Trong hệ thống điều khiển giám sát, cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình sản xuất. Còn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các thiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối qua các kênh truyền thông.
Các thành phần chính trong hệ thống SCADA:
Quá trình sản xuất: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ
cấu chấp hành.
Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều
khiển khả trình PLC (Programmable logic controller), các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) hoặc máy tính PC với các phần mềm điều khiển tương ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI,
các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường,
bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.
Quá trình sản xuất Cảm biến Chấp hành Thiết bị điều khiển tự động
Hệ thống SCADA
Hình 1-8: Cấu trúc hệ thống SCADA 1.5.2. Phân cấp chức năng trong hệ SCADA
Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hoá của một hệ thống điều khiển và giám sát người ta thường sử dụng mô hình như Hình 1-9. Với loại mô hình này các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên. Càng ở những cấp
chức năng ở cấp dưới nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô hình phân cấp chức năng:
Cấp chấp hành:
Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển.
Cấp điều khiển:
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác nhấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay,… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (Field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với quá trình sản xuất.
Hình 1-9: Phân cấp chức năng trong hệ SCADA
Cấp điều khiển giám sát:
Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường.
Thông thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều
khiển và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và điều hành
sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp. Gần đây, do nhu cầu tự động hoá tổng thể kể cả
ranh giới giữa cấp điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp điều hành.
1.5.3. Hệ thống quản lý năng lƣợng EMS
Hệ thống EMS (Energy Managment System) bao gồm các thành phần chính sau
đây:
Điều khiển phát điện:
Điều khiển phát điện tự động (Automatic Generation Control - AGC)
Phối hợp thủy điện (Hydro Coordination)
Vận hành kinh tế (Economic Dispatch)
Kế hoạch mua/bán điện
Phân tích lƣới điện:
Đánh giá trạng thái (State Estimation)
Phân tích chế độ đột biến ( Contiguency Analysys)
Kế hoạch sửa chữa
Tính toán ngắn mạch
Tính toán trào lưu công suất (DLF)
Tối ƣu và điều khiển lƣới điện
Các chức năng đào tạo: - Mô phỏng đào tạo điều độ
- Huấn luyện theo các kịch bản sự kiện v.v.
1.5.4. Hệ thống DMS
- Các phương thức đóng cắt, tách lưới khi có sự cố và phục hồi cấp điện cho khách hàng sau sự cố được lên kế hoạch trước.
- Hỗ trợ sự ổn định lưới điện: thu thập các giá trị đo của rơle bảo vệ quá dòng. Tự động sa thải phụ tải.
- Ghi nhận các nguyên nhân sự cố, thống kê tần suất, vị trí hỏng hóc để làm các báo cáo sự cố.
- Giao tiếp người/mở: tạo thuận lợi tối đa cho vận hành viên thu nhập dữ liệu và quan sát đến tận sơ đồ chi tiết của từng khu vực.
- Dữ liệu của lưới phân phối có khối lượng rất lớn nên nhiều bảng biểu được chuyển thành dạng đồ họa.
- Đánh giá trạng thái, tính toán trào lưu công suất, tính toán tổn thất của lưới điện phân phối.
- Yêu cầu cấp nguồn điện trước 30 phút, tính toán giá điện tối ưu theo từng thời điểm.
- Các hệ chuyên gia cho lưới trung áp: Phân tích sự cố, hướng dẫn về đóng cắt tối ưu, về phân chia tải.
1.6. Sơ đồ khối hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA gồm 4 thành phần, thứ nhất là các thiết bị đầu cuối xa RTU
(Remote terminal unit), bộ tập trung dữ liệu (Data concentrator), liên kết hệ thống điều khiển với các thiết bị trường: thu thập dữ liệu từ thiết bị trường và truyền các lệnh điều khiển từ trạm điều khiển tới thiết bị cấp trường. Các hệ SCADA hiện đại thường gồm bộ tập trung dữ liệu và các thiết bị điện tử thông minh IED(Intelligent electronic device), thay thế cho các bộ RTU truyền thống. Hiện nay, các hệ thống mới chỉ sử dụng các IED trong khi đó, các hệ cũ thường dùng RTU, hoặc cả RTU và IED đối với các hệ lai.
Thành phần thứ hai trong SCADA là hệ thống truyền thông, có nhiệm vụ truyền dữ liệu được đo đạc bởi các RTU đến phòng điều khiển và truyền lệnh điều khiển từ trạm chính tới RTU hoặc bộ tập trung dữ liệu. Truyền thông là thành phần rất quan trọng trong các hệ SCADA nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa hệ thống điện, do các thiết bị của hệ thống phân tán trên phạm vi địa lý rộng, và các thông tin truyền tải phải bị giới hạn về thời gian truyền
Thứ ba là trạm điều khiển trung tâm, tại đó người vận hành theo dõi và đưa ra các quyết định điều khiển hệ thống.
