ứng dụng hệ điều hành thời gian thực RTOS để xây dựng thiết bị thu thập dữ liệu đầu cuối RTU trong hệ thống điện

HỖ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG HỆ | DIEU HÀNH THỜI GIAN THUC RTOS ĐỂ XÂY DỰNG THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIEU ĐẦU CUỐI RTU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Đơn vị th

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỖ CHÍ MINH

SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG HỆ | DIEU HÀNH THỜI GIAN THUC (RTOS) ĐỂ

XÂY DỰNG THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIEU ĐẦU CUỐI (RTU)

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Đơn vị thực hiện:

'VIỆN CÔNG NGHỆ THONG TIN

TRUNG TAM KHOA HỌC KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Chủ nhiệm đề tài: TS Tô Tuấn

Dé tai:

“UNG DUNG HE DIEU HANH THOI GIAN THUC (RTOS) DE

XÂY DỰNG THIẾT BI THU THẬP DỮ LIỆU ĐẦU CUỐI (RTU)

Các hệ điều hành thời gian Tực phổ biến

Hệ điều hành Linux thoi gian thực

Các công cụ phát trién trén Linux

Cức thông xố cơ bên hệ điêu hành thồi gian thực „

.Mô-đụn chương trình trên RTU-Limee

2 Lua chon phén cứng RTU

3 Hệ điền hành RTU-L

4 Chương trình điêu khiển trên RTU

Chương trình chính mơ ta RTU

Chương trink RTU Monitor

Thiết kế cơ sở dữ liệu

levice driver su

nối mạng thiết bị

1 Cấu hình để kiểm tra hoạt động RTU-Linu

2 Chương trình giám sát RTU tại trạm

3 Kết quả kiểm tra RTU

Chương 6

KẾT LUẬN

1 Đánh giá kết quả đạt được,

2 Hướng triển khai ứng dụng đề tài

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Gidi thiệu chừng

Hiện nay xu hướng sử đụng các phần mềm mã nguồn mở đang lan rộng khắp các

lĩnh vực trong CNTT, Điều khiển tự động và Viễn Thông Dẫn đầu là hệ

Có những công ty chuyên nghiên cứu các giải pháp công nghệ thông tin trên các HĐH thời gian thực như Lynx, Wind-River VxWork, RedHat (RedBoot), QNX,

Hệ điểu hành thời gian thực đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điểu

khiển công nghiệp PLC, các bộ định tuyến Router, các tổng đài, hệ thống dẫn đường, các

bộ Settop Box Vi y dựng mã nguồn mở cho phép nhà tích hợp có thể đễ đàng sửa các lỗi hệ thống, cập nhật các điểu khiển thiết bị mới nhất và tãng cường bảo mật Đã có

nhiều ứng dụng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đời sống: chó Robot Aibo của Sony; Router của Intel, HP; các PDA của Samsung, Sharp; Bộ Sony PlayStation2 Thi trường các ứng dụng trên toàn thế giới chủ yếu do các hệ thống Linux nắm giữ: Các tính năng ngày càng hoàn thiện, đáp ứng yêu cầu của thị trường ngày càng lớn

Các ứng dụng về điêu khiển tự động càng gia tăng khi đất nước bắt đầu quá trình

công nghiệp hoá hiện đại hoá, chủ yếu xây dựng trên nên phẩn mềm và phẩn cứng của

nước ngoài Có hệ Linux Việt hoá do Tổng công ty Điện tử tin học, Công ty CMC và

nhóm VietKey Group thực hiện Chúng ta hiện nay phụ thuộc hoàn toàn vào nước ngoài

về hệ thống điều khiển công nghiệp, quân sự, do đó không phát huy dược tiểm nang chất

2.- Như cầu thực hiệu để tài

Ngành điện Việt Nam (EVN) ngày càng phát triển về nguồn và lưới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nên kinh tế quốc dân, cùng với sự phát triển đồng bộ cả về nguồn và lưới EVN đặc biệt chú trọng đến việc nâng cao độ tin cậy, chất lượng của hệ

thống, điều hành tối ưu và hàng loạt các dự án về trang bị hệ thống SCADA/EMS cho các

trung tâm điều độ hệ thống điện đã được triển khai

Một hệ thống SCADA/EMS phải thống thu thập dữ liệu tho thời gian thực,

được xây dựng theo nguyên tắc hệ thống mở và bao giờ cũng phải có các thành phần chủ thiết bị thu thập dữ liệu đầu cuối - RTU (Remotc Tcrminal UniU; các đường truyền

đường dây điện thoại bưu điện tại các trung tâm điều độ (Servers)

(Telecommunication Links) và hệ thống máy tinh cl

Khi các hệ thống SCADA/EMS đi vào hoại động thì việc thu thập, giám sát và điều khiển dữ liệu đối với các trạm biến áp là cẩn thiết và nhất thiết phải trang bị mới các

thiết bị RTU Cho đến nay, các thiết bị RTU vẫn phải nhập ngoại với kinh phí rất lớn Do vậy, đã đến lúc cẩn phải nghiên cứu, chế tạo thiết bị RTU để từng bước thay thế hàng nhập ngoại và để làm chủ công nghệ trong vận bành hệ thống

«— Nghiên cứu va đánh giá các hệ điều hành thời gian thực

© Lua chon và phát triển một hệ điều hành thời gian thực để ứng dựng

+ — Lựa chọn phẩn cứng RTU

«— Chương trình ứng dụng trên hệ điều hành thời gian thực cho RTU

«— Mô phỏng và kiểm tra hoạt động RTU

4 Nội dụng thực hiện

© Thu thdp va đánh giá một số hệ điều hành thời gian thực

© Phân tích yêu câu hệ điều hành Reul-Tùme Linux cho RTU

©— Xây dựng chương trình điễu hành RTU-Linux

«— Tích hợp các gói chương trình vào RTU

© Kiểm tra RTU-Linux với Simulators trong phòng thí nghiệm

“Tính năng chính RTU-Linux như sau:

® — Hệ điều hành: TimeSys Linux 4.0/GPL

«` Liên lạc: Tích hợp giao thite IEC-870/5-101

© Dit ligu: MySQL database

© Giao tiếp với SCADA/EMS/Lacal qua RS-232

©— Xử lý đữ liệu: Digital/Analog inputs

công nghiệp, dân dụng phổ thông Có thể kể đến các hệ chuyển mạch gói của CISCO,

chuyển mạch đường PABX của Lucent Nói chung các hệ thống hay thiết bị chuyên dụng, đều là các hệ thờ

gian thực

hệ thống điều khiển, thu thập số liệu cần phải có tính Hard Real-Time, toàn

bộ tín hiệu đầu vào đều phải được ghi nhận và xử lý Đặc điểm hệ thống này là ít dịch vụ,

đơn giản tối đa và rất chuyên dụng

Các hệ thống dân dụng như Multimedia, Set-top box, I/P Switching thường chỉ yêu

cầu Soft Real-Time vì bệ thống cho phép độ trễ và chấp nhận mất dữ liệu, do đó làm giảm Qo§ của hệ thống Lý do là các ứng dụng loại này có rất nhiều dịch vụ do đó hộ

thống quá phức tạp để có thể triển khai Hard Real-Time

Như vậy, RTU và hệ thống SCADA là hệ đòi hỏi Hard Real-Time Do đó các hệ

này nên được thiết kế càng đơn giản càng tốt

Các hệ điều hành thời gian thực phổ biến

Hệ RTOS phổ biến nhất là VxWorks Đã được dùng trong điều khiển robot, điều khiển quá trình, máy bay, viỄn thông, thiết bị y khoa, CNC hay các ứng dụng mô phỏng cao cấp Hệ phát triển là Tornado có giao diện GUI dễ dùng, mạng TCP/UDP VxWorks

hỗ trợ nhiều nền tảng phần cứng khác nhau: PowerPC, INTEL, Motorola 68K, ARM,

StrongARM

Microsoft Windows CE.NET đo Microsoft phát triển, dễ dùng, có GUI quen thuộc tuy

nhiên khó can thiệp sâu vào hệ thống cũng như không tương thích POSIX do đó chỉ dùng

trong các sản phẩm tiêu đùng, ít đùng trong công nghiệp

QNX & Lynx: cũng khá phổ biến trong công nghiệp trong các lĩnh vực chuyên sâu như

quân sự, ra-đa, thiết bị y tế chất lượng cao, thiết bị viễn thông cao cấp, RTU

Các hệ RTOS hiện nay khá tốt và chuyên dụng, dễ sử dụng, hỗ trợ nhiều loại vi

xử lý Tuy nhiên giá các hệ chuyên dụng cho công nghiệp khá đất, thông thường khoảng trên đưới 100.000 USD cho một hệ phát triển trung bình, vài trăm ngàn cho những hệ thống công nghiệp lớn Nếu dùng cho các ứng dụng viễn thông hay quân sự thì rất đất

"áo cáo tổng kối để tài: Ứng dụng RT-Linux để nghiên cứu chế ạo RTU cho ngành Điện 5

Hệ điều hành Linux thời gian thực

Do nhu cầu phát triển các ứng dụng Real-Time trên Linux đã có các nghiên cứu

về RT-Linux tại các trường đại học lớn, sau đó được các công ty chuyên về Linux cung

cấp Hiện nay, các hệ RT-Linux chiếm lĩnh thị trường đân dụng cũng như công nghiệp

ngày càng nhiêu do chỉ phí thấp, tin cậy, dễ bảo trì và làm chủ được mã nguồn Các ứng

dụng công nghiệp, quân sự, viễn thông có xu hướng chuyển sang RT-Linux thay cho các

Monta Vista Linux: Đang dẫn đầu thị trường với bộ GUI —

IDE Hỗ trợ các CPU: như X86/1A32, PowerPC,

StrongARM, Xscale, MIPS; SH, ARM

TimeSys Linux: Do truing dai hoc Carnegie Mellon phát

triển Hỗ trợ rat nhiéu loai CPU: PowerPC, X86, MIPS,

Xscale, Ultra SPARC, Super, StrongARM C6 b6 SDK va

Tools hoan thién

FSMLabs: RT-Linux - cung cấp RT-Linux bao gồm

Kernel va cic phiin mém kém theo MiniLinux la hé Linux

Lineo: Embedix Realtime — Linco có cong nghé Realtime

trên nên RTAI, thêm Kerncl và các Tool Industry's First COTS Linux Platform

for Telecommunications

Các công cụ phát triểu trêu Linux

Trên Linux có các công cụ phát triển miễn phí

ahv: QT, GCC, GDB Tuy nhiên các hệ RT-Linux đều có

các bộ SDK, IDE kèm theo nhưng giá thành khá cao do

bán số lượng chưa nhiều Các công cụ miễn phí dùng

cũng khá tốt và tin cậy, tuy nhiên chỉ nên đùng trong các

dự án nhỏ và đơn giản do thiếu môi trường tích hợp và

công cụ tự động hoá quy trình Các dự án lớn nên dùng hệ

phát triển IDE hay SDK để giảm công sức phát triển, có

sản phẩm tin cậy và đễ tìm lỗi chương trình hơn

Báo cáo tổng kết đê lài: Ứng dụng RT-Linuv để nghiên cứu chế tạo RTU cho ngành Điện 6

Tiêu chuẩn POSIX

Viện nghiên cứu IEEE đã phát triển các tiêu chuẩn cho UNIX, cung cấp các giao

tiếp mở cho hệ điều hành là POSIX (Portable Operating Systcm Interface) Tiêu chuẩn IEEE 1003.1-2001 là tập hợp của hai tiêu chuẩn POSIX.1 (Systems Intcfaco và Hcader)

và POSIX.2 (Shell va Utilities) Cùng lúc đó các nghiên cứu về chuẩn đáp ứng việc mỡ rộng Real-Time là IEEE 1003.Ib-1993 và IEEE 1003.1c-1995/1996 xác định các luỗông thời gian thực POSIX.4 là tiêu chuẩn ban đầu vẻ Real-Time IEEE 1003.1b-1993 được thay bằng IEEE- 1003 ld- 1999

| POSIX.I | 1003.1-2001 ‘Systems Interface va Header

|1003.1d-1999 — — Thay thé 1003.1b-1993

Linux được thiết kế là hệ điểu hành tuân theo chuẩn POSIX Linux hỗ trợ

POSIX.1 cho giao diện các lời gọi hệ thống và POSIX.Ic: Thread Extension, POSIX.2: Shell va Utilities Microsoft Windows không tương thích POSIX, do đó các ứng dụng Windows không chạy được trên Linux/Unix Các ứng dụng Unix đều chạy trên Linux Các

