Đề tài Hệ thống Scada trong nhà máy nước

====o0o==== ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG SCADA TRONG NHÀ MÁY NƯỚC Hà Nội, 12-2013 MỤC LỤC Lời nói đầu...................2 Chương I.Tổng Quan Về SCADA..................3 Chương II.Hệ Thống SCADA Về Xử Lý Nước Trong Nhà Máy Nước............11 Chương III.Kết Luận....................24 Tài Liệu Tham Khảo.....................25 Lời Nói Đầu Nước Việt Nam trên con đường công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước. Trong đó khoa học kĩ thuật là yếu tố giữ vai trò không nhỏ và việc ứng dụng những thành tựu về khoa học – kĩ thuật vào nghành nghề nói chung và điện tử nói riêng càng rộng rãi. SCADA về xử lý nước bên trong hệ thống vận hành và hoạt động của nhà máy nước cung cấp cho sinh viên chúng em những kiến thức vô cùng hiểu ích về toàn bộ quy trình, dây truyền hoạt động cũng như một SCADA không thể thiếu trong nền công nghiệp tự động hóa đất nước. Đối với các doanh nghiệp sản xuất và chế tạo thì việc nâng cao hiệu quả trong chất lượng sản phẩm. Việc ứng dụng công nghệ scada nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất nhằm thỏa mãn mục tiêu trên. Hơn nữa với đề tài nghiên cứu hệ thống SCADA trong nhà máy nước nói về một ứng dụng cụ thể , một nhà máy với ứng dụng của scada trong việc vận hành cũng như xử lý nước từ công đoạn nước thô cho tới những sản phẩm nước tinh khiết như hiện nay. Đó hoàn toàn là nhờ vào việc áp dụng khoa học – kĩ thuật, và điển hình là hệ scada. Đề tài hệ SCADA trong nhà máy nước cho chúng em hiểu hơn về SCADA, tầm vai trò quan trọng không thể thiếu trong thời đại hiện đại hóa ngày nay. Để hoàn thành được đề tài nghiên cứu này, chúng em muốn gửi lời cảm ơn tới thầy và anh hướng dẫn đã rất nhiệt tình chỉ dẫn, động viên, khích lệ chúng em để hoàn thành tốt đề tài này. Trong đề tài em có tham khảo rất nhiều các bài viết cũng như tư liệu liên quan về hệ thống scada của các bạn, các công ty, tập đoàn sảnxuất nước sạch như : nhà máy nước CIC, tập đoàn Toàn Átừ các diễn đàn trên mạng, các trang web công ty, tập đoàn . Xin được gửi lời cảm ơn tới các bạn, các công ty, tập đoàn. Do kiến thức còn hạn chế, thực tiễn chưa sâu trong việc thực hiện đồ án này nên khôngthể tránh khỏi sai sót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô để đồ án chuyên nghành của chúng em được hoàn thiện tốt hơn. Phần I .Tổng Quan Về SCADA Đặt vấn đề: Bài toán đặt ra cho các nhà quản lý là làm sao quản lý tòa nhà và và nhà máy, xí nghiệp hiệu quả nhất để giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa,  tạo thuận lợi cho doanh nghiệp trong những hoạt động kinh doanh. Phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự động hóa quản lý và giám sát SCADA Lịch sử hình thành: SCADA được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển chung của các ngành công nghiệp khác như công nghiệp vi xử lý, viễn thông, tin học ... Từ những năm đầu thập niên 70 nền công nghiệp các nước phát triển đi vào xu hướng tự động hóa. Việc sản xuất thủ công được thay thế dần ở các xí nghiệp công nghiệp. Bên cạnh đó ngành công nghệ thông tin, đặc biệt sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực tin học - công nghệ phần mềm, các hệ thống tự động hóa điều khiển bằng chương trình cũng ra đời. Với đặc điểm là một công cụ tự động hóa nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ việc quản lý điều khiển trong sản xuất công nghiệp, đến quản lý truyền tải và phân phối điện năng trong Điện lực . Sau khi chuyển sang cơ chế thị trường, đất nước mở cửa quá trình công nghiệp tự động hóa bắt đầu, các nhà máy xí nghiệp xây dựng đều được ưu tiên về công