MẠNG TRUYẾN THÔNG CÔNG NGHIỆP & SCADA ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT & TRUYỀN TẢI ĐIỆN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Khái quát chung về Scada SCADA Supervisory Control And Data Acquisition: là một hệ thống điềukhiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một

GV: TS Nguyễn Thị Kim Trúc 1

q

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

MẠNG TRUYẾN THÔNG CÔNG NGHIỆP & SCADA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HOÁ

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP

SẢN XUẤT & TRUYỀN TẢI ĐIỆN

GV: TS Nguyễn Thị Kim Trúc

Nhóm thực hiện: Trần Quế Tý

Trần Văn Thắng (Nhóm 1- 19Nh33) Đà Nẵng, 11/2022

cô góp ý chỉ bảo thêm , để báo cáo được hoàn thiện hơn

Chúng em xin cám ơn đến cô Nguyễn Thị Kim Trúc đã giảng dạy, hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian qua

Chúng em xin chân thành cám ơn!

1 Trần Quế Tý

- Tìm hiểu tổng quan hệ thống

- Cấu trúc chung hệ thống

- Tổng Kết

Nhóm trưởng

2 Trần Văn Thắng

- Cấu trúc chung hệ hệ thống

- Phân tích đánh giá hệ thống

- Tổng kết

MỤC LỤC

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 5

1.1 Khái quát chung về Scada 5

Hình 1.1a Mô hình tổng quan của hệ thống Scada 5

Hình 1.1b Hình ảnh mô hình tông quan nhà máy sản suất và truyền tải điện 6

1.2 Chức năng và vai trò của Scada 6

1.3 Nguyên lí hoạt động của Scada 7

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG 9

2.1 Các phần tử cơ bản của hệ thống 9

Hình 1.2 Sơ đồ kiến trúc phần cứng trong hệ thống SCADA 9

Hình 1.3a Hệ thống truyền thông 11

Hình 1.3b Giao tiếp giữa Plc với thiết bị chấp hành 11

Hình 2.4a Bộ Chuyển đôit tín hiệu 12

2.2 phương pháp phân cấp và truyền thông cho các cấp 12

Hình 2.4b Tháp phân cấp 13

Hinh2.5 Thiết bị cấp trường 13

Hình 2.6 Thiết bị điều khiển 14

Hình 2.7Thiết bị giám sát 15

2.3 Chương trình giao tiếp giữa PLC với đồng hồ 15

Hình 3.1a Sơ đấu đấu dây giữa PLC với thiết bị chấp hành 15

Hình 3.1 b Thông số thiết bị chấp hành 16

Hình 3.1c Bảng thông số cài đặt thiết bị 16

2.4 Xây dựng phần mềm cho hệ thống và truyền thông 22

Hình 4.1 Màn hình HMI điều khiển, giám sát 23

Hình 4.2 Màn hình HMI có thể hiển thị trạng thái, thông số thiết bị 23

Hình 4.3 Wall Display của phòng Điều Độ Điện lực 24

Hình 4.4 Mô hình ứng dụng scada trong sản xuất 24

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH 24

1.Thu thập dữ liệu: 24

2 Điều khiển: 25

3.Giám sát: 25

4 Hướng Phát triển của dự án: 26

CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

Danh mục tài liệu Tiếng Việt 26

Danh mục tài liệu Tiếng Anh 26

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Khái quát chung về Scada

SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống điềukhiển 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 thống SCASA phải cóhệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy ( HMI –Human Machine Interface)

Hình 1.1a Mô hình tổng quan của hệ thống Scada

Modbus RTU

Ethenet industrial

Ethennet TCP/IP Plant- floor level:

Cell level:

Sensor&Actuators

level:

Hình 1.1b Hình ảnh mô hình tông quan nhà máy sản suất và truyền tải điện

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giaodiện người máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ Vì lý

do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP– Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn

1.2 Chức năng và vai trò của Scada

Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quảnlý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từngđối tượng

cụ thể của hệ thống Chính vì thế việc SCADA cho một hệ thống sản xuấtcông nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô của từngcấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA là phảithực hiện những dịch

vụ sau:- Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất vàtổ

chức việc lưu trữ trong 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 liệuPLC, trả lời các 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 theomột 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 tựđộng hoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toánSCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng

ta không muốn tụt hậu trong sảnxuất

Vai trò của nó là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác vềhệ thống từ

đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắng về hệ, đồng thời tacũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định Việc làm này sẽgiảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành điều này gópphần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh

1.3 Nguyên lí hoạt động của Scada

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá

trình các PLC quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ

quét các PLC (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các PLC này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các PLC, từ đó

cho phép các PLC gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành

thực thi nhiệm vụ

Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse)

Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao

diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được

hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ

SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau:

Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các PLC trong các hệ SCADA có các PLC có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của PLC Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các PLC sẽ sử dụng tạm

dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai

đường truyền, các PLC đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này

sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…)

Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông

số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng

chuông, còi; hiển thị nội dung sự kiện cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc

và nhấp nháy

Điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện có những hành

động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường

hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống điện vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế

Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết bị trên hệ thống điện, đối với các chế

độ vận hành hệ thống điện đều được lưu trữ tự động theo trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây(ms), có thể

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG

2.1 Các phần tử cơ bản của hệ thống

Hệ thống SCADA QTPC gồm: trung tâm điều khiển, hệ thống truyền thống và

bộ phận tự động hóa TBA và các thiết bị điều (RTU/Gateway)

a Trung tâm điều khiển

Hình 1.2 Sơ đồ kiến trúc phần cứng trong hệ thống SCADA

Hệ thống thiết bị công nghệ tại phòng điều khiển trung tâm bao gồm:

- Máy tính chủ Communication Server: là máy chủ truyền thông, có nhiệm vụ giao tiếp với các hệ thống truyền số liệu; Xử lý việc truyền dữ liệu từ hệ thống SCADA Trung

tâm đến thiết bị đầu cuối; Xử lý việc lựa chọn phương thức giao thức kết nối, đường truyền tin vật lý,…

- Máy tính chủ HIS (History Server): là một bộ dữ liệu về tất cả các thông tin trong quá trình vận hành hệ thống điện HIS được xây dựng theo công nghệ Client-Server HIS sẽ có khả năng lưu trữ dữ liệu về tất cả các thông tin đưa ra từ hệ thống “Real-time”

về hệ thống điện

- Máy tính chủ WEB (Web Server): máy chủ cài đặt các chương trình phục vụ các ứng dụng Web Web Server có khả năng tiếp nhận request từ các trình duyệt web và gửi phản hồi đến client thông qua giao thức HTTP hoặc các giao thức khác

- Máy tính chủ SCADA & DMS: Là máy chủ ứng dụng có nhiệm vụ nhận dữ liệu thời gian thực từ hệ thống SCADA Xử lý dữ liệu đầu vào, thực hiện bài toán DMS theo thời gian thực Tiếp nhận các yêu cầu từ người dùng và thực hiện các yêu cầu và trả về kết quả

- Máy tính chủ quản lý kênh truyền Modem 3G: Thiết bị thu phát dữ liệu trên cơ

sở mạng dữ liệu di động giúp truyền phát dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối tới máy chủ và ngược lại

- Máy tính kỹ sư Engineering: dùng để bảo trì, cấu hình hệ thống, sửa chữa những, lập trình mới khi có một hệ thống nào đó được thêm vào hệ thống SCADA của Thừa Thiên Huế như một TBA, LBS hay RMU,… được kết nối với SCADA

- Máy tính vận hành (Operator Console 1, Operator Console 2): đối với phân cấp Operator, công ty cho phép phân cấp này có quyền giám sát, điều khiển đóng cắt thiết

bị, tăng/giảm nấc phân áp, điều khiển hệ thống làm mát của MBA

- Hệ thống Wall Display: hiển thị các sơ đồ lưới điện, nhiệm vụ công việc, cảnh báo, sự kiện,… giúp cho người vận hành có thể giám sát, điều khiển dễ dàng

- Hệ thống phục vụ kết nối các thiết bị: HUB, Switch, Router,…

- Các thiết bị phụ trợ khác: Clock GPS (tất cả các thành phần của hệ thống SCADA (TBA, RTU, IED, LBS…) đều được đồng bộ về mặt thời gian bằng thiết bị đồng hồ định vị toàn cầu GPS)…

b Hệ thống truyền thông

Hình 1.3a Hệ thống truyền thông

Hình 1.3b Giao tiếp giữa Plc với thiết bị chấp hành

Gồm các thiết bị thông tin liên lạc để truyền dữ liệu giữa TTĐK và bộ phận tự động hóa trạm, các thiết bị trên LĐPP (Recloser, LBS, RMU )

Trong hệ thống thông tin của SCADA , giao thức đang sử dụng để kết nối các IED tại các TBA là: IEC61850, Modbus, DNP; giao thức đang sử dụng để kết nối từ TBA đến các trung tâm SCADA: IEC60870-5-101/104; giao thức đang sử dụng để kết nối các thiết bị trên LĐPP: IEC60870-5-101/104, DNP

c Các thiết bị đầu cuối (RTU/Converter)

Hình 2.4a Bộ Chuyển đôit tín hiệu

RTU/Converter có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các thiết bị hiện trường, xử lý những tín hiệu này và gửi về TTĐK, những tín hiệu này được hiển thị trên màn hình HMI dưới dạng 1 cảnh báo, sự kiện hay trạng thái vận hành của thiết bị Đồng thời, nhận lệnh từ TTĐK qua hệ thống truyền thông và đưa chúng đến các thiết bị điện tử tại hiện trường

để thực hiện lệnh của điều độ viên

2.2 phương pháp phân cấp và truyền thông cho các cấp

RTU/ Converter

a phương pháp phân cấp

Hình 2.4b Tháp phân cấp

• Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi

tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển

Hinh2.5 Thiết bị cấp trường

• Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử

lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn

nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay,… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý

thông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (Field level) chính

vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với

hệ thống kỹ thuật

Hình 2.6 Thiết bị điều khiển

• Cấp điều khiển giám sát: Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm

vụ 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 một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các

bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo

PLC S7 1200

Modele truyền thông Cb 1212

công thức Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường

Hình 2.7Thiết bị giám sát

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 sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

2.3 Chương trình giao tiếp giữa PLC với đồng hồ

a Phần cứng hệ thống

Hình 3.1a Sơ đấu đấu dây giữa PLC với thiết bị chấp hành

Hình 3.1 b Thông số thiết bị chấp hành

Hình 3.1c Bảng thông số cài đặt thiết bị

b Chương trình phần mềm hệ thống

2.4 Xây dựng phần mềm cho hệ thống và truyền thông

Hình 4.1 Màn hình HMI điều khiển, giám sát

Trong màn hình này sẽ có thông tin về sơ đồ kết nối các máy tính, IED trong mạng LAN của trung tâm, như các vòng ring, địa chỉ IP, tình trạng kết nối, nút truy cập nhanh đến màn hình giám sát mạng LAN từng trạm … Khi một đường tín hiệu kết nối xuống trạm gặp trục trặc, sẽ có cảnh báo nhấp nháy ở đường dây tương ứng với trạm đó

Hệ thống SCADA là một tập hợp các thiết bị sẽ cung cấp cho người vận hành ở một địa điểm từ xa có đủ thông tin để xác định trạng thái của các thiết bị cụ thể hoặc một quá trình và gây ra các hành động đến các thiết bị tại hiện trường mà không có mặt

ở đó

Hình 4.2 Màn hình HMI có thể hiển thị trạng thái, thông số thiết bị

Hình 4.3 Wall Display của phòng Điều Độ Điện lực

Hình 4.4 Mô hình ứng dụng scada trong sản xuất

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH

1.Thu thập dữ liệu:

Dữ liệu từ các trạm biến áp và các nhà máy điện được chia làm ba loại chính:

– Dữ liệu trạng thái: trạng thái các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, trạng thái

vị trí các khoá điều khiển từ xa/ tại chỗ v.v… Cảnh báo của các bảo vệ

– Dữ liệu tương tự: Công suất tác dụng MW, phản kháng MVAr, điện áp, dòng điện, vị trí nấc biến áp, tần số v.v…

– Dữ liệu tích luỹ theo thời gian: Điện năng kWh, kVArh v.v…

2 Điều khiển:

Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm điều độ hoặc từ Local HMI tại trạm thông qua kênh truyền gửi đến PLC ,các lệnh điều khiển có thể là:

– Lệnh đóng cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa (open/close)

– Lệnh điều khiển tăng giảm (Raise/Lower) nấc máy biến áp

– Các lệnh điều khiển chạy dừng (Run/Stop) các nhóm quạt, lệnh giải trừ

Lockout, lệnh Reset LED…

– Lệnh điều khiển thay đổi giá trị đặt (Setpoint)

3.Giám sát:

Dữ liệu thu thập từ các trạm về trung tâm điều khiển sẽ được máy tính xử lý:

– Hiển thị trên các sơ đồ, bảng biểu và các dạng đồ thị xu hướng

– Đối với dữ liệu trạng thái (máy cắt, dao cách ly, cảnh báo v.v…) khi phát hiện

ra có sự thay đổi trạng thái hệ thống SCADA sẽ phát cảnh báo bằng âm thanh và dòng thông báo để lôi kéo sự chú ý của người vận hành

– Đối với dữ liệu giá trị đo xa, dữ liệu nhận được sẽ được kiểm tra so sánh với các ngưỡng dưới và ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành