Học viện kỹ thuật quân sự

1

MỤC LỤC
Mục lục .....................................................................................

1

Mở đầu...………………………………………………………

3

PHẦN I: Giới thiệu về mạng SCADA ......................................

4

I.

định nghĩa SCADA ..........................................................

4

II.

Các loại hệ thống SCADA ...............................................

5

1. Hệ thống SCADA mờ ....................................................

5

2. Hệ thống SCADA độc lập ..............................................

6

3. Hệ thống SCADA mạng .................................................

6

4. Hệ thống SCADA xử lý đồ họa ......................................

6

5. Đánh giá một hệ SCADA ..............................................

6

III. Cấu trúc hệ thống SCADA .............................................

7

Mơ hình phân cấp chức năng .........................................

9

1. Mơ hình phân cấp .........................................................

10


2. Nhiệm vụ chức năng của từng cấp ................................

12

IV.

PHẦN II:

Ưng dụng SCADA cho hệ thống.............................

14

I. Nguyên lý hoạt động cơ bản và............................................

14

1. Nguyên lý hoạt động cơ bản .........................................

14

2. Quy trình sản xuất của một hệ thống ...........................

15

II. Xây dựng mạng SCADA cho hệ thống ..............................

16

1. Trung tâm điều độ .......................................................


16

2. Phịng điều độ xí nghiệp ..............................................

18

3. Phịng điều độ nhà máy ...............................................

18

4. Trạm vận hành .............................................................

18

5. Thiết bị ghép nối …………………………………….

18

6. Thiết bị chuyển đổi truyền thông ................................

18

Các tín hiệu đo lường cần thiết ...................................

18

7.

III. Một số thiết bị sử dụng trong hệ thống .........................
Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


19


Học viện kỹ thuật quân sự

2

1. Cấu hình mạng SCADA biến tần................................

19

2. Đo lưu lượng .................................................................

20

3. Đo áp lực........................................................................

21

4. Đo độ đục và độ lắng cặn .............................................

22

IV. Phần mềm giao diện HMI ...............................................

23

Kết luận ......................................................................................


28

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


3

Học viện kỹ thuật quân sự

MỞ ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện đại, việc ghép nối mạng nhằm phối
hợp hoạt động giữa các thiết bị, thu thập thông tin, tập trung xử lý số
liệu, điều khiển quá trình mềm dẻo, linh hoạt và trực quan là xu hướng
phổ biến nhất hiện nay trong ngành tự động hóa (TĐH). Thực tế ta
nhận thấy, phát triển tích hợp hệ thống theo hướng trên thì việc điều
khiển, quản lý, giám sát quá trình sản xuất trở nên linh hoạt và đáng tin
cậy hơn, chi phí giá thành hệ thống cũng giảm đáng kể. Với sự phát
triển của khoa học công nghệ hiện nay, việc ứng dụng kỹ thuật điện tử
công suât, tin học cơ khí chính xác để thực hiện TĐH là mạng tính tất
yếu. Nên đã đáp ứng được tốc độ xử lý lượng thông tin trao đổi giữa
người và máy, giữa máy và máy.
Trong từng xí nghiệp cụ thể của một cơng ty cung cấp nước sạch, thơng
thường có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước sạch; hệ thống đường
ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Đặc điểm lớn của một công cấp nước
sạch là các nhà máy sản xuất nước, các phịng chức năng của xí nghiệp
và cơng ty... cách xa nhau. Các hệ thống đường ống dẫn nước trải rộng
trên một địa bàn rộng lớn. Cho nên việc liên kết tất cả các khâu trong
hệ thống là một yêu cầu quan trọng, để thực hiện tốt quản lý, tổ chức
sản xuất và cung cấp nước sạch. Ưng dụng SCADA chính là tự động
hóa liên kết này.

Việc ứng dụng hệ thống SCADA vào trong hệ thống cung cấp nước
sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đạt được các mục tiêu sau:


Ổn định chất lượng nước



Ổn định áp lực nước



Quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ



Vận hành và quản lý máy móc thiết bị.



Quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước.



Và quản lý đến từng địa chỉ hộ tiêu thụ nước

Trong nội dung của đồ án chỉ thực hiện mô phỏng trên màn hình hiển
thị, để điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của một cụm van
điều phối trong hệ thống phân phối nước.


Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

4

PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG SCADA
I.

ĐỊNH NGHĨA SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Đây là hệ thống hỗ trợ con người
trong việc giám sát, điều khiển các hệ thống điều khiển tự động như:
Nhà máy sản xuất, trong các hệ thống thông tin viễn thông, hệ thống
điện lưới và các nhà máy cung cấp nước sạch… Để làm được cơng việc
đó thì hệ SCADA phải có các hệ thống sau:


Hệ thống truy cập dữ liệu



Hệ thống truyền tải dữ liệu



Dao diện người - máy HMI (Humen Machine Interface)


HMI sử dụng ở cấp điều khiển giám sát và ở các cấp dưới hơn, để thuận
tiện hơn cho người vận hành hệ thống hoặc thiết bị. Các loại dao diện
HMI bao gồm:


PO-Perator Panel: Màn hình vận hành



TP-Touch Panel: Màn hình cảm ứng



Multy Panel…

Do sự phát triển của các chuẩn truyền thông công nghiệp và các phần
mềm công nghiệp, nên việc chú trọng vào thiết kế một hệ SCADA là lựa
chọn công cụ phần mềm để thiết kế giao diện HMI và giải pháp tích hợp
hệ thống là vấn đề cốt lõi để xây dựng một hệ thu thập và điều khiển
giám sát.

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


5

Học viện kỹ thuật quân sự
Web
Server


SCADA
Station

T
Flow
Temp
measur . measur .

Modules of factory
resource management

VB, C++
Applications

SCADA
Station

P
Pressure
measur .

Relation DB

Realtime
DB

Actuator
Analog I /O,
Discrete I /O


Configuration
and maintenance

Control objects

Cấu trúc của một hệ thống điều khiển hiện đại
II.

CÁC LOẠI HỆ THỐNG SCADA

Hệ thống SCADA được chia thành 4 nhóm chính với các chức năng như
sau: Là hệ SCADA mang tính độc lập hoặc được nối mạng, hệ SCADA
khơng có khả năng đồ họa và một loại có khả năng xử lý đồ họa thông
tin thời gian thực.
1.

Hệ thống SCADA mờ (Blind)

Đây là hệ thống SCADA hết sức giản đơn, nó khơng có một bộ phận
giám sát mà chỉ có nhiệm vụ là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị.
Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

6

Ưu điểm của nó là: Do cơng nghệ cấu thành mạng đơn giản nên có giá
thành thấp
2.


Hệ thống SCADA độc lập

Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý.
Hệ này chỉ điều khiển được một hoặc hai máy móc, nên chủ yếu sử dụng
ở trong các đơn vị sản xuất có quy mơ nhỏ và vừa...
3.

Hệ thống SCADA mạng

Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi
xử lý. Các máy tính giám sát nối mạng với nhau. Thường chúng được sử
dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất nơi có nhiều máy móc cần
phải điều khiển.
Thơng qua các mạng truyền thơng, tồn bộ hệ thống được kết nối với
phòng điều khiển cấp phân xưởng, phòng giám sát cấp cơng ty. Hoặc có
nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý và phòng thiết kế.
4.

Hệ thống SCADA xử lý đồ họa thông tin thời gian thực

Hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ các thông tin đã
được thu thập trước của máy tính mà hệ có khả năng mơ phỏng quá trình
hoạt động của hệ thống sản xuất. Nhờ máy tính ghi lại tồn bộ dữ liệu
q trình hoạt động của hệ thống nên khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể
báo cho người vận hành, hoặc tự động xử lý lỗi xảy ra đó.
5.

Đánh giá một hệ SCADA


Để đánh giá một hệ điều khiển và giám sát SCADA thì cần phải phân
tích các đặc điểm của hệ thống theo một số tiêu chuẩn như:
 Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm điều khiển việc thực hiện
xây dựng các màn hình giao diện.
 Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ họa có sẵn, khả
năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các q trình kỹ thuật có tốt
khơng.
 Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện q trình,
khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging),
xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive
and history) và lập báo cáo (Reporting)
 Tính thời gian thực và hiệu suất trao đổi thơng tin, với nền
Windown thì hỗ trợ sử dụng mơ hình phần mềm ActiveX Control và
OPC.
Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự


7

Xem xét giá thành tổng thể của hệ thống

III. CẤU TRÚC HỆ THỐNG SCADA
Trong các hệ thống SCADA thì các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng
vai trị là giao diện giữa thiết bị điều khiển với q trình sản xuất. Cịn
hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trị 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 thông qua mạng truyền

thông công nghiệp.
Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số
hoặc tím hiệu tương tự. Khi xử lý trong máy tính chúng ta phải được
chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Các thành phần chính:
 Giao diện quá trình: Là các phần tử chấp hành, cảm biến, thiết bị
đo, các thiết bị chuyển đổi…
 Thiết bị điều khiển tự động: Bao gồm các bộ điều khiển logic
khả trình PLC (Programable Logic Controller), bộ điều khiển chuyên
dụng tỷ lệ vi tích phân PID, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC
(Compact Digital Controller) và máy tính điều khiển với các phần mềm
điều khiển chuyên dụng.
 Hệ thống điều khiển giám sát: Bao gồm các phần mềm hỗ trợ và
giao diện người-máy HMI (Human Machine Interface), các trạm kỹ
thuật, trạm vận hành giám sát và điều khiển cao cấp.
 Hệ thống truyền thông: gồm các thiết bị được ghép nối điểm điểm (Point to Point), Bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ
thống

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

8

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


9


Hc vin k thut quõn s

Hệthốngđiềukhiểngiámsát
NI
Nối trực tiếp

NI

Thiết bị điềukhiểntựđộng
NI

I/O

NI

Nối qua m ¹ng
NI: (Network Interface )
GiaodiƯn m ¹ng
I/O: ( Input /Output )
Vào/Ra

NI
I/O

NI
Cảmbiếnvàchấphành

Qúatrìnhkỹthuật
Hình 2.1:
cơbản

bản
S SCADACADA
HìnhCác
2: Cthành
ácthànhphần
phầncơ
củacủa
hệt hệhống

H Anh Thng kt2a- Mail:


Học viện kỹ thuật qn sự

10

IV. MƠ HÌNH PHÂN CẤP CHỨC NĂNG
1) Mơ hình phân cấp:
Tồn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân ra các cấp chức năng
sau:
Mô hình phân cấp dùng để săp xếp, phân loại các chức năng TĐH của
một hệ thống điều khiển và giám sát. Các chức năng được phân thành
nhiều cấp khác nhau. Càng ở cấp dưới thì các chức năng mang tính cơ
bản hơn, địi hỏi tính thời gian thực (Độ nhanh nhạy/thời gian phản ứng)
phải cao hơn. Trong cấp cao hơn thì tính thời gian thực càng giảm,
nhưng lượng thơng tin cần truyền và xử lý thì lớn hơn.
Việc phân cấp chức năng này giúp ta thuận lợi hơn trong việc thiết kế hệ
thống và lựa chọn thiết bị.
a. Cấp chấp hành:
Chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi

tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Tuy nhiên, ở trong thực tế thì các
phần tử cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc
thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Nó cũng
có thể đảm nhận được việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên
cấp điều khiển cao hơn.
b. Cấp điều khiển:
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến,
đo lường…Sau đó xử lý các thơng tin này theo một thuật toán nhất định
và truyền đạt kết quả trở về lại cơ cấu chấp hành để điều khiển các thiết
bị. Máy tính ở đây cũng có thể được sử dụng, nó có chức năng theo dõi
các cơng cụ đo lường từ thực hiện các thao tác như ấn nút đóng mở van,
điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Đặc điểm nổi bật nhất của cấp điều
khiển là xử lý thơng tin.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cịn được gọi chung là cấp trường
(Field Lever) do các thiết bị như cảm biến và chấp hành. Các bộ điều
khiển thường được lắp ghép trực tiếp tại hiện trường gần với hệ thống kỹ
thuật.
c. Cấp điều khiển và giám sát
Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ
hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám
sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường.

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

11

Ở một số trường hợp cấp này cịn thực hiện các bài tốn điều khiển cao

cấp như: điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo
công thức.
Do nhu cầu và sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, đặc
biệt là trong các hệ thống TĐH là mạng truyền thông công nghiệp và
máy tính điều khiển cơng nghiệp (Controller). Nên việc tích hợp hệ
thống ngày càng được phát triển nhiều hơn, các mơ hình sản xuất cần
phải được xây dựng tổng thể kể cả ở cấp điều hành sản xuất và quản lý
nhằm loại bỏ bớt đi một số khâu trung gian khơng cần thiết ở trong mơ
hình chức năng. Do vậy hai cấp chức năng này dần được xem như nhập
lại thành một cấp duy nhất, gọi chung là cấp điều hành.

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


12

Hc vin k thut quõn s
Quản lý
công ty

P
C

Mạng công
ty

Điều hành
sản xuất
Mạng xí
nghiệp


Điều khiển
giám sát

Bus hệ
thống
(Bus quá
trình)

Điều khiển

Bus truờng
(Bus thiết bị)

Chấp hành
Qúa trình kỹ thuật
Hình
Môhình
hìnhphân
phân
cấp
chức
năng
hệ
Hình
2.3:3:Mô
cấp
chức
năng
củacủa

hệ thống
điềuthống
khiểnSCADA
và giám sát

H Anh Thng kt2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

13

2) Nhiệm vụ, chức năng của từng cấp:
Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân chia thành
nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp đều có những yêu cầu và nhiệm vụ riêng
(Như các cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển riêng…).
Máy móc thiết bị sản xuất được lắp đặt bên trong cấp quản lý phân
xưởng xí nghiệp cấp dưới. Có một số trường hợp thì các đối tượng có thể
nằm ở hai cấp khác nhau vừa là giám sát điều khiển ở cấp trên và cũng
vừa là giám sát điều khiển các thiết bị cụ thể ở cấp dưới.
Ở mỗi cấp SCADA thường điều khiển và giám sát một cấp quản lý ở cấp
ấy. Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới sẽ thu thập số liệu trên máy
móc phân xưởng, phân loại rõ thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi
cấp SCADA nào. Các số liệu thu được sẽ được các hệ thống SCADA
truyền tin từ cấp dưới lên cấp trên theo yêu cầu của các thiết bị cấp cao
hơn, cho đến cấp quản lý để thu thập dữ liệu, hiển thị, in ấn và cài đặt
tham số điều khiển…
Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích và tính tốn đã được giao từ
trước, sau đó đưa ra các lệnh để thay đổi các đối tượng thơng qua hệ
thống mạng truyền thơng, gửi lệnh đó đến cấp SCADA cần điều khiển.

Để giải quyết bài toán này thì các hệ thống SCADA sẽ được trang bị
thêm các thiết bị chuyên dụng như máy tính điều khiển và các phần mềm
ứng dụng của nó. Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA
cung cấp để giải bài tốn đó và xuất ra kết quả cho người vận hành và
cho hệ SCADA.
Chức năng của mỗi cấp SCADA có những nhiệm vụ chính sau:
 Thu thập từ xa thông qua các mạng truyền thông để thu thập các
số liệu về sản xuất và tổ chức của các cấp dưới. Như số liệu về quá khứ
của quá trình sản xuất, các lỗi xảy ra trong hệ thống, các tác động điều
khiển…
 Dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển
giám sát các thiết bị sản xuất.
 Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất trên bộ HMI như:
Trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất…


Điều khiển từ xa các quá trình sản xuất

 Thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài.
Như đọc viết số liệu của PLC/RTU (Rerote Teminal Unit), gửi và trả
lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu, các thao tác vận hành…

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

14

Nhận thấy SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để TĐH

quá trình quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công
nghiệp. Tùy theo từng yêu cầu của hệ thống ta có thể xây dựng một hệ
thống SCADA thực hiện một số nhiệm vụ và chức năng như: thu thập
giám sát từ xa về đối tượng điều khiển đóng cắt từ lên đối tượng, điều
chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và cấp quản lý.
Ngày nay hầu hết các hệ thống SCADA cịn có khả năng liên kết với các
hệ thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ
liệu như Oracle, Access, Microsoft SQL…
Tóm lại chức năng chính của một hệ thống SCADA nói chung như sau:
 Điều khiển và giám sát trạng thái của tất cả thiết bị, máy
móc…tại hiện trường
 Thu thập và lưu trữ các thơng số của các thiết bị, máy móc, sản
phẩm…


Phân tích bảo đảm chất lượng sản phẩm



Cảnh báo và báo lỗi xảy ra tại các thiết bị máy móc…



Báo cáo, thống kê và in ấn.



Tạo lập và thực thi hàm, công thức




Bảo mật và phân quyền sử dụng hệ thống



Chỉnh sửa Online

Và cấp cao hơn có thể sử dụng mạng thơng tin di động toàn cầu Internet
để kết nối toàn bộ hệ thống SCADA. Người vận hành có thể ở bất kỳ
đâu cũng có thể truy cập đến các phịng điều độ và phòng điều khiển.

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

15

PHẦN II: ỨNG DỤNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP
NƯỚC SẠCH THÀNH PHỐ
Nguyên lý hoạt động cơ bản và quy trình sản xuất của một hệ thống
cung cấp nước sạch

I.

Nguyên lý hoạt động cơ bản:

1.

Từ hiện trường (Nơi đặt các thiết bị, máy móc của dây chuyền sản xuất,

hệ thống đường ống và trong tương lai là toàn bộ địa chỉ của các hộ tiêu
dùng nước...). Các cảm biết lúc này đưa các tín hiệu đo được đến các
thiết bị điều khiển như PLC, RTU... Thông tin tại PLC được xử lý sơ bộ
và truyền lên máy chủ, người vận hành điều khiển có thể truy cập đến
bất kỳ điểm nào trên hiện trường thông qua các cơ cấu chấp hành như
động cơ hay các van điều khiển…
Hoạt động của hệ thống SCADA trong nhà máy cung cấp nước sạch sẽ
bảo đảm:
 Điều khiển tự động các thiết bị, máy móc rời rạc và các thiết bị
máy móc q trình liên tục
 Giám sát tự động liên tục tồn bộ quy trình sản xuất (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 như các bơm, van, biến tần…
 Thu thập và lưu trữ dữ liệu những thông tin phục vụ quản lý và
điều hành như: thông tin về mức nước ở trong các bể chứa, áp lực nước
trong đường ống và trong toàn bộ hệ thống, chất lượng nước, điện năng
tiêu thụ...


In ấn báo cáo kết quả các dữ liệu giám sát.

Để đảm bảo cho việc các quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch thì
các cơ cấu chấp hành phải bảo đảm tính năng nhận và chấp hành tốt tín
hiệu điều khiển. Do vậy việc đầu tư nâng cấp các thiết bị, máy móc tại
hiện trường phải được chú ý đúng mức. Điều này sẽ dẫn đến việc giá
thành và chi phí đầu tư ban đầu phải có một nguồn vốn lớn.
Tuy nhiên:
Xét về những ưu điểm mà hệ thống SCADA mạng lại. Việc đầu tư công
nghệ SCADA vào quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch sẽ nâng cao

hiệu quả điều hành, quản lý. Các quy trình khơng cần thiết trong hệ

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

16

thống có thể được lược bỏ bớt, giảm thiểu về mặt con người trong công
ty. Quá trình điều khiển sẽ được tối ưu hơn…
2.

Quy trình sản xuất của một hệ thống cung cấp nước sạch:

Trong từng xí nghiệp cụ thể của một cơng ty cung cấp nước sạch, thơng
thường có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước sạch; hệ thống đường
ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Đặc điểm lớn của một cơng cấp nước
sạch là các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp
và cơng ty... cách xa nhau. Các hệ thống đường ống dẫn nước trải rộng
trên một địa bàn rộng lớn. Cho nên việc liên kết tất cả các khâu trong hệ
thống là một yêu cầu quan trọng, để thực hiện tốt quản lý, tổ chức sản
xuất và cung cấp nước sạch. Ưng dụng SCADA chính là tự động hóa
liên kết này.
Q trình sản xuất và cung cấp nước sạch cho một công ty cung cấp
nước

Nhận thấy trong hệ thống này, mạng lưới đường ống là phức tạp nhất.
Các đường ống thường có kích thước khác nhau và nó ln phát triển
rộng lớn tùy thuộc vào mức độ phát triển của các địa chỉ họ tiêu dùng

nước sạch. Cho nên để năng cao hiệu quả điều hành và cung cấp nước
sạch, ta cần phải giám sát các thông sỗ kỹ thuật sau:
 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.
Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

17

 Các thông số đo lường cần giám sát/lưu trữ của quá trình sản xuất
và cung cấp nước sạch bao gồm:
Mức nước trong bể nước thơ/nước sạch, các bể thuộc các cơng
đoạn của q trình xử lý nước; áp lực nước trên các đường ống (Cả
trong nhà máy sản xuất và các điểm cần thiết trên mạng lưới đường ống
cung cấp nước sạch); độ PH, độ đục (NTU), độ lắng cặn (TDS)...
 Lượng cung cấp nước sạch: Tại đầu ra của nhà máy tổng lượng
nước sạch tại các hộ và địa chỉ tiêu dùng nước. Thông số này liên quan
đến việc 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 bao
gồm: thơng báo trạng thái tức thời chất lượng kỹ thuật, lượng điện năng
tiêu thụ...
Vậy, tất cả các thông tin cần điều chỉnh thể hiện trực quan trên các màn
hình dặt tại các phịng chức năng liên quan đến việc điều khiển giám sát
và thu thập dữ liệu. Trong phạm vi đồ án, chỉ mơ tả một bộ phận nhỏ
trong chu trình cấp nước sạch. Đó là tại đường ống ra phía bể nước sạch
đã qua xử lý. Bao gồm giám sát các bơm, van điều khiển, Sensor đo áp

suất lưu lượng...
II.

Xây dựng cấu hình mạng SCADA cho hệ thống cung cấp nước

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


18

Học viện kỹ thuật quân sự

Printer

`
Clien PC

Screen 32In

Modem

TTĐĐ CTY

BƯU ĐIỆN
(Port Office)

Đến các xí nghiệp

Đến các xí nghiệp


ADP

`
Modem

Cilend PC

Modem

Printer

Sever PC

Printer

PĐĐ XN

PĐĐ NM

PLC1
KW

KW

Tín hiệu thể hiện trạng thái các cơ cấu
chấp hành

AP1

PH1


FLOW
1

NTU

FLOW
2

PH2

PH3

AP2

Lever

NTU

TDS

Bể trộn
Nguồn nước (Mạch nước ngầm , sơng/
hồ)

Tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành
Nhà máy sản xuất

Nối với
mạng

đường
ống cấp
nước

Nối với mạng đường ỗng cung cấ p nước
Mạng đường ống
cung cấp nước
khu vực

FLOW
3

VAN1

Mạng đường ống
cung cấp nước khu
vực

ADP

HMI
AP3

FLOW
4

VAN2

AP4


PLC2

Tín hiệu điều khiển các van

Trạm vận hành van
Hình 4: Cấu hình mạng SCADA cho hệ thống cung cấp nước

Từ hình vẽ ta nhận thấy, hệ thống có các dạng tổng thể như sau:
1.

Trung tâm điều độ:

Có chức năng giám sát, thu thập dữ liệu về quá trình sản xuất và
cung cấp nước sạch của các xí nghiệp thành viên, để quản lý trong sản
xuất và kinh doanh. Trung tâm này được đặt tại một phịng điều khiển tại
cơng ty.
Bao gồm :
 Máy tính để bàn : Để giám sát, xử lý và thu thập dữ liệu với cấu
hình tối thiểu như sau :
CPU loại Pentium IV/3Ghz, Ram 512Mb, Monitor 17’’ LCD,
Hard Dish 80Gb, FDD 31/2’’; CD-RW/DVD 52X, Network Card LAN,
Ethernet 10/100 Mbps; Hệ điều hành Windown

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

19


2000Pro/WinNT/WinXP (Khuyên dùng hệ điều hành miễn phí Linux
UBUTU 7.04 trở lên). Và kèm theo đầy đủ các phụ kiện khác như :
Mouse, keyboard, Port USB…


Màn hình giám sát: LCD, TV/Moniter có kết nối PC/RS232.

 Switch mạng truyền thơng (LAN switch): Có cấu hình tối thiểu là
8 Port giao tiếp RJ45, tốc độ truyền dữ liệu 10/100Mbps. Giao thức
truyền thông và hoạt động TCP/IP, UTP, ISO…
 Modem sử dụng công nghệ quay số thuê bao điện thoại có tốc độ
56Kbps, tính bảo mật cao, sử dụng các ứng dụng Internet.
2.

Phịng điều độ xí nghiệp:

Có chức năng điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu quá trình sản xuất
của nhà máy và cung cấp nước sạch của mạng đường ống do xí nghiệp
phụ trách. Tại phịng điều độ xí nghiệp bố trí một máy tính chủ thực hiện
mọi chức năng của hệ SCADA. Máy tính đặt ở đây là máy tính nhỏ, thực
hiện chức năng điều khiển (Tức điều phối vận hành đồng thời là máy
tính kỹ thuật) giám sát và thu thập dữ liệu. Máy tính chủ hoạt động liên
tục 24/24h và có cấu hình giống với máy tính tại phịng điều độ cơng ty.
3.

Phòng điều độ nhà máy:

Chức năng là giám sát hiện trường, là nơi nhận mọi thông tin từ các cấp
quản lý để thực hiện ngay tại nhà máy. Nếu trong trường hợp phòng điều
độ nhà máy đặt trong phòng điều độ xí nghiệp thì có thể coi nó thực hiện

chức năng như phịng điều độ xí nghiệp. Tất cả các máy tính và thiết bị
khác có cấu hình tương tự như trung tâm điều độ công ty.
4.

Tram vận hành van :

Có chức năng điều khiển van trên các đường ống (Chủ yếu tại các ngã ba
phân nhánh đường ống để bảo đảm lực nước trên mạng đường ống khu
vực và thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ tại khu vực đó). Trong
trạm có PLC, màn hình tương tác người-máy HMI và kết nối máy tính
chủ.
5.

Thiết bị ghép nối (Modem)

Theo đường điện thoại, có chức năng đảm bảo truyền thơng giữa các
máy tính. Đây là phương pháp có giá thành hợp lý đối với các doanh
nghiệp. Để thực hiện, doanh nghiệp có thể liên hệ thuê bao theo đường
truyền riêng với bưu điện sở tại.
6.

Thiết bị chuyển đổi truyền thông ADP:

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

20


Chức năng kết nối truyền thơng giữa PLC và máy tính PC
Các tín hiệu đo lường cần thiết để đưa về bộ điều khiển PLC gồm:

7.


Ap lực nước (AP)



Hàm lượng Clo dư CLO



Độ PH



Độ đục NTU



Độ lắng cặn TDS



Lưu lượng nước (Flow)




Điện năng tiêu thụ giữa các trạm (Kw/TR)



Mức nước Lever

 Các tín hiệu thể hiện trạng thái của các cơ cấu chấp hành (Bơm
điện, biến tần...), các van
III.
1)

Một sô thiết bị sử dụng trong hệ thống cung cấp nước sạch:
Cấu hình mạng SCADA biến tần cho các trạm bơm

Trong sản xuất và cung cấp nước sạch, việc phải tiêu thụ năng lượng
điện là rất lớn (Đặc biệt là ở các trạm bơm thô và nước sạch). Vì vậy,
việc sử dụng kỹ thuật biến tần trong các hệ truyền động điện của các
trạm bơm là đòi hỏi cấp thiết nhằm tiết giảm năng lượng tiêu thụ điện.

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

21

Lúc này sẽ tạo nên mạng SCADA biến tần tại các trạm bơm đáp ứng
được nhu cầu thực tiễn và hiệu quả trong sản xuất cao hơn.
Hiện nay các doanh nghiệp có nhu cầu thiết lập mạng SCADA biến tần
nhằm thỏa mãn nâng cao năng lực quản lý và tiết giảm năng lượng điện.

Tuy nhiên, để thiết lập hoàn chỉnh và khai thác hết các tính năng (Do
phần mềm quy định) mạng này địi hỏi nguồn vốn đầu tư lớn, để nâng
cao thiết bị máy móc tại hiện trường sao cho phù hợp với địi hỏi của hệ
thống SCADA.
2)

Đo lưu lượng (Flow):

Để đo lưu lượng tức thời (m3/s) và lưu lượng nước tích lũy m3 của dịng
nước chảy trong ống, có thể dùng nhiều loại cảm biến lưu lượng như:
lưu lượng kế Tuabin, lưu lượng kế khối lượng, lưu lượng kế điện từ, lưu
lượng kế siêu âm...Tuy nhiên được sử dụng nhiều nhất vẫn là lưu lượng
kế điện từ do những ưu điểm vượt trội của nó.

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

22

Cấu tạo:

Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý của cảm biến đo lưu lượng kiểu điện từ, dựa trên luật cảm
ứng điện từ Faraday: Một điện áp sẽ được cảm ứng khi một vật dẫn điện
chuyển động qua một từ trường. Ở đây, vật dẫn điện chính là dòng chảy
của nước chảy trong đường ống dẫn nước qua một từ trường không đổi
do cuộn dây tạo ra. Tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy mà điện áp sinh ra
trên điện cực là khác nhau. Như vậy giá trị điện áp đã mang thơng tin về

tốc độ dịng chảy của nước trong đường ống. Điện áp này được đưa về
khối xử lý, và ở đây sẽ hiển thị các thông số về lưu lượng tức thời và lưu

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

23

lượng tích lũy lên màn hình hiển thị LCD, và đồng thời truyền thơng tin
về PLC của mạng SCADA.
3)

Đo áp lực (AP):

Thông thường áp lực nước trong đường ông được quy định là nhỏ hơn
16 Bar. Phổ biến trong hệ SCADA là sử dụng đầu đo áp lực kèm theo bộ
hiển thị áp lực và truyền dòng 4-20mA.
Đầu đo áp lực hoạt động dựa trên nguyên lý: thay đổi giá trị điện trở bán
dẫn khi có áp lực P ép vào bề mặt tiếp xúc của đầu đo, điện trở thay đổi
làm thay đổi giá trị điện áp (hoặc dòng điện) ở đầu ra và đưa đến bộ hiển
thị áp lực. Đồng thời truyền tín hiệu 4-20mA (Hoặc áp 0-10VDC) mang
thông tin áp lực nước về PLC
4)

Đo độ đục (NTU) và độ lắng cặn (TDS):

Đo độ đục (NTU) và độ lắng cặn (TDS) của nước thô và nước sạch gồm
đầu đo kèm theo bộ điều khiển và hiển thị.


Hình 6: cấu tạo của cảm biến đo độ lắng cặn và độ đục

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự

24

Nguyên lý hoạt động:
Đầu đo hoạt động trên nguyên lý phát và nhận ánh sáng phản xạ, cường
độ ánh sáng phản xạ thể hiện mức độ đục hoặc lắng cặn của nước thô
hay nước sạch trong hệ thống
IV. Phần mềm giao diện HMI (WinCC)
Phần mềm WinCC sử dụng ở đây là một sản phẩm của hãng Siermens.
Nó cung cấp đầy đủ các chức năng của một hệ thống giao diện ngườimáy HMI, hỗ trợ trực tuyến trong việc giám sát và điều khiển quá trình.
Với phương pháp lập trình trực quan, thơng qua hệ thống đồ họa, biến
chương trình (Tag) và hệ thống bảng ghi, WinCC cung cấp một giao
diện thân thiện với người sử dụng, cho phép mơ phỏng bằng hình ảnh
những sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển, giúp người sử dụng có
thể theo dõi xử lý thơng tin và dễ dàng can thiệp vào q trình sản xuất
từ máy tính trung tâm
Các đặc trưng cơ bản của phần mềm WinCC:
Khả năng thiết kế đồ họa:

1.

Để thực hiện công việc mô phỏng q trình bằng những hình ảnh trực
quan, WinCC có một giao diện khá hoàn chỉnh dành cho người sử dụng

thơng qua trình ứng dụng thiết kế đồ họa (Graphics Designer).
Trình ứng dụng Graphics Desiger giúp cho người lập trình vẽ lại tồn bộ
q trình bằng phương thức kéo thả. Chất lượng mô phỏng phụ thuộc
vào thẩm mỹ và khả năng thiết kế. Việc mô phỏng được thực hiện qua
các đối tượng Smart Object, Windown Object và chia thành hai bước: là
mô phỏng trạng thái tĩnh và mô phỏng trạng thái động.


Thể hiện trạng thái tĩnh:

Sử dụng các đối tượng chuẩn để vẽ các hình ảnh cần thiết. Mỗi đối
tượng chuẩn khi tạo ra đều có các giá trị thuộc tính mặc định. Người
thiết kế cần đặt các giá trị như vị trí, kích thước, màu sắc…


Thể hiện trạng thái động:

WinCC có các chức năng tiện ích phục vụ cho các nhu cầu thể hiện các
trạng thái động về mặt đại diện của hệ thống điều khiển. Sự thay đổi giá
trị của các biến chương trình sẽ là sự thay đổi thuộc tính của các đối
tượng. Khả năng này mang tính mềm dẻo khi tổ chức chương trình.


Thể hiện các trạng thái liên động giữa các đối tượng:

Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail:


Học viện kỹ thuật quân sự


25

Mang lại khả năng mềm dẻo hơn nữa trong việc thiết kế đồ họa. Mỗi đối
tượng khi thay đổi thuộc tính của mình sẽ kéo theo sự thay đổi thuộc tính
của các đối tượng khác và ngược lại.
Phương pháp tổ chức và xử lý dữ liệu linh hoạt:

2.

Chương trình WinCC có nhiều hàm chuẩn trong thư viện. Mỗi hàm đảm
nhận một chức năng khác nhau. Để mở rộng khả năng và tạo sự linh hoạt
trong việc lập trình ta có thể xây dựng những cơ sở dữ liệu riêng cho
mình để phục vụ cho mục đích nào đó. Cơ sở dữ liệu này được viết bằng
ngôn ngữ C hoặc Visual Basic và được biên dịch bằng phần mềm riêng
trong WinCC.
Việc tổ chức và xây dựng các hàm được thực hiện bằng Global Scrip.


Các hàm chuẩn (Standard Funtion)

Đây là các hàm chức năng riêng mà WinCC hỗ trợ cho người lập trình
có trong thư viện của WinCC. Các hàm chuẩn này được sử dụng bởi tất
cả các trình ứng dụng. Người lập trình có thể tạo ra những hàm chuẩn
hay thay đổi hàm chuẩn có sẵn. Những yêu cầu xây dựng hoặc thay đổi
hàm chuẩn dựa vào khả năng và hiểu biết bề ngôn ngữ lập trình C


Các hàm ứng dụng (Project Function)

Các hàm ứng dụng là các hàm mà WinCC cung cấp với mục đích sử

dụng trong phạm vi một ứng dụng cụ thể. Các hàm này được kê khai
trong Hearder file “Acfx.h”. Người lập trình có thể thay đổi hay xây
dựng hàm ứng dụng mới để sử dụng trong phạm vi một chương trình cụ
thể của mình.


Các hàm nội (Internet Function)

Đây thực chất là các hàm chức năng đặc biệt mà WinCC hỗ trợ. Các
hàm này có phạm vi sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau xây dựng
trên phần mềm WinCC. Người lập trình chỉ có thể sử dụng, khơng thay
đổi được các hàm này.


Các hàm nền (Action)

Các hàm nền (Background Function) được hiểu là đoạn mã dữ liệu chạy
ngầm trong chương trình để xử lý một công việc xác định. Người sử
dụng phải xây dựng hoàn toàn các hàm này. Các hàm này được hoạt
động bởi một điều kiện nào đó gọi là các Trigger. Các Trigger có ba
dạng đó là: Acycle trigger, Cycle trigger, Tag triger.
Trong đó:
Hồ Anh Thắng đktđ2a- Mail: