Tìm hiểu và mô phỏng giao thức truyền tin IEC 870 5 101 sử dụng trong công nghiệ

Hiện nay nhiều hệ thống điều khiển được thiết kế cho phép điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ các hệ thống SAS/DCS Distributed Control Systems, RTU Remote Terminal Units khác nha

MỤC LỤC

Trang

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt vi

Danh mục hình vẽ viii

Mở đầu 1

Chương 1 Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp 3

1.1 Một số khái niệm trong hệ thống phân tán thời gian thực 3

1.1.1 Thông tin và xử lý thông tin trong các hệ thời gian thực 3

1.1.1.1 Tín hiệu analog, số và số hoá 3

1.1.1.2 Số liệu và thông tin 3

1.1.2 Thu thập dữ liệu và mã hóa 4

1.1.2.1 Thu thập dữ liệu của các đại lượng analog 4

1.1.2.2 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng analog 5

1.1.2.3 Thu thập dữ liệu của các đại lượng logic 5

1.1.2.4 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng logic 5

1.1.2.5 Thu thập các đại lượng tích lũy 6

1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền dữ liệu thời gian thực 6

1.1.4 Địa chỉ quy chiếu của đối tượng 7

1.1.5 Đồng bộ thời gian cho các phân hệ 7

1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa 8

1.1.7 Giao thức truyền tin 8

1.1.8 Định thời (TimeOut) 10

1.1.9 Truyền tin dị bộ, đồng bộ 11

1.1.9.1 Truyền dị bộ 11

1.1.9.2 Truyền đồng bộ 12

1.1.10 Mô hình OSI 13

1.1.10.1 Giới thiệu 13

1.1.10.2 Mô tả ý nghĩa các tầng 14

1.1.10.3 Đóng gói dữ liệu 15

1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp 15

1.2.1 Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý 15

1.2.2 Chức năng của hệ thống SCADA 17

1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA 18

1.2.3.1 Hệ thống thiết bị đầu cuối 18

1.2.3.2 Hệ thồng mạng truyền số liệu 20

1.2.3.3 Hệ thống các Trung tâm điều hành 20

1.2.4 Hệ thống SCADA trong ngành điện 21

1.2.4.1 SCADA điều độ cấp quốc gia 21

1.2.4.2 SCADA điều độ cấp Miền 23

1.2.4.3 SCADA trạm 23

Chương 2 Giao thức IEC 870-5-101 25

2.1 Giới thiệu 25

2.2 Cấu trúc giao thức 26

2.2.1 Thông tin truyền thông 26

2.2.2 Một số định nghĩa 26

2.2.3 Đặc tả về cấu trúc 27

2.3 Các đặc tả về truyền thông 28

2.3.1 Cấu hình mạng 28

2.3.2 Định dạng giao thức 29

2.3.3 Quy tắc truyền 29

2.4 Định dạng Frame truyền tin 30

2.4.1 Frame tiêu chuẩn 30

2.4.2 Cấu trúc phổ biến của Frame dữ liệu ứng dụng 31

2.4.2.1 Start character/length 33

2.4.2.2 Control field trong chế độ Master-Slave 34

2.4.2.3 Control field trong chế độ Master- Master 36

2.4.2.4 Link address (địa chỉ liên kết) 37

2.4.2.5 Type Identification 37

2.4.2.6 Variable Stucture Qualifier (xác định loại biến) 38

2.4.2.7 Cause Of Transmisson 39

2.4.2.8 Common address of ASDUs 40

2.4.2.9 Information Object Address 40

2.4.3 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master-Slave 42

2.4.3.1 Frame được gửi từ trạm controlling 42

2.4.3.2 Frame được gửi từ trạm controlled 43

2.4.4 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master- Master 44

2.4.4.1 Frame được gửi từ trạm controlling như là một trạm chủ 44 2.4.4.2 Frame được gửi từ trạm contronlling như là trạm thứ cấp 44

2.4.4.3 Frame được gửi từ trạm controlled dưới như là trạm chủ 45 2.4.4.4 Frame được gửi từ trạm controlled như là trạm thứ cấp 45

2.5 Các thủ tục truyền thông 46

2.5.1 Khởi động trạm 46

2.5.1.1 Khởi động cục bộ của controlling station chế độ Master-Slave 46

2.5.1.2 Khởi động cục bộ của controlled station chế độ Master-Slave 48

2.5.1.3 Khởi động từ xa controlled station chế độ Master-Slave 50

2.5.2 Thu nhận các sự kiện trong chế độ Master-Slave 51

2.5.3 Tổng thẩm vấn (hỏi yêu cầu) 54

2.5.4 Đồng bộ hóa thời gian 56

2.5.5 Lệnh truyền 57

2.5.6 Truyền của tổng số tích hợp 60

2.5.7 Tham số tải 61

2.5.8 Kiểm tra thủ tục 62

Chương 3 Xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng giao thức IEC 870-5-101 trong công nghiệp 63

3.1 Giới thiệu mô hình 63

3.2 Kết cấu phần cứng 64

3.3 Phần mềm 65

3.4 Nguyên tắc hoạt động của mô hình 65

Kết luận, kiến nghị 67

1 Kết luận 67

2 Kiến nghị 67

Tài liệu tham khảo 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Giải thích ý nghĩa

DCS Distributed Control Systems (hệ thống điều khiển phân

tán)

RTU Remote Terminal Units (thiết bị đầu cuối)

PLC Programmable Logic Controller (bộ điều khiển logic lập

trình được)

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (hệ thống điều

khiển giám sát và thu thập dữ liệu)

IEC 870-5-101 Giao thức truyền tin theo tiêu chuẩn của Uỷ ban điện tử

Quốc tế (IEC)

CC Control Center (trung tâm điều khiển)

I/O In put/Out put (Vào/Ra)

IED Thiết bị điện tử thông minh

ASDU Application Service Data Unit (Đơn vị dữ liệu dịch vụ

ứng dụng, được định nghĩa là các frame dữ liệu trong giao thức IEC 870-5-101)

Địa chỉ đối tượng thông tin (địa chỉ đối tượng thông tin

qui ước thống nhất giữa CC và RTU)

Time Tag Nhãn thời gian (gán cho đối tượng thông tin)

Type

Identification

Xác định chủng loại

PRM Primary Message (tin nhắn chính)

FCB Frame Count Bit (đếm số bít của frame) FCV Đếm số bít hợp lệ của frame

DFC Điều khiển dòng dữ liệu

ACD Access Demand bit (nhu cầu truy cập) ACK Xác nhận tốt (Bản tin được chấp nhân) NACK Xác nhận bản tin không được chấp nhận

FC Function Code (mã code của hàm)

COT Cause Of Transmission (Nguyên do truyền)

