Tổng Quan Về Phần Mềm Thiết Kế và Mô Phỏng SCADA WinCC

Khám phá tổng quan về phần mềm thiết kế và mô phỏng, ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật và sáng tạo, nâng cao hiệu quả công việc.

• Tác giả: Lê Xuân Hải
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Phần Mềm Thiết Kế và Mô Phỏng SCADA WinCC
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG WINCC (WINDOWS CONTROL CENTER)
• 1.1. Tổng quan hệ thống Scada
• 1.2. Quyền truy nhập hệ thống và công tác quản trị người sử dụng
• 1.3. Chuyển đổi ngôn ngữ sử dụng
• 1.4. Hệ thống đồ họa (Graphics System)
• 1.5. Hệ thống thông báo (Message System)
• 1.6. Các bước cơ bản tiến hành thiết kế
• 1.6.1. Khởi tạo một dự án
• 1.6.2. Khởi động WinCC
• 1.6.3. Kết nối với PLC
• 1.6.4. Tag và Tag Group
• 1.7. Hệ thống báo cáo (Report System)
• 1.8. Chức năng Text Library
• 1.9. Hệ thống lưu giữ dữ liệu người dùng (User Archives)
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ KHỞI LẬP TRÌNH SIMATIC PLC S7 300
• 2.1. Khái niệm về PLC
• 2.2. Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng PLC

Tóm tắt

I. Tổng quan về phần mềm thiết kế và mô phỏng SCADA WinCC

Phần mềm SCADA WinCC (Windows Control Center) là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Được phát triển bởi Siemens, WinCC cung cấp các giải pháp giám sát và điều khiển cho các hệ thống công nghiệp phức tạp. Hệ thống SCADA này cho phép người dùng theo dõi và điều khiển các quy trình sản xuất từ xa, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu rủi ro. WinCC không chỉ hỗ trợ việc thu thập dữ liệu mà còn cung cấp các công cụ phân tích và báo cáo, giúp người quản lý đưa ra quyết định chính xác hơn.

1.1. SCADA là gì và vai trò của WinCC trong tự động hóa

Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một công nghệ quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. WinCC đóng vai trò trung tâm trong việc giám sát và điều khiển các quy trình sản xuất, cho phép người dùng theo dõi tình trạng hoạt động của thiết bị và thu thập dữ liệu một cách hiệu quả.

1.2. Lịch sử phát triển của WinCC và SCADA

WinCC được phát triển từ những năm 80, khi công nghệ SCADA bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sự kết hợp giữa Siemens và Microsoft đã tạo ra một nền tảng mạnh mẽ, giúp WinCC trở thành một trong những phần mềm SCADA hàng đầu trên thị trường.

II. Những thách thức trong việc triển khai phần mềm SCADA WinCC

Việc triển khai phần mềm SCADA WinCC không phải là điều đơn giản. Các thách thức bao gồm việc tích hợp với các hệ thống hiện có, đảm bảo tính bảo mật và khả năng mở rộng của hệ thống. Ngoài ra, việc đào tạo nhân viên sử dụng phần mềm cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

2.1. Vấn đề tích hợp hệ thống SCADA với các thiết bị hiện có

Một trong những thách thức lớn nhất khi triển khai WinCC là khả năng tích hợp với các thiết bị và hệ thống hiện có. Điều này đòi hỏi sự tương thích giữa các giao thức truyền thông và phần mềm điều khiển.

2.2. Bảo mật trong hệ thống SCADA

Bảo mật là một yếu tố quan trọng trong việc triển khai hệ thống SCADA. WinCC cần được cấu hình đúng cách để bảo vệ dữ liệu và ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài.

III. Phương pháp triển khai phần mềm SCADA WinCC hiệu quả

Để triển khai phần mềm SCADA WinCC một cách hiệu quả, cần có một kế hoạch chi tiết và rõ ràng. Các bước bao gồm xác định yêu cầu hệ thống, thiết kế giao diện người dùng, và thực hiện các bài kiểm tra trước khi đưa vào vận hành. Việc này giúp đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được nhu cầu của người dùng.

3.1. Xác định yêu cầu và thiết kế hệ thống

Bước đầu tiên trong việc triển khai WinCC là xác định rõ yêu cầu của hệ thống. Điều này bao gồm việc phân tích quy trình sản xuất và xác định các thông số cần giám sát.