Thứ tư là giao diện người máy HMI(Human – machine interface), đóng vai trò giao
diện giữa người vận hành với máy tính điều khiển.
Tất cả các hệ thống tự động hóa về cơ bản đều gồm bốn thành phần như trên, ngoài ra tùy từng lĩnh vực mà thành phần nào được chú trọng hơn. SCADA trong hệ thống điện tập trung vào trạm điện khiển chính và giao diện HMI, trong khi đó ở các quá trình sản xuất, các bộ điều khiển được chú trọng hơn.
Hình 1-10: Các thành phần trong hệ SCADA 1.7. Thiết bị đầu cuối ở xa RTU
Các thiết bị đầu cuối ở xa RTU có thể được ví như đôi mắt và cánh tay của một hệ
thống SCADA. Trước kia, RTU đóng vai trò như một thiết bị tớ (Slave) của trạm trung
tâm, nhưng ngày nay các RTU được đã được trạng bị các bộ vi xử lý, cho phép chúng thu thập dữ liệu từ thiết bị trường, xử lý và gửi dữ liệu tới trạm chủ thông qua hệ thống truyền thông, trợ giúp cho việc quan sát tình trạng của hệ thống. Đồng thời, các RTU
Các thiết bị xa của hệ thống giám sát được đặt tại các trạm xác định, được nối dây để thực hiện thao tác chức năng nào đó. Trong các RTU hiện đại có trang bị bộ xử lý với bộ nhớ và khả năng suy luận logic, một vài thao tác có thể được thực hiện mà không cần chỉ thị của thiết bị chủ. Tuy nhiên, các thao tác này cần phải báo cho thiết bị chủ khi nó quét tới RTU này. Ngoài ra RTU có thể điều khiển được một số thiết bị tại chỗ khác như bộ điều khiển logic có khả năng lập trình (PLC). Như vậy RTU có trang bị bộ xử lý có thể đảm đương một số chức năng của thiết bị chủ, do đó số lượng đường dây thông tin cũng như công suất truyền tải có khả năng được giảm thiểu.
Các sơ đồ đo lường trong RTU được dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự như dòng điện, điện áp, công suất tác dụng, công suất vụ công.... thành dòng điện hay điện áp một chiều tỉ lệ với đại lượng cần đo và nhờ các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) thành dạng số để chuyển về thiết bị chủ - thông qua các module.
Các thông tin trạng thái của các thiết bị: mở cắt đóng hay mở, động cơ làm việc hay không làm việc... được lưu trữ trong các thanh ghi trạng thái của bộ nhớ động trong mỗi thiết bị đầu cuối. Bằng cách đó thiết bị chủ có thể được cung cấp thông tin về tình trạng làm việc của trạm sau mỗi lần quét tới các RTU của trạm.
Một số thiết bị đầu cuối được trang bị chức năng ghi nhận sự kiện. Sự kiện ở đây có thể là một sự cố, một thao tác vận hành hay một trạng thái làm việc nhiễu loạn của trang thiết bị. Trong phần lớn trường hợp, chức năng ghi nhận sự kiện để ghi nhận các sự kiện khác. Hiện nay, để nâng cao khả năng phân tích này, người ta tăng tần số lấy mẫu tham số (điện áp, dòng điện) có khi lên tới 128 mẫu trong một chu kỳ công nghiệp (tức 20 s) nên có thể tách được sóng hài với độ chính xác cao.
Các thông tin chủ yếu mà các RTU liên tục truyền về trung tâm điều khiển là: - Các tín hiệu rời rạc từ xa RS (Remote Signalling).
- Các giá trị đo lường từ xa RM (Remote Measuring).
- Các cảnh báo (Alams).
Các lệnh điều khiển từ xa mà RTU có thể thực hiện là:
- Các lệnh điều khiển đóng/mở mở cắt, dao cách ly, lệnh chuyển nấc của mở biến
áp từ xa (Digital Remote Control).
- Các lệnh điều khiển liên tục từ xa (Analog Remote Control).
1.7.1. Các thành phần trong RTU
Hình 1-11: Các thành phần cấu tạo RTU
RTU có cấu tạo gồm các thành phần chính sau đây: Phân hệ truyền thông:
Phân hệ truyền thông là giao diện giữa mạng truyền thông SCADA với khối xử lý của RTU. Bộ phận này nhận các bản tin từ máy chủ, thông dịch và thực thi bản tin, RTU cũng gửi bản tin báo hoàn thành tác vụ về trạm chủ. Đồng thời thu thập dữ liệu từ cấp trường, xử lý và truyền về máy chủ. RTU cũng có thể giao tiếp với một hoặc nhiều máy chủ.
Phân hệ logic:
Phân hệ logic (Logic subsystem) gồm bộ xử lý chính và lưu trữ dữ liệu, có nhiệm vụ quản lý tất cả các quá trình khác xảy ra trong RTU: chuyển đổi ADC, tính toán, … Phân hệ đầu cuối:
Phân hệ đầu cuối (Termination subsystem) đóng vai trò giao diện giữa RTU với các hệ thống bên ngoài như: dây truyền thông, các thiết bị khác trong trạm, đồng thời cách ly và bảo vệ phân hệ logic với môi trường bên ngoài.
Bộ phận cấp nguồn:
RTU có bộ phận cấp nguồn riêng, thường được lấy từ hệ thống nguồn một chiều của trạm biến áp.
Phân hệ kiểm tra và giao diện ngƣời – máy:
Hình 1-12: Một thiết bị RTU trong TBA 1.7.2. Phân hệ truyền thông
Phân hệ truyền thông đóng vai trò là giao diện giữa mạng truyền thông SCADA với khối xử lý logic của RTU. Các bản tin gửi từ trạm chủ được nhận và xử lý bởi đơn vị truyền thông. Sau đó RTU thực hiện các câu lệnh tương ứng với nội dung bản tin trên thiết bị trường, sau đó gửi bản tin xác nhận về trạm chủ.
Đơn vị này cũng nhận các dữ liệu từ mức trường, xử lý và gửi các thông tin lên trạm chủ thông qua mạng truyền thông SCADA.
Như vậy, phân hệ truyền thông của RTU chịu trách nhiệm thông dịch và định dạng các bản tin nhận được gửi đi/nhận từ trạm chủ, nó bao gồm các chức năng sau:
Giao thức truyền thông: Có nhiều giao thức truyền thông khác nhau cùng tồn
tại trong hệ thống tự động hóa, đơn vị truyền thông của RTU phải được thiết kế để định dạng vào giải mã các giao thức yêu cầu.
Bảo mật bản tin: Dữ liệu trong hệ thống SCADA rất quan trọng, việc mất mát
dữ liệu có thể dẫn đến những hệ quả nguy hiểm. Có nhiều phương thức để bảo mật các bản tin: kiểm tra chẵn – lẻ, mã CRC (Cyclic redundancy check), …
Truyền thông đa kênh: các RTU hiện đại trong hệ SCADA phải truyền thông
với nhiều trạm chủ, đồng thời cũng phải giao tiếp với các RTU và IED ngang hàng khác với nhiều giao thức khác nhau.
1.7.3. Phân hệ logic
Phân hệ logic chứa bộ xử lý và điều khiển trung tâm của RTU. Các RTU hiện đại ngày nay cho phép thực hiện một số chức năng nâng cao, góp phần giảm tải cho trạm chủ bên cạnh 2 chức năng chính: thu thập, xử lý dữ liệu và thực thi lệnh điều khiển.
Các chức năng chính của RTU là định thời, thu thập dữ liệu và xử lý. Định thời:
Thứ tự xảy ra các sự kiện (SOE – Sequence of events) là một vấn đề quan trọng trong hệ thống điện, phân hệ logic phụ trách ghi lại chuỗi sự kiện xảy ra trong các RTU. RTU cũng thực hiện nhiều chức năng khác dựa trên thời gian. Trạm chủ và RTU hỗ trợ việc đồng bộ hóa thời gian thông qua các bộ thu GPS (độ phân giải tới 1ms).
Một số RTU được đồng bộ hóa từ trạm chủ (6 đến 8 ms). Các sự kiện được ghi lại với chu kỳ tới 1ms.
Thu thập và xử lý dữ liệu:
Các RTU có thể làm việc với cả tín hiệu dạng tương tự hoặc tín hiệu số. Các tín hiệu tương tự được thu thập từ cảm biến gắn trên thiết bị, ví dụ như các tín hiệu dòng điện và điện áp trên đường dây/máy biến áp. Các RTU thế hệ đầu có các mô đun chuyển đổi ADC, nối với thiết bị trường để đo đạc các tín hiệu. Ngày nay với các tiến bộ trong công nghệ ADC và mạng truyền thông, các thiết bị trường cũng được trang bị các bộ xử lý và có thể truyền trực tiếp tín hiệu số tới RTU thông qua mạng LAN. Thu thập dữ liệu số:
Các tín hiệu số chỉ gồm 2 giá trị, có thể là trạng thái đóng/ mở của một tiếp điểm, bât/ tắt của một thiết bị. Các tín hiệu số có thể được thu thập bằng các cách sau:
- Trạng thái hiện thời của tín hiệu.
- Trạng thái hiện thời có nhớ.
- Chuối sự kiện (SOE), với các tag thời gian.
- Giá trị cộng dồn: đếm số lần theo thời gian.
Việc thu thập tín hiệu số có thể thực hiện bằng cách quét tất cả các đầu vào hoặc thu thập dựa trên cơ chế ngắt. Chỉ các RTU có bộ xử lý bên trong mới thích hợp cho việc ghi các chuỗi sự kiện SOE.
Thu thập dữ liệu tƣơng tự:
Các tín hiệu tương tự, có thể là điện áp/dòng điện theo thời gian, thường được