TI Telegram Type Identification (Kiểu điện tín)

SQ Single/sequence (đơn/chuỗi)

SE Select / Execute ( Lựa chọn/Thi hành)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ 4

Hình 1.2 Biểu diễn tín hiệu tương tự không có chu kỳ 4

Hình 1.3 Biểu diễn mô hình OSI 7 lớp 13

Hình 1.4 Tổng quan hệ thống SCADA 16

Hình 1.5 Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam 22

Hình 1.6 Sơ đồ SCADA trạm/nhà máy điện 23

Hình 2.1 Mô hình 3 OSI của IEC 870-5-101 27

Hình 2.2.Các dạng cấu hình mạng của giao thức IEC 870-5-101 28

Hình 2.3 Định dạng Character của IEC 870-5-101 29

Hình 2.4 Định dạng Frame dữ liệu tiêu chuẩn 30

Hình 2.5 Cấu trúc Frame dữ liệu 31

Hình 2.6 Frame với chiều dài cố định được gửi từ trạm controlling 42

Hình 2.7 Frame với chiều dài cố định được gửi từ trạm controlled 43

Hình 2.8 Frame được gửi từ trạm controlling như trạm chủ 44

Hình 2.9 Frame được gửi từ trạm controlling như trạm thứ cấp 44

Hình 2.10 Frame được gửi từ trạm controlled như trạm chủ 45

Hình 2.11 Frame được gửi từ trạm controlled như trạm thứ cấp 45

Hình 2.12 Khởi động cục bộ của contronlling station chế độ Master-Slave 47

Hình 2.13 Khởi động cục bộ của contronlled station chế độ Master-Slave 49 Hình 2.14 Khởi động từ xa của contronlled station chế độ Master-Slave 50

Hình 2.15Thu nhận các sự kiện (dữ liệu lớp 1) chế độ Master-Slave 52

Hình 2.16 Thu nhận các sự kiện (dữ liệu lớp 2) chế độ Master-Slave 53

Hình 2.17 Thủ tục tổng thẩm vấn trong chế độ Master-Slave 55

Hình 2.18 Thủ tục đồng bộ hóa trong chế độ Master-Slave 56

Hình 2.19 Thủ tục lệnh truyền trong chế độ Master-Slave 59

Hình 2.20 Truyền tổng số tích hợp trong chế độ Master-Slave 60

Hình 2.21 Tham số truyền trong chế độ Master-Slave 61

Hình 2.22 TEST trong chế độ Master-Slave 62

Hình 3.1 Mô phỏng mô hình sử dụng IEC 870-5-101 trong Scada 63

Hình 3.2 Mô phỏng mặt trước của bộ cảnh báo 32 kênh 64

Hình 3.3 Mô phỏng mặt sau của bộ cảnh báo 32 kênh 64

Hình 3.4 Mô phỏng Trung tâm điều khiển trên máy tính 65

MỞ ĐẦU

Công nghệ thông tin đã và đang được ứng vào hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngày nay hoạt động sản xuất trong công nghiệp đã được tự động hóa ở mức độ cao,

ở đó có sự tham gia rất hiệu quả của công nghệ thông tin

Các hệ thống điều khiển tự động hoá dây chuyền sản xuất công nghiệp được cấu thành từ nhiều phân hệ độc lập nhưng được liên kết thống nhất với nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ bởi công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn khác nhau Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thực hiện bởi các giao thức truyền tin

Hiện nay nhiều hệ thống điều khiển được thiết kế cho phép điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ các hệ thống SAS/DCS (Distributed Control Systems), RTU (Remote Terminal Units) khác nhau được phân bổ trong toàn ngành hay toàn lãnh thổ gọi tắt là hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), hệ thống sử dụng các loại giao diện, giao thức, loại mạng khác nhau tuỳ theo từng mức phân cấp các phân hệ trong hệ thống Luận văn tập trung nghiên cứu giao thức IEC 870-5-101 là một tiêu chuẩn quốc tế sử dụng trong hệ thống SCADA nhằm kết nối giữa các SAS/DCS, RTU, Getway với trung tâm điều khiển CC (Control Center)

Ở nước ta hiện nay có nhiều hệ thống điều khiển tự động hoá đang được

áp dụng cho các ngành công nghiệp, các hệ thống này thường do các nhà cung cấp thiết bị của nước ngoài xây dựng và tích hợp thành hệ thống riêng theo các gói thầu vì vậy khi bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế hệ thống thường gặp phải những khó khăn về các chuẩn kết nối không tương thích nhau Các sản phẩm trong nước do chưa tìm hiểu kỹ về các tiêu chuẩn kết nối do đó không hợp chuẩn và không đồng bộ nên khó đi vào thực tiễn Hướng nghiên cứu của luận văn mong muốn cung cấp thêm thông tin để các công ty, dự án

của Việt Nam về lĩnh vực điều khiển tự động hoá nghiên cứu, tham khảo áp dụng vào các sản phẩm của mình nhằm đưa ra các sản phẩm chuẩn hoá đi vào thực tiễn trong các ngành sản xuất công nghiệp trong và ngoài nước

Luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp

Phân tích lý thuyết về một số khái niệm chính trong hệ thống phân tán thời gian thực, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập thời gian thực (Scada) trong công nghiệp và trong ngành điện

Chương 2: Giao thức IEC 870-5-101

Phân tích cấu trúc, thủ tục của giao thức Vấn đề đồng bộ thời gian, cơ chế phát hiện và kiểm tra lỗi

Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng giao thức IEC

870-5-101 trong công nghiệp

Mô phỏng việc truyền 1 byte dữ liệu của giao thức IEC 870-5-101 trong

hệ thống Scada thông qua mô hình với phần cứng là bộ cảnh báo 32 kênh (giả định là hệ thống RTU, PLC) và máy tính PC (giả định là trung tâm điều khiển)

Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài: Kết luận những vấn đề đã nghiên cứu, những điểm còn tồn tại và hướng phát triển của đề tài

Do đề tài thuộc chuyên ngành công nghiệp, cần có thời gian công tác thực tế và kinh nghiệm chuyên sâu nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tác giả rất mong nhận được sự quan tâm, nhận xét góp ý, phản biện của các thầy cô trong hội đồng khoa học và các độc giả để luận văn được hoàn thiện hơn Xin trân trọng cảm ơn!

