GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SCADA CHƯƠNG II CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA

- Các thiết bị điện tử thông minh IED Intelligent Electronic Devices; -Cấu trúc thiết bị đầu cuối RTU Remote Terminal Unit; -Ứng dụng khối điều khiển lập trình PLC Programmale Logi

CỨNG HỆ THỐNG SCADA

- Các thiết bị điện tử thông

minh IED (Intelligent

Electronic Devices);

-Cấu trúc thiết bị đầu cuối

RTU (Remote Terminal Unit);

-Ứng dụng khối điều khiển

lập trình PLC (Programmale

Logic Controllers) trong hệ

thống SCADA;

-Cấu trúc của trạm điều

khiển trung tâm;

-Cấu trúc truyền thông;

-Giao diện Người – Máy HMI

(Human Machin Interface)

§2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

§2.2 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH IEDs

Biểu thị

Điều khiển các sự cố Ghi lại

Kiểm tra Bảo vệ

IDE

2.2.1 Chức năng của IED

2.2.2 Rơle kỹ thuật số

Cấu trúc chung của một rơle kỹ thuật số thể hiện dạng các khối như dưới

Biến đổi đại lương đầu vào I,U

Lọc tương tự

Biến đổi tương tự A/D

Tín hiệu nhị phân BI

Khối xử lý tín hiệu

µP

Lưu trữ

và giao tiếp với thiết

bị

Các phần

tử thực hiện:

Rowle cắt đầu ra;

đèn LED cảnh báo

Nguồn thao tác

Hình 2.2 Cấu trúc rơle kỹ thuật số

2.2.2 Rơle kỹ thuật số

Chức năng của từng khối như sau :

1) Đầu vào: Dòng điện và điện áp được lấy từ các cuộn dây thứ cấp

của biến dòng điện và biến điên áp

2) Khối biến đổi đại lượng đầu vào

Dòng điện và điện áp danh định của thứ cấp biến dòng điện và biến

điện áp có trị 5A, 1A và 110 V, 100 V còn quá lớn so với các thông số vào của linh kiện rơle, do đó cần phải giảm tín hiệu vào xuốn thấp cỡ vài mA và khoảng 10 V

3) Khối lọc tương tự

Lọc nhiễu, hài bậc cao và các thành phần không mong muốn trong các đại lượng đầu vào

4) Khối biến đổi tương tự - số A/D ( Analog/Digital)

Biến đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Khối này có chức năng xử lý các tín hiệu đầu vào, sử dụng các bộ vi xử lý

16 bit hoặc 32 bit Đối với các rơle phức tạp như rơle khoảng cách, rơle so lệch bảo vệ máy phát điện, máy biến áp, đường dây siêu cao áp, hệ thống

thanh cái sử dụng từ 2÷3 µP và mỗi bộ vi xử lý thực hiện các chức năng

nhiệm vụ sau:

- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ chính;

- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng;

- Vi xử lý thực hiện chức năng điều khiển: Phần mềm tính toán trong các chế độ vận hành bình thường, sự cố, giáo tiếp với các thiết bị và hệ thống bên ngoài và phần tử quan trọng nhất làm nhiệm vụ : Xác định sự cố các đại lượng đầu vào, So sánh quan hệ logic giữa các đại lượng, Đưa ra các quyết định cảnh báo, cắt sự cố,…

6) Lưu trữ số liệu và giáo tiếp với thiết bị

Khối này có các nhiệm vụ :

- Lưu trữ dữ liệu ở chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố;

- Công giao tiếp trao đổi dữ liệu, cung cấp tín hiệu cho phần mềm phân tích

sự cố;

- Kết nối thông tin với các đối tượng khác, hệ thống thông tin và điều độ

• 7) Các phần tử thực hiện

• - Các rơle thừa hành thực hiện việc đóng cắt máy cắt điện, đưa

đi cảnh

• báo đèn, còi, chuông,…

• - Các đèn tín hiệu LED thông báo về trạng thái của rơle: sẵn sàng, lỗi phần cứng/mềm, hoạt động của các chức năng

• 8) Tín hiệu nhị phân BI ( Binary Input)

• Khối này nhận tín hiệu nhị phân từ điều độ hoặc nhận các tín hiệu nhị phân từ các phần tử khác thực hiện phối hợp liên động trong vận hành của hệ thống

• 9) Nguồn thao tác

• Biến đổi các nguồn điện 220V, 110V thành điện áp 12V, 24V, 48V DC cung cấp cho các nguồn linh kiện

khối như sau :

1) Đầu vào (Input)

2) Đầu ra ( Output)

• 3) Hệ thống đo lường

• 4) Xử lý tín hiệu

• 5) Các giá trị đo

• 6) Thay đổi biểu giá

7) Dữ liệu cho việc in hóa đơn

• 8) Bộ nhớ

• 9) Nguồn nuôi

• 10) Giao diện truyền tin

• 2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá

•

• 2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá

Chức năng của từng khối như sau :

1) Đầu vào (Input)

Những tín hiệu đầu vào chủ yếu là :

- Điện áp các pha (U1, U2, U3) và trung tính UN, dòng các pha (I1, I2, I3) Các đại lượng này cung cấp tín hiệu cho hệ thống đo lường, cung cấp nguồn nuôi cho công tơ và điện áp giám sát

- Điện áp điều khiển Ut để thay đổi giá trị điện năng và nhu cầu biểu giá, cài đặt lại các giá trị, hạn chế nhu cầu sử dụng, đồng bộ các thông số

- Các nút màn hình để lật trang màn hình, cài đặt thông số cho công tơ

và xóa giá trị điện năng

• 2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá

2) Đầu ra ( Output)

Các tín hiệu đầu ra của công tơ bao gồm:

- Màn hình tinh thể lỏng LCD và các phím bấm dùng cho việc đọc tại chỗ các thông số : Giá trị điện năng, Điện áp, Dòng điện, góc pha, tần số, công suất,…

- Tín hiệu quang dùng cho việc thí nghiệm công tơ: các đèn LED với tần xuất phát tín hiệu tỷ lệ với giá trị điện năng công tơ đo được trong một

khoảng thời gian xác định

- Các rơle tĩnh sử dụng cho việc cảnh báo tín hiệu mà công tơ xác định như mất điện áp, quá dòng điện, ngược chiều công suất,…

- Giao diện quang sử dụng cho việc thu thập dữ liệu tại chỗ bằng thiết bị cầm tay HHU (Hand Held Unit) phù hợp

- Giao diện thông tin RS232, RS485, Optical,…

• 2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá

3) Hệ thống đo lường

Tín hiệu điện áp và dòng điện từ cuộn dây thứ cấp của biến dòng và biến

điện áp được chuyển đổi từ 1(5)A và 100(110)V xuống cỡ mA và mV

thông qua các Shunt dòng điện và điện trở phân áp, sau đó tín hiệu dòng

và áp được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự - số A/D (Analog/Digital) và

bộ chuyển đổi này sẽ biến đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu số tức thời

thông qua các mức hiệu chuẩn đưa tới bộ xử lý tín hiệu số

4) Xử lý tín hiệu

Bộ xử lý tín hiệu xác định số lượng giá trị đo từ giá trị số tức thời đầu vào như sau:

- Công suất tác dụng và công suất phản kháng của từng pha;

- Điện áp và dòng điện từng pha;

- Tần số, góc lệch pha

§2.3 THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU

§2.3 THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU

§2.3 THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU

-Thiết bị đầu cuối RTU ( Remote Terminal Unit) là một thiết bị thu thập thông tin từ các IEDs do nó quản lý, lưu vào cơ sở dữ liệu và gửi thông tin tới trạm chủ hoặc cấp quản lý cao hơn qua các đường truyền tin Thông thường, RTU là thiết bị xử lý thông minh có thể giám sát và điều khiển các thiết bị đặt ở xa trung tâm điều khiển và truyền các tín hiệu thu thập được đến trung tâm điều khiển

- Một RTU loại nhỏ thường có ít hơn 20 tín hiệu số và tương tự, loại RTU trung bình có 100 tín hiệu số và khoảng từ 30 đến 40 tín hiệu tương tự Những loại RTU có số lượng IO lớn hơn nữa thì được gọi

là RTU loại lớn

Cấu trúc phần cứng cơ

bản của RTU gồm

những phần sau

-Bộ xử lý trung tâm CPU

(Central Processing Unit);

-Các đầu vào tương tự AI

2.3.2 Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit)

Thường dùng họ vi xử lý 16 bit hoặc 32 bit Tổng dung lượng bộ nhớ 256 kByte (có thể mở rộng lên 4 Mbytes) được chia làm ba loại sau:

Giao tiếp với các thiết bị kiểm tra lỗi;

Giao tiếp với các Trạm vận hành;

Kết nối truyền thông với Trung tâm điều khiển

CPU được thiết kế một hệ thống đèn LED báo lỗi để thông báo các sự cố và báo lỗi của CPU, của các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output)

Một bộ phận khác rất quan trọng của CPU đó là bộ định thời, cung cấp thời gian thực giúp cho việc thông báo các sự kiện theo thời gian được chính

xác tuyệt đối

2.3.3 Mô-đun đầu vào

tương tự AI ( Analog Input)

