Đồ án 2 tìm hiểu hệ thống scada nhà máy thủy điện và chu trình khởi động , dừng máy phát điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN 2

TÌM HIỂU HỆ THỐNG SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VÀ CHU TRÌNH KHỞI ĐỘNG , DỪNG MÁY PHÁT ĐIỆN

TRẦN PHÚC HÂN

Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: TS Đinh Thị Lan Anh

Chữ ký của GVHD

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 6

2.1 Lịch sử nhà máy thủy điện 6

2.2 Các loại nhà máy thủy điện 6

2.2.1 Phân loại nhà máy thủy điện 6

2.2.2 Quy mô nhà máy thủy điện 8

1.2.5. Các hệ thống khác: thông gió, đo lường, bảo vệ 15

1.1. YÊU CẦU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ 16

1.1.1. Yêu cầu chung 16

1.1.2. Thiết kế điều khiển 18

CHƯƠNG 4: CHU TRÌNH KHỞI ĐỘNG VÀ DỪNG MÁY PHÁT ĐIỆN 40

4.1 Tổng quan về chu trình điều khiển 40

4.1.1 Phân cấp điều khiển 40

1.1 Nhiệm vụ chức năng của hệ thống dầu áp lực OPU 51

1.2 Nhông sô của hệ thống dầu áp lực ( OPU ) 51

1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống dầu áp lực OPU 52

2 Hệ thống dầu bôi trơn ( GLOP ) và hệ thống dầu nâng trục (JACKINH) 53

2.1 Nguyên lý làm việc của ( GLOP ) và ( JACKINH ) 53

2.2 Thông số của hệ thống dầu bôi trơn ( GLOP ) và dầu nâng trục 53

( JACKING ) 53

Bồn dầu: 53

Bơm dầu 54

3 Hệ thống nước làm mát tổ máy 55

3.1 Nguyên lý làm việc hệ thống nước làm mát 55

3.2 Thông số của hệ thống nước làm mát 55

IV Thông số của các máy cắt trong nhà nhà máy thủy điện suối sập 1 56

1.Thông số máy cắt tự dùng AT1, AT2, AT3 56

1.1 Nhiệm vụ chức năng của máy cắt AT1, AT2, AT3 56

1.2 Thông số máy cắt AT1, AT2, At3 56

Vận hành máy phát điện trong nhà máy thủy điện 59

1.2 Các điều kiện để khởi động tổ máy 59

Figure 1Nhà máy thủy điện hồ chưai 9

Figure 2 Nhà máy thủy điện dòng chảy liên tục 10

Figure 3 Nhà máy thủy điện tích năng 11

Figure 4 Tổng quan thiết bị trong nhà máy 12

Figure 5 Mô hình tuabin - máy phát 12

Figure 6 Mô hình tua - bin máy phát 2 16

Figure 7 Quy trình khởi động tổ máy 43

Figure 16 Hệ thống dầu áp lực OPU 55

Figure 17 Hệ thống dầu áp lực GLOP 57

Figure 18 Hệ thống nước làm mát 58

Figure 19 Máy cắt cao áp 601/602, 631, 641 60

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ CCR Centre Control Room Phòng điều khiển trung tâm

GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu MMI Man – Machine Interface Giao diện người máy ICCP Inter-control Center Communication Protocol

IEDs Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh ISO International Organization for Standardization

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các vấn đề kỹ thuật điện và điện tử

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu DSC Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic khả trình SC Station Controller Điều khiển trung tâm

VDU Visual Display Unit Màn hình giao diện

DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệuDCE Data Communication Equipment Thiết bị truyền dẫn dữ liệu

MỞ ĐẦU

1 Thực trạng tự động hóa trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và lý do chọn đề tài.

Cùng với nhu cầu về điện năng tăng cao trong sự nghiệp phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành điện đang huy động các nguồn lực để sản xuất tối đa điện năng đặc biệt là nguồn lực về thủy điện trong đó hàng trăm các dự án thủy điện vừa và nhỏ (công suất từ 1-30MW) đã và đang được xây dựng.

Thông thường các nhà máy thủy điện đều được trang bị hệ thống DCS để tích hợp toàn bộ thông tin của Nhà máy bao gồm từ thiết bị công nghệ, năng lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra và hệ thống phụ trợ phục vụ công tác giám sát và điều khiển tại chỗ của nhà máy.

Tuy nhiên, vì chỉ phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển tại chỗ nên các hệ thống này thường được thiết kế đóng theo các phương thức truyền tin và trao đổi dữ liệu của riêng các nhà sản xuất Việc sử dụng các hệ thống đóng sẽ làm cho khả năng trao đổi dữ liệu và can thiệp của người sử dụng khi có những yêu cầu phát sinh đối với công tác quản lý và kinh doanh rất khó khăn do nhà sản xuất không bao giờ bàn giao hết các công cụ và thủ tục để thực hiện.

Ngoài ra, do được thiết kế đóng nên các hệ thống DCS rất khó có thể kết nối với hệ thống SCADA và quản lý đo đếm điện năng của các Công ty điện lực Bên cạnh đó, do các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ thường được xây dựng tại các vùng sâu nên việc thiết lập một được truyền hữu tuyến (4W) như các giải pháp kết nối hiện nay đòi hỏi chi phí rất tốn kém kể cả đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng tháng.

Tuy nhiên, các yêu cầu kết nối này là bắt buộc đối với các nhà máy điện theo Qui định đấu nối ban hành kèm Quyết định 37 của Bộ Công Nghiệp (nay là Bộ Công Thương) Đặc biệt với các nhà máy tham gia chương trình mua bán phát thải (CDM) thì việc kết nối, lưu trữ dữ liệu đo đếm điện năng phát lên lưới điện là một trong những điều kiện cần thiết để bên mua CDM có thể tính toán được lượng phát thải được hưởng Hơn nữa, các trung tâm điều độ vùng, miền hay quốc gia hiện đã áp dụng thành công hệ thống SCADA cho công tác điều hành hệ thống điện thuộc quyền của mình.