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

THỜI GIAN THỰC TRONG CÔNG NGHIỆP

Trong chương này tập trung phân tích lý thuyết về một số khái niệm

chính trong hệ thống phân tán thời gian thực Phân tích những thành phần cơ

bản của hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực

(SCADA) trong công nghiệp nói chung và trong ngành điện nói riêng

1.1 Một số khái niệm trong hệ thống phân tán thời gian thực

1.1.1 Thông tin và xử lý thông tin trong các hệ thời gian thực

1.1.1.1 Tín hiệu analog, số và số hoá

- Tín hiệu analog (tương tự): Là các tín hiệu biến thiên liên tục theo thời

gian trong một miền xác định Ví dụ: âm thanh, nhiệt độ, giá trị dòng điện,

điện áp

- Tín hiệu số (logic): Là các tín hiệu thể hiện trạng thái đóng mở On/off

của thiết bị Bản thân tín hiệu số đã tồn tại dưới dạng số và được mã hóa dưới

dạng 1 hoặc 0 của 1 bit dữ liệu

- Số hoá tín hiệu: Là quá trình lấy mẫu tín hiệu analog rồi lượng tử hóa

chúng thành dữ liệu

1.1.1.2 Số liệu và thông tin

Trong luận văn này, số liệu được hiểu là tín hiệu analog ở lối vào (của

một hệ thống) đã được số hóa hoặc trạng thái các thiết bị đã mã hóa dưới dạng

các bit 0 hoặc 1 Thông tin được hiểu là kết quả của số liệu đã được xử lý và

có thể có nhiều thông tin được rút ra từ một dữ liệu

Như vậy, số liệu là kết quả của việc thu thập các giá trị của các đại lượng

vật lý và trạng thái của các thiết bị Từ các số liệu thô theo thời gian, qua xử

lý ta có nhận biết thông tin về trạng thái của hệ thống như hoạt động bình

thường hay không, vượt ngưỡng, dưới ngưỡng, an toàn hoặc mất an toàn…

1.1.2 Thu thập dữ liệu và mã hóa

1.1.2.1 Thu thập dữ liệu của các đại lượng analog

Tín hiệu tương tự có chu kỳ:

Hình 1.1 - Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ

Tín hiệu tương tự có chu kỳ có biên độ biến đổi theo thời gian mà ta có thể tìm ra chu kỳ (T) biến thiên của nó Nếu gọi f là tần số biến thiên của tín

hiệu ta có f = 1/T hoặc T = 1/f

Ta thấy tín hiệu có thể có nhiều chu kỳ biến thiên khác nhau và nằm trong miền Tmin và Tmax Ứng với Tmin và Tmax ta có các tần số fmax và fmin, trong đó fmax = 1/Tmin và fmin = 1/Tmax

Dải tần số từ fmin đến fmax, ứng với Tmax và Tmin gọi là phổ tần số của tín hiệu

Để số hóa ta cần lấy mẫu tín hiệu Việc lấy mẫu tuân thủ theo định luật Shannon, còn gọi là định luật lấy mẫu tín hiệu Nếu fs là tần số lấy mẫu, ta có:

fs  2fmax hoặc Ts  Tmin/2

Tín hiệu tương tự không có chu kỳ (tín hiệu một chiều):

Hình 1.2 – Biểu diễn tín hiệu tương tự không có chu kỳ

Đối với tín hiệu một chiều có biến thiên theo thời gian nhưng không theo quy luật, ta không thể tìm thấy chu kỳ hay tần số của tín hiệu Tuy nhiên ta có thể tìm thấy các quá trình diễn biến của tín hiệu và gọi Tmin là độ dài thời gian biến thiên của nó

Đối với các tín hiệu kiểu này, chu kỳ lấy mẫu có thể xác định như sau:

Ts  Tmin/2

1.1.2.2 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng analog

Mã hóa dữ liệu analog trong các hệ thống thời gian thực được thực hiện sao cho độ dài từ là ngắn nhất có thể để vừa tốn it không gian lưu trữ và thời gian truyền giữa các phân hệ của hệ thống

1.1.2.3 Thu thập dữ liệu của các đại lượng logic

Trạng thái đóng mở của các thiết bị trong công nghiệp thường được truy xuất từ các Rơle cơ điện do đó quá trình quá độ của các tín hiệu này cỡ vài mili giây Đây là khoảng thời gian không lớn đối với các bộ vi xử lý, tuy nhiên lại là đáng kể khi thiết bị đầu cuối làm việc với với hàng trăm tín hiệu ở lối vào

1.1.2.4 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng logic

Với 2 trạng thái đóng và mở, chỉ cần 1 bit để mã hóa các đại lượng logic Tuy nhiên trong công nghiệp người ta sử dụng thêm trạng thái không xác định

để đảm bảo rằng 0 và 1 là chắc chắn Do đó người ta thường mã hóa trạng thái như sau:

00 là trạng thái không xác định

01 là trạng thái mở

10 là trạng thái đóng

11 là trạng thái không xác định Đối với các thiết bị quan trọng trong hệ thống nhất thiết phải sử dụng 2 bit để mã hóa trạng thái Và các bit này được thực hiện bằng cơ cấu cơ khí

ngay từ khi chế tạo thiết bị, chứ không phải sử dụng 1 bit rồi chế ra bit đảo nó

để tạo thành 2 bit Ta gọi đây là tín hiệu kép

Đối với các thiết bị ít quan trọng hơn người ta vẫn sử dụng 1 bit để mã hóa Ta gọi đây là tín hiệu đơn

1.1.2.5 Thu thập dữ liệu tích lũy

Trong số các đại lượng analog còn có đại lượng tích lũy Đại lượng này

là tích phân giá trị của một đại lượng vật lý nhất định theo thời gian Ví dụ năng lượng tiêu thụ điện là tích phân của công suất tiêu thụ theo thời gian Đối với các đại lượng kiểu này, ngoài việc lấy mẫu tín hiệu cần thực hiện phép toán tích phân

1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền dữ liệu thời gian thực

Do các tín hiệu được thu thập liên tục theo thời gian nên các kênh truyền

dữ liệu trong các hệ thời gian thực giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị cấp trên đòi hỏi tốc độ cao và dễ dàng tắc nghẽn

Để hóa giải điều này người ta không đồng nhất giữa việc thu thập dữ liệu

và truyền số liệu đã thu thập được

Đối với tín hiệu analog, để làm được điều này ta đưa ra khái niệm ngưỡng thay đổi Khi giá trị lối vào thay đổi một giá trị lớn hơn giá trị ngưỡng thì được coi là có thông tin để truyền và ngược lại thì không Độ lớn của ngưỡng này có thể được định nghĩa theo từng ứng dụng cụ thể

Đối với các tín hiệu logic, chỉ khi có sự thay đổi trạng thái của nó ở lối vào thì mới được coi là có thông tin để truyền và ngược lại thì không

Như vậy mặc dù có rất nhiều đại lượng cần thu thập nhưng dữ liệu thực

sự cần truyền lại rất ít Tuy nhiên người ta vẫn phải cập nhất toàn bộ dữ liệu lúc thiết bị mới khởi động lại để có được số liệu ban đầu

1.1.4 Địa chỉ quy chiếu của đối tượng (Information Object Address)

Các hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực lớn phải đối diện với số lượng khổng lồ các tín hiệu cần thu thập Các phân hệ của hệ thống thường là sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau Như vậy với 1 tín hiệu nhất định,

hệ cấp trên không nhất thiết phải biết địa chỉ vật lý của nó ở thiết bị thu thập

dữ liệu

Khi lập cơ sở dữ liệu cho các phân hệ, hệ cấp dưới và hệ cấp trên cần thống nhất với nhau danh sách dữ liệu, trong đó có thống nhất địa chỉ quy chiếu của các đối tượng Giao thức truyền tin chuẩn hóa dành sẵn một không gian nhớ cho địa chỉ này

Các hệ thống nhỏ sử dụng 1 byte để mã hóa địa chỉ này

Các hệ thống lớn sử dụng 2 byte và các hệ thống rất lớn sử dụng 3 byte

để mã hóa địa chỉ này

1.1.5 Đồng bộ thời gian cho các phân hệ

Hệ thống thời gian thực cần có thời gian như nhau cho tất cả các phân

hệ Thời gian mẫu thường cho ra từ 1 đồng hồ chủ có độ chính xác cao Thông thường đồng hồ chủ được trang bị cho 01 trung tâm điều hành và thời gian từ đồng hồ chủ phải được đồng bộ cho tất cả các phân hệ của toàn hệ thống

Việc đồng bộ thời gian cần được thực hiện bởi giao thức truyền tin Trước đây khi máy thu GPS/GLONASS chưa phổ biến người ta sử dụng đồng hồ chủ đặt tại trung tâm điều hành với độ chính xác ít nhất là 10 mũ trừ

9 Ngày nay khi máy thu GPS/GLONASS trở nên rẻ hơn, nó được thay thế cho đồng hồ chủ nói trên, thậm chí ngay ở Việt nam nó còn được trang bị cho tất các thiết bị đầu cuối đời mới

Trong trường hợp đồng hồ chủ thuộc thiết bị đầu cuối bị sự cố, kênh đồng bộ thời gian qua giao thức truyền tin cần được khôi phục

1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa

Trong hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực, lệnh điều khiển từ xa được thực hiện qua giao thức truyền tin Mặc dù giao thức truyền tin cho phép gửi 1 bản tin từ nơi phát đến nơi nhận một cách an toàn và cho các lệnh điều khiển từ xa được thực hiện chính xác tuyệt đối

Để giải quyết vấn đề, ta chia quá trình điều khiển thành 3 phần là dự lệnh kiểm tra và bản thân lệnh thao tác

Dự lệnh là yêu cầu về thực hiện với nội dung nhất định Dự lệnh được gửi từ Master đến Slave bằng 1 chức năng của giao thức, sau đó lại được kiểm tra lại bằng 1 chức năng khác để đảm bảo rằng dự lênh đã tới đích an toàn Lệnh thao tác là hành động cuối cùng để thực hiện lệnh điều khiển từ xa Giao thức truyền tin quy định 2 loại lệnh điều khiển từ xa được chuẩn hóa:

+ Lệnh điều khiển có điều kiện: SELECT AND EXECUTE Command + Lệnh điều khiển trực tiếp: DIRECT Command

Lệnh điều khiển có điều kiện trong giao thức có 3 giai đoạn:

+ Chuẩn bị điều kiện cần thiết để điều khiển từ xa tại trạm Controlled + Kiểm tra xem điều kiện đã chuẩn bị xong chưa

+ Thực hiện điều khiển nếu phản hồi là điều kiện đã được chuẩn bị Lệnh điều khiển trực tiếp không đòi hỏi chuẩn bị điều kiện thực hiện

1.1.7 Giao thức truyền tin

Để có thể thực hiện truyền dữ liệu qua kênh viễn thông một cách an toàn

và chính xác đòi hỏi một quy tắc nhất định Quy tắc này có khả năng đối phó với các tình huống không bình thường của kênh như lỗi, trễ, gián đoạn kênh, v.v…

Tập hợp các quy tắc này được gọi là giao thức truyền tin, Giao thức truyền tin đóng vai trò trung gian và là “giao diện logic” giữa 2 việc: truyền tin và xử lý thông tin

Có thể hiểu giao thức truyền tin như là một loại “ngữ pháp” cho phép tập hợp và biên tập dòng các bit thu được trên kênh thành dạng có thể hiểu được Giao thức truyền tin bao hàm cả việc quản lý “giao diện logic” nói trên

Giao thức truyền tin có các chức năng sau:

+ Chức năng chuyển dữ liệu: Mục đích cơ bản của giao thức truyền tin là truyền số liệu từ 1 phía sang phía bên kia của liên kết

+ Chức năng cấu trúc lại dữ liệu từ các khung dữ liệu: Đối với truyền dị

bộ, byte là đơn vị truyền nhỏ nhất, cần phải tạo khung tin từ nhiều byte Đối với truyền đồng bộ, khung dữ liệu là đơn vị truyền nhỏ nhất

+ Chức năng xác thực dữ liệu: Xác thực dữ liệu là cấu trúc lại dữ liệu thành khối, khung, bản tin, đánh số thứ tự, đánh dấu đầu, đuôi

+ Chức năng điều khiển liên kết: Chức năng này đảm bảo việc truyền số liệu một cách chắc chắn, tin cậy, hiệu quả

+ Chức năng phát hiện lỗi: Lỗi xảy ra đối với khung truyền phải được phát hiện để được xử lý

+ Chức năng xử lý lỗi: Khi lỗi đã được phát hiện, giao thức truyền tin cho phép sửa lỗi hoặc đơn giản hơn là yêu cầu phát lại

Quá trình truyền số liệu gồm các trạng thái:

+ Thiết lập kết nối dữ liệu

+ Khởi tạo kết nối

+ Trao đổi dữ liệu

+ Kết thúc trao đổi dữ liệu

+ Giải phóng kết nối

Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác và bản thân hoạt động

của các trạng thái được điều khiển bởi giao thức truyền tin

1.1.8 Định thời (TimeOut)