nghệ tiên tiến và hệ thống SCADA - công cụ của tự động hóa cũng được phát triển rộng, lắp đặt ở nhiều nhà máy, xí nghiệp công nghiệp sản xuất chất lượng cao.Công nghệ SCADA ở nước ta, do nhập thiết bị của nhiều nước công nghiệp tiên tiến nên nó rất đa dạng về mẫu mã, cấu trúc, về chuẩn và chủng loại. Nhưng là một hệ thống công nghiệp mới nên hệ thống SCADA phần lớn cũng là hệ thống theo chuẩn công nghiệp chung. Hiện nay SCADA không thể thiếu được cho việc sản xuất tự động ở xí nghiệp công nghiệp cần độ chính xác và tự động hóa cao. Để đáp ứng với khả năng phát triển chung của nền kinh tế, hệ thống điện đóng vai trò chủ đạo không những thúc đẩy nền kinh tế mà còn đảm bảo an ninh, chính trị, quốc phòng 2. Tổng quan 2.1. Cấu trúc cơ bản SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống 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. Trạm điều khiển giám sát trung tâm là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server) Trạm điều khiển giám sát trung tâm (SCADA center, masterStation, MTU). Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC based systems), hay hệ thống trạm làm việc (Workstation systems), hay hệ thống dùng máy tính Mini. Trạm thu thập dữ liệu trung gian : Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành). Hệ thố ng truyền thông : bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ Giao diện người - máy HMI: (Human - Machine Interface): Là các thiết biểu hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống 2.2. Ưu nhược điểm Ưu điểm: Khả năng tự động hóa cao thay thế con người trong nhiều công việc, khả năng chịu lỗi cao. Nhược điểm: Hệ có cấu trúc tập trung, các thông tin từ nhiều điểm tập trung về máy tính chủ để xử lý dẫn đến việc dễ tắc nghẽn thông tin, hệ thống nhanh quá tải. Vì vậy chỉ thích hợp với các hệ thống nhỏ (thường dưới 100 điểm đo). Chẳng hạn hệ này phù hợp với hệ thống điều độ trung tâm hệ thống điện quốc gia. Hệ DCS ra đời để khắc phục nhược điểm của hệ SCADA, đó là chia dây chuyền hệ thống ra nhiều công đoạn khác nhau và mỗi công đoạn được xây dựng một hệ đo và điều khiển độc lập do một máy tính công nghiệp (IPC) đảm nhận. Các IPC sẽ xử lý tất cả rồi báo cáo kết quả lên máy chủ. Vì vậy hệ DCS có thể đảm nhận việc điều hành trong những hệ thống lớn (dây chuyền sản xuất hiện đại). 2.3. Sơ đồ hệ thống Scada 2.4. Các thành phần chính Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu thường là:RTU hoặc PLC RTU: thiết bị cho phép truyền dữ liệu hoặc cảnh báo đối tượng nhận được của phép đo từ xa tới hệ thống.Phần mềm chạy trên RTU thường sử dụng ngôn ngữ lập trình bậc cao như C, C++ RTU560G Phânloại RTU: RTU dùng cho các chạm trung chuyển: có dung lượng ngõ nhập xuất rất lớn.Gồm nhiều ngăn card cho phép kết nối tới nhiều card vi xử lý, card ADC và DAC card I/O RTU dùng để tự động hóa lưới phân phối: có dung lượng gõ nhập/xuất nhỏ.Thường là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor trên đó có tích hợp sẵn các ngõ I/O. Bộ điều khiển logic khả trình: PLC (Programable logic control) Hệ thống của I/O của PLC có thể mở rộng rất lớn. Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc được điều khiển bằng chương trình nạp sẵn. Truyền thông trong SCADA: được kết nối mạng LAN hay WAN Giao diện người – máy HMI 2.4.2 PLC PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens,Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Ele Hình 1.2 PLC ES2 Hình 1.3 PLC Fundamentals Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau : Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dễ học . Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa. Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp . Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp . Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính , nối mạng , các môi Modul mở rộng. Giá cả cá thể cạnh tranh được. Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian .Tuy nhiên ,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp . Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn. Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình . Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay Relay . Cấu trúc Tất cả các PLC đều có thành phần chính là : Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ). Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC . Các Modul vào /ra. Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung . Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC . Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, Nguyên lý hoạt động của PLC CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song : Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu. Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC . trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện PLC . Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế. Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O . Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống. Bộ nhớ PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp : Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay. Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ . Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo . Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình quá trình này được gọi là quá trình đọc .Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2.000-16.000 dòng lệnh, tuỳ theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng . RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất . Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn . EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được . Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC . Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn. Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình . Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài . Kích thước bộ nhớ  Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo . Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ 2.000 -16.000 dòng lệnh. Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM. 2.5 Hoạt động cơ bản Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng tương tự (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse).Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị. 2.5 Chức năng SCADA Các chức năng của hệ thống SCADA, ứng dụng trong công nghiệp như : Dầu và khí đốt chảy, quản lý nước thải, điện . SCADA làm những gì: Từ một vị trí trung tâm một hệ thống SCADA có thể theo dõi từ xa được trang bị thiết bị đầu cuối đơn vị từ xa (RTU) hoặc PLC (PLC). Các RTU có thể đo lường một loạt các thông số trong điều kiện đa dạng, bao gồm nhiệt độ, hiện tại, dòng điện áp, và mức tăng. Đo thời gian thực được lấy từ của RTU thông qua các cảm biến khác nhau mà họ có bên trong. Nhữngphần có trong bộ cảm biến RTU bao gồm: nhiệt độ, lưu lượng, cấp độ, áp suất –tiệm cận. Các dữ liệu thu được sau đó gửi trở lại thông qua các liên kết truyền thông. Một số hệ thống lớn hơn có thể theo dõi 1020,000 nơi từ xa, với mỗi nơi xử lý nhiều hơn 2000 điểm thiết bị đầu ra.Các đơn vị lần lượt báo cáo lại cho các đơn vị xử lý trung tâm (CPU) thực hiện các chức năng kiểm soát và phân tích cần thiết. Gia tăng nước thải tăng trưởng trong thị trường nước dự kiến sẽ vượt quá sự tăng trưởng của dân số trong