Luan Vanc2

1

CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ SCADA CỦA SIMENS. 2.1. MẠNG SIMANTIC NET. SIMATIC NET là mạng truyền thông cho phép kết nối với các bộ điều khiển của SIEMENS, các máy tính chủ, các trạm làm việc. SIMATIC NET bao gồm các mạng truyền thông, các thiết bị truyền dữ liệu, các phương pháp truyền thông dữ liệu, các giao thức và dịch vụ truyền dữ liệu giữa các thiết bị, các module cho phép kết nối mạng LAN (CP – Communication Processor hoặc IM – Interface Module). Với hệ thống SIMATIC NET, SIEMENS cung cấp hệ thống truyền thông mở cho nhiều cấp khác nhau của các quá trình tự động hoá trong môi trường công nghiệp. Hệ truyền thông SIMATIC NET dựa trên nhiều tiêu chuẩn quốc tế ISO/OSI (International Standardization Organisation / Open System Interconnection). Cơ sở của các hệ thống truyền thông này là các mạng cục bộ (LANs), có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau: điện học, quang học, không dây hoặc kết hợp cả ba cách trên. Theo các yêu cầu về chức năng các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý sản xuất thì mạng công nghiệp được chia thành nhiều cấp bao gồm: cấp điều hành quản lý, cấp phân xưởng, cấp trường và cấp cơ cấu chấp hành – cảm biến - đối tượng. Theo phương pháp tổ chức hệ thống như trên SIMATIC cung cấp các loại sub-net như: - Mạng PPI. - Mạng MPI. - Mạng AS-i. - Mạng PROFIBUS. - Mạng ETHERNET công nghiệp.

2

2.1.1. mạng PPI. pc/pg plc s7-200

PPI H×nh 3.1: M¹ng PPI PPI (Point to Point Interface) thực hiện truyền thông nối tiếp điểm tới điểm. Ghép nối điểm tới điểm có thể là ghép nối giữa hai thiết bị tự động hoá với nhau, hay ghép nối giữa thiết bị với máy tính hoặc với thiết bị truyền thông khác. PPI có những tính chất đặc trưng sau đây: - Ghép nối giữa hai thiết bị truyền thông một cách trực tiếp hay thông qua driver đặc biệt. - Có thể sử dụng các thủ tục riêng được định nghĩa truyền kiểu ASCII. Thông số kỹ thuật của PPI Số lượng trạm:

2

Cổng vật lý:

RS 232C (V24) 20mA (TTY) RS 422/485

Tốc độ truyền:

300 bit/s ÷ 76,8 Kbit/s cho cổng RS 232C 300 bit/s ÷ 19,2 Kbit/s cho cổng RS 422/485

Khoảng cách truyền:

10 m cho cổng RS 232

3

1000 m cho cổng RS 422/485 Dịch vụ truyền thông:

ASC II-Driver 3964 (R), RK 512, Printdriver Các loại Driver đặc biệt khác

2.1.2. Mạng MPI. pc/pg

Mpi

s7-300

OP

s7-400

H×nh 3.2: M¹ng truyÒn th«ng MPI

MPI (Multi Point Interface) là một subnet của SIMATIC. Mạng MPI được sử dụng cho cấp trường hay cấp phân xưởng với yêu cầu về khoảng cách giữa các trạm không lớn. Mạng chỉ cho phép liên kết với một số thiết bị của SIMATIC như S7/M7 và C7. Thiết lập mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số lượng hạn chế các trạm (không quá 32 trạm) và dung lượng truyền thông nhỏ với tốc độ truyền tối đa là 187,5 Kbps. Phương pháp thâm nhập đường dẫn được chọn cho mạng MPI là Token Passing.

4

Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau: - Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản. - Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ. - Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data). Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông. - Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau. Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:

Chuẩn: Số trạm cho phép: Phương pháp thâm nhập đường dẫn: Tốc độ truyền thông: Môi trường truyền dẫn

SIEMENS Max 32 Token Passing Max 187,5 Kbit/s Đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu,

Chiều dài lớn nhất của mạng:

cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo) 50 m, với Repeater 1100 m,

Cấu trúc mạng (Topology):

với cáp quang qua OLM>100 km Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

Dịch vụ truyền thông:

Các hàm chức năng của S7 Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD)

2.1.3. Mạng AS-i

5

C7

S7-200

Logo!

