mô phỏng các quá trình công nghệ phục vụ cho đào tạo và nghiên cứu thường phức tạp hơn và có những yêu cầu riêng.
Mô hình mô phỏng các đối tượng công nghệ phải có tính trực quan cao, dễ sử dụng, dễ hình dung, và thể hiện được rõ ràng quy trình công nghệ đó. Mục tiêu đề tài v Tìm hiểu và xây dựng mô phỏng quá trình hệ thống SCADA. Giao tiếp giữa Card Ni6221 với mô phỏng quá trình hệ thống. HỌC VIÊN THỰC HIỆN: PHÙNG ĐỨC HUY Page 20 LUẬN VĂN THẠC SỸ v Kết nối mạng công nghiệp cho hệ thống SCADA.
Nghiên cứu thuật toán điều khiến PID cho hệ thống. v Thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát quá trình, liên kết giữa phan mềm SCADA Citect với LABVIEW để mô phỏng quá trình cho hệ thống SCADA đã xây dựng. Công cụ sw dụng cho luận văn Cac phân mém sử dụng cho mô phỏng và điêu khiên quá trình. WVv Ngôn ngữ lập trình GX-DEVELOPER cua hãng PLC Mitsubishi Ngôn ngữ lập trình hệ thông Citect SCADA của hãng Schneider Ngôn ngữ lập trình Labview cho điều khiến quá trình.
Cong cu OPC KEPServerEx V4.0 thu thap I/O Server. Các phần cứng sử dụng cho mô phỏng va điều khién quá trình. > PLC Mitsubishi FX-3U-48MR, FX2N-64MR FX2N-4AD, FX2N-4DA, FX2N-2LC, FX2N-16CCL-M, FX2N-32CCL, dé lay dữ liệu về va xuất dữ liệu ra. > Lò nhiệt và cảm biến nhiệt độ và SSR.
> Card Ni6221 nhận tín hiệu từ PLC về máy tính mô phỏng quá trình hệ thống SCADA thực. > Bién tan va Motor 3 pha, Encorder. > May tính mô phỏng SCADA và máy tính mô phỏng qua trình. Tóm lược nội dung các chương.