Nghiên cứu và xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu và điều khiển dự phòng hệ thống điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG VĂN QUỐC NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ PHÒNG HỆ THỐNG ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH – 6/2014 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm… ii TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -o0o Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trương Văn Quốc Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/08/1984 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng Nhà máy điện MSHV: 10180114 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Tìm hiểu chế, cấu trúc, nguyên lý dự phòng cấp điều khiển cấp SCADA  Thiết lập cấu hình thiết bị I/O Server, chuẩn truyền thơng, mạng LAN cho hệ thống dự phịng điều khiển hai cấp  Xây dựng giải thuật lập trình dự phịng cho hai cấp điều khiển SCADA 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/05/2013 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23/12/2013 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Được Nhà Trường – Bộ môn Hệ Thống Điện giao nhiệm vụ với hướng dẫn tận tình quý thầy TS Trương Đình Châu, em thực đề tài: “Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện” Tuy nhiên với thời gian nhận thức hạn chế nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu xót Để đề tài hoàn thiện hơn, mong nhận góp ý q thầy bạn đọc Qua em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô truyền thụ cho em kiến thức quý báo suốt trình học tập trường Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Trương Đình Châu nhiệt tình hướng dẫn, động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành luận án tốt nghiệp Sau cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người ln quan tâm, chăm sóc, giúp đỡ, động viên suốt năm tháng qua Cần Thơ, ngày 23 tháng 06 năm 2014 Trương Văn Quốc iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Với phát triển xã hội ngày hệ thống tự động hóa cơng nghiệp ngày xâm nhập vào đời sống người nhiều Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu điều khiển ngày cao chất lượng, ổn định hệ thống quan trọng Hệ thống giám sát, điều khiển thu thập liệu, hệ thống điều khiển đa cấp sử dụng rộng rãi nhà máy, xí nghiệp tồn giới Kiểm soát, giám sát điều khiển cải tiến, cung cấp tính nâng cao hiệu suất sản xuất Vì vậy, nghiên cứu công nghệ ứng dụng hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện cần thiết nhằm đem lại hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, hoạt động ổn định, giảm thiểu thời gian chờ sửa chữa thiết bị hư hỏng Do luận văn tìm hiểu giải vấn đề sau:  Tìm hiểu khái niệm dự phòng (Redundancy) cấp điều khiển Tìm hiểu chế, cấu trúc, nguyên lý dự phòng cấp điều khiển cấp SCADA  Thiết lập cấu hình thiết bị Server, chuẩn truyền thơng, mạng LAN… cho hệ thống dự phịng điều khiển đa cấp  Trên giao thức truyền thông Modbus TCP/IP, sử dụng cơng cụ lập trình Uinity Pro xây dựng đóng gói thư viện hàm truyền thơng, Timer, Counter… để lập trình tạo hệ thống dự phòng cho thiết bị điều khiển gồm hai PLC Một PLC đóng vai trị Primary, PLC cịn lại đóng vai trò Stanby PLC Stanby liên tục cập nhật liệu từ Primary PLC sẵn sàng đảm nhận vai trị điều khiển có cố xảy Primary PLC  Xây dựng cấu trúc dự phòng cho cấp SCADA: Ứng dụng phần mềm để kiểm tra đáp ứng hệ thống chuyển đổi từ trạng thái Primary sang Stanby ngược lại v MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii  LỜI CẢM ƠN iii  TÓM TẮT LUẬN VĂN iv  MỤC LỤC v  PHỤ LỤC HÌNH ix PHỤ LỤC BẢNG xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ DỰ PHÒNG 1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA CẤP 1.2.1 Các kỹ thuật dự phòng 1.2.2 Hệ thống điều khiển đa cấp 1.3 GIẢI PHÁP DỰ PHÒNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA CẤP 1.3.1 Dự phòng thiết bị điều khiển 1.3.2 Dự phòng cấp SCADA 1.3.3 Dự phịng mạng truyền thơng 11 1.4 CẤU TRÚC TỔNG QT CỦA HỆ THỐNG DỰ PHỊNG NĨNG 13 1.5 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG DỰ PHÒNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 15 1.5.1 Hệ thống điều khiển có dự phịng cho hệ thống lượng giàn WID 40.000 15 1.5.2 Hệ thống điều khiển có dự phịng cho hệ thống lượng giàn công nghệ trung tâm CTK3 15 1.6 KẾT LUẬN 16 vi CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DỰ PHÒNG CHO CÁC CẤP TRONG HỆ THỐNG 17 2.1 CÁC THÀNH PHẦN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 17 2.1.1 PREMIUM PLC 17 2.1.2 Ethernet ETY Port module 18 2.1.3 Dịch vụ TCP/IP messaging 18 2.1.4 Một số lệnh truyền thông hổ trợ dịch vụ TCP/IP messaging 19 2.1.5 Dịch vụ I/O scanning 23 2.1.6 Dịch vụ Global Data 24 2.2 CHUẨN TRUYỀN THÔNG MODBUS TCP/IP 25 2.3 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DỰ PHÒNG Ở CẤP ĐIỀU KHIỂN 28 2.3.1 Cấu trúc phần cứng 28 2.3.2 Cấu trúc phần mềm 30 2.3.3 Kiểm tra trạng thái hoạt động PLC Primary 34 2.3.4 Giải thuật hàm đồng hóa Counter 54 CHƯƠNG 3: DỰ PHÒNG Ở CẤP SCADA 60 3.1 GIỚI THIỆU 60 3.2 CẤU TRÚC SERVER CỦA CITECT 62 3.2.1 Các server hệ thống SCADA Citect 62 3.2.2 Các kiến trúc hệ thống SCADA Citect 68 3.3 CITECT SCADA REDUNDANCY 74 3.3.1 Disk I/O device redundancy 74 3.3.2 I/O Server redundancy 75 3.3.3 Citect Server redundancy 79 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG DỰ PHÒNG 81 vii 4.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG 81 4.2 VAI TRÒ, CHỨC NĂNG CỦA CÁC THIẾT BỊ 82 4.2.1 Ethernet distributed I/O 82 4.2.2 Primary PLC 83 4.2.3 Standby PLC 83 4.2.4 Primary server 84 4.2.5 Standby server 84 4.2.6 Display client 84 4.3 KẾT HỢP DỰ PHÒNG Ở CẤP ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤP SCADA 84 4.4 XÂY DỰNG CÁC HÀM QUAN TRỌNG ĐỐI VỚI DỰ PHÒNG CẤP PLC 87 4.4.1 Hàm kiểm tra truyền thông 87 4.4.2 Hàm health_checking 88 4.4.3 Hàm RTON 89 4.4.4 Hàm RTOF 91 4.4.5 Hàm RCTU 92 4.4.6 Hàm RCTD 94 4.4.7 Hàm RCTUD 96 4.5 XÂY DỰNG SCADA REDUNDANCY 98 4.5.1 I/O server redundancy 98 4.5.2 Disk I/O device redundancy 99 4.5.3 Real PLC redundancy (Premium PLC redundancy) 101 CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT, ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI 105 5.1 TỔNG KẾT 105 5.1.1 Chất lượng hệ thống 105 viii 5.1.2 Nhược điểm hệ thống 107 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111  LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 112  ix PHỤ LỤC HÌNH Hình 1.1: Dự phịng cho nguồn điện Hình 1.2: Dự phịng mạng máy tính Hình 1.3: Hệ thống điều khiển đa cấp Hình 1.4: Hệ thống có điều khiển Hình 1.5: Hệ thống có nhiều điều khiển Hình 1.6: Hệ thống điều khiển khơng có độ tin cậy cao 10 Hình 1.7: Hệ thống điều khiển với server 11 Hình 1.8: Hệ thống có mạng LAN 12 Hình 1.9: Hệ thống dự phịng mạng truyền thơng 13 Hình 1.10: Cấu trúc dự phịng nóng 14 Hình 2.1 : PLC Premium 17 Hình 2.2: Cơ chế hoạt động I/O scanning 24 Hình 2.3 Global client 24 Hình 2.4: Cấu trúc phần cứng hệ thống dự phịng 30 Hình 2.5: Hoạt động Primary Stanby PLC 32 Hình 2.6: Cấu trúc chương trình 34 Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống PLC redundancy 35 Hình 2.8: Giải thuật heartbeat 36 Hình 2.9: CPU Primary PLC bị lỗi không hoạt động 38 Hình 2.10: Module ETY Primary PLC bị lỗi 39 Hình 2.11: Cable nối tới ETY Primary PLC bị lỗi 40 Hình 2.12: Giải thuật Switch over 41 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phịng hệ thống điện    Hình 4.8 Redundant counter down 4.4.7 Hàm RCTUD (Redundant Counter Up Down) Hàm RCTUD có chức tương tự hàm CTUD Các ngõ vào, ngõ ta biết hàm CTUD kết hợp CTU CTD xây dựng RCTUD ta thấy giải thuật tương tự xây dựng hàm RCTD nên tương đối gọn GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 96 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    Biến, tham số Kiểu biến Ngõ vào/ ngõ CD Bool Ngõ vào Như ngõ vào CD CTUD CU Bool Ngõ vào Như ngõ vào CU CTUD R Bool Ngõ vào Như ngõ vào R CTUD LD_ENB Bool Ngõ vào Như ngõ vào LD CTUD Chú thích Update chu kỳ Update Bool Ngõ vào master task Standby PLC đảm nhận vai trò điều khiển INT, DINT PV UINT, Ngõ vào UDINT Giống ngõ vào PV CTUD Giá trị counter Giá INT, DINT CV UINT, trị vừa ngõ vào update Ngõ vào, đồng thời dung để đồng liệu Primary PLC UDINT Standby PLC QU Bool Ngõ vào, QD Bool Ngõ vào, Ngõ up timer, chức giống QU CTUD Ngõ down timer, chức giống QD CTUD Bảng 4.7: Ngõ vào hàm RCTUD GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 97 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    Lưu ý sử dụng hàm RCTUD: Khai báo giá trị biến PV, CV Tùy theo dùng kiểu INT hay DINT mà biến cần chứa ô nhớ %MW hay hai ô nhớ %MWn %MWn+1 Mục tiêu sau cần phải cập nhật giá trị PV, CV giá trị PV, CV phải ln đồng Primary PLC Standby PLC Ngoài sử dụng ngõ vào ngõ lại tương tự sử dụng hàm CTUD nhà sản xuất Hình 4.9 Redundant counter up down 4.5 XÂY DỰNG DỰ PHỊNG CẤP SCADA 4.5.1 Dự phịng I/O server u cầu việc xây dựng dự phịng I/O server có tối thiểu hai máy tính nối mạng LAN với Trong hệ thống, hai máy tính có địa IP GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 98 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phịng hệ thống điện    Hình 4.10 Cấu hình network addresses IO server cho hệ thống Cấu hình network address Name Addresses Comment PC1 Station 192.168.1.81 PC used to set up Primary I/O server PC2 Station 192.168.1.82 PC used to set up Stanby I/O server Bảng 4.8 Cấu hình cho network addresses Cấu hình cho I/O server redundancy Server Network name addresses Cluster IO Server_P Station Primary IO server Standby IO server Cluster IO Server_S Station Standby IO server Cluster Primary IO server Comment Bảng 4.9 Cấu hình cho I/O server redundancy 4.5.2 Dự phịng Disk I/O device Trong hệ thống đơi lúc người lập trình cần phải dùng đến biến tạm, tag để cần lập trình mơ hệ thống, tag không hẳn cần thiết phải lấy từ RTU (PLC) Disk I/O device giải pháp cho vấn đề Cũng GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 99 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    tương tự External PLC hay gọi real PLC, để hệ thống ổn định cần phải xây dựng dự phịng Disk I/O device với thuộc tính theo bảng sau: Primary Disk IO Primary Disk IO Server name IOServer_P IOServer_S Name DiskPLC_P DiskPLC_S Number 1 Addresses [RUN]:DiskPLC_CDK [RUN]:DiskPLC_CDK Protocol Generic Generic Port Name DISKDRV DISKDRV Statup mode Primary Standby Priority Comment Primary Disk I/O device Standby Disk I/O device Bảng 4.10 Cấu hình Disk I/O device redundancy Cấu hình cho redundant Disk I/O device Citect Project editor Communication I/O devices Nhấn thêm F2 để thấy phần cấu hình mở rộng GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 100 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    Hình 4.11 Cấu hình cho Disk I/O device redundancy 4.5.3 Real PLC redundancy (Premium PLC redundancy) Mỗi I/O server (Primary I/O server hay standby I/O server) cần phải có hai đường dẫn liệu kết nối với hai Premium PLC (Primary PLC Standby PLC) Để thực điều ta phải khai báo bốn I/O device có số hiệu (number) I/O device nhiên khác ưu tiên Do tính chất dự phịng, có nghĩa mục tiêu đường dẫn liệu mục tiêu truyền liệu từ nguồn liệu GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 101 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    PLC I/O server có số