Sơ đồ phần cứng của Mô-đun

đầu vào tương tự như bên:

Mô-đun đầu vào tương tự AI

có năm thành phần chính như

sau:

-Bộ đa cổng đầu vào (The

input multiplexer);

-Bộ khuếch đại tín hiệu đầu

vào (The input signal

amplifier);

-Mạch lấy mẫu và giữ tín hiệu;

-Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự sang tín hiệu số A/D

Các mô-đun đầu ra tương tự có đặc điểm sau:

- 8 đầu ra tương tự;

- Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit;

- Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms;

- Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V

2.3.4 Mô-đun đầu ra tương tự AO (Analog Output)

2.3.5 Mô-đun đầu vào số DI

(Digital Input)

- Hầu hết các mạch đầu vào số

thường có 8, 16 hoặc 32 đầu

- Có hệ thống đèn hiển thị LED để

hiển thị trạng thái của từng tín hiệu

Theo chuẩn, các tiếp điểm thường đóng hoặc thường mở được sử dụng để làm tín hiệu cảnh báo (Alarm)

Thông thường, các đầu vào Alarm thường đóng được sử dụng để chỉ ra trạng thái của Alarm

2.3.6 Mô-đun đầu ra số DO (Digital Output)

Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số

- 8 đầu ra số;

- Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC;

- Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu;

- Có cách ly để bảo vệ tín hiệu

2.3.8 Mô-đun truyền thông

Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện truyền thông nhiều như:

Các RTU có thể hoạt động ở nguồn cấp 110/240V AC ±10% 50Hz

hoặc 12/24/48V DC ±10% Mặt khác để đảm bảo cho hoạt động của RTU được liên tục kể cả khi có sự cố mất điện thì các pin sử dụng cho RTU phải là loại pin chất lượng cao như lead acid hoặc nickel cadmium Các loại pin này đảm bảo cho RTU có thể hoạt động được khoảng 20 giờ

.3.10 Các yêu cầu cơ bản của một hệ thống RTU

1)Yêu cầu về lắp đặt

- Yêu cầu về quạt làm mát và lọc bụi: Hệ thống quạt làm mát bắt buộc

phải được lắp đặt để tránh nhiệt độ cao có thể làm ảnh hưởng đến RTU Lọc bụi cũng phải được lắp đặt tại tủ RTU để ngăn chặn bụi có thể đi

vào trong các mạch điện của RTU

- Vùng nguy hiểm: RTU phải được lắp đặt tại nơi chống cháy nổ, có

mái che

2)Yêu cầu về môi trường hoạt động

- RTU phải được đặt tại nơi có nhiệt độ phù hợp, nếu đặt trong nhà phải đặt trong phòng có điều hòa, còn nếu đặt ngoài trời cần làm mái che cho RTU và sử dụng loại RTU chuyên dụng cho ngoài trời

- RTU đặt tại nơi có độ ẩm từ 10-95%

§2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG SCADA

§2.4.1 Giới thiệu chung

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) là một máy tính gồm các thiết bị cố định để điều khiển quá trình và thiết bị

trường

PLC ra đời để thay thế cho việc thực hiện các điều khiển logic bằng

rơle, switch và các bộ đếm cơ học Hiện này toàn bộ các điều khiển có thể được thực hiện bằng PLC một cách đơn giản và linh hoạt

Tiện ích của việc sử dụng một PLC như là một RTU trong hệ thống

SCADA, nó có đầy đủ hết các tính năng của tất cả các loại RTU, hơn nữa PLC rất dễ dàng cài đặt

2.4.2 Phần mềm PLC & Phương pháp lập trình giản đồ thang

Phương pháp giản đồ thang (ladder-logic) được sử dụng rộng rãi để lập trình PLC bởi vì nó gần gũi như là một mạch điện

Hình 2.10 Sơ đồ “Bắt đầu” của giản đồ thang

Hình 2.11 Sơ đồ “Kết thúc” của giản đồ thang

Các quy luật cơ bản của phương pháp giản đồ thang:

- Các đường thẳng đứng là đường nguồn cấp cho hệ thống

(từ 12V DC hoặc 24V DC) “Dòng nguồn cấp” có thể coi như dịch chuyển từ trái sang phải;

- Đọc giản đồ thang từ trái sang phải và từ trên xuống dưới;

- Các thiết bị điện thông thường cũng được chỉ ra trong sơ đồ;

- Các tiếp điểm được liên kết với các cuộn dây, bộ định thời (timer),

Giá trị ban đầu của tiếp điểm mở (có giá trị là 1)

2) Tiếp điểm thường đóng NC ( Normally Closed)

Giá trị ban đầu của tiếp điểm là đóng (có giá trị là 0)

3) Đầu ra:

Đầu ra trong giản đồ thang được hiển thị như hình vẽ

4) Bộ định thời Timer

Có hai loại bộ định thời:

Timer ON Delay

Timer OFF Delay

Hoạt động của Timer ON Delay:

Hoạt động của Timer OFF Delay

Có ba tham số tương ứng với mỗi bộ định thời:

-The preset value: đây

là một hằng số được tính bằng giây để tính toán thời gian kích hoạt

bộ định thời

-The accumulated value: Số thời gian được tính bằng giây trong thời gian bộ định thời làm việc

-The time base: Chỉ ra thời gian thực tế bộ định thời hoạt động

5) Bộ đếm (Counter)

Có hai loại bộ đếm, đếm tiến (Count up), và đếm lùi (Count

down) Hoạt động của bộ đếm tương tự như hoạt động của bộ định thời

Bộ đếm có 2 tham số:

Giá trị tích lũy (Accumulated Value);

Giá trị đặt trước (Presset Value)

Bộ đếm tiến (Count up Counters)

Bộ đếm này làm tăng giá trị của Accumulated value từng 1 đơn vị Khi giá trị của Accumulated value bằng với Preset Value đầu

ra của bộ đếm sẽ được kích hoạt Khi một giá trị khởi tạo lại được đưa ra thì bộ đếm được khởi tạo lại và tham số accumulated value

có giá trị bằng 0

Bộ đếm lùi (Count down Counters)

Bộ đếm này làm giảm giá trị của Accumulated value từng 1 đơn vị Khi giá trị của Accumulated value về bằng 0 thì đầu ra của

bộ đếm sẽ được kích hoạt

6) Các bộ tính toán

PLC sử dụng nhiều bộ tính toán ở hệ mã chuẩn của Mỹ

để trao đổi thông tin ASCII (Americain Standard Code for Information Interchange) hoặc hệ mã nhị phân BCD (Binary Code Digit):

§2.5 TRẠM CHỦ

2.5.1 Giới thiệu chung

Cấu trúc chung của một trạm chủ giới thiệu trên hình

§2.5 TRẠM CHỦ

2.5.1 Giới thiệu chung

-Trung tâm điều khiển hay trạm chủ có thể được mô tả như là một hoặc

nhiều các trạm vận hành

-Được liên kết với nhau bằng mạng cục bộ LAN (Local Area Network), liên kết với hệ thống truyền thông như MODEM và các thiết bị thu phát tín hiệu radio

-Thông thường sẽ không một mô-đun vào ra nào kết nối trực tiếp với

trung tâm điều khiển mà thường phải qua các RTU đặt tại những điểm gần nhất có thể so với trung tâm

Một trung tâm điều khiển phải có hai chức năng chính như sau:

Thu thập dữ liệu từ các RTU và các trạm con

Điều khiển các thiết bị trường thông qua các trạm vận hành

§2.5 TRẠM CHỦ

2.5.3 Phần mềm SCADA

Các phần mềm SCADA thường được thiết kế bởi nhà cung cấp

hệ thống Thông thường một phần mềm SCADA gồm 4 phần chính sau:

token bus khi mà trạm chủ không sử dụng một máy vận hành chủ nào

2.5.4 Mạng nội bộ cho trạm chủ

1 ) Mạng Ethernet

Ethernet là 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 1024 nút trong một mạng Bus như hình bên dưới.

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

2.5.4 Mạng nội bộ cho trạm chủ

1) Mạng Ethernet

Sự phát triển của các chuẩn Ethernet

-Ethernet đã được phát minh ra tại trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto vào những năm 1970 bởi tiến sĩ Robert M Metcalfe

-Trạm Ethernet đầu tiên chạy với tốc độ xấp xỉ 3-Mbps và được biết đến với tên gọi : “ tiền Ethernet”

-Ethernet chính thức được công bố vào năm 1980 bởi liên minh

DEC-Intel-Xerox(DIX) Nỗ lực này đã chuyển “tiền Ethernet” trở thành một hệ thống Ethernet mở và có chất lượng với tốc độ 10-Mbps

-Công nghệ Ethernet được công nhận là tiêu chuẩn bởi uỷ ban tiêu chuẩn LAN nằm trong viện kỹ thuật điện và điện tử thế giới(IEEE 802) Chuẩn IEEE đã được công bố lần đầu tiên vào năm 1985 , với tiêu đề “ IEEE

802.3 khuyến nghị về lớp vật lý và phương thức truy nhập đa truy nhập sóng mang phát hiện va chạm “ Chuẩn IEEE đã được thừa nhận bởi tổ chức chuẩn hoá của thế giới (ISO )