3.2. Thiết kế giao diện người dùng thân thiện

Giao diện người dùng là yếu tố quan trọng trong việc sử dụng WinCC. Cần thiết kế giao diện sao cho dễ sử dụng và trực quan, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều khiển quy trình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phần mềm SCADA WinCC trong công nghiệp

Phần mềm SCADA WinCC đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất, chế biến thực phẩm, và quản lý năng lượng. Các ứng dụng này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao hiệu quả quản lý và giảm thiểu chi phí.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất

Trong ngành sản xuất, WinCC giúp giám sát và điều khiển các quy trình sản xuất tự động, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong quản lý năng lượng

WinCC cũng được sử dụng để giám sát và quản lý hệ thống phân phối năng lượng, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và giảm thiểu lãng phí.

V. Kết luận và tương lai của phần mềm SCADA WinCC

Phần mềm SCADA WinCC đã chứng minh được giá trị của mình trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và quản lý công nghiệp. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của WinCC hứa hẹn sẽ còn nhiều tiềm năng hơn nữa trong việc cải thiện hiệu suất và hiệu quả của các hệ thống công nghiệp.

5.1. Xu hướng phát triển của công nghệ SCADA

Công nghệ SCADA đang ngày càng phát triển với sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT), giúp nâng cao khả năng giám sát và điều khiển.

5.2. Tương lai của WinCC trong tự động hóa công nghiệp

WinCC sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa công nghiệp, với các tính năng mới và cải tiến giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển của tự động hóa công nghiệp, các hệ thống điều khiển và giám sát đóng vai trò trung tâm nhằm nâng cao năng suất, độ tin cậy và tính linh hoạt của quy trình sản xuất. Trước những năm 1980, các hệ thống điều khiển công nghiệp chủ yếu dựa trên kỹ thuật rơ-le và công tắc tơ truyền thống, bộc lộ nhiều hạn chế về khối lượng dây nối, không gian lắp đặt, công suất tiêu thụ và khả năng tùy biến khi thay đổi công nghệ. Sự xuất hiện của bộ điều khiển lập trình (PLC) và hệ thống điều khiển giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA) đã tạo nên bước chuyển dịch căn bản trong kiến trúc tự động hóa quá trình.

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Xuân Hải tập trung vào việc nghiên cứu, làm chủ công cụ thiết kế giao diện giám sát SCADA trên phần mềm WinCC của hãng Siemens, kết hợp với phần cứng điều khiển lập trình SIMATIC PLC S7-300 để xây dựng các bài thực hành kỹ thuật phục vụ đào tạo và ứng dụng thực tiễn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Tổng quan lý thuyết về kiến trúc hệ thống SCADA và các module chức năng của phần mềm WinCC (Windows Control Center).
2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh và phương thức xử lý chương trình của bộ điều khiển lập trình SIMATIC PLC S7-300.
3. Thiết lập kết nối truyền thông công nghiệp giữa máy tính giám sát (PC) và PLC qua giao thức SIMATIC S7 Protocol Suite / MPI.
4. Thiết kế giao diện đồ họa, cấu hình biến (Tags), viết mã xử lý sự kiện (C-Action) và lập trình điều khiển trên phần mềm STEP 7 cho hai bài thực hành kỹ thuật: điều khiển động cơ và điều khiển dãy 8 LED đơn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Phần mềm thiết kế giao diện SCADA WinCC, phần mềm lập trình STEP 7, bộ điều khiển SIMATIC PLC S7-300 (CPU 314 và các module mở rộng) cùng các phần tử chấp hành (động cơ, khởi động từ, rơ-le nhiệt, nút nhấn, LED).
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thí nghiệm điều khiển và giám sát tại bàn thực hành với cấu hình trạm đơn (Single-User Project), giao tiếp qua cổng MPI và các cổng vào/ra số (Digital I/O).

Cơ sở kỹ thuật và phương pháp triển khai

Đề tài được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động và truyền thông công nghiệp của Siemens kết hợp với hệ thống phần mềm của Microsoft:

• Khung kỹ thuật SCADA và WinCC: Kiến trúc SCADA với tính phân bố cao về phần chấp hành và tính tập trung về xử lý số liệu tại trung tâm. Phần mềm WinCC chạy trên các hệ điều hành Windows NT, Windows 2000, hỗ trợ tích hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu Sybase SQL, chuẩn kết nối ODBC, các giao thức chuẩn DDE, OLE, ActiveX, OPC và lập trình ANSI-C thông qua C-API. WinCC đóng vai trò là giao diện HMI/SCADA trong mô hình Tự động hóa tích hợp toàn diện (TIA) và hệ thống PCS 7.
• Khung phần cứng PLC S7-300: Cấu trúc vi xử lý điều khiển theo chu kỳ quét (Scan cycle), quản lý bộ nhớ 48KB RAM, 48KB ROM, tốc độ xử lý khoảng 0,3 ms trên 1000 lệnh nhị phân, các vùng đệm vào/ra số (Process Image I/Q), vùng nhớ cờ (M), bộ định thời (Timer - T), bộ đếm (Counter - C) và các khối tổ chức OB, hàm FC, khối hàm FB kèm khối dữ liệu DB.

Phương pháp triển khai thực tế:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo cứu cấu trúc module, tập lệnh và các thông số cài đặt phần cứng PLC S7-300 cũng như các module chuyên biệt của WinCC.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Xây dựng cấu hình truyền thông phần cứng, định nghĩa bảng biến (Tag Management), thiết kế giao diện đồ họa (Graphics Designer) và lập trình thuật toán điều khiển tuần tự trên STEP 7 (OB1).
• Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Triển khai chạy thử nghiệm, nạp chương trình xuống PLC thật trên bàn thí nghiệm panen S7-300, kích hoạt chế độ giám sát thời gian thực trên WinCC để kiểm tra tương tác giữa phần mềm và thiết bị ngoại vi.

Thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển

Kiến trúc truyền thông giữa máy tính (PC) chạy WinCC và PLC được tổ chức thông qua các thành phần trung gian:

• WinCC Data Manager: Quản lý các biến WinCC trong quá trình thực thi (Runtime), cung cấp dữ liệu cho các ứng dụng con gồm Graphic Runtime, Alarm Logging Runtime và Tag Logging Runtime.
• Communication Driver: Trình điều khiển truyền thông dưới dạng thư viện liên kết động (C++ DLL), giao tiếp trực tiếp với Data Manager để cung cấp giá trị của quá trình.
• Channel Unit (Đơn vị kênh): Thành phần giao tiếp với module phần cứng truyền thông của PC, được cấu hình trong tham số hệ thống (System Parameters).
• Communication Processor (CP): Bộ xử lý truyền thông chịu trách nhiệm gửi thông điệp yêu cầu từ máy tính tới PLC và nhận dữ liệu phản hồi về WinCC.

Quy trình triển khai bài thực hành trên hệ thống được thực hiện qua các bước chuẩn hóa:

1. Khởi tạo dự án: Mở WinCC Explorer, tạo một dự án trạm đơn (Single-User Project).
2. Cấu hình kết nối phần cứng: Trong mục Tag Management, thêm driver SIMATIC S7 Protocol Suite, thiết lập kết nối MPI và khai báo các thông số địa chỉ trạm.
3. Khai báo bảng biến (Tags): Thiết lập các biến nội (Internal Tag) và biến ngoại (External Tag) liên kết trực tiếp với các vùng nhớ của PLC (vùng nhớ M, đầu ra Q).
4. Thiết kế giao diện vận hành: Sử dụng công cụ Graphics Designer để vẽ bảng điều khiển, chèn các đối tượng nút bấm (Button), hình ảnh thiết bị từ thư viện (Library), gán thuộc tính hiển thị đổi màu, nhấp nháy (Flashing Background) và lập trình mã kịch bản C-Action cho các sự kiện chuột (Press left, Release left) để kích hoạt hàm Set Tag Bit.
5. Lập trình và nạp chương trình PLC: Sử dụng phần mềm STEP 7 để viết giải thuật điều khiển trong khối tổ chức chính OB1, sau đó nạp xuống CPU PLC và tiến hành kiểm tra đồng bộ với giao diện giám sát.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về phần mềm thiết kế và mô phỏng WinCC (Windows Control Center)

Chương 1 trình bày chi tiết về nguồn gốc, kiến trúc và các module chức năng của WinCC trong hệ thống SCADA. SCADA ra đời từ những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp. Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong các trạm trộn bê tông, nhà máy xi măng, chế biến thực phẩm, nước giải khát, vận chuyển hàng hóa bến cảng, sân bay, giàn khoan dầu khí, nhà máy xử lý nước và hệ thống phân phối lưới điện.

WinCC hỗ trợ nhiều cấu hình từ hệ thống một máy tính (Single-user), hệ thống nhiều máy tính (Multi-user), cấu hình Client/Server có dự phòng đến cấu hình phân tán nhiều máy chủ. Các module chức năng chính gồm:

