Tài liệu DAQ Chương Chương TỔNG QUAN VỀ SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION) Giới thiệu SCADA hệ thống cho phép người điều hành giám sát điều khiển trình phân bố nơi xa Có nhiều q trình sử dụng hệ thống SCADA như: thủy điện, khâu xử lý phân phối nước, khí tự nhiên, v.v…Các hệ thống SCADA cho phép nơi xa liên lạc với phương tiện điều khiển cung cấp liệu điều khiển cần thiết cho trình điều khiển Khi khoảng cách đến nơi xa tăng khó truy cập hơn, SCADA trở thành chọn tốt cho người điều hành để điều chỉnh quan sát Khoảng cách xa hai yếu tố để cài đặt hệ thống SCADA Các hệ thống SCADA đại có nhiều đặc tính tiên tiến như: kiến trúc phân bố, sở liệu phân bố, giao tiếp đồ họa với người sử dụng (GUI = Graphic User Interface), đơn vị đo lường từ xa thông minh v.v… Hệ SCADA thường dùng để tất hệ thống máy tính thiết kế để thực chức sau: - Thu thập liệu từ thiết bị công nghiệp cảm biến / chuyển đổi lượng Xử lý thực phép tính liệu thu thập Hiển thị liệu thu thập liệu xử lý Nhận lệnh từ người điều hành thực gởi lệnh điều khiển đến thiết bị Xử lý lệnh điều khiển tự động tay lúc tin cậy Các hệ thống gọi tên khác tình công nghệ khác như: DAC (Data Acquition and Control = Điều khiển thu thập liệu), DCS (Distributed Control Systems = Các hệ thống điều khiển phân bố), … Tất hệ thống thực chức Tùy theo ứng dụng cụ thể, đặc điểm sau dùng để phân biệt hệ thống: - Vị trí phân bố nguồn liệu công nghiệp Lượng liệu thu thập Tốc độ thu thập liệu Mức độ tự động lệnh điều khiển Kiểu tính tốn vị trí mà tác động điều khiển thực Hệ thống SCADA có phần tử chính: người điều hành (operator), phần tử thiết bị đầu cuối MTU (Master Terminal Unit), truyền thông liên lạc phần tử thiết bị đầu Trang 107 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương cuối xa RTU (Remote Terminal Unit) Người điều hành thực điều khiển qua thơng tin mơ tả khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit) Phần nhập hệ thông thường xuất phát từ người điều hành qua bàn phím MTU Thông tin từ nơi xa MTU giám sát hiển thị thông tin cho người điều hành MTU (Master Terminal Unit) Outputs to Other Devices Inputs from RTU MTU Outputs to RTU Inputs from Operator Hình 4.1: Các phần nhập xuất MTU Trung tâm hệ thống MTU Nhiệm vụ MTU khởi động tất công việc: truyền thông liên lạc, thu thập liệu, lưu trữ thông tin, gửi thông tin đến hệ thống khác, giao tiếp với người điều hành Sự khác biệt MTU RTU MTU khởi động ảo tất truyền thơng lập trình người Hầu hết tất truyền thông thực MTU MTU liên lạc với thiết bị ngoại vi khác như: monitor, máy in hệ thống thông tin khác Thành phần giao tiếp với người điều hành monitor mà hiển thị valve, bơm, … Khi liệu đến thay đổi hình cập nhật RTU (Remote Terminal Unit): RTU thu thập thông tin xa từ nhiều thiết bị nhập valve, bơm, báo động (alarm), đồng hồ đo (meter)… Chủ yếu liệu dạng analog, digital (on/off), liệu xung (như đếm số vòng xung meter) Nhiều RTU giữ thông tin thu thập nhớ đợi yêu cầu từ MTU để truyền liệu Các RTU đại có máy vi tính PLCs điều khiển trực tiếp qua địa điểm từ xa không cần định hướng MTU Trang 108 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Outputs to Field Devices Inputs from MTU RTU Outputs to MTU Inputs from Field Devices Hình 4.2: Các phần nhập xuất RTU CPU RTU nhận luồng liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức mở rộng TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) giao thức riêng Những luồng liệu tổng quát chứa thông tin tổ chức theo mơ hình lớp ISO/OSI Mơ hình OSI sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với giao thức, truyền thông liệu RTU nhận thơng tin nhờ vào mã nhận dạng liệu truyền Dữ liệu diễn dịch CPU điều khiển tác động thích hợp chỗ Các đặc tính hệ thống SCADA 2.1 Kiến trúc hệ thống Hiện hệ SCADA hệ xây dựng theo kiến trúc phân tán, máy chủ phân bố số xử lý nối với mạng nội (LAN) Trong xử lý có trách nhiệm định : thu thập xử lý, tạo hiển thị, thiết lập báo cáo, … số xử lý dùng để dự phòng Nhờ vào cơng nghệ diện rộng (WAN), hệ thống SCADA phân tán miền địa lý rộng Hệ thống thiết kế theo hệ thống mở cấu server client Trang 109 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Kiến trúc tiêu biểu hệ SCADA phân tán: IOS HDC HMI GW APPS Hình 4.3: Kiến trúc tiêu biểu hệ SCADA phân bố IOS: Data Input/Output Modules HMI: Human Machine Interface Module HDC: Historical Data Collection and Storage Module GW: Gateway for inter LAN communications APPS: Application Calculations and Processing Module 2.2 Các đặc tính hệ thống Các hệ thống SCADA có đặc tính sau: - Đồ họa hồn tồn q trình giám sát điều khiển Có hệ thống lưu trữ liệu (History) hiển thị đồ thị q trình, có khả hiển thị đa tín hiệu Hệ thống cảnh báo ghi nhận kiện (Alarm/ Event System) Hỗ trợ chuẩn truyền thông nối tiếp, song song giao thức TCP/IP Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp Hỗ trợ chuẩn giao diện OPC, OLE/DB giao diện cơng nghiệp khác Khả tích hợp tín hiệu Video động Khả đồng thời gian với hệ thống Server Client 2.3 Đặc điểm giao tiếp người máy SCADA trang bị VDU (Visual Display Unit = Đơn vị hiển thị) đầy đủ đồ họa có kèm mouse, trackball, joystick bàn phím Các nút điều khiển nối cứng thay biểu tượng hình tác động chuột hay bàn phím Các phương tiện giúp cho người điều hành: - Trang 110 Nhanh chóng hốn đổi hình hiển thị Nhanh chóng xem chi tiết thơng tin GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Tạo sửa đổi hình hiển thị trực tiếp hệ thống - Có hiệu ứng đặc biệt để tăng khả phân biệt rõ liệu (ví dụ màu khác cho lô khác đường ống dẫn dầu) Với VDU hoạt động môi trường Windows hay X-Windows, người điều hành có thể: Xem VDU nhiều mảng thơng tin trải nhiều hình hiển thị Trên hình, truy cập liệu nằm rải rác theo vùng liệu thuộc sở liệu khác - Do đó, phương tiện HMI đại cho phép người điều hành truy cập số lượng thông tin lớn dễ nhanh Về RTU, khơng thiết bị thụ động mà chúng làm nhiệm vụ thu thập lưu giữ liệu vùng Nhiều mức xử lý liệu điều khiển thực RTU Nhiều loại thiết bị nối vào RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết bị lấy chuẩn bin hay bồn chứa… Các RTU kết nối theo kiểu phân bố kiểu phân cấp Dữ liệu RTU xử lý trạm chủ Về sở liệu, liệu lưu trữ không liệu đo đạc từ xa tính tốn mà thơng số bảo vệ, kiện, mẫu tin cảnh báo Do tính chất phân bố SCADA nên sở liệu phân bố Cơ sở liệu liên hệ với hệ thống quản trị thơng tin (Managerment Information System) hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) Ngoài ra, liệu bảo mật password Nguyên tắc hoạt động hệ thống SCADA Hệ thống SCADA hoạt động dựa nguyên tắc lấy tín từ cấu cảm biến gắn thiết bị công tác dây chuyền sản xuất gửi cho máy tính Máy tính xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt động hệ thống, yêu cầu kỹ thuật sản phẩm cài sẵn nhớ Đồng thời, máy tính hiển thị lại thông tin kỹ thuật hệ thống hình, cho phép tự động giám sát điều khiển hệ thống phát tín hiệu điều khiển đến máy cơng tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực chức giám sát điều khiển) Việc điều khiển giám sát bao hàm hai ý nghĩa : - Con người theo dõi điều khiển Máy tính giám sát điều khiển Đối với hệ thống sản xuất tự động trước đây, việc kiểm tra giám sát hoàn toàn người đảm trách So với máy tính, tốc độ xử lý tính tốn người chậm dễ nhầm lẫn Việc tính tốn điều khiển máy tính tránh hậu Những sai sót nhỏ, đơn giản thường xuyên gặp phải máy tính giám sát xử lý Trang 111 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương theo chương trình đặt sẵn Đối với cố lớn máy tính báo cho người theo dõi biết tạm dừng hoạt động hệ thống để chờ định người điều hành Vì vậy, bên cạnh khả hoạt động tồn hệ thống theo chương trình định trước, hệ SCADA cho phép người vận hành quan sát trạng thái làm việc thiết bị trạm sở, đưa cảnh báo, báo động hệ thống có cố thực lệnh điều khiển can thiệp vào hoạt động hệ thống có tình bất thường hay có cố