Định thời là khoảng thời gian tối đa phải hoàn tất một tiến trình nhất

định

Định thời T = nT1, T có giá trị khoảng vài lần T1 (ví dụ n=5), n là số lần

yêu cầu thực hiện lại tiến trình

Định thời là khái niệm rất quan trọng được sử dụng nhiều trong truyền số

liệu, và được quy định trong giao thức truyền tin Ở đây độ lớn của định thời

luôn lớn hơn tổng thời gian trễ để có hồi âm từ phía thu, bao gồm cả thời gian

trễ trên đường truyền và trễ do thiết bị thực hiện các phép xử lý Do chỉ là giá

trị tối đa nên định thời là giá trị không cần hoàn toàn chính xác Đối với các

ứng dụng Internet, do quy mô mạng là toàn cầu, độ trễ có thể rất lớn nên định

thời được chọn lớn hơn nhiều Trong các hệ thống thời gian thực, các giao

thức chọn định thời khoảng 10 giây

Cơ chế hoạt động với định thời được mô tả như sau:

+ Sau khi phát một lệnh, bao giờ phía phát cũng chờ đợi hồi âm từ phía

thu trong khoảng T1, Khi thời gian vượt quá giá trị T1 mà vẫn không có hồi

âm, điều đó cho biết đã có lỗi xảy ra

+ Để xử lý tình huống này, phía phát phát lại lệnh vừa rồi, việc này được

thực hiện tối đa n lần cho đến khi có hồi âm, lúc đó lỗi đã được khắc phục

Ngược lại lỗi không có khả năng khắc phục Lúc đó phía phát cần có

những thao tác ở mức độ cao hơn, ví dụ đồng bộ lại quá trình, Cuối cùng là

các cảnh báo cho mức quản lý cao hơn

1.1.9 Truyền tin dị bộ, đồng bộ

1.1.9.1 Truyền dị bộ

Dạng tín hiệu của 1 byte dị bộ:

NghØ Start D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Parity Stops NghØ Start D0

- Sử dụng bit chẵn/lẻ trong việc kiểm tra lỗi của byte thu được Mỗi byte được đóng gói bởi 1 bit Start và 1 (1,5 hoặc 2) bit Stop Mỗi byte gồm 5, 6, 7 hoặc 8 bit (và 1 bit chẵn/lẻ), 1,5 bit stop chỉ sử dụng cho trường hợp chỉ có 5 bit trong 1 byte Giữa các byte có quãng nghỉ, idle ở mức logic 1, giá trị idle ≥

0 Do idle có thể > 0 nên phương thức truyền này này gọi là dị bộ Cơ chế đồng bộ thực hiện cho từng byte (Start, Stop)

- Nếu 1 byte có 1 Start, 1 stop, 8 bit dữ liệu, ta có hiệu suất sử dụng các bit truyền rất thấp là 8/(1+1+8), tức là 80%

- Cứ 9 bit truyền lại được đồng bộ 1 lần, phía thu có thể tự tách các bit

dữ liệu, nên không cần gửi nhịp đồng bộ đi kèm dữ liệu

- Một khung tin dị bộ bao gồm nhiều byte, giao thức truyền quy định số byte này

Phát hiện lỗi:

- 1 byte dị bộ bị coi là lỗi khi các bit Start, stop không đúng như định nghĩa và sai bit chẵn/lẻ (0 1 hoặc 1 0)

- 1 frame dị bộ bị coi là lỗi khi:

+ Có byte trong khung bị lỗi

+ Sai độ dài khung

+ Sai FCS

+ Dãn cách quá lớn giữa các byte trong khung (quãng nghỉ Tidle)

1.1.9.2 Truyền đồng bộ

Dạng tín hiệu của frame đồng bộ:

+ Idle: Trạng thái nghỉ

+ Syn: Byte đồng bộ

+ B0 đến Bn: Các byte số liệu (không có các bit start, stop

- Syn là byte đồng bộ mở đầu và kết thúc các khung tin, Syn được chọn là byte có giá trị 7EH, byte này có bit đầu và bit cuối bằng 0 để dễ đánh dấu

- Tất cả các byte được truyền liên tiếp (không nghỉ)

- Để lấp chỗ trống khi dữ liệu tạm thời chưa có, 1 hoặc nhiều byte Syn được chèn vào khung tin khi chưa có dữ liệu, Syn có giá trị 7EH (01111110) khác với số liệu có cùng giá trị

+ Ở phía phát, nếu có 5 bit 1 liên tiếp thì 1 bit 0 được tự động chèn vào + Ở phía thu, nếu có 6 bit 1 liên tiếp thì đó là byte Syn

+ Gỡ bỏ bit 0 sau 5 bit 1 liên tiếp

- Do hàng trăm byte (hàng nghìn bit) truyền mới được đồng bộ 1 lần, để phía thu có thể tự tách các bit dữ liệu, nhịp đồng bộ cần được gửi kèm dữ liệu theo nhiều cách mã hóa khác nhau

Phát hiện lỗi và sửa lỗi:

- 1 khung đồng bộ bị coi là lỗi khi:

+ Có Syn bắt đầu nhưng không có Syn kết thúc trong thời hạn nhất định + Sai độ dài

Mô hình tham chiếu OSI kết nối các hệ thống mở là một thiết kế dựa trên nguyên tắc phân lớp quá trình truyền số liệu để mô tả kỹ thuật kết nối truyền thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức giữa chúng Mô hình OSI gồm 7 lớp còn gọi là mô hình 7 lớp OSI

+ Dòng dữ liệu từ 1 trạm đi từ tầng cao nhất xuống tầng 1, qua kênh truyền đến tầng 1 trạm thứ 2 rồi đi ngược lên tầng cao nhất của trạm này + Giao diện nằm ở tầng 1

+ Giao thức quy định cách thức trao đổi dữ liệu giữa 2 tầng tương đương

1.1.10.2 Mô tả ý nghĩa các tầng

Tầng vật lý: Định nghĩa tất cả các đặc tả về điện và vật lý cho các thiết

bị Trong đó bao gồm bố trí của các chân cắm, điện áp và các đặc tả về cáp nối Các thiết bị tầng vật lý bao gồm Modem, Hub, Repeater Tầng này thao tác trên các bit (hoặc byte) dữ liệu

Tầng Liên kết dữ liệu: Quy định cách thức trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm,

cho phép dữ liệu được truyền an toàn từ trạm 1 tới trạm thứ 2 Đó là các giao thức phục vụ việc truyền số liệu Tầng này thao tác trên các Frame dữ liệu

Tầng mạng: Quy định cách thức trao đổi dữ liệu qua các mạng sao cho

dữ liệu có thể đi từ một trạm này tới một trạm khác Tầng này thực hiện chức năng định tuyến, điều khiển lưu lượng, phân đoạn và hợp đoạn, kiểm soát lỗi Tầng này thao tác trên các gói dữ liệu

Tầng giao vận: Quy định cách thức trao đổi dữ liệu dưới dạng dịch vụ

chuyển dữ liệu giữa người sử dụng Tầng này kiểm soát độ tin cậy của một kết nối, theo dõi các gói tin và truyền lại các gói bị lỗi Tầng này thao tác trên các phân đoạn (segment) dữ liệu