Giải pháp cho việc quản lý, giám sát và vận hành toàn bộ nhà máy và đấu nối với các trung tâm điều độ vùng, miền chính là hệ thống SCADA Trên thực tế, SCADA không còn là công nghệ mới trên thế giới Nó đã được ra đời và áp dụng từ khá lâu không chỉ trong ngành điện mà còn ở nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp khai thác dầu khí, hầm

mỏ, giao thông Những công nghệ áp dụng cho các thành phần cấu thành hệ thống thì vẫn liên tục được cập nhật và đổi mới Ngày càng nhiều thế hệ thiết bị với những tính năng ưu việt ra đời kể cả phần cứng, giải pháp phần mềm hay chuẩn thông tin liên lạc để phục vụ cho SCADA Đây chính là lý do cho việc tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện để điều khiển, giám sát, vận hành toàn nhà máy cũng như kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ miền và quốc gia.

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu cơ bản của luận văn này là nghiên cứu các yêu cầu điều khiển trong các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và ứng dụng lý thuyết SCADA để điều khiển.

Để có được bất kì hệ thống nào hoàn chỉnh cũng đều phải có nhiều khâu, bộ phận, nhiều quá trình cấu thành Hệ thống SCADA không nằm ngoài quy luật đó Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu các thành phần, các yếu tố liên quan trực tiếp đến một hệ thống điều khiển trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, cụ thể ở đây là hệ thống SCADA, với mục đích có được cái nhìn đầy đủ và toàn diện hơn.

Do khuôn khổ có hạn nên với mục tiêu đã đề ra một số phần được trình bày và nghiên cứu trong bản báo cáo dưới đây chỉ dừng ở mức độ chi tiết nhất định.

Người viết cũng hi vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong nhà máy thủy điện Và với kết quả từ việc xây dựng hệ thống SCADA sẽ có thêm những kiến thức mới, những cái nhìn mới trong việc tiếp cận các nhà máy thủy điện trong tương lai

3 Bố cục đồ án

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

2.1 Lịch sử nhà máy thủy điện 2.2 Các loại nhà máy thủy điện

2.2.1 Phân loại nhà máy thủy điện

a) Nhà máy thủy điện hồ chứa

Loại nhà máy thủy điện phổ biến nhất là công trình tích nước Cơ sở tích nước, điển hình là hệ thống thủy điện lớn, sử dụng đập để trữ nước sông trong hồ chứa Nước thoát ra từ hồ chứa sẽ chảy qua tuabin, làm quay tuabin, từ đó kích hoạt máy phát điện để sản xuất điện Nước có thể được xả ra để đáp ứng nhu cầu điện thay đổi hoặc các nhu cầu khác, chẳng hạn như kiểm soát lũ lụt, giải trí, đường đi của cá và các nhu cầu khác về chất lượng nước và môi trường.

No table of figures entries found.

Figure 1Nhà máy thủy điện hồ chưai

b) Nhà máy thủy điện dòng chảy liên tục

Các nhà máy thủy điện này không có vùng chứa nước nên yêu cầu lưu lượng sông đủ lớn để phát điện Nhược điểm của nó là không tạo ra năng lượng trong các đợt hạn hán.

Figure 2 Nhà máy thủy điện dòng chảy liên tục

c) Nhà máy thủy điện tích năng

Thủy điện tích năng là dạng thủy điện giúp dự trữ năng lượng Tương tự như một “bình ắc quy”, chức năng chính của thủy điện tích năng là tích lũy điện năng để bổ sung cho hệ thống khi cần thiết Có thể hình dung dễ hơn thì thủy điện tích năng sẽ được tích điện vào thời gian rảnh rỗi và được mang ra dùng khi có nhu cầu.

Khi nhu cầu điện thấp, nhà máy dự trữ năng lượng bằng cách bơm nước từ hồ chứa phía dưới lên hồ chứa phía trên Trong thời gian có nhu cầu điện cao, nước được xả trở lại hồ chứa phía dưới và làm quay tua-bin, tạo ra điện.

Figure 3 Nhà máy thủy điện tích năng

2.2.2 Quy mô nhà máy thủy điện

1 Nhà máy thủy điện lớn: là nhà máy thủy điện có công suất trên 30 megawatts (MW)2 Nhà máy thủy điện nhỏ: có công suất từ 100 kilowatts tới 10MW

3 Nhà máy thủy điện siêu nhỏ: có công suất nhỏ đến 100 kilowatts Một hệ thống thủy điện nhỏ hoặc siêu nhỏ có thể sản xuất đủ điện cho một ngôi nhà, trang trại, trang trại hoặc làng. 2.3 Hệ thống thiết bị chính

2.3.1 Tổng quan về nhà máy

Về cơ bản các thiết bị chính trong nhà máy bao gồm các thành phần như hình.

Figure 4 Tổng quan thiết bị trong nhà máy

2.3.2 Hệ thống tuabin-điều tốc

Mô hình tuabin – máy phát như hình 1.2 Nước từ hồ chứa thượng lưu (reservoir) được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn (spiral case), tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn, qua hệ thống cánh hướng (wicket gate), nước được dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay tuabin đồng thời làm quay máy phát điện (generator), thông thường trục của tuabin được nối thẳng với trục máy phát (turbine – generator shaft).

Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc gia.

Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất phát của tổ máy Là một thiết bị có cơ cấu

Figure 5 Mô hình tuabin - máy phát

phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin đòi hỏi phải có độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40 năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm ).

Tuabin thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại tuabin Kaplan trục đứng): Roto tuabin (gồm bánh xe công tác – BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng dòng ) và bộ ống xả, buồng xoắn.

Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp Vấn đề đặt ra là phải điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho tuabin tốc độ ổn định.

Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động.

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành.

Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện.

Bộ điều tốc kỹ thuật số: được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các thông

số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm Bộ điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo quá trình chuyển mạch không trễ trong mọi chế độ vận hành Nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi tiếp.

Điều khiển vị trí: sử dụng thuật toán điều chỉnh PD, tín hiệu vào là vị trí thực của

cánh hướng và vòng trượt của các servomotor Khi vận hành ở chế độ quá tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu Điểm đặt vị trí của BXCT được tính toán dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước.

Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong khoảng -5

đến 105

Điều khiển vận tốc: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị đặt của bộ

điều khiển vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến 110% Dải tần số chết có tác dụng trong suốt quá trình vận hành song song và có thể điều chỉnh được Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh hướng bằng cách tính toán sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ thực tế.

Điều khiển độ mở cánh hướng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5

đến 105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác điểm đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh hướng.

Điều khiển lưu lượng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%.

Lưu lượng thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của cánh hướng và BXCT Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị đặt cho vị trí của servomotor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác nhau giữa giá trị đặt và lưu lượng thực tế.