ứng dụng lớn trong công nghiệp đều chạy trên Unix do đó có thể chuyển sang dùng Linux

có thể bị mất do đó không thể dùng được Có nhiều phương pháp để đưa khả năng Rcal-

Time vào Linux

Các hệ Real-Time Linux đêu sửa Kernel của Linux để đạt được tính năng Hard

Real-Time cho Linux bing cach giảm thời gian trễ xử lý ngất (latcncy), độ lệch thời gian (iter) giữa các chu kỳ xử lý ngất trong khoảng vài micro giây, cho phép thời gian đáp ứng nhanh hơn và tăng độ phân giải thời gian Có những giải pháp như sau

MicroKernel:

Phương pháp này đưa thêm một lớp Real-Time Kernel nằm giữa Linux Kernel và phần

cing Lép Real-Time Kerncl này là một mã đơn thể nhỏ, gọi là Microkernel, cho phép

điều khiển các tác vụ và chạy Linux Kernel như là một tác vụ nễn Microkernel sẽ chặn

xử lý các ngất phần cứng và làm cho Linux Kernel không giành được xử lý ngắt trong Microkernel Microkernel còn định thì cho các tác vụ thời gian thực với độ ưu tiên cao

User Space

Real Tone RealTime Real Tine

Process Process Process

lo Sptem cats |seneesan: Process

Kernel Spaco mee ee

Micro Kernel

M6 hinh MicroKernel Linux

RT-Linux tại Đại học New Mexico được phát triển theo giải pháp Microkernel Victor Yodaiken là nhà phát triển công nghệ và đã có bằng sáng chế cho giải pháp này Hiện nay đã có RT-Linux 3.0 và tương thích hạn chế với POSIX Ngoài ra còn có dự án RTAI tại Đại học Milan, chủ yếu nghiên cứu các hàm API cho RT-Linux Hi¢n nay RTAL

thực hiện ngay trên Linux Kernel để cung cấp các timcr, tín hiệu, cờ hiệu, khóa bộ nhớ, định độ ưu tiên, các giao tiếp đồng bộ và không đồng bộ trong IEEE 1003- ld

Resource ¢ ) Standard Kernel Kernel Karnal Hooks

Ieterropls & Inservupts 8 Raw Data Raw Data

System Calls

ca)

Các dự án nghiên cứu:

© KURT: tại trường đại học Kansas (KANSAS Univcrsity Real-Time Linux) Ban đầu KURT hoàn toàn tương thích IEEE 1003.1đ, tuy nhiên do yêu cầu tăng độ phân giải thời gian, KURT không hoàn toàn tương thích IEEE 1003-1d nữa

o_ TimeSys Linux: đo trường đại học Carnegie Mellon phat triển ban đầu vào năm 1996 Hiện nay giải pháp đo công ty TimcSys Linux phát triển và phân phối TimeSys Linux cung cấp đầy đủ các công cụ phát triển và mã nguồn với ưu điểm là dùng POSIX API nên các ứng dụng Real-Time tương thích với Linux và Unix, có nhiều ứng dụng và điều khiển thiết bị Việc dò lỗi chương trình và điều khiển thiết bị không quá phức tạp

và khó khăn Tuy nhiên do có nhiều API, nên độ phân giải thời gian chỉ vào khoảng 50s

Báo cáo tổng kết đê tài: Ứng, dụng RT-Linux dé nghiên cứu chế tao RTU cho ngành Điện 9

Các thông số cơ bản hệ điều hành thời gian thực

Event Request Start of event service routine

Các sự kiện do phần cứng hay do hệ điều hành tạo ra Trong các ngất cứng, độ trễ

là thời gian từ khi nhận được tín hiệu cho đến khi thực hiện ngất cứng, do đó còn có độ trễ

am do bus tín hiệu Trong các ngắt mễm do hệ điều hành tạo ra, độ trễ là thời gian khi hệ

điểu hành tạo ra tín hiệu cho đến khi thực hiện các ngất tương ứng

Dao dong chu kỳ (periodic jitter)

penodic jitter periodic iter

Các hệ RTOS thương mại có nhiễu sản phẩm phẩn cứng hỗ trợ hơn các hệ RT-

Linux Tuy nhiên hiện có ngày càng nhiễu nhà sản xuất phần cứng hỗ trợ RT-Linux trong các sản phẩm của mình Với RT-Linux, các nhà phát triển có thể sửa mã nguồn để tối ưu hoá bằng cách chỉnh lại các xử lý ngất

Các hệ RT-Linux và RTAI có độ trễ khá nhỏ, tượng đương với các hệ thương mại,

khoảng vài us trên các CPU tốc độ vài im MHZ

Hệ điều hành | Tính năng Latency/Jitter

Standard OS: Windows, | No Real-time 100ms ~ 100ms

TimeSys, Monta Vista

Linux,RTAI

Bảng tính năng Real-Time một số hệ điều hành

Tiêu chuẩn lựa chọn RTOS

Lựa chọn một hệ RTOS để phát triển rất quan trọng vì nó ảnh hưởng rất nhiều

phát triển sản phẩm về sau Khi chọn RTOS phải cân nhắc các yếu tố như:

phí đầu tư: gôm chỉ phí mua phẩn mềm và chỉ phí bản quyền trên sản phẩm, tính cả các chỉ phí như đào tạo và triển khai công nghệ

« _ Hỗ trợ kỹ thuật: sự hỗ trợ từ phía nhà cung cấp hay cộng đồng nghiên cứu Sự hỗ trợ

từ các công ty chuyên về RTOS hay RT-Linux là tốt hơn các nhóm nghiên cứu

ø _ Công cụ phát triển và điều khiển thiết bị: nên chọn các hệ RT-Linux có các công cụ

phát triển hoàn thiện Các công ty chuyên về RTOS thường có sẵn các bộ SDK rất tốt

so với các bộ SDK trên RT-Linux tuy nhiên giá thành thường cao hơn nhiều Điều

khiển thiết bị tương đối khó viết, vì vậy nên chọn hệ RT-Linux hỗ trợ nhiều sản phẩm khác nhau để dễ chọn được giải pháp phù hợp yêu câu

Học New Mexico

4_ | Công cụ phát triển GUI, Event Analyzer, Data Monitor Tools:

Monta Vista Linux

Thanh lap ndm 1999 do James Fady chi tri, sáng lập viên của Hunter & Ready, cong ty đầu tiên về RTOS véi san phiimVRTX

Xscale, MIPS, SH, ARM

TT | Thông số [Tink nang

TimeSys Linux 4.0

“TimeSys Linux ngày càng được dùng rộng rãi trong công nghiệp, viễn thông, quân

sự và các thiết bị nhúng TỉmeSys có các tinh ning Soft Real-Time va Hard Real-Time, giúp cho việc viết các ứng dụng đòi hôi thời gian thực được đỗ dàng do tương thích hoàn toàn POSIX 1003-1d và có nhiều ứng dụng có sẵn Khả năng đáp ứng thời gian thực của TimeSys Linux đạt được nhờ các kỹ thuật:

Hệ điều hành có Kernel ưu tiên: Hệ điều hành có thể treo các luỗng hiện có để thực hiện yêu cầu của luồng có độ ưu tiên cao hơn

Quần lý mức ưu tiên: Hệ điều hành luôn thực biện luồng có độ ưu tiên cao hơn trước các luỗng khác

Quần lý mức ưu tiên ngắt: Hệ điểu bành cần phải xử lý ngắt để đạt được yêu cầu

về thời gian cho ứng dụng, trong khi các hệ điều hãnh thường chỉ có mức ưu tiên ngắt cố định

Thay đổi mức ưu tiên: Hệ điều hành ngăn các luỗng tu tiên thấp chặn các luồng

ưu tiên cao quá lâu Thay đổi mức ưu tiên giúp cho hệ đạt được tính năng Real-

Time qua các mức ưu tiên liên quan POSIX_PRIOR_INHERIT hay qua mức wan giành tru tiên POSIX_PRIOR_PROTECT

Clock và Timer phân giải cao: Hệ điều hành chỉnh các clock và timer phần cứng ở mức cao thay vì dùng các clock và timer phần mễm cố định trong Linux là 10 mili giây Do đó các ứng dụng thời gian thực có thể có các mức phân giải tới 50us, cao

hon nhiều so với Linux

Tính nding chinh cite TimeSys Linwx 4.0:

Linux Kernel 2.4

Độ trễ xử lý ngắt nhỏ nhất; S0 ps

C6 công cụ phát triển trên Linux, Windows

Hỗ trợ nhiều phần cứng khác nhau

“Thư viện các chức năng cần thiết

Hàm POSIX: các ứng dụng có thể giao tiếp với nhau

Hỗ trợ cho các hệ thống nhúng: boot từ đĩa Flash, bộ nhớ nhỏ

Thay đổi Soft-IRQ: hỗ trợ xử lý các ngắt mềm thông qua Scheduler mới

Môi trường phát triển Chuẩn Giao tiếp

Bao céo tổng kết đề tài: Ứng dụng RT-Linux để nghiên cứu chế tạo RTU cho ngành Điện

Liga chon hg RT-Linux

Thiết kế RT-Linnx/RTAI chuyên dùng cho các dự án nhỏ, đơn giản: robot, CNC,

thiết bị ghi số liệu tốc độ cao RT-Linux/RTAI đòi hỏi phải viết lại toàn bộ các API, điều

khiển thiết bị cho ứng dụng thời gian thực Các ứng dụng khác không tận dụng được khả năng Real-Time trong hệ điểu hành

Sử dụng Real-Time POSIX cho phép kỹ sư thiết kế các hệ thống thời gian thực lớn

với chỉ phí thấp, đầm bảo hệ thống hoạt động tin cây ngay cả khi bị quá tải Các chương trình không cẩn phải sửa đổi nhiu để tận dụng khả năng Real-Time Thue chat, TimeSys Linux là một tập hợp các thay đổi trong Linux Kernel để làm cho Linux Kernel có tính

năng thời gian thực,

Ứng dụng Real-Time POSIX trong thực tế:

Viễn thông: Trong các bộ chuyển mạch, các báo hỏng cẩn dược xử lý trước Tuy nhiên khi có sự cố liên tiếp, hệ thống vẫn phải bảo đảm công tác chuyển mạch được thực

hiện ngay cả khi có sự cố hồng hóc, các báo hỏng không được phép làm ngưng các dịch

vụ chuyển mạch của thiết bị

cảm biến: ra-đa, hệ thống cảnh giới và hiển thị kết quả lên màn hình điều khiển đỗ hoạ

X-Windows Do đó hệ thống phải bảo đầm các bộ phận chạy được độc lập và không sai

sót trong những điểu kiện khó khăn nhất,

Dẫn đường cho ôtô: Hệ thống dẫn dường cho ôtô phải xử lý liên tue tin hiệu vệ tỉnh, hiển thị thông số lên màn hình, giao tiếp với các cơ sở dữ liệu GIS khác Nhờ RTOS,

các chức năng này vẫn chạy chính xác và không bị sai số do các chương trình khác gây ra

Điều khiển công nghiệp: Các hệ điều khiển trong công nghiệp phải quần lý các cảm biến/ cơ cấu chấp hành, đồng thời quản lý các chức năng khác như quản lý kho hàng, báo cáo thống kê và các thông tủn kỹ thuật: thay đổi thông số, thay đổi cấu hình Hệ

thống phải tách các thông tin điều khiển thời gian thực như quản lý cầm biến/cơ cấu chấp hành ra khỏi các các chức năng quản lý, bảo đầm vận hành tin cậy