hiệu mà thơi Priority xác ưu tiên đường data path trao đổi liệu server I/O device Việc quy định thứ tự ưu tiên tùy theo người sử dụng Theo cấu hình này, khởi động hệ thống, trao đổi liệu I/O server I/O device trao đổi qua đường liệu Primary I/O server Primary Premium PLC Khi đường dẫn liệu bị cố theo thứ tự ưu tiên từ nhỏ đến lớn mà I/O quy định I/O server trao đổi liệu với I/O device Giao thức truyền thông giao thức MODNET hay gọi modbus Ethernet Primary PLC Standby PLC Standby PLC Standby PLC Server Name IOServer_P IOServer_P IOServer_S IOServer_S Name PrePLC_P PrePLC_S1 PrePLC_S2 Number 2 2 Protocol Port Name Statup mode Priority Comme nt MODNET PORT1_BOAR D1 MODNET PORT2_BOAR D1 MODNET PORT1_BOAR D1 MODNET PORT2_BOAR D1 Primary Standby Standby Standby Primary PLC Standby PLC1 Standby PLC2 Standby PLC3 PrePLC_S3 Bảng 4.11 Bảng cấu hình Real PLC redundancy Yêu cầu hệ thống gồm  Hiển thị trạng thái đóng cắt thiết bị  Trạng thái cấp điện cho tải (LOAD)  Bảng hiển thị giá trạng thái điều khiển PLC (Primary PLC hay Standby PLC)  Bảng hiển thị giá trị realtime clock GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 102 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    CHƯƠNG TỔNG KẾT, ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI 5.1 TỔNG KẾT Từ kết nghiên cứu, phát triển ứng dụng, đề tài đạt kết sau:  Giải số vấn đề hệ thống redundancy toán kiểm tra điều kiện switch over toán đồng liệu  Phương pháp cấu trúc chương trình, giải thuật phát điều kiện Switch over, đồng liệu giải pháp mở với công cụ mà hầu hết dòng sản phẩm thị trường tự động hóa hỗ trợ mà khơng phải sử dụng phương pháp đặc biệt hỗ trợ dòng sản phẩm Schneider Tuy nhiên sử dụng số dòng sản phẩm PLC cấp cao trở lên làm giảm thời gian lập trình người thiết kế nhiều Ví dụ: tốn đồng liệu, người lập trình phải nhiều thời gian tốn nhớ chương trình để viết lệnh đồng liệu dịng PLC cao cấp hãng Schneider Electric M340, Premium, Atrium, Quantum hỗ trợ số dịch vụ như: I/O scanning, Global data hữu ích để dùng cho việc đồng liệu Đối với dịch vụ I/O scanning người lập trình cần khai báo liệu đồng dịch vụ chuyển liệu mà không cần phải dùng lệnh chuyển liệu chương trình 5.1.1 Chất lượng hệ thống  Về tính ổn định: Hệ thống hoạt động tương đối ổn định đạt kết tốt Tuy nhiên vấn đề phụ thuộc nhiều truyền thông làm ảnh hưởng đến độ ổn định, xác hệ thống redundancy Như trình bày phần trước, theo cấu trúc hệ thống luận văn, module Ethernet ETY vừa thực nhiệm vụ đồng liệu đồng thời làm nhiệm vụ trao đổi GVHD: TS Trương Đình Châu HVTH: Trương Văn Quốc 103 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu thập liệu điều khiển dự phòng hệ thống điện    liệu điều khiển thiết bị khác Twido Ethernet distributed I/O dẫn đến tình trạng tải đường truyền (high traffic) Mặt khác việc truyền thực nhiều lệnh truyền thông cần phải xếp cách hợp lý đảm bảo truyền thơng module truyền thông bị giới hạn số chức như: số giao dịch (transaction) thực thời gian đệm module truyền thơng có hạn nên khơng thể lúc truyền khối lượng liệu lớn được…vv Chính điều làm cho người lập trình phải có giải thuật phức tạp để trao đổi liệu điều làm giảm khả ứng dụng hệ thống Điều nhược điểm lớn giải pháp I/O device redundancy phần mềm  Tính Time Critical: tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng giải pháp redundancy thời gian Standby PLC đảm nhận nhiệm vụ điều khiển sau Primary PLC gặp cố Đối với giải pháp phần cứng nhà sản xuất, tính Time Critical đạt tốt cấp rendundant controller, thời gian switch over khoảng 500ms, với thời gian giải pháp redundancy cấp điều khiển gọi Hot Standby hay gọi Hot redundancy Đối với giải pháp controller redundancy đưa luận văn, thời gian switch over hay xem Time Critical theo tính tốn sau: TSwitchover