Điều khiển mực nước: giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể được

xác định lại thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI.

Các tính năng tự động hoá của bộ điều tốc:

 Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng của BXCT.

 Giám sát và kiểm tra tốc độ, lưu lượng  Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải  Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực.

 Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA.

 Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ  Ghi và thông báo các sự kiện trong quá trình vận hành 

 Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống.

Bộ điều tốc thuỷ lực: gồm bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính, máy bơm

trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ.

Bộ tác động điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ thuật số thành các đại lượng cơ tương ứng Bộ khuếch đại thuỷ lực gồm có van động và van phân phối chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor của cánh hướng và hệ thống cấp dầu áp lực.

Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, cân bằng áp lực hệ thống Với hệ thống van, thời gian tác động được giới hạn tương ứng với đòi hỏi của sự thay đổi tốc độ Ngoài ra còn có một van trượt điện từ độc lập để dừng khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các cánh hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển.

Các thiết bị đo:

 Đầu đo lưu lượng

 Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn

 Công tắc giới hạn và cảnh báo sự đồng bộ giữa các cánh hướng  Đo vị trí vành điều chỉnh hay độ mở cánh hướng.

 Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực  Đo độ lệch trục của Tuabin.

Ngoài ra còn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, ổn định

1.2.2. Hệ thống máy phát - kích từ

Mô hình của máy phát điện thủy lực như hình H1.3.

Máy phát điện: có nhiệm vụ biến đổi cơ năng chuyển động quay của tua bin

thành điện năng – khâu chính của quá trình sản xuất năng lượng điện Cho đến nay, các máy phát điện dùng trong nhà máy thủy điện chủ yếu vẫn là các

máy phát điện đồng bộ 3 pha Chúng có công suất từ vài kW đến hàng nghìn MW, điện áp định mức

từ 380V đến 25kV.

Thông thường, máy phát điện tua bin nước được chế tạo với máy phát điện đồng bộ 3 pha Chúng có công suất từ vài kW đến hàng nghìn MW, điện áp định mức

từ 380V đến 25kV Thông thường, máy phát điện tua bin nước được chế tạo với tốc độ quay chậm, thấp hơn nhiều so với máy phát điện tua bin hơi nước Tốc độ quay của máy phát điện ở các

nhà máy thủy điện khác nhau do để đảm bảo

hiệu suất cao, tuabin nước cần có công suất định mức và tốc độ quay phù hợp với tham số nguồn nước (chiều cao hiệu dụng cột nước, lưu lượng dòng nước…)

Do tốc độ quay thấp, số đôi cực của máy phát điện tuabin nước rất

nhiều Số đôi cực p quan hệ với tốc độ quay n theo công thức:

P=60 fn

Trong đó: f =50Hz – tần số định mức của lưới điện Việt Nam

Hệ thống làm mát máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến giới hạn công suất làm việc của máy phát điện do nhiệt độ nóng cho phép lâu dài của cách điện.

Hệ thống kích từ: có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho các cuộn dây

kích thích của máy phát đồng bộ Hệ thống kích tự phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với chất lượng cao trong mọi tình huống.

Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát, thay đổi lượng công suất phản kháng vào lưới Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) làm việc nhằm giữ điện áp không đổi (với độ chính xác nhất định) khi phụ tải biến động Ngoài ra TĐK còn nhằm các mục đích nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đường dây dài, đảm bảo ổn định tĩnh, nâng cao tính ổn định động.

Trong chế độ sự cố (ngắn mạch trong lưới…) chỉ có bộ phận kích thích cưỡng bức làm việc là chủ yếu, nó cho phép duy trì điện áp của lưới, giữ ổn

định cho hệ thống.

Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông số của hệ thống kích từ cũng như kết cấu của bộ phận TĐK.

Thông thường để cung cấp một cách tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ cần phải có hệ thống kích từ thích hợp với công suất định mức đủ lớn, từ 0.2 -0.6% công suất định mức máy phát điện.

1.2.3. Thiết bị cấp điện áp máy phát

Cấp điện áp máy phát thường nhỏ hơn cấp điện áp lưới truyền tải Các thiết bị cấp điện áp máy phát có chức năng truyền tải điện từ máy phát đến trạm tăng áp, một phần qua máy biến áp phân phối để cấp điện cho hệ thống tự dùng toàn nhà máy Đối với các máy phát tự kích từ, hệ thống thiết bị cấp điện áp máy phát sẽ bao gồm các máy biến áp hạ áp hay gọi là máy biến áp kích từ Dòng điện sẽ qua máy biến áp kích từ đến hệ thống kích thích của tổ máy.

1.2.4. Trạm tăng áp

Trạm tăng áp của nhà máy thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện đến lưới điện khu vực hoặc quốc gia Điện năng được truyền tải đến trạm tăng áp thông qua hệ thống thiết bị cấp điện áp máy phát.

Các thiết bị chính trong trạm tăng áp gồm:

 Các máy biến áp lực biến điện áp từ cấp điện áp máy phát đến cấp điện áp truyền tải như: 13.8kV/110kV.

 Các hệ thống máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa.

 Các hệ thống máy biến điện áp, máy biến dòng điện, đồng hồ đo đếm…  Các hệ thống rơ le bảo vệ.

 Hệ thống chống sét, nối đất, chiếu sáng…  Và các thiết bị phụ trợ khác.

Các thiết bị trong trạm tăng áp phải đảm bảo truyền tải được điện năng từ nhà máy đến lưới điện quốc gia hoặc khu vực Trong các trường hợp sự cố hoặc bất thường khác, các hệ thống đo đếm, bảo vệ phải tác động chính xác cắt vị trí sự cố ra khỏi lưới điện, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.

1.2.5. Các hệ thống khác: thông gió, đo lường, bảo vệ

Các thiết bị phụ trợ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo làm việc ổn định cho các thiết bị chính trong nhà máy Các hệ thống phụ trợ bao gồm các hệ thống thông gió, hệ thống cấp nước kỹ thuật cho tua bin, máy phát, hệ thống làm mát dầu, hệ thống khí nén…

1.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC NHÀ MÁY THỦY

ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

1.1.1. Yêu cầu chung

Đối với các nhà máy có công suất lớn, yêu cầu điều khiển cho toàn bộ hệ thống là rất cao do việc dừng máy của các nhà máy này sẽ dẫn đến thiếu hụt công suất trên lưới, ảnh hưởng đến ổn định cũng như chất lượng điện năng Do đó, các hệ thống điều khiển phải có khả năng xử lý nhanh và tin cậy trong các trường hợp vận hành của nhà máy cũng như trong tình huống sự cố Các thiết bị điều khiển đòi hỏi phải có dự phòng nóng toàn bộ nhà máy, hệ

thống chống nhiễu đường dây thông tin, đo lường đảm bảo nhận biết chính xác chế độ làm việc thiết bị Các hệ thống điều khiển nhóm công suất đảm bảo vận hành và phân bố tối ưu chế độ làm việc của các tổ máy Do vậy, việc

thiết kế hệ thống điều khiển rất phức tạp.

