Báo cáo SCADA hệ THỐNG SCADA và ỨNG DỤNG

Tổng quan về hệ thống scada

Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Giáo viên: Nguyễn Thị Cẩm Lai

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Hữu Điền

Nguyễn Trọng Đạo

Phạm Văn Tùng

Nguyễn Viết Phùng

Ninh Xuân Đạt

Mai Văn Trường

Nguyễn Văn Dương

Hoàng Đức Tâm

Hà Nội tháng 4 năm 2014

vì vậy quy mô sản xuất và số lượng sản xuất sẽ tăng lên, khi đó không thể tránh khỏi việc liên kết trao đổi hợp tác giữa các ngành có liên quan với nhau để sản xuất ra sản phẩm đáp ứng nhu cầu của con người Trong một dây truyền sản xuất lớn hiện đại sẽ bao gồm yếu tố như thiết bị cơ khí, mạng lưới điện, kĩ thuật thông tin… Để có thể vận hành lâu dài và hiệu quả thì phải đòi hỏi

sự quản lí chính xác kịp thời, để giải quyết vấn đề đó thì sử dụng SCADA để quản lí và giám sát

là rất hiệu quả, mang lại sự thuận lợi và tăng năng xuất trong sản xuất SCADA là sự lựa chọn đúng đắn hợp lí trong việc điều khiển và giám sát hệ thống lớn phức tạp, đòi hỏi hoạt động an toàn chính xác SCADA là một công cụ hữu ích và đúng đắn cho một hệ thống lớn đòi hỏi quá trình vận hành và giám sát quy trình sản xuất hợp lí chính xác và kịp thời, đồng thời còn có thể can thiệp làm thay đổi hay cách li những công đoạn bị lỗi, bị sự cố để tiến hành sữa chữa khi các công việc khác nằm trong một quy trình chung vẫn có thể hoạt động bình thường mà hiệu quả chất lượng sản phẩm vẫn đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật khắc khe đã đặt ra Đưa hệ thống SCADAvào việc vận hành và giám sát hoạt động của các quy trình sản xuất lớn đã góp phần đem lại hiệuquả kinh tế cao, nâng cao năng suất, hiệu quả trong công việc sản xuất giảm nhiều được chi phí trong việc thê nhân công, khắc phục cũng như phát hiện các sự cố nhanh chóng kịp thời, đồng thời có thể xử lí nhanh thông qua hệ thống điện được liên kết trong hệ thống mà người giám sát

có thể can thiệp từ xa mà không cần đến trực tiếp cơ cấu chấp hành như máy móc, van, bơm, động cơ… Nhờ việc sử dụng hệ thống SCADA trong sản xuất mà khả năng an toàn trong sản xuất của các nhà máy lớn được đảm bảo, hoạt động sản xuất luôn duy trì ở mức độ cao nhất, giảm thiểu tai nạn và các xử cố bất ngờ xuống thấp nhất để quá trình sản xuất được diễn ra liên tục, nhưng các thiết bị vẫn luôn trong điều kiện làm việc tốt nhất, sản phẩm luôn đạt được chất lượng đặt ra đáp ứng được các yêu cầu khắc khe của con người đặt ra

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu

SCADA

1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển giám sát

1.1.1 Định nghĩa.

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống điều khiển giám sát và thu

thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát

từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người –

máy (HMI – Human Machine Interface) SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ

thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

- Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đóđến các thiết bị của nhà máy

- Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác

1.1.2 Chức năng và vai trò.

Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống.Chính vì thế việc SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA là phải thực hiện những dịch vụ sau:

- Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữtrong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động…)

- Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thập được

- Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lờicác bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ)

- Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám sát, điều khiển cho một

đối tượng công nghiệp Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất Vai trò của nó là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắn về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực,

về vận hành điều này góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh.Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

1.2 Phân loại hệ thống SCADA:

Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính vớicác chức năng:

- SCADA độc lập / SCADA nối mạng

- SCADA không có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời

gian thực

Hệ thống SCADA mờ (Blind): đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ phận giám sát

Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do tính đơn giản nên giá thành thấp

Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: đây là hệ thống SCADA có khả

năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khảnăng mô phỏng tiến trìnhhoạt động của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạtđộng của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất cả máy móc

Hệ thống SCADA độc lập: đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệuvới một bộ

vi xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

Hệ thống SCADA mạng: đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ

vi xử lý Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị

ở xa

1.3 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA:

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện Số lượng và chất lượng của các thành phần

đồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các

cơ cấu chấp hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường) Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive andHistory) và lập báo cáo (Reporting) Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nền Windows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá thành tổng thể của hệ thống

1.4 Cấu trúc chung của một hệ SCADA.

Hình 1-1 Cấu trúc chung của một hệ SCADACác thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình được minh họa trên hình vẽ Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi đó, hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hànhvà máy Các thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông

Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ) Trước khi có thể xử lý trong máy tính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách

ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị Đó chính là các chức năng của các module vào/ra (I/O).

Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây:

- Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu

- Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điềukhiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ

(compactdigital controller) và máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng

- Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sátvà 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, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.5 Các thành phần chức năng cơ bản của một hệ SCADA

Xét một cách tổng quát, một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu bao gồm những thành phần chức năng cơ bản như liệt kê dưới đây:

1.5.1.Phần cứng:

Cấu tạo chung

Trong hệ thống SCADA, RTU, Gateway là thiết bị đầu cuối thu thập dữ liệu, mã hóatheo giao thức chuẩn và truyền dữ liệu về trung tâm.RTU bao gồm cổng truyền thông tin về trung tâm điềukhiển, các kênh vào ra (IO) như:Đo lường, cảm biến, chỉ thị trạng thái, điều khiển RTU cũng có thể thu thập tín hiệu từcác thiết bị thông minh khác (IED)

- RTU là thiết bị chuyên dụng có cấu trúc modun khá linh hoạt, mỗi modun có một khối xử lý vàcác khối tín hiệu vào/ra, thuận lợi cho việc thu thập các tín hiệu hiện có và tínhiệu mở rộng.Mỗi khối xử lý có hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực cho phép có thể làm việc độc lập nên các modun có thể được bố trí phân tán tại các tủ thiết bị trong trạm (RTU phân tán) hoặc nhiều modun có thể được liên kết với nhau để tích hợp thành 1 RTU tập trung

Việc cài đặt cấu hình của RTU có thể thực hiện bằng công cụ chạy trên môi trường Windows Cùng với sự phát triển của công nghệ và để tiết kiệm chi phí đầu tư, đối với cáctrạm/nhà máy mới xây dựng công nghệ sử dụng cổng Gateway để cung cấp số liệuSCADA về các trung tâm điều độ đã được áp dụng Đây là công nghệ sử dụng việcghép nối hệ thống điều khiển trạm/nhà máy (SAS/DCS) có các giao thức truyền tinkhác nhau với hệ thống SCADA thông qua cổng

Gateway sau khi dữ liệu đã được mãhoá lại theo giao thức chuẩn Cổng truyền thông của RTU thường sử dụng phương thức truyền tin nối tiếp thông qua giao diện RS232, RS485 hoặc RS422.Các loại dữ liệu.

Đối với hệ thống SCADA/EMS của ĐĐQG có 4 loại dữ liệu cơ bản.Dữ liệu đầu vào tương tự (Analog Input-AI).Mỗi kênh AI được mã hóa bằng 16 bit để đo các đại lượng vật lý như: Công suất, dòngđiện, điện áp, vị trí chuyển nấc MBA Các đại lượng này được biến đổi thành một đại lượng điện trung gian như U, I, sau đó sẽ được đưa vào RTU qua card Analog Trong hệ thống SCADA đang sử dụng tại ĐĐQG, đại lượng trung gian được sử dụng là dòng điện Vì có ưu điểm lớn là không bị suy hao trên mạch đo khi bộ biến đổi (BBĐ) đặt cách xa RTU do đó kết quả đo được tại RTU phản ánh đúng giá trị thực tế

Dữ liệu đầu vào số (Digital Input-DI) Được mã hóa bằng 1 hoặc 2 bit để hiển thị các loại cảnh báo, trạng thái các thiết bị như: Tín hiệu cảnh báo của các bảo vệ so lệch, khoảng cách, quá dòng ; Tín hiệu trạng thái máy cắt, dao cách ly, nối đất Để ghép nối và cách ly điện giữa RTU

và hệ thống điều khiển Trạm, nhà máy điện, người ta sử dụng Rơle trung gian có điện áp phù hợp với điện áp tín hiệu tương ứng Dữ liệu đầu ra tương tự (Analog Output-AOT) Tương tự như dữ liệu đầu vào tương tự, AOT được mã hóa bằng 16 bit để điều chỉnh các đại lượng biến đổi liên tục Lệnh điều chỉnh gửi từ các trung tâm điều độ tới RTU biến đổi D/A thành tín hiệu dòng điện (mA) và đi tác động tới cơ cấu chấp hành Đối với hệ thống SCADA đang sử dụng tại điều độ quốc gia, dữ liệu AOT được sử dụng để điều chỉnh P, Q của các tổ máy phát Dữ liệu đầu

Ra số (Digital Output-DOT) Tương tự như dữ liệu đầu vào số, sử dụng 1 hoặc 2 bit để điều khiển vị trí các thiết bịtrong hệ thống điện như: Vị trí máy cắt, dao cách ly, tiếp địa Để ghép và cách ly giữa RTU với hệ thống điều khiển của Trạm người ta sử dụng Rơle trung gian có điện ápphù hợp với điện áp ra của Card DOT, dòng điện của tiếp điểm phụ Rơle phải đủ lớn theo yêu cầu của cơ cấu chấp hành

- Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo

- Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân kênh, Modem, các bộ thu phát

- Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC, Workstation), các bộ tập trung dữ liệu (Data concentrator, PLC, PC)

- Trạm vận hành (Operator Station)

1.5.2 Phần mềm:

Các phần mềm được nhóm vào 4 nhóm: Thu nhận dữ liệu, Giao tiếp người máy,Quản lý SCADA và ứng dụng SCADA

- Thu nhận dữ liệu - Hệ thống thu nhận dữ liệu tập hợp dữ liệu gửi lệnh điều khiển và duy trì các đường kết nối tới RTU và các hệ SCADA khác

Thu nhận dữ liệu RTU - RTU Data Acquisition (RDA)

Thu nhận dữ liệu từ hệ thống khác- Computer-to-Computer Remote(CCR)

Giám sát điều khiển - Supervisory Control (SCS)

Tính toán - Calculations (CAL)

- Giao tiếp người máy- Hệ thống giao tiếp người máy cung cấp các thao tác hệthống cùng với thểhiện dữ liệu và điều khiển các thiết bị Các giao tiếp thực hiệnqua màn hình, bàn phím và các thiết bị in Hệ thống này cũng cung cấp console dểcấu hình và bảo trì hệ thống

Giao tiếp Console - Console Interface (CIS)

Hiển thị - Display Retrieval and Update (DRU)

Dữ liệu vào - Data Entry (DES)

Ghi - Logging (LOG)

Biểu đồ xu thế - Trending (TRN)

Chuyển đổi Console - Console Switching (CCS)

- Quản lý SCADA- Hệ thống quản lý SCADA bao gồm một số hệ thống con hỗnhợp dùng bởi các hệ thống khác Đó là khởi động, khởi động lại, cảnh báo, kiểmsoát lỗi, và các chức năng quản lý khác

Startup/Restart Initialization (INI)

Cảnh báo - Alarms (ALL)

Hệ thống tính toán lỗi - System Error Accounting (SEA)

Quản lý - Executive (EXC)

- Các ứng dụng SCADA- Hệ thống các ứng dụng SCADA bao gồm các hàm thựchiện trình bày

Meter Error Monitor (MEM)

- Giao diện vào/ra (phần mềm giao diện quá trình), dưới dạng các I/O Drivers, 5

- I/O-Servers (DDE,OPC, )

- Giao diện người-máy

- Cơ sở dữ liệu quá trình

sơ đồ: Dây phát – Dây nhận, Dây pha – Dây đất, Dây pha

– Dây pha, Dây pha của lộ này – Dây pha của lộ khác Việc sử dụng đường dây chống sét (DCS) truyền tin được thực hiện theo các sơ đồ: DCS – DCS, DCS – Dây đất, hai DCS – Dây đất.Các

đường cáp đặt cách ly trong đường dây điện lực hoặc trong dây chống sét cũng được thực hiện theo các sơ đồ tương tự.

- Các kênh theo đường cáp ngầm dưới đất hoặc dây hữu tuyến trên không, thường sử dụng loại cáp đối xứng hoặc cáp đồng trục

