Nghiên cứu xây dựng hệ micro scada cho hệ thống điện

Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường MỞ ĐẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hố, đại hoá đất nước đưa nước ta trở thành nước cơng nghiệp Ngành cơng nghiệp nói chung cơng nghiệp sản xuất điện nói riêng đóng vai trị quan trọng Điện nhu cầu thiết yếu ngành công nghiệp đời sống sinh hoạt hàng ngày nhân dân Để có ngành kinh tế phát triển, đời sống ngày cải thiện điện mặt hàng thiếu Muốn đảm bảo cung cấp điện liên tục với chất lượng cao việc phát triển nguồn điện cần thiết Trong số năm vừa qua năm Nhà nước với ngành điện mở rộng, lắp đặt nhiều dây chuyền sản xuất điện đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu sử dụng điện cho công cơng nghiệp hố đất nước đời sống sinh hoạt nhân dân Để giảm thiểu số nhân lực dây chuyền sản xuất điện đảm bảo vận hành dây chuyền an tồn, liên tục, kinh tế cần có hệ thống giám sát, điều khiển đại Hệ SCADA giải pháp kỹ thuật cho ngành cơng nghiệp tự động có nhiều ưu điểm kỹ thuật, giảm chi phí cho hệ thống điều khiển giám sát Ngồi ra, cơng cụ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngơn ngữ lập trình bậc cao chuẩn hóa giúp cho kỹ sư xây dựng, phát triển ứng dụng hiệu Với vấn đề đặt chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ micro SCADA cho hệ thống điện” Mục đích đề tài ứng dụng cơng nghệ tự động hóa vào nhà máy điện từ xây dựng mạng SCADA cho nhà máy điện, ứng dụng cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại Luận văn tổ chức thành ba chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống SCADA Chương 2: Tổng quan SCADA hệ thống điện Chương 3: Xây dựng hệ micro SCADA cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại Tôi trân thành cảm ơn tận tình giúp đỡ, bảo thầy giáo hướng dẫn Vũ Đức Trường thầy mơn Tự động kỹ thuật tính- Khoa kỹ thuật điều khiển q trình tơi thực đề tài hướng đến hoàn thành đề tài Dù thân cố gắng xong với trình độ cịn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường nên sau q trình thực tơi khơng tránh khỏi thiếu xót, mong nhận nhiều góp ý, bảo thầy bạn để đồ án tốt nghiệp hoàn thiện Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 26 tháng 04 năm 2012 Sinh viên thực Nguyễn Bá Bun SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA 1.1 Giới thiệu chung hệ SCADA công nghiệp 1.1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển công nghiệp Hệ thống điều khiển công nghiệp ICS ( Industrial Control System) phổ biến loại bao gồm nhiều hệ thống điều khiển như: Hệ thống thu thập liệu điều khiển giám sát SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition), hệ thống điều khiển phân tán DCS ( Distributed Control System), hệ điều khiển có quy mơ nhỏ điều khiển logic khả trình PLC ( Programmable Logic Control) Các hệ thống điều khiển công nghiệp sử dụng nhiều ngành công nghiệp điện năng, thủy lợi, dầu khí, hóa chất, vận tải, ngành dược, thực phẩm số trình sản xuất khác máy tự động, hàng không vũ trụ… Những hệ thống điều khiển đóng vai trị quan trọng vận hành hệ thống, chúng thường có mối liên hệ mức cao tác động qua lại lẫn Các thành phần điều khiển chủ yếu hệ thống điều khiển công nghiệp: - Máy chủ điều khiển ( Control Server) - SCADA thiết bị đầu cuối đặt trung tâm điều khiển MTU ( Master Terminal Unit) - Thiết bị đầu cuối đặt cấp trường RTU ( Remote Terminal Unit) - Bộ điều khiển khả trình PLC - Các thiết bị điện tử thơng minh IED ( Intelligent Electronic Devices) - Giao diện người máy HMI ( Human Machine Interface) - Dữ liệu lịch sử ( Data historian) - Các thiết bị vào máy chủ ( Input/Output (IO) Server) 1.1.2 Định nghĩa SCADA hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu, nói cách khác hệ thống hỗ trợ người việc giám sát điều khiển từ xa, cấp cao hệ điều khiển thơng thường Để điều khiển giám sát từ xa hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải liệu giao diện người – máy HMI Hệ thống SCADA hệ thống phân tán mức cao sử dụng để điều