Đối với các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, các hệ thống điều khiển có yêu cầu thấp hơn do việc dừng tổ máy không ảnh hưởng lớn đến lưới điện nói chung Do vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển đơn giản hơn Tuy vậy, hệ thống điều khiển vẫn phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản như sau:

 Điều khiển tin cậy và ổn định các thiết bị công nghệ  Giao diện với thiết bị công nghệ ổn định.

 Quản lý an toàn toàn bộ dữ liệu và thông tin vào và ra từ các thiết bị sản xuất.

Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phải:

 Chú trọng đến vấn đề an toàn đối với người và trang thiết bị.

 Bảo vệ trang thiết bị của nhà máy tránh các điều kiện vận hành bất thường ngoài ý muốn.

 Bảo vệ toàn bộ trang thiết bị tránh các điều kiện ngắn mạch và chạm đất.

 Cung cấp khả năng phát hiện sự cố ở mọi điều kiện vận hành.

 Cung cấp khả năng làm việc ổn định ở các điều kiện vận hành bình thường, bất thường cũng như khi có sự cố bên ngoài hệ thống.

 Đảm bảo sẵn sàng vận hành tối ưu và liên tục.

 Được thực hiện dựa trên các thiết bị có độ tin cậy và độ bền cao  Được thực hiện dựa trên các giải pháp được tiêu chuẩn hoá ở mức cao

 Thoả mãn các yêu cầu về chức năng mà khách hàng đặt ra.

 Cho phép mở rộng và nâng cấp dễ dàng.

 Đảm bảo nguyên tắc chỉ các tín hiệu được phát ra một cách chủ động mới có khả năng điều khiển thiết bị.

 Hạn chế ở mức cao nhất các tác động xấu do sự cố về đường truyền tín hiệu.

Trang thiết bị của hệ thống: phải có cấu trúc module hoá nhằm giảm thiểu số

lượng các bộ phận cấu thành hệ thống Mục đích này không nhằm tối ưu các bộ phận thiết bị được sử dụng mà để giảm tới mức thấp nhất số lượng các bộ phận khác nhau của hệ thống, giảm module dự phòng.

Hệ thống phải được thiết kế với các bộ phận và module có giao diện tương thích với các tiêu chuẩn công nghiệp chuyên ngành phổ biến đã được công nhận, và phải có khả năng giao tiếp với các thiết bị tương tự của các nhà sản xuất khác mà không cần đầu tư quá mức.

Khái niệm ''điện áp điều khiển'' phải được hiểu là điện áp cung cấp cho các rơ le trung gian của thiết bị điều khiển, cho các đèn tín hiệu, các cuộn đóng, cuộn cắt của đối tượng được điều khiển v.v Điện áp điều khiển phải được phân bố để đạt được độ an toàn cao nhất khi có sự cố mạch điện áp điều khiển.

Hệ thống phải có khả năng duy trì hoạt động điều khiển khi điện áp điều khiển được chủ động ngắt có kiểm soát Các bộ phận của hệ thống điều khiển đòi hỏi có nguồn điện áp điều khiển riêng phải có các mạch cung cấp nguồn riêng

1.1.2. Thiết kế điều khiển

Tất cả các chức năng điều khiển của hệ thống điều khiển phải được thực hiện bởi các bộ điều khiển khả trình trên cơ sở vi xử lý (Programmable Logic Controller - được gọi tắt là PLC) phân bố tại các vị trí thích hợp trong

Nhà máy và các bộ điều khiển trung tâm (Station Controller - được gọi tắt là SC) đặt tại phòng điều khiển Nhà máy.

Hệ thống điều khiển phải được phân cấp điều khiển như bảng 1.1, sao cho tại điều khiển cấp dưới có khả năng khoá tất cả các cấp điều khiển cao hơn.

Bảng 1.1 Bảng phân cấp độ điều khiển trong nhà máy

Cấp “Điều khiển từ xa” Từ phòng điều khiển miền và điều độ quốc gia

Cấp “Điều khiển nhà máy” hay “cấp điều khiển trung

Đây là cấp điều khiển chủ yếu từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy.

Cấp “Điều khiển tổ máy” hay “Điều khiển nhóm”

Từ các bảng điều khiển tổ máy tại chỗ đặt ở gian máy

Cấp “Điều khiển tại thiết bị” Ngay trên các đối tượng được điều khiển.

Trang thiết bị nhà máy phải có thể được điều khiển từ các trạm vận hành đặt tại phòng điều khiển của nhà máy và tại các trung tâm điều độ quốc gia, điều độ miền được thực hiện bằng đường truyền cáp quang.

Tổ máy phải được điều khiển từ tủ điều khiển tổ máy đặt tại sàn gian máy và từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy Điều khiển tổ máy từ tủ điều khiển tổ máy phải có thể thực hiện tự động, bán tự động và bằng tay, và từ phòng điều khiển nhà máy phải có thể thực hiện bán tự động và tự động (phân chia quyền cho phép) Tua bin phải có thể điều khiển được từ tủ điều khiển tua bin đặt trên sàn gian máy và ở trung tâm điều khiển.

Trang thiết bị phụ của tổ máy phải có khả năng được điều khiển từ tủ điều khiển tổ máy, từ phòng điều khiển trung tâm và tại chỗ.

Trang thiết bị hệ thống cung cấp điện tự dùng và tự dùng chung của nhà máy phải được điều khiển từ phòng điều khiển nhà máy Trạm phân phối phải được điều khiển từ phòng điều khiển nhà máy Điều khiển bằng tay phải có thể thực hiện được từ bảng điều khiển trực quan gắn trên các tủ điều khiển trạm phân phối đặt trong phòng điều khiển.

Nút ấn dừng máy khẩn cấp của tổ máy phải được bố trí tại sàn tua bin, tủ điều khiển tổ máy và trên các màn hình vận hành (VDU).