AS-i bus

H×nh 3.3: M¹ng AS-i AS-i (Actuator Sensor Interface) giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành, mạng chỉ có một chủ duy nhất. Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp Master – Slave, một phương pháp hoàn toàn tối ưu cho những mạng chỉ có duy nhất một thiết bị là chủ. AS-i sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu như các cơ cấu chấp hành và các cảm biến đều là các thiết bị kiểu số (Digital Input/Digital Output – DI/DO), khi thiết bị kiểu analog phải sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn của SIEMENS. Trong mạng chỉ có trạm chủ có quyền điều khiển quá trình trao đổi thông tin. Trạm chủ (Master) gọi tuần tự từng trạm tớ (Slave) tới một và đòi hỏi các trạm này gửi dữ liệu lên trên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từ trạm chủ. Những tính chất đặc trưng của AS-i: - AS-i là mạng tối ưu cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số. Quá trình trao đổi dữ liệu được thực hiện thông qua đường dẫn từ cơ cấu chấp hành/cảm biến với trạm chủ, đường dẫn này đồng thời là đường cung cấp nguồn cho các cảm biến.

6

- AS-i có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích thước 1 bit đến 8 bit theo tiêu chuẩn IP 65 và liên kết trực tiếp với quá trình. - Hoạt động của AS-i không cần thiết lập cấu hình trước. Các thông số kỹ thuật của AS-i: Chuẩn:

AS-i theo chuẩn IEC TG 178

Số lượng trạm cho phép:

1 Master và max 31 Slave

Phương pháp thâm nhập đường dẫn:

Master – Slave

Tốc độ truyền:

167 Kbit/s

Môi trường truyền thông:

Dây dẫn thẳng không bọc

Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng:

300 m với Repeater

Kiểu nối:

Đường thẳng, cây, sao

Dịch vụ truyền thông:

AS-i Function

7

H×nh 3.4: VÝ dô vÒ cÊu h×nh m¹ng AS-i cña SIMATIC

8

2.1.4. Mạng PROFIBUS

PC with PROFIBUS CP

PROFIBUS

S7-300

S7-300

S7-400

CP module

H×nh 3.5: M¹ng PROFIBUS PROFIBUS - Process Field Bus. Đây là một chuẩn truyền thông được SIEMENS phát triển từ năm 1987 trong DIN 19245. PROFIBUS được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường. Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác.

9

2.1.4.1. Các loại PROFIBUS: Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau: - PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thông tin nhỏ nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh. PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển. PROFIBUS – DP phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữa cấp điều khiển cũng như các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave. Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master). Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s.

10

H×nh 3.5: CÊu tróc chung cña m¹ng PROFIBUS - DP

11

S7-300 Master Class1 PC with CP Master Class1 PROFIBUS DP

S7-200

S7-300

ET-200

Slave H×nh 3.6: M¹ng PROFIBUS - DP nhiÒu chñ - PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) trao đổi lượng thông tin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng. PROFIBUS – FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển và giám sát. Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI. Do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu được trao đổi với tính chất không định kỳ.

12

H×nh 3.7: CÊu tróc cña m¹ng PROFIBUS FMS - PROFIBUS – PA (Process Automation) được thiết kế riêng cho những khu vực nguy hiểm. PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phương pháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2. PROFIBUS – PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu. Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP. Điều này đảm bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA.

13

H×nh 3.8: VÝ dô m¹ng PROFIBUS PA cña SIMATIC

14

2.1.4.2. Các phương pháp truy cập bus:

Token bus

Master

Master

Master

PROFIBUS

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Master-Slave

Hình 3.9: Các phương pháp truy cập bus

Phương pháp thâm nhập vào mạng được quy định ở EN 50170, Volume 2 bao gồm các phương pháp: - Token Passing cho các trạm chủ. - Master/Slave cho các trạm tớ Truyền thông cho các trạm chủ (hay còn gọi là các trạm tích cực) được điều khiển một vòng logic (Logical Ring - LR). Vòng được thiết lập trước khi đưa mạng vào hoạt động. Vòng này quyết định tại thời điểm nào trạm chủ nào tích cực và tích cực trong bao lâu. Trạm chủ tích cực còn gọi là trạm chiếm giữ token, trạm đó có quyền thâm nhập vào đường dẫn để gửi các tín hiệu. Vòng logic hoàn toàn không bị phụ thuộc vào cấu trúc của trạm chủ trong