Tầng thoả thuận (còn gọi là phiên do dịch từ session): Chức năng chính

của tầng này là kiểm kiểm soát các (phiên) hội thoại giữa các máy tính Thiết

lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa ứng dụng tại trạm và ứng dụng ở xa Tầng này thao tác trên dữ liệu toàn bộ trước khi phát và sau khi thu

Tầng thể hiện (trình diễn): Chứa chức năng chuyển đổi dữ liệu sang

dạng phù hợp để cung cấp cho tầng ứng dụng Tầng này thao tác trên toàn bộ

dữ liệu

Tầng ứng dụng: Xử lý dữ liệu và cung cấp giao diện cho người sử dụng

Tầng này thao tác trên toàn bộ dữ liệu

1.1.10.3 Đóng gói dữ liệu

Do chỉ thao tác trên các đơn vị nhỏ hơn dữ liệu tổng thể nên các giao thức từ tầng 1 đến tầng 3 thuộc loại có liên kết (giữa 2 trạm để hoàn tất dữ liệu) Ở đây đòi hỏi cả 2 trạm làm việc để trao đổi thông tin

Việc đóng gói các đơn vị dữ liệu ở đây thực hiện cả phía trước và phía sau dòng dữ liệu

Giao thức từ tầng 4 đến 6 thao tác trên dữ liệu tổng thể nên 2 trạm không cần giao tiếp trực tiếp

Việc đóng gói dữ liệu chỉ ở phía trước, đây là phần là mô tả dữ liệu

1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp (SCADA)

1.2.1 Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý

Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống điều khiển kiểm soát và thu thập dữ liệu (SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của các hệ thống công nghệ, bao gồm quá trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp trong toàn ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp

và cả công tác điều hành thị trường

Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:

+ Cấp hiện trường

+ Cấp nhà máy

Có 3 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:

Một là; Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức

Hai là; Môi trường áp dụng trong công nghiệp có thể có nhiễu rất lớn nên các giao diện và giao thức phải được áp dụng hợp lý để xử lý nhiễu

Ba là; Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch

vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA

Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA theo IEC thường tuân thủ một số giao thức chuẩn sau:

+ Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC 5-103 hoặc giao thức của nhà sản xuất

870-+ Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên giao diện RS485/RS232,

+ Giữa các máy trạm và máy chủ trong hệ thống SAS/DCS ngày nay đang sử dụng một số giao thức của nhà sản xuất và đang hướng tới chuẩn IEC

61850

+ Gữa GateWay với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng WAN

+ Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90

+ Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90

1.2.2 Các chức năng hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA có các chức năng chính sau đây:

+ Chức năng thu thập dữ liệu

+ Chức năng điều khiển, điều chỉnh

+ Chức năng tạo các cảnh báo

+ Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị

+ Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin

+ Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin

Ngày nay yêu cầu đối với các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là

hệ thống quản lý thuần túy kỹ thuật Vai trò của hệ thống SCADA mới chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các phần mềm tương ứng Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường Đối với ngành năng lượng hệ thống như vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS tiếng Anh có nghĩa là Energy Management System) Đây là chức năng mới

và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam

1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA gồm 3 phần chính như sau:

+ Hệ thống các thiết bị đầu cuối: RTU, PLC, SAS/DCS (tại hiện trường) + Hệ thống các Trung tâm điều hành (CC)

+ Hệ thồng mạng truyền số liệu

1.2.3.1 Hệ thống các thiết bị đầu cuối

Hệ thống các thiết bị đầu cuối có nhiệm vụ thu thập dữ liệu tại hiện trường thông qua các bộ cảm biến và chuyển đổi chuẩn hóa (Transducer) Mỗi thiết bị đầu cuối có khả năng tiếp nhận hàng trăm đại lường đo lường và tín hiệu trạng thái, có khả năng xử lý các đầu vào ra theo thời gian thực, thu thập số liệu, cảnh báo, báo cáo và chấp hành các lệnh từ trung tâm điều khiển

RTU được hiểu là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý có thiết

bị vào/ra để trao đổi dữ liệu thời gian thực với thiết bị công nghệ của dây chuyền sản xuất có công nghệ truyền thống (cũ)

PLC là thiết bị đầu cuối chuyên dụng ra đời muộn hơn RTU cho phép trao đổi dữ liệu thời gian thực với thiết bị công nghệ của dây chuyền sản xuất, đồng thời cho phép lập trình để điều khiển cục bộ một số quá trình điều khiển (điều khiển quá trình)

SAS/DCS là thiết bị đầu cuối ra sau cùng, sau khi các thiết bị IED xuất hiện như là thành phần cấu thành của thiết bị công công nghệ có đủ các giao diện và giao thức cần thiết để tích hợp thành hệ thống điều khiển DCS

Máy thu GPS/GLONASS được coi là một thiết bị IED Nó cho phép cập nhật thời gian với độ chính xác cao nhất của ứng dụng dân sự

Việc điều hành dây chuyền công nghệ và quá trình sản xuất tại nhà máy,

xí nghiệp được thực hiện trên màn hình của các máy trạm đóng vài trò là các console làm việc Tại đây người sử dụng giao tiếp (nhận thông tin và thao tác) với hệ thống qua giao diện người-máy HMI Các Console kết nối với máy chủ, các máy chủ liên kết với các thiết bị đầu cuối để cập nhật thông tin qua lại với dây chuyền Trên máy chủ được cài đặt các phần mềm ứng dụng của toàn bộ SAS/DCS

Trạng thái làm việc của dây chuyền công nghệ được thể hiện qua các biểu tượng đồ họa HMI

Các giá trị đo lường thể hiện dưới dạng con số bên cạnh đối tượng quan sát hoặc dưới dạng biểu đồ

Các sự kiện xảy ra trên dây chuyền, các cảnh báo (vượt ngưỡng, dưới ngưỡng, an toàn, mất an toàn,…) được thể hiện qua danh sách sự kiện (Event litst)

Người vận hành tương tác với hệ thống để xác nhận các sự kiện xuất hiện trên Event list Các lệnh điều chỉnh và điều khiển có thể được đưa ra để

để chuyển đổi trạng thái làm việc hợp lý của dây chuyền

Bên cạnh các Console, một Module có chức năng cập nhật dữ liệu dây chuyền công công nghệ để chuyển thông tin về cấp quản lý cao hơn và từ đó tạo thành hệ thống SCADA hoàn chỉnh Module này được gọi là GateWay (GW)

1.2.3.2 Hệ thống mạng truyền số liệu

Một bộ phận rất quan trọng không thể thiếu được trong hệ thống SCADA là hệ thống truyền tin, nó liên quan đến sự ổn định, chính xác của hệ thống vì vậy một hệ truyền tin được chọn trong một hệ SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: Dải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ, khoảng cách địa lý

Ngày nay bản thân các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có khả năng thỏa mãn nhiều loại kênh truyền từ kênh 2 dây quay số (2W), 4 dây âm tần (4W), RS232, Ethernet, mạng LAN/WAN

Hệ thống SCADA sử dụng các dịch vụ viễn thông để kết nối giữa các

GW và CC Giao thức chuẩn áp dụng cho kết nối này là IEC-870-5 -101 và IEC-870-5 -104

1.2.3.3 Hệ thống các Trung tâm điều hành (CC)

Trung tâm điều hành gồm hệ thống máy tính, hệ thống các Console (User Interface) và Các phần mềm SCADA, EMS

Hệ thống máy tính tại phòng điều khiển trung tâm chính là các máy tính Server và Client Server chia sẽ dữ liệu với các máy Client thông qua giao thức mạng và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển Các hệ SCADA cũ chạy trên môi trường DOS, VMS hay UNIX Các hệ thống mới hơn chạy trên nền Windows 95 hay NT với một số chạy trên Linux

SCADA Server: SCADA Server chính là máy Server của hệ thống

SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server có chức năng thu thập, chia sẽ dữ liệu với các máy Client thông qua mạng Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển Vì vậy trên các máy Server thường được dùng để cài đặt

các phần mềm phát triển (Development), thiết lập cấu hình truyền thông để

kết nối với thiết bị tại hiện trường

SCADA Client: Gồm các máy tính công nghiệp được nối với với máy

Server bằng mạng Ethernet Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy (Human Machine Unterface) kết nối với dữ liệu Server để hiển thị hoặc điều khiển Tức là các máy Client sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ Controller gián tiếp thông qua máy Server Mối liên hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào từng loại phần mềm công nghiệp được sử dụng trong hệ SCADA

1.2.4 Hệ thống SCADA trong ngành điện

Hệ thống điện (HTĐ) của nước ta bao gồm Trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia; các Trung tâm điều độ HTĐ miền Bắc, Trung, Nam; các Công ty phát điện; Tổng công ty truyền tải, các Công ty điện lực, các trạm điện và hộ tiêu thụ điện được liên kết với nhau bởi các đường dây siêu cao áp, cao áp, trung áp và hạ áp Hệ thống SCADA của ngành điện hiện nay làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu ở tất cả các nhà máy điện, trạm điện siêu cao áp (500kV), cao

áp ( 220, 110 kV) Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã ban hành quyết định số: 1208/QĐ-EVN ngày 28/7/2008 về việc ban hành “Quy định xây dựng và quản lý vận hành thiết bị SCADA của trạm biến áp và nhà máy điện”, theo quy định này thì giao thức sử dụng để nối giữa hệ thống SCADA/EMS tới RTU hoặc GateWay là IEC 870-5-101

1.2.4.1 SCADA điều độ cấp Quốc gia

Đây là một trung tâm mang tính điều độ cấp cao, mang tính huyết mạch của hệ thống điện Việt Nam Nó làm nhiệm vụ điều tiết toàn bộ điện năng trên lưới SCADA điều độ quốc gia giúp cho việc phân bổ điện năng thông suốt trên khắp ba miền SCADA điều độ quốc gia đảm đương các nhiệm vụ sau:

+ Thu thập các số đo, các trạng thái, tình hình phụ tải từ các trung tâm điều độ miền đưa lên

+ Trên cơ sở các số liệu thu được tiến hành phân tích, nhận dạng, đánh giá và đưa ra các điều khiển tối ưu cho hệ thống về phân bổ công suất cũng như ổn định dự phòng trong lưới

Thực chất trung tâm SCADA điều độ quốc gia không trực tiếp làm nhiệm vụ thu thập số liệu về hệ thống và cũng không điều khiển trực tiếp lên

hệ thống mà chỉ thông qua các trạm phía dưới để thu thập dữ liệu và điều khiền hệ thống thông qua các lệnh dưới dạng các bản tin

Hình 1.5- Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam

1.2.4.2 SCADA điều độ cấp Miền

Tại các trung tâm điều độ miền, các dữ liệu về hệ thống được các trạm gửi lên, các trung tâm này đưa ra các quyết định điều khiển tác động lên lưới nhằm mục tiêu là ổn định hệ thống SCADA điều độ miền là cấp trung gian giữa SCADA điều độ quốc gia và SCADA trạm nên nó có một số nhiệm vụ đặc trưng sau:

- Thu thập số liệu từ các SCADA trạm

- Phân tích biểu đồ phụ tải thu được, tiến hành đánh giá và đưa ra các phương án điều độ và phân chia phụ tải và ổn định lưới

Các trung tâm điều độ miền đóng vai trò quan trọng và định hướng cho các SCADA trạm trong việc điều tiết công suất tải và điều khiển hệ thống

1.2.4.3 SCADA trạm

Hình 1.6 - Sơ đồ SCADA trạm/nhà máy điện

Đây là một trung tâm máy tính điều khiển mà tác động trực tiếp đến chất lượng trong lưới điện vì đây là một nơi mà các tác động điều khiển trực tiếp

Thiết bị nhất thứ: Máy cắt

SAS/DCS PLC, RTU

tác động vào hệ thống điện Lưới điện có thể ổn định và bền vững hay không phụ thuộc rất nhiều các trung tâm SCADA trạm này Nhiệm vụ của SCADA trạm như sau:

+ Thao tác điều khiển lên các thiết bị của hệ thống, các máy biến áp… + Thu thập và giám sát các thông số về hệ thống

+ Điều khiển đóng/cắt nhằm bảo vệ hệ thống trong trường hợp lưới gặp

sự cố như quá tải, chạm chập…

+ Đưa các dữ liệu về báo cáo với SCADA cấp trên phục vụ cho việc phân tích, đánh giá hệ thống khi cần khắc phục sự cố hay nâng cấp hệ thống

Các thành phần SCADA trạm/nhà máy:

+ Hệ thống máy tính chủ: Gồm các máy tính chủ có chức năng kết nối với các IED, nhận lệnh điều khiển từ HMI, Gateway và các ứng dụng lưu trữ

dữ liệu Phần mềm máy tính chủ sử dụng giao thức IEC 61850, IEC

60870-5-104 Một số hãng sản xuất phần mềm: Matrikon, KalkiTech, Triangle Micro Works…

+ Hệ thống HMI: Cung cấp giao diện người/máy

+ Hệ thống Gateway: Kết nối DCS với hệ thống SCADA của Trung tâm Điều độ, sử dụng giao thức IEC 61870-5-101 Một số hãng sản xuất phần mềm: Matrikon, KalkiTech, Triangle Micro Works…

+ Hệ thống mạng LAN: Star, Ring, Redundant, Optical Cable

+ Các thiết bị IED … kết nối giữa thiết bị nhất thứ với hệ thống máy tính thông qua các giao thức IEC 60870-5-103, MODBUS

CHƯƠNG 2 GIAO THỨC IEC 870-5-101

Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát

và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp (SCADA) Hệ thống được phân cấp thành nhiều phân hệ và các trung tâm điều khiển với nhiều cấp

độ khác nhau Chương 2 sẽ từng bước tìm hiểu và nghiên cứu giao thức IEC 870-5-101 là một tiêu chuẩn Quốc tế kết nối các phân hệ với trung tâm điều khiển

+ IEC 870-5-1:Transmission Frame Formats (Định dạng khung truyền) + IEC 870-5-2: Data Link Transmission Services (Dịch vụ truyền dẫn kết nối dữ liệu)

+ IEC 870-5-3: General Structure Of Application Data (Tổng quan cơ cấu tổ chức của dữ liệu ứng dụng)

+ IEC 870-5-4: Definition And Coding Of Information Elements (Định nghĩa và mã hóa các yếu tố thông tin)

+ IEC 870-5-5: Basic Application Functions (Chức năng ứng dụng cơ bản)

IEC 60870-5-101 chủ yếu được sử dụng với phương tiện truyền thông truyền tải chậm tương đối trên giao diện V.24 không đồng bộ với tốc độ truyền lên đến 9600 bit/s

Ngoài các chức năng giao thức chuẩn, IEC 870-5-101 cũng cho phép mở rộng tích hợp giữa các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau với khả năng đàn hồi của lớp liên kết và lớp ứng dụng có cấu trúc đơn giản

Hiện nay ở Việt Nam IEC 870-5-101 được Tập đoàn điện lực chọn làm chuẩn giao thức kết nối hệ thống Scada trong toàn ngành Ngoài ra một số dự

án MiniScada của một số ngành công nghiệp chế biến, hóa dầu cũng sử dụng giao thức IEC 870-5-101 làm chuẩn kết nối

2.2 Cấu trúc giao thức

2.2.1 Thông tin truyền thông

Thông tin được truyền từ các thiết bị điều khiển với máy tính dựa trên các quy tắc giao tiếp Thiết lập các đường truyền bit và byte của tín hiệu nhị phân thông qua mô hình mã hóa dữ liệu Có thể hiểu một cách đơn giản, giao thức là một tập hợp các quy tắc chi phối các thông điệp có chứa dữ liệu và thông tin điều khiển thu thập tại một nguồn để truyền trên mạng và sau đó bỏ qua khi chúng đạt đến đích (đã được xử lý và lưu trữ)

2.2.2 Một số định nghĩa

- Controlling Station: Trạm điều khiển hoạt động toàn bộ hệ thống

- Controlled Station: Các trạm cấp dưới hoặc thiết bị thu thập số liệu

- Unbalanced Mode: Là chế độ hoạt động không cân bằng

“Master-Slave”, chỉ có Controlling Station khởi đầu một phiên truyền nhận

- Balanced Mode: Là chế độ hoạt động cân bằng “Master-Master” mà tất

cả các trạm đều có thể khởi đầu một phiên truyền nhận

Trong thực tế chế độ Master-Slave thường được ứng dụng, mặt khác do hạn chế về thời gian, luận văn chỉ phân tích sâu ở chế độ này

2.2.3 Đặc tả về cấu trúc

Hầu hết các tiêu chuẩn sử dụng mô hình lớp Stack (ngăn xếp) để phát triển chi tiết kỹ thuật giao thức với mỗi lớp thực hiện một số chức năng và dịch vụ cụ thể IEC 870-5-101 sử dụng 3 lớp của mô hình OSI nhằm cung cấp một cơ chế đơn giản cho dữ liệu truyền thông

V.24/ITU-T V.28 Việc sử dụng các yêu cầu tín hiệu giao diện phụ thuộc vào

chế độ hoạt động của các kênh truyền dẫn được sử dụng

Data Link Layer (Lớp liên kết): Cung cấp các thủ tục truyền thông, sử

dụng trường điều khiển và trường địa chỉ có khả năng mang theo các ASDUs

(Application Service Data Units)

Liên kết giữa các trạm có thể được thực hiện theo chế độ truyền thông cân bằng và không cân bằng Nếu sự liên kết giữa trạm điều khiển trung tâm

và các trạm khác chia sẻ cùng một đường truyền thì chế độ hoạt động phải là chế độ không cân bằng

Application Layer (Lớp ứng dụng): Lớp ứng dụng có chứa một số

chức năng liên quan đến việc truyền tải các đơn vị dữ liệu (ASDUs) giữa

nguồn và đích ASDU thực chất là 1 frame có chứa số liệu hay lệnh điều khiển

2.3 Các đặc tả về truyền thông

2.3.1 Cấu hình mạng

Point to point Multiple point-to-point Party line Redundant line

Hình 2.2 - Các dạng cấu hình mạng của giao thức IEC 870-5-101

Controlling station

Controlled station

Controlled station

Controlled station

Controlled station

Controlled station

+ Controlling station: Trạm điều khiển hoạt động

+ Controlled station: Các trạm cấp dưới hoặc thiết bị thu thập số liệu + Point - to - point: §iÓm - điểm

+ Multiple point - to - point: Điểm - đa điểm

+ Party line: Một số trạm sử dụng kênh truyền chung

+ Redundant line: Kênh dự phòng

2.3.2 Định dạng giao thức

IEC 870-5-101 quy định khung định dạng kiểu FT 1.2

Character format: 1 Start bit, 1 Stop bit, 1 Parity bit (even), 8 Data bits Stop

- Đường truyền rỗi là mức nhị phân 1

- Mỗi kí tự có Start bit (binary = 0), 8 bit thông tin, 1 Parity bit (chẵn) và

1 Stop bit (binary = 1)

- Không được có khoảng thời gian rỗi trên đường truyền giữa các byte trong cùng một frame

- Xác định lỗi khi khoảng thời gian giữa các frame lơn hơn 33 bit (3 byte)

- Các byte dữ liệu được kết thúc bởi 8 bits checksum (CS) Checksum được thực hiện trên toàn bộ các byte mang dữ liệu

- Phía nhận thực hiện kiểm tra

- Đối với mỗi byte, các bít không mang tin là: Bit start, bit stop và parity bit

- Đối với mỗi frame gồm: Start byte (độ dài 2 bytes trong frame có độ dài không cố định), Check sum của frame và End byte

2.4 Định dạng Frame truyền tin

2.4.1 Frame tiêu chuẩn