cả hai lĩnh vực phát triển và kém phát triển. Theo UNICEF, 1,1 tỉ người, 18,3% dân số thế giới, không được tiếp cận với nước sạch ở các nước phát triển trên thế giới, với các trường hợp tử vong liên quan đến nước chiếm gần bốn triệu trẻ em tử vong mỗi năm. Ô nhiễm nước ngầm là yếu tố quan trọng. Xâm nhập của các chất gây ô nhiễm từ các nơi lưu trữ chất thải, các lĩnh vực hấp thụ, nước thải và xử lý nước thải nước thải, và mở rộng các vùng đất tưới tiêu. Khu vực phát triển bao gồm các thành phố cần xử lý chất thải bổ sung và phương tiện cấp nước. Phần II. Hệ Thống Scada Về Xử Lý Nước Trong Nhà Máy Nước 1. Yêu cầu cơ bản Đối với các doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch, việc nâng cao hiệu quả trong vận hành nhà máy sản xuất và hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: đảm bảo chất lượng nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước... Việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn những mục tiêu nêu trên. Quy trình sản xuất và cung cấp nước Hình 21.1. Quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch của một nhà máy nước Để nâng cao hiệu quả điều hành quá trình này, cần phải giám sát liên tục các thông số kỹ thuật: Lượng nước thô khai thác: thông số này liên quan đến phí phải trả về khai thác tài nguyên và là một thông số liên quan đến đánh giá tổn thất nước. Các thông số đo lường cần giám sát, lưu trữ của quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, gồm: mức nước trong hồ nước thô, bể nước sạch, các bể thuộc các công đoạn của quá trình xử lý nước, hàm lượng clo dư, các áp lực nước trên các đường ống, độ PH, độ đục, độ lắng cặn. Lượng nước sạch cung cấp: tại đầu ra của nhà máy tổng lượng nước sạch tại các hố và địa chỉ tiêu dùng nước. Thông số này liên quan đến thu tiền nước và việc đánh giá tổn thất nước cũng như hiệu quả sản xuất kinh doanh. Tình trạng kỹ thuật của các thiết bị, máy móc trong nhà máy, gồm: thông báo trạng thái tức thời chất lượng kỹ thuật, lượng điện năng tiêu thụ.... Như vậy, tất cả các thông tin trên cần phải được thể hiện trực quan sinh động trên các màn hình đặt tại các phòng chức năng liên quan đến điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, điều này hoàn toàn được thỏa mãn bởi hệ SCADA 2. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) cho nhà máy nước Hệ thống được chia thành các hệ thống điều khiển thành phần bao gồm:- Hệ thốngđiềukhiển trạm bơm nước thô: nhiệm vụ của công đoạn này là bơm nước thô lên bể trộn để trộn đều hóa chất vào trong nước,theo dõi lưu lượng, áp lực đường ống ... Hệ thống điều khiển nhà hóa chất: nhiệm vụ của công đoạn này là xử lý hóa chất (vôi, phèn) trước khi đưa lên bể trộn, giám sát nồng độ Clo dư trong không khí, bơm tiếp áp Clo ... Hệ thống điều khiển cụm xử lý nước: sau một thời gian lọc nước thì cặn bẩn có nhiều trong lỗ rỗng của hạt cát lọc sẽ làm giảm hiệu suất lọc nước, do đó phải tiến hành rửa bể lọc để nâng cao khả năng lọc nước của bể. Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch: bơm nước vào hệ thống cấp nước. Toàn bộ hoạt động của các hệ thống sẽ được giám sát tại nhà quản lý, dữ liệu sẽ được gửi đến công ty cấp nước để phân tích, thống kê, lên kế hoạch sản xuất. Những đặc điểm cơ bản của hệ thống: Hệ thống có cấu trúc tập trung Mọi thông tin được tập trung về máy tính chủ thông qua các PLC Việc truyền thông tin được thực hiện dưới dạng số thông qua Profibus Việc truy cập trao đổi thông tin được thực hiện theo các chuẩn quốc tế RS232, RS485 và các giao thức công nghiệp (protocol) Các chức năng chính của hệ thống Thu thập và các thông số của các thiết bị máy móc ,sản phẩm Điền khiển và giám sát trạng thái của tất cả các thiết bị máy móc tại hiện trường đảm bảo chất lượng. Báo cáo thống kê và in ấn Tạo lập và thực thi hàm, công thức Bảo mật và phân quyền thực thi hệ thống Chỉnh sữa online Các chức năng chính của hệ thống Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống: Từ hiện trường (nơi đặt các thiết bị, máy móc của dây chuyền sản xuất và hệ thống đường ống, trong tương lai là toàn bộ các địa chỉ và hộ tiêu dùng nước) các cảm biến(S) đưa tín hiệu đo: Đến modul vào/ra (I/O) và đến PLC. Thông tin tại PLC được xử lý sơ bộ và truyền lên máy tính chủ, người thao tác có thể tác động đến bất kỳ điểm nào trên hiện trường thông qua các cơ cấu chấp hành (A). Hoạt động của hệ Scada sẽ đảm bảo tính Điều khiển tự động các thiết bị, máy móc rời rạc và các thiết bị, máy móc quá trình liên tục Giám sát tự dộng liên tục toàn bộ quy trình sản xuất của nhà máy và mạng đường ống cung cấp nước sạch. Thông báo thông tin đầy đủ về lỗi và trạng thái làm việc của thiết bị, máy móc: chủ yếu là các bơm, van, biến tần. Thu thập và lưu trữ dữ liệu những thông tin phục vụ quản lý và điều hành những thông tin chính, mức nước bể chứa, áp lực, lưu lượng, điện năng tiêu thụ, chất lượng nước. In ấn báo cáo kết quả các dữ liệu giám sát Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhà máy nước Giải thích sơ đồ hệ thống điều khiển nhà máy nước: Các Ethernet kết nối các các máy móc thiết bị trong hệ thống với nhau Monitor ->PLC->Profibus->PLC (các hệ thống điều khiển thành phần) Giao thức Profibus: Profibus là một tiêu chuẩn mạng trường mở, quốc tế theo chuẩn mạng trường châu Âu EN 50170 và EN 50254. Trong sản xuất, các ứng dụng tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các mạng trường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt động như hệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động PROFIBUS là một mạng Fieldbus được thiết kế để giao tiếp giữa máy tính và PLC. Dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ ở chế độ thời gian thực, Profibus xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master và giữa master- slave, với khả năng truy cập theo chu kì và không theo chu kì, tốc độtruyền tối đa lên tới 500 kbit/s (trong một số ứng dụng có thể lên tới1,5Mbp hay 12Mbp) Hệ thống điều khiển thành phần bao gồm: Hệ thống điều khiển trạm bơm nước thô: nhiệm vụ của công đoạn này là bơm nước thô lên bể trộn để trộn đều hóa chất vào trong nước,theo dõi lưu lượng, áp lực đường ống ... Hệ thống điều khiển nhà hóa chất: nhiệm vụ của công đoạn này là xử lý hóa chất (vôi, phèn) trước khi đưa lên bể trộn, giám sát nồng độ Clo dư trong không khí, bơm tiếp áp Clo ... Hệ thống điều khiển cụm xử lý nước: sau một thời gian lọc nước thì cặn bẩn có nhiều trong lỗ rỗng của hạt cát lọc sẽ làm giảm hiệu suất lọc nước, do đó phải tiến hành rửa bể lọc để nâng cao khả năng lọc nước của bể. Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch: bơm nước vào hệ thống cấp nước. Toàn bộ hoạt động của các hệ thống sẽ được giám sát tại nhà quản lý, dữ liệu sẽ được gửi đến công ty cấp nước để phân tích, thống kê, lên kế hoạch sản xuất. Hệ SCADA khi ứng dụng cho một nhà máy thuộc một ngành cụ thể đều đòi hỏi có phần mềm tương thích. Bài viết này giới thiệu một phần mềm đã được ứng dụng và tỏ ra khá hữu hiệu tại một số cơ sở sản xuất và cung cấp nước sạch tại nước ta, đó là phần mềm iFIX. Một trong những phần mề hệ thống hiện nay đang được đưa vào trong trong sản xuất nước sạch của các công ty và tập đoàn sử dụng trên thế giới ở những nước tiến tiến. Ở nước ta hiện nay được các công ty và tập đoàn sử dụng có uy tín tại khá nhiều cơ sở, đảm bảo uy tín tới các doanh nghiệp . Phần mềm iFix là sự lựa chon khôn ngoan . Hình 2.1 3. Phần mềm hệ thống Phần mềm iFIX chạy trên hệ điều hành Windows NT/2000/XP. Khi hệ thống SCADA hoạt động, phần mềm sẽ cho các giao diện thể hiện các chức năng sau: Chức năng điều khiển và giám sát: Trên tất cả các máy tính và màn hình giám sát (loại 32in) thuộc hệ thống sẽ có tập các trang màn hình công nghệ dưới dạng các sơ đồ MIMICS. Mỗi trang màn hình là một sơ đồ tương ứng cho một công đoạn (hay cho một khu vực) của quá trình sản xuất và cung cấp nước: Các sơ đồ bố trí các thiết bị/máy móc (bằng hình vẽ biểu trưng) trong nhà máy/trạm và các ngã ba đường ống tương ứng với chiều diễn tiến của quy trình sản xuất nước và cung cấp nước. Trên các sơ đồ này sẽ hiển thị trạng thái thực của các thiết bị (chạy/không chạy bằng các ô màu), các giá trị analog của các tín hiệu đo lường tức thời và cả tích lũy (gồm: áp lực, lưu lượng, nồng độ Clo dư, độ lắng cặn, nồng độ PH, công suất trạm điện) tại các trạm bơm nước thô, trạm bơm nước sạch, các công đoạn của quá trình xử lý nước và các điểm (ngã ba) cần thiết trên các hệ thống đường ống cấp nước. Hình 1 mô phỏng trang màn hình giao diện cho một ngã ba đường ống cấp nước sạch đi hai vùng, màn hình này hiện lên khi nhấp chuột vào ô Tr. Cụm van (tên) trên trang màn hình giao diện NMN (tên) chẳng hạn. Trên các sơ đồ này còn hiển thị các bảng thông số để người vận hành có thể nhập các thông số điều khiển và các ô (được hiểu như là các phím lệnh) lệnh để ra lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành. Hình 2.2: Mô phỏng trang màn hình giao diện hệ thống phân phối nước tại một cụm van điển hình . Chức năng cảnh báo và báo lỗi: Trong các trang màn hình công nghệ có ô Alarms để vào trang cảnh báo và báo lỗi. Trang này hiển thị các trạng thái lỗi của các thiết bị/máy móc/tín hiệu. Các trạng thái lỗi được hiển thị ở hai dạng khác nhau: Được thể hiện dưới dạng các biểu tượng đèn báo (ô tròn nhỏ) trên màn hình công nghệ, mỗi biểu tượng sẽ ứng với tên của một thiết bị/máy móc Khi hệ thống phát hiện bất kì một lỗi nào thì lỗi đó sẽ tự động được lưu vào bảng hay tên của một tín hiệu khi có lỗi. Dạng hiển thị này mang tính tức thời. Danh sách lỗi (Alarm List). Do đó, người vận hành có thể tra cứu lại các lỗi trong quá khứ theo khoảng thời gian mong muốn hay tìm lỗi của các thiết bị trong một nhóm (hoặc khu vực) nào đó và cuối cùng là có thể in ra danh sách các lỗi, hay in ra file để lưu trữ. Dạng hiển thị này phục vụ cho công tác thống kê, quản lý lỗi và trên cơ sở đó giúp các kỹ thuật viên có hướng xử lý lỗi. Chức năng lưu trữ các thông số vận hành của các thiết bị/máy móc và vẽ đồ thị: Trong quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, các thông số vận hành của: các bơm trong các trạm bơm, các thiết bị/máy móc thuộc các công đoạn xử lý nước, các van trên các tuyến đường ống sẽ được lưu tự động trong các file dữ liệu của hệ thống (Historical Data). Hệ thống sẽ sử dụng các thông tin trong file này để thực hiện vẽ đồ thị. Thông qua các bản vẽ này, các kỹ thuật viên sẽ biết được trạng thái hoạt động của thiết bị/máy móc trong quá khứ. Các biểu đồ sử dụng các “Historical Data” để vẽ được gọi là “Historical Trending”. Một dạng Trending khác là Online Trending (hay còn gọi là Real Time Trending) có đặc điểm: dữ liệu dùng để vẽ đồ thị được lấy trực tiếp từ các giá trị thực của các thiết bị/máy móc. Khi kỹ thuật viên mở một ô để xem Realtime Trending thì ngay khi mở ra hệ thống mới bắt đầu vẽ (vì thế mà kỹ thuật viên quan sát được tức thời trạng thái của thiết bị/máy móc), còn ở Historical Trending thì do dữ liệu đã được lưu trước nên kỹ thuật viên chỉ việc chỉ ra khoảng thời gian nào để xem. Chức năng tạo lập và thực thi điều khiển: Trong phần mềm iFIX có các trang chứa các công thức sản xuất cho ngành nước, người vận hành chọn trước các công thức thích hợp theo yêu cầu công nghệ và tiêu chuẩn chất lượng của Việt Nam để nhập thông số và qua đó vận hành thiết bị/máy móc. Chức năng báo cáo, thống kê và in ấn: Phần mềm iFIX đảm bảo thỏa mãn sử dụng các dữ liệu đã được lưu trữ để trình bày ra các biểu mẫu (các biểu mẫu được thiết kế theo yêu cầu của doanh nghiệp) và in ra từ máy in hoặc ra file CDROM để tiện lưu trữ lâu dài. Việc báo cáo có hai dạng: Theo định kỳ: khi đến một chu kỳ hay sau một khoảng thời gian được ấn định bởi Lãnh đạo doanh nghiệp lúc thiết kế (chẳng hạn sau mỗi ca, mỗi ngày, mỗi tháng, mỗi quý) thì hệ thống sẽ tự động sắp xếp và thống kê các thông số theo yêu cầu và truyền sang máy in hay file. Theo yêu cầu: tại bất kì thời điểm nào khi hệ thống hoạt động, người vận hành (hoặc có yêu cầu từ Lãnh đạo) cũng có thể cho hệ thống in ra những báo cáo trong danh mục các loại báo cáo đã được thiết kế. Chức năng bảo mật và phân quyền sử dụng hệ thống: Đây là mộttrong những chức năng quan trọng của hệ thống, nó đảm bảo bí mật thông tin doanh nghiệp và điều khiển thiết bị/máy móc tại hiện trường một cách tập trung nhất (điều này tránh được những sự cố kỹ thuật và chất lượng sản phẩm do những người không có trách nhiệm khi vào hệ thống) thông qua việc phân cấp sử dụng hệ thống. Hệ thống sẽ quy định rõ các quyền vận hành/giám sát các nhóm thiết bị/máy móc tương ứng với từng công đoạn của quá trình sản xuất và cung cấp nước cho từng người vận hành, tức mỗi người vận hành khi login vào thì sẽ có một số quyền hạn nhất định nào đó. Các quyền và phân cấp quyền sẽ được thực hiện khi thiết kế hệ thống theo yêu cầu cụ thể dựa trên cách tổ chức mạng của doanh nghiệp. Chức năng này đảm bảo hệ thống được vận hành một cách an toàn và hiệu quả hơn, đồng thời hệ thống cũng lưu trữ nhật kí vận hành tương ứng với quyền được định. Thông thường, sự phân quyền trong hệ thống SCADA của một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước cũng giống như các Công ty có các nhà máy công nghiệp và hệ thống các phòng ban, cụ thể như sau: Cấp 1: Cấp quản lý hệ thống Ở cấp này, về nuyên tắc người sử dụng được sử dụng tất cả những chức năng điều khiển/giám sát mà hệ thống SCADA cung cấp. Thực tế với các doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước tại nước ta với cấu hình cơ bản của hệ SCADA như đã mô tả ở bài kỳ trước thì cấp quản lý hệ thống được hiểu như sau: Phòng điều độ xí nghiệp hoặc Phòng điều độ nhà máy trong trường hợp Phòng điều độ xí nghiệp nằm trong nhà máy sẽ thực hiện Điều khiển/giám sát; Trung tâm điều độ công ty TTĐĐCTY và một số phòng ban chức năng (phòng kỹ thuật, phòng quản lý thiết bị, phòng kinh doanh) của công ty sẽ thực hiện Giám sát là chính, việc điều khiển hệ thống thiết bị/máy móc khi phát hiện có bất thường được thực hiện qua thông tin liên lạc (điện thoại chẳng hạn) để báo cho Phòng điều độ xí nghiệp. Cấp quản lý hệ thống còn có thêm quyền thao tác trên tất cả các tham số quan trọng của hệ thống, có thể sửa đổi lại vùng giao diện hệ thống. Cấp 2: Cấp giám sát Ở cấp này, người sử dụng khi vào hệ thống sẽ được quan sát trạng thái hoạt động của các thiết bị/máy móc/đường ống trong toàn nhà máy hoặc từng công đoạn (tùy thuộc vào chức năng và vị trí của từng người ở cấp này); được cung cấp các thông số hoạt động, các cảnh báo, báo cáo thuộc phạm vi mình quản lý điều hành. Cấp này gồm: các văn phòng điều độ của xí nghiệp, một số phòng chức năng của công ty (phòng kinh doanh, phòng quản lý thiết bị). Như vậy, ở cấp này người sử dụng sẽ xem được hầu hết các trang màn hình công nghệ (gồm: hệ thống sản xuất nước tại các nhà máy, hệ thống bơm, hệ thống cụm van, hệ thống xử lý nước), tuy nhiênsẽ không vào được một số trang liên quan đến nhập thông số và điều khiển. Cấp 3: Cấp vận hành Ở cấp này, người sử dụng sẽ có những chức năng như cấp 2 và bên cạnh đó còn được phép vận hành các thiết bị/máy móc theo từng cụm nhất định hoặc nhập những thông số nhất định cho thiết bị Đo lường, điều khiển tương ứng với từng khu vực thuộc phạm vi người đó quản lý. Như vậy, cấp này gồm phòng điều khiển tại từng xưởng, từng công đoạn, các trạm vận hành van, của quy trình sản xuất và cung cấp nước. Chức năng chỉnh sửa online: Phần mềm iFIX đảm bảo hiệu chỉnh chương trình khi hệ thống đang chạy mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch Dr. BUI Dan g Thanh, School of El ectrical Engin eerin g, HUST, buidangthanh.3i@gmail.com Page 8 Dr. BUI Dan g Thanh, School of El ectrical Engin eerin g, HUST, buidangthanh.3i@gmail.com Page 7 Lợi ích mang lại cho chủ đầu tư Cấu trúc phần cứng đơn giản: tiết kiệm không gian nhà xưởng cho việc thi công tủ điện do đó làm giảmchi phí xây dựng. Hệ thống có tính năng mở: thuận lợi cho việc mở rộng hệ thống, có thể sử dụng các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau. Có thể vận hành hệ thống từ nhà quản lý trung tâm: thuận lợi cho việc lập cấu hình, bảo quản và vận hành, giảm chi phí nhân công. Tự động thu thập quản lý số liệu: lưu trữ, phân tích, đánh giá các dữ liệu sản xuất một cách dễ dàng, phục vụ cho việc lập kế hoạch sản xuất. Các ngõ vào ra I / O Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul ( các đầu vào của PLC ) , các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra ( các đầu ra của PLC ). Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC. Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC , điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản . Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra . III. Kết Luận Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển cùng với sự đi lên về mặt công nghệ đã góp phần vào việc đi lên xã hội chủ nghĩa của đất nước, chính sự áp dụng các thành tựu khoa học kĩ thuật vào sản xuất dần thay thế con người đang từng bước làm thay đổi toàn bộ nền công nghiệp trên toàn thế giới và ở nước ta nói riêng. Công nghiệp hóa – hiện đại hóa đang dần trở thành xu hướng hiện đại và sự đầu tư vào đấy là đầu tư vào tương lai. Khoa học kĩ thuật được đưa vào các nghành nói chung và nghành điên, điện tử nói riêng đang càng rộng rãi. Từ đề tài này ta hiểu được một hệ thống SCADA là gì, các thành phần của SCADA, chức năng chính cũng như nguyên lý hoạt động ra sao, các phần mềm hệ thống chạy trên hệ thống ..biết được tầm vai trò của SCADA trong nền công nghiệp hiện nay . Qua đó chúng ta hiểu được việc áp dụng SCADA vào hệ thống xử lý nước rất quan trong trong việc kiểm sát và tạo ra sản phẩm như ý muốn và cụ thể là các bình nước sạch tinh khiết cung cấp ra thị trường mà ngày ngày ta sử dụng. Tuy rất cố gắng nhưng chúng em vẫn không thể tránh khỏi những thiếu xót về kiến thức cũng như thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang mạng: www.cic.com.vn vi.wikipedia.org/wiki/SCADA www.slideshare.net thuvien24.com Sách: Hệ thồn điều khiển giám sát và thu thập giữ liệu Scada trong hệ thống điện Ths: Đặng Tiến Trung PGS-TS: Phạm Văn Hòa Nhà Xuất Bản Đại Học Bách khoa Hà Nội 2. Mạng truyền thông trong công nghiệp Nhà Xuất Bản Dân Trí