Xây dựng hệ thống Scada hệ mẫu trong dây chuyền sản xuất bia chất lượng cao

Abstract
Building SCADA for brewhouse uses S7-300 and WinCC will help us can raise flexible production, ability monitor, store data, warning and defind exact error with interface very friendly. PLC is programed follow technology process. It is simulated with WinCC program and PLCSim.

1. Đặt vấn đề
Hiện nay, hầu hết tất cả các nhà máy bia đều sử dụng phần mềm chuyên dụng là Braumat. Đây là phần mềm được xây dựng bởi hãng Siemens và được tích hợp những tính năng điều khiển theo mẻ, đối tượng là các nhà máy Bia. Do đó việc áp dụng WinCC vào việc xây dựng hệ thống SCADA sẽ thay thế cho phần mềm Braumat. Chúng ta sẽ chuyển từ thế bị động phụ thuộc sang thế làm chủ toàn bộ công nghệ. Từ đó ta có thể nâng cấp, sửa chữa sao cho theo kịp sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đảm bảo nhà máy luôn có thể đáp ứng được những yêu cầu ngày càng tăng về số lượng và khắt khe về chất lượng.
2. Xây dựng hệ thống SCADA sử dụng PLC S7-300 và WinCC
Trong một hệ thống nấu bia có nhiều công đoạn khác nhau. Do đó có thể áp dụng phương pháp điều khiển phân tán. Tuy nhiên, vì giới hạn bài viết nên ở đây chỉ đưa ra vấn đề hai nồi nấu trong hệ nấu để làm minh họa.
Từ những cấu hình phần cứng có sẵn ta có thể phân bố địa chỉ cho từng module và cấu hình phần cứng cho PLC như sau:
Trong quá trình sản xuất, việc đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru không bị ngắt quãng là việc vô cùng quan trọng vì sản phẩm đầu ra có đạt được chất lượng cao hay không  phụ thuộc rất lớn vào việc quá trình đó có tuân thủ chặt chẽ theo công nghệ hay không. Đối với  sản xuất bia cũng phải đạt được yêu cầu như trên, nếu một thiết bị nào đó bị hỏng sẽ làm cho toàn bộ quá trình sản xuất cũng bị dừng lại, và điều chắc chắn là sẽ gây ra tổn thất không nhỏ. Do đó chúng ta phải xây dựng một hệ thống dự phòng. Và việc xây dựng hệ thống dự phòng đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu về hệ thống và các thiết bị công nghệ trong hệ thống. Dự phòng có thể bao gồm chia thành các loại sau:

Hình 1. Phân bố địa chỉ cho từng module cho hai nồi nấu

Hình 2. Cấu hình phần cứng cho PLC

a. Dự phòng toàn diện

Hình 3. Dự phòng toàn diện

WinCC cung cấp một chức năng rất đặc biệt và hiệu quả để thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát đạt được độ tin cậy cao đó là chức năng Redundancy. Với chức năng Redundancy hệ thống tự động được điều khiển bằng cách chạy song song hai Server để điều khiển cũng như thu thập dữ liệu, xử lý và điều khiển hoạt động của các PLC hay RTU. Như vậy trong hệ thống luôn có ít nhất 2 server đồng thời giám sát quá trình hoạt động của nhau, và điều này làm cho các server nhận biết được server đang chạy song song với nó có bị lỗi hay không. Nếu có một server bị lỗi, những client sẽ tự động chuyển từ server đang ở chế độ master sang server đang ở chế độ standby. Kết quả là tất cả các client luôn làm việc và có giá trị trong suốt quá trình điều khiển và giám sát hệ thống. Sau khi server bị lỗi được khôi phục trở lại thì nó sẽ ở chức năng standby, nội dung của tất cả các thông báo, những giá trị xử lý được copy từ master server đến standby server. Lúc này master server và standby server đều tham gia vào quá trình thu thập, xử lý dữ liệu và điều khiển hoạt động của hệ thống.
3. Thiết kế giao diện
Giao diện HMI sẽ giúp nhân viên vận hành điều khiển và giám sát một cách chặt chẽ và tổng quan nhất quá trình hoạt động của toàn bộ dây chuyền. Do đó việc thiết kế giao diện sao cho người dùng dễ nắm bắt vấn đề, đầy đủ thông tin và có thể xử lý được một cách nhanh chóng nhất, tránh tình trạng ảnh hưởng đến chất lượng sản xuất. 
Với giao diện điều khiển ngoài việc hiển thị đầy đủ các thông số quá trình sản xuất, nó còn bổ sung thêm chức năng cảnh báo bằng hình ảnh. Đây là phương pháp sử dụng ngày càng rộng rãi giúp người vận hành có thể biết được vấn đề đang xảy ra ở đâu, thiết bị nào và phương pháp xử lý. Khi một lỗi nào đó xảy ra trong hệ thống, ví dụ như tín hiệu từ hệ thống yêu cầu van cấp nước CIP mở, nhưng trong khoảng một thời gian cho phép mà hệ thống không thấy có tín hiệu phản hồi báo rằng van đã thực hiện yêu cầu. Khi đó trên màn hình hiển thị sẽ báo lỗi và hiển thị hình của van bị lỗi. Đồng thời có thể hiển thị subcode để chỉ thị van nào trong hệ thống bị lỗi. 
Ngoài ra, hệ thống cũng cung cấp đầy đủ các tính năng cơ bản của hệ thống:
l Bảo vệ tự động: Đưa ra các cảnh báo hoạt động, báo động khi có sự cố.
l Lưu trữ, báo cáo và thống kê: Cập nhật dữ liệu về trạng thái và lưu trữ lại các giá trị sản xuất.

Hình 8. Giao diện khi có lỗi xảy ra.

Hình 7. Giao diện điều khiển hai nồi nấu

4. Kết luận
Việc thiết kế hệ thống SCADA với đầy đủ các chức năng là rất cần thiết đảm bảo cho việc dễ dàng bảo trì bảo dưỡng, giảm sự cố xảy ra do có chức năng cảnh báo, hiển thị trực quan cho người vận hành, tránh được những hỏng hóc dẫn đến dừng dây chuyền do chủ quan của người vận hành. Ngoài ra, chúng ta còn có thể sử dụng thêm các module truyền thông để có thể gửi email, tin nhắn qua điện thoại hoặc quản lý từ xa qua Ethernet. Khi đó, người có thẩm quyền cao hơn có thể quyết định xử lý kịp thời các lỗi xảy ra giúp quá trình sản xuất không bị gián đoạn.
Tài liệu tham khảo:
1. Đinh Văn Nhã … “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp đặt và hiện đại hóa các Hệ thống thiết bị sản xuất bia chất lượng cao…” Công trình Giải thưởng VIFOTEC –năm 2000.
2. Hệ Điều khiển  phần mềm Braumat.
3. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với SIMATIC S7-300, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội
4. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống Điều khiển quá trình, NXB Bách khoa – Hà Nội.
5. Các tài liệu của SIEMEN, Configuring Hardware with STEP 7, PID Control http://a2s.vn

One Key Services