He thong SCADA dien rong ung dung trong linh vuc khi tuong thuy van

He thong SCADA dien rong ung dung trong linh vuc khi tuong thuy van

Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 93 HỆ THỐNG SCADA DIỆN RỘNG ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN (DESIGN OF SUPERSCADA FOR ENVIRONMENT MONITORING) ThS.NGUYỄN THỊ NGỌC ANH, PGS.NGUYỄN NGỌC LÂM (*), ThS.TRẦN VIẾT THẮNG Khoa Cơ - Điện – Điện tử, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh * Viện NC Điện tử, Tin học và Tự động hoá (VIELINA) TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA diện rộng cho kiểm soát thông số khí tượng thủy văn (KTTV) trong điều kiện Việt Nam. Hệ thống được xây dựng nhằm thu thập - truyền số liệu, kiểm soát và cung cấp các dữ liệu khí tượng - thuỷ văn và môi trường một cách khách quan, kịp thời, chính xác. Hệ thống được thiết kế có tính mở, cho phép kết nối các thiết bị đo hiện đại hoặc thiết bị nhiều thế hệ đang có tại Trạm thành 1 hệ thống đồng bộ, mềm dẻo và có giá thành thấp. Trên cơ sở khảo sát thực tế và xác định các thông số KTTV cần thu thập, các tác giả đã đề xuất một mô hình tự động hoá phù hợp với điều kiện phát triển ở Việt Nam kiểu SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống OPTO 22. Hệ thống được thiết kế gồm các phần: - Các bộ chuyển đổi chuẩn hoá cho phép ghép nối các thiết bị hiện có tại các trạm KTTV với thiết bị tự động OPTO-22 (Bộ chuyển đổi U-I / TRANS420 cho thiết bị có lối ra là tín hiệu điện dạng tương tự, như máy phát đo tốc độ gió, điện thế từ cảm biến nhiệt, điện thế từ pin mặt trời,…; Bộ ghép nối máy đo gió điện WSD-01; Bộ ghép nối máy đo gió đơn giản WD-02; Bộ chuyển đổi tốc độ con quay gió thành tín hiệu điện WS-02; Bộ chuyển đổi đo mưa với vũ kế điện (RF-01); Bộ đo mưa với vũ kế phao (RF-02): Máy đo phông vũ trụ; Bộ điều khiển PSCTRL-01 cấp nguồn cho Trạm từ Trung tâm). Phương pháp này cho phép khai thác tối đa các thiết bị đo lường quy chuẩn đang có trên trạm, cho phép tiết kiệm đầu tư, nâng cao hiệu quả khai thác. - Thiết bị Trạm và Trung tâm trên cơ sở hệ thống OPTO 22. - Phần mềm biên soạn kết nối Trung tâm với các Trạm hoạt động theo kiểu phụ thuộc (master/slave) hoặc ngang bằng (client/server). Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm hiện trường chứng tỏ hệ thống có tính hợp lý, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Hệ thống hoạt động tin cậy và có khả năng ứng dụng thực tiễn. ABSTRACT DESIGN OF SUPERSCADA FOR ENVIRONMENT MONITORING The research results of the setting up SuperSCADA for the environment monitoring using in Vietnam conditions is presented. The system is designed to objectively, timely and exactly acquire, process and control hydro- meteorological data. The opened system’s configuration resolves the connection of several of various equipments – modern or old ones that having in the stations – into the overall, flexible and inexpensive system. The system includes the followings - Standardization transducers for several hydro meteorological equipment such as a temp.meter, a wind speed and direction meter, rain meter, …). This approach allows to reduce the investment and to rise the possibility of the equipment’s employment. - The OPTO-22 based automation system for workstations and center. - Software is prepared by the master/slave or client/server types. Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 94 The system was experimented and given the reliability results. 1. MỞ ĐẦU: Dữ liệu khí tượng- thuỷ văn (KTTV) và mơi trường có 1 tầm quan trọng trong dự báo khí hậu- thiên tai và là u cầu cấp thiết cho các ngành kinh tế đang phát triển, đặc biệt là các ngành khai thác dầu khí, hàng khơng, kiểm sốt mơi trường Hiện nay, ở nhiều Trạm KTTV trong nước, việc quan trắc được thực hiện chủ yếu theo các loại máy đo riêng rẽ, quan trắc viên định kỳ đọc số liệu từ máy móc, ghi chép và chuyển về Trung tâm qua vơ tuyến hoặc điện thoại. Như vậy, các số liệu này được thu nhận và xử lý có thể khơng khách quan và kịp thời, nhất là trong điều kiện biến động thời tiết có giơng bão. Trong những năm gần đây, hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) bắt đầu du nhập vào nước ta và ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng d ụng khác nhau như các hệ thống cấp nước, năng lượng, xử lý chất thải, sản xuất, . Việc xây dựng một hệ thống SCADA để điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu khí tượng - thuỷ văn và mơi trường một cách khách quan, kịp thời, chính xác là một nỗ lực cần thiết nhằm nâng cao mức tự động hố cho hệ thống có tính tổng hợp, hoạt độ ng tin cậy, giá thành khơng cao, có khả năng áp dụng trong điều kiện Việt Nam. Mơ hình ứng dụng cho lĩnh vực khí tượng thuỷ văn được xây dựng dựa trên các Quy Phạm 94TCN5-90 về quan trắc bức xạ, về quan trắc khí tượng bề mặt của Tổng cục Khí Tượng Thuỷ văn và một số tiêu chuẩn về mơi trường của các Bộ - Ngành liên quan đã ban hành /1,2/. 2. THIẾT KẾ HỆ THỒNG: Các thơng số đo đạc tại trạm khí tượng mặt đất bao gồm: hướng gió, tốc độ gió, lượng mưa–diện tích thu, nhiệt độ đất và khơng khí, cường độ bức xạ mặt trời, thời gian chiếu sáng, độ ẩm khơng khí, áp suất khí quyển, cường độ phơng bức xạ vũ trụ. Các thơng số đo đạc tại Trạm thuỷ văn: mức nước sơng, ao, h ồ và tốc độ dòng chảy. 2.1. Thiết kế cấu hình: Hệ thống được xây dựng trên cơ sở khảo sát nhu cầu thực tế cho đối tượng ứng dụng của hệ thống là mạng 25 Trạm thuộc các tỉnh phía Nam với Trung tâm là Đài Khí Tượng Thuỷ văn Khu Vực Nam Bộ ở thành phố Hồ Chí Minh và khảo sát các hệ thống SCADA /3/ trong các ứng dụng. Thiết bị tự động của OPTO 22 được lựa chọn để xây dựng mạng kiểm sốt thơng số KTTV. Hệ thống OPTO 22 thực hiện đưa máy tính vào thành một trung tâm điều khiển hệ thống, cho phép khai thác tối đa các phần mềm khác đã có, với ưu thế có hệ thống hiển thị mạnh, có tính năng đồ hoạ xử lý thời gian thực. Cấu hình lựa chọn được trình bày trên hình 1. TRUNG TÂM KIỂM SOÁT KTTV Đường Điện thoại PC/kiểm soát RTU PC/Data base OptoControl OptoDisplay OptoServer Users Mo- Dem Mo- Dem Thu Phát Thu Phát G4LC 32ISA TRẠM KIỂM SOÁT KTTV-1 TRẠM KIỂM SOÁT KTTV-2 TRẠM KIỂM SOÁT KTTV-n SNAP RACKSNAP RACKSNAP RACK CONTROLLERCONTROLLERCONTROLLER B3000 B3000 B3000 M4RTU M4RTU M4RTU M4SSERM4SSERM4SS ER Bộ chuye ån đổiBộ chuyể n đổiBo ä chuyển đổi Các máy đo KTTVCác máy đo KTTVCác máy đo KTTV Mo- Dem Mo- Dem Mo- Dem Thu Phát Thu Phát Thu Phát Đường điện thoại Đường điện thoại Đường điện thoại OPTO 22 OPTO 22 OPTO 22 Hình 1. Hệ thống SCADA kiểm sốt KTTV Hệ thống bao gồm: • Các bộ chuyển đổi được thiết kế, chế tạo để ghép nối tất cả các máy KTTV hiện có trong nước vào Trạm và mạng OPTO 22. Cách làm này tạo một hệ thống mở, cho phép khai thác các thiết bị hiện có, khơng làm thay đổi đặc trưng đã được kiểm chuẩn của thiết bị KTTV đang sử dụng, cho phép nhanh chóng và tiết kiệm khi xây dựng mạng. • Hệ SCADA cục bộ, là các hệ con để quản lý các Trạm KTTV. • Thiết bị Trung tâm, quản lý các hệ con để tạo thành hệ thống SCADA tồn cục. • Phần mềm SCADA cho hệ thống. Hệ thống tự động hóa cơng nghiệp MISTIC trên cơ sở máy vi tính của OPTO 22 /4/ kết hợp phần mềm phát triển hệ thống năng động, trực quan FactoryFloor chạy trên Microsoft Windows, với ph ần cứng là các khối chức năng chun biệt giao tiếp Vào/Ra thơng minh. Hệ thống dễ dàng phân cấp từ một bộ điều khiển đơn chiếc cho tới một hệ thống điều khiển phân tán lớn. Nó được thiết kế làm việc hồn hảo với hệ điều hành Microsotf Windows NT, các sản phẩm Back- Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 95 Office và các công cụ phần mềm văn phòng để cung cấp một giải pháp tự động hóa SCADA mở, hiệu quả cho sự phối hợp giữa hệ thống quản lý kỹ thuật với hệ thống quản lý hành chính. • OPTO 22 cho phép thực hiện các hệ thống điều khiển phân tán, liên kết các bộ điều khiển công nghệ và xử lý dữ liệu nằm rải rác ở nhiều đ iểm khác nhau (lên tới 18000 điểm với khoảng cách giữa chúng không hạn chế) thành một thể thống nhất. Đó là mạng điều khiển nhiều nút gồm có các Host PC, các WorkStation MMI, các Mistic Controller, I/O Units, và Mistic RTU, cũng như SQL Server DataBase thông qua các đường truyền thông theo các chuẩn RS-232, RS- 485, ArcNet, Ethernet, ArcNet Fiber Optic, và các loại Modem cũng như các chuẩn thiết lập mạng miền rộng hiện nay như FDDI, ATM… Việc liên kết các Trạm thông qua mạng Ethernet có thể mở rộng tới vô số Trạ m (kiểu như Internet), số đường truyền ít, chi phí tổ chức mạng thấp, giảm chi phí lập trình, dễ bảo dưỡng, sửa chữa. OPTO 22 có phần cứng là các bộ điều khiển (Mistis Controllers) M4RTU và các module vào/ra (I/O Bricks) cắm ở trên Controller, có thể liên kết với các I/O modules mở rộng theo chuẩn RS-485 hay các phương thức truyền thông khác. Các Controller thực hiện điều hành hệ thống hoạt động, liên kết với máy vi tính, là nơi lưu trữ và thực hiện các chương trình điều khiển hệ thống đã được phát triển (Strategy), tương tác với các thiết bị ngoài thông qua các I/O Bricks và I/O Modules. Khung mở rộng (SNAP) cho phép lắp đặt bổ sung các thiết bị vào/ra thông minh. Các máy tính của hệ được liên kết qua mạng máy tính, ví dụ Ethernet. Thiết bị tại Trung tâm mạng SCADA có bộ điều khiển G4LC32ISA PROCESSOR và các phần mềm nguồn Factory Floor, cho phép tổ chức hoạt động mạng SCADA ở mứ c cao. Phần mềm nguồn gồm 3 khối là OptoControl phục vụ cho xây dựng phần mềm điều khiển, OptoDisplay – phục vụ hiển thị và đồ hoạ và OptoServer – xây dựng mạng khai thác cơ sở dữ liệu của OPTO 22. Môi trường phần mềm của Factory Floor hỗ trợ các modem, khả năng liên kết 2 chiều (từ máy chủ đến M4RTU/DAS, từ M4RTU/ DAS đến máy chủ) và việc truyền thông ngang hàng. Nó còn hỗ trợ việc nạp các phần mềm điều khiển cơ sở từ xa đến bộ nhớ Flash EEPROM, nạp các chương trình từ xa, gỡ rối và nạp dữ liệu từ xa. 2.2. Thiết kế các bộ chuyển đổi thông số KTTV: Khảo sát các thiết bị đo của các Trạm KTTV cho thấy chúng có các mức công nghệ và chủng loại rất khác nhau. Để có thể khai thác chúng, phương thức ghép nối lựa chọn như sau: • Những thiết bị có lối ra điện, có thể ghép trực tiếp với OPTO 22 • Thiết kế các bộ chuyển đổi chuẩn hoá ứng dụng tổng quát như trình bày ở dưới (hình 2): ¾ Bộ chuyển đổi U-I / TRANS420: Dùng cho các thiết bị đo thông số KTTV có lối ra là tín hiệu điện dạng tương tự, ví dụ, điện thế ra từ máy phát đo tốc độ gió, điện thế từ cảm biến nhiệt, điện thế từ pin mặt trời, …Bộ chuyển đổi TRANS420 được thiết kế để phối hợp khoảng thế đo từ lối ra máy đo và tạo máy phát dòng ra tương ứng tỷ lệ với điện thế vào. Đặc trưng: điện thế vào 0÷10V (max tới 40V), dòng ra tương ứng từ 4÷20mA, độ tuyến tính 0.1%. ¾ Bộ ghép nối máy đo gió điện WSD-01 với hệ OPTO-22: Máy đo gió điện thường là con quay gió có trục gắn với dinamo phát điện và một phong tiêu xác định hướng gió có trục gắn v ới chuyển mạch quét. Phần đo tốc độ gió, điện thế từ máy phát điện được chỉnh lưu, qua biến trở để đưa trực tiếp vào khối đo thế tương tự của OPTO-22 hoặc nhờ khối TRANS420 để biến thành dòng cho khối đo dòng của OPTO 22. Phần chỉ thị hướng gió, bộ chuyển đổi chứa 1 DAC 8 bit với các giá trị dòng theo bước từ 0.7 đến 10.5mA. Tuỳ vị trí chuyển mạch của máy đo gió, dòng tương ứng chảy qua tiếp điểm đóng vào điện trở của mạch OPTO-22, tạo giá trị điện thế tương ứng gửi vào OPTO- 22 để xác định và hiển thị thông số gió. ¾ Bộ ghép nối máy đo gió đơn giản WD-02: Máy đo gió đơn giản gồm phong tiêu chỉ hướng gió và tấm bảng có thể quay nâng để xác định sức gió bằng mắt. Bộ chuyển đổi hướng gió có bộ cảm biến vị trí (encoder) gắn với trục quay của phong tiêu để tạo tín hiệu điện tương ứng với vị trí phong tiêu. Cảm biến là 1 đĩa có đục các rãnh cung và các cảm biến hồng ngoại để theo dõi vị trí các rãnh. Bằng các phân phối các rãnh, ta có bộ cảm biến 4 bit lối ra, cho phép xác định hướng gió. Các mã ra này được đưa tớ i các lối vào số của OPTO-22. ¾ Bộ chuyển đổi tốc độ con quay gió thành tín hiệu điện WS-02: Bộ chuyển đổi WS-02 gồm Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 96 một encoder là 1 đĩa từ có 2048 khe, được gắn vào trục con quay gió. Khi con quay gió quay, đầu đọc của encoder sẽ tạo chuỗi xung cho phép đếm và tính tần số quay để định tốc độ gió. Để phối hợp với thiết bị OPTO-22, tần số xung ra cần được suy giảm: gió rất nhẹ ~2m/s (1 vòng/s) số xung ra là 2048, qua hệ số chia 64, còn lại 32 xung; còn khi gió rất mạnh cấp 12, ~32m/s (32 vòng/s), xung ra là 65536, qua hệ số chia 64, còn lại 1024 xung. ¾ Đo mưa với v ũ kế điện (RF-01): Vũ kế điện thường có cấu tạo kiểu gầu đong nước gắn trên cầu bập bênh với cảm biến tạo nhịp đong nước là rơ le từ và nam châm. Khi có mưa chảy vào gầu làm cầu bập bênh đảo chiều, làm đóng rơ le từ 1 lần. Như vậy với một thể tích nước mưa xác định sẽ t ạo 1 xung gửi trực tiếp tới lối vào số của hệ thống OPTO-22. ¾ Đo mưa với vũ kế phao (RF-02): Bộ đo giáng thuỷ RF-02 được thiết kế là một thùng đo chuẩn, có cảm biến báo mức cạn và báo mức tràn. Phao được treo qua trục của Encoder với đối trọng. Khi lượng nước trong bình cao hay thấp, phao sẽ nâng lên hoặc hạ xuống, tương ứng làm quay trục encoder. Encoder là một đĩ a từ có 2048 khe. Đĩa từ được gắn với trục quay phao, khi quay sẽ làm cho đĩa từ quay quanh đầu đọc. Do vậy với mỗi vòng quay, đầu từ sẽ nhận được 2048 tín hiệu xung. Các xung này được khuếch đại, hình thành, tạo thành xung ra TTL. Kích thước trục encoder D quy định độ phân giải mức nước trong bình, khi chọn D= 6.7mm, tương ứng độ phân giải 0.01mm. Ngoài ra, hệ thống được bổ sung thêm bộ báo mưa (kiểu cầu đi ện trở), tín hiệu điều khiển nạp - xả từ hệ thống chính, tín hiệu báo đầy thùng đo. Đối với vũ kế Việt Nam, cần bổ sung thêm hệ thống phao. ¾ Đo phông vũ trụ: Thiết bị kiểm tra phông vũ trụ cho phép xác định sự biến động phông phóng xạ tự nhiên, là kết quả của các vụ nổ hạt nhân hoặc các vụ nổ b ắt nguồn từ vũ trụ. Máy đo phông bức xạ hạt nhân có thể là các máy đo liều hiện được sử dụng rộng rãi ở các cơ sở phóng xạ. Khi đó, ta có thể trích tín hiệu xung hoặc điện thế đo U (tỷ lệ với cường độ bức xạ) từ mạch đồng hồ đo và nối với lối vào số hoặc tương tự c ủa OPTO-22 (qua bộ chuyển đổi TRANS 420). Để tăng độ nhạy phép đo, máy đo phông bức xạ hạt nhân SCA-02TT được thiết kế gồm 1 detector nhấp nháy, bộ nguồn cao thế để nuôi ống nhân quang và tầng ngưỡng tạo tín hiệu số lối ra và được đưa tới lối vào số của OPTO-22. ¾ Bộ điều khiển PSCTRL-01 cấp nguồn cho Trạm từ Trung tâm: Sơ đồ điều khiển cấp nguồn cho Trạm từ Trung tâm được nuôi bằng pin hoặc ắcquy 9V. Ổn áp 7805 tạo thế nuôi Vcc cho sơ đồ. Modem được cắm điện trực tiếp vào lưới, còn hệ OPTO-22 nuôi qua ổ 220VAC/ For OPTO- 22 POWER. Ở trạng thái ngắt điện, relay K2 bị ngắt, điện từ lưới không tới được đường cấp nguồn cho OPTO-22. Khi qua đường điện thoại hoặc vô tuyến, Modem nhận được tín hiệu, qua ICL232 để chuyển mã RS232 thành mã TTL, gửi qua đường RXD và TXD vào bộ vi điều khiển 89C2051. Tín hiệu được nhận và xử lý, nếu đúng địa chỉ (từ 1: 25) và mã lệnh ON, sẽ điều khiển lối ra P1.5 lên mức cao, đóng relay K2, cấp điện cho OPTO-22. IC 89C2051 cũng điều khiển Q1 và relay K1 báo cho modem dữ liệu đã thu nhận và xử lý. Khi cần điều khiển ngắt điện từ xa, tín hiệu từ Modem được OPTO-22 xử lý. Sau khi trữ tất cả các dữ liệu hiện hành, OPTO- 22 sẽ tạo lệnh FROM CONTROLLER qua bộ liện kết quang, điều khiển IC 89C2051 để ngắt relay K2, ngắt điện cho hệ thống OPTO-22. Bộ ĐK nguồn từ xa PSCTRL-1 Bộ chuyển đổi U-I TRANS420 Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 97 Bộ chuyển đổi tốc độ gió WD-02 Bộ chuyển đổi hướng gió WS-02 Bộ chuyển đổi lượng mưa RF-02 Máy đo phông vũ trụ SCA-02TT Hình 2. Các bộ chuyển đổi chuẩn hoá 2.3. Thiết kế thiết bị Trạm - mạng SCADA cục bộ Hệ thống thiết bị Trạm (hình 1,2,3) gồm : • Các bộ chuyển đổi thiết kế ở trên (hình 2) gắn tương ứng với thiết bị hiện có. • Khung mở rộng cho phép lắp đặt bổ sung nhánh từ xa của Trạm, bao gồm: - Bộ vi xử lý SNAP-B3000 cho hệ thiết bị vào ra thông minh. - Khung gắn các khối vào/ra thông minh SNAPB8MC. - 4 khối tương tự 2 lối vào độc lậ p SNAP- AIMA cho phép đo dòng vào (0-20mA), phân giải 0.8 μA, độ chính xác 0.04%. Sử dụng để đo dòng từ các cảm biến bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, áp suất khí quyển… - Khối tương tự 2 lối vào độc lập SNAP- AICTD cho phép đo trực tiếp nhiệt độ từ cảm biến bán dẫn (khoảng đo -40 - +100 o C). - Khối logic 4 lối vào SNAP-IDC5 : Các giải tầm DC và AC khác nhau, tần số cao, tín hiệu cầu phương. Được sử dụng để thực hiện đo hướng gió, tốc độ gió, đo mưa và cường độ phông bức xạ hạt nhân. - Khối logic 4 lối ra SNAP-ODC5 : Các giải tầm DC và AC khác nhau, Rơ-le cơ khí. Dùng để thực hiện việc đóng xả bình đo mưa, cũng như tạo xung chuẩn để điều khiển việc đọc hướng gió. Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 98 Khối giao diện M4SSER AAA SNAP B3000 Khối điều khiển và xử lý SNAP-MODULE AIMA Khối tương tự 2 lối vào (4 khối) ANALOG BRICK Khối tương tự 2 lối vào Khối tương tự 2 lối vào đo nhiệt độ SNAP-MODULE AICTD: SNAP-G4 OD MODULE : Khối LOGIC 4 lối ra SNAP-G4 ID MODULE : Khối LOGIC 4 lối vào ) SNAP-G4 ID MODULE : Khối LOGIC 4 lối vào ) G4 DIGITAL IN. BRICK Khối LOGIC 4 lối vào G4 DIGITAL OUT. BRICK Khối LOGIC 4 lối ra Khung gắn 8 module có khối điều khiển B3000 SNAP 8 MODULE RACK WITH SNAP BRAIN M4PS12D -Khối nguồn nuôiI I/0 MODULES M4RTUM - Khối điều khiển trung tâm SNAP-AIMA SNAP-AIMA SNAP-AIMA SNAP-AIMA SNAP-AICTD SNAP-IDC5 SNAP-G4I DM SNAP-ODC5SRC ADDD DDDDD Trực xạ kế Thụ xạ kế Nhiệt xạ kế Nhật quangï kế 0 1 2 3 4 5 6 7 Độ ẩm Khí áp Hướng gió /WD-01 Tốc độ gió /WS-01 /Trans420 /Trans420 /Trans420 /Trans420 /Trans420 /Trans420 Nhiệt độ đất Nhiệt độ không khí 0 1 0 0 0 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 Bức xạ vũ trụ / SCA-02TT Gốc hướng gió /WS-01 Đo mưa /RF-01 Đo mưa /RF-02 Van xả mưa /RF-02 Van nhận mưa /RF-02 Đo tốc độ gió /WS-02 Đo hướng gió /WS-02 Đọc hướng gió /WS-02 ON-OFF nguồn/PSCTRL-1 Báo mưa-thời gian mưa /RF-02 Dự phòng Dự phòng Hình 3. Cấu hình Trạm KTTV • Bộ điều khiển M4RTU chứa 2 bộ vi xử lý: Một bộ 32 bit G4LC32SX 32/ 68020μP cho chương trình điều khiển và truyền số liệu và bộ vi xử lý 16 bit - 80C196μP cho điều khiển giao diện I/O. Khối I/O bao gồm bộ I/O G4D16L (8 modul số G4 I/O) và một bộ I/O analog G4AL (4 modul tương tự G4 I/O) dùng để thực hiện điều khiển ON-OFF nguồn, và chứa các kênh dự phòng của h ệ thống. • Modem (nối với M4RTU Controller) và máy thu phát: Mọi dữ liệu mà hệ thống thu thập được lưu trữ trong bộ nhớ M4RTU Controller và được trao đổi với Trung tâm theo chương trình của Trung tâm. Với phần cứng của thiết bị đã được cài đặt, phần mềm OptoControl được dùng để xây dựng cấu hình truyền thơng giữa PC và M4RTU/DAS, cấu hình các bộ (I/O Units) và các điểm (I/O Points), để phát triển và chạy các chiến lược điều khiển. Chương trình hoạt động thu thập dữ liệu cho Trạm dựa trên chương trình cơ sở của OPTO 22: - Thu thập các thơng số khí tượng từ dụng cụ đo. - Lưu trữ các mẫu dữ liệu định kỳ (cứ vài phút một lần) - Lưu trữ các mẫu dữ liệu quan trắc theo thời điểm quan trắc. - Xử lý s ơ bộ kết quả. Trao đổi dữ liệu với Trung tâm. Phần mềm OptoDisplay được dùng đề hiển thị đồ hoạ kết quả. Trên hình 4 giới thiệu một vài giao diện tại Trạm KTTV. Hình 4. Một vài giao diện tại Trạm KTTV 2.4. Thiết kế thiết bị Trung tâm - mạng SCADA tồn cục Trên cơ sở cấu hình thiết bị Trung tâm (hình 1), việc tổ chức mạ ng SCADA mở rộng cho hệ thống nhiều Trạm trong lĩnh vực KTTV sử dụng thiết bị OPTO 22 bao gồm: - Xây dựng hệ thống truyền số liệu KTTV giữa các Trạm và Trung tâm. - Viết chương trình điều hành mạng SCADA của nhiều Trạm KTTV. - Viết chương trình quản lý số liệu, lưu trữ và vẽ đồ thị sự thăng giáng của các thơng số KTTV trong ngày, trong tuần, trong tháng và trong năm để phục vụ cho cơng tác KTTV. Hệ thống SCADA cho KTTV như vậy có hai mạng quản lý: - Các Trạm khơng có máy tính thực hiện liên kết với máy tính Trung tâm/ kiểm sốt MRTU theo dạng Master/Slave. - Các Trạm có máy tính – là các hệ SCADA cục bộ, liên kết với máy tính Trung tâm theo dạng Client/Server. 2.4.1 Giao tiếp giữa Trung tâm và các Trạm kiểu phụ thuộc Master/ Slave Giao tiếp kiểu phụ thuộc của Trung tâm và các Trạm (Master/Slave) được thực hiệ n thơng qua mạng Polling (giao thức mạng gọi vòng) của thiết bị Trung tâm (Master) đến các thiết bị Trạm (Slave) để lấy thơng tin. Trong đó chỉ có Trung tâm khởi xướng sự giao tiếp. Các thiết bị Slave khơng thể khởi đầu sự giao tiếp; chúng chỉ có thể đáp ứng các u cầu từ máy chủ. Những gì xảy ra sau đó là máy chủ đều đặn lấy thơng tin từ các thiết bị Slave, hoặc gởi thơng tin đến các thiế t bị Slave. Do việc ghép nối mạng giữa Master và các Trạm slave từ xa nên hệ thống sử dụng cáp truyền nối tiếp ( thơng qua đường điện thoại hoặc hệ thống modem thu phát) để giao tiếp với nhau. Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 99 Trạm Slave: Mỗi Trạm gồm một thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu (Opto Slave). Máy tính PC có thể có tại Trạm sử dụng để theo dõi và điều khiển hoạt động của Trạm cũng như lưu trữ số liệu. Sau khi thực hiện nhiệm vụ thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu thu thập được, Trạm Slave sẽ kiểm tra tín hiệu trên đường truy ền để thực hiện việc: - Chuyển các mẫu dữ liệu định kì và các mẫu dữ liệu tại kỳ quan trắc về Trạm Trung tâm khi có yêu cầu. - Thực hiện chức năng ONLINE (từ Trạm Trung tâm có thể xem các thông số khí tượng tức thời của Trạm Slave) khi có yêu cầu từ Trạm Trung tâm. Lưu đồ tổng quát của Slave được thiết kế gồm các bước Wait_for_connect (ch ờ kết nối) được khởi động bởi biểu đồ “Main_Ctr” và có chức năng chờ bộ điều khiển Master kết nối với nó Chương trình Slave_Communication_Cxf được sử dụng để gởi hoặc nhận bảng. Master: gồm một OptoMaster ghép nối với một máy tính PC thông qua đường điện thoại, kết nối với các Trạm slave để thu nhận dữ liệu, lưu trữ trên hard disk. Máy tính Master có nhiệm vụ: - Kết nối lần lượt với Trạm Slave tại mỗi thời điểm quan trắc (thời điểm quan trắc này được đặt bởi các nhân viên của Trung tâm) để thu nhận các bảng dữ liệu định kì và bảng dữ liệu quan trắc. - Cho phép xem các thông số khí tượng tại bất kì Trạm slave nào một cách tức thời - Thực hiện được việc đ óng mở nguồn điện (ON_OFF_POWER) cung cấp cho các Trạm Slave. - Tự động tổng hợp tất cả các số liệu quan trắc trên các Trạm để cho ra một bản tin khí tượng tổng hợp. - Cung cấp thêm các công cụ cho phép tìm kiếm nhanh một mẫu tin khí tượng theo ngày, tháng và năm. Công cụ này cũng cho phép thành lập các giản đồ thể hiện sự biến thiên của một thông số khí tượng nào đó theo thời gian trên màn hình PC và trên giấy (độ dài của trục thời gian trong các giản đồ này đúng bằng khoảng thời gian giữa hai lần quan trắc kế tiếp nhau). Thuật giải máy chủ ngoài các biểu đồ “Powerup” và “Interrupt” có sẵn trong tất cả các thuật giải, nó còn chứa sáu biểu đồ khác (6 chart): Biểu đồ “Powerup”: khởi động các biểu đồ ”Polling_Control”, “Sub_Chart” và cũng làm biểu đồ “Interrupt” dừng lại. ”Polling_Control” Là chương trình chính của Master, chươ ng trình này thực hiện các chức năng: - Kiểm tra liên tục thời gian quan trắc của Trạm và thời gian thực của hệ thống. - Khi đến thời điểm quan trắc, thực hiện việc khởi tạo chart Receive Data_Period để cập nhật và lưu trữ các số liệu khí tượng. - Khởi tạo chart Receive_Data_Online cho phép xem các thông số khí tượng tại Trạm slave một cách tức thời (ONLINE) khi có yêu cầu. - Thực hiện vi ệc khởi tạo chart đóng mở nguồn “Start_Power” của Trạm slave. “Receive_Data_Online“ và “Receive Data_Period” liên quan đến việc lấy các bảng dữ liệu định kì và bảng dữ liệu quan trắc từ các Trạm slave, khi đuợc chart Polling_Control gọi. “Start_Power” có nhiệm vụ điều khiển việc đóng mở nguồn cho hệ thống slave. “Sub_Chart” được người sử dụng khởi động nhằm cung c ấp thêm các công cụ cho phép tìm kiếm nhanh một mẫu tin khí tượng theo ngày, tháng và năm. Công cụ này cũng cho phép thành lập các giản đồ thể hiện sự biến thiên của một thông số khí tượng nào đó theo thời gian trên màn hình PC và in ấn các thông số khí tượng tại Trạm slave bất kì. ”Data_Display” là chương trình tự động tổng hợp tất cả các số liệu quan trắc trên 25 Trạm tại thời điểm quan trắc để cho ra m ột bản thông tin khí tượng tổng hợp. Ngoài ra còn có thư mục con chứa tám chương trình con, gồm: - Khởi động Modem (Start Modem) - Quay số Modem (Modem Dial) - Gác Modem (Disconnect Modem) - Di chuyển bảng số thực đến bảng số thực (Move Float Table to Float Table) - Di chuyển bảng số nguyên sang bảng số nguyên. (Move Integer Table to Interger Table) - Gởi đi bảng số thực (Send Float Table) - Gởi đi bảng số nguyên (Send Iteger Table) - Gở i đi bảng chuỗi (Send String Table) 2.4.2 Giao tiếp giữa Trung tâm và các Trạm kiểu Client/Server Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 100 Trong quá trình phát triển của hệ thống, khi mỗi Trạm đều có máy tính, mạng kiểm soát kiểu phụ thuộc Master/Slave sẽ dần dần bị loại bỏ. Mạng thay thế MisticNet sẽ là kiểu ngang bằng Client/Server . Mạng này thực hiện theo 2 cách: - Ghép nối máy tính Trạm với máy tính chính ở Trung tâm qua đường Modem qua cổng COM1. - Ghép nối máy tính kiểm soát MRTU ở Trung tâm với máy tính chính qua cổng COM2 Trong đó, cả 2 cách ghép đều có thể thực hiện theo cùng 1 kiểu Client/Server và ứng dụng phần mềm cơ sở OptoServer. Khi đó, máy tính chính ở Trung tâm sẽ đóng vai trò Data Server, quản lý trường dữ liệu thu thập từ các Trạm và phân phối dữ liệu và điều khiển theo kế hoạch hoặc đòi hỏi phục vụ. Việc cài đặt đồng thời các phần mềm cơ sở OptoControl, OptoDisplay và OptoServer trên cùng một máy tính cho mỗi nhánh mạng cho phép thực hiện các chức năng t ương ứng. Đối với máy tính mạng khai thác ở Trung tâm (Users), chỉ cần cài đặt OptoServer và OptoDisplay. Như vậy trên máy tính khai thác sẽ có một thiết kế OptoDisplay chạy theo Data Server. Trên máy mạng có thể triển khai các chương trình máy tính. Việc cài đặt OptoServer theo kiểu hộp thoại chung với OptoControl và OptoDisplay khá dễ dàng. OptoServer không can thiệp vào các phần mềm điều khiển và hiển thị đã được thiết kế trước đây mà nó chỉ là công cụ hỗ trợ mạng s ử dụng OPTO 22. Trên hình 5 giới thiệu một số giao diện thiết kế trên hệ thống Trung tâm. Bảng điều khiển chính Bảng biểu diễn kết nối Bảng hiển thị thông số đo Bảng kết quả đo Hình 5. Một vài giao diện tại hệ thống Trung tâm 3. KẾT LUẬN: Trên cơ sở nghiên cứu các yêu cầu thực tiễn và các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực SCADA, sau khi lựa chọn phương pháp và thiết bị, mô hình SCADA cho khí tượng thuỷ văn (KTTV) trên cơ sở sử dụng các thiết bị của OPTO—22 kiểu Slave/Master được xây dựng ở trên đã thu được những kết quả sau: • Khảo sát mạng KTTV khu vực Nam Bộ và thiết kế mô hình SCADA mở rộng cho hệ thống kiểm soát KTTV cho nhiều Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 1 ISS_HUTECH – 15/04/2010 Proceedings of the 1 st Conference on Science and Technology 101 trạm, với mỗi Trạm được xây dựng như 1 hệ SCADA cục bộ. • Nâng cao mức điều khiển tự động SCADA cho thiết bị trạm. - Hoàn thiện và bổ sung các thiết bị chuyển đổi, ghép nối với các loại máy ở trạm KTTV, đặc biệt là các máy đo gió, mưa, điều khiển nguồn từ xa. Phương pháp này cho phép khai thác tối đa các thiết bị đo lường quy chuẩn đang có trên trạm, cho phép tiết kiệm đầu tư, nâng cao hiệu quả khai thác. - Thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển trên trạm để đo tự động mức giáng thuỷ và đo cường độ bức xạ phóng xạ vũ trụ. • Tổ chức mạng SCADA mở rộng ghép nối nhiều trạm - Xây dựng lại phần mềm Master/Slave ở chế độ quét các trạm hoặc một số trạm chỉ định - Xây dựng phần mềm Client/Master cho mạng SCADA - Tổ chức lập trình hoạt động cho toàn hệ thống trên cơ sở phần mềm OPTO 22/ Factory Floor. - Viết chương trình biểu diễn và quản lý số liệu. Các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên cho thấy mô hình SCADA mở rộng cho hệ thống kiểm soát KTTV với mỗi Trạm là hệ SCADA cục bộ trên cơ sở OPTO-22, với cấu hình mở (cho phép ghép nối các thiết bị các loại hiện có ), làm việc với 2 kiểu: phụ thuộc Master/Slave và ngang bằng Client/Master có tính hợp lý, giá thành thấp. Các kết quả thử nghiệm hiện trường /5/ khi ghép nối với 1 Trạm KTTV và kết nối Trung tâm cho thấy hệ thống hoạt động tin cậy và có khả năng ứng dụng thực tiễn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Quy Phạm 94TCN5-90 về quan trắc bức xạ (ngày 27.08.1990) của Tổng cục Khí Tượng Thuỷ văn và Quy Phạm 94TCN6-90 về quan trắc khí tượng bề mặt (ngày 10.09.1990) của Tổng cục Khí Tượng Thuỷ văn. 2. Một số tiêu chuẩn tạm thời về môi trường của Bộ Khoa Học Công Nghệ và Môi Trường (1993). 3. SCADA System: - Water Treatment and Distribution, City of Leipzig, 1997 - Steven A. Walker, Brush Wellman Engineered Metals: Automated Boiler Control & Water Treatment System Keeps Mill On Line, 1998 - Richland County, SC, Department of Publicwirks: Remote Waste Water Management, 1998 4. OPTO-22 PRODUCT SUPPORT SERVICES - Remote Automation System M4RTU, User’s Guide, 5. 1997 - PC BUS-based Controller G4LC32ISA-LT , User’s Guide, Form 735, 7. 1996 - Brain Boards, Form 787, OPTO 22, 1997. - I/O modules User’s Guide, 5. 1997 - OptoControl – Command Reference, Form 725, 5.1996 - OptoDisplay – Command Reference, Form 725, 5.1996 - OptoServer – Command Reference, Form 722-0515, 5.1996 5. Nguyễn Ngọc Lâm. Báo cáo đề tài nhà nước mã số KHCN-04-07-02 về “Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm SCADA trong quản lý và cải tạo môi trường”. 5/1999.