CHƢƠNG 2 : HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SCADA ĐIỆN LỰC
2.5. Truyền thông dữ liệu
2.5.4. Các kỹ thuật phát hiện lỗi
Trong quá trình truyền dẫn, mặc dù đã sử dụng kỹ thuật truyền tín hiệu số nhưng do tác động của nhiễu và do chất lượng môi trường truyền dẫn mà thông tin được truyền tải cũng không tránh khỏi bị sai lệch. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để hạn chế lỗi cũng như khi đã xảy ra lỗi thì phải có biện pháp khắc phục. Có thể phân loại lỗi như sau:
Lỗi phát hiện được, không sửa được.
Lỗi phát hiện được nhưng sửa được.
Lỗi không pháp hiện được.
Biện pháp thứ nhất là sử dụng các thiết bị phần cứng cao cấp và các biện pháp bọc lót đường truyền để giảm thiểu tác động của nhiễu. Song đây chỉ là một biện pháp hạn chế mà không thể loại trừ hoàn toàn khả năng bị lỗi. Mặt khác, giá thành cao cũng là một yếu tố cản trở việc thực hiện phương án này.
Biện pháp thứ hai là sử dụng các giao thức để phát hiện lỗi. Khi đã phát hiện được lỗi, có thể có cách khôi phục dữ liệu, hay đơn giản hơn là yêu cầu gửi lại dữ liệu.
Các kỹ thuật phổ biến được sử dụng trong SCADA hệ thống điện là kiểm tra chẵn lẻ, phát hiện lỗi Checksum và mã vòng CRC.
a) Kiểm tra chẵn lẻ (Parity check)
Đây là phương pháp kiểm tra lỗi đơn giản nhất. Trong đó, một bit được thêm vào trong dữ liệu gửi đi. Tùy theo tổng số các bit 1 trong thông tin nguồn là chẵn hay lẻ mà ta thêm vào một bit thông tin phụ trợ p = 0 hoặc p = 1, gọi là bit chẵn lẻ (parity bit). Phương pháp này rất đơn giản và hiệu quả. Giá trị của bit chẵn lẻ p phụ thuộc vào cách chọn:
Nếu chọn parity chẵn, thì p = 0 khi tổng số bit 1 là chẵn.
Nếu chọn parity lẻ, thì p = 0 khi tổng số bit 1 là lẻ.
Các lỗi chẵn lẻ phát hiện được sẽ gửi tới bộ vi xử lý bởi UART hoặc USART.
b) Phát hiện lỗi checksum
Kỹ thuật phát hiện lỗi checksum (Checksum error detection) được dùng phổ biến để
kiểm tra các lỗi trong một bản tin. Checksum của các byte trong bản tin gửi đi được tính toán. Đó là tổng số học tất cả các byte trong bản tin. Phía gửi thêm checksum này vào cuối bản tin trước khi gửi đi. Tại phía nhận sẽ xác định checksum của bản tin nhận
được, so sánh với checksum của phía gửi. Nếu 2 giá trị bằng nhau, bản tin được chấp nhận, và ngược lại, bản tin bị hủy bỏ hoặc yêu cầu gửi lại.
c) CRC
CRC (Cyclic redundancy check) là kỹ thuật phát hiện lỗi được sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ LAN và mạng diện rộng WAN. Ý tưởng ở đây là thông tin kiểm lỗi phải được tính bằng một thuật toán thích hợp, trong đó giá trị mỗi bit của thông tin nguồn đều được tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán.
CRC có cả tính chất tuyến tính và tính chất chu kỳ. Trong đó, phần phụ được thêm vào khối dữ liệu truyền dựa trên phép chia đa thức thực hiện trên nội dung khối dữ liệu. Một bộ mã hóa CRC ở phía gửi tính toán một chuỗi nhị phân chiều dài cố định
(được gọi là checkvalue) cho mỗi khối dữ liệu, sau đó thêm vào dữ liệu để tạo thành
một cordword. Cordword chứ dữ liệu và checkvalue sẽ được gửi tới phía nhận. Tại đây, cordword được đọc, tính toán CRC trên khối dữ liệu bởi bộ giải mã CRC và so sánh với checkvalue trong bản tin, nếu trùng nhau thì bản tin được chấp nhận.
2.5.5. Các kỹ thuật điều khiển truy nhập đƣờng truyền
Các thiết bị truyền thông truy xuất tới một mạng để gửi hoặc nhận dữ liệu theo một tập các quy tắc, gọi là điều khiển truy nhập đường truyền (Media access control – MAC). Đây là vấn đề quan trọng đối với các kỹ sư tự động hóa. Có một số kỹ thuật sau sử dụng cho MAC:
Các kỹ thuật chọn lọc (Selection Technique): thiết bị truyền dữ liệu được chọn theo một phương thức/ chuỗi thuận tiện nào đó, ví dụ như các sơ đồ thăm dò (polling) hay token pass.
Kỹ thuật dành riêng (Reservation technique): ở đây kênh truyền được chia thành các phần nhỏ hơn sử dụng một số cơ chế vật lý như phân chia tần số hoặc phân chia thời gian, mỗi kênh nhỏ này được dành riêng cho một nút mạng để truyền nhận dữ liệu.
Kỹ thuật cạnh tranh (Contention technique).
Sau đây sẽ mô tả sơ lược một số kỹ thuật thường dùng trong SCADA hệ thống điện.
a) Thăm dò (Polling)
Trong cấu hình chủ - tớ, trạm chủ yêu cầu dữ liệu từ các trạm tớ theo một tuần tự xác định trước và nhận dữ liệu theo thứ tự đó. Quyền ưu tiên (priority) có thể được gán cho một số trạm tớ chưa dữ liệu quan trọng cần được truy nhập nhanh hơn. Nếu trạm tớ không đáp ứng, yêu cầu được gửi lại, sau một số lượng nhất định các yêu cầu gửi
lại, trạm tớ được coi là không có đáp ứng (non-responding). Polling có thể được thực
hiện trên nhiều cấu trúc mạng và môi trường truyền khác nhau. Tuy nhiên, đây là một phương pháp sử dụng đường truyền không hiệu quả. Ưu điểm chính của phương pháp
điểm bất lợi nằm ở chỗ các trạm tớ không thể giao tiếp với nhau, bởi vì dữ liệu phải được gửi tới trạm chủ sau đó mới được gửi tới các trạm tớ khác, làm chậm tốc độ hệ thống. Hơn nữa phương pháp này cũng không quản lý được các sự kiện ngắt ở trạm tớ.
b) Thăm dò có ngoại lệ (Polling by exception)
Trong trường hợp này, trạm chủ yêu cầu các sự kiện xảy ra sau lần thăm dò cuối cùng, vì thế nếu không xảy ra sự thay đổi nào sẽ không có dữ liệu gửi trở lại. Ví dụ vị trí của các máy cắt hầu như không đổi theo thời gian, trừ khi xảy ra sự cố hoặc nhiễu loạn nào đó. Đây là phương pháp truyền tin hiệu quả hơn nhiều so với polling. Một thẻ ghi chính xác thời gian xảy ra sự kiện có thể được cấp thêm, là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hệ thống điện. Đối với các giá trị tương tự, chỉ khi nào sự thay đổi vượt quá một dải cho trước thì bản tin mới được gửi đi.
c) Token passing
Ở kỹ thuật này, các nút mạng được đánh số tuần tự hình thành một mạch vòng logic, một token, thường là một bản tin ngắn không mang dữ liệu có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được gửi đi quanh vòng. Một trạm được quyền truy cập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó giữ token. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo một trình tự nhất định, hình thành nên một mạch vòng logic. Phương pháp này có thể được sử dụng ở các cấu trúc mạch vòng và cấu trúc bus.
Một trạm đang giữ token không những có thể gửi thông tin mà còn có thể có vai trò kiểm soát sự hoạt động của một số trạm khác, ví dụ như kiểm tra xem có trạm nào bị sự cố hay không. Các trạm không có token cũng có khả năng tham gia kiểm soát, ví dụ như sau một thời gian nhất định mà token không được đưa tiếp, có thể do trạm giữ token gặp vấn đề. Trong trường hợp đó, một trạm sẽ có chức năng tạo một token mới.