- Các kênh liên lạc sử dụng vô tuyến chuyển tiếp hay vi ba với bước sóng 1÷ 10cm

- Các kênh vô tuyến sóng ngắn, bước sóng từ 10 ÷ 50cm

- Các kênh cáp quang chôn ngầm dưới đất hoặc đặt theo đường đây truyền tải điện

- Các kênh thuê của ngành bưu điện

Hiện nay trong ngành Điện lực, hình thức truyền tin cao tần theo đường dây tải điện, vô tuyến chuyển tiếp và kênh cáp quang được sử dụng rộng rãi hơn cả trong các kênh truyền thông dùng cáp quang có nhiều ưu việc hơn cả một số đặc điểm chung của các loại cáp cần chú ý đó lànhiễu tín hiệu điện và nhiễu sóng radio.Các loại nhiễu này là nhân tố quan trọng hàng đầu cần được chú ý khi thiết kế và lắp đặt một hệ thống truyền thông Chúng được sinh ra một cách ngẫu nhiên từ các tín hiệu không mong muốn trong thiết kế nó có thể xâm nhập vào đường cáp hoặc đường dây bằngnhiều cách Điều này phụ thuộc rất nhiều vào người thiết kế ban đầu phải có những biện pháp để giảm tối thiểu các tín hiệu nhiễu bởi vậy các hệ thống SCADA thường sử dụng đường truyền có điện áp nhỏ là đường truyền có thể chịu đựng được các tín hiệu nhiễu.Việc

sử dụng các cáp xoắn đôi là một yêu cầu tối thiểu của các hệ thống điều khiển nói chung và hệ thống SCADA nói riêng Sử dụng một cặp dây dẫn tốt cùng với việc lắp đặt theo đúng yêu cầu

kỹ thuật sẽ giảm được tối đa các tín hiệu nhiễu.Cáp quang cũng là một trong những loại cáp được sử dụng phổ biến vì khả năng chống nhiễu của nó Hiện tại hầu hết các hệ thống đều sử dụng cáp quang sợi thủy tinh nhưng trong một số lĩnh vực công nghiệp, các cáp quang sợi nhựa được sử dụng nhiều hơn.Trong tương lai, các hệ thống truyền thông dữ liệu sẽ được tách ra thành

hệ thống radio, hệ thống cáp quang và hệ thống tia hồng ngoại các hệ thống truyền thông có yêu cầu sử dụng đến năng lượng sẽ bị xóa bỏ

1.5.4 Tổng quan về mạng cục bộ LAN

Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) được dùng để chia sẽ toàn bộ tài nguyên thông tin Do vậy, có thể sử dụng mạng LAN để các trạm nằm trong mạng SCADA có thể chí sẽ thông tin được với nhau khi chúng được kết nối qua các phương tiên truyền thông Phương thức kết nối

là tôpô (topology) mạng Tôpô mạng là sự sắp xếp hình học của các nút và cáp nối trong mạng cục bộ các tôpô mạng đều thuộc hai loại: tập trung và phân tán.Trong tôpô mạng tập trung, như mạng hình sao, có một máy tính trung tâm điều khiển việcthâm nhập mạng kiểu thiết kế này đảm bảo an toàn dữ liệu và sự quản lý trung tâm đối vớicác nội dung và các hoạt động của toàn mạng trong tôpô phân tán như mạng Bus hoặc mạng vòng tròn, không có máy trung tâm, mà

từng trạm công tác có thể thâm nhập vào mạng một cách độc lập và tự thiết lập các ghép nối riêng của mình với các trạm công tác khác.

Trong mạng LAN, các máy tính cá nhân và các máy tính khác trong phạm vi một khu vực hạn chế được nối với nhau bằng các dây cáp chất lượng tốt, sao cho những người sử dụng cóthể trao đổi thông tin, dùng chung các thiết bị ngoại vi và sử dụng các chương trình cũng như các

dữ liệu đã được lưu trữ trong một máy tính dành riêng gọi là máy dịch vụ tệp khác nhau nhiều

về quy mô và mức độ phức tạp, mạng cục bộ LAN có thể chỉ liên kết vài ba máy tính cá nhân và một thiết bị ngoại vi dùng chung đắt tiền, như máy in laser chẳng hạn các hệ thống phức tạp hơnthì có các máy tính trung tâm (máy dịch vụ tệp) và cho phép những người dùng tiến hành thông tin với nhau thông qua thư điện tử để phân phối các chương trình nhiều người sử dụng, thâm nhập vào cơ sở dữ liệu dùng chung.Ethernet là phần cứng, định ước và tiêu chuẩn ghép nối của một loại mạng cục bộ, do hãng Xerox Corporation đưa ra đầu tiên, có khả năng liên kết đến 1024nút trong bộ mạng Bus Do sử dụng tốc độ cao trong kỹ thuật truyền tin dải tần cơ bản (kênh đơn), Ethernet cho phép truyền dữ liệu dạng dãy với tốc độ 10 megabit mỗi giây, với thông lượng thực tế từ 2 đến 3 megabit mỗi giây Ethernet dùng kỹ thuật thâm nhập nhiều mối bằng cảm nhận sogs mang có dò xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) để đề phòng trục trặc cho mạng khi có hai thiết bị đồng thời cùng cố thâm nhập mạng

1.5.5 Thiết bị MODEM

MODEM (Modulator/Demodulator) là một thiết bị biến đổi các tín hiệu số do cổng nối tiếp của máy tính phát ra thành các tín hiệu dạng tương tự được điều biến, cần thiết để truyền quađường điện thoại ngược lại, nó cũng biến những tín hiệu tương tự nhận được thành các tín hiệu

số tương đương Trong điện toán cá nhân, người ta thường dùng MODEM để trao đổi các

chương trình và dữ liệu với máy tính khác và để truy cập các dịchvụ thông tin trực tuyến như Dow Jones News/Retrieval Service

MODEM là danh từ rút gọn của Modulator/Demodulator (điều biến/giải điều biến) việc điều biến này là cần thiết vì các đường dây điện thoại được thiết kết để xử lý tiếng nốicon người,

có tần số thay đổi trong khoảng từ 300 Hz đến 3000 Hz trong những cuộc nói chuyện điện thoại bình thường (từ giọng trầm đến giọng thanh) Tốc độ truyền dữ liệu của một MODEM được tính bằng đơn vị bit mỗi giây hay là bps (về kỹ thuật), không phải là baut, mặc dù hai thuật ngữ này được dùng lẫn lộn

Chọn MODEM tương đối đơn giản: chọn loại tốc độ chậm (300 hoặc 1200 bps) hoặc loạitốc độ nhanh (2400 bps) Tuy nhiên, hiện nay có nhiều khả năng chon MODEM hơn

Các giao thức về điều biến chi phối tốc độ phát và thu dữ liệu ở Mỹ, hầu như tất cả tốc

độ cao nhất (từ 9600 bps trở lên) thì sử dụng các giao thức điều biến sở hữu riêng, cho nên phải dùng các modem cùng nhãn hiệu cho cả hai đầu đường truyền hiện tại loại MODEM 9600 bps

sử dụng giao thức CCITT V 32, còn loại MODEM 14.400 bps thì dùng tiêu chuẩn CCITT V 32 bis Cả hai đều tương thích ngược với mọi loại MODEM bất kì nào, ngay cả trường hợp nó được

chế tạo bởi một hãng sản xuất khác.Có hai loại tiêu chuẩn thông dụng đối với giao thức kiểm lỗi nhằm hạn chế các sai lỗi do tạp âm và các can nhiễu khác trong hệ thống điện thoại: đó là MNP –

4 và CCITT V 42 Đối với loại giao thức nén dữ liệu, có hai tiêu chuẩn hàng đầu là V 42 bis và MNP

Việc nén dữ liệu yêu cầu phải có kiểm lỗi, nen các MODEM nén dữ liệu bao giờ cũng có các tiêu chuẩn kiểm lỗi; nói chung, một MODEM phải có đủ bốn giao thức kiểm lỗi và nén dữ liệu (MNP – 4, MNP – 5, V 42 và V 42 bis) hoặc không có gì cả.Thông thường trong hệ thống SCADA, các thiết bị đầu cuối RTU được đặt ở vị trí xa so với trung tâm điều khiển từ 10m đến hàng nghìn km một trong những cách tiết kiệmchi phí nhất để liên kết PC với RTU với một khoảng cách dài là sử dụng cách kết nối điện thoại dialup thông qua thiết bị MODEM.Các MODEM được đặt tại các chế độ tự động trả lời và RTU có thể quay số vào máy tính hoặc máy

PC có thể quay RTU Các phần mềm để làm điều này có sẵn từ nhà sảnxuất RTU các MODEM

có thể được mua bất kỳ ở cửa hàng máy tính tại địa phương

1.6 Mô hình phân cấp

Theo mô hình phân cấp chức năng càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chứcnăng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sảnxuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sảnxuất công nghiệp

1.6.1 Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa sốcác thiết bị cảm biến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Cácthiết bị thông minh1 cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin, trướckhi đưa lên cấp điều khiển

1.6.2 Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông tin

đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đóđược người đứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính

Hình 1- 3 Mô hình phân cấp chức năng

1.6.3 Cấp điều khiển giám sát

Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật Khi

đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong mộtsố trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều

khiểnphối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, )

Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiệnlợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm, ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngược lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi

1.7 Chức năng nhiệm vụ của từng cấp.

Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân nhiệm thành nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thậpvà điều khiển riêng lên những đối tượng trong

hệ thống Các đối tượng máy móc thường lắp đặt trong địa phương của cấp quản lý phân xưởng

xí nghiệp cấp dưới đồng thời cũng có một đặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc giám sát-điềukhiển của cấptrên về mặt sản xuất nhưng cũng thuộc sự giám sát-điều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn đoán và bảo dưỡng của các cấp khác thấp hơn Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấp SCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay Những nguyên tắc chính sau:

Thông thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lýđược trợ giúp tự động hoá bằng một

hệ SCADA của cấp ấy Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới thấp sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại rõ máy móc thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào Các số liệu phân loại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấp trên theo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập

dữ liệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp

Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính đưa ra các lệnh thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng của mình, qua hệ truyền tin gửi lệnh

đó đến cấp SCADA có liên quan để thực hiện Để giải quyết những bài toán điều khiển phân tíchriêng này của mình thì SCADA mỗi cấp thường được trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên dụng Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp

để giải bài toán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành và cho hệ SCADA

Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:

Thứ nhất là thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, sự kiện thao tác, báo động

lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công nghiệp Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số những nhiệm vụ tự động hoá

như: thu thập giám sát từ xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động từxa với các đối tượng và các cấp quản lý.

Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng liênkết với các hệ thống thương mại

có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn như Oracle, Access, Microsoft SQL …

1.8 Phần mềm điều khiển giám sát

Trong giải pháp điều khiển giám sát, hệ thống truyền thông ở các cấp dưới (bus trường, bus chấp hành-cảm biến) đã có sẵn Nếu như mạng máy tính của một công ty cũng đã được trang

bị (chủ yếu dùng Ethernet), thì cơ sở hạ tầng cho việc truyền thông không còn là vấn đề lớn phải giải quyết Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp SCADA trong thời điểm hiện nay là vấnđề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống

1.8.1 Cấu trúc chung của các phần mềm điều khiển giám sát:

Hình 1- 4 Cấu trúc chung của phần mềm điều khiển giám sát

1.8.1.1 Cơ sở dữ liệu quá trình

Chức năng: Cơ sở dữ liệu quá trình thực hiện chức năng quản lý, lưu trữ những dữ liệu, thông tin

về quá trình, về hệ thống bao gồm:

- Dữ liệu quá trình

- Dữ liệu tình trạng hệ thống

- Dữ liệu quá khứ

- Dữ liệu cảnh báo

- Dữ liệu vận hành

Đặc điểm của cơ sở dữ liệu quá trình:

Về cơ bản, cơ sở dữ liệu quá trình trong các phần mềm công nghiệp chuyên dụng cũng giống các hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường

Do yêu cầu về tính ổn định, bảo mật, khả năng lưu trữ, tìm kiếm, nên các cơ sở dữ liệu quá trình trong các phần mềm công nghiệp thường được xây dựng trên cơ sở một thương phẩm như SQL Server, Sybase, Informix,

Các yêu cầu đặc biệt:

- Tần suất cập nhật cao, mang tính tuần hoàn

- Tính năng thời gian thực

- Quản lý hiệu quả cơ sở dữ liệu lớn liên tục rất nhanh

1.8.1.2 Giao diện người-máy

Giao diện người máy thường bao gồm các thành phần cơ bản sau:

- Sơ đồ khối (hệ thống): Hiển thị tình trạng các thiết bị, máy móc

- Lưu đồ công nghệ (phân đoạn, nhóm): Hiển thị các giá trị quá trình, các

hình ảnh động minh họa, các phím điều khiển

- Biểu đồ chức năng trình tự (SFC)

- Faceplates: Hiển thị và can thiệp chi tiết một vòngđiều khiển (chế độ

điều khiển, các giá trị biến và tham số điều khiển,tình trạng báo động)

- Đồ thị thời gian thực: Hiển thị các giá trị quá trình (tức thời)

- Đồ thị quá khứ: Hiển thị các giá trị lưu trữ

năng cơ bản sau:

- Trạm được quyền can thiệp

- Mức ưu tiên, tính cấp thiết

- Lưu trữ dữ liệu cảnh báo/báo động

- Hiển thị cảnh báo/báo động:

- Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết

- Sắp xếp theo thời gian xảy ra

- Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo động

- Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhấp nháy