15

mạng. Khoảng thời gian cho phép một trạm chủ thâm nhập vào đường dẫn, hay nói một cách khác khoảng thời gian trạm chủ chiếm giữ token được gọi là thời gian token. Nếu trong thời gian token mà trạm vẫn chưa gửi xong dữ liệu thì chỉ có dữ liệu nào của trạm có mức ưu tiên cao nhất mới được tiếp tục truyền đi, nếu không thì trạm chủ đó phải ngừng quá trình truyền thông và đợi cho đến lượt tiếp theo trong mạng. Nếu một trạm tớ được nối với một trạm chủ chiếm giữ token thì trong thời gian token trạm tớ sẽ bị hỏi và nhận các thông tin do trạm chủ cung cấp. Một trạm tớ không bao giờ được chiếm giữ token. PROFIBUS – DP cung cấp dịch vụ truyền thông giữa các trạm SIMATIC S7 và các thiết bị trường (DP - Slave) được thực hiện theo chu trình lặp lại và với một dung lượng thông tin không lớn.

2.1.4.3. Những tính chất đặc trưng của mạng PROFIBUS: - Thông qua PROFIBUS có thể được thực hiện đồng thời những hàm chức năng của các dịch vụ truyền thông sau: +

FDL

(Fieldbus

Data

Link),

FMS(Fieldbus

Message

Specification) và các hàm chức năng của C7 + FDL (Fieldbus Data Link), FMS (Fieldbus Data Link) và các hàm chức năng của S7. - PROFIBUS – DP tạo ra khả năng trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và trạm tớ của các nhà sản xuất khác nhau theo DP mà không cần có giao diện đặc biệt nào. - Đối với SIMATIC S7/M7 tồn tại giao diện tích hợp PROFIBUS – DP (hai giao diện đối với S7 hoặc một module giao diện cho các CPU M7)

16

- Thời gian đáp ứng nhanh (1 ÷ 5 ms) khi đòi hỏi một trạm tớ DP (DPSlave) phục vụ trạm chủ (DP-Master). 2.1.4.4. Các môi trường truyền dẫn: - RS 485: Tuân theo chuẩn EIA RS-485/4 máy tính truyền dẫn, cáp xoắn đôi (STP), mỗi đoạn cáp được chặn đầu bởi một trở kháng gọi là một đoạn segment. Các trạm được nối với bus qua đầu nối tối đa 127 trạm trên một network dùng bộ lặp. Độ dài tối đa một segment phụ thuộc vào: tốc độ truyền, loại cáp sử dụng, tốc độ < 12 Mbit/s.

H×nh 3.10: VÝ dô m¹ng PROFIBUS sö dông RS 485 - Quang: Mạng PROFIBUS của SIMATIC sử dụng các module tích hợp cổng quang như OBT (Optical Bus Terminal), OLM (Optical Link

17

Module) để tạo thành mạng quang theo nhiều cấu trúc bus khác nhau, tăng độ dài truyền dẫn, giảm ảnh hưởng điện từ, tăng tốc độ truyền thông, số trạm tối đa trong một mạng là 127 (126 khi sử dụng OLM với cấu trúc vòng).

H×nh 3.11: VÝ dô m¹ng PROFIBUS sö dông OLM - Kỹ thuật hồng ngoại không dây: Mạng PROFIBUS không dây sử dụng ánh sáng hồng ngoại để truyền tín hiệu, khoảng cách tối đa giữa hai trạm là 15 m, mạng không dây sử dụng module ILM (Infrared Module). Mạng không dây có độ linh hoạt cao, đòi hỏi không vật chắn trên đường truyền giữa hai trạm cấu trúc Point - Point, Point – MultiPoint, số trạm tối đa trên một mạng là 127.

18

H×nh 3.12: VÝ dô m¹ng PROFIBUS kh«ng d©y kÕt nèi ®iÓm - ®

2.1.4.5. Các cấu trúc mạng: - Cấu trúc mạng RS-485: Khi dùng kỹ thuật truyền RS-485 có thể có các tốc độ truyền như: 9,6 Kbit/s; 192 Kbit/s; 45,45 Kbit/s; 93,75 Kbit/s; 185,5 Kbit/s; 500 Kbit/s; 1,5 Mbit/s; 3,6 Mbit/s; 12 Mbit/s. Có thể chia thành hai nhóm chính: + Các thiết bị cho phép tốc độ truyền từ 9,6 Kbit/s ÷ 1,5 Mbit/s. + Các thiết bị cho phép tốc độ truyền từ 9,6 Kbit/s ÷ 12 Mbit/s. - Cấu trúc mạng quang: Sử dụng mạng quang để tăng khoảng cách truyền dẫn, giảm sự tác động của nhiễu. Trạm PROFIBUS sử dụng giao diện PROFIBUS-DP (RS-485) nối vào mạng quang sử dụng đầu nối quang OBT (Optical Bus Terminal) hoặc một module liên kết quang OLM (Optical Link Module). Trạm PROFIBUS với cổng FO (Fiber

19

Optic) tích hợp như ET 200M (IM 153-2FO), S7-400 (IM 467FO) có thể nối trực tiếp vào mạng quang với cấu trúc bus.

H×nh 3.13: VÝ dô cÊu tróc bus cña m¹ng PROFIBUS quang - Cấu trúc mạng không dây: Trong SIMATIC NET, sử dụng module liên kết hồng ngoại (ILM để tạo mạng không dây với cấu trúc Point – Point, Point - MultiPoint).

20

H×nh 3.14: VÝ dô m¹ng PROFIBUS kh«ng d©y kÕt nèi ®iÓm - nhiÒ

- Cấu trúc mạng DP-PA: Theo cấu trúc bus hoặc hình sao. Khi sử dụng DP/PA là nguồn cung cấp qua đường dữ liệu cho các thiết bị trường, chú ý tổng dòng của các thiết bị trường không lớn hơn dòng ra cực đại của DP/PA, điều này làm hạn chế số thiết bị trường gắn vào.

21

H×nh 3.15: VÝ dô m¹ng PROFIBUS sö dông liªn kÕt DP/PA Thông số kỹ thuật của mạng PROFIBUS: Đặc tính

PROFIBUS

Số lượng trạm

127

Phương pháp thâm nhập mạng

Token Bus (cho các trạm chủ) Master-Slave (cho các trạm tớ)

Tốc độ truyền

9,6 Kbit/s - 12 Mbit/s

Môi trường truyền thông

Đôi dây xoắn và cáp quang

22

2.1.5. Mạng Ethernet công nghiệp: S7-400 PC with Ethernet CP with Ethernet CP S7-300 with Ethernet CP

ETHERNET

M7 with Ethernet CP

S5 with Ethernet CP

H×nh 3.16: M¹ng Industrial Ethernet

IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá. Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên một phạm vi rộng. Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng không. Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi điện tín đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừng ngay lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên. Mạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau: - Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol).

23

- Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion) thì các thành viên trong mạng Ethernet công nghiệp đều bình đẳng với nhau. - Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì các trạm không phải của SIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernet công nghiệp là mạng truyền thông mở. Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp: Chuẩn truyền thông: IEEE 802.3 Số lượng trạm: Max 1024 trạm Phương pháp thâm nhập đường CSMA /CD (Carrier Sense Multiple Access dẫn: Môi trường truyền thông:

with Collision Detection) - Cáp +Dây dẫn +Cáp quang

Kiểu nối: Dịch vụ truyền thông:

ISO-on-TCP

KEPWARE OPC SERVER.

trục

-

Cáp đôi dây xoắn

-

Cáp thuỷ tinh hoặc

chất dẻo Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn S7-Function ISO-Transport

2.2.

đồng

24

2.3.

PHẦN MỀM GIAO DIỆN NGƯỜI-MÁY(HMI).

