Tìm hiểu và mô phỏng giao thức truyền tin iec 870 5 101 sử dụng trong công nghiệp

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG TÌM HIỂU VÀ MƠ PHỎNG GIAO THỨC TRUYỀN TIN IEC 870-5-101 SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP NGUYỄN KHẮC THU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUN 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn kết tự thân tơi tìm hiểu, nghiên cứu Các tài liệu tham khảo trích dẫn thích đầy đủ Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Ts Phí Mạnh Lợi - Viện Cơng nghệ thơng tin, người tận tình hướng dẫn em suốt q trình hồn thành luận văn Thầy mở cho em vấn đề khoa học mang tính thực tiễn ứng dụng nghành cơng nghiệp Việt Nam Em xin thể lòng biết ơn đến Thầy cô giáo Viện Công nghệ thông tin Trường Đại học CNTT&TT - ĐH Thái Nguyên, người trang bị cho em nhiều kiến thức chuyên ngành, bảo, giúp đỡ tận tình q Thầy em suốt trình học tập Xin cảm ơn đồng chí Lãnh đạo huy, đồng nghiệp đơn vị cơng tác đặc biệt Gia đình tạo điều kiện thuận lợi, động viên trình học tập nghiên cứu Thái Nguyên, tháng 10 năm 2011 Học viên Nguyễn Khắc Thu Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan .i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt vi Danh mục hình vẽ viii Mở đầu .1 Chương Hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu thời gian thực công nghiệp 1.1 Một số khái niệm hệ thống phân tán thời gian thực 1.1.1 Thông tin xử lý thông tin hệ thời gian thực 1.1.1.1 Tín hiệu analog, số số hố 1.1.1.2 Số liệu thông tin 1.1.2 Thu thập liệu mã hóa 1.1.2.1 Thu thập liệu đại lượng analog 1.1.2.2 Mã hóa liệu đại lượng analog 1.1.2.3 Thu thập liệu đại lượng logic 1.1.2.4 Mã hóa liệu đại lượng logic 1.1.2.5 Thu thập đại lượng tích lũy .6 1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền liệu thời gian thực 1.1.4 Địa quy chiếu đối tượng 1.1.5 Đồng thời gian cho phân hệ 1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa 1.1.7 Giao thức truyền tin 1.1.8 Định thời (TimeOut) .10 1.1.9 Truyền tin dị bộ, đồng .11 1.1.9.1 Truyền dị .11 1.1.9.2 Truyền đồng 12 1.1.10 Mơ hình OSI .13 1.1.10.1 Giới thiệu 13 1.1.10.2 Mô tả ý nghĩa tầng 14 1.1.10.3 Đóng gói liệu .15 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.2 Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu thời gian thực công nghiệp .15 1.2.1 Hệ thống SCADA phân cấp quản lý .15 1.2.2 Chức hệ thống SCADA .17 1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA 18 1.2.3.1 Hệ thống thiết bị đầu cuối 18 1.2.3.2 Hệ thồng mạng truyền số liệu 20 1.2.3.3 Hệ thống Trung tâm điều hành 20 1.2.4 Hệ thống SCADA ngành điện 21 1.2.4.1 SCADA điều độ cấp quốc gia 21 1.2.4.2 SCADA điều độ cấp Miền 23 1.2.4.3 SCADA trạm 23 Chương Giao thức IEC 870-5-101 25 2.1 Giới thiệu .25 2.2 Cấu trúc giao thức .26 2.2.1 Thông tin truyền thông 26 2.2.2 Một số định nghĩa 26 2.2.3 Đặc tả cấu trúc 27 2.3 Các đặc tả truyền thông 28 2.3.1 Cấu hình mạng 28 2.3.2 Định dạng giao thức .29 2.3.3 Quy tắc truyền 29 2.4 Định dạng Frame truyền tin 30 2.4.1 Frame tiêu chuẩn 30 2.4.2 Cấu trúc phổ biến Frame liệu ứng dụng 31 2.4.2.1 Start character/length 33 2.4.2.2 Control field chế độ Master-Slave 34 2.4.2.3 Control field chế độ Master- Master .36 2.4.2.4 Link address (địa liên kết) 37 2.4.2.5 Type Identification 37 2.4.2.6 Variable Stucture Qualifier (xác định loại biến) 38 2.4.2.7 Cause Of Transmisson 39 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.4.2.8 Common address of ASDUs 40 2.4.2.9 Information Object Address .40 2.4.3 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master-Slave 42 2.4.3.1 Frame gửi từ trạm controlling 42 2.4.3.2 Frame gửi từ trạm controlled 43 2.4.4 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master- Master 44 2.4.4.1 Frame gửi từ trạm controlling trạm chủ 44 2.4.4.2 Frame gửi từ trạm contronlling trạm thứ cấp 44 2.4.4.3 Frame gửi từ trạm controlled trạm chủ .45 2.4.4.4 Frame gửi từ trạm controlled trạm thứ cấp 45 2.5 Các thủ tục truyền thông .46 2.5.1 Khởi động trạm 46 2.5.1.1 Khởi động cục controlling station chế độ Master-Slave 46 2.5.1.2 Khởi động cục controlled station chế độ Master-Slave 48 2.5.1.3 Khởi động từ xa controlled station chế độ Master-Slave 50 2.5.2 Thu nhận kiện chế độ Master-Slave 51 2.5.3 Tổng thẩm vấn (hỏi yêu cầu) 54 2.5.4 Đồng hóa thời gian 56 2.5.5 Lệnh truyền 57 2.5.6 Truyền tổng số tích hợp 60 2.5.7 Tham số tải 61 2.5.8 Kiểm tra thủ tục 62 Chương Xây dựng mơ hình mơ sử dụng giao thức IEC 870-5-101 công nghiệp 63 3.1 Giới thiệu mô hình 63 3.2 Kết cấu phần cứng 64 3.3 Phần mềm .65 3.4 Ngun tắc hoạt động mơ hình 65 Kết luận, kiến nghị 67 Kết luận 67 Kiến nghị .67 Tài liệu tham khảo 68 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt DCS Giải thích ý nghĩa Distributed Control Systems (hệ thống điều khiển phân tán) RTU Remote Terminal Units (thiết bị đầu cuối) PLC Programmable Logic Controller (bộ điều khiển logic lập trình được) SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu) IEC 870-5-101 Giao thức truyền tin theo tiêu chuẩn Uỷ ban điện tử Quốc tế (IEC) CC Control Center (trung tâm điều khiển) I/O In put/Out put (Vào/Ra) IED Thiết bị điện tử thông minh ASDU Application Service Data Unit (Đơn vị liệu dịch vụ ứng dụng, định nghĩa frame liệu giao thức IEC 870-5-101) Data Unit Chứng thực đơn vị liệu Identifier Information Đối tượng thông tin (cần thu thập) Object Information Địa đối tượng thông tin (địa đối tượng thông tin Object Address qui ước thống CC RTU) Time Tag Nhãn thời gian (gán cho đối tượng thông tin) Type Xác định chủng loại Identification RES Dự phịng Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PRM Primary Message (tin nhắn chính) FCB Frame Count Bit (đếm số bít frame) FCV Đếm số bít hợp lệ frame DFC Điều khiển dòng liệu ACD Access Demand bit (nhu cầu truy cập) ACK Xác nhận tốt (Bản tin chấp nhân) NACK Xác nhận tin không chấp nhận FC Function Code (mã code hàm) COT Cause Of Transmission (Nguyên truyền) TI Telegram Type Identification (Kiểu điện tín) SQ Single/sequence (đơn/chuỗi) DIR Hướng truyền vật lý SE Select / Execute ( Lựa chọn/Thi hành) GW Getway Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ .4 Hình 1.2 Biểu diễn tín hiệu tương tự khơng có chu kỳ Hình 1.3 Biểu diễn mơ hình OSI lớp .13 Hình 1.4 Tổng quan hệ thống SCADA 16 Hình 1.5 Sơ đồ cấp SCADA hệ thống điện Việt Nam .22 Hình 1.6 Sơ đồ SCADA trạm/nhà máy điện 23 Hình 2.1 Mơ hình OSI IEC 870-5-101 27 Hình 2.2.Các dạng cấu hình mạng giao thức IEC 870-5-101 .28 Hình 2.3 Định dạng Character IEC 870-5-101 29 Hình 2.4 Định dạng Frame liệu tiêu chuẩn 30 Hình 2.5 Cấu trúc Frame liệu 31 Hình 2.6 Frame với chiều dài cố định gửi từ trạm controlling 42 Hình 2.7 Frame với chiều dài cố định gửi từ trạm controlled 43 Hình 2.8 Frame gửi từ trạm controlling trạm chủ 44 Hình 2.9 Frame gửi từ trạm controlling trạm thứ cấp 44 Hình 2.10 Frame gửi từ trạm controlled trạm chủ 45 Hình 2.11 Frame gửi từ trạm controlled trạm thứ cấp .45 Hình 2.12 Khởi động cục contronlling station chế độ Master-Slave 47 Hình 2.13 Khởi động cục contronlled station chế độ Master-Slave 49 Hình 2.14 Khởi động từ xa contronlled station chế độ Master-Slave 50 Hình 2.15Thu nhận kiện (dữ liệu lớp 1) chế độ Master-Slave .52 Hình 2.16 Thu nhận kiện (dữ liệu lớp 2) chế độ Master-Slave 53 Hình 2.17 Thủ tục tổng thẩm vấn chế độ Master-Slave 55 Hình 2.18 Thủ tục đồng hóa chế độ Master-Slave 56 Hình 2.19 Thủ tục lệnh truyền chế độ Master-Slave .59 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hình 2.20 Truyền tổng số tích hợp chế độ Master-Slave 60 Hình 2.21 Tham số truyền chế độ Master-Slave 61 Hình 2.22 TEST chế độ Master-Slave 62 Hình 3.1 Mơ mơ hình sử dụng IEC 870-5-101 Scada 63 Hình 3.2 Mơ mặt trước cảnh báo 32 kênh 64 Hình 3.3 Mơ mặt sau cảnh báo 32 kênh 64 Hình 3.4 Mơ Trung tâm điều khiển máy tính 65 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/