Chức nhiệm vụ hệ thống SCADA 4.1 Giám sát phân tích hoạt động sản xuất Ngay nhận biết thông tin hoạt động hệ thống từ phận cảm biến gửi về, máy tính phân tích tín hiệu so sánh với tín hiệu chuẩn, với tín hiệu yêu cầu từ tập tin cấu hình hoạt động hệ thống sản xuất, hay bảng sở liệu sản phẩm, quy trình sản xuất, thơng số cơng nghệ máy công tác(dữ liệu tham khảo) Nhờ phận cảm biến, thiết bị đo lường mà q trình sản xuất ln thơng báo cho người giám sát biết thơng tin tiến trình hoạt động sản xuất, thông số kỹ thuật ,số lượng sản phẩm Việc giám sát bao hàm hai ý nghĩa: - Máy tính giám sát Con người giám sát Việc theo dõi giám sát chủ yếu máy tính, người đóng vai trò phụ, chuyên theo dõi biến cố lớn nguy hiểm đến hệ thống sản xuất Những trục trặc nhỏ hay sai lệch thường xuyên gặp phải máy tính sửa chữa theo chương trình cài sẵn 4.2 Hoạt động theo chương trình điều khiển Ngồi chức truyền thống so sánh để điều khiển cấu tác động, ta cho hệ thống hoạt động theo chương trình lập từ trước Nhờ có vi xử lý ta lập trình cho hệ thống hoạt động theo chu trình phức tạp, máy tính đọc chương trình xuất tín hiệu điều khiển cho cấu hoạt động theo chương trình Việc thay đổi chu trình hoạt động máy tính hay thay đổi kích thước mẫu mã sản phẩm việc thay đổi chương trình Mẫu mã, kích thước vẽ máy tính phần mềm chuyên dụng (Cimatron, Pro Engineer ) máy tính dịch lại theo mã máy máy điều khiển số (NC,CNC) hiểu 4.3 Kiểm tra đảm bảo chất lượng Nhờ thiết bị cảm ứng, thiết bị đo lường gắn máy mà ta đo, kiểm tra sản phẩm, loại bỏ phế phẩm từ nguyên nhân hỏng, nhờ mà chất lượng sản xuất nâng cao giảm bớt chi phí sản xuất; kịp thời phát hiện, báo động biến cố xảy Trang 112 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương 4.4 Quản lý q trình sản xuất Các thơng tin hệ thống sản xuất truyền cho máy tính giám sát thống kê, tổng kết q trình sản xuất: số lượng sản phẩm, số lượng nguyên vật liệu tồn trữ, giúp người quản lý định Đặt biệt khả liên kết động (DDE Dynamic Data Exchange) cho phép thông tin kết nối, trao đổi sở liệu với hệ thống SCADA tương tự khác theo chuẩn TCP/IP Điều cho phép hệ thống truy xuất liệu xuất tín hiệu điều khiển lẫn Hệ thống SCADA có khả liên kết với hệ thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc / ghi theo sở liệu chuẩn ODBC Oracle, Access, Microsoft SQL… Phân loại hệ thống SCADA Có nhiều loại hệ thống SCADA khác chúng chia làm nhóm với tính sau : - SCADA độc lập / SCADA nối mạng - SCADA khơng có chức đồ hoạ (Blind) / SCADA có khả xử lý đồ hoạ thơng tin thời gian thực Hệ thống SCADA mù (Blind) Là hệ thống thu nhận, xử lý liệu thu hình ảnh đồ thị Do khơng có phận giám sát nên hệ thống đơn giản giá thành thấp Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực Là hệ thống giám sát thu nhận liệu có khả mơ tiến trình hoạt động hệ thống sản xuất nhờ tập tin cấu hình máy khai báo trước Tập tin cấu hình ghi lại khả hoạt động hệ thống, giới hạn không gian hoạt động, giới hạn khả năng, công suất làm việc máy Nhờ biết trước khả hoạt động hệ thống sản xuất mà có tín hiệu vượt tải hay có vấn đề đột ngột phát sinh, hệ thống báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp vào tín hiệu vượt mức cho phép hệ thống cho máy công tác ngưng hoạt động Hệ thống SCADA độc lập Là hệ thống giám sát thu nhận liệu với xử lý, thông thường loại hệ thống SCADA điều khiển hai máy cơng cụ (workcell) Do khả điều khiển máy công tác nên hệ thống sản xuất đáp ứng cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên dây chuyền sản xuất lớn Hệ thống SCADA mạng Là hệ thống giám sát thu nhận liệu với nhiều xử lý có nhiều phận giám sát kết nối với thông qua mạng Hệ thống cho phép điều khiển phối hợp nhiều máy cơng tác nhiều nhóm workcell tạo nên dây chuyền sản xuất tự động Đồng thời hệ thống kết nối tới nơi quản lý – nơi định sản Trang 113 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương xuất hay trực tiếp sản xuất theo yêu cầu khách hàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế Do kết nối mạng nên điều khiển từ xa thiết bị công tác mà điều kiện nguy hiểm (như làm việc nơi có mơi trường phóng xạ, nơi có từ trường mạnh …) khơng cho phép người đến gần Tiêu chuẩn đánh giá Mục đích việc đánh giá lựa chọn người thiết kế hệ thống tìm giải pháp tốt nhất, mà giải pháp đủ thoả mãn nhu cầu mặt kỹ thuật với giá thành hợp lý, phạm vi ngân sách cho phép Để đánh giá giải pháp SCADA, ta cần đặc biệt ý đến yếu tố sau: - - - Khả hỗ trợ công cụ phần mềm việc thực hình giao diện, chất lượng thành phần đồ hoạ có sẵn Khả truy cập cách thức kết nối liệu từ trình kỹ thuật (trực tiếp từ cấu chấp hành, cảm biến, module vào / ra, qua thiết bị điều khiển khả trình PLC hay hệ thống bus trường) Tính mở rộng hệ thống Khả hỗ trợ xây dựng chức trao đổi tin tức (Messaging), xử lý kiện cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) lập báo cáo (Reporting) Tính thời gian, hiệu suất trao đổi thông tin Giá thành hệ thống phần mềm bao gồm cơng cụ phát triển (Development Tool), chương trình chạy (Runtime Engine), tài liệu sử dụng, công đào tạo dịch vụ hỗ trợ, bảo trì Tạo dựng ứng dụng SCADA tối thiểu đòi hỏi hai phần việc chính: xây dựng hình hiển thị thiết lập mối quan hệ hình ảnh hình với biến q trình Như vậy, cơng việc tạo dựng ứng dụng SCADA nguyên tắc phức tạp nhiều so với việc lập trình giao diện đồ hoạ ứng dụng thơng thường Có hai phương pháp để tạo dựng: Phương pháp thứ sử dụng cơng cụ lập trình phổ thơng Visual C++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi người lập trình phải tự làm từ đầu, giống việc phát triển ứng dụng thơng thường Khơng kể đến việc phải lập trình để kết nối liệu qua cổng truyền thông, cơng việc lập trình đồ họa có công cụ hỗ trợ mạnh gặp nhiều khó khăn Thứ phương pháp đòi hỏi mức kiến thức lập trình cao người lập trình Thứ hai, việc lập trình biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ thường dùng kỹ thuật đòi hỏi nhiều công sức Để giải vấn đề này, ta sử dụng thư viện phần mềm dạng thư viện lớp (class library) hay thư viện thành phần (component library) có sẵn Đặc biệt, việc sử dụng thư viện thành phần ActiveX hay JavaBeans nâng cao hiệu suất lập trình cách đáng kể Tuy nhiên trường hợp phải biên dịch lại tồn ứng dụng Do đó, phương pháp lập trình nên sử dụng ứng dụng quy mơ nhỏ có u cầu phải thay đổi Trang 114 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Phương pháp thứ hai sử dụng cơng cụ phần mềm chun dụng (ví dụ FIX, InTouch,WinCC,Lookout,…), gọi tắt phần mềm SCADA Các công cụ có chứa thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện người –máy phần mềm kết nối với thiết bị cung cấp liệu thông dụng Nhiều công cụ định nghĩa ngôn ngữ riêng (thường gọi script) phục vụ mục đích , nhiên độ phức tạp chúng khác Gần nay, xu hướng đơn giản hoá việc tạo dựng ứng dụng SCADA thể kết hợp phương pháp lập trình hiển thị với sử dụng ngôn ngữ script thông dụng Visual Basic for Application(VBA) VBScript, tương tự việc soạn thảo văn Một số cơng cụ xa nữa, cho phép ta sử dụng biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa để xây dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn liên quan logic thành phần chương trình dạng biểu đồ khối chức (FBD) quen thuộc, khơng cần tới dòng lệnh kể script Người ta nói đến khái niệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình (programming) Trang 115 GV: Phạm Hùng Kim Khánh ...Tài liệu DAQ Chương cuối xa RTU (Remote Terminal Unit) Người điều hành thực điều khiển qua thơng tin mơ tả... trực tiếp qua địa điểm từ xa không cần định hướng MTU Trang 108 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Outputs to Field Devices Inputs from MTU RTU Outputs to MTU Inputs from Field Devices... Hệ thống thiết kế theo hệ thống mở cấu server client Trang 109 GV: Phạm Hùng Kim Khánh Tài liệu DAQ Chương Kiến trúc tiêu biểu hệ SCADA phân tán: IOS HDC HMI GW APPS Hình 4.3: Kiến trúc tiêu biểu