Token passing cũng có thể sử dụng kết hợp với phương pháp chủ - tớ, trong đó mỗi trạm có quyền giữ token là một trạm chủ (trạm chủ tích cực). Phương pháp kết hợp này còn được gọi là nhiều chủ (Multi – master), tiêu biểu trong hệ PROFIBUS. Các trạm chủ này có thể là các bộ điều khiển hoặc các máy tính lập trình, còn các trạm tớ (trạm không tích cực) là các thiết bị vào/ra, các IED. Mỗi trạm chủ quản lý quyền truy nhập của một số trạm tớ trực thuộc, trong khi giữa các trạm chủ thì quyền truy nhập bus được phân chia theo cách chuyển token. Tuy nhiên, một trạm đóng vai trò là chủ ở đây không bắt buộc phải có các trạm tớ trực thuộc.
Sơ đồ này tin cậy và nhanh hơn so với cơ chế thăm dò, nó cho phép truyền thông ngang hàng peer – to – peer mà không có xung đột. Nó thường được sử dụng trong các hệ thống có yêu cầu truyền dữ liệu thay đổi giữa các nút mạng. Nhược điểm của phương pháp này là thình thoảng một trạm có các bản tin khẩn cấp phải đợi cho tới khi đến lượt mình mới được truy cập vào đường truyền. Việc phát hiện sự cố truyền thông cũng chậm hơn, người ta sử dụng kỹ thuật thăm dò nền (background polling) hoặc thăm dò toàn vẹn (integrity polling), các nút mạng được thăm dò liên tục với tốc độ
d) TDMA
Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time division
multiplex media access) mỗi trạm sẽ nhận một khe thời gian để truyền dữ liệu. Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép (time slot) theo một tuần tự định trước.
Về nguyên tắc, TDMA có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của các trạm trong mạng, theo thứ tự địa chỉ, hoặc theo tính chất của các hoạt động truyền thông. Cũng có thể kết hợp với phương pháp chủ - tớ nhưng các trạm tớ có thể giao tiếp trực tiếp.
Kỹ thuật này thường được sử dụng trong các cấu trúc bus hoặc mạch vòng, với một bộ điều khiển kiểm soát giao thông trên hệ thống. Nhược điểm chính của phương pháp này nằm ở chỗ không thể quản lý các ngắt, và khó khăn để phát hiện sự cố truyền thông.
e) CSMA/CD
Theo phương pháp CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision
detection) mỗi trạm kiểm tra xe kênh dẫn có đang rỗi không (multiple access) và không thể bắt đầu truyền thông cho tới khi kênh rỗi (carrier sense). Tuy nhiên, do bị trễ trên đường truyền vật lý, nhiều trạm có thể giử các bản tin đồng thời và gây ra xung đột. Khi đó, phiên truyền ngưng lại, bản tin sẽ được gửi lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Kỹ thuật này cho phép kênh truyền được sử dụng hiệu quả nhất; tuy nhiên mỗi nut sẽ phải có khả năng phát hiện và tránh xúng đột, cũng như gửi lại/ phục hồi các bản tin. CSMA/CD được sử dụng trong truyền thông Ethernet (IEEE 802.3). Ưu điểm chính của kỹ thuật này là cho phép truyền thông ngang hàng peer – to – peer và sự thay đổi trong yêu cầu truyền dữ liệu. Bộ điều khiển trung tâm cho mạng là không cần thiết và quyền truy nhập với các các bản tin khẩn cấp có thể được xây dựng trong giao thức.
Nhược điểm của phương pháp này là việc phát hiện, tránh xung đột dữ liệu cần được thực hiện tốt ở tất cả các nút mạng. Sự cố trên kênh truyền cũng khó phát hiện và không thể xác định trước thời gian đáp ứng cho việc truyền dữ liệu.
f) CSMA/CA
CSMA/CA là thuật ngữ viết tắt của Carrier sense multiple access with collision avoidance. Tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên một phương pháp mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia. Ví dụ: điện áp mức cao của bit 0 sẽ lấn át điện áp mức thấp của bít 1.
Mỗi bức điện đều được bắt đầu bằng một dãy bit đặc biệt được gọi là cờ hiệu, sau đó tới các phần như thông tin kiểm soát, địa chỉ, … Đối với phương pháp CSSMA/CA có thể sử dụng mức ưu tiên cho mỗi trạm (hoặc loại thông tin) và gắn mã ưu tiên (001,
hơn sẽ lấn át các bức điện khác. Trong trường hợp sử dụng mức ưu tiên theo trạm, có thể lấy chính địa chỉ của trạm làm mã số ưu tiên. Cũng có thể kết hợp phương pháp định mức ưu tiên theo loại thông tin và theo địa chỉ. Một bức điện có mức ưu tiên cao nhất được xét trước hết theo loại thông tin và sau đó theo địa chỉ trạm.
Nhờ có phương pháp sử dụng mức ưu tiên mà tính năng thời gian thực của hệ thống được cải thiện. có thể thấy rõ, tuy bị hạn chế về tốc độ truyền, nhưng hiệu suất sử dụng đường truyền ở phương pháp này rất cao. Các trạm chỉ gửi thông tin đi khi có nhu cầu và nếu xảy ra xung đột thì một trong hai bức điện vẫn tiếp tục được gửi đi.
2.6. Kiến trúc giao thức truyền thông SCADA
Giao thức truyền thông định nghĩa format của dữ liệu được truyền đi giữa các thiết bị, nhờ đó việc truyền tin trở nên dễ dàng hơn, các thiết bị có thể giải mã dữ liệu nhận được, đồng thời cho phép truyền đi nhiều kiểu dữ liệu trên cùng một kênh truyền sử dụng các kỹ thuật đã mô tả ở trên.
Các dữ liệu trong hệ thống điện, ví như các giá trị điện áp, sau khi số hóa được chuyển thành chuỗi các giá trị nhị phân 0 và 1 (bit), chuỗi 8 bit tạo thành 1 byte dữ liệu. Chuỗi các byte tạo thành một khung dữ liệu, trong đó chứa giá trị điện áp cần gửi đi. Ở phương pháp truyền tin chủ - tớ truyền thống, dữ liệu được gửi trong một khung bản tin điển hình với 1 bit start/stop, bit điều khiển, mã phát hiện lỗi như trong hình 2.7. Trường hợp này dành cho các liên kết truyền thông điểm – điểm. Ngày nay, khi cấu trúc bus trở nên phức tạp hơn, hoặc khi dữ liệu được gửi tới một mạng truyền thông, nhiều thông tin được bổ sung kèm dữ liệu gốc như: địa chỉ nguồn/đích, nhãn thời gian, mã phát hiện và sửa lỗi nâng cao, hàm điều khiển, … Việc thêm các thông tin đó cần phải tuân theo những quy tắc nhất định, nếu không trạm nhận sẽ không thể hiểu và giải mã được dữ liệu thực, điều này đặc biệt nguy hiểm trong một hệ thống SCADA, nơi yêu cầu khả năng giám sát, điều khiển trực tuyến các đối tượng.
Một số giao thức điển hình được sử dụng trong truyền thông SCADA hệ thống điện như: TCP/IP, EPA, Modbus, IEC 60870, IEC 61850, DNP3, …
Hình 2-7: Một khung dữ liệu điển hình trong truyền thông tín hiệu số. 2.6.1. Mô hình 7 tầng OSI
Để dễ dàng cho việc nối kết và trao đổi thông tin giữa các máy tính/hệ thống với nhau, vào năm 1983, Tổ chức tiêu chuẩn thế giới ISO đã phát triển một mô hình cho phép hai máy tính có thể gửi và nhận dữ liệu cho nhau. Mô hình này dựa trên tiếp cận phân tầng (lớp), với mỗi tầng đảm nhiệm một số các chức năng cơ bản nào đó và được gọi là mô hình OSI.
Để hai trạm có thể trao đổi thông tin được với nhau cần có rất nhiều vấn đề liên quan. Ví dụ như cần có Card mạng, dây cáp mạng, điện thế tín hiệu trên cáp mạng, cách thức đóng gói dữ liệu, điều khiển lỗi đường truyền ... Bằng cách phân chia các chức năng này vào những tầng riêng biệt nhau, việc viết các phần mềm để thực hiện chúng trở nên dễ dàng hơn. