GIÁO TRÌNH hệ THỐNG điều KHIỂN GIÁM sát và THU THẬP dữ LIỆU TRONG hệ THỐNG điện SCADA CHƯƠNG 3 cấu TRÚC PHẦN mềm hệ THỐNG SCADA

CHƯƠNG CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Chương sẽ tập trung cụ thể vào phần mềm hệ thống SCADA giao thức truyền thông sử dụng hệ thống, cụ thể giới thiệu nội dung sau: - Các thành phần hệ thớng SCADA - Các gói phần mềm SCADA - Các giao thức sử dụng hệ thống SCADA - Phát lỗi Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.2 THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA 3.2.1 Các đặc điểm chính phần mềm hệ thống SCADA sau 1) Giao diện người sử dụng: Bàn phím Chuột Màn hình cảm ứng 2) Trang đồ họa hiển thị: Giao diện Giới hạn số trang đồ họa Độ phân giải: lên tới 1280 x1024 triệu màu 3) Cảnh báo (Alarm) 4) Đồ thị (Trend); 5) Giao diện RTU (hoặc PLC); 6) Khả mở rộng; 7) Truy cập dữ liệu; 8) Cơ sở dữ liệu; 9) Mạng truyền thông; 10) Phát hiện lỗi và dự phòng Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.2.2 Các thành phần hệ thớng SCADA Hình 3.1 Thành phần bản hệ thống SCADA Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.3 GÓI PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG SCADA 3.3.1 Giới thiệu chung Hiệu suất suất hệ thống SCADA đối với đối tượng sử dụng quan trọng, điều phụ thuộc nhiều vào khả mở rộng hệ thống theo yêu cầu tương lai Hệ thống phải dễ dàng nâng cấp chỉnh sửa theo yêu cầu thực tế đối tượng, để làm điều phụ thuộc nhiều vào cấu hình phần mềm hệ thớng Có hai phương pháp chính để thiết kế: Hệ thống SCADA Phương pháp tập trung Phương pháp phân tán Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.3.1.1 Phương pháp tập trung: Nghĩa máy tính thực toàn việc giám sát thu thập liệu dựa sở liệu bên máy tính Những hạn chế phương pháp là: - Giá thành đầu tư ban đầu lớn đối với hệ thống nhỏ - Khả mở rộng nhà máy bị hạn chế - Hệ thớng dự phịng tớn tồn hệ thống phải nhân đôi - Nhân viên bảo dưỡng, bảo trì phải u cầu có trình độ cao Hình 3.2 Hệ thống tập trung Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.3.1.2 Phương pháp phân tán: Nghĩa hệ thống SCADA sẽ điều khiển nhiều trạm máy tính nhỏ Trên hình bên giới thiệu hệ thống phân tán Hạn Chế: -Truyền thông máy tính khơng phải đơn giản; -Truyền liệu sở liệu phải nhân đôi đối với tồn máy tính; -Khơng có cách tiếp cận để thu thập liệu trực tiếp từ thiết bị trường (ví dụ có trạm vận hành yêu cầu liệu, RTU phải hỏi lần) Hình 3.3 Hệ thống phân tán Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA Hệ thống SCADA theo phương pháp chủ khách Một hệ thống chủ khách hiểu sau: Một máy chủ (server) thiết bị mà cung cấp toàn dịch vụ cho máy khác hệ thống mạng Tất cả máy khách (Client) ḿn sử dụng dịch vụ cần phải yêu cầu lệnh từ máy chủ Hình 3.4 Cấu hình chủ khách Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.3.2 Hệ thớng dự phịng Một ví dụ điển hình hệ thớng SCADA, nơi thành phần có thể làm gián đoạn hoạt động tồn hệ thớng giới thiệu hình 3.5, gọi hệ thớng SCADA khơng bảo vệ tớt Hình 3.5 Hệ thống SCADA khơng bảo vệ tốt Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA Để đảm bảo tính liên tục độ tin cậy cho hệ thống cần thiết kế sơ đồ có tính dự phịng hình 3.6 Hình 3.6 Sơ đồ sử dụng hai server Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA Lớp Vật lý (Physical Layer): Lớp Vật lý giống lớp Vật lý ISO, đề cập đến giao diện vật lý thiết bị truyền liệu (ví dụ PC, PLC, RTU,…) với môi trường truyền dẫn hay mạng, có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tớc độ truyền cấu trúc học phíc cắm, rắc cắm Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 2) Cấu trúc giao thức TCP/IP TCP/IP cung cấp lớp sau: - Application Service; - Quarateed Reliable Transport Service; - Connectionless Packet Delivery