2.3.1. WinCC. Thông thường một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) yêu cầu một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu. Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng cho mục đích này. WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT hay Windows 2000. Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển. Một trong những đặc điểm của của WinCC là đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triền ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống. WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát triển phần mềm cho PC. Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có qui mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES

25

(Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới. 2.3.1.1. Các đặc điểm chính - Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến :WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất. Nhờ sự cộng tác chặt chẽ giữa Siemens và Microsoff, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu. -

Hệ thống khách/chủ với các chức năng SCADA:Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập.

- Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp :WinCC là một mô đun trong hệ thống tự động hóa, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán với nhiều máy chủ (server). - Có thể phát triển tùy theo từng lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ :Một loạt các mô đun phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần. - Cở sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn :Cơ sở dữ liệu Sysbase SQL đã được tích hợp sẵn trong WinCC. Tất cả các dữ liệu về cấu hình hệ thống và các dữ liệu của quá trình điều khiển được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu này. Người dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở dữ liệu của WinCC

26

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 sở 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 lient 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 mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu : Tất cả các mô đun của của WinCC đều có giao diện mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API). Điều đó có nghĩa là người dùng có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC và các hàm thực hiện (runtime) vào một chương trình của người sử dụng. - Có thể cài đặt cấu hình trực tuyến bằng các Wizards :Người thực hiện việc cài đặt cấu hình hệ thống có một thư viện đầy đủ cùng với các hộp thoại và Wizards. Tại giai đoạn hiệu chỉnh hệ thống, các thay đổi có thể thực hiện trực tuyến (on line). - Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ :Phần mềm WinCC được thiết kế trên cở sở nhiều ngôn ngữ. Nghĩa là, người dùng có thể chọn tiếng Anh, Đức, Pháp hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sử dụng. Các ngôn ngữ này cùng 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.

27

- WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hóa tích hợp toàn diện (Totally Integrated Automation-TIA:) WinCC đóng vai trò như của sổ của hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ. - Là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens :PCS 7 là hệ thống điều khiển quá trình, một trong những giải pháp của Tự động hóa được tích hợp toàn diện. 2.3.1.2. Các mô đun của sản phẩm Tùy theo chức năng sử dụng mà người dùng có thể chọn các gói khác nhau của WinCC như là một trong các lựa chọn của sản phẩm. Các gói cơ bản của WinCC chia làm hai loại như sau : - WinCC Runtime Package (Viết tăt là RT): chứa các chức năng ứng dụng dùng để chạy các ứng dụng của WinCC như hiển thị, điều khiển, thông báo các trạng thái, các giá trị điều khiển và làm các báo cáo. - WinCC Complete Package (Viết tắt là RC): bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống (configuration licence) và bản quyền để chạy ứng dụng (Runtime). Các gói này có các phiên bản khác nhau tùy theo số lượng các tham số làm việc (Powertag) mà nó có thể đáp ứng: 128, 256, 1024, 65536 Powertags. Powertag là các tham số làm việc mà bộ điều khiển theo dõi giá trị của nó bằng việc nối ghép với quá trình và thiết bị mà nó điều khiển hoặc giám sát. Trong trường hợp người sử dụng muốn nâng cấp từ một phiên bản có số powertag nhỏ lên cấp lớn hơn, họ có thể mua các phiên bản chuyên để năng cấp gọi là WinCC Powerpacks

28

Ngoài các gói phần mềm cơ bản trên, WinCC còn có các mô đun nâng cao dành cho những ứng dụng cấp cao hơn (WinCC Options) và các mô đun mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on). Các WinCC Option là sản phẩm của Siemens Automation and Drive (A&D). Các WinCC Add-on là các sản phẩm của các bộ phận khác của Siemens hay các đối tác của Siemens xây dựng lên nhằm mở rộng chức năng hay để phù hợp với từng loại ứng dụng. 2.3.1.3. Các cấu hình hệ thống cơ bản WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao ví dụ như trong các cấu hình như sau:  Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (sing-user system) :Cấu trúc này thường được dùng cho các ứng dụng nhỏ với một hệ thống hoạt động độc lập. Tuy nhiên nó cũng có thể nối với các máy tính văn phòng khác thông qua mạng LAN  Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (multi-user system):Cấu trúc này cho phép nhiều người cùng tham gia điều khiển các công đoạn khác nhau của một quá trình. Các thông tin về hoạt động của các công đoạn đều có thể truy cập tới thông qua tất cả các máy tính. Các máy tính này hoạt động dưới một sự điều phối thống nhất chia sẻ các dịch vụ chung. Hệ thống kiểu này hoạt động theo nguyên tắc khách/chủ (client/server). Trạm chủ chịu trách nhiệm về các nhiệm vụ trung tâm như phối ghép và thu thập các số liệu cho các trạm khách (máy tính). Việc áp dụng cấu trúc kiểu này yêu cầu mô đun phần mềm WinCC/Server  Cấu trúcClient/Server có dự phòng :Ưu thế của cấu trúc này là tạo nên tính toàn vẹn của dữ liệu. Mô đun phần mềm WinCC/Redundancy cho phép hai trạm chủ (server) làm việc song song. Trong trường hợp bình

29

thường, hai trạm chủ hoạt động giống hệt nhau. Nếu một trong hai trạm có sự cố, lập tức trạm còn lại đóng vai trò chủ đạo và hệ thống tự động chuyển các yêu cầu của các trạm khách (client) sang trạm chủ còn hoạt động. Sau khi sự cố được khắc phục, dữ liệu sẽ tự động chuyển từ trạm còn làm việc sang trạm đã có sự cố và trở về trạng thái làm việc như ban đầu. Quá trình này không ảnh hưởng tới quá trình hoạt động trực tuyến của hệ thống.  Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server) :Trong cấu trúc phân tán, toàn bộ ứng dụng có thể san sẻ cho nhiều trạm chủ. Việc phân chia này sẽ nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống. Về nguyên tắc, toàn bộ nhiệm vụ giám sát có thể chia cho nhiều trạm chủ dựa theo cấu trúc của nhà máy hay dựa theo chức năng của từng bộ phận của hệ thống. Đối với cấu trúc phân tán dùng nhiều trạm chủ, mỗi một trạm chủ yêu cầu một bản quyền phần mềm cho trạm chủ ( WinCC/Server option). Sự phân chia nhiệm vụ cụ thể cho từng trạm chủ có thể qui định bởi cấu hình của hệ thống (do người cài đặt quyết định). Hệ thống cũng có thể cung cấp cái nhìn tổng thể của cả hệ thống bằng việc thể hiện thông tin của nhiều trạm chủ kết hợp lại. Với WinCC, hệ thống có thể chia thành cấu trúc phân tán có tới 6 trạm chủ, mỗi trạm chủ phục vụ tới 16 trạm khách (client). Trong trường hợp cần thiết, hệ thống nhiều trạm chủ cũng có thể cấu trúc thành cấu trúc có dự phòng. 2.3.1.4

Chú giải các thuật ngữ và các chữ viết tắt Dựa trên COM ( Component Object Model ) và bao gồm một nhóm các công nghệ, trong đó các mô đun phần mềm trong môi trường

ActiveX mạng có thể quan hệ tương tác với nhau (interactive) bất chấp ngôn ngữ lập trình đã tạo ra chúng. ActiveX là sự phát triển tiếp theo của tiêu chuẩn OCX được ứng dụng trên Internet

30

ANSI-C DDE OCX

Ngôn ngữ C được tiêu chuẩn hóa bởi Viện tiêu chuẩn hóa quốc gia Mỹ ( American National Standardization Institute) Dynamic Data Exchange : chuẩn giao diện để trao đổi các dữ liệu lẫn nhau giữa các ứng dụng chạy trên Windows. OLE Customs Control : một đối tượng được tiêu chuẩn hóa cho Windows 32 bit Object Linking and Embeding : một cơ cấu được tiêu chuẩn hóa trong môi trường Windows để liên kết các đối tượng vào một ứng

OLE

dụng khác. Đối tượng tạo thành, mặt khác, có thể được liên kết với đối tượng ban đầu để mọi sự thay đổi của đối tượng ban đầu sẽ tự động được cập nhật trong đối tượng được tạo thành. OLE for Process Control : là một tiêu chuẩn mới cho việc truyền

OPC

thông trong điều khiển quá trình giữa các mức điều khiển. Một OPC server giao tiếp với một OPC client.

ODBC ERP

Open Data Base Connectivity : một tiêu chuẩn truy cập cơ sở dữ liệu trong môi trường Windows Enterprise Resource Planning : quản trị doanh nghiệp trên qui mô

toàn diện: tài chính, sản xuất, sử lý đơn hàng, hậu cần,… 2.3.1.4 Các chức năng SCADA cơ bản  Giao diện người sử dụng (User Interface) :Không phụ thuộc vào các ứng dụng nhỏ hay lớn, đơn giản hay phức tạp, dùng WinCC ta có thể thiết kế ra các giao diện cho người sử dụng để phục vụ cho việc điều khiển và tối ưu hóa quá trình sản xuất. Sơ đồ công nghệ của hệ thống được hiển thị trên màn hình điều khiển cùng tất cả các giá trị về trạng thái (đóng, mở), giá trị của các tham số điều khiển (mức nhiên liệu của các bồn bể, nhiệt độ, áp suất…). Ngay trên giao diện điều khiển, ta còn có thể hiển thị một bảng điều khiển chuẩn (faceplate) giống như mặt máy của các bộ điều khiển theo

31

vòng kín (loop-controller) hay đồ thị của các tham số điều khiển biến đổi theo thời gian thực. Giao diện người sử dụng cho phép hiển thị quá trình hội thoại giữa người 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 cảnh, qui trình công nghệ chính hoặc một một cụm công nghệ nào đó cần theo dõi. Tính năng này được hỗ trợ bởi Split Screen Wizard. Các hình ảnh của quá trình điều khiển có thể cấu trúc theo sơ đồ hình cây để có thể theo dõi quá trình một cách tổng thể. Việc chia các hình ảnh này được hỗ trợ bởi Picture Tree Manager một cách tiện lợi. Tại đây, ta có thể dùng chuột để di chuyển một hình ảnh từ một vị trí này tới một vị trí khác trên sơ đồ hình cây. Split Screen Wizard và Picture Tree Manager đã có sẵn trong phiên bản WinCC cơ bản (WinCC/Basic Process Control). WinCC có thể ghi nhớ các giá trị của các biến. Và cũng như vậy, nó có thể ghi nhận ngày tháng, thời gian, người sử dụng, giá trị cũ và mới. Vì thế, diễn biến của những quá trình có tính chất kịch tính có thể được tái tạo lại phục vụ cho mục đích phân tích.  Quyền truy nhập hệ thống và công tác quản trị người sử dụng :WinCC chỉ cho phép những người 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 ở mức độ khác nhau. Mật khẩu (password) và tên người sử dụng (user name) xác định quyền truy cập của mỗi người. Điều này cũng có thể được định nghĩa lại trong quá trình vận hành hệ thống. Một công cụ có tên là “User Administrator” (Quản trị người sử dụng) được dùng để thỏa mãn mục đích này. Quyền truy cập sẽ hết hiệu lực nếu thời hạn cho phép đã kết thúc.  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

32

trình vận hành, người sử dụng chỉ việc nhấn chuột vào một hộp thoại để thay đổi ngôn ngữ sử dụng. Hệ thống đồ họa (Graphics System:Hệ thống đồ họa của



WinCC xử lý tất cả các đầu vào và đầu ra thể hiện trên màn hình trong quá trình vận hành. Khả năng hiển thị thông tin điều khiển dưới dạng đồ họa được thực hiện bởi một mô đun chương trình có tên gọi là Graphics Designer (người thiết kế đồ họa). Công cụ này có thể cung cấp các công cụ có sẵn như: - Các hình vẽ của các phần tử tiêu biểu (như bơm, van, động cơ, bồn bể, ….) - Các phím, hộp thoại, thanh trượt… - Các màn hình ứng dụng và màn hình hiển thị - Các đối tượng OLE, ActiveX - Các trường 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 người sử dụng Người xây dựng hệ thống có thể thể hiện qui trình công nghệ mà mình điều khiển bằng đồ họa. Việc định nghĩa các tính chất cơ bản của các đồ họa 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 họa có sẵn.  Hệ thống thông báo (Message System):Hệ thống thông báo của WinCC cung cấp thông tin đầy đủ về các lỗi và trạng thái nói chung trong quá trình hoạt động. Nó thể hiện các thông báo trong hiện tại cũng như trong quá khứ. Các thông báo này giúp nguời vận hành sớm phát hiện ra các sự cố để

33

khắc phục kịp thời, 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. Một thông báo bao gồm các khối thông báo có chứa các giá trị của quá trình. Mỗi thông báo được sắp đặt tại một tệp tin (file) bao gồm 16 thứ hạng thông báo (message classes) và 16 loại thông báo (message type) cho mỗi thứ hạng thông báo. Điều đó có nghĩa là: có thể phân biệt các thông báo thuộc loại cảnh báo, nhắc nhở, báo lỗi, hoạt động sai chức năng, …cho các vùng khác nhau của hệ thống.  Chức năng thu thập dữ liệu (tag logging) :Chức năng được sử dụng để thu thập các dữ liệu của quá trình công nghệ để hiển thị chúng và lưu trữ. Ta có thể tự do định dạng các dữ liệu khi lưu trữ chúng. Các giá trị của quá trình được thể hiện bằng bảng trực tuyến (Online Table) và đồ thị. Trong việc này Tag Logging Editor cho phép ta thu thập dữ liệu và biểu diễn theo cách mà ta muốn. Các phương pháp thu thập và lưu trữ dữ liệu: - Liên tục theo chu kỳ (cyclical logging): các giá trị được thu thập một cách liên tục theo chu kỳ và trong trật tự thời gian. - Theo chu kỳ lựa chọn (selective logging): quá trình thu thập dữ liệu chỉ bắt đầu khi xảy ra một sự kiện nào đó và kết thúc khi sự kiện đó chấm dứt. Ví dụ, quá trình thu thập dữ liệu sẽ tiến hành khi có những sự kiện sau: +Thay đổi giá trị của một biến nhị phân (process bit) +Giá trị của một biến tương tự vượt quá một ngưỡng cho trước +Tại một thời điểm thời gian định trước

34

+Tác động của bàn phím hoặc chuột + Có lệnh của hệ thống máy tính cấp cao hơn - Không theo chu kỳ (acyclical logging): sự kiện bắt đầu phụ thuộc vào một hay nhiều bit. Quá trình thu thập dữ liệu bắt đầu khi các bit này chuyển từ 0 sang 1 hay ngược lại. - Chỉ khi có sự thay đổi (archiving only when changed): hệ thống chỉ lưu trữ dữ liệu khi có sự thay đổi lớn hơn một giá trị đã định trước. Các giá trị của quá trình có thể lưu trữ trong kho lưu trữ (Process Value Archives) hay kho lưu trữ được nén (Compressed Archives). Các kho lưu trữ này có thể nằm trên vùng nhớ đệm của bộ nhớ hay chứa trên ổ cứng. Quá trình thu thập và lưu trữ liên tục đòi hỏi người sử dụng định trước kích cỡ của các bản ghi. Nếu bộ nhớ đầy, các giá trị cũ sẽ tự động bị xóa nhường chỗ cho các giá trị mới.  Hệ thống báo cáo (Report System) :WinCC cung cấp hệ thống báo cáo cho phép ta đưa các dữ liệu ra giấy. Nó in các báo cáo về thứ tự của các thông báo, báo cáo về việc lưu trữ các thông báo, báo cáo về hoạt động của người vận hành, báo cáo về các thông báo của hệ thống, báo cáo của người sử dụng và báo cáo dưới dạng văn bản in với định dạng tùy ý. Trước khi gửi các báo cáo ra máy in, các báo cáo có thể được lưu giữ dưới dạng tệp tin, biểu diễn dưới dạng mong muốn. Trạng thái của máy in khi in các báo cáo cũng được thể hiện trực tuyến. Trong công cụ thiết kế các báo cáo (Report Designer), ta có thể qui định dạng thức của báo cáo được in ra, số trang in và lựa chọn máy in. Trong quá trình đó ta cũng có thể qui định chu kỳ in các báo cáo ra một cách tự

35

động. Các báo cáo cũng có thể được in ra theo sự kiện hay theo lệnh của người vận hành. Ta có thể gán từng loại báo cáo cho các máy in khác nhau.

2.3.2. WinCC Flexible.

2.4.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2