TS LE NGOC BiCH - KS PHAM QUANG HUY
CAD TRONG TU DONG HOA
SCADA TRUYEN THONG
TRONG CONG NGHIEP
Trang 2TAI LIEU THAM KHAO
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP VỚI S7 VÀ WINCC7
Trần Thu Hà ~ Phạm Quang Huy
Nhà xuất bản Giao Thông - 2011
ĐIỂU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VỚI $7 200, S7300, PC ACCESS VÀ WINCC 7
Lê Ngọc Bích - Trần Thu Hà - Phạm Quang Huy
Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh - 2011
MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP
Hồng Minh Sơn,
Nhà xuất bản: Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật - 2005
TRUYEN ĐỘNG ĐIỆN & TRANG BỊ ĐIỆN VỚI MODULE ĐIỀU KHIỂN
LẬP TRÌNH S7 - VISU - WINCC
Nguyễn Thị Ngọc Loan - Phùng Thị Nguyệt ~ Pham Quang Huy
Nhà xuất bản Giao Thông - 2009
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP VỚI S7 VÀ PROTOOL Trần Thu Hà ~ Phạm Quang Huy
Nhà xuất bản Giao Thông ~ 2008
GIAO DIỆN NGƯỜI VÀ MÁY - LẬP TRÌNH VỚI S7 VÀ WINCC
Trần Thu Hà - Phạm Quang Huy Nhà xuất bản Giao Thông ~ 2008
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG CÔNG NGHIỆP VỚI WINCC Trần Thu Hà ~ Phạm Quang Huy
Trang 3‘CAD TRONG TU DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCHEP LũI Mử ĐẤU
` 2
LỮI MỮ BẦU
SCADA viết tất từ các chữ đầu (Supervisory Control And Data
Acquisiion) có thể hiểu là một hệ thống điểu khiển giám sát và thu thập dữ
liệu nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa Nói một cách khác, Scada là hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điểu
khiển từ xa ở cấp cao hơn hộ điểu khiển tự động thông thường Để có thể diéu
khiển và giám sát từ xa, một hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người = máy (HMI ~ Human Machine Intertace)
Trang 4
1i MỸ ĐẤU CCAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành
đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Còn hệ
thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người va may Cac
thiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm-
điểm (Point to Point) hoặc qua mạng truyền thông Tín hiệu thu được từ cảm
biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự Khi xử lý trong máy
tính, chúng phải được chuyển đổi cho phủ hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính
Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:
«_ Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành
« _ Thiết bị điểu khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển khả trình PLC, các thiết bị điểu chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm điều khiển tương ứng,
« _ Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy
HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp
« _ Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành,
bus trường, bus hệ thống
« _ Hệ thống bảo vệ: thực hiện chức năng an toàn Giaodien người - may ft
cAu TRUC PHAN MEM CUA HE THONG DIEU KHIEN VA GIAM SAT SCADA
Trong hệ thống điều khiển giám sát, HMI là một thành phần quan trọng
không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần
Trang 5‘CAD TRONG TY DONG HOA — SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIỆP 1 MỸ ĐẤU Với sự phát triển nhanh chóng nhiều nhà máy tại các khu công nghiệp,
việc tim hiểu, khai thác, thiết kế các hệ thống Scada ngày càng phức tạp đòi hỏi cán bộ kỹ thuật phải tìm hiểu và có kinh nghiệm về lãnh vực này Một khó khăn lớn là tài liệu tiếng Việt cả lý thuyết lẫn thực hành về Seada rất thiếu Tài liệu thực hành thì hầu như không có, chỉ ở dang bai giảng thực hành cơ bản tại các trường chuyên ngành Tài liệu lý thuyết về Scada tuy có nhưng không nhiều, thiên về hướng truyền thông trong Điện-Điện tử viễn thông hơn là ứng
dụng trong công nghiệp Điều này dẫn đến, sinh viên chuyên ngành Điện, Tự
dong hóa, Cơ điện tử khi ra trường chưa đủ kiến thức cũng như kinh
nghiệm để tự thiết kế, điểu khiển và giám sát một hệ Scada đơn giản
Trong năm 2011, tủ sách STK sẽ lần lượt giới thiệu các chuyên đề nằm trong họ sách "CAD TRONG TỰ ĐỘNG HÓA" chủ yếu là việc hướng dẫn sử dụng, khai thác và sử dụng các chương trình của các hãng nổi tiếng trong lãnh
vực điều khiển và giám sát như: S7-200, S7 300, WinCC, WinCC Flexible của Siemens, GX Developer, Gto cla Mitshubishi, Intouch clia Wonderware,
Rockwell v.v Quyển sách này là 1 trong 3 chuyên đề về Scada thuộc họ sách trên, trình bày theo kiểu truyền thống sau:
Lý thuyết I> Bai tap (phan co ban) H— Bài tập (phần nâng cao) Với cách trình bày theo dạng trên sẽ khó khăn cho các kỹ thuật viên, cán bộ kỹ thuật không có điều kiện tới trường lớp khi tìm hiểu phần lý thuyết của Scada Nhung mét khi đã có nền tang lý thuyết về Scada cùng với việc đã thực hành điều khiển-giám sát hệ Scada cơ bản, người học sẽ có thể thiết kế các hệ thống Scada phức tạp hơn Chuyên để này giới thiệu tới bạn đọc một cách tiếp cận với Scada, qua việc khai thác các công cụ phần mềm lập trình trên một hệ Scada đơn giản được trình bày với 7 chương cả lý thuyết lẫn thực hành sử dụng thiết bị của hãng SIEMENS (BLC, S7, WINCC) rất phổ biến tại cáo
trường dạy nghề, Cao đẳng, Đại học chuyên ngành Điện, Điện tử, Cơ điện tử,
Giao thông, Tự động hóa và nhiều hơn nữa
Tác giả hy vọng, qua chuyên để này sẽ góp phần phát triển phát triển tự
động hóa trong công nghiệp tại Việt Nam Tất nhiên, để hiểu rõ bản chất một
vấn đề kỹ thuật nào đó người thiết kế cẩn hiểu rõ phần lý thuyết Scada cũng không nằm trong ngoại lệ này
Lưu ý: Muốn tìm hiểu và khai thác Scada, người học cẩn phải tìm hiểu cũng như lập trình nhiều về S7-200, $7-300, WinCC của Siemens cũng như các PLC của những hãng khác Các tác giả xem như bạn đọc đã biết qua lập trình Ladder cho PLC va tao giao diện HMI đơn giản với WinCC nên một số phần bài tập hướng dẫn trong các chương 4, 5, 6, 7 trình bày hơi tắt, dẫn đến gây khó khăn cho những ai bắt đầu làm quen với Scada Về chương trình, sách, phim
liên quan tới Scada các bạn có thể vào trang web www.stkbook.com để tham
Trang 6ti Mử BẤU (CAD TRONG TY DONG NOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONS NGHIEP
Phiên bản S7 300 để liên kết được với WinCC 7 phải từ v8.4 trở lên Cấn cài PC Access để có thể liên kết giữa S7-200 và WinCC
Để đơn giản quá trình thực hiện, yêu cầu công nghệ trong các dây chuyển
được lược bỏ một số công đoạn, cũng như các tham số được chọn chỉ mang tính minh họa như: Timer có thời gian chọn thường nhỏ hơn thực tế giúp người học tiện theo dõi trong quá trình mô phỏng Các cảm biến chọn trong mạch chưa phải là chính xác Nói chung, yêu cầu nêu ra cho các dây chuyên sản xuất trong sách chỉ có mục đích khai thác các công cụ và lệnh của chương trình Bạn đọc có thể liên hộ với các tác giả để có hỗ trợ kỹ thuật chính xác
Phần lý thuyết chuyên sâu về Scada và truyền thông công nghiệp (Tập 2) và phần thực hành Scada nâng cao (Tập 3) sẽ được các tác giả trình bày trong 2 chuyên để tiếp theo dự kiến hoàn thành vào quý 3 và 4 năm 2011
Nội dung chuyên để gồm 7 chương, 3 chương đầu trình bày lý thuyết, 4
chương sau là bài tập thực hành kết nối các phần tử trong hệ thống với nhau:
CHƯƠNG 1: TONG QUAN SCADA
CHUONG 2: PHAN CUNG CUA HỆ THONG SCADA
CHUONG 3: PHAN MEM VA GIAO THUC CUA CÁC HỆ THONG SCADA
CHUONG 4: KET NOI TRAM CHU 7-300 VOI TRAM TO 7-200 THONG QUA MANG PROFIBUS
CHUONG 5: _ KẾT NỐI MÁY TÍNH VỚI S7-200 QUA ETHERNET
CHƯƠNG 6: _ KẾT NỔI, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THONG VỚI WINCC VÀ
87-200
CHUONG 7: KẾT NỔI, ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SAT HỆ THỐNG VỚI WINCC VA
87-300
Với một chuyên đề trình bày hệ thống điều khiển và giám sát trong công
nghiệp của nhiều thiết bị của các hãng khác nhau không phải là điều dễ dàng Tuy trình bày thiết bị của Siemens nhưng cũng chỉ là một phần rất nhỏ của hãng chưa phải là các thiết bị tiêu biểu của Siemens Trong quá trình biên
soạn, chắc chắn còn nhiều điểm chưa rõ cũng như chưa sát với yêu cầu thực
tế của từng người học và người sử dụng Nếu các bạn quan tâm nhiều hơn nữa
về các thiết bị của Siemens có thể vào trang web của hãng để có các thông tin
©ũng như hỗ trợ tốt nhất tử hãng
Tác giả hy vọng sẽ nhận được sự đóng góp chân thành và nhiều ý kiến
thiết thực từ bạn đọc nhất là các thầy, cô giảng dạy về lãnh vực này để những
Trang 7CAD TRONG TY DONG HOA — SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP CHƯNG 1 CHƯƠNG 1
GIO! THIEU
SCADA viét tat olla ti Supervisory Control And Data Acquisition:
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu đã xuất hiện và tổn tại cùng
với các hệ thống điều khiển Các hệ thống SCADA đầu tiên thu thập dữ liệu
bằng các bảng đồng hổ, các đèn báo và các biểu đổ được vẽ bằng kim lên giấy cuộn dài Các thiết bị này vẫn còn được sử dụng cho mục đích giám sát
và thu thập dữ liệu cho đến ngày nay trong các nhà máy, các công trường và
các thiết bị năng lượng Hình sau mô tả một hệ thống cảm biến và bảng điều khiển Bảng điều khiển Cảm biến @@@_——D L 000 goad đam ———— tã Mô hình cảm biến va bang điều khiển có các lợi ích sau:
- Đơn giản, không CPU, không RAM, ROM và không cẩn lập trình phần mềm
-_ Các cảm biến được kết nối trực tiếp đến các đồng hổ đo, công tắc và các đèn báo trên bảng điều khiển
Trang 8CHONG 1 CAD TRONG TY DONS HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP
-_ Việc lắp đặt thêm vào các cảm biến sẽ trở nên khó khăn hơn khi hệ thống ngày càng lớn
- _ Lắp đặt lại hệ thống trở nên cực kỳ khó khăn với hệ thống phức tạp
~_ Việc mô phỏng sử dụng dữ liệu thực tế là không thể thực hiện được
~ _ Lưu trữ dữ liệu rất ít và rất khó quản lý
- _ Không có sự giám sát hoặc cảnh báo từ bên ngoài hệ thống
- Cn cé người giám sát các đồng hồ báo, các đèn hiển thị trong suốt thời
gian vận hành
Các nguyên lý cơ bản của hệ thống SCADA hiện đại:
Trong các quá trình công nghiệp và sản xuất, công nghiệp mỏ, các công
rình công cộng hoặc dân dụng, điều khiển và giám sát từ xa thường rất cần thiết để kết nối các thiết bị và các hệ thống riêng lẻ cách xa nhau Khoảng cách có thể từ vài mét đến hàng nghìn kí lô mét Bộ điểu khiển và giám sát từ xa dùng để gởi lệnh điều khiển, lặp trình và nhận các thông tin giám sát từ các
trạm từ xa
SCADA được dùng để chỉ sự kết hợp của giám sát từ xa và thu thập dự
liệu SCADA thu thập các thông tin, truyền chúng trở về trạm trung tâm, thực
hiện các phân tích và điều khiển cẩn thiết và sau đó hiển thị các thông tin đó lên một số các màn hình điều khiển Các lệnh điều khiển tác vụ và thực thi sẽ
được truyền đến bộ phận điều khiển chấp hành tương ứng
Trong giai đoạn đầu sơ khai của thu thập dữ liệu, logic rờ le được dùng để điều khiển các hệ thống sản xuất Với sự xuất hiện của CPU và các thiết bị
điện tử khác, các dây chuyển sản xuất đã kết hợp thêm các thiết bị điện tử số vào các thiết bị rờ le PLC hay bộ điều khiển logic khả trình vẫn là một trong
các bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp Khi cần giám
sát và điều khiển thêm nhiều thiết bị trong hệ thống, các PLC được phân bố và
hệ thống trở nên thông minh hơn và nhỏ hơn PLC và DCS (Distributed Control
Trang 9CAD TRONG TU DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIỆP Cavan 1
Các ưu điểm của hệ thống SCADA dùng PLC/DCS: + May tính có thể lưu trữ một lượng rất lớn dữ liệu
-_ Dữ liệu có thể được hiển thị theo bất cứ định dạng nào nếu người dùng yêu cầu -_ Hãng nghìn cảm biến trên một diện rộng có thể được kết nối vào hệ thống - Ngudi vận hành có thể kết hợp các mö phỏng dữ liệu thực tế vào hệ thống -_ Nhiều loại dữ liệu khác nhau có thể được nhận về từ các thiết bị đầu cuối -_ Dữ liệu có thể được xem ở bất cứ nơi đâu Các nhược điểm: - _ Hệ thống phức tạp hơn so với loại cảm biến kết nối trực tiếp tới bang điều khiển
- _ Đồi hồi nhiều kỹ năng khác nhau như là phân tích hệ thống và lập trình - _ Với hàng nghìn cảm biến thì vẫn phải làm việc với rất nhiều dây nối Khi mà nhu cầu đòi hỏi các hệ thống phát triển ngày càng nhỏ hơn và
thông minh hơn thì các cảm biến được thiết kế với sự thông minh của các PLC
và các DCS Các thiết bị này được gọi la IED (Intelligent Electronic Devices: Các thiết bị điện tử thông minh) Các IED được kết nối thông qua mạng fieldbus như là Profibus, Devicenet hay Foundation Fieldbus đến máy tính Chúng có đủ thông minh để thu thập dữ liệu, liên lạc với các thiết bị khác Mỗi cảm biến siêu thông minh này có thể có nhiều hơn một cảm biến bên trong
Thông thường, một IED có thể bao gồm một cảm biến ngõ vào analog, ngõ ra
Trang 10CHƯNG 1 (CAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIỆP Các ưu điểm của hệ thống máy tính-IED:
~ _ Rất ít dây nối cần thiết
~_ Người vận hành có thể nhìn thấy đến cấp độ cảm biến
- _ Dữ liệu nhận từ thiết bị có thể bao gồm các thông tin như là các số nối
tiếp, các số hiệu, khi nào chúng được lắp đặt và lắp đặt bởi người nào
-_ Tất cả các thiết bị đều plug and play (cắm và hoạt động), do đó việc lắp đặt và thay thế rất dễ dàng
-_ Thiết bị nhỏ hơn có nghĩa là cần ít không gian hơn cho hệ thống thu thập dữ liệu
Các nhược điểm:
-_ Hệ thống phức tạp hơn đồi hỏi các nhân viên vận hành được đào tạo nhiều hơn và tốt hơn
- Giá thành cảm biến đắt hơn (tuy nhiên chúng có thể bù vào việc không sử dụng các PLC)
- Các IED phụ thuộc nhiều vào hệ thống giao tiếp Phần cứng của hệ thống SCADA
Một hệ thống SCADA bao gồm một số các đơn vị đầu cuối tử xa (RTU) dùng để thu thập dữ liệu và gởi chúng về cho trạm chủ thông qua một hệ
thống giao tiếp Trạm chủ hiển thị dữ liệu thu thập được và cho phép người van
hành thực hiện các tác vụ điều khiển từ xa
Sự chính xác và nhanh chóng giúp cho phép sự tối ưu hóa của thao tác và quá trình Các lợi ích khác bao gồm hiệu quả cao hơn, đáng tin cậy hơn và quan trọng hơn cả là thao tác an toàn hơn Điều này giúp hạ giá thành hơn so với các hệ thống không tự động trước đây
Đối với hệ thống SCADA phức tạp hơn thì cần thiết phải có 5 cấp: - _ Các thiết bị điều khiển
- _ Các thiết bị đầu cuối RTU - _ Hệ thống giao tiếp
-_ Các trạm chủ
- _ Bộ phận xử lý dữ liệu
Thiết bị đầu cuối cung cấp giao tiếp đến các cảm biến tương tự (analog)
hoặc số (digital) tại các điểm từ xa
Hệ thống thông tin cung cấp đường giao tiếp giữa trạm chủ và các điểm tu xa Hệ thống giao tiếp này có thể là dây nối, cáp quang, sóng radio, đường dây điện thoại, vi sóng hoặc thậm chí có thể là vệ tỉnh Các giao thức riêng và các phương pháp xác định lỗi được dùng để tối ưu hóa và tăng hiệu quả truyền
Trang 11CCAD TRONG TY DONG HÓA ~ SCADA: TRUYEN THŨNE TRUNG CÔN NGHIỆP PRƯUN 1
Trạm chủ thu thập dữ liệu từ các RTU khác nhau và cung cấp một giao diện vận hành cho việc hiển thị thông tin và điểu khiển các điểm từ xa
Phần mềm SCADA
Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại: có bản quyển và tự do
Các công ty phát triển phần mềm có bản quyền để giao tiếp với các phần cúng của họ Vấn để chính của hệ thống nay là sự quá phụ thuộc vào
nhà cung cấp hệ thống Các phần mềm mổ thu hút được nhiều người sử dụng hơn bởi vì tính kết hợp khả năng hoạt động cho hệ thống Tính kết hợp khả năng hoạt động là khả năng kết hợp nhiều thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau trên cùng một hệ thống
Citect va WonderWare là hai trong số rất ít gói phẩn mểm mở trên thị
trường dùng cho các hệ thống SCADA Một số phan mềm hiện nay bao gồm
cả việc quản lý quyền sở hữu được tích hợp trong hệ thống SCADA Các thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA được mô tả trong sơ đổ sau: ca cs = = SỐ —_ lf 5
wy rom = | Bảng táo cáo Ngo vaomgo ra
Bel “Thiết bị & điểu I khiến ũ bó” đh
Các đặc điểm chính của phần mềm SCADA là:
-_ Giao diện người dùng -_ Các hiển thị đồ họa
-_ Cảnh báo Đồ thị
- Giao tiếp RTU (và PLC)
= Kha nang thle - Cơ sở dữ liệu
Trang 12(HỦN † CCAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGKIEP
+ Truy xuất dữ liệu
- _ Khả năng kết nối mạng - _ Khả năng xử lý chủ/khách Cáp nối cho SCADA
Ngay cả khi số lượng dây nối giảm một cách đáng kể khi bạn sử dụng hệ thống máy tính-IED thì thông thường vẫn có rất nhiều dây nối trong một hệ
thống SCADA cơ bản Dây nối này mang đến cho nó những vấn để như nhiễu tín hiệu và ảnh hưởng lẫn nhau
Nhiễu tín hiệu và ảnh hưởng lẫn nhau là các nhân tố quan trọng cần phải
chú ý khi thiết kế và lắp đặt hệ thống giao tiếp dữ liệu Do đó cần phải có sự chủ ý đặc biệt để tránh nhiễu Nhiễu có thể được xác định như là các tín hiệu ngẫu nhiên không mong muốn làm mất tín hiệu hoặc làm nhiễu tía hiệu ban
đầu hay tín hiệu mong muốn Nhiễu có thể thâm nhập vào cáp nối bằng nhiều
cách Hoàn toàn tủy thuộc vào người thiết kế hệ thống mà sẽ tạo ra một hệ
thống có nhiều ảnh hưởng của nhiễu hay không Do hệ thống SCADA sử
dụng tín hiệu điện áp nhỏ để truyền dữ liệu nên rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu
Sử dụng dây nối dạng hai lớp xoắn bảo vệ là một yêu cầu trong hầu hết
các hệ thống Sử dụng dây nối tốt kết hợp với kỹ thuật lắp đặt chính xác sẽ đảm bảo hệ thống không bị ảnh hưởng của nhiễu
Trang 13CCAD TAONG TY DONG HOA SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG CHIE cane 1
Giao tiếp dữ liệu trong tương lai sẽ được phân chia giữa sóng radio,
quang học và một số hệ thống hồng ngoại Dây nối sẽ chỉ được dùng để cung
cấp nguồn Và khi các nhu cầu năng lượng cho hệ thống trở nên ít đi thì ngay cả nhủ cầu về nguồn năng lượng cũng sẽ giảm đi
SCADA và các mạng nội bộ (LAN)
Các mạng nội bộ (LAN) là tất cả các dạng chia sẻ thông tin và tài nguyên Để cho phép tất cả các trạm trong mạng SCADA chia sẻ thông tin thì chúng phải được kết nối thông qua các môi trường truyền tải dữ liệu Phương pháp kết nối được biết đến như là giao thức mạng
Các trạm cần chia sẻ môi trưởng truyền tải thông tin theo cách mà tất cả các trạm truy cập vào môi trường mà không làm gián đoạn một lệnh gửi đã được thiết lập
Một mạng LAN là một đường giao tiếp giữa các máy tính, các máy chủ,
các thiết bị đầu cuối, các trạm công tác, và nhiều thiết bị ngoại vi thông minh
khác Một mạng LAN cho phép sự truy cập đến nhiều thiết bị bởi nhiều người dùng với sự liên kết hoàn toàn giữa tất cả các trạm trong mạng Một mạng LAN thường được sở hữu và giám sát bởi một người sở hữu riêng và được bố trí trong một nhóm nội bộ của các tòa nhà
Mạng Ethenet là một mạng LAN được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay bởi vì chúng rẻ và dễ sử dụng
Kết nối của một mạng SCADA đến mạng LAN cho phép bất cứ ai trong công ty có quyền truy cập và có phần mềm cần thiết có thể truy cập vào hệ
thống Bởi vì dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, người dùng có thể bị giới hạn đọc các thông tin Các vấn để bảo mật cần phải được quan tâm You cầu trang
Trang 14CHƯẾNG 1 CAD TRONG TY DONG HOA — SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP Thông thường, trong các hệ thống SCADA, RTU (thiết bị đầu cuối từ xa
(PLC, DCS hay IED)) được đặt ở vị trí từ xa Khoảng cách này có thể từ vài chục mét đến hàng ngàn kí lô mét Một trong số phương pháp tiết kiệm nhất để giao tiếp với thiết bị đầu cuối từ xa với khoảng cách xa đó là sử dụng kết nối
mạng điện thoại dial-up Với hệ thống này, thiết bị cần thiết bao gồm máy tính, hay moderm kết nối, và thiết bị đầu cuối RTU (giả định rằng thiết bị RTU có
tích hợp cổng COM) Các modem được đặt ở chế độ tự trả lời và thiết bị RTU
có thể truy cập vào máy tính hay máy tính có thể truy cập vào thiết bị RTU Phần mềm dùng để thực hiện chức năng này được cung cấp sẵn bởi nhà sản xuất và cung cấp thiết bị RTU Các modem có thể mua dễ dàng tại các của
hiệu máy tính
Modem dạng hữu tuyến được dùng để kết nối các RTU đến mạng thông qua cặp dây nối Các hệ thống này thường cho khoảng cách rất ngắn (trong vòng † Kí lô mét) và sử dụng chuẩn FSK để giao tiếp Các modem hữu tuyến
được dùng để kết nối các RTU khi mà hệ thống giao tiếp RS-232 hoặc RS-485
không thể dùng được Tốc độ truyền trong dạng hệ thống này thường chậm,
khoảng 1200 đến 9600 bps
Máy tính và xử lý I
Máy tính và các RTU thông thường có thể hoạt động tốt trong khoảng thời gian dài nếu để chúng tự hoạt động
Việc bảo dưỡng có thể là ngày, tuần, tháng hoặc năm Khi cần bảo
dưỡng, kỹ thuật viên hoặc kỹ sư có thể cần kiểm tra các thiết bị sau:
- _ RTU và các mô đun thành phần,
> Cac mé dun tín hiệu vào tương ty (analog) ~ Cae mé dun tin hiệu vào số (digital)
> Giao tiép giữa RTU đến PLC (RS-232/RS-485) ~ _ Các cáp nối chuyên dùng
- _ Dây điện tho
- _ Các liên kết dữ liệu số hoặc tương tự
Trang 15CAD TRONG TU DANG HOA SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONC NGMEP CRƯỂNE †
Các kỹ thuật viên và kỹ sư có thể gây thêm nhiều vấn để hơn so với lúc họ mới bắt đầu sửa chữa bằng những việc làm ngớ ngẩn như lau chùi thiết bị bởi vì nó hơi bị dính bụi,
Các thiết bị cần được bảo dưỡng trong hệ thống SCADA Nguồn cấp Trạm trung tam và trạm chủ Tram vận hành {ey ene) = 2] rsszae Pc chm ATU — (a Hy ~ mm mẽ rủi i | | TPL Rs Nguồn || | cấp [ Dla chi tram ATU thành phẩn 1 SỐ | ‘Tram ey enon) vận hành Bắc cảm mtu ADE im _ rsa IÌÌÌÌ = i i i i Nguồn _ _t I J ị cấp Địa chỉ trạm RTU thành phần 2 Sự bổ sung hệ thống
Khi lập kế hoạch và thiết kế một hệ thống SCADA, cần chú ý tới việc sẽ
tích hợp thêm các hệ thống SCADA mới vào các mạng giao tiếp có sẵn để
Trang 16CHÚNG { CAD TRONG TY DONG HOA - SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIỆP Các kỹ thuật cần thiết cần được sử dụng để đảm bảo khi tích hợp thêm hệ thống SCADA vào các hệ thống thông tin liên lạc có sẵn sẽ không ảnh
hưởng hoặc làm giảm chất lượng giao tiếp hiện có
Nếu một hệ thống mới được thêm vào, cần quan tâm đến chất lượng của
hệ thống sẽ được lắp đặt Không có công ty nào có ngân sách vô tận, Nên việc cân đối giữa chất lượng của hệ thống và các yêu cầu tích hợp là rất quan
trọng để đảm bảo một hệ thống hoạt động thỏa đáng Sự sấn sàng của các
liên kết thông tin và độ tin cậy của thiết bị là các quan tâm chính khi lên kế
hoạch các mong muốn về hoạt động của hệ thống
Tất cả các yếu tố được để cập sẽ được thảo luận chỉ tiết trong sách này Chúng sẽ được liên kết với nhau để tạo nên tính hệ thống để giúp đọc giả thiết kế, xác định, lắp đặt, bảo trì một cách hiệu quả hệ thống điều khiển và thu
Trang 17CAD TRONS TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCHEP (HỜNG 2
CHUONG 2
PHAN CUNG CUA HE THONG SCADA
1 Giới thiệu
Chương 2 sẽ giới thiệu các khái niệm của một hệ thống điều khiển giám
sát từ xa (telemetry) và kiểm tra các thành phần cơ bản của các hệ thống diéu
khiển giám sát từ xa Các thuật ngữ SCADA, DCS (hệ thống điều khiển phân bố), PLC (bộ điểu khiển logic khả trình), các thiết bị thông minh (smart Instrument) sẽ được định nghĩa và thảo luận trong phần này
2 So sánh giữa các thuật ngữ SCADA, DCS (hệ thống điều khiển phân
bố), PLC (bộ điều khiển logic khả trình), các thiết bị thông minh
(Smart Instrument) 2.1 Hệ thống SCADA
Một hệ thống SCADA (điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) là một hệ thống bao gồm một số các thiết bị đầu cuối (hay RTU) thu thập các dữ liệu của hệ thống sau đó liên kết trở về trạm chủ thông qua một hệ thống giao tiếp Trạm chủ hiển thị dữ liệu thu thập được và cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điểu khiển tử xa
Sự chính xác và nhanh chóng của dữ liệu (thông thường là thời gian thực) giúp cho phép sự tối ưu hóa của thao tác và quá trình Các lợi ích khác bao gồm hiệu quả cao hơn, đáng tin cậy hơn và quan trọng hơn cả là thao tác an toàn hơn Điểu này giúp hạ giá thành hơn so với các hệ thống không tự động trước đây
Có một số nhầm lẫn nhất định giữa định nghĩa về các hệ thống SCADA và hệ thống điều khiển quá trình SCADA có ý nghĩa của thao tác từ xa Một câu hỏi đặt ra rằng: bao xa thì được gọi là "tử xa'-Thông thường, thì điều này có nghĩa là một khoảng cách giữa nơi điểu khiển và nơi được điều khiển mà việc điều khiển bằng cách nối dây trực tiếp là không thực hiện được (liên kết
giao tiếp là một thành phần rất quan trọng của hệ thống)
Sự thành công của việc lắp đặt hệ thống SCADA phụ thuộc vào việc sử
dụng kỹ thuật đáng tin cậy và đã được trải nghiệm với sự huấn luyện đầy đủ
của toàn bộ nhân sự cho việc vận hành hệ thống
Đã có các hệ thống SCADA không thành công-các nhân tố làm cho các hệ thống không thành công đó là sự tích hợp một cách không đẩy đủ của các bộ phận khác nhau của hệ thống, sự phức tạp không cần thiết của hệ thống, phần cứng không đáng tin cây và phần mềm chưa được thử nghiệm
Trang 18CRNNE 2 CAD TRONG TY DONG HOA — SCADA: TRUYEN THONG TRONG CÔN NGHIỆP
Độ tin cậy của phần cứng ngày nay không còn quan trọng lắm, nhưng sự gia tăng độ phức tạp của các phần mềm lại tạo nên các thử thách mới hoặc Tamdsu tonal Taneus wan kad edn rc : * ÊModerm S2; radio L a Moderm ˆ if & ase a Moderm xu Ỷ eee Ỷ + TT ị pot | '@1 | : = ' ị # ì ‘| Moderm ? (nas | Liên kết dây II t TTT + | ae 1 | 1 ' I = i Nödem ! ral, toderm | awe FT] =° | ath, TH) £0! [ Le EUIm a
QO! = 2 Sở đồ của một hệ thống SCADA cơ bản
Đối với hệ thống SCADA phức tạp hơn thì cần thiết phải có 5 cấp: Các thiết bị ở cấp độ môi trường làm việc và các thiết bị điều khiển Các thiết bị đầu cuối RTU
Hệ thống giao tiếp, Các trạm chủ,
Bộ phận xử lý dữ liệu
Thiết bị đầu cuối cung cấp giao tiếi p đến các cảm biến tương tự (analog)
Trang 19‘CAD TRONG TỰ ĐỘNG HOA SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCWEP HUONG 2
Hệ thống thông tin cung cấp đường giao tiếp giữa trạm chủ và các điểm từ xa Hệ thống giao tiếp này có thể là dây nối, cáp quang, sóng radio, đường
dây điện thoại, vi sóng hoặc có thể là vệ tỉnh Các giao thức riêng và các phương pháp xác định lỗi được dùng để tối ưu hóa và tăng hiệu quả truyền dữ liệu
Trạm chủ thu thập dữ liệu từ các RTU khác nhau và cung cấp một giao diện vận hành cho việc hiển thị thông tin và điều khiển các điểm từ xa
Kỹ thuật SCADA đã tổn tại từ đầu thập niên 60 và hiện nay đã có hai loại kỹ thuật tiếp cận mới mang tính cạnh tranh-hệ thống điều khiển phân bố (DCS) và bộ điều khiển logie khả trình (PLC) Thêm vào đó, đã có xu hướng
phát triển dùng các thiết bị thông minh như là thành phần then chốt trong tất
Trang 20coun 2 {CAD TRONG TU DONG HOA ~ SCADA: TRUVEN THONG TRONG CÔNG NGHIỆP
2.2 Hệ thống điều khiển phan bé (DCS)
Trong một hệ thống điều khiển phân bố (DCS), các chức năng điều
khiển và thu thập dữ liệu được thực hiện bồi một số các trạm điều khiển (cấu
thành từ các vi xử lý) đặt cạnh các thiết bị được điều khiển hay các thiết bị được thu thập thông tin
Các hệ thống DCS đã tạo ra các hệ thống cung cấp khả năng điều
khiển tương tự (điều khiển vòng kín) tỉnh vi, phức tạp Các giao diện vận hành (hay giao diện người máy) được cung cấp để cho phép thiết lập cấu hình hệ thống và điều khiển vận hành Xa lộ dữ liệu thường cung cấp tốc độ truyền kha
cao (thông thường từ 1 Mbps đến 10 Mbps) aio cats argh T Songs) | l at [THỊ il n i tit ih ee OF BO ek
2-3 Bộ điều khiển logic khả trình (PLC)
Từ cuối thập niên 70, các PLC đã thay thế các rở le kết nối cứng bằng
sự kết hợp của phần mềm lập trình và các mô đun ngõ vào ra sử dụng bán
dan (solid state) Chúng thường được dùng bổ sung vào hệ thống SCADA như
một thiết bị đầu cuối RTU khi chúng cung cấp một giải pháp phần cứng tiêu
chuẩn mang tính kinh tế cao,
LT | Temples Tampuc?
Trang 21
CCAD TRONG TU DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP
Một thiết bị khác cần được để cập đó là thiết bị thông minl instrument) ma ca PLC và DCS đều có thể giao tiếp
2.4 Thiết bị thông minh
Mặc dù thuật ngữ này đôi lúc được dùng sai, cơ bản nó có nghĩ
cus 2 h (smart iia là một
cảm biến đo lường số thông minh (dựa trên vi xử lý) (như là cảm biến đo lưu lượng) với các giao tiếp dữ liệu số được cung cấp X, Thiết bị lặp trình _ [BG alae tp higu ehinh | Mé dun ngo £ xế Ea aL Đạt vào tín hiệu || /ÌRAJWtRAMM \ |ƒ” weno Ì | | VÌ HỘ ỀU Ỉ Ste nA 4 tương tự lượng tin ee ns ti ===! ár|/-¬-4l P2
Tín hiệu 4-20} huyênTỉ lệuyểnGiá trị Chuyển ERD dổiAD tínhhóa số đölDA| ấP S”ẩt nhiệt độ
Thiết bị thông
Trong khuôn khổ quyển sách này sẽ xem DCS, PLC và thiết bị thông
mình là những lựa chọn và là các thành phần của hệ thống SCADA cơ bản Các điểm cần quan tâm và các lợi ích của hệ thống SCADA
Các điểm cần lưu ý khi liên kết hệ thống SCADA với nhau:
Các đòi hỏi điểu khiển tổng quát
Logic tuần tự
Điều khiển vòng kín analog
Tỉ lệ và số điểm chuyển đi
Tốc độ điều khiển và thu thập dữ liệu Các trạm điều khiển chủ/wận hành
Các loại hiển thị cần thiết
Các yêu cầu về lịch sử lưu trữ
Xem xét toàn bộ hệ thống
Độ tin cậy/ính sẵn sàng
Trang 22
CHƯUNG 2 (CaO TRONG TY DỘNG HÓA ~ SCADA: TRUYEM THONG TRONG CONG NGHIEP
- _ Sự dư thừa của hệ thống + Khả năng mở rộng,
- _ Các phần mềm ứng dụng và mô phỏng
-_ Rõ rằng, chỉ phí ban đầu của hệ thống SCADA cần được cân nhắc và xem xét
Một số lí do để bổ sung một hệ thống SCADA là:
- _ Cải thiện vận hành của hệ thống hoặc quá trình tạo nên sự tiết kiệm nhờ vào tính tối ưu của hệ thống
-_ Cải thiện tính đồng nhất của sản phẩm
-_ Cải thiện tính an toàn của hệ thống nhờ vào hệ thống thông tin hệ thống tốt hơn và cải thiện khả năng điều khiển
- _ Bảo vệ các thiết bị của hệ thống,
- Bảo vệ các thiết bị và môi trường xung quanh do các lỗi của hệ thống
-_ Cải thiện mức độ tiết kiệm năng lượng nhở vào sự tối ưu của hệ thống
~ Cai thign va tạo cơ sở dữ liệu nhanh chống giúp cung cấp thông tin cho khách hàng nhanh và chính xác hơn
3 Các đơn vị đầu cuối từ xa
Một RTU (đơn vị đầu cuối từ xa) như tên của nó thể hiện, là một bộ thu
thập dữ liệu và điều khiển hoạt động độc lập (thông thường dựa vào các vi xử lý) giám sát và điều khiển thiết bị ở một vị trí từ xa nào đó,
nhiệm vụ của nó là điều khiển và thu thập dữ liệu từ các thiết bi trong quy trình tại một vị tr từ xa và truyền dữ liệu này trở về trạm trung tâm Nó
thông thường cũng có các thành phần để thiếp lập và đổ chương trình điều
khiển từ trạm trung tâm
Cũng cần có một thiết bị để thiết lập tại chỗ bằng thiết bị lập trình cho
RTU Mặc dù theo cách truyền thống, thì RTU giao tiếp trở về trạm trung tâm, nó cũng có thể giao tiếp một-một (peer-to-peer) với các thiết bị RTU khác f1TU cũng có thể đóng vai trò là trạm chở/dự trữ đến một RTU khác mà RTU
đó không thể truy cập từ trạm trung tâm
Các RTU nhỏ thông thưởng có ít hơn 10 đến 20 tín hiệu tương tự và tin hiệu số, các RTU trung bình có 100 ngõ vào số (digital input) va 30 đến 40 ngõ
vào lương tự (analog inpu) Các RTU có số lượng tín hiệu nhiều hơn nữa được xếp vô loại lớn
Trang 23CCAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCHIEP
Kết cấu của một RTU cơ bản được mô tả như sau: caus 2 Mesem RTU chính Bus trung tam A Mo aun ngõ nsế „ Các cổng giao tiếp nối tiếp — Trạm vận hành/p :
trinn cong AS+232 khong
230VAG| — cấp | tung Nguồn | Nguốn| - xử ot : tâm anatog ngõ |[ngé ra|| "8 vao || maieg|| Y9 = số Tuy chọn Phần cứng của một RTU thông thưởng bao gồm: - _ Bộ xử lý điều khiển và bộ nhớ hỗ trợ
Trang 24couldn 2 CAD TRONG TV DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGWIEP
3.1 Bộ xử lý điều khiển (hay CPU)
Thông thường dựa trên nền vi xử lý (16 hoặc 32 bit Vi du: 68302 hay 80386 Tổng dung lượng bộ nhớ 286 kByte (mở rộng đến 4 Mbytes) được chia thành 8 loại
1, EPPROM 256 kByte 2 RAM 640 kByte
3 Bộ nhớ có thể xoá được bằng điện (bộ nhớ Flash hay EEPROM) 128 kByte
Một bộ xử lý toán học là một sự bổ sung hữu ích cho bất kỳ các phép
tính toán học phức tạp Điều này đôi khi được xem là bộ đồng xử lý Các cổng
giao tiếp-thông thường 2 hoặc 3 cổng gồm RS-232/RS-422/RS-485 dùng để: - _ Giao tiếp với thiết bị đầu cuối phục vụ việc chẩn đoán
- _ Giao tiếp với trạm vận hành
-_ Các giao tiếp kết nối đến trạm trung tam (bang modem),
Các đèn LED được cung cấp trên bộ phận điều khiển giúp dễ dàng chẩn
đoán và xử lý lỗi (như là lỗi hoạt động của CPU hay của các mô đun vao/ra ) Một thành phần khác được cung cấp với các cấp độ chính xác khác nhau là bộ
đồng hồ thời gian thực với bộ lịch đầy đủ Đồng hồ hệ thống phải được cập
nhật ngay cả khi không cấp nguồn Đồng hồ thời gian thực rất hữu dụng cho Việc lấy mốc thời gian chính xác cho các sự kiện
Một bộ định thời Watchdog cũng cần thiết để cung cấp sự kiểm tra xem
chương trình trong RTU thực thỉ một cách chính xác Chương trình trong RTU
sẽ thường xuyên reset bộ định thời Watchdog Nếu trong một khoảng thời gian
xáo dinh (time-out) mà RTU không reset bộ định thời Watchdog thì bộ định thời 'Watchdog sẽ bật một cỡ báo lỗi (và có thể sé reset CPU)
32 Các mô đun ngõ vào tín hiệu tương tự (analog input)
Có 5 thành phần chính tạo nên một mô đun ngõ vào tín hiệu tương
ty (analog)
- _ Bộ chọn kênh ngõ vào
-_ Khuếch đại tín hiệu ngõ vào
~_ Mạch lấy mẫu và giữ
- _ Bộ chuyển đổi A/D
~ Bus giao tiép và hệ thống định thei
So dé khéi của mô đun ngõ vào tin hiệu tương tự (analog) thông thường như sau:
Trang 25‘CAD TRONG TY DONG HOA SCADA: TRUVEN THONG THONG CONE NCHIEP CHUNG 2 Mẫuägtử T USGI sọ khuếth đại s thể lập ẫuaglữ của kênh chuyển ng An - V460 Hồ vào | | [ ÍÍ Bê chuyển đếi = >| of 4“ | | l y | SH PGA SH ae fl =v 1 aS oe | astasu vải HẬ chuyếnđổi — Mẫu sm ola Ỷ Kết thúc Đệ lại Bộ đêm — | bhuyếndếi Xung nhịp ST Kênh wren Jưưu Kénh-d6 lợi | TÌ = nàn | Hệ théng dinh thai tiếp theo “FAX ae | Ngất ngoài | Sặc dương điều IIlllllllIi IIIIIIIIUIIIIIIUIIU khiển và trạng thái
Mỗi thành phần trong sơ đổ trên sẽ được trình bảy chỉ tiết trong các mục
tiếp theo sau đây:
Bộ chọn kênh
Chon kênh Chọn kênh
Bộ chọn kênh là thiết bị lấy mẫu nhiều (thường là 16) ngõ vào tín hiệu
tương tự một cách tuần tự và chuyển từng tín hiệu ra ngõ ra Ngõ ra thông
Trang 26
avons 2 CAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP Ta có loại như sau: [_D.C BA So ‘Si L2 Bộ chọn kênh 2 sang 1 ee Bộ chọn kênh 4 sang 1 | HGFEDCBA So Si S2 z | L——— Ì Bộ chọn kênh 8 sang 1 P.0 N HL KJTHGFEDCBA 15 14 13 12111098/6543210 ogee Zz Bộ chọn kênh 16 sang 1 Bộ khuếch đại
Khi tín hiệu cần số hóa quá nhỏ thì chúng cần phải được khuếch đại để
phù hợp với khoảng tín hiệu đầu vào của bộ chuyển đổi A/D Nếu tín hiệu quá
nhỏ mà được đưa trực tiếp vào bộ chuyển đổi thì sẽ mất chính xác Một số bộ
mạch cung cấp sẵn bộ khuếch đại (hay độ lợi) trong khi một số bộ mạch với một PGA (Programable Gain Amplifier: Bộ khuếch đại có độ lợi lập trình được)
cho phép lựa chọn độ lợi tử phần mềm, các độ lợi khác nhau cho các kênh khác nhau cho một chuỗi các chuyển đổi
Bộ khuếch đại so sánh ngõ vào chỉ đáp ứng với điện áp khác nhau giữa
hai ngõ vào bất kể điện áp áp vào hay ngõ vào thay đổi như thế nào
Không may là các bộ khuếch đại trong thực tế đều có sai số ngõ ra ở
chế độ thông thường
Một đặc điểm quan trọng là hệ số nén đồng pha (CMRR: Common
Mode Rejection Ratio), được tính như sau:
Trang 27(CAD TRONG TU DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONS DŨNG NGHIỆP HƯỚNG ? CMRR
Trong đó
'Vem là điện áp áp cho cả 2 ngõ vào
Vdif là điện áp (sai số) ngõ ra khi Vem được áp cho cả 2 ngõ vào Giá trị lý tưởng cho CMMR là khoảng 80dB hay hơn
Trôi điểm 0 là một đặc tính quan trọng khác của bộ khuếch đại, nó phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ
Nếu bộ chuyển đổi được cân chỉnh để cho ngõ ra bằng 0 khi ngõ vào bằng 0 ở một nhiệt độ nhất định, ngõ ra sẽ thay đổi nếu nhiệt độ thay đổi (ngõ
vào vẫn bằng 0)
Trôi điểm 0 theo thởi gian và nhiệt độ thường được đo bằng PPM/đơn vị
thời gian và PPM/C tương ứng Đối véi mach 12-bit, 1 LSB là một đơn vị của 4096 hoặc 244 PPM trên khoảng nhiệt độ cần xét Trong khoảng nhiệt độ hoạt động 0 đến 50 °C, trôi 1 LSB là 244 PPM/50°C = 4.88 PPM/2C
Khi chọn một thiết bị, các bạn cần phải chắc rằng đặc tính trôi của mạch trong khoảng nhiệt độ và thời gian hoạt động của hệ thống là phù hợp với yêu cầu về độ chính xác cần thiết của hệ thống Và bạn cũng cần lưu ý rằng, nhiệt độ bên trong hộp chứa bo mạch nóng hơn nhiệt độ bên ngoài
Một số mạch khuếch đại thuật toán và tính chất của nó
Khuếch đại thuật toán là một trong số những linh kiện điện tử thường gặp nhất trong kỹ thuật tương tự, vì thế trong kỹ thuật đo lường và điểu khiển
công nghiệp, khuếch đại thuật toán cũng có mặt trong rất nhiều thiết bị và hệ thống Khả năng sử dụng của các bộ khuếch đại thuật toán rất đa dạng, chúng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như các bộ khuếch đại một chiều, các bộ khuếch đại xoay chiều, bộ lọc tích cực, bộ dao động, bộ biến đổi trở kháng, bộ vi phân, bộ tích phân
Để làm nổi bật tính chất của một bộ khuếch đại thuật toán, hãy xét tính
năng của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng:
Hệ số khuếch đại khi không có phản hồi âm lớn vô cùng
0log (Vem / Vdiff) [dB]
- _ Điện trở lối vào lớn vô củng = Độ rộng dải thông lớn vô củng
Hệ số nén đồng pha CMRR lớn vô cùng -_ Điện trở lối ra bằng không
~ _ Thời gian đáp ứng bằng không
Trên thực tế, không có bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng mà chỉ tổn tại những khuếch đại thuật toán thực có tính chất gần với những tiêu chuẩn đã nêu
Trang 28CHUNG 2 CAD THONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIỆP
Các tham số và các mạch ứng dụng của bộ khuếch đại thuật tốn rất
nhiều, khơng thể nêu hết trong sách mà ở đây, chúng tôi chỉ nêu lên những
tham số cơ bản, cách tính toán và các mạch đã được áp dụng trong hệ thống điều khiểi Các tham số cơ bản của mạch khuếch đại thuật toán
-_ Ủạ điện áp vào hiệu
~ Uø, Íp điện áp vào và dòng điện vào cửa thuận ~_ Uụ, lu điện áp vào và dòng điện vào cửa đảo + U, l, điện áp ra và dòng điện ra
Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu dién dp Uy = Up - Uy voi hệ số
khuếch đại Ko > 0 Do đó điện áp ra:
U, = Ko Ua = Ko(Up = Un) (1) a Hé số khuếch đại hiệu Kẹ
Khi không tải được xác định theo biểu thức sau
LAN
0, 0-0,
b Hệ số khuếch đại déng pha Koy
Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán các điện áp bằng nhau, nghĩa là:
Ko =
Up = Un = Ucw = 0
thi Ug = 0 Goi Ucy là điện áp vào đồng pha Theo biểu thức (1) ta có
Trang 29‘CAD TRONG TY BONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCHIEP CRỚNG 2
Dùng để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bội khuếch đại lý tưởng (Kcw=0) Cuma = Ko Kas d Dòng vào tinh Là trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo: i= # Ty vớiUs=Uy=0 2
Dòng vào lệch không là hiệu các dòng vào tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán:
lọ =Ip-ly vớiUs=Uw=0
Thông thường lạ = 0,1la Trị số của dòng vào lệch không thay đổi theo
nhiệt độ Hiện tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán
Trang 30HƯỚNG ? CAD TRONG TY DGNG HOA SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP c Mach khuếch đại đảo | Ra | RL | ve =>—>Ƒ Điện áp ra được tính theo biểu thức: Un = Rly Mạch lấy mẫu và chốt
Hầu hết các bộ chuyển đổi A/D đòi hỏi một thời gian cố định mà trong khoảng thời gian đó tín hiệu ngõ vào giữ nguyên để thực hiện một chuyển đổi A/D Điểu này là một yêu cầu của thuật toán chuyển đổi được dùng bởi bộ
chuyển đổi
Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi trong khoảng thời gian này thì bộ chuyển đổi có thể sẽ cho kết quả không chính xác Do đó, một thiết bị lấy mẫu và chốt cần được dùng ở ngõ vào của bộ chuyển đổi Nó lấy mẫu tín hiệu ngõ ra của
bộ chọn kênh hoặc bộ khuếch đại độ lợi rất nhanh và giữ tín hiệu không đổi
trong khoảng thời gian chuyển đổi của bộ chuyển đổi A/D
Quan điểm thiết kế tiêu chuẩn là đặt một chip lấy mẫu và chốt đơn giản
Trang 31CAD TRONG TY ONG HOA ~ScADA:TRUYEN THONG TRONG CONG NCWiEP caus 2 -on | st
99 yao 89 enon arene & chết Z ‘ite ie (NH
tuong kênh Ly wongty ——~ 889 yo chết sang số tem) 2
si —
chọn kênh
Bộ chuyển đổi A/D
Bộ chuyển đổi A/D là trái tim của Mô đun Chức năng của nó là đo tín hiệu điện áp tương tự ngõ vào và cho ra giá trị số tương ứng với điện áp ngõ vào II” Tin hiệu ngô vào fr 11100010110 Tin hiệu ngõ ra tương tự 1 số
€ó hai loại bộ chuyển đổi A/D được sử dụng:
Trang 32
nuts 2 ‘CAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCHIEP
Các bộ A/D loại này được dùng cho các ứng dụng với tần số thấp (lớn nhất là vài trăm Hz) và có thể cho độ chính xác rất cao (22 bit) Chúng được sử dụng trong các mô đun cặp nhiệt điện (thermocouple) và mô đun RTD Các ưu điểm khác bao gồm giá thành thấp, nhiễu được giảm đi do đặc tính tích phân
tự nhiên của bộ chuyển đổi A/D
Mạch bao gồm các phần tử: Bộ so sánh, RS Flip-Flop, cổng "AND" dùng
để đóng mở xung nhịp, bộ đếm n bít và một DAC n bít Các phần tử được mắc
thành mạch hổi tiếp
Hoạt động của mạch: Lúc đầu mạch Flip-Flop và mạch đếm được Reset,
lối ra Q của FF ở mức logic "0", bộ đếm cũng xoá về 0, do đó điện áp ra Uoac
của DAC là OV Cổng AND mở để cho các xung nhịp vào mạch đếm Lúc này
điện áp vào Ua lớn hơn Uạoc nên U„„ ở trị thấp Uoạc tăng dần theo hình bậc
thang vì mạch đếm liên tục đổi trạng thái từ thấp lên cao, khi Upac đủ lớn hơn Us thi Uss chuyén lén cao lam cho lối ra Q của FF chuyển lên mức logic "0* làm cổng AND đóng lại Lúc này nội dung bộ đếm là tín hiệu số n bít tương ứng với
tin hiệu tương tự Uạ cần chuyển đổi
Như vậy thời gian chuyển đổi của ADC kiểu đếm phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu tương tự Uạ và tần số xung nhịp Nếu U„ càng lớn thì thời gian chuyển đổi càng dài, nếu xung nhịp cao thì thời gian chuyển đổi ngắn
Các bộ chuyển đổi A/D dạng sắp xỉ liên tiếp lUa &®——] Uss Mach lo gic Dida Kida | Các |X nhị DAC i: ht oe ị a “Tín hiệu ra số
Chuyển đổi AD theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp có ưu điểm lớn là thời
gian chuyển đổi tỷ lệ thuận với số bit của mã số và thời gian thiết lập của mạch
ghi chứ không phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu chuyển đổi
Trang 33CCAD TRONG TY ĐỘNG HOA ~ SCADA: TRUYE! lệ DHƯNG 2
NG TRONG Ci
Do đó các bộ chuyển đổi A/D dạng sắp xỉ liên tiếp cho phép tốc độ lấy
mẫu nhanh hơn nhiều (lên đến khoảng vài trăm kHz với 12 bit) trong khi vẫn
cho giá thành khá hợp lý
Thuật toán chuyển đổi tương tự với thuật toán của tìm kiếm nhị phân, Khởi đầu mạch ghi ở trạng thái Reset, sau đó mạch điều khiển kích thích để bít lớn nhất xuất hiện
Sau đó chuyển đổi A/D bắt đầu bằng cách so sánh ngõ vào với một điện
áp (được tạo bởi bộ chuyển đổi D/A bên trong Uoạc), tương ứng với một nữa
của khoảng điện áp đo Khi đó sẽ xảy ra một trong hai trường hợp: - _ Nếu UDAC > Ua thì bit này được bỏ qua (vẫn thiết lập "0°) - _ Nếu UADC < Ua thì bít này được duy trì (thiết lập "1")
Sau đó lại kích thích để bít kế tiếp xuất hiện, và công việc so sánh cứ
tiếp tục đến khi UDAC = Ua thì quá trình chuyển đổi kết thúc Chú ý rằng tín hiệu ngõ vào không thay đổi trong quá trình chuyển đổi
Các đặc điểm của các bộ chuyển đổi A/D:
* Độ chính xác tuyệt đối
Giá trị này chỉ sai số tín hiệu tương tự lớn nhất; giá trị này được tham
khảo và so sánh với giá trị tiêu chuẩn của tiêu chuẩn đo lường quốc gia
v Độ tuyến tính vi phân
Giá trị này là thay đổi lớn nhất của độ lớn của một bit thực so với giá trị lý
thuyết cho bất kỳ bit nào trong toàn bộ khoảng đo của bộ chuyển đổi ¥ Sai số độ lợi (sai số hệ số tỉ lệ)
Sự khác nhau về độ dốc giữa chức năng chuyển đổi thực và chức năng
lý tưởng
¥ Các sai số tuyến tính
Với hầu hết các bộ khuếch đại thì các sai số điểm 0 và sai số bù không
quan trọng lắm do chúng có thể được hiệu chỉnh để loại trừ Các sai số tuyến
tính gồm vô tuyến tính vì phân và vô tuyển tính tích phân thì quan trọng hơn vì
chúng không thể bị loại trừ
Phi tuyến tính vi sai
Là sự khác biệt giữa khoảng độ rộng mã thực so với khoảng độ rộng mã lý tưởng xét trong 1 LSB
Trang 34
CRƯỢNG 2 ‘CAD TRONG TY BONG HOA ~ SCADA: TRUVEN THONG TRORG CONG NGNIEP
Đường thẳng này có thể được vẽ qua tâm của các khoảng độ rộng mã lý
tưởng hoặc qua các điểm mà các mã bắt đầu thay đổi *ˆ Dải biến đổi của điện áp tương tự đầu vào:
Là khoảng điện áp mà ADC có thể thực hiện chuyển đổi được Khoảng điện áp này có thể từ 0 đến một giá trị âm hay dương, hoặc cũng có thể là điện
áp hai cực tính -UAM và + UAM
+ Độ chính xác của ADC:
Tham số đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải
(Resolution) Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị số được sắp xếp
theo một quy luật nào đó
Số các số hạng ở mã đầu ra (số bít trong từ mã nhị phân) tương ứng với
dải biến đổi điện áp vào cho biết mức chính xác của phép biến đổi
Ví dụ: Một bộ biến đổi AD có số bít đầu ra là N=12 thì sẽ phân biệt được
212=2096 mức trong dải biến đổi điện áp đầu vào của nó - UAM chẳng hạn
Như vậy mỗi mức ADC phân biệt được ở đầu vào là UAM/2096 Trong thực tế
người ta dùng số bít N để đặc trưng cho độ chính xác của một ADC khi dải
biến đổi điện áp đầu vào là không đổi
Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số như: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số đơn điệu, sai số lượng tử hóa nhưng ta sẽ không xét ky 6 đây
* Tốc độ chuyển đổi:
Cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, còn được gọi là tần số chuyển đổi †, Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi T, để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi (T; = 1/1,) Tốc độ chuyển đổi càng cao thì độ chính xác
càng giảm và ngược lại
Phương pháp kết nối ngõ vào Analog: * Ngõ vào đơn
Dạng nối này dùng cho các thiết bị analog ngõ vào có ngõ tín hiệu ngõ ra từ các cảm biến tín hiệu tương tự là tín hiệu đơn Nghĩa là một ngõ tín hiệu
cao VHI và một ngõ tín hiệu thấp L0 được nối đất
Các tín hiệu cao VHI được nổi trực tiếp vào các ngõ vào analog và cáo ngõ thấp L0 được nối chung với nhau và được nối đất
Nhược điểm của phương pháp này là dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và
không thể nối với khoảng cách lớn hơn 0.5 mét và không nên dùng với độ lợi
lớn hơn 5x Ưu điểm của phương pháp này là cho nhiều kết nổi hơn và cách
kết nối cũng rất đơn giản
Trang 35(CAD TRONG TỰ DONG HOA — SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP CHONG 2 "Ngõ kết nổi ngõ “Tí hiệu ngoại ngõ vào s cap ni
Điểm điện p ni đất AGND hay OV oes ty) tham chiếu cũa hệ thống "gõ chúng indian,
* Ngõ vào vi sai
Phương pháp kết nối vi sai hạn chế rất nhiều ảnh hưởng của nhiễu
Phương pháp này được dùng khi các tín hiệu analog ngõ vào không có cùng điện áp nối đất và chúng không thể nối với nhau Do đặc tính trên nên ta phải cần 2 bộ chọn kênh ngõ vào để chọn cả tín hiệu cao và tín hiệu thấp để kết nối với ngõ dương và ngõ âm của bộ khuếch đại Ở mỗi lần chuyển đổi thì bộ khuếch đại sẽ so sánh tín hiệu cao và tín hiệu thấp của cùng một tín hiệu Tuy nhiên phương pháp này cho hiệu ngõ vào hơn vì một nữa ngõ vào đã được dùng cho kết nối tín hiệu thấp
Trang 36
cunt 2 CCAD TRONG TY DONG HOA ~ SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NCHIEP
Các mô đun ngõ vào Analog thường gặp: - _8 hoặc 16 ngõ vào analog
-_ Độ phân giải 8 hoặc 12 bit
- _ 4-20 mA (các khá năng khác: 0-20 mA/-10~+10V/0~10V)
-_ Điện trở ngõ vào 240 kiloôm hay 1 megaôm