Hé Real-Time POSIX TimeSys cé méi trường phát triển hoàn thiện trên

Windows, Linux với giao diện đồ hoạ TimeStorm, công cụ đò lỗi TimeTrace, bộ dich C đây đủ của GNU trong SDK TimeSys Các driver điều khiển được viết như trong các hệ

Linux khác Dùng TimeSys Linux để phát triển các ứng dụng điểu khiển công nghiệp,

quân sự, viễn thông, hệ thống nhúng là một hướng nghiên cứu rất khả thi như việc triển

Chương 2

THIET BJ RTU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1 Hệ thống SCADA va RTU

dit ligu SCADA (Supervisory

ác Trung tâm điều độ hệ thống

1.1 Hệ thống Giám sát, Điều khiển và Thu thị

Control and Data Acquisition) duge trang bị tại

điện có các chức nang sau:

- Điều khiển từ xa các thiết bị điện như máy cất, chỉnh nấc máy biến áp để

thay đổi chế độ vận hành của hệ thống thông qua các tín hiệu điều khiển xa

RCD (Remote Control Double)

1.2 Cấu trúc tổng thể củu hệ thống SCADA/EMS bao gồm một số server, trong

đó đặc biệt quan trọng là 2 server SCADA/EMS chạy theo chế độ chính và dự

phòng, đảm bảo việc thu thập và xử lý dữ liệu (Data Acquisition Subsystem) Chúng được nối với hai máy tính đầu cuối loại (Communication Front Ends - CEE) để liên lạc thông qua tủ MODEM và kênh truyền tỉn với các thiết bị đo xa RTU (Remote Terminal Unit) đặt phân tán tại nhiễu nơi để quản lý các trạm điện SS (Substations) hoặc Nhà máy (Power Plants)

VO Devices

f | Printer&

Mimic Board ICCP (Wan! i To other

Subsystem 1

Data Acquisition

về Trung tâm điều khiển và thực hiện thu các lệnh điều khiển xa RCD do Trung tâm gửi đến

Báo cáo tổng kết dễ tài: Ứng dụng RT-Linux dé nghiên cứu chế tạo RTU cho ngành Điện 18

Cấu trúc của RTU — Xcell của Mierosolt bao gồm các thành phân chính sau:

- Khối CPU và các cổng giao tiế

~ Khối thu thập tin hiệu trạng th

- Khối thu thập tín hiệu đo lường TM : HAI-030

- Khối thực hiện lệnh điều khiển xa dạng Digital RCD : HDO-030

2._ RTU của hãng Microsol

RTU của Microsol dựa trên

íu tie XCell module Một mô-đun XCell có thể

cung cấp 256 I/O gồm Digital Input, Digital Output, Analog Input Mỗi RTU có thể có một

hay nhiều Cell Các RTU được nối qua mang FicldNet Céc Cell van hành độc lập và

giám sát các ƯO dược nối vào RTU RTU có khả năng ghỉ nhận sự cố trong khoảng 1 ms

Xử lý ƯO của RTU

Các RTU có thể được cấu hình tại chỗ hay từ xa qua các công cụ hay qua tram

chủ Quá trình xử lý của RTU gồm có:

= Bao xi lý Digital Input cho các đầu vào đơn hay đôi

~_ Báo xử lý Analog Input

-_ Đigital OutpuL

- Giao tiếp IEC-1131 cho phép RTU thực hiện các thao tác tự động

-_ Chủ giao tiếp với các RTU và IED khác

-_ Giao tiếp qua các kênh truyền như PSTN, radio, cáp quang, cáp đồng

- Chuyển đổi giao thức cũ sang IEC-870/5-101/3 hay DNP3

Các mô-đun RTU XCell:

Các RTU XCell có các mô-đun tiêu chuẩn

1O, Processor, Network Các mô-đụn Card

này được gắn vào rack tao thành một RTU

CPR - PROCESSOR UNIT:

= CPU 16 hay 32 bit MC 68000, 68020

+ 4Mbyte RAM and EPROM

= Realtime Clock, Battery Backup RAM

1/0 MODULE:

= Có 8, 16, 32, 64 Input/Output Analog, Digita

- D-type Connector 37 pin

3 Hiện trạng sit dung SCADA tai EVN

Hiện nay tại Tổng công ty Điện lực Việt Nam (EVN) đang triển khai các hệ thống

SCADA cho nguén và lưới điện như sau:

Tai Trung tim Điều độ hệ thống điện Quốc gia, Trung tâm Điều độ hệ thống điện Miễn Nam và Miễn Trung: sử dụng thiết bị của hãng Microsol (Ireland) Trong khi Trung tâm Điều độ hệ thống điện Miễn Bắc và TP Hỗ Chí Minh dùng thiết bị của hãng ABB

(Thụy Điển)

Đến nay các hệ thống SCADA này đang vận hành tốt và hỗ trợ rất lớn cho BVN

trong việc quản lý và vận hành lưới điện Tuy nhiên do toàn bộ hệ thống phải nhập từ nước ngoài nên rất khó khăn khi phải bảo trì sữa chữa hay nâng cấp thiết bị Ngoài ra EVN phải bỏ ra nguồn kinh phí lớn cho việc mua các thiết bị từ nước ngoài

Data Concentrator

Giao tiếp của Data Concentrator

- Local Operator Workstation

- Communication dén Trung tam Điều độ Quốc gia

- Communication link đến Trung tâm Điều độ Miễn

- GPS Clock : đồng bộ thời gian hệ thống

sự cố, có bộ giao tiếp với thiết bị thu GPS qua mang FieldNet, qua ¢6 RTU có thể đồng

bộ hoá thời gian, xác định chính xác đến Ims cho các biến cố Data Concentrator giao tiếp,

với Trung tâm qua đường truyền chính Khi đường truyền này bị sự cố, hệ thống tự động

chuyển sang đường truyền dự phòng

Báo cáo tổng kếi đề tài: Ứng dụng RT-Linux để nghiên cứu chế tạo RTU cho ngành Điện 23

Chương 3

XÂY DỰNG HỆ THỐNG RTU

1 Phân tích thiết kế RTU

Về bản chất, RTU là một thiết bị chuyên dụng để thu thập số liệu theo thời gian

thực, có chương trình xử lý thông tín Chính chương trình xử lý thông tỉa mới quyết định độ chính xác số liệu thu thập và mức độ thông minh của RTU Chương trình xử lý thông tin

bao gồm hệ điều hành (/hời giam thực) và các mô-đun quản lý thông tin của RTU và có

thể có thêm mô-đun điều khiển RTU,

PIE -400MHZ HDD Digital input} BS | Anatog | Output | Bite Card

RS232 RTU-Linux

PCI Bus

Sơ đô khối phân cứng RTU-Limex

“Thiết bị RTU được xây dựng trên cơ sở vi xử lý của Intel thay vì Motorola như của Microsol, do đó sẽ có các thiết bị có sẩn và giá thành hạ so với dùng thiết bị của

Motorola Để đạt độ bển sử dụng trong công nghiệp, chọn dùng các card, ƯO tích hợp Analog/DigitaL/InpuƯOutput theo chuẩn công nghiệp cia Advantech (Bai Loan), một nhà

sẵn xuất phần cứng PC công nghiệp, thiết bị nhúng hàng đầu Thân máy đùng máy trạm của DELL để có độ bén và hoạt động tin cậy lâu dài Giao tiếp dùng RS-232 và Ethernet

10MBps chuẩn 3C-509

Thiết kế phần mém:

Đây là phần chính của RTU Bao gồm các thành phẩn sau:

Hệ điều hành: Dùng Linux Kernel trên cơ sở hệ điều hành RedHat Linux 8.0 (Kernel 2.4-

18) với Real-Time Kernel cia TimeSys Linux 4.0 / GPL

Chương trình: Các Mô-đùn chương trình sau khi được viết sẽ cài lên đĩa cứng của RTU

“Toàn bộ dữ liệu được lưu trên đĩa cứng,

Mô-dun chương trình trên RTU-Linux:

= Mé-dun giao tiép Protocol IEC-870/5-101

= M6-dun giao tiép card Advantech PCI-1711

= Mé-dun quản lý RTU

= Mé-dun giao tiép Database trén MySQL

Bao cdo tng kết đề tài: Ứng, dụng RT-Linux để chế tạo RTU cho Điện lực 24

2 Lựa chọn phần cứng RTU

Phần cứng của RTU-Linux được thiết kế dựa trên cơ sở máy am Optiplex GX1

của DELL Máy có cấu hình tương đối mạnh do được thiết ng nên chạy ổn định, thường được đùng trong các hệ thu thập số liệu tại trạm hay dùng làm máy điều hành tại trung tâm Thiết bị có cấu hình như sau:

CPU: Intel PHI-450MHZ

RAM: 128MB ECC

HDD: IDE 2.1GB

Một số thông số kỹ thuật

Mức bức xạ điện từ:

* CFR 47 part 15, Class B: Self Declaration, C63.4 - 1992 (USA) 1

* Industry Canada, ICES-003, CISPR 22, Class B (Canada) 1

* EN 50081, EN 55022, Class B (EU Countries) 1

ˆ BN 55022, Class B (Eastern Europe (ISE) Countries) 1

* MofC, Class A (Korea)

* VCCI, CISPR 22 Class B ITE (Japan) |

+ AS/NZS 3548 - EN 55022B (Australia/ New Zealand)

* BCIQ, Class A (Taiwan)

* GOST 29216 (Russia)

“Tiêu chuẩn chống nhí

Generic Immunity (EN 50082-1, EU countries):

* BSD, IEC-801-2:1984, 4KKV Contact, BKV Air

* Radiated Immunity, IEC-801-3:1984:

"`

ingen sages PHO tt

Tê te sm oman cous oy fee REET

NI ng ad 16 a eats Tur ionthe ponte

Card PCI-1711 và Bộ nhận nối dây PCLD-8710

Báo cáo tổng kết để tài: Ứng, dụng RT-Linux để chế tạo RTU cho Diện lực 25

3 Hệ điều hành RTU-Linux

Hệ điều hành RTU-Linux được xây dựng trên cơ sở Linux Kernel phiên bản 2.4-

18, bổ sung thêm các thành phần Real-Time Kernel của TimeSys 4.0 Các RT-Kcrne] sẽ

cải thiện phân quản lý ngắt, Task Schcdulcr cũng như tối ưu lại hoạt động của hệ thống di

có thể đắm bảo tinh đáp ứng chính xác thco thời gian cla Kernel Linux Kernel và RT: Kernel sẽ liên lạc qua các cờ, tín hiệu hay bộ nhớ dùng chung Các ứng dụng sẽ giao tiếp qua IPC, Mutex hay Socket

Phan RT-Kernel sẽ quản lý card giao tiếp PCI-1711 của Advantech Các ngất

phần cứng liên quan đến card PCI-17I1 sẽ được Kernel nhận biết trong khoảng 100 microsec Toàn bộ các phần cứng còn lại như: Quản lý bộ nhớ MMU, Serial RS232, HDD, Ethernet interface, Video card, CD-ROM, FDD sé do Linux Kernel quan lý RT-Kernel giao tiếp với ứng dụng qua API hệ thống theo chuẩn giao tiếp POSIX-1003.1d, do đó các

ứng dụng tuân theo chuẩn này để có thể chạy trên RTU-Linux mà không cẩn viết lại Kernel Linux đã có các API chuẩn để giao tiếp với cơ sở dữ liệu hệ thống theo chuẩn

áo cáo tổng kết để tài: Ứng dụng RTLinux để

4, Chương trình điều khiển trêu RTU

qua POSIX-API Các điểu khiển thiết bị cho PCI-1711 được đặt trong RT-Kernel để có

đáp ứng hệ thống với các Hardware-IRQ một cách tốt nhất Tin hiGu Analog tit card sẽ được Schcdulér Interface đọc qua các hàm Polling cho Iaputs tương ứng, quy định trong, khoảng 0.5 scc cho 16 Analog Inputs Event/Schedule Interface sẽ phải có đáp ứng Real-

