Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Scada bảo đảm môi trường nuôi trồng thuỷ sản phục vụ xuất khẩu

ắc Trạm quan trắc Web site : Mô hình hệ thống SCADA cấp vùng Mô hình trên vừa đóng vai trò phân cấp quản lý vừa đóng vai trò liên kết dữ liệu động. Dữ liệu được chia thành hai nhóm: nhóm có cấu trúc (các chuẩn, các chỉ thị, dữ liệu môi trường và dịch bệnh) và nhóm phi cấu trúc (tin tức, thông báo, hướng dẫn). ™ Tổ chức thực hiện ‰ Văn phòng TW ‰ Trung tâm khu vực ‰ Trạm quan trắc ™ Công nghệ nền tảng ¾ Công nghệ nền tảng Công nghệ nền tảng đề xuất là công nghệ Web. Lý do lựa chọn công nghệ Web vì công nghệ này phù hợp với tất cả các qui mô của mô hình phân tán: trên một mạng LAN, trên một mạng WAN hoặc Internet. ¾ Giải thích công nghệ Web Có thể mô tả giải pháp công nghệ Web qua hình vẽ sau: Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 12 Web Server Cơ sở dữ liệu Máy trạm Máy trạm Máy trạm Máy trạm Các ứng dụng khác Máy trạm : Cơ chế công nghệ Web ¾ Nền tảng công nghệ Web ƒ Máy chủ Web + Hệ điều hành + Web Server [ + Database Server] [+ Các ứng dụng khác] ƒ Người dùng ƒ Kết nối với máy chủ ƒ HĐH hành cho máy chủ ƒ Máy trạm. ™ Giải pháp công nghệ cho mô hình Nhóm các vấn đề cần lựa chọn là: ƒ HĐH trên máy chủ và máy trạm; ƒ Web Server ƒ Database Server ƒ Các ngôn ngữ lập trình trên Web (trên bộ duyệt và trên máy chủ) ƒ Phần mềm nền cho multimedia ƒ Các bộ mã tiếng Việt Trong các phần trình bày về phương án lựa chọn dưới đây, chúng tôi kết hợp sự lựa chọn hiện tại với các xu hướng phát triển trong tương lai. ¾ Lựa chọn hệ điều hành Lựa chọn: Windows NT 4.0 / Windows 2000 Server / Advanced Server / XP / Redhat ¾ Lựa chọn Web Server (+ Proxy Server) Lựa chọn: Internet Information Server (4.0, 5.0), Proxy Server ¾ Lựa chọn Database Server Lựa chọn: SQL Server 7.0/2000, thêm MySQL 3.23 ¾ Các ngôn ngữ lập trình trên Web (trên bộ duyệt và trên máy chủ) Lựa chọn: Client side: Javascript, Server side: ASP+PHP, trang trí: CSS Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 13 ¾ Phần mềm nền cho multimedia Lựa chọn: Nén: MPEG; Streaming server: 1) Windows Media Services, 2) RealSystem Server 8.0 (Plus/Professional),. Multimedia Player: 1) Windows Media Player; 2) Real Player; ¾ Bộ mã tiếng Việt và Font chữ Kết hợp bộ mã TCVN5712, VNI với Unicode, đồng thời có thể cập nhật và hiển thị cả 3 bộ mã, và tập trung sử dụng font.VnTime/VNI-Times/Times New Roman, cỡ 12. 3.2. Các hợp phần của mô hình ™ Tổ chức thiết kế tổng thể mạng nội bộ QTCB Việc tổ chức thống nhất toàn bộ hệ thống ngay từ đầu có một ý nghĩa quan trọng. Phương thức đề xuất chung cho việc kết nối là dùng kết nối qua modem. Giữa Văn phòng TW và các trung tâm khu vực, chúng tôi đề xuất nối LAN-to-LAN ™ Cấu hình mạng tại Văn phòng TW Văn phòng TW là một điểm trung tâm ở mức cao nhất trong mạng QTCB và là điểm lưu giữ thông tin thống kê của tất cả các khu vực, đồng thời có khả năng kết nối với hosting và các đơn vị hành chính khác. ™ Cấu hình mạng và CSDL tại các trung tâm quan trắc (khu vực) Trung tâm quan trắc (khu vực) là một điểm then chốt trong mạng QTCB và là điểm lưu giữ thông tin chính của tất cả các trạm, đồng thời có khả năng kết nối với Văn phòng TW và các trung tâm khu vực khác. ™ Cấu hình mạng và CSDL tại các trạm quan trắc Các trạm quan trắc có thể có qui mô khác nhau tùy theo nhu cầu thông tin của từng trạm. Nó liên quan đến: ƒ Chi phí duy trì và hoạt động tối thiểu ƒ Trao đổi thông tin giữa trạm QTCB và trung tâm khu vực III. THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẦN MỀM QUAN TRẮC CẢNH BÁO TRONG MÔ HÌNH HỆ THỐNG SCADA CẤP VÙNG Phần sau đây trình bày thiết kế các bộ phần mềm quan trắc cảnh báo trong mô hình hệ thống SCADA cấp vùng bao gồm: Phần mềm trên Trung tâm quan trắc cảnh báo (TT QTCB) Phần mềm tại các trạm quan trắc cảnh báo môi trường (Trạm QTCB) 1. Thiết kế các chức năng phần mềm TT Quan trắc cảnh báo 1.1. Mô hình cập nhật dữ liệu Mô hình đưa ra đã được chứng minh chạy ổn định, độ tin cậy cao và dễ sử dụng. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 14 ‰ Cập nhật thông qua giao diện Web (Web-based updating) 1.2. Cơ chế sao lưu dữ liệu tự động Hệ thống quan trắc cảnh báo sử dụng các kỹ thuật sau: ƒ Sử dụng chức năng của Windows 2000 Advanced Server: dùng schedule task để lưu mỗi ngày vào giờ không cao điểm: 12:45 và 16:15 sang một đĩa cứng khác trên cùng máy và trên một máy khác. ƒ Sử dụng chức năng đăng xuất của phần mềm: mỗi lần đăng xuất toàn bộ dữ liệu sẽ được sao lưu sang một đĩa cứng khác trên cùng máy. 1.3. Tiếng Việt: tùy biến mã Giải pháp mà chúng ta đưa ra là tùy biến mã. Trên CSDL toàn bộ dữ liệu sẽ được lưu bằng mã có độ tương thích cao với bảng mã La-tin. Người dùng có thể lựa chọn một trong các bộ mã tiếng Việt phổ biến hiện nay: Unicode, TCVN3(ABC), VNI. 1.4. Phương thức tổ chức dữ liệu và chương trình Dữ liệu của mạng quan trắc cảnh báo có thể được chia thành hai loại chính: dữ liệu có cấu trúc (như bảng biểu, dự án) và dữ liệu phi cấu trúc (các bản tin, các video clip, hội thoại đàm luận trực tiếp, nhắn tin). Các lớp thông tin thiết kế gồm: ‰ Lớp thông tin bảo mật ‰ Lớp thông tin menu ‰ Lớp thông tin nhân sự ‰ Lớp thông tin hướng dẫn trực tuyến. ‰ Lớp thông tin thời sự, tin tức ‰ Lớp thông tin tham số đo ‰ Lớp thông tin địa hình ‰ Lớp thông tin dự án ‰ Lớp thông tin về các loài nuôi trồng ‰ Lớp thông tin về dịch bệnh thủy sản 1.5. Phân chia thư mục Tên hệ thống: Aquatic Environment Monitoring and Warning System: e-MW Toàn bộ site được chia thành 2 mảng: ƒ Mảng công cộng ƒ Mảng nhập dữ liệu 2. Các chức năng phần mềm TT Quan trắc cảnh báo đã xây dựng ‰ Hệ thống bảo mật và an toàn thông tin ‰ Hệ thống thông tin nhân sự Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 15 ‰ Tin tức thủy sản và thông báo ‰ Các dự án nuôi trồng thủy sản ‰ Địa hình nuôi trồng ‰ Các tham số đo và đo tại các địa hình ‰ Các loài nuôi trồng ‰ Bệnh dịch thủy sản 3. Thiết kế các chức năng và đối tượng của phần mềm Trạm quan trắc cảnh báo 3.1. Quản lý Project ‰ Lập Project ‰ Tìm kiếm Project ‰ Lọc Project ‰ Báo cáo Project ‰ Thông báo nhiệm vụ tự động 3.2. Quản lý điểm đo Chức năng Quản lý điểm đo bao gồm các chức năng sau: ‰ Cập nhật điểm đo: Cập nhật các thông tin chính sau của điểm đo ‰ Tìm kiếm điểm đo: Tìm một điểm đo theo điều kiện tìm. ‰ Lọc điểm đo: Tìm một tập hợp các điểm đo theo điều kiện lọc. ‰ Báo cáo danh sách điểm đo: Hiển thị hoặc in danh sách tất cả các điểm đo. ‰ Xây dựng bản đồ thông tin các điểm đo: Cung cấp các công cụ cho phép cập nhật và hiển thị thông tin các điểm đo một cách trực quan trên bản đồ. 3.3. Quản lý danh mục thông số đo Chức năng Quản lý danh mục thông số đo bao gồm các chức năng sau: ‰ Cập nhật thông số đo : Cập nhật nhóm thông số đo và các thông tin chính. ‰ Tìm kiếm thông số đo : Tìm một thông số đo theo điều kiện tìm. ‰ Lọc thông số đo : Tìm một tập hợp các thông số đo theo điều kiện lọc. ‰ Báo cáo danh sách thông số đo : Hiển thị hoặc in danh sách tất cả các thông số đo. 3.4. Quản lý giá trị thông số đo Chức năng Quản lý giá trị thông số đo bao gồm các chức năng sau: ‰ Đo thủ công ‰ Đo tự động ‰ Lập AutoTask_i (i=1..8) ‰ Cấu hình sensor Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 16 ‰ Kết nối OPC Server. ‰ Tìm kiếm giá trị thông số đo ‰ Lọc giá trị thông số đo ‰ Báo cáo giá trị thông số đo ‰ Lập đồ thị biến động giá trị các thông số đo 3.5. Theo dõi, cảnh báo tự động Dùng riêng AutoTask_8 để phục vụ theo dõi, cảnh báo tự động cho nhóm các sensors được chỉ định trong AutoTask_8. ‰ Báo động bằng âm thanh hoặc hình ảnh ‰ Hiển thị thông tin hiện ‰ Quản lý các giá trị vượt ngưỡng 3.6. Tích hợp hệ thống TTQT Chức năng Tích hợp hệ thống TTQT bao gồm các chức năng sau: ‰ Tạo file DL ‰ Kết nối hệ thống TTQT 3.7. Quản lý nhân sự Chức năng này giúp cho việc phân định trách nhiêm trên từng giá trị thông số đo được nhập vào CSDL.Chức năng Quản lý nhân sự bao gồm các chức năng sau: ‰ Cập nhật nhân sự ‰ Tìm kiếm nhân sự ‰ Lọc nhân sự ‰ Báo cáo danh sách nhân sự 3.8. Quản lý account Chức năng Quản lý account bao gồm các chức năng sau: ‰ Cập nhật account: Cập nhật thông tin chính sau về account: ‰ Tìm kiếm account: Tìm một account theo điều kiện tìm. ‰ Lọc account: Tìm một tập hợp các account theo điều kiện lọc. ‰ Báo cáo danh sách account: Hiển thị hoặc in danh sách tất cả các account. ‰ Thay đổi Password: Cho phép User đang trong hệ thống thay đổi Password của mình và sự thay đổi đó có hiệu lực sau khi khởi động lại hệ thống. 3.9. Quản lý kết nối CSDL Chức năng Quản lý kết nối CSDL bao gồm các chức năng sau: ‰ Kết nối CSDL(SQL Server) ‰ Cập nhật cấu hình kết nối CSDL ‰ Tạo ĐT DBMS Connection Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 17 3.10. Quản lý đăng nhập Chức năng Quản lý đăng nhập bao gồm các chức năng sau: ‰ Xác nhận Account. ‰ Tạo ĐT User ‰ Kích hoạt Main Menu theo các quyền của ĐT User ‰ Ghi nhật ký truy cập. 3.11. Quản lý nhật ký truy cập Chức năng Quản lý nhật ký truy cập bao gồm các chức năng sau: ‰ Cập nhật nhật ký : Cho phép xem và xoá bớt các bản ghi trong nhật ký. ‰ Tìm kiếm nhật ký : Tìm một bản ghi theo điều kiện tìm. ‰ Lọc nhật ký : Tìm một tập hợp các bản ghi theo điều kiện lọc. ‰ Báo cáo nhật ký : Hiển thị hoặc in tất cả nhật ký truy cập. 3.12. Sao lưu, phục hồi CSDL Sử dụng chức năng sao lưu, phục hồi CSDL sẵn có của SQL Server để sao lưu, phục hồi CSDL của hệ thống. 3.13. Quản lý danh mục loài nuôi ‰ Cập nhật loài nuôi: Cập nhật các thông tin chính sau về loài nuôi: ‰ Tìm kiếm loài nuôi: Tìm một loài nuôi theo điều kiện tìm. ‰ Lọc loài nuôi: Tìm một tập hợp các loài nuôi theo điều kiện lọc. ‰ Báo cáo danh sách loài nuôi: Hiển thị hoặc in danh sách tất cả các loài nuôi. 3.14. Quản lý quá trình nuôi ‰ Cập nhật quá trình nuôi ‰ Tìm kiếm quá trình nuôi ‰ Lọc quá trình nuôi ‰ Báo cáo quá trình nuôi ‰ Lập đồ thị quá trình nuôi. 3.15. Quản lý bệnh dịch Chức năng Quản lý bệnh dịch bao gồm các chức năng sau: ‰ Cập nhật danh mục thông số bệnh ‰ Cập nhật giai đoạn nhiễm ‰ Cập nhật giá trị thông số bệnh ‰ Báo cáo, thống kê giá trị thông số bệnh 3.16. Quản lý điểm quan trắc Chức năng Quản lý điểm quan trắc bao gồm hai chức năng sau: Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 18 ‰ Cập nhật cấu hình trạm trường ‰ Giám sát các thông số môi trường của trạm trường 4. Các chức năng phần mềm Trạm quan trắc cảnh báo đã xây dựng ‰ Quản lý Project ‰ Quản lý điểm đo ‰ Quản lý giá trị thông số đo ‰ Theo dõi, cảnh báo tự động ‰ Kết nối với TT quan trắc ‰ Quản lý điểm quan trắc IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CẤP TRƯỜNG 1. Mô hình hệ thống SCADA cấp trường cho các cơ sở NTTS Mô hình được xây dựng với mục đích tạo ra một mô hình chung phục vụ việc quản lý, giám sát và điều khiển các thông số môi trường nuôi cho các khu nuôi (được hiểu là các khu nuôi công nghiệp, trại giống, khu nuôi thí nghiệm và các khu nuôi tập trung của các hộ dân). Đặc điểm của các khu nuôi này là tương đối tập trung trong một khu vực được quy hoạch và trong một thời điểm (hay mùa vụ) tập trung vào nuôi một số đối tượng theo một quy trình nuôi khá rõ ràng. ‰ Trạm chủ TT: xây dựng trên cơ sở thiết bị điều khiển công nghiệp sử dụng PLC (đối với các khu nuôi công nghiệp, trại giống) kết hợp với máy tính cài đặt chương trình phần mềm quản lý, điều hành cho phép cập nhật dữ liệu tự động và bằng tay đối với mỗi nhiệm vụ được xây dựng. Phần mềm cũng cho phép lập các bài giám sát, điều hành nuôi và tạo các file báo cáo chuẩn, cung cấp dữ liệu cần thiết cho hệ thống quản lý cấp trên khi tham gia vào các hệ thống này (như mạng lưới SCADA cấp vùng). Phần chương trình giám sát, cập nhật dữ liệu trợ giúp các chức năng sau: ƒ Chọn phương phức cập nhật: tự động (đối với các khu nuôi công nghiệp, khu thí nghiệm) và bằng tay (vào trực tiếp từ bàn phím hoặc từ các file định dạng chuẩn đối với các khu nuôi các hộ dân và với các thông số đo phức tạp cần phân tích) ƒ Đặt tần suất cập nhật: tùy thuộc vào nhóm các thông số đo được xác định cho mỗi đối tượng nuôi trong từng bài giám sát nuôi (như theo chu kỳ, thời điểm) ‰ Các thiết bị phân tán: bao gồm các trạm thiết bị đo và điều khiển đặt phân tán kết nối với trạm chủ TT qua mạng công nghiệp và các loại đường truyền khác có nhiệm vụ đo và điều khiển theo bài đã định. ƒ Các đối tượng điều khiển: bao gồm các thiết bị phục vụ đảm bảo chất lượng môi trường nuôi như bơm nước, van, máy sục ôxy, các thiết bị ổn định nhiệt độ nước, pH,... và các thiết bị phục vụ nuôi như máy cấp thức ăn, đ/k cửa chắn,... ƒ Các thông số đo chính: bao gồm các thông số môi trường được phân thành các nhóm tùy theo mức độ phức tạp (đo được trực tiếp qua hệ thống hoặc sử dụng thiết bị đo cầm tay hay phải lấy mẫu phân tích), tần suất cần đo (nhiều lần trong ngày, hàng tuần/tháng,...) và các thông số nuôi như loại, số lượng thức ăn trong từng thời kỳ, các thông số kiểm tra mức độ tăng trưởng của đối tượng nuôi (như trọng lượng, độ lớn) có thể cập nhật trực tiếp trên hệ thống trạm chủ TT qua PC. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 19 TRẠM CHỦ TRUNG TÂM TRẠM PHÂN TÁN (Wireless comm.) TRẠM PHÂN TÁN RS 485/FO (Profibus) PB(RS485/FO)/LAN R TRẠM PHÂN TÁN Kết nối trong mạng LAN và tới mạng lưới SCADA cấp vùng : Mô hình hệ thống SCADA cấp trường Các phần dưới đây lần lượt trình bày các thiết kế của thiết bị Trạm chủ trung tâm (ký hiệu VIAG-MCS06) và các trạm thiết bị phân tán (ký hiệu VIAG-DPS06.xx). 2. Thiết bị trạm chủ trong mô hình SCADA cấp trường 2.1. Cấu hình trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 là thiết bị điều khiển quan trọng trong mô hình hệ thống SCADA cấp trường. Thiết bị trạm chủ VIAG-MCS06 được xây dựng trên cơ sở họ PLC SIMATIC S7, tùy vào quy mô của từng ứng dụng cụ thể có thể chọn loại SIMATIC S7- 300, S7-400 hoặc WinLC (như đối với cấu hình sử dụng trạm thiết bị chủ giản đơn). Với quy định này mỗi thiết bị phân tán trong mạng sẽ sử dụng 2 vùng 64/64 byte để giao tiếp trao đổi số liệu với trạm thiết bị chủ. Như vậy tổng độ dài các vùng giao diện DP- In/DP-Out trên trạm chủ sẽ là 512/512 byte đối với cấu hình 08 trạm và 1024/1024 byte đối với cấu hình mở rộng lên tới 16 trạm. 2.2. Thiết kế phần cứng trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 được thiết kế bao gồm các thành phần sau (05): Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 20 : Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 và các nối ghép . . . 7 8 Profibus (RS 485) RS485 Repeater MPI (RS 485) 2 Trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 2 Profibus-DP (RS485) CPU315 -2DP SM323 16/16 DI/DO CP340 CP341 PC Server 1 3 Telephone network Operators (PC Clients) 12 Tới các trạm thiết bị phân tán từ 1 đến 8 tương ứng địa chỉ DP từ 5 đến 12 CP5611/5613 (Wireless) Modem RS 232 65 Touch Panel TP170 TT GIÁM SÁT, ĐIỀU HÀNH CẤP TRƯỜNG ‰ Bộ điều khiển: sử dụng PLC SIMATIC S7-300 CPU315-2DP hỗ trợ các giao thức truyền thông MPI (dùng cho kết nối với máy tính PC-Server) và Profibus-DP (phục vụ kết nối với các trạm thiết bị phân tán qua mạng RS485). ‰ Module truyền thông CP340/CP341: dùng cho kết nối PLC với thiết bị phân tán qua cổng RS232 và modem (hữu tuyến hoặc vô tuyến) tùy vào từng ứng dụng cụ thể. ‰ Module SM323: cung cấp 16/16 đầu vào/ra số 24V DC phục vụ giao diện với các tín hiệu vào (đặt chế độ hoạt động, các tín hiệu kiểm tra,...) và đưa ra các tín hiệu điều khiển (đèn/còi cảnh báo, báo động, điều khiển tại chỗ các thiết bị khác,...) ‰ Giao diện HMI tại chỗ sử dụng bộ thao tác màn hình sờ TP170 cho phép theo dõi, chỉnh định các thông số làm việc trực tiếp. TP170 được kết nối trong mạng Profibus- DP (cáp điện RS485) và có địa chỉ 3. ‰ Module giao diện mạng Profibus: sử dụng bộ lặp đường truyền (RS485 Repeater) cho phép truyền tín hiệu đi xa và cách ly với thiết bị PLC điều khiển. ‰ Phần mềm ứng dụng xây dựng cho CPU315-2DP được thiết kế sử dụng kết hợp các ngôn ngữ lập trình STL (Statement List) và SCL (Structured Control Language) trong bộ phần mềm STEP 7 Professional V5. Trạm máy tính PC-Server được sử dụng có cấu trúc như sau: Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 21 ‰ Máy tính PC: cấu hình Pentium 3/4, tốc độ 1.6 GHz, bộ nhớ SDRAM 256MB, HDD 20GB, (internal) modem 56kbps ‰ Card giao diện truyền thông CP5611/CP5613 nhằm hỗ trợ giao thức truyền thông MPI phục vụ trao đổi số liệu với trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06. ‰ Hệ điều hành Windows 2000 Professional + SP4 hoặc Windows XP ‰ Nền phần mềm SCADA phát triển: SIMATIC WinCC V6 kết hợp sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic V6 và SIMATIC NET OPC Server. 2.3. Thiết kế các khối nối ghép mạng Dưới đây tổng hợp các thông số truyền thông thiết kế sử dụng trong mô hình thử nghiệm ™ Truyền thông giữa VIAG-MCS06 với PC-Server ƒ Module truyền thông sử dụng trên trạm VIAG-MCS06: CPU315-2DP, cổng giao tiếp truyền thông MPI ƒ Module truyền thông sử dụng trên PC-Server: CP5611/CP5613 ƒ Profile: giao thức truyền MPI, đường truyền RS485 ƒ Tốc độ truyền sử dụng: 187.5 kbps ƒ Địa chỉ mạng: mặc định 1 (PC-Server) và 2 (VIAG-MCS06) ƒ Địa chỉ mạng lớn nhất (HSA): 31 ƒ Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất giữa 2 trạm: 50 m ™ Truyền thông giữa VIAG-MCS06 với các trạm thiết bị phân tán qua mạng RS485 cách ly ƒ Module truyền thông sử dụng trên trạm VIAG-MCS06: CPU315-2DP, cổng giao tiếp truyền thông Profibus-DP ƒ Module truyền thông sử dụng dưới các trạm thiết bị phân tán loại 1: standard DP-Slave ƒ Module truyền thông sử dụng dưới các trạm thiết bị phân tán loại 2: qua cổng RS232 kết nối với module chuyển đổi giao thức DP/RS232 hoặc IM183-1 (06) cho phép giao diện theo các nhóm 2 hoặc max. 4 trạm DP-Slave. ƒ Profile: Profibus-DP (DP-Master class I đối với trạm VIAG-MCS06 và standard DP- Slave đối với các trạm thiết bị phân tán), đường truyền RS485 ƒ Tốc độ truyền sử dụng: mặc định 500 kbps, max. 1.5 Mbps ƒ Địa chỉ mạng: mặc định 2 (VIAG-MCS06) và từ 5 đến 12 (tương ứng với các thiết bị phân tán từ 1 đến 8) ƒ Địa chỉ mạng lớn nhất (HSA): 31 ƒ Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất trong mỗi segment trong mạng: max. 400 m khi sử dụng bộ lặp đường truyền (RS485 Repeater) và tốc độ truyền mặc định 500 kbps. ƒ Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất trong toàn mạng: max. 3.6 km khi sử dụng max. 9 bộ lặp đường truyền RS485 với tốc độ truyền 500 kbps. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 22 DP/RS232 RS 485 RS485 Repeater (Option) RS 232 Profibus-DP (RS485) Module chuyển đổi giao thức (DP/RS232 Link hoặc IM183-1) RS485 RS232 a Trạm thiết bị phân tán i b Trạm thiết bị phân tán i+1 c Trạm thiết bị phân tán i+2 d RS 232 Trạm thiết bị phân tán i+3 : Sơ đồ khối module kết nối chuyển đổi giao thức DP/RS232 với 04 trạm thiết bị phân tán từ i đến i+3 ™ Truyền thông giữa VIAG-MCS06 với các trạm thiết bị đo qua cổng RS232 ƒ Module truyền thông sử dụng trên trạm VIAG-MCS06: CP340/CP341 ƒ Module truyền thông sử dụng dưới các trạm thiết bị đo: standard DP-Slave ƒ Profile: lập trình tự do trao đổi khối dữ liệu, đường truyền RS232C ƒ Tốc độ truyền sử dụng: mặc định 19.2 kbps ƒ Địa chỉ mạng: mặc định 2 (VIAG-MCS06) và từ 5 đến 12 (tương ứng với các thiết bị phân tán từ 1 đến 8) ƒ Địa chỉ mạng lớn nhất (HSA): 31 ƒ Khoảng cách truyền cho phép lớn nhất trong mạng: chỉ giới hạn bởi thông số kỹ thuật của mạng thoại nội bộ và của loại modem được sử dụng. 2.4. Thiết kế phần mềm trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 Chương trình điều khiển trên trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 được viết cho chủng loại PLC SIMATIC S7-300/400 trên ngôn ngữ lập trình SCL. Để phần mềm có thể đồng thời quản lý, điều hành các trạm thiết bị phân tán cũng như giao tiếp, cung cấp số liệu và thực hiện lệnh từ PC, phần mềm trên trạm thiết bị chủ VIAG-MCS06 cần thiết phải tổ chức và quản lý được các tiến trình. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 23 Tiến trình với hệ thống chương trình trên trạm VIAG-MCS06 được hiểu là bao gồm cả các tác vụ, biến, vùng nhớ và tài nguyên cần thiết để thực hiện một nhiệm vụ cơ sở nào đó trên PLC như cập nhật dữ liệu một số thông số đo, cập nhật cấu hình một số kênh đo, ... Tiến trình có thể phân làm hai loại: tiến trình tuần tự và tiến trình song song. − Hai tiến trình được gọi là tuần tự nếu một tiến trình chỉ bắt đầu sau khi tiến trình kia kết thúc. − Hai tiến trình được gọi là song song nếu thời điểm bắt đầu của một tiến trình có thể nằm giữa thời điểm bắt đầu và kết thúc của một tiến trình khác. Các tài nguyên logic và vật lý có thể phân chia cho nhiều đối tượng nhưng thường ở mỗi lần chỉ có một đối tượng được phục vụ gọi là tài nguyên găng. Nếu đồng thời có nhiều tiến trình muốn sử dụng tài nguyên găng thì phải tổ chức điều độ để không khi nào có quá một tiến trình sử dụng tài nguyên. Trong trường hợp bài toán xảy ra trên trạm VIAG-MCS06, các tiến trình cập nhật dữ liệu của các kênh đo trên 1 Slave đều phải dùng đến vùng giao thức truyền thông trong khi vùng này là duy nhất nên đây chính là tài nguyên găng. Khả năng phục vụ của tài nguyên tại một thời điểm là số lượng lớn nhất tiến trình có thể sử dụng tài nguyên tại thời điểm đó. Trong bài toán trạm VIAG-MCS06 khả năng phục vụ của tài nguyên tại một thời điểm là 16 ứng với 16 vùng giao thức của 16 DP-Slave khác nhau. Thời gian chờ đợi trung bình tại một thời điểm tính bằng tổng thời gian chờ đợi của các tiến trình tại thời điểm đó chia cho số lượng các tiến trình đó. − Mục tiêu của điều độ: Giảm thiểu thời gian chờ đợi trung bình của các tiến trình dẫn đến tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên và tốc độ chương trình. − Nguyên tắc điều độ: Mỗi thời điểm chỉ có không quá một tiến trình nằm trong đoạn găng. Không một tiến trình nào được phép ở lâu vô hạn trong đoạn găng Không một tiến trình nào phải chờ vô hạn trước đoạn găng. ™ Các tiến trình và tranh chấp tài nguyên trong hệ thống Các tiến trình xử lý yêu cầu bên ngoài không tranh chấp DP-Master_IO là các tiến trình thực hiện trao đổi dữ liệu chỉ giữa PC/OP với DP-Master. DP-Master chỉ việc lấy dữ liệu sẵn có của mình trả lời cho PC (ví dụ giá trị hiện thời của các thông số đo) nên không cần điều độ các tiến trình này. Mỗi tiến trình xử lý DP-Slave(i) bao gồm nhiều tiến trình con, trong đó có tiến trình cập liên tục các giá trị ở tất cả các thông số đo của các kênh đo của DP-Slave(i). Do hạn chế của DP-Master I/O buffer (64 bytes cho vùng dữ liệu vào DP_M_In_i trong đó chỉ có 32 byte phục vụ cho việc lấy dữ liệu từ các thông số đo) nên không cập nhật được hết giá trị của tất cả các thông số đo của 16 kênh đo trên một Slave trong một lần cập nhật dữ liệu mà phải chia làm 32 lần tương ứng với 32 tiến trình dùng chung buffer DP_M_In_i, DP_M_Out_i nên cần điều độ. Các tiến trình thực hiện trao đổi giữa PC/OP với DP-Slave gián tiếp thông qua DP-Master (như các yêu cầu đặt cấu hình cho các kênh đo, các điểm đo). Các tiến trình này và 32 tiến trình cập nhập dữ liệu cho 16 kênh đo có dùng chung DP-Master I/O nên cần điều độ. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 24 ™ Điều độ các tiến trình trong xử lý DP-Slave(i) có tranh chấp DP-Master I/O buffer Các tiến trình dẫn đến việc tranh chấp vùng DP-Master_I/O bao gồm các tiến trình cập nhật dữ liệu liên tục cho 16 kênh đo và các tiến trình trao đổi gián tiếp dữ liệu giữa PC/OP với DP-Slave thông qua DP-Master. Các tiến trình này đều sử dụng DP-Master_I/O nên cần phải điều độ. Ở đây, chúng ta sử dụng phương pháp điều độ Token Ring kết hợp với cơ chế ngắt mềm xử lý theo kiểu hàng đợi FIFO. − Ngắt: là một yêu cầu từ PC/OP có tranh chấp tài nguyên găng với các tiến trình tự động. Ví dụ như yêu cầu cập nhật lại cấu hình kênh đo trên DP-Slave, cập nhật cấu hình điểm đo trên kênh đo,… Khi PC/OP có yêu cầu thực chất là gửi các dịch vụ xuống DP-Master thông qua SID của các dịch vụ đó. − Hàng đợi FIFO: là một mảng có cấu trúc bao gồm các thông tin SID, PAR1, PAR2, PAR3. Chương trình chỉ quản lý 8 DP-Slave nên có 8 hàng đợi khác nhau. Ta thấy rằng các yêu cầu ngắt từ OP/PC cũng chỉ yêu cầu một số ngắt có hạn nên chương trình chỉ đặt mỗi hàng