Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng cho các khối nổi

Bộ khoa học và công nghệ Chơng trình nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ KC 03 đề tài KC 03.01 Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng hoạt động trong điều kiện môi trờng khắc nghiệt Báo cáo tổng hợp 8215 12/01/2010 Hà nội 2005 2 Bộ khoa học và công nghệ Chơng trình nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ KC 03 đề tài KC 03.01 Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng hoạt động trong điều kiện môi trờng khắc nghiệt Báo cáo tổng hợp Chủ nhiệm đề tài: GS TSKH Cao Tiến Huỳnh Cơ quan chủ trì: Viện Tự động hoá KTQS Cơ quan chủ quản: Trung tâm KHKT-CNQS 3 Danh sách cán bộ tham gia đề tài TT Họ và tên Cơ quan công tác A. Chủ nhiệm đề tài 1 GS.TSKH. Cao Tiến Huỳnh Viện Tự động hoá KTQS B. Cán bộ tham gia nghiên cứu 1 KS. Nguyễn Vũ, th kí đề tài Viện Tự động hoá KTQS 2 ThS. Nguyễn Trung Kiên Viện Tự động hoá KTQS 3 KS. Lê Quốc Bình Viện Tự động hoá KTQS 4 ThS. Phạm Tiến Dũng Viện Tự động hoá KTQS 5 ThS. Lê Việt Hồng Viện Tự động hoá KTQS 6 KS. Vũ Minh Khiêm Viện Tự động hoá KTQS 7 KS. Nguyễn Đăng Vĩnh Viện Tự động hoá KTQS 8 KS. Phùng Chí Kiên Viện Tự động hoá KTQS 9 KS. Nguyễn Hữu Quỳnh Viện Tự động hoá KTQS 10 ThS. Phan Quang Hng Viện Tự động hoá KTQS 4 Mục lục trang Danh sách cán bộ tham gia đề tài 2 Phần thứ nhất: Những vấn đề tổng quát I. Tính bức thiết của đề tài. II. Mục tiêu của đề tài. III. Nội dung của đề đài. IV. Triển khai thực hiện đề tài. V. Những kết quả của đề tài. 5.1 Các kết quả dạng hệ thống và thiết bị. 5.1.1. Hệ thống SCADA đặc thù , diện rộng. 5.1.2. Hệ thống SCADA đăc thù với định hớng ứng dụng trong Quốc phòng và một số lĩnh vực khác. 5.1.3. Trạm phát hiện, bám sát. 5.1.4. Thit b x lý nh ng. 5.1.5. Thiết bị đầu cuối thông minh. 5.1.6. Trạm chuyển tiếp. 5.1.7. Trạm giám sát và điều khiển cơ động. 5.1.8. Trạm quan sát điều khiển. 5.1.9. Trạm giám sát điều hành điều khiển tổng hợp. 5.2. Các kết quả về mặt học thuật. 5.3. Các kết quả về mặt đào tạo, nâng cao trình độ và kinh nghiệm cho đội ngũ cán bộ KHCN. 5 VI. áp dụng các kết quả của đề tài. VII. Hớng phát triển tiếp theo. Phần thứ hai. Các sản phẩm của đề tài 34 Trạm chuyển tiếp và các thiết bị truyền thông. 35 1.1 Chc nng ca trm chuyn tip 35 1.2 S cu trỳc ca trm chuyn tip 35 1.3 La chn cỏc phn t xõy dng thit b: 36 1.3.1 Phần điều khiển 37 1.3.2 Khi thu phỏt: 37 1.3.3 Khi cung cp ngun: 38 1.4 Cỏc thut toỏn v MODUL phn mm cho trm chuyn tip: 38 1.4.1 Thut toỏn truyn s liu. 38 1.4.2 Thut toỏn iu hnh chung. 38 1.5 Thit b truyn s liu phc v cho h thng SCADA. 40 1.5.1 Chc nng ca thit b truyn s liu: 40 1.5.2 S cu trỳc ca thit b truyn s liu: 40 1.5.3. Cỏc thut toỏn v modul phn mm truyn s liu. 41 1.6 Thiết bị truyền số liệu qua mạng cáp quang 43 1.6.1. Chức năng của thiết bị 43 1.6.2. Mô tả thiết bị 43 1.6.3. Cỏc thut toỏn v modul phn mm. 45 6 Thiết bị xử lí ảnh. 2.1. Chức năng. 52 2.2 Sơ đồ cấu trúc 53 2.3 Các vấn đề cơ bản về xử lý ảnh. 55 2.3.1. Các khái niệm cơ bản của công nghệ xử lí ảnh. 55 2.3.2. Các công cụ dùng trong xử lý ảnh 57 2.3.3. Phân tích ảnh. 84 Trạm phát hiện bám sát 90 Chức năng và thiết kế hệ thống 90 3.2.Thiết kế chế tạo thiết bị. 94 3.2.1. Đài quan sát. 94 3.2.2. Khối đo góc. 94 3.2.3. Khối điều khiển. 101 3.2.4. Khối xử lí ảnh. 145 Trạm quan sát điều khiển 146 Chức năng 146 Thiết kế, chế tạo các thiết bị. 148 Khối thu thập hình ảnh và truyền số liệu qua đờng cáp quang. 148 4.2.2. Khối truyền số liệu. 150 4.2.3. Trung tâm xử lý số liệu và điều khiển 151 7 4.2.4. Khối thu thập số liệu 164 Trạm giám sát điều khiển cơ động. Thiết bị đầu cuối và các cơ cấu chấp hành 230 Thiết bị đầu cuối đa năng. Thiết bị đầu cuối chuyên dụng và các cơ cấu chấp hành. Trạm giám sát điều hành điều khiển tổng hợp. Kết luận. Phụ lục. 8 Phần thứ nhất Những vấn đề tổng quát I. Tính bức thiết của đề tài. Ngày nay trong nhiều lĩnh vực nh: khai thác biển, giao thông vận tải, thuỷ lợi, thuỷ văn, năng lợng, phòng chống thiên tai, bảo vệ môi trờng v.v và đặc biệt là trong các lính vực quốc phòng an ninh, vấn đề giám sát, điều khiển các đối tợng phức tạp ở xa nhau, nhng có nhiều mốc liên hệ gián tiếp với nhau, hoạt động phụ thuộc vào nhau, hoạt động của từng đối tợng riêng lẻ lại ảnh hởng trực tiếp đến kết quả hoạt động chung của nhiều đối tợng khác và của toàn bộ hệ thống. Hơn thế nữa, các đối tợng các quá trình đó lại làm việc trong môi trờng dã ngoại khắc nghiệt, hạ tầng về truyền thông kém, trong lúc đó yêu cầu về tính sống còn của hệ thống lại rất cao. Vấn đề đặt ra là phải giám sát và điều khiển từng đối tợng, từng quá trình theo các yêu cầu đặt ra cho chúng, đồng thời lại phải phối hợp trong điều khiển các đối tợng đó, nhằm làm cho hoạt động chung của từng nhóm đối tợng hoặc toàn bộ các bộ đối tợng phục vụ những mục đích chung, đạt hiệu quả cao nhất cho toàn bộ hệ thống. Giám sát và điều khiển cục bộ, riêng lẻ từng đối tợng và kiểm soát, giám sát, điều khiển từ trung tâm. Trong điều kiện nh vậy, độ sống còn của các phân hệ, các hệ thống cục bộ cho từng đối tợng và quá trình là quan trọng, song độ sống còn của các mối liên kết để tạo nên hệ thống lớn còn là điều hết sức đáng quan tâm. Các hệ thống SCADA đặc thù với các yêu cầu đăc biệt cho các lĩnh vực nêu trên nếu nhập ngoại thì không những phải chịu giá rất đắt (có những hệ thống phải nhập với giá hàng nhiều triệu USD), mà còn phụ thuộc nhiều vào nhà cung cấp và còn bị động trong việc bảo trì lâu dài. Việc nghiên cứu các thành tựu hiện đại của công nghệ tự động hoá, thiết kế chế 9 tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng cho các ứng dụng trong các lĩnh vực của sản xuất và quốc phòng an ninh thực sự là vấn đề cấp thiết. II. Mục tiêu của đề tài. Mục tiêu chủ yếu của đề tài là: Nghiên cứu tiếp cận các vấn đề khoa học công nghệ hiện đại, liên quan đến các hệ thống SCADA diện rộng; nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng, trong đó có nhiều đối tợng cần giám sát và điều khiển phân bố trên những vùng rộng lớn, ở cách xa nhau và cách xa trung tâm, đòi hỏi điều khiển ở chế độ thời gian thực, hoạt động của các đối tợng, các nhóm đối tợng đòi hỏi có sự phối hợp nhằm phát huy hiệu quả cao cho toàn hệ thống, trong khi không có hạ tầng truyền thông hoặc có nhng rất hạn chế; hệ thống hoạt động trong môi trờng nóng, ẩm, bụi và rung xóc. Ngoài những yếu tố mang tính đặc thù nêu trên hệ thống còn phải có tính sống còn cao, phải hoạt động tin cậy trong điều kiện cơ động cho một số phân hệ thành phần. Thông qua việc thực hiện đề tài nhằm đào tạo, nâng cao trình độ và kinh nghiệm cho đội ngũ cán bộ KHCN. III. Nội dung nghiên cứu. Nội dung chính của đề tài đã đợc Bộ Khoa học công nghệ và Ban Chủ nhiệm chơng trình KC.03 xác định nh sau: - Nghiên cứu khảo sát thực tế, thu thập các dữ liệu cần thiết cho thiết kế hệ thống. - Nghiên cứu thiết kế hệ thống. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm giám sát điều khiển, có khả năng ghép nối với các loại kênh truyền: thoại, vô tiuyến, hữu tuyến, cáp quang. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm giám sát điều khiển cơ động. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đầu cuối thông minh . 10 - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm và liên trạm phát hiện và bám sát trên cơ sở sử dụng các sensor quang điện tử. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị xử lí ảnh phục vụ giám sát và điều khiển trong SCADA đặc thù. - Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ thống và cho từng thiết bị thành phần. iV. Cách tiếp cận, phơng pháp nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài. 4.1. Cách tiếp cận, phơng pháp nghiên cứu. Nghiên cứu tiếp cận các giải pháp KHCN mới nhất có liên quan đến SCADA, đặc biệt là các hệ SCADA quy mô lớn, trong đó chứa đựng nhiều yếu tố đặc thù, ngoài các mối liên hệ theo chiều dọc từ trung tâm đến các trạm và các đầu cuối còn đòi hỏi có các liên hệ giữa các trạm, giữa các đầu cuối. Nghiên cứu tiếp cận các công nghệ mới có liên quan đến SCADA với sự đa dạng của các kênh truyền ( thoại, hữu tuyến, vô tuyến, cáp quang v.v ) với các yêu cầu truyền thông khác nhau trên cơ sở các giải pháp thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát; áp dụng và phát triển các phơng pháp và công cụ của lý thuyết hệ thống để phân tích và tổng hợp cấu trúc của hệ thống tổng thể và cấu trúc của từng hệ thống thành phần từng phân hệ phù hợp với các yếu tố đặc thù, đáp ứng đợc các yêu cầu giám sát và điều khiển, đảm bảo độ sống còn, độ tin cậy trong các điều kiện đặc thù và khắc nghiệt. Xây dựng mô hình hệ thống theo cấu trúc đó. Xác định yêu cầu đối với các trạm và các đầu cuối, đối với các thiết bị giao diện, ghép nối chuyên dùng với các modul giám sát, điều khiển, truyền thông theo chiều dọc và chiều ngang. Trên cơ sở đó thiết kế chế tạo các thiết bị và xây dựng các phần mền tơng ứng. Các thiết bị đợc thiết kế chế tạo trên cơ sở các linh kiện, cấu kiện thuộc các thế hệ kỹ thuật và công nghệ cao nh ASIC, PC104, Encoder độ phân giải cao v.v [...]... pháp tổng hợp, thiết kế các hệ thống điều khiển cho các lớp đối tợng này trên cơ sở của điều khiển thích nghi và điều khiển cấu trúc biến đổi ở chế độ trợt 3 Đã xây dựng phơng pháp tổng hợp các hệ thống điều khiển vừa cận tối u theo tác động nhanh vừa có khả năng kháng nhiễu, bất biến với tác động bên ngoài 31 Đã đề xuất phơng pháp tổng hợp và thiết kế hệ thống điều khiển bền vững cho lớp các đối tợng... trúc hệ thống 13 Trong sơ đồ trên, trung tâm thu thập số liệu, điều hành và điều khiển là thiết bị nhóm một Các trạm thu thập số liệu cụm và các trạm điều khiển cụm là thiết bị nhóm hai Các thiết bị thu thập số liệu và thiết bị điều khiển là các thiết bị nhóm ba Đối với hệ thống phân tán, các trạm cụm sẽ phân bổ xa nhau, các thiết bị đầu cuối của từng trạm cụm phân bố gần các trạm cụm Vì vậy ,các đờng... và các lệnh điều khiển cho các trạm điều khiển theo cụm - Xử lí số liệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành trực tiếp từ các trạm điều khiển theo cụm hoặc từ trung tâm thông qua các thiết bị đầu cuối - Tăng cờng khoảng cách địa lí giữa các trạm nhờ các trạm chuyển tiếp Với mục tiêu nh vậy, hệ thống chung đợc thiết kế theo sơ đồ cấu trúc trên hình 1 12 Trong đó: I: Trung tâm giám sát, điều hành, điều khiển. .. trong điều kiện hạ tầng truyền thông rất hạn chế, hoặc cha có hạ tầng truyền thông; Các phân hệ, các trạm giám sát và điều khiển đợc liên kết với nhau không chỉ thông qua trung tâm, mà còn có các liên kết trực tiếp, đảm bảo sự thống nhất, phối hợp cao, có khả năng điều khiển cục bộ, điều khiển trực tiếp điều khiển vợt cấp với các khả năng linh hoạt trong điều hành , chỉ huy và điều khiển Nhờ vậy hệ thống. .. đủ các nội dung đã đợc xác định, đề tài đã đạt đợc kết quả toàn diện Có thể tóm tắt các kết quả chính nh sau: 5.1 Các kết quả dạng hệ thống và các thiết bị 5.1.1 Hệ thống SCADA đặc thù , diện rộng Đây là hệ thống mở, đợc thiết kế theo các mục sau: - Thu thập đợc các số liệu từ các trạm phân tán - Tập trung số liệu tại các trạm thu thập số liệu theo từng cụm (trạm trung gian) - Truyền số liệu từ các. .. loại thiết bị trong hệ thống cụ thể là: - Số lợng các đầu cuối: 02 - Số lợng các Trạm giám sát- điều khiển: 02 - Số lợng Trạm chuyển tiếp: 01 - Số lợng các Trạm giám sát- điều hành- điều khiển tổng hợp: 01 Các chủng loại kênh thông tin sử dụng trong hệ thống: kênh thoại, kênh vô tuyến, cáp quang Phạm vi hoạt động: Lấy trung tâm (trạm) giám sát -điều hành- điều khiển tổng hợp làm tâm điểm, hệ thống. .. bộ các mục tiêu do các trạm giám sát và điều khiển cơ động truyền về 29 - Chọn lựa mục tiêu cần tiêu diệt và truyền cho các trạm quan sát điều khiển - Chọn lựa mục tiêu nguy hiểm, tự tính toán phần tử và điều khiển các cơ cấu chấp hành Các đặc tính kỹ thuật: - Số các trạm thu thập số liệu phối thuộc : 08 - Số các trạm điều khiển phối thuộc: 08 - Các tham số thu thập: hình ảnh và tham số mục tiêu - Các. .. của nó thể hiện ở cấu trúc từng trạm và các thiết bị đầu cuối Thiết kế hệ thống cụ thể sẽ đợc thể hiện trong phần sau 5.1.2 Hệ thống SCADA đăc thù với định hớng ứng dụng trong Quốc phòng và một số lĩnh vực khác Hệ thống SCADA đăc thù diện rộng do đề tài thiết kế chế tạo với các trạm và các thiết bị phân bố theo ba tầng, từ trung tâm tới các trạm trung gian và các thiết bị đầu cuối, với định hớng ứng dụng... Phần tử các cơ cấu chấp hành + Trạng thái của các cơ cấu chấp hành - Điều khiển: + Trực tiếp: Tính toán phần tử cho các cơ cấu chấp hành và truyền cho các thiết bị đầu cuối + Gián tiếp: Truyền tham số mục tiêu cho các thiết bị đầu cuối tính toán và điều khiẻn các cơ cấu chấp hành - Môi trờng: + Nhiệt độ 0 ữ 400 C + Độ ẩm: đến 98% + Rung xóc: Rung 2g1Khz - Xóc 10g 5.1.9.Trạm giám sát điều hành điều khiển. .. PT MĐ MD T MD RS422 Đến các thiết bị đầu cuối Hình 4: Cấu trúc trạm giám sát và điều khiển cơ động 19 TP Các thiết bị đầu cuối có thể là thiết bị thu thập, có thể là thiết bị điều khiển, về mặt truyền số liệu đợc xây dựng theo sơ đồ cấu trúc sau: Các đầu vào analog, số COM Trung tâm xử lý số liệu và điều khiển Khối thu thập số liệu Hiển thị Khối truyền thông Hệ Video RS232 TP Các cổng RS422 VT Video . thực tế, thu thập các dữ liệu cần thiết cho thiết kế hệ thống. - Nghiên cứu thiết kế hệ thống. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm giám sát điều khiển, có khả năng ghép nối với các loại kênh. tuyến, cáp quang. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm giám sát điều khiển cơ động. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đầu cuối thông minh . 10 - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm và. dụng các sensor quang điện tử. - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị xử lí ảnh phục vụ giám sát và điều khiển trong SCADA đặc thù. - Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ thống và cho từng thiết