khiển phân tán mặt địa lý, thường rải rác hàng trăm kilomet vuông, nơi tập trung SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường thu thập liệu điều khiển vận hành hệ thống Hệ SCADA sử dụng hệ thống phân phối điện năng, trạm bơm nước hệ thống xử lý nước thải, đường ống dẫn dầu ga, hệ thống vận chuyển đường sắt… Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống hệ thống mạng thiết bị có nhiệm vụ túy thu thập liệu từ trạm xa truyền tải khu trung tâm để xử lý Trong hệ thống truyền thơng phần cứng đặt lên hàng đầu cần quan tâm nhiều hơn…Trong năm gần với tiến vượt bậc công nghệ truyền thông công nghiệp công nghệ phần mềm công nghiệp đem lại nhiều khả giải pháp nên trọng tâm công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA lựa chọn công nghệ phần mềm thiết kế giao diện giải pháp tích hợp hệ thống Để truyền tải liệu, hệ thống SCADA bao gồm máy tính chủ kết nối đến cảm biến trường ( đồng hồ đo, cụm cảm biến áp suất nhiệt độ) thông qua hệ truyền thông thành phần khác van, bơm… 1.2 Một số cấu trúc hệ SCADA 1.2.1 Hệ SCADA giai đoạn đầu Hệ SCADA giai đoạn đầu đơn sử dụng để thu thập liệu cho hình dụng cụ đo, đèn sáng đồ thị Người vận hành thao tác tay nút bấm để thực việc điều khiển giám sát Những thiết bị sử dụng để điều khiển giám sát thu thập liệu nhà máy, xí nghiệp Nó đem lại nhiều thuận lợi, tiện ích Hình 1.1: Hệ SCADA đơn giản gồm cảm biến panel  Ưu điểm: SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học - GVHD: Vũ Đức Trường Hệ thống đơn giản, khơng có CPU, RAM, ROM chương trình phần mềm - Các cảm biến kết nối trực tiếp với dụng cụ đo, công tắc đèn mặt máy - Tính kinh tế khả dễ dàng ta thêm vào thiết bị đơn giản công tắc hiển thị  Nhược điểm: - Số lượng dây nối khó kiểm sốt ta lắp đặt hàng trăm cảm biến - Việc lắp đặt thêm cảm biến làm hạn chế phát triển hệ thống - Việc địnhlại cấu hình hệ thống trở thành công việc phức tạp - Không thể mô theo liệu thực - Việc thu thập liệu giới hạn nhỏ khó khăn để quản lý - Khơng có chức cảnh báo 1.2.2 Hệ SCADA đại 1.2.2.1 Mô hình hệ SCADA gồm PC-PLC DCS với bus trường cảm biến Trong sản xuất quy trình cơng nghiệp đại thiết bị hệ thống quản lý thường cách xa Khoảng cách từ vài mét đến hàng trăm kilomet, để gửi lệnh điều khiển nhận thông tin giám sát phải thực qua phép đo từ xa SCADA có nhiệm vụ thu thập thơng tin, truyền liệu trở lại trung tâm Dựa thông tin thu thập thực thi phép phân tích cần thiết điều khiển sau hiển thị thơng tin số hình vận hành hiển thị Kết trình hoạt động điều khiển đạt sau truyền trở lại đến vi xử lý Ngày rơle logic sử dụng phổ biến việc điều khiển sản phẩm hệ thống thiết bị Với phát triển CPU thiết bị điện tử khác, hãng sản xuất tích hợp điện tử số vào thiết bị rơle logic PLC thiết bị sử dụng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Khi cần giám sát điều khiển nhiều thiết bị hệ thống, PLC điều khiển phân tán, hệ thống trở lên thông minh nhỏ gọn PLC DCS sử dụng giống hình minh họa đây: SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường Hình 1.2: Hệ SCADA gồm PC-PLC DCS với cảm biến bus trường  Ưu điểm: - Máy tính ghi lưu khối lượng lớn liệu - Dữ liệu hiển thị theo cách mà người dùng quy định - Hàng trăm cảm biến sử dụng phạm vi rộng kết nối đến hệ thống - Người vận hành kết hợp mô liệu thực hệ thống - Nhiều loại liệu thu thập từ RTU - Dữ liệu quan sát từ nơi  Nhược điểm: - Hệ thống phức tạp - Có khác biệt hình thức vận hành - Người vận hành quan sát PLC - Với hàng trăm cảm biến việc nối dây phức tạp 1.2.2.2 Mơ hình hệ SCADA gồm PC-IED sử dụng Bus trường Khi nhu cầu phát triển hệ thống cần nhỏ gọn đáp ứng nhanh hơn, người ta sử dụng PLC DCS (các cảm biến thiết kế với tính thơng minh cao) Những thiết bị cịn gọi thiết bị điện tử thơng minh (IED) IDE kết nối bus trường Profibus, Devicenet từ mạng Foundation Fieldbus đến PC Chúng đủ thông minh cho việc thu thập liệu, truyền thông đến thiết bị khác, tổ chức thành phần chúng tổng thể chương trình Mỗi cảm biến loại cần có nhiều loại cảm biến SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường gắn IED kết hợp cảm biến đầu vào tương tự, đầu tương tự, hệ thống truyền thơng nhớ chương trình thiết bị Hình 1.3: Hệ SCADA gồm PC-IED sử dụng bus trường  Ưu điểm: - Người vận hành quan sát từ cấp thấp tới cấp cảm biến - Dữ liệu nhận từ thiết bị bao gồm thông tin chuỗi thông tin nối tiếp - Tất thiết bị có khả Plug and Play, việc cài đặt thay dễ dàng - Các thiết bị kích thước nhỏ chiếm khơng gian vật lý  Nhược điểm: - Nhiều hệ thống đại địi hỏi trình độ người lao động phải cao - Giá thành cảm biến cao - Các IDE phụ thuộc nhiều vào truyền thông 1.2.3 Cấu trúc hệ SCADA tổng quát Hệ SCADA bao gồm phần cứng phần mềm Phần cứng bao gồm MTU đặt trung tâm điều khiển, thiết bị truyền thơng (sóng vơ tuyến, đường điện thoại, cáp vệ tinh) nhiều cấp trường phân tán phạm vi địa lý bao gồm RTU PLC Phần cứng điều khiển cấu truyền động giám sát cảm biến MTU ghi xử lý thông tin từ đầu vào đầu RTU RTU PLC điều khiển quy trình cục Phần cứng truyền thơng cho phép truyền thông tin liệu đáp ứng, đồng thời truyền thông tin MTU RTU PLC Phần mềm chương trình hệ thống giám sát phạm vi thông số giới hạn cho phép đáp ứng lại tham số vượt giá trị cho phép Một IED SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường giống role bảo vệ, truyền thông đến trạm chủ SCADA, RTU cục thăm dị IED để thu nhập liệu truyền đến trạm chủ SCADA.Các IED cung cấp giao diện nhằm điều khiển giám sát thiết bị cảm biến Các IE D thăm dị xác điều khiển trạm chủ SCADA hầu hết trường hợp có chương trình cục cho phép IED hoạt động mà không cần điều khiển trực tiếp từ trung tâm điều khiển SCADA Hình 1.4: Cách bố trí tổng qt hệ SCADA Hình thành phần cấu hình chung hệ SCADA Trung tâm điều khiển máy chủ điều khiển MTU định tuyến (router) truyền thông Các thành phần khác trung tâm điều khiển bao gồm HMI, trạm công tác kỹ sư vận hành, liệu trình Tất kết nối mạng LAN Trung tâm điều khiển thu thập lưu trữ thông tin thu thập qua cấp trường , hiển thị thơng tin đến HMI đưa điều khiển dựa vào kiện mà phát Trung tâm điều khiển đáp ứng lại cảnh báo kiểm soát Cấp trường biểu diễn việc điều khiển cục hoạt động giám sát cảm biến Cấp trường thường trang bị với khả SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường truy cập từ xa cho phép người vận hành chuẩn đốn từ xa khơi phục lại hoạt động qua kết nối WAN DIALUP Chuẩn giao thức công nghiệp thực thi việc truyền thông nối tiếp để truyền thông tin trung tâm điều khiển cấp trường Nó sử dụng cơng nghệ đo từ xa đường điện thoại, cáp quang, sóng vơ tuyến sóng truyền hình, sóng viba sóng vệ tinh 1.2.4 Cấu trúc truyền thông hệ SCADA Các cấu trúc truyền thông MTU-RTU thay đổi tùy thuộc thành phần Cấu trúc điểm điểm (point and point), nối tiếp (series), nối tiếp hình (series star) điểm-nhiều điểm (multi-drop) Hình 1.5: Cấu trúc truyền thơng hệ SCADA Kiểu cấu trúc điểm-điểm loại đơn giản nhiên giá thành đắt làm cho vận hành hệ thống SCADA trở lên phức tạp Trong cấu trúc nối tiếp số kênh sử dụng giảm đi, nhiên việc chia sẻ kênh có ảnh hưởng đến chất lượng phức tạp hệ thống SV: Nguyễn Bá Bun Đồ án tốt nghiệp đại học GVHD: Vũ Đức Trường Tương tự vậy, loại nối tiếp hình điểm- nhiều điểm sử dụng cho kênh làm giảm chất lượng tăng độ phức tạp hệ thống Bốn kiểu cấu trúc hình minh họa làm tăng thêm việc sử dụng thiết bị truyền thơng chun dụng mục đích để quản lý tốt việc trao đổi thông tin công tắc vùng đệm 1.2.5 Cấu trúc truyền thông hệ SCADA lớn Một hệ SCADA lớn bao gồm hàng trăm RTU, thường để quản lý MTU để làm giảm bớt gánh nặng MTU Cấu trúc hình 1.6 Hình 1.6: Cấu trúc truyền thông hệ SCADA lớn 1.2.6 Cấu trúc hệ SCADA hoàn chỉnh Các thành phần hệ SCADA bao gồm trung tâm điều khiển ba cấp trường Trung tâm điều khiển hỗ trợ cấp thứ hai tình trạng kiện cố trung tâm điều khiển Cấu trúc điểm điểm sử dụng để truyền thông từ tất trung tâm điều khiển đến cấp trường, hai loại kết nối sử dụng sóng vơ SV: Nguyễn Bá Bun