đợi chứa được tối đa là 5 ngắt. Khi có yêu cầu ngắt từ bên ngoài, các tiến trình xử lý yêu cầu bên ngoài có tranh chấp buffer được đưa vào hàng đợi để chờ xử lý. Thực chất việc gửi các yêu cầu là gửi các dịch vụ thông qua SID của dịch vụ đó. − Token Ring: Sử dụng một cờ Tkn cho các tiến trình nói trên, tiến trình nào có thẻ bài mới được thực hiện, còn không có thẻ bài sẽ không được thực hiện. Tiến trình nào thực hiện xong hoặc thời gian cho phép sử dụng tài nguyên của tiến trình đã hết (cho dù vẫn chưa thực hiện xong) vẫn phải chuyển thẻ bài cho tiến trình tiếp theo. Khi tiến trình cuối cùng thực hiện xong phải chuyển lại thẻ bài cho tiến trình đầu tiên. Trong quá trình cập nhật dữ liệu, nếu có ngắt xảy ra thì thẻ bài phải được chuyển cho tiến trình nằm ở đầu hàng đợi và sau khi ngắt thực hiện xong mới trả lại thẻ bài cho tiến trình cập nhật dữ liệu. Xét một tiến trình xử lý một trạm DP-Slave gồm : − Quá trình cập nhật tự động liên tục: tiến trình cập nhật tự động trạng thái cấu hình các kênh đo, tiến trình cập nhập thời gian cho các trạm DP-Slave, tiến trình cập nhật giá trị thông số đo từ 16 kênh đo trên một DP-Slave − Quá trình không liên tục: các tiến trình xử lý yêu cầu bên ngoài có sử dụng DP-Master buffer chỉ xảy ra khi có yêu cầu của ngưòi quản trị. Cơ chế điều độ được thực hiện như sau: Trong quá trình cập nhật tự động liên tục, sau mỗi lần DP-Master cập nhật một lượt dữ liệu (thông thường của ½ kênh đo) cần thiết kiểm tra xem có yêu cầu nào nằm trong hàng đợi hay không. Nếu có chương trình phải lưu lại trạng thái hiện thời của quá trình cập nhật tự động và thực hiện yêu cầu nằm ở đầu hàng đợi, sau khi thực hiện xong mới khôi phục lại trạng thái của quá trình tự động để tiếp tục thực hiện tiến trình cập nhật dữ liệu. Ưu điểm của phương pháp điều độ này là: ƒ Thuật toán đơn giản ƒ Ngắt từ trên PC chuyển xuống luôn có quyền ưu tiên cao hơn các tiến trình cập nhật dữ liệu từ các thông số đo nên sẽ được xử lý ngay. ƒ Phương pháp điều độ đảm bảo dữ liệu từ tất cả các kênh đều được cập nhật kể cả trong trường hợp 1 kênh nào đó bị lỗi không trả lời. Ngoài ra phương pháp điều độ này được sử dụng cho mỗi vùng giao thức của mỗi DP- Slave nên các tiến trình cập nhật dữ liệu của các DP-Slave khác nhau là độc lập với nhau Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 25 do vậy quá trình cập nhật dữ liệu trên các DP-Slave khác nhau diễn ra một cách song song. Để đơn giản trong lập trình và hoạt động của chương trình, đồng thời đảm bảo quá trình hoạt động giả song song, mỗi DP-Slave được cấp một cờ riêng. Như vậy chương trình có 8 cờ Tkn hoạt động mà thực chất của các cờ ở đây là một biến nhớ kiểu nguyên và mỗi tiến trình được gán với một số nguyên. Khi chạy chương trình, giá trị này được đem so sánh với giá trị của biến cờ. Nếu bằng nhau nghĩa là tiến trình đang nắm cờ còn nếu khác nghĩa là cờ đang thuộc quyền sử dụng của tiến trình khác. 3. Thiết kế chung các trạm thiết bị phân tán VIAG-DPS06.xx trong hệ thống SCADA cấp trường 3.1. Cấu trúc các trạm thiết bị phân tán Các trạm thiết bị đo phân tán được thiết kế cho phép cấu hình phần cứng thay đổi được tùy theo yêu cầu thực tế sử dụng. Thiết kế này cho phép dễ dàng nâng cấp mở rộng thêm số lượng các đầu vào/ra và chỉ phải cấu hình lại thiết bị mà không cần phải thay đổi chương trình điều hành trên trạm thiết bị chủ. Tuy nhiên thiết kế này đòi hỏi chương trình phần mềm phức tạp hơn do phải xử lý tổng quát các trường hợp cũng như cấu hình thiết bị phải có giới hạn và tuân thủ các nguyên tắc chung thống nhất trong toàn hệ thống. Sau đây là một số giới hạn đối với cấu hình các trạm thiết bị đo phân tán (chỉ áp dụng đối với các đầu vào/ra cho phép giám sát, điều hành từ trạm chủ): − Tổng số các kênh đo thông số môi trường (bao gồm cả các kênh đo đơn và đa thông số môi trường): max. 16 kênh đo − Tổng số các kênh đo đa thông số môi trường: max. 8 kênh đo (mở rộng 16) − Tổng số các kênh vào số: max. 32 kênh đo − Tổng số các kênh đầu ra điều khiển: max. 8 (dùng cho phát triển sau này) − Số thông số đo trên một kênh đo đơn thông số môi trường: max. 01 thông số − Số thông số đo trên một kênh đo đa thông số môi trường: max. 16 thông số − Tổng số loại thông số đo lớn nhất cho phép cấu hình trên cùng một trạm thiết bị đo: 16 loại thông số Ngoài ra để nối ghép các trạm thiết bị đo với trạm thiết bị chủ (VIAG-MCS06), trong thiết kế tổng thể hệ thống đã đưa ra các phương án sau: ‰ Truyền thông qua mạng Profibus-DP có thể theo các dạng sau: ƒ RS485, Standard DP-Slave ƒ DP/RS232 Link ‰ Truyền thông qua đường truyền RS232: cho phép các thiết bị đo có thể giao diện qua mạng thoại khi kết nối với modem. Trên cơ sở cấu hình phần cứng và giao diện truyền thông nêu trên, các trạm thiết bị đo phân tán được thiết kế dựa trên các cơ sở phần cứng sau: ‰ Cấu hình trạm đo phân tán trên cơ sở PLC ƒ PLC sử dụng là loại SIMATIC S7-200 theo hai loại chính sau: CPU226: có hai đường truyền RS485 (01 sử dụng để nối với TD200/OP3, 01 sử dụng để giao diện với các kênh đo đa thông số môi trường) Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 26 CPU224: chỉ có 1 đường truyền RS485 phục vụ giao diện với các kênh đo đa thông số môi trường. ƒ Các đầu vào/ra: sử dụng các đầu vào/ra số sẵn có trên CPU (on-board I/O) và các module EM mở rộng ƒ Truyền thông: sử dụng module truyền thông EM277 cho phép PLC hoạt động trong mạng Profibus-DP như một DP-Slave chuẩn. ƒ Giao diện HMI: sử dụng TD200 hoặc OP3 (chỉ đối với trạm sử dụng loại CPU226) và cảnh báo, báo động qua đèn và còi. ‰ Cấu hình trạm đo phân tán trên cơ sở vi điều khiển: ƒ CPU sử dụng một trong hai loại: IM183-1: module CPU (do hãng Siemens chế tạo) sử dụng vi điều khiển 80C32 và cho phép giao diện với mạng Profibus-DP như một DP-Slave chuẩn 8xC51: phát triển riêng có cấu trúc và chức năng cơ bản tương đương với module IM183-1, tuy nhiên không có hỗ trợ giao diện Profibus-DP mà chỉ sử dụng đường truyền RS232. ƒ Các module vào/ra Module vào/ra số: từ 8/8 đến 16/16 kênh Module vào/ra tương tự: 2/2 đến 8/4 kênh ƒ Module truyền thông RS485 (DP): sẵn có trong trường hợp sử dụng module IM183-1 RS232: 01 kênh sử dụng để giao diện với các loại đầu đo đa thông số môi trường và 01 kênh dùng để nối ghép với trạm thiết bị chủ (chỉ sử dụng trong trường hợp trạm không có đường truyền RS485). ƒ Giao diện HMI: không sử dụng hoặc qua LED 7 thanh và nút bấm; cảnh báo, báo động qua đèn và còi. 3.2. Thiết kế chung phần mềm các trạm thiết bị phân tán ™ Các chức năng phần mềm Phần mềm trên các trạm thiết bị đo phân tán (VIAG-DPS06.xx) được thiết kế nhằm cung cấp các chức năng chính sau: ‰ Giám sát liên tục các kênh đo thông số môi trường và trạng thái được cấu hình, cảnh báo và báo động theo chế độ đặt: ƒ Cập nhật, xử lý dữ liệu các kênh đo thông số môi trường theo vòng quét ƒ Cập nhật trạng thái các kênh đo, cảnh báo (ra đèn), báo động (ra còi) các trường hợp sự cố và vượt ngưỡng ƒ Lưu tạm thời các dữ liệu đo theo chu kỳ đặt trong cấu hình (dùng cho phát triển sau này) ‰ Hoạt động theo các chế độ làm việc: ƒ AUTO: tự động thực hiện toàn bộ các nhiệm vụ được cấu hình ƒ MAN: thực hiện các nhiệm vụ được cấu hình trừ một số chức năng được chỉ định như chức năng báo động, chức năng kiểm tra dữ liệu cấu hình. ƒ TEST: dùng để chạy thử nghiệm chương trình, không cho phép cập nhật và đồng bộ số liệu cấu hình với trạm thiết bị chủ (một số dịch vụ truyền thông bị cấm hoạt động) Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 27 ‰ Thực hiện chức năng truyền thông và chức năng trạm thiết bị cung cấp dịch vụ cho trạm chủ truy cập sử dụng: ƒ Qua đường mạng RS485 theo giao thức chuẩn hóa Profibus-DP ƒ Qua đường truyền RS232 (+Modem) cho phép kết nối trạm thiết bị đo với trạm chủ khi không thực hiện được qua mạng cáp RS485 riêng. ‰ Giao diện HMI tại chỗ: cho phép thay đổi cấu hình kênh đo và ngưỡng cảnh báo báo động (chỉ dùng đối với loại thiết bị đo có trang bị phần cứng HMI) ‰ Các chức năng riêng khác: chủ yếu là các chức năng về điều khiển và các chế độ hoạt động đặc biệt được phát triển tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Trên cơ sở đó, phần mềm hệ thống được thiết kế phân thành các module chức năng có nhiệm vụ xử lý các nhiệm vụ riêng biệt. Các module này được xây dựng tổng quát và nối ghép với nhau để tạo thành chương trình xử lý hệ thống. Để thực hiện các chức năng cơ bản trên các trạm đo có cấu hình phần cứng khác nhau chỉ cần thông qua đặt lại cấu hình (có thể đặt từ trạm chủ) mà không cần phải can thiệp vào chương trình điều hành trên trạm thiết bị đo. Tuy nhiên đối với các chức năng riêng biệt cần phải nạp riêng các module phần mềm xử lý các chức năng này. ™ Cấu trúc CSDL chung trên các trạm thiết bị phân tán (DP-Slave) Do cách thiết kế phần mềm xử lý tổng quát như trên nên đòi hỏi CSDL phải được thiết kế sao cho có cấu trúc được đặc tả rõ ràng và thống nhất để sử dụng trên tất cả các trạm thiết bị đo phân tán. Việc thống nhất này không nhất thiết là CSDL phải có độ dài như nhau tuy nhiên các quy định về thứ tự và cấu trúc các trường phải được đặc tả thống nhất. 4. Thiết kế các trạm thiết bị phân tán dùng PLC 4.1. Phần cứng trạm thiết bị phân tán dùng PLC : Sơ đồ trạm thiết bị phân tán dùng PLC Thiết kế chung của các trạm thiết bị này được phân thành các khối như sau: Profibus DP Đầu đo đơn thông số Đầu đo đa thông số Các thiết bị vào ra số CPU 224/226 EM 277 EM 235 Phân kênh RS232 OP Panel Phân kênh Analog Ghép nối công suất DP-Master Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 28 − Khối xử lý trung tâm sử dụng PLC S7-200 (CPU 224/226) là loại PLC phiên bản mới của Siemens có bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tăng lên đáng kể so với các phiên bản CPU trước (CPU 214/216). − Khối các đầu vào/ra số được thiết kế nối ghép với các thiết bị như Rơle và khởi động từ để thực hiện điều khiển và giám sát các đối tượng bên ngoài như máy sục khí, van… − Khối ghép nối với màn hình hiển thị và điều khiển cho phép người dùng có thể thao tác với thiết bị. − Khối thực hiện trao đổi và nhận dữ liệu từ đầu đo đa thông số cho phép 4/8 đầu đo đa thông số cùng 8 đầu đo đơn thông số có thể cùng hoạt động (có thể mở rộng tới 8/16 đầu đo đa và 16 đầu đo đơn thông số môi trường). − Khối thực hiện nhận dữ liệu từ đầu đo tương tự thông qua module EM235 và module phân kênh analog cho phép max 8 đầu đo có thể cùng hoạt động. − Khối thực hiện trao đổi với trạm chủ DP-Master thông qua module EM227 kết nối với mạng Profibus DP. ™ Cấu hình trạm thiết bị VIAG-DPS06.01 ƒ Module CPU 226 ƒ Module truyền thông Profibus-DP EM277 ƒ Module đầu vào tương tự EM235 ƒ Module chuyển đổi RS485/RS232 và thực hiện phân kênh RS232 ƒ Module thực hiện phân kênh tương tự ƒ Màn hình hiển thị OP3 ™ Trạm thiết bị VIAG-DPS06.02 Trạm thiết bị này được thiết kế dựa trên trạm VIAG-DPS06.01 tuy nhiên PLC được sử dụng là loại CPU 224 có các thông số kỹ thuật như sau: ƒ 1 cổng RS485 cho phép kết nối PPI/MPI ƒ 14 đầu vào số số 24VDC ƒ 10 đầu ra số 24VDC ƒ Bộ nhớ chương trình 8kB, bộ nhớ dữ liệu 5kB 4.2. Phần mềm trạm thiết bị phân tán dùng PLC Chương trình phần mềm được xây dựng tổng quát và áp dụng cho cả hai trạm thiết bị VIAG-DPS06.01 và VIAG-DPS06.02 tùy vào ứng dụng cụ thể mà có thể lược bớt một số chức năng. Ngoại trừ chức năng giao tiếp với trạm chủ cấp vùng theo giao thức riêng tích hợp trong thiết bị VIAG-DPS06.01, các chức năng khác được thiết kế gồm: − Chức năng cập nhật giá trị DL các kênh đo − Chức năng đưa ra cảnh báo, báo động − Chức năng lưu trữ dữ liệu − Chức năng kiểm soát các đầu vào và ra số − Chức năng giao tiếp với Master thông qua cổng DP Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 29 ™ Hoạt động của chương trình ‰ Kiểm tra cấu hình hệ thống: kiểm tra cấu hình phần cứng hệ thống, kiểm tra bộ nhớ, CPU, các nối ghép, … ‰ Đặt các giá trị khởi tạo: khởi tạo các Timer, các ngắt. ‰ Đọc giá trị các kênh đo: đọc giá trị các kênh đo tương tự và số (theo cầu hình được xác định từ trên Master), xử lý và đưa vào vùng bộ nhớ hiện thời. ‰ Xử lý dữ liệu nhận được theo cấu hình: Lưu trạng thái của các kênh đo và thông số đo theo như cầu hình. ‰ Cảnh báo, báo động, điều khiển: Đưa ra cảnh báo, báo động và đưa ra các lệnh điều khiển các đối tượng bên ngoài. ‰ Xử lý giao tiếp với DP-Master: thực hiện các quá trình trao đổi các dịch vụ, yêu cầu với trạm chủ DP-Master. ‰ Xử lý giao tiếp với OP/TP: thực hiện xử lý số liệu nhận từ OP/TP đáp ứng các yêu cầu. Đưa ra hiển thị các thông số đo, trạng thái… ‰ Thực hiện lưu trữ dữ liệu theo bài: thực hiện lưu trữ tại chỗ giá trị dữ liệu thông số đo. Các ngắt được sử dụng: Trong chương trình trên PLC sử dụng 2 ngắt INT0 và INT1 để thực hiện việc giao tiếp với các đầu đo đa thông số. 5. Thiết kế các trạm thiết bị phân tán dùng vi điều khiển Các trạm thiết bị VIAG-DPS06.03 và VIAG-DPS06.04 được thiết kế dựa trên họ vi điều khiển 8051 (trong thiết kế sử dụng vi điều khiển 80C32). Việc xây dựng các trạm thiết bị dựa trên vi điều khiển cho phép giá thành thiết bị giảm hơn so với việc dùng PLC và cho phép mở rộng dung lượng bộ nhớ lên đáng kể. Điều này cho phép có thể thực hiện được việc lưu trữ dữ liệu tạm thời trên trạm DP-Slave lớn hơn so với PLC. 5.1. Phần cứng trạm thiết bị phân tán dùng vi điều khiển : Sơ đồ trạm thiết bị phân tán sử dụng Vi điều khiển Profibus DP Các thiết bị vào ra số Đầu đo đa thông số Đầu đo đơn thông số Module IM183-1 Module RSModule vào/ra số Module Phân kênh RS232 Module Bàn phím và hiển Khuếch đại công suất DP_Master RS232/ DP Module Phân kênh Analog Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 30 ™ Trạm thiết bị VIAG-DPS06.03 Trạm thiết bị VIAG-DPS06.03 được thiết kế với thiết bị sau: ‰ Khối xử lý trung tâm là module IM183-1 ‰ Khối đầu vào ra số cho phép kết nối max 8 đầu vào số và 8 đầu ra số. Các đầu vào ra số được thiết kế nối ghép với các thiết bị như Rơle và khởi động từ để thực hiện điều khiển và giám sát các đối tượng bên ngoài như máy sục khí, van… ‰ Khối thực hiện trao đổi và nhận dữ liệu từ đầu đo đa thông số cho phép 4 đầu đo đa thông số có thể cùng hoạt động (có thể mở rộng tới 8 đầu). ‰ Các thiết bị cảnh báo còi, đèn. ™ Trạm thiết bị VIAG-DPS06.04 Trạm thiết bị VIAG-DPS06.04 được thiết kế dựa trên trạm thiết bị VIAG-DPS06.03 nhưng có mở rộng thêm: ‰ Khối thực hiện nhận dữ liệu từ đầu đo tương tự cho phép max 8 đầu đo có thể cùng hoạt động (có thể mở rộng đến 16 đầu đo) ‰ Khối thực hiện trao đổi với trạm chủ DP-Master được thiết kế theo hai phương án là có thể kết nối trực tiếp vào trạm DP-Master thông qua Profibus DP hoặc qua RS232 sau đó chuyển đổi sang Profibus DP qua module RS232/DP Link. ‰ Khối hiển thị và bàn phím: cho phép có thể theo dõi được số liệu các thông số đo trên các kênh đo. Các module chính: ƒ Module CPU IM183-1 ƒ Module bàn phím và hiển thị ƒ Module 8 đầu vào, 8 đầu ra số. ƒ Module 8 đầu vào tương tự ƒ Module phân kênh RS232 ƒ Module truyền thông nối tiếp RS232 5.2. Phần mềm trạm thiết bị phân tán dùng vi điều khiển Chương trình phần mềm ở đây cũng được thiết kế tổng quát cho hai trạm VIAG-DPS06.03 và VIAG-DPS06.04. ¾ Các khối chức năng Về mặt cấu trúc và chức năng của chương trình phần mềm được xây dựng cũng tương tự như đối với các trạm thiết bị sử dụng PLC tuy nhiên có một số khác biệt trong cách xử lý chương trình trên Vi điều khiển như việc sử dụng một số ngắt trong chương trình. Ngoài ra phần mềm còn có thêm chức năng xử lý bàn phím và hiển thị ra LED (đối với trạm VIAG-DPS06.04). Phần thực hiện giao tiếp với DP-Master được thiết kế theo hai phương án là giao tiếp trực tiếp qua DP (trạm thiết bị VIAG-DPS06.03) và giao tiếp thông qua cổng RS232 (VIAG-DPS06.04). Do vậy phần mềm còn được xây dựng thêm chức năng xử lý dữ liệu khi giao tiếp với DP-Master thông qua cổng nối tiếp RS232. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 31 ¾ Hoạt động của chương trình ƒ Kiểm tra cấu hình hệ thống: kiểm tra cấu hình phần cứng hệ thống, kiểm tra bộ nhớ, CPU, các nối ghép, … ƒ Đặt các giá trị khởi tạo: khởi tạo các Timer, các ngắt,… ƒ Đọc giá trị các kênh đo: đọc giá trị các kênh đo tương tự và số (theo cấu hình được xác định từ trên Master), xử lý và đưa vào vùng bộ nhớ hiện thời. ƒ Xử lý dữ liệu nhận được theo cấu hình: Lưu trạng thái của các kênh đo và thông số đo theo như cầu hình. ƒ Cảnh báo, báo động, điều khiển: Đưa ra cảnh báo, báo động và đưa ra các lệnh điều khiển các đối tượng bên ngoài. ƒ Xử lý giao tiếp với DP-Master: thực hiện các quá trình trao đổi các dịch vụ, yêu cầu với trạm chủ DP-Master. ƒ Hiển thị thông số đo: Xử lý bộ đệm bàn phím, đưa ra hiển thị kênh đo, thông số đo và giá trị của thông số tương ứng. ƒ Xử lý giao tiếp với OP/TP: thực hiện xử lý số liệu nhận từ OP/TP đáp ứng các yêu cầu. Đưa ra hiển thị các thông số đo, trạng thái… ƒ Thực hiện lưu trữ dữ liệu theo bài: thực hiện lưu trữ tại chỗ giá trị thông số đo. V. THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA CẤP TRƯỜNG TRÊN PC 1. Chọn lựa môi trường phát triển phần mềm hệ thống SCADA cấp trường Phần mềm SCADA SIMATIC WinCC (Windows Control Center) là phần mềm giao tiếp Người-Máy dựa trên máy tính PC và được chạy trên nền Windows NT 4.0/Windows 2000. WinCC được thiết kế cho phép theo dõi trực quan về quá trình hoạt động và xử lí của hệ thống tự động cũng như hỗ trợ mạnh về xử lí giao diện. WinCC có đặc điểm chính sau: ‰ Khả năng cấu hình nối với nhiều máy tính theo mô hình Client-Server. ‰ Xử lí tin cậy và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu thông qua chức năng dự phòng (redundancy) ‰ Chức năng mở rộng nhờ có tích hợp thành phần ActiveX ‰ Hệ thống giao tiếp mở thông qua OPC (OLE cho điều khiển quá trình) ‰ Dễ dàng cấu hình thông qua phần mềm SIMATIC STEP7. WinCC version 6.0 là phầm mềm giao diện người máy trong môi trường hệ điều hành Window 2000 hoặc Window XP. WinCC được ứng dụng rộng rãi trong các giải pháp tự động hóa. Khác với các phiên bản trước, cơ sở dữ liệu của WinCC 6.0 dựa trên nên Microsoft SQL server 2000. Do vậy người sử dụng được cung cấp các công cụ lưu trữ, tích hợp dữ liệu của SQL. Hơn nữa việc tích hợp thêm ngôn ngữ lập trình VBScript đã làm cho WinCC 6.0 trở nên mềm dẻo hơn trong khi lập trình. Ngoài ra, trong Version 6.0 còn có nhiều điểm mới về truyền thông qua OPC, tích hợp Web và bảo mật, … do vậy nhóm thực hiện đã chọn WinCC V6.0 của hãng SIEMENS để thiết kế Phần mềm hệ thống SCADA cấp trường. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 32 2. Thiết kế các chức năng phần mềm hệ thống SCADA cấp trường Sự khác biệt giữa hệ thống cấp vùng và cấp trường thể hiện ở chỗ: hệ thống cấp trường liên quan trực tiếp tới các trạm thiết bị phần cứng, do đó chức năng chính là quản lý hệ thống tự động (giám sát, điều khiển, thu thập lưu dữ liệu, cấu hình phần cứng). Trái lại hệ thống cấp vùng liên quan chủ yếu tới việc lấy dữ liệu từ các trạm vùng hoặc nhập thủ công, thống kê, báo cáo. Do đó chức năng quản lý tự động sẽ là chính trong hệ thống cấp trường và việc thiết kế phải bảo đảm sao cho tương thích với thiết kế hệ thống trạm thiết bị phần cứng cấp dưới. 2.1. Quản lý địa điểm Một cơ sở nuôi trồng thuỷ sản thường được chia làm nhiều khu vực, mỗi khu vực lại được chia thành các khu vực nhỏ hơn. Quy ước gọi mỗi khu vực đó là một địa điểm. Như vậy địa điểm có cấu trúc cây. Đối với HMI, màn hình PC không đủ chứa tất cả sơ đồ công nghệ, vì vậy cũng cần chia nhỏ thành những sơ đồ con, mỗi sơ đồ ứng với một địa điểm. Để thuận tiện cho việc định vị các khu vực trên màn hình, ngoài những thông tin chính về địa điểm cần có thêm những thông tin về màn hình (picture hoặc screen). 2.2. Quản lý thông số môi trường Chức năng Quản lý thông số môi trường bao gồm các chức năng con sau: Cập nhật danh mục thông số thuỷ lý, thuỷ hoá Cập nhật giá trị thông số thuỷ lý, thuỷ hoá Lập báo cáo, thống kê thông số môi trường 2.3. Quản lý thông số bệnh dịch Chức năng Quản lý thông số bệnh dịch bao gồm các chức năng con sau: Cập nhật danh mục thông số bệnh Cập nhật giai đoạn nhiễm bệnh Cập nhật giá trị thông số bệnh Lập báo cáo, thống kê thông số bệnh 2.4. Quản lý nuôi trồng Chức năng Quản lý nuôi trồng bao gồm các chức năng con sau: Quản lý đối tượng nuôi Quản lý đợt nuôi (hoặc dự án) Quản lý thông số nuôi trồng Chức năng Quản lý thông số nuôi trồng bao gồm các chức năng con sau: ƒ Cập nhật danh mục thông số nuôi trồng ƒ Cập nhật giá trị thông số nuôi trồng Lập báo cáo, thống kê thông số nuôi trồng Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 33 2.5. Quản lý nhân sự 2.6. Quản lý người sử dụng 2.7. Quản lý hệ thống Chức năng Quản lý hệ thống bao gồm các chức năng con sau: Cập nhật màu hệ thống Cập nhật font hệ thống 2.8. Quản lý kết nối trạm vùng Chức năng Quản lý kết nối trạm vùng bao gồm các chức năng con sau: Cập nhật cấu hình trạm vùng: Trao đổi dữ liệu với trạm vùng 2.9. Quản lý hệ thống tự động Hệ thống tự động bao gồm hệ thống trạm chủ có khả năng điều hành maximum 32 trạm phân tán qua mạng RS485. Trạm thiết bị đầu cuối (trạm phân tán) có khả năng giao diện xử lý maximum 16 đầu đo. Chức năng Quản lý hệ thống tự động bao gồm các chức năng con sau: Cập nhật thông tin, cấu hình trạm Master Cập nhật thông tin, cấu hình trạm Slave Cập nhật thông tin, cấu hình kênh đo thông số Cập nhật thông tin, cấu hình kênh digital IQ Cập nhật thông tin, cấu hình Sensor Cập nhật thông số đo của Slave Cập nhật thông tin, cấu hình thiết bị Quản lý lưu tự động Chức năng Quản lý lưu tự động bao gồm các chức năng con sau: ƒ Cập nhật nhóm kênh đo thông số ƒ Cập nhật các kiểu lưu ƒ Cập nhật bài lưu tự động ƒ Lưu tự động giá trị thông số đo theo bài ƒ Lưu tự động cảnh báo, báo động, sự kiện, sự cố Hiển thị giá trị thông số online Hiển thị trạng thái thiết bị Hiển thị trạng thái thiết bị kênh IQ Đồ thị giá trị thông số online Cảnh báo, báo động Chức năng Cảnh báo, báo động bao gồm các chức năng con sau: Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 34 ƒ Cập nhật cấu hình hiện tự động cảnh báo, báo động, sự cố ƒ Cảnh báo vượt ngưỡng thông số đo ƒ .Báo động vượt ngưỡng thông số đo ƒ Thông báo tự động sự cố từ kênh IQ ƒ Thông báo tự động sự cố khác ƒ Lập báo cáo thống kê cảnh báo, báo động thông số vượt ngưỡng ƒ Lập báo cáo thống kê sự kiện, sự cố Điều khiển 2.10. An toàn cơ sở dữ liệu Chức năng này thực hiện nhiệm vụ sao lưu và phục hồi cơ sở dữ liệu (sử dụng công cụ sẵn có của hệ quản trị CSDL). 3. Giới thiệu một số chức năng chính đã xây dựng của phần mềm SCADA cấp trường 3.1. Sơ đồ kết nối hệ thống Màn hình giám sát chung toàn bộ hệ thống và các menu. Có thể giám sát các giá trị thông số hiện thời, cảnh báo, báo động và trạng thái thiết bị 3.2. Hiển thị giá trị thông số online và cảnh báo, báo động vượt ngưỡng, sự cố đường truyền. Chức năng này cho phép hiển thị tập trung giá trị hiện thời của tất cả hoặc một số thông số cần quan tâm. Trên cửa sổ này người sử dụng cũng có thể theo dõi được các cảnh báo, báo động thông số vượt ngưỡng hoặc lỗi đường truyền theo các màu sắc quy định tuỳ chọn 3.3. Cập nhật nhóm kênh đo Mỗi bài lưu bao gồm một số kênh đo nhất định. Chức năng cho phép quy định một tập hợp các kênh cần đo trong một bài lưu. 3.4. Cập nhật kiểu lưu Công việc lưu trữ thực tế thường diễn ra theo quy định về thời gian, ví dụ một ngày lưu 2 lần, một tuần lưu một lần,…Do đó chức năng này giúp người sử dụng đặt thời gian cho các bài lưu tự động. 3.5. Cập nhật bài lưu Bài lưu là một thời gian biểu cho hệ thống tự động quy định các kênh cần đo và thời điểm cần đo. Trên thực tế, việc đo các thông số môi trường thường phục vụ một đợt nuôi một số loài, hoặc một đợt thí nghiệm nên tạo các bài lưu tự động là rất cần thiết phục vụ đúng mục đích cụ thể 3.6. Lưu tự động giá trị thông số theo bài Màn hình cho phép hiển thị các bài lưu đang được kích hoạt Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 35 3.7. Đồ thị giá trị thông số online Hiển thị giá trị tức thời của các thông số môi trường, mỗi thông số có một tỷ lệ vẽ riêng, được phân biệt bằng các trục toạ độ khác nhau và màu sắc khác nhau. Đồ thị có thể co dãn, phóng to thu nhỏ tuỳ ý. Hệ thống SCADA đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản VIELINA – Tel. (04) 7.164 855 36