CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TRẠM ĐIỆN PHÂN PHỐI
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 chuyển thành tín hiệu dòng 4 ÷ 20 mA bằng các bộ chuyển đổi thích hợp. Cá biệt có một số trường hợp sử dụng chuẩn – 1 ÷ 1 mA. Các mạch chuyển đổi ADC sau đó chuyển những tín hiệu tương tự này sang dạng nhị phân để RTU có thể xử lý được.
Các tín hiệu tương tự được sử dụng phải có khả năng kháng được các nhiễu điện từ trong trạm biến áp.
Các tín hiệu của mạch dòng 4 ÷ 20 mA có thể kháng lại các nguồn nhiễu trong trạm và là chuẩn đầu vào thích hợp nhất cho các bộ chuyển đổi A/ D. Ngưỡng dòng 4 mA được dùng để phát hiện sự cố đứt dây, bởi vì khi đó dòng điện sẽ trở về 0 mA. Phân hệ logic của RTU cũng có thể thực hiện nhiều chức năng khác như lọc tín hiệu, tuyến tính hóa, kiểm tra/ cảnh báo các giá trị tới hạn, … nhằm giảm tải cho mạng truyền thông và trạm chủ. RTU thường có nhiều đầu vào tương tự, thông qua các bộ dồn kênh để đưa tới ADC. Với hệ thống dựa trên nền tảng vi xử lý, những đầu vào của các tín hiệu quan trọng có thể được quét thường xuyên hơn so với những đầu vào còn lại.
Các đầu ra tƣơng tự:
Các đầu ra analog được dùng để thay đổi điểm làm việc cho các biến quá trình, như tốc độ động cơ truyền động, mức chất lỏng trong bình, … Chúng thường là các tín hiệu dòng, có độ lớn tỷ lệ với lượng đặt gửi đến từ trạm chủ.
Đầu ra số
Các đầu ra số (đầu ra tiếp điểm) là các lệnh gửi bởi RTU để đóng/ mở các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, … hoặc các chuyển mạch khác. Đầu ra số thường đóng/ mở cho rơ le trung gian, sau đó mới đưa tới điều khiển các thiết bị khác trong trạm. Trong công nghiệp và hệ thống điện sử dụng rất nhiều loại đầu ra này. Các đầu ra tiếp điểm (Contact output) được chốt và giữ nguyên trạng thái cho tới khi có các lệnh điều khiển khác.
Đầu vào xung:
Đầu vào dạng xung biểu diễn một giá trị số nào đó, giống như các đầu vào tương tự, tuy nhiên chúng được xếp vào một loại riêng. Có hai loại: các xung được đếm liên tục hoặc các xung được đếm trong một khoảng thời gian. Trong hệ SCADA của trạm, đầu vào xung thường được dùng cho việc đo đếm điện năng tiêu thụ từ các đồng hồ công suất.
Đầu ra xung
Các đầu ra xung là dạng đặc biệt của đầu ra số, nó thay đổi trạng thái on/off với số lần định trước. Loại đầu ra này chủ yếu được sử dụng trong các quá trình công nghiệp, nhưng ngày nay hiếm khi được dùng tới, sự tồn tại của nó nhằm tương thích với các thiết bị cũ.
1.7.4. Phân hệ đầu cuối
Phân hệ đầu cuối là giao diện giữa RTU – một thiết bị điện tử, với thế giới bên ngoài. Chức năng chính của nó là bảo vệ RTU khỏi các tác động từ ngoài môi trường như: quá áp, sét, ngược điện áp, phóng tĩnh điện (ESD), nhiễu trường điện từ (EMI), hoặc nhiệt độ, độ ẩm, …
Đối với các đầu vào số của RTU, thường được đưa qua các rơ le trung gian, cấp nguồn bằng hệ thống pin, do đó cách ly được với thiết bị trường. Các bộ cách ly quang cũng thường được sử dụng trong RTU.
Đối với các đầu vào analog, thường đến từ các bộ chuyển đổi, cảm biến, cặp nhiệt, … bản thân chúng đã được cách ly về điện. Các tín hiệu 4 – 20 mA từ những thiết bị này được đưa trực tiếp tới bộ ADC thông qua các cầu chì và được nối đất ở phía RTU.
1.7.5. Phân hệ kiểm tra và giao diện ngƣời máy
RTU nhìn chung được đặt ở các vị trí xa xôi, khó thao tác, thường không có các màn hình hiển thị riêng. Bảng điều khiển của RTU thường chỉ có các đèn LED để chỉ thị trạng thái của card chức năng trong RTU.
RTU thường có chương trình con để kiểm tra phần cứng/ phần mềm và hiển thị trên panel điều khiển. Kết quả kiểm tra và các thông tin liên quan được gửi tới trạm chủ. Nhờ việc giám sát liên tục của firmware trong RTU mà các sự cố có thể được nhận diện và thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Phần mềm chẩn đoán card có thể được chạy ở trạm chủ để xác định card có vấn đề và tiến hành sửa chữa.
Giá thành thấp của LED, LCD cho phép RTU được trang bị các màn hình hiển thị riêng, cho phép người vận hành dễ dàng thao tác khi cần.
1.7.6. Các tính năng khác của RTU
Với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và mạch tích hợp, RTU ngày nay có nhiều chức năng và đa dụng với những CPU nhanh hơn, nhiều bộ nhớ hơn, khả năng tính toán mạnh hơn.
Trong công nghiệp điện năng, có thể kể tới một số khả năng khác của RTU như sau: Khả năng hoạt động đa cổng và đa giao thức:
Khi hai trạm chủ yêu cầu dữ liệu từ một trạm biến áp, xu hướng sẽ là lắp đặt hai RTU, mỗi thiết bị báo cáo tới một trạm chủ với cùng bộ tham số. Với hệ thống logic dựa trên nền vi xử lý, khả năng tính toán lưu trữ mạnh hơn, một RTU có thể báo cáo đồng thời tới nhiều trạm chủ.
Đôi khi các RTU cũng phải truyền thông với nhiều thiết bị khác để thực hiện chức năng điều khiển nào đó, điều này yêu cầu phải có nhiều cồng truyền thông. Trong trường hợp này, giá thành và độ phức tạp của firmware sẽ tăng lên, tuy nhiên giá thành tổng để cài đặt và vận hành hệ thống lại giảm xuống.
Phân hệ logic của RTU có một cơ sở dữ liệu dùng chung để lưu trữ thông tin của các công vào/ra và các cơ sở dữ liệu thứ cấp tương ứng với các trạm chủ khác nhau. Giao thức sử dụng để truyền thông với mỗi trạm cũng có thể khác nhau, vì vậy mà RTU phải có khả năng hoạt động đa giao thức.
Ví dụ: RTU ở một trạm biến áp sẽ phải truyền thông đồng thời với các máy chủ cục