• Giao diện người sử dụng (Graphics Designer): Cung cấp công cụ thiết kế đồ họa mạnh mẽ với Toolbox, Controls, đối tượng OLE, ActiveX và thư viện công nghiệp có sẵn.
• Quản trị người sử dụng (User Administrator): Cung cấp tới 1000 mức truy cập khác nhau, xác thực bằng tên đăng nhập (User Name) và mật khẩu (Password), có thiết lập thời hạn hiệu lực.
• Hệ thống thông báo (Message System): Phân chia thành 16 thứ hạng thông báo (Message Classes) và 16 loại thông báo (Message Types) cho mỗi thứ hạng, hỗ trợ cảnh báo sự cố kịp thời.
• Hệ thống thu thập dữ liệu (Tag Logging): Hỗ trợ 4 phương pháp lưu trữ: liên tục theo chu kỳ (Cyclical logging), theo chu kỳ chọn lựa (Selective logging), không theo chu kỳ (Acyclical logging) và chỉ khi có sự thay đổi (Archiving only when changed).
• Hệ thống báo cáo (Report System / Report Designer): Cho phép định dạng trang in, in báo cáo tự động theo chu kỳ hoặc theo sự kiện của người vận hành.
• Text Library và User Archives: Hỗ trợ chuyển đổi đa ngôn ngữ trực tuyến và quản lý công thức, dữ liệu tham số của quá trình sản xuất.

Chương 2: Tổng quan về bộ điều khiển lập trình SIMATIC PLC S7-300

Chương 2 phân tích chuyên sâu về phần cứng và nguyên lý hoạt động của PLC S7-300. PLC ra đời năm 1968 với 20 đầu vào/ra số nhằm thay thế mạch rơ-le. Tác giả tổng hợp sự khác biệt giữa hai hệ thống điều khiển:

Tiêu chí so sánh	Hệ thống điều khiển Rơ-le	Hệ thống điều khiển PLC
Dây nối phần cứng	Rất tốn dây dẫn, phức tạp	Giảm 80% số lượng dây nối
Khả năng thay đổi quy trình	Khó khăn, phải đấu nối lại phần cứng	Dễ dàng, chỉ cần chỉnh sửa chương trình
Kích thước và không gian	Kích thước lớn, cồng kềnh	Nhỏ gọn, module hóa
Công suất tiêu thụ	Tiêu thụ công suất lớn	Tiêu thụ công suất rất thấp
Thời gian chu trình điều khiển	Chậm, phụ thuộc cơ cấu cơ khí	Rất nhanh (chu trình quét vài mili-giây)
Khả năng kết nối mạng	Không hỗ trợ kết nối mạng	Kết nối linh hoạt với mạng máy tính, SCADA
Bảo trì và chẩn đoán	Khó theo dõi lỗi, sửa chữa lâu	Có chức năng tự chẩn đoán, in chương trình ra giấy

Cấu trúc phần cứng PLC S7-300 bao gồm:

• Module nguồn (PS): Biến đổi điện áp lưới 110/220 VAC thành 24 VDC cấp cho hệ thống.
• Module CPU: Chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, tích hợp cổng truyền thông RS485/PROFIBUS DP. Các dòng CPU gồm 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C, 315, 315-2 DP, 316-2 DP, 318-2. Trên CPU 314 có các đèn báo trạng thái: SF (lỗi phần cứng/phần mềm), BATF (lỗi pin nguồn), DC5V (nguồn 5V bình thường), FRCE (force request tích cực), RUN, STOP, BUSF (lỗi truyền thông PROFIBUS) và khóa chuyển chế độ 4 vị trí (RUN-P, RUN, STOP, MRES).
• Module tín hiệu (SM): Gồm module đầu vào số DI (8, 16, 32 kênh), đầu ra số DO (8, 16, 32 kênh), module kết hợp DI/DO (8/8 hoặc 16/16), module đầu vào tương tự AI (2, 4, 8 kênh, độ phân giải 12 bit), module đầu ra tương tự AO (2, 4 kênh) và AI/AO (4/2 hoặc 4/4).
• Module ghép nối (IM): Cho phép kết nối tối đa 4 Rack với nhau, mỗi Rack gá tối đa 8 module mở rộng (không tính PS và CPU).
• Module chức năng (FM) và Module truyền thông (CP): Phục vụ các tác vụ chuyên biệt như điều khiển động cơ bước, Servo, điều khiển vòng kín PID và kết nối mạng.

Chương này cũng phân loại các khối tổ chức (Organisation Block - OB) quản lý chương trình:

Khối OB	Tên gọi và chức năng kích hoạt
OB1	Khối tổ chức chính, thực thi tuần hoàn theo chu kỳ quét lặp vòng
OB10	Ngắt theo thời gian thực trong ngày (Time of Day Interrupt)
OB20	Ngắt theo khoảng thời gian trễ đặt trước (Time Delay Interrupt)
OB35	Ngắt theo chu kỳ định trước (Cyclic Interrupt, chu kỳ mặc định 100 ms)
OB40	Ngắt cứng từ tín hiệu ngoại vi (Hardware Interrupt, ngõ vào I124.3)
OB80	Xử lý lỗi thời gian quét vượt ngưỡng cực đại (mặc định thời gian quét 150 ms)
OB81	Xử lý sự cố lỗi bộ nguồn nuôi (Power Supply Fault)
OB82	Ngắt chẩn đoán khi có sự cố từ module mở rộng có khả năng tự kiểm tra
OB87	Xử lý sự cố lỗi truyền thông (Communication Fault)
OB100	Khởi tạo hệ thống, thực hiện một lần khi CPU chuyển từ STOP sang RUN
OB121	Xử lý lỗi logic lập trình hoặc truy cập sai khối dữ liệu

Về phương thức lập trình, PLC S7-300 hỗ trợ 3 ngôn ngữ chính: STL (Statement List - liệt kê lệnh), LAD (Ladder Logic - sơ đồ hình thang) và FBD (Function Block Diagram - sơ đồ khối chức năng).

Chương 3: Thiết kế, xây dựng một số bài thực hành PLC S7-300 sử dụng giao diện WinCC

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình thiết kế và thực nghiệm hai bài thực hành cụ thể:

Bài thực hành số 1: Thiết kế, xây dựng giao diện điều khiển động cơ

• Trang bị điện: Cầu chì F, bộ khởi động từ đơn gồm công tắc tơ K1 và rơ-le nhiệt OL, bộ nút nhấn PB0 (dừng - stop) và PB1 (chạy - start). Tiếp điểm K11 cấp nguồn động lực, tiếp điểm K12 duy trì mạch điều khiển.
• Bảng thiết bị thí nghiệm: Gồm 01 bàn thí nghiệm, 01 khung thí nghiệm có panen PLC S7-300, 10 dây nguồn/giắc cắm, 01 cáp kết nối và 01 máy tính.
• Thiết lập biến Tag trong WinCC: Tạo 3 biến nhị phân: DONGCO (Binary Tag, địa chỉ Q124.0), START (Binary Tag, địa chỉ M0.0) và STOP (Binary Tag, địa chỉ M0.1).
• Cấu hình giao diện và kịch bản: Tạo nút bấm START và STOP trên Graphics Designer, gán C-Action với hàm Set Tag Bit cho các sự kiện nhấn và nhả chuột. Chèn biểu tượng động cơ từ thư viện, liên kết thuộc tính hiển thị nhấp nháy (Flashing Background) với biến DONGCO ở chế độ cập nhật khi có thay đổi (Update Upon change).
• Lập trình PLC: Soạn thảo chương trình điều khiển mạch khởi động trong khối OB1 trên STEP 7, nạp xuống PLC và kiểm thử hoạt động: nhấn START động cơ chạy và giao diện hiển thị trạng thái hoạt động; nhấn STOP động cơ dừng.

Bài thực hành số 2: Thiết kế, xây dựng giao diện điều khiển 8 LED đơn sáng lần lượt từ trái qua phải

• Yêu cầu công nghệ: Nhấn nút Start, đèn 1 sáng, lần lượt các đèn 2, 3, 4 sáng tuần tự từ trái qua phải cho đến đèn số 8 rồi lặp lại chu trình. Nhấn Stop thì toàn bộ 8 đèn đều tắt.
• Bảng thiết bị thí nghiệm: Gồm 01 bàn thí nghiệm, 01 khung thí nghiệm có panen PLC S7-300, 15 dây nguồn/giắc cắm, 01 cáp kết nối và 01 máy tính.
• Triển khai: Tạo dự án 8LED trên WinCC Explorer, thiết lập kết nối SIMATIC S7 Protocol Suite qua giao tiếp MPI, khai báo các biến điều khiển và xây dựng giao diện hiển thị trạng thái dãy đèn LED.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Làm rõ cấu trúc phân tầng SCADA và các đặc tính kỹ thuật của phần mềm WinCC, đặc biệt là cơ chế quản lý biến qua Data Manager, hệ thống thu thập Tag Logging và quản trị 1000 mức người dùng qua User Administrator.
• Hệ thống hóa toàn bộ thông số phần cứng của PLC SIMATIC S7-300, bao gồm quy chuẩn ghép nối tối đa 4 Rack (8 module/Rack) qua module IM, cấu trúc bộ nhớ (48KB RAM, 48KB ROM, thời gian thực thi 0,3 ms/1000 lệnh nhị phân) và chức năng của 11 khối tổ chức OB đặc biệt.
• Xây dựng hoàn chỉnh tài liệu hướng dẫn kỹ thuật từng bước (step-by-step) cho hai bài thực hành điều khiển động cơ và điều khiển 8 LED đơn, từ khâu đấu nối dây phần cứng, khai báo biến Tag đến lập trình giao diện WinCC và nạp mã điều khiển STEP 7.

Đóng góp của tác giả nằm ở việc kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết phần cứng/phần mềm với việc thiết kế giáo trình thực hành trực quan, giúp người học dễ dàng tiếp cận công nghệ SCADA và PLC trong môi trường thí nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Các mô hình thực hành mới dừng lại ở mức độ điều khiển logic nhị phân cơ bản (Digital I/O) trên trạm đơn (Single-User Project) thông qua mạng MPI, chưa triển khai các bài toán điều khiển tín hiệu tương tự (Analog AI/AO) hoặc thuật toán điều khiển phản hồi vòng kín (PID).
• Hệ thống chưa thực hiện kết nối mạng phân tán nhiều máy chủ (Multi-server/Client) hoặc liên kết dữ liệu lên các hệ thống điều hành sản xuất cấp cao như MES và ERP.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng các bài thực hành sử dụng module đầu vào/ra tương tự để điều khiển các đối tượng liên tục như biến tần, van tỷ lệ, cảm biến nhiệt độ (Thermocouple), cảm biến lưu lượng.
• Nghiên cứu cấu hình mạng công nghiệp PROFIBUS DP và Industrial Ethernet để kết nối đa PLC, đồng thời triển khai cấu hình WinCC Client/Server có dự phòng (Redundancy).

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển, Điện tử Công nghiệp và Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc bài tập thực hành liên quan đến họ PLC Siemens S7-300 và SCADA WinCC.
• Giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm trong việc biên soạn bài giảng, xây dựng quy trình thực hành chuẩn trên các panen thí nghiệm PLC S7-300.
• Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm: bảng tra cứu các khối ngắt OB, phân định các vùng nhớ PLC S7-300, quy trình cấu hình driver SIMATIC S7 Protocol Suite qua cổng MPI và phương pháp lập trình C-Action trên nút bấm giao diện WinCC.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần mềm WinCC hỗ trợ bao nhiêu mức truy cập người dùng và sử dụng công cụ nào để quản lý? WinCC hỗ trợ tới 1000 mức truy cập khác nhau để phân quyền vận hành và can thiệp hệ thống. Công cụ được sử dụng để quản lý quyền truy cập, tên người dùng và mật khẩu là User Administrator. Quyền truy cập có thể được định nghĩa lại trong quá trình vận hành và tự động hết hiệu lực khi hết thời hạn cho phép.

2. Hệ thống cảnh báo (Message System) trong WinCC được phân cấp và cấu trúc như thế nào? Hệ thống thông báo của WinCC được tổ chức tại các tệp tin gồm 16 thứ hạng thông báo (Message Classes) và mỗi thứ hạng có 16 loại thông báo (Message Types). Cấu trúc này cho phép phân biệt rõ ràng các dạng thông báo cảnh báo, nhắc nhở, báo lỗi hoặc hoạt động sai chức năng cho từng vùng khác nhau của hệ thống.

3. Trong bài thực hành điều khiển động cơ, các biến Tag nào được khai báo và liên kết với địa chỉ nào của PLC? Có 3 biến nhị phân (Binary Tag) được khai báo trong kết nối MPI:

• DONGCO: kiểu Binary Tag, địa chỉ ngõ ra số Q124.0.
• START: kiểu Binary Tag, địa chỉ bit nhớ M0.0.
• STOP: kiểu Binary Tag, địa chỉ bit nhớ M0.1.

4. Khả năng mở rộng phần cứng của một CPU PLC SIMATIC S7-300 thông qua module ghép nối IM là bao nhiêu? Một CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với tối đa 4 Racks thông qua các module ghép nối IM. Trên mỗi Rack chỉ có thể gá lắp tối đa 8 module mở rộng (không tính module CPU và module nguồn nuôi PS).

5. Chức năng thu thập dữ liệu (Tag Logging) trong WinCC hỗ trợ những phương pháp lưu trữ nào? Tag Logging hỗ trợ 4 phương pháp:

• Liên tục theo chu kỳ (Cyclical logging): thu thập liên tục theo chu kỳ thời gian.
• Theo chu kỳ chọn lựa (Selective logging): bắt đầu và kết thúc khi xảy ra các sự kiện định trước (đổi biến nhị phân, biến tương tự vượt ngưỡng, lệnh từ máy tính cấp cao...).
• Không theo chu kỳ (Acyclical logging): phụ thuộc vào sự chuyển trạng thái 0-1 của một hoặc nhiều bit.
• Chỉ khi có sự thay đổi (Archiving only when changed): chỉ lưu trữ khi giá trị thay đổi lớn hơn một ngưỡng xác định.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Xuân Hải đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về hệ thống SCADA WinCC và bộ điều khiển lập trình SIMATIC PLC S7-300 của hãng Siemens. Tác giả đã phân tích sâu các đặc tính kỹ thuật phần cứng, tập lệnh, phương thức quét chương trình và các module chức năng giám sát. Công trình đã thiết kế và thử nghiệm thành công quy trình thực hành điều khiển động cơ và dãy đèn LED trên bàn thí nghiệm qua giao tiếp MPI, tạo cơ sở tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn trong đào tạo kỹ thuật điều khiển tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lê Xuân Hải CH NG 1 : T NG QUAN V PH N M M THI T K VÀ MÔ PH NG WINCC ( WINDOWS CONTROL CENTER ) 1.1 T ng quan h th ng ScaDa Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, ra đ i vào những năm 80 trên cơ s ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp. Hệ SCADA cho phép liên kết mạng nhiều mức độ khác nhau: từ các bộ c m biến, cơ c u ch p hành, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điều khiển và giám sát, cho đến các trạm máy tính điều hành và qu n lý công ty. SCADA là hệ thống điều khiển có đặc thù là có tính phân bố cao về phần ch p hành nhưng lại có tính tập trung về phần điều khiển (phần mềm điều khiển, thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu tại trung tâm). Vì vậy nó có thể đáp ứng được yêu cầu của hệ thống đòi hỏi phân bố trên phạm vi địa hình rộng.

SCADA là một hệ thống m nên dễ dàng nâng c p và m rộng khi cần thiết. Lê Xuân Hải Hình 0-1 1. Giới thi u chung WinCC (WindowsControlCenter - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung c p các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000. Trong dòng các s n phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA với những chức năng hữu hiệu dành cho việc điều khiển.

Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính m. Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của ngư i sử dụng, tạo nên giao diện ngư i - máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác.Những nhà cung c p hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện m của WinCC như một nền t ng để m rộng hệ thống. Lê Xuân Hải WinCC kết hợp các bí quyết của hãng Siemens - công ty hàng đầu trong tự động hoá quá trình và Microsoft - công ty hàng đầu trong việc phát triển phần mềm cho PC. Ngoài kh năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như: việc tích hợp với những hệ thống c p cao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống qu n lý việc thực hiện s n xu t) và ERP (Enterprise Resource Planning).

WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ s quy mô toàn cầu nh hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới.3 Các đặc điểm chính. Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nh t.Nh sự cộng tác của Siemens và Microsoft, ngư i dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là ngư i dẫn đầu. Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA: Ngay từ hệ thống WinCC cơ s đã có thể cung c p t t c các chức năng để ngư i dùng có thể kh i động các yêu cầu hiển thị phức tạp.Việc gọi những hình nh (picture), các c nh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập. Có thể nâng c p m rộng dễ dàng từ đơn gi n đến phức tạp: WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó để m rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn gi n đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có c u trúc phân tán với nhiều máy chủ (server).

Có thể phát triển tuỳ theo lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ. Một loạt các module phần mềm m rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để ngư i dùng chọn lựa khi cần. Lê Xuân Hải d. Cơ s dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn: Cơ s dữ liệu Sysbase SQL đã được tích hợp sẵn trong WinCC.T t c các dữ liệu về c u hình hệ thống và các dữ liệu của quá trình điều khiển đựơc lưu giữ trong cơ s dữ liệu này.Ngư i dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ s dữ liệu của WinCC bằng SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity).

Sự truy cập này cho phép WinCC chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ s dữ liệu khác chạy trên nền Windows. Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC): Các giao diện chuẩn như DDE và OLE dùng cho việc chuyển dữ liệu từ các chương trình chạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC. Các tính năng như ActiveX control và OPC server và client cũng được tích hợp sẵn. Ngôn ngữ vạn năng: WinCC được phát triển dùng ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI-C.

Giao diện lập trình API m cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu: T t c các module của WinCC đều có giao diện m cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API). Điều đó có nghĩa là ngư i dùng có thể tích hợp c c u hình của WinCC và các hàm thực hiện (runtime) vào một chương trình của ngư i sử dụng. Cài đặt phần mềm với kh năng lựa chọn ngôn ngữ: Phần mềm WinCC được thiết kế trên cơ s nhiều ngôn ngữ.Nghĩa là, ngư i dùng có thể chọn tiếng Anh, Pháp, Đức hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sử dụng. Các ngôn ngữ này cũng có thể thay đổi trực tuyến.

Giao tiếp với hầu hết các loại PLC: WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của Siemens như SIMATIC S5/S7/505 cũng như thông qua các giao thức chung như PROFIBUS DP, DDE hay OPC. Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn như là những lựa chọn hay phần bổ sung. Lê Xuân Hải k. WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hoá tích hợp toàn diện (Totally Integrated Automation-TIA): WinCC đóng vai trò như cửa sổ hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ.

Nó cũng chính là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens.4 Các c u hình h th ng c b n. WinCC có thể hỗ trợ các c u hình hệ thống từ th p đến cao, ví dụ như trong các c u hình như sau: - Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (Sing-user system) - Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (Multi-user system) - C u trúc Client/Server có dự phòng - C u trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server) 1.1 Giao diện ngư i sử dụng: Không phụ thuộc vào các ứng dụng nhỏ hay lớn, đơn gi n hay phức tạp, dùng WinCC ta có thể thiết kế ra các giao diện cho ngư i sử dụng để phục vụ cho việc điều khiển và tối ưu hoá quá trình s n xu t. WinCC có một bộ công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ mạnh như các Toolbox, các Control, các OCX được đặt dễ dàng trên của sổ thiết kế. Giao diện ngư i sử dụng cho phép hiển thị quá trình hội thoại giữa ngư i điều khiển và quá trình điều khiển một cách linh hoạt và phụ thuộc vào nhu cầu của quá trình điều khiển.

Màn hình điều khiển có thể thể hiện quá trình công nghệ một cách toàn c nh, qui trình công nghệ chính hoặc một cụm công nghệ nào đó cần theo dõi. WinCC có thể ghi nhớ các giá trị của các biến. Và cũng như vậy, nó cũng có thể ghi nhận ngày tháng, th i gian, ngư i sử dụng, giá trị cũ và mới. Vì thế diễn biến của những quá trình có tính ch t kịch tính có thể được tái tạo lại phục vụ cho mục đích phân tích.

Lê Xuân Hải 1.2 Quyền truy nhập hệ thống và công tác qu n trị ngư i sử dụng. WinCC chỉ cho phép những ngư i được ủy quyền truy cập vào hệ thống. Có tới 1000 mức truy cập khác nhau cho phép phân chia quyền truy cập và can thiệp vào hệ thống mức độ khác nhau. Mật khẩu (password) và tên ngư i sử dụng (user name) xác định quyền truy cập của mỗi ngư i.

Điều này cũng có thể được định nghĩa lại trong quá trình vận hành hệ thống. Một công cụ có tên là “User Administrator” (Qu n trị ngư i sử dụng) được dùng để tho mãn mục đích này. Quyền truy cập sẽ hết hiệu lực nếu th i hạn cho phép đã kết thúc.3 Chuyển đổi ngôn ngữ sử dụng. Một vài ngôn ngữ có thể được xác lập trong quá trình cài đặt để làm ngôn ngữ sử dụng của một dự án.

Trong quá trình vận hành, ngư i sử dụng chỉ việc nh n chuột vào một hộp thoại để thay đổi ngôn ngữ sử dụng.4 Hệ thống đồ hoạ (Graphics System). Hệ thống đồ hoạ của WinCC xử lý t t c các đầu vào và đầu ra thể hiện trên màn hình trong quá trình vận hành.Kh năng hiển thị thông tin điều khiển dưới dạng đồ hoạ được thực hiện b i một module chương trình có tên gọi là Graphics Designer. Công cụ này có thể cung c p các công cụ có sẵn như:  Các hình vẽ của các phần tử tiêu biểu (như bơm, van, động cơ, silô.)  Các phím, hộp thoại, thanh trượt.  Các màn hình ứng dụng và màn hình hiển thị  Các đối tượng OLE, ActiveX  Các trư ng vào, ra  Các thanh trạng thái và các hiển thị theo nhóm.

 Các đối tượng đã được thay đổi để phù hợp với nhu cầu của ngư i sử dụng. Ngư i xây dựng hệ thống có thể thể hiện qui trình công nghệ mà mình điều khiển bằng đồ họa. Việc định nghĩa các tính ch t cơ b n của các đồ hoạ như: hình dáng hình học, màu sắc, kiểu hoa văn,. có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế đồ hoạ có sẵn.

Lê Xuân Hải 1.5 Hệ thống thông báo (Message System) Hệ thống thông báo của WinCC cung c p thông tin đầy đủ về các lỗi và trạng thái nói chung trong quá trình hoạt động. Nó thể hiện các thông báo lúc hiện tại cũng như trong quá khứ. Các thông báo này giúp ngư i vận hành sớm phát hiện ra các sự cố để khắc phục kịp th i, tránh được các sự cố. Ta có thể tự do lựa chọn các khối thông báo, các thứ hạng thông báo, các dạng thông báo, các kiểu hiển thị thông báo.