Service IP có ba chức quan trọng: Thơng sớ định dạng giao thức; Các gói thơng tin truyền qua đường Internet xác định; Thơng tin gói giữ liệu, lỗi trình truyền Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.4.5 Giao thức Bus trường FB 1) Khái niệm Bus trường FB (Field Bus) Field Bus hệ thống nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối thiết bị cấp điều khiển (các Controller, máy tính điều khiển,….) với tới thiết bị cấp trường (hay goi thiết bị trường) Do nhiệm vụ Field Bus chuyển liệu trình lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển từ cấp điều khiển xuống cấp chấp hành, mà tính thời gian thực yêu tiên hàng đầu Thời gian đáp ứng có thể lên đến ms Mặt khác yêu cầu lượng thông tin thông báo không lớn (khoảng vài Byte) nên tốc độ truyền thiết phải lớn (cỡ Mbit/s) Việc trao đổi thơng tin q trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn bên cạnh thông tin cảnh báo Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 2) Đặc điểm Field Bus Field Bus giao thức thông tin mà cịn có đặc điểm sau: -Thay hồn tồn hệ thớng truyền cũ như: 0-20mA, 0-10V,… - Cho phép làm việc với thiết bị nhiều hãng sản xuất khác nhau; - Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm 3) Ưu điểm Field Bus - Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao; - Độ mềm dẻo gần khơng có giới han; - Giá thành thấp; - Lượng thông tin truyền tải lớn; - Lập trình cho hệ thớng Field Bus có thể thực theo khới chức phần mềm Nó cho phép thay đổi lại cấu trúc hệ thống mà không phải thay đổi phần cứng Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 4) Các lớp Field Bus Mơ hình mạng ba lớp áp dụng hệ thống Field Bus; Đó : lớp Ứng dụng, lớp Liên kết lớp Vật lý : Lớp Ứng dụng (Application Layer) Lớp Ứng dụng định nghĩa nội dung thông điệp với dịch vụ yêu cầu hỗ trợ Lớp Liên kết dữ liệu (Data Link Layer) Lớp liên kết liệu giao thức phần tìm kiếm lỗi giao thức thơng điệp gửi đường dây mã hóa Lớp Vật lý (Physical Layer) Việc nhận liệu từ lớp mã hóa đến lớp Vật lý môi trường khác Tín hiệu nhận từ lớp Liển kết liệu mã hóa dạng liệu nhị phân đưa xuống lớp Vật lý Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.4.6 Giao thức Điều khiển liệu mức cao HDLC Giao thức HDLC (High Level Data Control) định nghĩa theo tiêu chuẩn tổ chức quốc tế để sử dụng cho cả hai trường hợp kết nối kiểu Nhiều điểm – Nhiều điểm ( multipoint) Điểm – Điểm (point to point) Có hai kiểu hoạt động HDLC là: Kiểu đáp ứng bình thường NRM (Normal Response Mode): Được sử dụng với trạm chủ để khởi tạo toàn hoạt động; Kiểu cân không đồng ABM (Asynchronous Balance Mode): Trong chế độ trạm đề có quyền có thể hoạt động trạm chính trạm phụ Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA §3.5 PHÁT HIỆN LỖI 3.5.1 Nguyên nhân gây lỗi Trong thực tế tín hiệu truyền qua hình thức phương tiện truyền dẫn bị ảnh hưởng bốn yếu tố sau: 1) Sự suy giảm: Đây tượng cường độ tín hiệu bị cáp dẫn hệ thống dài vượt cự ly cực đại cho phép, theo đặc trưng kỹ thuât mạng Sự suy giảm sẽ làm cho việc truyền liệu bị thất bại Bạn có thể dùng thiết bị gọi lặp lại để tăng cự ly truyền thông cực đại mạng 2) Hạn chế băng thông (Limitted Bandwith): Do giới hạn băng thông nên nhiều tín hiệu truyền gặp lỗi 3) Méo tín hiệu (Delay distortion): Khi truyền tín hiệu tần số thành phần khác tín hiệu đến máy thu với chậm trễ khác chúng Do tín hiệu nhận méo với ảnh hưởng biến dạng chậm trễ 4) Nhiễu (Noise): Có nhiều tác động ngoại cảnh tạo nhiễu truyền tín hiệu Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.5.2 Điều khiển phản hồi lỗi Một điều cần thiết cần bảo vệ chống lại việc làm rới loạn liệu q trình truyền liệu Điều yêu cầu cần phải bảo mật nghĩa cách thêm mã kiểm tra tin nhắn truyền Khái niệm dành cho trạm truyền để