Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và điều khiển dự phòng hệ thống điện

I H C QU C GIA THÀNH PH H CHÍ MINH TR NG I H C BÁCH KHOA TR NG V N QU C NGHIÊN C U VÀ XÂY D NG GI I THU T THU TH P D VÀ I U KHI N D LI U PHÒNG H TH NG I N CHUYÊN NGÀNH: THI T B , M NG VÀ NHÀ MÁY I N LU N V N TH C S TP H CHÍ MINH – 6/2014 i CƠNG TRÌNH TR NG C HOÀN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA I H C QU C GIA TP H Cán b h ng d n khoa h c: TS TR CHÍ MINH NG ÌNH CHÂU Cán b ch m nh n xét : Cán b ch m nh n xét : Lu n v n th c s TH C S TR NG cb ov t iH I NG CH M B O V LU N V N I H C BÁCH KHOA, ngày tháng n m… ii TR C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM NG H BÁCH KHOA PHÒNG ÀO T O SAU c L p – T Do – H nh Phúc IH C -o0o C n Th , ngày … tháng … n m 2014 NHI M V LU N V N TH C S H tên h c viên: Tr ng V n Qu c Phái: Nam Ngày, tháng, n m sinh: 06/08/1984 N i sinh: V nh Long Chuyên ngành: Thi t b , M ng Nhà máy i n MSHV: 10180114 1- TÊN TÀI: Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n 2- NHI M V LU N V N: Tìm hi u c ch , c u trúc, nguyên lý d phòng c p i u n c p SCADA Thi t l p c u hình thi t b I/O Server, chu n truy n thông, m ng LAN cho h th ng d phòng i u n hai c p Xây d ng gi i thu t l p trình d phịng cho hai c p i u n SCADA 3- NGÀY GIAO NHI M V : 01/05/2013 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 23/12/2013 5- H VÀ TÊN CÁN B N i dung CÁN B H c H NG D N: TS TR ng Lu n v n th c s NG D N (H tên ch ký) ã cH i CH NHI M B NG ÌNH CHÂU ng Chun Ngành thơng qua MƠN KHOA QL QU N LÝ CHUYÊN NGÀNH CHUYÊN NGÀNH (H tên ch ký) (H tên ch ký) iii L IC M c Nhà Tr v i s h N ng – B môn H Th ng i n giao nhi m v ng d n t n tình c a quý th y TS Tr Châu, em ã th c hi n ng ình tài: “Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n” Tuy nhiên v i th i gian nh n th c h n ch nên khơng th tránh kh i nh ng thi u xót h n, r t mong nh n tài c hoàn thi n c s góp ý c a quý th y cô b n Qua ây em c ng xin g i l i c m n tài c n quý th y cô ã truy n th cho em nh ng ki n th c quý báo su t trình h c t p t i tr n th y TS Tr ng c bi t em xin g i l i c m n chân thành ng ình Châu ã h t s c nhi t tình h ng d n, ng viên, t o i u ki n cho em hoàn thành lu n án t t nghi p Sau cùng, xin g i l i c m n ng n gia ình, b n bè, nh ng i quan tâm, ch m sóc, giúp , ng viên tơi su t nh ng n m tháng qua C n Th , ngày 23 tháng 06 n m 2014 Tr ng V n Qu c iv TÓM T T LU N V N V i s phát tri n c a xã h i ngày h th ng t nghi p ngày xâm nh p vào i s ng ng nhu c u i u n ngày cao v ch t l ng, n ng hóa cơng i nhi u h n Vì v y, áp ng nh h th ng r t quan tr ng H th ng giám sát, i u n thu th p d li u, h th ng i u n a c p c s d ng r ng rãi nhà máy, xí nghi p tồn th gi i Ki m soát, giám sát i u n c c i ti n, cung c p tính n ng c b n nâng cao hi u qu n ng su t s n xu t Vì v y, nghiên c u công ngh ng d ng h th ng i u n t ng, c bi t nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n r t c n thi t nh m em l i m t h th ng i u n hoàn ch nh, ho t ng n nh, gi m thi u th i gian ch s a ch a thi t b h h ng Do ó lu n v n tìm hi u gi i quy t v n sau: Tìm hi u khái ni m d phòng (Redundancy) c p i u n Tìm hi u c ch , c u trúc, nguyên lý d phòng c p i u n c p SCADA Thi t l p c u hình thi t b Server, chu n truy n thông, m ng LAN… cho h th ng d phòng i u n a c p Trên giao th c truy n thông Modbus TCP/IP, s d ng cơng c l p trình Uinity Pro xây d ng óng gói th vi n hàm truy n thông, b Timer, Counter… l p trình t o h th ng d phịng cho thi t b i u n g m hai PLC M t PLC óng vai trị Primary, PLC cịn l i óng vai trị Stanby PLC Stanby s liên t c c p nh t d li u t Primary PLC s n sàng m nh n vai trị i u n n u có s c x y v i Primary PLC Xây d ng c u trúc d phòng cho c p SCADA: tra áp ng h th ng chuy n ng d ng ph n m m i t tr ng thái Primary sang Stanby ng ki m c l i i v M CL C NHI M V LU N V N TH C S ii L I C M N iii TÓM T T LU N V N iv M C L C v PH L C HÌNH ix PH L C B NG xii DANH M C T CH VI T T T xiii NG 1: GI I THI U TÀI 1.1 KHÁI NI M CHUNG V D PHÒNG 1.2 H TH NG I U KHI N A C P 1.2.1 Các k thu t d phòng 1.2.2 H th ng i u n a c p 1.3 GI I PHÁP D PHÒNG TRONG H TH NG I U KHI N A C P 1.3.1 D phòng thi t b 1.3.2 D phòng i u n c p SCADA 1.3.3 D phòng m ng truy n thông 11 1.4 C U TRÚC T NG QUÁT C A H TH NG D 1.5 GI I THI U M T S H TH NG D PHỊNG PHỊNG NĨNG 13 NG D NG TRONG CÔNG NGHI P 15 1.5.1 H th ng i u n có d phòng cho h th ng n ng l ng giàn WID 40.000 15 1.5.2 H th ng i u n có d phịng cho h th ng n ng l ng giàn công ngh trung tâm CTK3 15 1.6 K T LU N 16 vi CH NG 2: XÂY D NG GI I THU T D PHÒNG CHO CÁC C P TRONG H TH NG 17 2.1 CÁC THÀNH PH N S D NG TRONG H TH NG 17 2.1.1 PREMIUM PLC 17 2.1.2 Ethernet ETY Port module 18 2.1.3 D ch v TCP/IP messaging 18 2.1.4 M t s l nh truy n thông h tr b i d ch v TCP/IP messaging 19 2.1.5 D ch v I/O scanning 23 2.1.6 D ch v Global Data 24 2.2 CHU N TRUY N THÔNG MODBUS TCP/IP 25 2.3 XÂY D NG GI I THU T D PHÒNG C P I U KHI N 28 2.3.1 C u trúc ph n c ng 28 2.3.2 C u trúc ph n m m 30 2.3.3 Ki m tra tr ng thái ho t 2.3.4 Gi i thu t hàm CH NG 3: D PHÒNG ng c a PLC Primary 34 ng b hóa Counter 54 C P SCADA 60 3.1 GI I THI U 60 3.2 C U TRÚC SERVER C A CITECT 62 3.2.1 Các server m t h th ng SCADA Citect 62 3.2.2 Các ki n trúc c a h th ng SCADA Citect 68 3.3 CITECT SCADA REDUNDANCY 74 3.3.1 Disk I/O device redundancy 74 3.3.2 I/O Server redundancy 75 3.3.3 Citect Server redundancy 79 CH NG 4: XÂY D NG H TH NG D PHÒNG 81 vii 4.1 XÂY D NG C U TRÚC H TH NG 81 4.2 VAI TRÒ, CH C N NG C A CÁC THI T B 82 4.2.1 Ethernet distributed I/O 82 4.2.2 Primary PLC 83 4.2.3 Standby PLC 83 4.2.4 Primary server 84 4.2.5 Standby server 84 4.2.6 Display client 84 4.3 K T H P D PHÒNG C P I U KHI N VÀ C P SCADA 84 4.4 XÂY D NG CÁC HÀM QUAN TR NG IV ID PHÒNG C P PLC 87 4.4.1 Hàm ki m tra truy n thông 87 4.4.2 Hàm health_checking 88 4.4.3 Hàm RTON 89 4.4.4 Hàm RTOF 91 4.4.5 Hàm RCTU 92 4.4.6 Hàm RCTD 94 4.4.7 Hàm RCTUD 96 4.5 XÂY D NG SCADA REDUNDANCY 98 4.5.1 I/O server redundancy 98 4.5.2 Disk I/O device redundancy 99 4.5.3 Real PLC redundancy (Premium PLC redundancy) 101 CH NG 5: T NG K T, ÁNH GIÁ TÀI 105 5.1 T NG K T 105 5.1.1 Ch t l ng c a h th ng 105 viii 5.1.2 Nh 5.2 H c i m c a h th ng 107 NG PHÁT TRI N C A TÀI 108 TÀI LI U THAM KH O 111 LÝ L CH TRÍCH NGANG 112 ix PH L C HÌNH Hình 1.1: D phịng cho ngu n i n Hình 1.2: D phịng m ng máy tính Hình 1.3: H th ng i u n a c p Hình 1.4: H th ng ch có m t b i u n Hình 1.5: H th ng có nhi u h n b i u n Hình 1.6: H th ng i u n khơng có tin c y cao 10 Hình 1.7: H th ng i u n v i server 11 Hình 1.8: H th ng ch có m t m ng LAN 12 Hình 1.9: H th ng d phịng m ng truy n thơng 13 Hình 1.10: C u trúc d phịng nóng 14 Hình 2.1 : PLC Premium 17 Hình 2.2: C ch ho t ng c a I/O scanning 24 Hình 2.3 Global client 24 Hình 2.4: C u trúc ph n c ng h th ng d phòng 30 Hình 2.5: Ho t ng c a Primary Stanby PLC 32 Hình 2.6: C u trúc ch ng trình 34 Hình 2.7: C u trúc h th ng PLC redundancy 35 Hình 2.8: Gi i thu t heartbeat 36 Hình 2.9: CPU Primary PLC b l i ho c không ho t ng 38 Hình 2.10: Module ETY c a Primary PLC b l i 39 Hình 2.11: Cable n i t i ETY c a Primary PLC b l i 40 Hình 2.12: Gi i thu t Switch over 41 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n Hình 4.8 Redundant counter down 4.4.7 Hàm RCTUD (Redundant Counter Up Down) Hàm RCTUD có ch c n ng t ng t nh hàm CTUD Các ngõ vào, ngõ nh ta ã bi t hàm CTUD k t h p gi a CTU CTD ó xây d ng RCTUD ta th y gi i thu t t ng t nh xây d ng hàm RCTD nên t ng ig n h n GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng ình Châu ng V n Qu c 96 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n Bi n, tham s Ki u bi n Ngõ vào/ ngõ CD Bool Ngõ vào Nh ngõ vào CD c a CTUD CU Bool Ngõ vào Nh ngõ vào CU c a CTUD R Bool Ngõ vào Nh ngõ vào R c a CTUD LD_ENB Bool Ngõ vào Nh ngõ vào LD c a CTUD Chú thích Update b ng m t chu k Update Bool Ngõ vào master task Standby PLC m nh n vai trò i u n INT, DINT PV UINT, Ngõ vào Gi ng nh ngõ vào PV c a CTUD UDINT Giá tr hi n t i c a counter Giá INT, DINT CV UINT, tr v a ngõ vào update Ngõ vào, ng th i dung ng b d li u gi a Primary PLC UDINT Standby PLC QU Bool Ngõ vào, QD Bool Ngõ vào, Ngõ up c a timer, ch c n ng gi ng nh QU c a CTUD Ngõ down c a timer, ch c n ng gi ng nh QD c a CTUD B ng 4.7: Ngõ vào c a hàm RCTUD GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng ình Châu ng V n Qu c 97 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n L u ý s d ng hàm RCTUD: Khai báo giá tr bi n PV, CV Tùy theo dùng ki u INT hay DINT mà c ch a m t ô nh %MW hay hai ô nh %MWn %MWn+1 m i bi n c n M c tiêu sau c n ph i c p nh t giá tr c a PV, CV ó giá tr c a PV, CV ph i c ng b gi a Primary PLC Standby PLC Ngoài s d ng ngõ vào ngõ l i t ng t s d ng hàm CTUD c a nhà s n xu t Hình 4.9 Redundant counter up down 4.5 XÂY D NG D PHÒNG C P SCADA 4.5.1 D phòng I/O server Yêu c u c a vi c xây d ng d phịng I/O server ó có t i thi u hai máy tính n i m ng LAN v i Trong h th ng, hai máy tính ó có a ch IP l n l t GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng ình Châu ng V n Qu c 98 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n Hình 4.10 C u hình network addresses IO server cho h th ng C u hình network address Name Addresses Comment PC1 Station 192.168.1.81 PC used to set up Primary I/O server PC2 Station 192.168.1.82 PC used to set up Stanby I/O server B ng 4.8 C u hình cho network addresses C u hình cho I/O server redundancy Server Network name addresses Cluster IO Server_P Station Primary IO server Standby IO server Cluster IO Server_S Station Standby IO server Cluster Primary IO server Comment B ng 4.9 C u hình cho I/O server redundancy 4.5.2 D phịng Disk I/O device Trong h th ng ôi lúc ng nh ng tag i l p trình c n ph i dùng n nh ng bi n t m, c n l p trình mơ ph ng h th ng, nh ng tag không h n c n thi t ph i l y t RTU (PLC) Disk I/O device m t gi i pháp cho v n GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng ình Châu ng V n Qu c C ng 99 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n t ng t nh External PLC hay g i real PLC, h th ng n nh c n ph i xây d ng d phòng Disk I/O device v i nh ng thu c tính theo b ng sau: Primary Disk IO Primary Disk IO Server name IOServer_P IOServer_S Name DiskPLC_P DiskPLC_S Number 1 Addresses [RUN]:DiskPLC_CDK [RUN]:DiskPLC_CDK Protocol Generic Generic Port Name DISKDRV DISKDRV Statup mode Primary Standby Priority Comment Primary Disk I/O device Standby Disk I/O device B ng 4.10 C u hình Disk I/O device redundancy C u hình cho redundant Disk I/O device Citect Project editor Nh n thêm F2 GVHD: TS Tr HVTH: Tr Communication th y ng ình Châu ng V n Qu c I/O devices c ph n c u hình m r ng 100 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n Hình 4.11 C u hình cho Disk I/O device redundancy 4.5.3 Real PLC redundancy (Premium PLC redundancy) M i I/O server (Primary I/O server hay standby I/O server) c n ph i có hai ng d n d li u k t n i v i hai Premium PLC (Primary PLC Standby PLC) th c hi n i u ta ph i khai báo b n I/O device có s hi u (number) I/O device nhiên khác v u tiên Do tính ch t c a d phịng, có ngh a m c tiêu ng d n d li u u m c tiêu truy n d li u t m t ngu n d li u ng ình Châu 101 GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng V n Qu c Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n PLC v m t I/O server ó ch có m t s hi u mà Priority xác u tiên data path trao theo ng i d li u gi a server I/O device Vi c quy i s d ng Theo c u hình này, m i kh i li u gi a I/O server I/O device trao server Primary Premium PLC Khi u tiên t nh n l n mà I/O s quy device Giao th c truy n thông i qua nh th t ng u tiên tùy ng h th ng, trao id ng d li u gi a Primary I/O ng d n d li u b s c theo th t nh I/O server trao i d li u v i I/O ây giao th c MODNET hay g i modbus n n Ethernet Primary PLC Standby PLC Standby PLC Standby PLC Server Name IOServer_P IOServer_P IOServer_S IOServer_S Name PrePLC_P PrePLC_S1 PrePLC_S2 Number 2 2 Protocol Port Name Statup mode Priority Comme nt MODNET PORT1_BOAR D1 MODNET PORT2_BOAR D1 MODNET PORT1_BOAR D1 MODNET PORT2_BOAR D1 Primary Standby Standby Standby Primary PLC Standby PLC1 Standby PLC2 Standby PLC3 PrePLC_S3 B ng 4.11 B ng c u hình Real PLC redundancy Yêu c u c a h th ng g m Hi n th tr ng thái óng c t thi t b Tr ng thái c a c p i n cho t i (LOAD) B ng hi n th giá tr ng thái i u n PLC (Primary PLC hay Standby PLC) B ng hi n th giá tr realtime clock GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng ình Châu ng V n Qu c 102 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n CH NG T NG K T, ÁNH GIÁ 5.1 TÀI T NG K T T k t qu nghiên c u, phát tri n ng d ng, tài ã t c nh ng k t qu sau: Gi i quy t cm ts v n c b n h th ng redundancy ó tốn v ki m tra i u ki n switch over toán Ph Switch over, ng pháp c u trúc ch ng b d li u ng trình, gi i thu t phát hi n i u ki n ng b d li u nh ng gi i pháp m v i nh ng công c c b n nh t mà h u h t dòng s n ph m c b n th tr ph i s d ng m t ph ng pháp ng t ng hóa h tr mà khơng c bi t h tr c a dòng s n ph m Schneider Tuy nhiên n u s d ng m t s dòng s n ph m PLC c p cao tr lên s làm gi m th i gian l p trình c a ng Ví d : i thi t k r t nhi u i v i toán gian c ng nh t n b nh ch ng b d li u, ng ng trình i l p trình ph i m t nhi u th i vi t l nh ng b d li u ó dịng PLC cao c p c a hãng Schneider Electric nh M340, Premium, Atrium, Quantum h tr m t s d ch v nh : I/O scanning, Global data r t h u ích dùng cho vi c ng b d li u c n khai báo d li u i v i d ch v I/O scanning ng ng b d ch v s chuy n d li u mà không c n ph i dùng l nh chuy n d li u ch 5.1.1 Ch t l nh: H th ng ho t qu t t Tuy nhiên m t v n ng n n ph n tr ng t ng i n nh tk t s ph thu c nhi u truy n thơng ã làm nh nh, s xác c a h th ng redundancy Nh ã trình bày c, theo c u trúc c a h th ng lu n v n, module Ethernet ETY v a th c hi n nhi m v GVHD: TS Tr HVTH: Tr ng trình ng c a h th ng V tính n h i l p trình ch ng b d li u ng ình Châu ng V n Qu c ng th i c ng làm nhi m v trao id 103 Nghiên c u xây d ng gi i thu t thu th p d li u i u n d phòng h th ng i n li u gi a b i u n thi t b khác nh Twido Ethernet distributed I/O ó d n n tình tr ng t i ng truy n (high traffic) M t khác vi c truy n th c hi n nhi u l nh truy n thông c n ph i m i m b o truy n thông c s p x p m t cách h p lý c b i m i module truy n thông u b gi i h n b i m t s ch c n ng nh : s giao d ch (transaction) có th th c hi n m t th i gian ho c b có th truy n cho ng c m c a module truy n thơng có h n nên khơng th m t lúc c m t kh i l ng d li u l n c…vv Chính i u làm i l p trình ph i có gi i thu t ph c t p trao i d li u i u làm gi m kh n ng ng d ng c a h th ng i u c ng nh c i m l n nh t c a gi i pháp I/O device redundancy b ng ph n m m Tính Time Critical: m t tiêu chu n pháp redundancy th i gian Standby PLC sau Primary PLC g p s c xu t, tính Time Critical c p i u n c r t t t m nh n nhi m v i u n i v i c p rendundant controller, th i i 500ms, v i th i gian gi i pháp redundancy c g i Hot Standby hay g i Hot redundancy pháp controller redundancy ng c a gi i i v i gi i pháp b ng ph n c ng c a nhà s n t gian switch over kho ng d ánh giá ch t l c c xem nh Time Critical i v i gi i a lu n v n, th i gian switch over hay c theo tính tốn sau: TSwitchover