~_ Tốc độ chuyển đổi 10 mili giây đến 30 mili giây
- ˆ Ngõ vào thưởng là ngõ vào đơn (nhưng cũng có dạng ngõ vào vi sai)
Ngõ ra analog và bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự DAC:
Ngô ro don cực Nab radon eg aga a tng ce {eran cw - pee Iumgeoe Ses tate ene Sa MOE te gỗ ra đón cực /\ Ke rp | —~ có 8 cm 2
| 1 Tac ery ——— pe ee Seag - af
_Bug giao tiếp, ES
\ “ ⁄
Để điều khiển các thiết bị với tín hiệu điều khiển tương tự, CPU cần dua
ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị tương ứng- tín hiệu điểu khiển; tín hiệu nay
cần phải qua bộ biến đổi số-tương ty (DAC), sau đó khuếch đại công suất để
điều khiển thiết bị được chọn Bộ biến đổi DA đơn giản hơn và là nền tảng cho
bộ biến đổi AD
Các mô đun Analog thường gặp: - _ 8 ngõ ra analog
- _ Độ phân giải 8 hoặc 12 bit
+ 4-20 mA (các khả năng khác: 0-20 mA/-10-+10V/0-10V)
- _ Tốc độ chuyển đổi 10 mili giây đến 30 mili giây
Các mô đun analog ngõ ra thưởng được thiết kế để cho tín hiệu ra dạng điện áp hơn là dạng tín hiệu dòng điện
Hoạt động của DAC và tính chất của nó
Mục đích của bộ biến đổi DA, như đã nêu, là biến đổi tín hiệu nhị phân n
Trang 37‘CAD TRONG TY DONG HOA SCADA: TRUYEN THONG TRONG LŨNG NGHIỆP cava 2
Về nguyên tắc, bộ chuyển đổi số-tương tự tiếp nhận một mã số n bít
song song hoặc nối tiếp ở lối vào và biến đổi ra dòng điện hoặc điện áp tương ứng ở lối ra Dòng điện hay điện áp ở lối ra là hàm biến thiên phủ hợp theo mã số ở lối vào _Ngổ vào số n bịt IS”
Điện áp “Thiết bị chuyển mạch chuẩn — Vief viđiện tử Nas ra tương tự
Một bộ DAC hoàn chỉnh bao gồm ba phần tử cơ bản:
-_ Điện áp quy chiếu ổn định bên ngoai (Vref)
-_ DẠC cơ sở
-_ Khuếch đại thuật toán
Như vậy điện áp đầu ra của bộ biến đổi Vọ sẽ phụ thuộc vào mã nhị
phân đầu vào theo công thức sau:
Vọ = Vu (Bụ2? + Bụ2' + + Bạ2”)
Trong đó Bọ là bít thấp nhất và B, là bít cao nhất của mã nhị phân đầu vào, Vụ là điện áp quy chiếu
DAC cơ sở cấu tạo bằng những chuyển mạch tương tự được điều khiển
bởi mã số đầu vào và các điện trở chính xác Các chuyển mạch tương tự điều
chỉnh dòng điện hay điện áp trích ra từ điện áp quy chiếu và tạo nên dòng điện
hay điện áp ở đầu ra tương ứng với mã số đầu vào
Mạch khuếch đại thuật toán dùng ở đây để chuyển đổi dòng thành áp đồng thời có chức năng tầng đệm
Bộ biến đổi DAC có đặc điểm là đại lượng ra tương tự không liên tục, độ rời rạc của đầu ra phụ thuộc vào số bít của bộ biến đổi, những DAC có số bít đầu vào lớn thì tổng số nấc điện áp ra càng lớn và khoảng cách giữa các nấc
càng nhỏ
Các tham số của bộ chuyển đổi DA
Độ phân giải (Resolution): liên quan đến số bít của một DAC Nếu số bít
là n thì số trạng thái của tín hiệu nhị phân là 2" nghĩa là sẽ có 2" mức điện thế (hoặc dòng điện) khác nhau, do đó có độ phân giải là 1/2" độ phân giải cảng
bé thì điện thế (hoặc dòng điện đầu ra) càng có dạng liên tục, càng gần với
thực tế và ngược lại
Trang 38(HƯỞN 2 CCAD TRONG TY DONG HOA SCADA: TRUYEN THGNG TRONG CONG NEWIEP
Độ chính xác (Aceuraey): có thể đánh giá chất lượng của một DAC bằng sai số của nó Đại lượng biểu diễn sai số là độ lệch tối đa giữa đại lượng ra và
một đường thẳng nối điểm 0 với điểm FS (Full Scale) trên đặc tuyến chuyển
đổi DA
Độ tuyến tính (Linearity): độ tuyến tính của DAC cho biết độ lệch điện
áp so với một đường thẳng đi qua những điểm nút của đặc tuyến chuyển đổi
Đó là đặc tính thường gặp nhất với DAC Đường cong đặc tuyến là đơn điệu
nếu sự thay đổi độ lệch trên là không đổi dấu Để có một DAC đơn điệu, độ lệch này phải lớn hơn 0 cho mỗi nấc thang Ngoài ra mức độ tuyến tính của DAC phải nhỏ hơn hoặc bằng 1/2 LSB để nó trở nên đơn điệu Như vậy 1/2
LSB là đặc trưng về giới hạn đơn điệu cla mot DAC
Phi tuyến vi sai: là đại lượng cho biết độ lệch giữa giá trị thực tế và lý
tưởng cho một nấc điện áp ra ứng với mỗi thay đổi của mã số vào Đại lượng
này cho biết về độ thẳng của đường cong đặc tuyến đối với DAC
Thời gian thiết lập: đối với một DAC là thỏi gian cần thiết để điện áp ra
đạt tới giá trị tới hạn sai số xung quanh giá trị ổn định Giới hạn này thường là
1/2 LSB hoặc biểu diễn bằng giá trị % FS Thời gian thiết lập trước hết phụ
thuộc vào kiểu chuyển mạch, kiểu điện trở và kiểu khuếch đại dùng để xây
dựng bộ DAC
Thông thường nó được định nghĩa bằng thời gian từ khi điện áp bắt đầu
thay đổi cho tới khi đạt tới vùng giới hạn sai số cho trước Nó không bao gồm
thời gian trễ tính từ khi có sự thay đổi mã số ở đầu vào cho tới khi điện ap ra bắt đầu đáp ứng
Ngõ vào số:
Các ngõ vào số chỉ nhận tín hiệu mức cao và mức thấp (thưởng là 0V)
Tín hiệu mức cao tuỳ thuộc vào nhà cung cấp sản phẩm nhưng thông thường
cũng tuân theo các chuẩn chung (110 VAC, 220 VAC, 12 VDC, 24 VDC, 48 VDC) Cac thiết bị giao tiếp với ngõ vào số gồm:
Trang 39CCAD TRONG TY DONG HOA - SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGHIEP CHƯNG ? Cảm biến quang (Optical sensor): Công tắc hành trình (limit switch):
Để bảo vệ ngõ vào số khỏi các sự cố do tăng áp đột ngột của thiết ngoại vi, cách ly quang học rất cần thiết và là bộ phận không thể thiếu của mô
đun ngõ vào số Ta có cách kết nối thiết bị ngoại vi tin hiệu số với mô đun ngõ
vào số với cách ly quang học như sau:
se
Trang 40
CRƯẾNG 2 CCAD TRONG TW DONG HOA SCADA: TRUYEN THONG TRONG CONG NGWIEP Ta có 2 kiểu kết nối cho mô đun ngõ vào tín hiệu số, nối nguồn hoặc nối đất: 24VDC 0VDC 0VDC 24VDC Liew 8 1 ` s ——2 §2 —^ ó2 3 @ 3 3 fo +o 3 s +O 4 4 4 8 +O 5 % S5 % +o 6 % ‘ 7 le? 37 Bxy>———a? $8 +o 8 ® Ez———9 8 9 rơ 9 flog 310 tô sID 810 sn sn len si sa si2 Sa +213 2 sử sia you | sis s5 +915 si —+2 Si +916 com "Nói đất"
'Các công tắc được cấp ngn từ bên ngồi à điện áp ngỡ vào của mô đun ngố vào số "ngổ vào của mô đun ngỡ vào số sẽ được “Các công tắc được nối đất và điện áp khi công tất đóng "kéo xuống” khi công tất đồng
Các mô đun ngõ vào số thường gặp:
-_ 16 ngõ vào số cho mỗi mô đun
-_ Đèn LED đi kèm với mỗi ngõ vào số để hiển thị trạng thái đóng/mở của ngõ vào
- _ Các dạng điện áp ngõ vào gồm 110/220 VAC, va 12/24/48 VDC Cách ly quang học cho mỗi ngõ vào số
Bộ đếm hay bộ tích lug
Bộ đếm hay bộ tích luỹ được sử dụng trong rất nhiều Ung dung dung dé đếm tín hiệu ngõ vào dạng xung
Hình trang bên mô tả cấu trúc cơ bản của bộ bộ đếm hay bộ tích uy Để hạn chế ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu bên ngoài, bộ phận cách li quang học được sử dụng Kích thước của bộ tích luỹ rất quan trọng quyết định số xung ngõ vào có thể đếm được trước khi chuyển dữ liệu đến bộ nhớ lưu trữ khác