tính toán mã kiểm tra từ mẫu tin nhắn Các trạm tiếp nhận sau lặp lặp lại việc tính kiểm tra mã tin nhắn so sánh mã kiểm tra tính cho tin nhắn nhận Nếu chúng giống hệt giả định thông báo nhận chưa hỏng Nếu chúng khác có nghĩa việc truyền thơng tin bị lỗi Các kiểu kiểm tra thêm bit vào khung liệu gờm có: Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA Các kiểu kiểm tra thêm bit vào khung liệu gờm có: 1) Bit kiểm tra lỡi (Parity Bit): bit đơn thêm vào byte bản tin để thể tổng số bit chẵn bản tín 2) Block check calculation: Đây phần mở rộng việc kiểm tra tính chẵn lẻ byte tính (ở cuối thư), dựa tính chẵn lẻ kiểm tra tổng số học đơn giản bit 3) Mã 2-out-of-5: Hai sớ năm bit nhóm số năm đặt tại thời gian định 4) Cyclic Redundancy Check (CRC-16 or CRC-CCITT): Điều tương tự quan niệm BCH cịn lại 16bit, nới vào ći bản tin Một CRC-16 có lẽ kiểm tra an ninh đáng tin cậy nhất, mà có thể dễ dàng thực Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA -HTTP chữ viết tắt từ Hyper Text Transfer Protocol (giao thức truyền tải siêu văn bản) Nó giao thức bản mà World Wide Web sử dụng HTTP xác định cách thông điệp (các file văn bản, hình ảnh đờ hoạ, âm thanh, video, file multimedia khác) định dạng truyền tải sao, hành động mà Web server (máy chủ Web) trình duyệt Web (browser) phải làm để đáp ứng lệnh đa dạng -Chẳng hạn, bạn gõ địa Web URL vào trình duyệt Web, lệnh HTTP sẽ gửi tới Web server để lệnh hướng dẫn tìm trang Web u cầu kéo mở trình duyệt Web Nói nơm na hơn, HTTP giao thức truyền tải file từ Web server vào trình duyệt Web để người dùng có thể xem trang Web diện Internet.HTTP giao thức ứng dụng giao thức TCP/IP (các giao thức tảng cho Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA -Giao thức cấp cao gần với người sử dụng thường thực phần mềm, ví dụ: FTP ( File Transfer Protocol) dùng cho việc trao đổi liệu từ xa, HTTP ( Hyper Text Transfer Protocol) dùng để trao đổi trang HTML, MMS ( Manufactoring Message Specification) dùng giải pháp đo lường điều khiển - Giao thức cấp thấp thường thực nhờ thiết bị phần cứng, chẳng hạn TCP/IP ( Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) dùng giao diện vật lý hệ thống Bus trường ( Bus Field) Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3.4.3 Giao thức ModBus Giao thức ModBus giao thức phát triển Modicol (sau thuộc AEG) ModBus thực chất chuẩn giao thức dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, thực chế vận chuyển cấp thấp TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), MAP (Manufacturing Message Protocol) Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 1) Cơ chế giao tiếp ModBus phụ thuộc vào hệ thống cấp thấp, người ta chia chúng thành loại: mạng ModBus chuẩn (ModBus II) ModBus mạng khác (ModBus Plus) - ModBus II: - ModBus Plus : Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 2) Chu trình hỏi đáp Việc thơng báo hỏi (yêu cầu) tới trạm Slave hình 3.11 Yêu cầu từ Master Địa thiết bị Địa thiết bị Mã hàm Mã hàm Dữ liệu Kiểm tra lỗi Dữ liệu Kiểm tra lỗi Hình 3.11 Chu trình hỏi/đáp Master/Slave ... Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3. 2.2 Các thành phần hệ thống SCADA Hình 3. 1 Thành phần bản hệ thống SCADA Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3. 3 GÓI PHẦN MỀM CỦA HỆ... thành phần hệ thớng SCADA - Các gói phần mềm SCADA - Các giao thức sử dụng hệ thống SCADA - Phát lỗi Chương 3: CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3. 2 THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA 3. 2.1... tin Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3. 4 .3 GIAO THỨC ModBus ( SV đọc tài liệu) Chương CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ THỐNG SCADA 3. 4.4 GIAO THỨC KẾT NỐI HỆ THỐNG MỞ OSI Mơ hình kết nới hệ thớng