1.1.3. Đặc tính hệ thống điều khiển

Trang thiết bị điều khiển phải được cung cấp đầy đủ để vận hành toàn bộ nhà máy, được đặt trong phòng điều khiển nhà máy Để vận hành tự động, bán tự động và bằng tay, cần phải cung cấp các tủ điều khiển tại chỗ.

Hệ thống điều khiển tuân theo các tiêu chuẩn sau:

hình hiển thị.

ANSl/IEEE - STD 10101987 Hướng dẫn điều khiển nhà máy thủy điện.

Đặc điểm dữ liệu thiết kế: Hệ thống điều khiển được thiết kế để vận hành ba tổ tuabin – máy phát, các máy biến áp chính, thiết bị trạm phân phối, hệ thống cung cấp điện tự dùng và các hệ thống phụ trợ khác của nhà máy.

1.1.4. Thiết bị bảo vệ

Khái quát:

Hệ thống bảo vệ trong nhà máy phải là đa chức năng và tin cậy cho các tổ máy phát, các máy biến áp lực, trạm phân phối điện ngoài trời và hệ thống cung cấp điện tự dùng Đây là một hệ thống đầy đủ trên mọi phương diện với tất cả các rơ le phụ cần thiết, các biến thế trung gian và các module cấp nguồn Các rơ le bảo vệ phải là loại kỹ thuật số và phải có độ tin cậy cao, kèm theo các chức năng trọn bộ đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết Các rơ le phải có các đặc tính sau:

 Tự kiểm tra, chuẩn đoán và lưu trữ thông tin các sự cố.

 Bàn phím phục vụ cài đặt và màn hình tinh thể lỏng để giám sát  Cổng giao diện nối tiếp RS232 hoặc RS485.

 Bộ nhớ FLASH EPROM.

Một bộ thử nghiệm cho tất cả các rơ le bảo vệ được cung cấp đồng bộ cùng nguồn dòng, áp, các thiết bị đấu nối cần thiết phải được cung cấp để phục vụ công tác, thí nghiệm hiệu chỉnh.

Hệ thống bảo vệ phải có khả năng phát hiện tất cả các dạng sự cố và tác động để cắt bộ phận sự cố ra khỏi hệ thống trong khoảng thời gian ngắn nhất để giảm bớt nguy hiểm do sự cố.

Hệ thống bảo vệ rơ le được thiết kế với hai hệ thống độc lập, một hệ thống bảo vệ chính và một hệ thống bảo vệ dự phòng Các rơ le phải được chia thành hai nhóm sao cho có thể kiểm tra hệ thống bảo vệ mà vẫn giữ nguyên được số lượng các chức năng bảo vệ tối thiếu làm việc tại mọi thời điểm Một vài loại rơ le bảo vệ chính phải có độ dự phòng kép (hai bộ bảo vệ).

Bảo vệ các tổ máy, các máy biến áp tăng áp, các máy biến áp tự dùng,

bao gồm cả trang thiết bị phụ của tổ máy phải được lắp đặt tại dãy tủ bảo vệ tổ máy đặt tại phòng điều khiển trung tâm Bảo vệ thiết bị của trạm phân phối điện ngoài trời (bao gồm thiết bị đóng cắt, hệ thống điện tự dùng) phải được bố trí tại dãy tủ bảo vệ đặt trong phòng điều khiển trung tâm Hệ thống điện tự dùng và hệ thống thiết bị phụ chung trong nhà máy cũng được trang bị các bảo vệ thích hợp đặt tại các tủ điều khiển tại chỗ của chúng.

Mọi báo động phải được hiển thị trên màn hình vận hành một cách riêng biệt Báo động theo nhóm chỉ cần thiết cho các báo động hiển thị trực quan và cho các tủ giao tiếp từ xa.

Ngoài các đèn tín hiệu sự cố như đã mô tả ở trên, các tín hiệu cắt của rơ le cũng phải được thể hiện trên một cửa sổ báo tín hiệu bằng đèn báo của một rơ le tín hiệu kết hợp Các đèn này phải tự động tắt sau khi giải trừ các rơ le bằng tay.

Dừng máy do hệ thống bảo vệ tác động phải được thực hiện không phụ thuộc vào hệ thống điều khiển tổ máy.

Các thiết bị bảo vệ phải kích hoạt các rơ le cắt (dừng máy sự cố) có khoá.

Các rơle cắt cho dừng máy sự cố khẩn cấp (tác động nhanh) phải do các bảo vệ điện kích hoạt và nó phải cắt ngay lập tức các thiết bị sau đây, dừng tổ máy và khoá tổ máy khỏi mọi hoạt động.

Các bảo vệ cơ khí (tác động trễ) phải kích hoạt các rơ le dừng máy sự cố chậm (dừng máy cơ khí), sa thải phụ tải của tổ máy, kích hoạt rơ le dừng máy khẩn cấp, dừng tổ máy và khoá tổ máy khỏi mọi hoạt động.

Bất kỳ lỗi nào trong trình tự dừng của tổ máy phải kích hoạt trình tự dừng sự cố khẩn cấp của tổ máy.

Rơ le cắt phải được giải trừ bằng tay sau khi đã khắc phục nguyên nhân sự cố.

Hệ thống bảo vệ phải được trang bị các thiết bị giám sát liên tục cho tất cả các mạch cắt Nguồn điện tự dùng cho mục đích này phải phải được lấy từ một cấp nào đó sao cho nó không ảnh hưởng tới sự hoạt động bình thường của các mạch cắt.

Hệ thống bảo vệ phải có trang thiết bị kiểm tra hợp bộ để có thể thực hiện kiểm tra hệ thống bằng tay hoặc hoàn toàn tự động.

Nếu một rơle hay một bộ phận điện tử của nó bị hỏng, kênh cắt đó phải bị khoá và phải đưa tín hiệu cảnh báo.

Một vấn đề quan trong khác là nguồn một chiều cấp cho các rơ le bảo vệ và các trang thiết bị phụ đi kèm phải lấy từ hai nguồn khác nhau sao cho các chức năng bảo vệ khác nhau (bảo vệ chính và bảo vệ dự phòng) kết hợp trong một rơ le hay một nhóm các rơ le không gặp sự cố cùng một lúc.

Hệ thống bảo vệ rơ le phải được trang bị đồng bộ với hệ thống điều khiển và giám sát bằng máy tính Các sự cố mất đồng bộ không được kéo dài quá 1 miligiây.

Tiêu chuẩn: Hệ thống bảo vệ phải tuân theo IEC 255 “Rơle bảo vệ điện” và

phải có phương thức giao tiếp IEC 870-5-103 để giao tiếp thanh cái của hệ thống điều khiển.

1.1.1. Hệ thống cảnh báo

Mọi thiết bị cần thiết cho hệ thống cảnh báo phải được cung cấp cũng như các cảnh báo cho các sự cố bên trong hệ thống điều khiển để chỉ ra dạng sự cố, số hiệu giá cắm và khe cắm các module bị lỗi, và phải áp dụng cho mọi module điều khiển của mỗi bộ PLC trong hệ thống.

Các cảnh báo cho mọi trang thiết bị nhà máy phải được chỉ báo và thể hiện bằng cờ hiệu trên các tủ điều khiển tương ứng và trên màn hình vận hành trong phòng điều khiển nhà máy.

Tuỳ thuộc vào mức độ khẩn cấp và vị trí sự cố, các cảnh báo có thể là các loại còi, chuông khác nhau được lắp đặt tại các vị trí thích hợp trong nhà máy.

Hệ thống điều khiển phải được thiết kế để có thể nhận được tất cả các cảnh báo của hệ thống và hiện thị chúng trên màn hình vận hành theo thứ tự thời gian Các cảnh báo phải được chia làm 4 loại: “Nguy hiểm”, “Thông báo”, “Lỗi”, và “Hệ thống bị nhiễu”.

Hệ thống hiện thị cảnh báo trên các tủ điều khiển phải sự dụng bảng tín hiệu đèn báo kiểm soát dạng điện tử hoặc rơ le tín hiệu, và nó có thể chấp nhận các tín hiệu cảnh báo từ các tiếp điểm thường mở (NO) và thường đóng (NC) Hệ thống được thiết kế theo nguyên tắc ưu tiên thời gian (first-out) với các đèn nháy và tín hiệu cảnh báo còi, chuông Sau khi giải trừ sự cố thì các tín hiệu còi, chuông phải tắt và các đèn nháy với tần số chậm hơn đối với các cảnh báo đến đầu tiên và sáng tĩnh (không nháy) đối với các cảnh báo của nhóm song song đến sau Các cảnh báo phải có thể giải trừ bằng tay Theo cách này, trong trường hợp các nguyên nhân cảnh báo đã được tìm ra giải quyết, phải có thể ấn nút giải trừ để tắt đèn cảnh báo Hệ thống phải có khả năng chỉ báo cho ít nhất 50 cảnh báo.

Trong chế độ vận hành từ xa, các cảnh báo bằng âm thanh như còi,

chuông v.v…phải tự động tắt và giải trừ sau một phút.

Nếu số lượng cảnh báo quá nhiều để có thể hiện thị trên một màn hình, các sự kiện chưa được giải trừ phải được đặt theo một thứ tự Một thông báo trên màn hình sẽ cho biết có bao nhiêu sự kiện đang nằm chờ trong thứ tự đó.

1.1.5. Các thiết bị đo lường

Các thiết bị đo lường đóng có vai trò quan trọng trong việc điều khiển giám sát toàn nhà máy Việc đo lường chính xác và đầy đủ thông số thiết bị, nhà máy đảm bảo cho người vận hành cũng như thiết bị điều khiển có thể đưa ra được các thao tác chính xác.

1.2. Nhận xét, đặt vấn đề

Với chức năng nhiệm vụ của từng bộ phận trong nhà máy thủy điện và các đặc tính kỹ thuật của chúng, việc điều khiển giám sát quá trình sản xuất là rất quan trọng Xây dựng một hệ thống điều khiển có khả năng giám sát và điều khiển nhà máy từ xa sẽ đảm bảo tính an toàn và hiệu quả kinh tế cho toàn bộ nhà máy góp phần đảm bảo chất lượng điện năng, tính liên tục và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện khu vực và quốc gia.

Để xây dựng được hệ thống điều khiển SCADA hoàn chỉnh cho nhà máy, một mặt kết nối với hệ thống DCS điều khiển tổ máy hiện hữu và kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ vùng, ta cần phải nghiên cứu lý thuyết về các hệ điều khiển SCADA, DCS và mạng truyền thông công nghiệp, từ đó đưa ra giải pháp kết nối, điều khiển cho toàn nhà máy.

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG SCADA

3.1. CÁC MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG HÓA

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung được minh hoạ trên hình 3.1 Một máy tính duy nhất có thể điều khiển quá trình con Các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp điểm đến điểm với máy tính trung tâm qua các cổng vào/ra của nó bằng dây nối riêng biệt Điều đáng chú ý ở đây là toàn bộ đầu não đều tập trung vào một thiết bị điều khiển duy nhất.

H3.1: Cấu trúc tập trung không phân quyền

Ưu điểm của hệ thống này là thích hợp với các loại máy móc và thiết bị nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên, cấu trúc này có những hạn

tính dự phòng giống như máy chính Tuy nhiên, vấn đề giá thành cao còn là nhược điểm thứ nhất và phần nào nhược điểm thứ hai có thể khắc phục bằng

cách dùng một mạng dẫn chung gọi là một bus trường (Field bus) thay cho

việc kết nối dây trực tiếp và phân tán “trí tuệ” xuống cấp chấp hành Đây chính là xuất phát điểm cho một con đường dẫn tới cấu trúc phân tán.

Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm và tăng tính linh hoạt của hệ thống thì trong cấu trúc phân quyền mỗi quá trình con (hay một nhóm quá trình con) được điều khiển bởi một máy tính riêng cũng được đắt tại phòng điều khiển Bởi các quá trình con có liên quan hệ quả với nhau, nên để điều khiển qúa trình tổng hợp cần có sự kết hợp giữa chúng Trong hầu hết các trường hợp, một máy trung tâm được dung để điều khiển cấp trên cũng như để phối hợp sự hoạt động của các máy phân quyền như mô tả ở hình 3.2 Máy phối hợp này có thể thuộc cùng cấp điều khiển hoặc thuộc cấp điều hành tuỳ theo các chức năng đựơc thực hiện Các máy tính điều khiển đựơc kết nối với nhau và máy tính phối hợp qua mạng, thường gọi là bus xử lý Chú ý rằng, cấu trúc điều khiển này vẫn không khắc phục được hoàn toàn nhược điểm lớn của cấu trúc tập trung là số lượng dây lớn.

Giám sát điều khiển trung tâm

Thiết bị trường

3.2. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SCADA

3.2.1. Định nghĩa

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Đây là phần không thể thiếu trong một hệ thống tự động hoá hiện đại.

Cấu thành của một hệ thống SCADA bao gồm 3 phần chính:

 Phần cứng: Bao gồm các máy tính (PC), các thiết bị đầu cuối (RTUs), các thiết bị giao diện người sử dụng và các thiết bị giao diện thông tin

 Phần mềm: Bao gồm các phần mềm hệ thống, phần mềm trợ giúp, phần mềm ứng dụng

 Phần hỗ trợ: Phần hỗ trợ sử dụng để kiến tạo sơ đồ hệ thống, trợ giúp tình trạng sự cố trong hệ thống SCADA là công cụ trợ giúp cho việc điều hành kỹ thuật ở các cấp trực ban, điều hành của sản xuất công nghiệp từ các cấp phân xưởng, xí nghiệp cho tới cấp cao nhất của một công ty.

Hệ SCADA là phương tiện tiêu biểu để phân phối các dữ liệu cơ sở được chứa trong các nút mạng Một nút mạng biểu diễn một giá trị vào ra đơn lẻ được giám sát và điều khiển bởi hệ thống Các điểm nút này có thể là phần cứng hoặc phần mềm Một điểm phần cứng thể hiện một kết nối vào ra thực trên hệ thống, trong khi đó một điểm mềm thể hiện kết quả logic và các thuật toán được ứng dụng đến các điểm cứng và mềm Hệ SCADA được ngầm hiểu như các máy tính chủ cho phép “giám sát các hạng mục” được điều khiển Đa phần các điểm điều khiển trên thực tế được thực hiện một cách tự động nhờ các đơn vị điều khiển đầu cuối RTU Chức năng điều khiển

chính hầu như bị giới hạn trên các vị trí cơ sở hay khả năng giám sát các hạng mục của chúng Dữ liệu ban đầu được tiếp nhận tại RTU bao gồm cả dữ liệu đọc được từ các dụng cụ đo các trạng thái làm việc của thiết bị giao tiếp khi hệ SCADA có yêu cầu Dữ liệu sau đó được biên dịch và định dạng để đến phòng điều khiển vận hành, sử dụng hệ SCADA có thể làm cho các quyết định giám sát trở nên hợp lý.

3.2.2. Cấu trúc

a Cấu trúc phân cấp của hệ SCADA:

Ngày nay kỹ thuật tự động hoá đã đạt được nhiều tiến bộ cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn IC, LSI, VLSI của kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lý cũng như của các kỹ thuật tính toán và công nghiệp máy tính, công nghệ mạng và kỹ thuật quản lý, xử lý thông tin Mô hình SCADA (hiểu theo nghĩa rộng) được phân thành các cấp như sau:

Cấp quản lý hiện trường:

Trong cấp này, các bộ điều khiển nối nối tiếp với các loại thiết bị tại hiện trường như các thiết bị đo lường, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị cảnh báo Để thực hiện các chức năng đo lường và điều khiển Đồng thời cấp này cũng được nối cấp quản lý quá trình để nhận thông tin quản lý và đồng thời chuyển lên cho cấp quản lý quá trình các số liệu về đặc tính của các thiết bị cũng như số liệu về các tham số tại hiện trường trong thời gian thực.

Cấp quản lý quá trình:

Cấp này bao gồm các trạm quản lý như trạm thao tác, trạm giám sát Cấp này có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng hợp thông tin về hiện trường từ các trạm ở cấp quản lý hiện trường, hiển thị tập trung và thay đổi các tham số điều khiển.

Cấp quản lý kinh doanh:

Cấp này có trong các hệ SCADA mở rộng và thực hiện các nhiệm vụ

như: Tích hợp các thông tin thu thập được từ cấp dưới vào hệ thống quản lý kinh doanh của doanh nghiệp, phân tích và thống kê đặt hàng lập kế hoạch sản xuất.

b Cấu trúc phần cứng:

Một dấu hiệu đặc trưng của hai tầng cơ sở trong hệ SCADA là tầng Client làm giao diện giữa người và máy và tầng Data Server bao gồm hầu hết các kênh điều khiển của quá trình hoạt động điều khiển dữ liệu Điều khiển các quá trình như của PLC, được kết nối đến các Data Server một cách trực tiếp qua các Network hay Fieldbus do các hãng chế tạo độc quyền (ví dụ như Siemen) hay không độc quyền (như Profibus) Các Data Server được kết nối đến các trạm Client qua mạng cục bộ Ethernet LAN.

c Cấu trúc phần mềm:

Bao gồm các sản phẩm thực hiện nhiều thao tác trên cơ sở dữ liệu thời gian thực RTDB (Real Time DataBase) được định vị trong một hay nhiều Server Các Server chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu và điều khiển các phần như kiểm soát việc điều khiển, kiểm tra báo động, các quá trình tính toán, xuất và lưu trữ dữ liệu trên một tập hợp các thông số điển hình mà chúng liên kết Tuy nhiên có thể thực hiện thiết kế các Server thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt như ghi nhật ký, tải dữ liệu lên, điều khiển báo động.

3.2.3. Chức năng

Giám sát:

Chức năng này cho phép người điều hành giám sát liên tục các hoạt động trong hệ thống để điều khiển quá trình Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất, chỉ thị giá trị đo lường dưới dạng các trang màn hình, trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo cáo sản xuất Từ đó có thể điều khiển từ xa các đối tượng từ các trạm vận hành trong hệ thống.

Điều khiển:

Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển các thiết bị và giám sát mệnh lệnh điều khiển.

Thu thập dữ liệu:

Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ số liệu như số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định Tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng và theo thời gian mà SCADA được hiểu theo những ý nghĩa khác nhau Theo yêu cầu cụ thể của quá trình tự động hoá, một hệ SCADA thường phải có đầy đủ các thành phần sau:

 Trạm điều khiển trung tâm: Có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, xử lý số liệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở

 Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và mạng truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm trung tâm và các trạm cơ sở

 Giao diện người – máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác )  Cơ sở dữ liệu quá trình: Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp hay

các thiết bị phục vụ cho việc truyền thông

 Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (những bộ phận điều khiển cho các PLC, các module vào/ra cho các hệ thống bus trường)  Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức và xử lý sự cố, hỗ trợ cho việc

lập báo cáo.

Điều khiển truy cập:

Được dùng để cấp cho các nhóm đọc/ghi có quyền truy cập đến các tham số của quá trình trong hệ thống và đến các thiết bị với những chức năng

riêng biệt.

Giao tiếp người - máy (MMI):

Các sản phẩm hỗ trợ cho nhiều màn hình bao gồm sự kết hợp giữa các biểu đồ khái quát với văn bản Đồng thời cũng hỗ trợ cho khái niệm của các đối tượng đồ họa, kết nối đến các biến quá trình Các đối tượng này có thể là một ô nhỏ với chức năng có trong thư viện bao gồm cả biểu đồ tổng quát.

Hầu hết các nhà sản xuất hệ SCADA đều đã đánh giá phân tích các quá trình trong các tham số nhỏ như dòng cung cấp năng lượng với giá trị lớn nhất, các trạng thái on/off.v.v đến một name đã được kết nối Các Tag-name được dùng để liên kết các đối tượng đồ họa đến các thiết bị có thể được sắp xếp theo yêu cầu Các sản phẩm bao gồm cả một thư viện với các biểu tượng đồ họa chuẩn Tuy nhiên không được ứng dụng nhiều trong việc thí nghiệm vật lý.

Trending (xu hướng):

Các sản phẩm được cung ứng một cách dễ dàng và có thể tóm tắt một cách thông thường như sau:

 Các tham số được gửi vào trong một biểu đồ tóm tắt có thể được định trước hoặc định nghĩa trực tiếp.

 Một biểu đồ có thể chứa nhiều hơn 8 tham số hay một số lượng lớn các biểu đồ có thể được hiển thị.

 Thời gian thực và historical trending có thể tồn tại, mặc dù không giống như các biểu đồ.

 Historical trending có thể tồn tại lưu trữ cho nhiều thông số  Giá trị các thông số tại mỗi vị trí con chạy có thể được hiển thị.

Điều khiển báo động:

Điều khiển báo động trên các giới hạn cơ sở, kiểm tra các trạng thái và được thực thi trên các Data Server Nhiều tín hiệu phức tạp, rắc rối có thể được diễn đạt (dùng số học và lôgic) bằng các thông số khởi đầu trên các trạng thái hay thực thi kiểm tra giới hạn Các báo động được mô tả một cách lôgic, thông tin chỉ tồn tại trên một vị trí và người sử dụng có thể thấy rõ các trạng thái, các vùng báo động ưu tiên đều được hỗ trợ.

3.2.4. Các thành phần trong hệ thống SCADA Có 3 thành phần chính trong hệ SCADA:

 Các đơn vị điều khiển đầu cuối RTU.

 Phòng điều khiển trung tâm CCR với các máy tính chủ  Các thiết bị giao tiếp.

a Các đơn vị điều khiển đầu cuối RTU (remote terminal unit):

RTU là một thiết bị điện tử thông minh IED được cài đặt tại các trạm và các tổ máy…, làm việc như một điểm nút để liên lạc giữa trung tâm điều khiển với hiện trường RTU có khả năng truyền dữ liệu đến các thiết bị khác cũng như nhận dữ liệu và lệnh điều khiển từ các cấp cao hơn thông qua các cổng liên lạc nối tiếp

RTU kết nối các thiết bị vật lý và đọc các trạng thái dữ liệu như đóng mở các khóa và van, đọc các kết quả đo áp suất, lưu lượng, điện áp hay dòng điện bằng cách gửi tín hiệu đến các thiết bị RTU có thể điều khiển chúng RTU có thể đọc dữ liệu số hay đo các dữ liệu tương tự và gửi ra các tín hiệu số và tương tự.

Các RTU của các hãng sản xuất khác nhau thì thường có cấu tạo khác nhau, tuy nhiên thường có các thành phần cơ bản sau:

- Khối vi xử lý trung tâm (CPU – Centre Processing Unit) - Khối thông tin liên lạc trung tâm

- Hệ thống các Board Vào/ra (Input/output Board)

Để liên lạc với các cấp điều khiển khác trong hệ thống như các RTU cấp dưới, các thiết bị điện tử thông minh IED hay với các hệ thống kiểm tra và chuẩn đoán khác, RTU phải được trang bị các chuẩn giao thức giao tiếp với cấp trên và cấp dưới.

Các giao thức phổ thông để RTU liên lạc với cấp trên thường là:

Đối với các RTUs cấp dưới, các IEDs như là rơ le bảo vệ, thiết bị điều khiển tại chỗ… các giao thức sau thường được sử dụng:

- Modbus

b Phòng điều khiển trung tâm CCR với các máy tính chủ:

Phần cứng trung tâm (Master Station Hardware):

Một hệ thống phần cứng trung tâm được xây dựng xung quanh một mạng cục bộ LAN (Local Area Network) Mạng LAN được gọi là mạng LAN thời gian thực (real-time LAN), đơn hoặc kép để nhằm tạo cấu trúc dự phòng.

Máy tính chủ (Server): Phần cứng trung tâm thường bao gồm một số máy tính chủ (Server) Các Server kết nối tới mạng LAN và hoạt động một cách độc lập Thông thường các Server trong một hệ thống SCADA đều áp dụng chung một công nghệ và các tiêu chuẩn, các phần mềm hệ thống cũng sử dụng các tiêu chuẩn này Vì vậy mà các chương trình ứng dụng có thể luân chuyển giữa các Server một cách dễ dàng.

Mỗi Server có thể được cấu hình bởi một, hai hoặc thậm chí là ba máy tính Số lượng này tủy thuộc vào các chức năng áp dụng cho SCADA cũng như yêu cầu về khả năng hoạt động của Server Mỗi máy tính chủ này được nối tới cả hai mạng LAN và có thể hoạt động ở chế độ Online hay Standby Các Server có nhiệm vụ chủ yếu sau:

- Yêu cầu các RTU gửi thông tin về hệ thống điện.

- Yêu cầu các RTU thực hiện các lệnh đóng, cắt các thiết bị của hệ thống điện…

- Yêu cầu các RTU chuẩn thời gian theo đồng hồ hệ thống.

- Tạo giao tiếp người máy dưới dạng đồ họa, tạo giao diện để nhân viên vận hành có thể giao tiếp thuận lợi trên máy tính.

- Trên cơ sở thông tin thu được từ RTU, tiến hành lưu trữ, in ấn, đưa ra