Time trong khoảng Ims Database Server quản lý toàn bộ CSDL hệ thống thống gồm IO MAP, Events, quần lý và cập nhật đữ liệu, giao tiếp Linux File Systems để lưu trữ và sao

lưu Protool Interfaee quần lý các Stack IEC-B70, trả lời các yêu cầu từ SCADA Center qua giao tiếp Sync/Async RS-232 Các dữ liệu của RTU cập nhật qua Linux-ODBC liên

kết với Database Server

Báo cáo tổng kết đề tài: Ứng dụng RT-Linux để chế tạo RTU cho Diện lực 21

Chương trình chính mô tả RTU

Đây là chương trình quan trọng, xây đựng một RTU như nguyên mẫu,

các ứng dụng khác qua protocol JEC-870-5-1, ngoài ra còn có thể giao

protocol (RS-2320) khién Serial V Grom

Chương tình chính

Chương trình này có nhiệm vụ chính là thu nhận tín hiệu DI/AI từ card giao tiếp

ngoại vi (Advantech card), sau đó tuỳ theo yêu cầu tín hiệu từ ứng dụng (RTU monitor) mà

chương trình sẽ gửi tín hiệu tức thời DƯAI cho RTU Monitor Toàn bộ giao thức đều theo

chuẩn IEC-870,

Chương trình DBVIEW

Mỗi khi tín hiệu DƯAI thay đôi,

dữ liệu theo cách như sau:

+ _ Thu nhận tín hiệu D

« _ˆ Ghi nhận tín hiệu DI ở mỗi lần thay dỗi

© Thu nhan tin hiệu AI

© Ghi nhan tin higu AT 6 mdi lan thay déi

Do dữ liệu thu nhận lớn, không thể truyền thông qua giao thức IEC870 được (chỉ

truyền giá trị hiện hành mã thôi) Thông qua Ethernet, chương trình DIBView cho phép xem

dữ liệu, sao chép di chuyển dữ liệu và chuyển về server để theo dõi

Chương trinh RTU Monitor

Do môi trường thiết kế không giống với điều kiện vận hành cụ thẻ (RTU thực tế có

khoảng hơn 256 tín hiệu đầu vào), có thể mô phỏng tín hiện nhận được trên mản hình mo

phỏng vận hành hệ thống điện (có thẻ xem như là một phần độc lập của RTU thực tế)

Chương trình mô phỏng này mô tả vận hành của các máy biển thể, dao cất và máy cắt

theo quy chuẩn trong ngành điện và quy chuẩn IEC-870:

~ Tín hiệu 1 bắt mô tã trạng thái dao cắt

- Tín hiệu 2 bít mô tả máy cất Card Advantech 1711 có tắt cả 16 đường DỊ, từ 1-8 là tín hiệu | bịt, 9-16 là tín hiệu 2 bít Vì thể, chương trình RTU monitor này mô phòng 4 máy cất là 8 dao cắt, Tín hiệu mặc

định ban dầu của DI là mức *1 Múc *0° là trạng thai dong, “1” a trang thái mở:

Với chu kỳ n'giây, chương trình KTU Monitor gửi tin hiệu hỏi PollClass! đến RTU

Nếu tín hiệu DI có thay đổi thủ RTU gửi trả về thông tín thay đổi (bao gồm port, thời gian thay déi-tinh dén mili giây) và RTU Monitor nhận thông tỉn, xác định các gia tri: DI port,

trạng thái Đóng/Mở và thời gian Sau đó cập nhật lên mản hình Tuy nhiễn việc cập nhật này:

phải xác định tín hiệu là 1 bit hay 2 bít đề thay doi trang thái tương ứng trên mản hình cho chính xác

Cấu trúc cơ sở dữ liệu không phức tạp vì RTU chỉ thực hiện những việc sau;

® _ Thu nhận tin hiệu AI

“Thu nhận tín hiệu DI

« _ Cập nhật tín hiệu DI mới nhất

Card Advantech có 16 đường Al, 16 đường DI Mỗi trạng thái port mang giá trị 2

bytes Khi có sự thay đổi tín hiệu, RTU phải ghỉ nhận giá trị thời gian Cơ sở dữ liệu có cầu trúc như sau như sau:

Tên trườn, | Kiéu dữ liệu _ [Mô là

Với bảng nây, RTU chỉ thực hiện duy nhất công việc là Update Không thực hiện việc Insert (chỉ thực hiện Insert khi khởi tạo bảng với giá trị ban đầu là 0)

BẢNG DI LỌC

“Tên trường, Kiểu dữ liệu — TMön

thái hiện hành

[PORTIb

Tên trường | Kiểu dữ liệu Mô tả Em)

Với bảng này, RTU chỉ thực hiện duy nhất công

tao bai

& là Update Không thực hiện

đi giả trị ban đầu là 0)

STAGE WORD Ỉ Trang thái hiện hành

Với bảng này, RTU chỉ thực hiện Insert khi tín hiệu AI dau vào thay đổi (giá trị ghỉ

vào trường STAGE và giờ ghi vào các trường còn lại)

Database được chọn trong hệ thống là MySQL vi các lý do sau:

o }

© MySQL duce tich hop sin trong Linux

© MySQL hé tr các tác vụ tương tự nh cae database khac (transaction processing —

version 4 trở di)

© Giao tiép đa chuẩn TCP/IP, Pipeline,

Chương trình DBVIEW trên Windows giao

SỌL là sản phẩm †reeware tuân thủ theo GPL

p voi MySQL trén Linux théng qua

ADO của Microsoft Các giá trị thời gian được lấy đến micro giây để bảo đấm giá trị đạt

độ phân giải thời gian dưới | mili g

“Báo cáo tổng kết để tài: Ứng, dụng RT-Linax để chế tạp RTU cho Điện lực 30

Để tiện kiểm tra ci

Thiét ké device driver

Device duge xay dung theo ding nguyên tắc trong hệ điểu hành linux Card Advantech có các thông số kỹ thuật sau:

= C616 duvdng DI (digital input)

= C6 16 dung Al (analog input)

Cie théng s6 port:

Thiết kế driver được sử dụng lại tir dy an Comedi (open source) voi việc đặt lại cầu

hình card chạy theo chế độ Deviee

Mô hình thiết kế và config driver như hình vé

bo SHRNtiet

Driver được tích hợp vào chương trình

Bao cáo tổng kế tài: Ứng dụng R†-Linua để chế tạo RTU cho Điện lực 32

TH ai 4 aliferemt access moles

Giao diện các hàm gồm 3 phần chính sau:

Giao điện Serial (RS-232C)

Sử dụng giao tiếp cổng serial trên Linux và cơ chế hảm signal đẻ đặt b

có tín hiệu đến cổng serial, cờ signal bật và có thé đọc giá trị thu được Sau đó là xử lý

message (dựa theo giao thức IEC-870) và xác định loại messase yêu cầu từ server

Bio cáo tổng kết để tài: Ứng dụng RT-Linux để chế tạo R?U cho Điện lực 33

Gửi thông tỉn cho

server (không thay

Gửi thông tin cho

server (thay đổi)

Đây là vòng lặp chính của chương trình Khi có tín hiệu thay đôi từ Comedi driver, chương trình đọc cờ báo trạng thái port và gửi thông tin tương ứng cho server

ol Chir thu tin hiệu

Gio dign Database

Giao diện database thực hiện ¢:

Giao điện Comedi driver

Giao điện này có nhiệm vụ thu nhận tín h

Judng (thread) dé thye hiện công việc nay

Báo cáo tổng kết để tài: Ứng dụng RT-Linux để chế tao RTU cho Điện lực 34

Khi có tín hiệu thay ọ

phân tích xem thực là port nảo thay đôi tín hiệu,

Thiết kế giao dign protocol IEC870

Dựa theo tài liệu đặc tả IEC§70, có thể

format IEC870 không Tín hiệu gửi đến (PollClass1) theo dang sa

tir Comedi driver, chương trình đọc giá trị các cing DUAL,

c định xong thì bật cờ thay đổi tương ứng,

lễ dàng phân tích chuỗi tín hiệu có đúng

Thiết kế chương trình chính như hình vẽ:

Khởi tạo Driver

-_ Khởi tạo Serial

~ Khởi tạo kết nỗi database

= Tao Thread đọc tín hiệu AI/DI

- Tạo Thread đọc tín hiệu Serial

‘Vong lặp Cac Threads (doc DIAL

T Doc tin higu Serial)

Chương 4

GIAO TIẾP RTU

1 Sơ lượe về giao thức IEC-870/5-101

RTU liên lạc với trung tâm SCADA/BMS hay giao tiếp với thiết bị đọc số liệu tại

trạm qua giao thức IEC-870/5-101 Tiêu chuẩn IEC-870 được Ủy ban Quốc T:

dign xay dung (International Electrotechnical Commission - LEC) Bao gdm 5 chuẩn vẻ

truyền thông:

+ IEC870- Transmission Prame Formats

+ IEC870 Link Transmission procedures

+ IEC 870 General Structure of Application Data

+ TEC 870- Definition and coding af application information elements

+ IEC870-5-5 Basic Application Functions

Các chuẩn trên bao quát toàn bộ khả năng mã hoá truyền dữ liệu Để có được một

định dạng chung cho yêu cấu cụ thể, IEC xác định IEC-§70/5-101 tiện dụng cho các tác

vụ điều khiển xa cơ bản với năm chức năng trên

Giao thức IEC-875/5-I01 có 3 lớp từ mô hình ISO bảy lđp : Transmission (layer 1),

Link (layer 2), và Application (layer 7)

M6 hinh ISO Protocol IEC 870/5-101

Tiêu chuẩn khuyến nghị dùng ITU-T dé xác định giao tiếp các thiết bị qua DCE,

và DTE tại rạm điểu khiển và tại thiết bị Chuẩn không dùng cho cúc ứng dụng dùng,

“Tiêu chuẩn lớp vật lý

Qhấp | tia _| tere RƠM | NSHĐ | Ngành tera | vu Mạn len và "mm Đa Kis vives nsw | Rees | Wow "i Sew | vse | NNHấu | Via _ am pe

"Báo cáo ting ket dé tai: Ung dung RT-Linux dé ché to RTU cho Điện lực 37

2 Phát triển RTU-Linux: nối mạng thiết bị

Sơ đồ phát triển để nối mạng RTU-Linux được xây dựng trên cơ sở TCP/IP và EtherneUPicldNet Mạng hệ thống sẽ có 3 mức: RTU, Local MMI và SCADA/EMS

dùng định hình RTU tại chỗ hay từ trung tâm điều khiển

Local MMI: Quin ly tai tram cdc RTU, hiển thị hệ thống điện qua các GUI Tại đây, người điều khiển giám sát các hoạt động của trạm Tại mỗi trạm lớn, có thể có riêng phân thu GPS để đồng bộ thời gian nhằm giẩm lưu lượng trên mạng

SCADA/EMS: Quan ly và giám sát nhiều trạm Dữ liệu gửi vé qua các Dataconcentrator (DAC) tai trạm Các DAC có riêng phẫn lưu trữ hệ thống

Mô hình trên tận dụng khả năng mạng ổn định của Linux, kết hợp sử dụng các

phần cứng tiêu chuẩn có sẵn và giá thành lại không cao Do đó, xây dựng các hệ thống

lồn với RTU-Linux sẽ có chi phí thấp và đễ dàng mở rộng khi cẩn thiết

Ứng dụng RT-Linix để chế tạo RTU cho Điện lực 38

Béo cdo tổng kết

RTULinux

Sơ đã bố trí thiết bị kiểm tra thit nghiém RTU-Linus

'RTU-Linux được nối với bộ tao tín hiệu (Signal Simulator) qua bộ nối dây (Wiring

Board) để nhận các tín hiệu kiểm tra Các dây tn hiệu được bọc giáp để chống nhiễu

RTU-Linux được kết nối đến máy kiểm tra tại trạm hay rung tâm SCADA/EMS qua cổng

COMI trên RTU-Linux

‘May tai trung tâm SCADA/EMS cũng dùng kết nối qua cổng COMI để giao tiếp

với RTU-Linux nhằm hiển thị thông số trạng thái thiết bị (đo Signal Simulator cung cấp)

trên màn hình đổ hoạ, cho phép xem xét trực quan trạng thái toàn bộ hệ thống điện

.Máo cáo tổng kết để tài: LŨng dạng RT-Linux để chế tạo RTU cho Điện lực 39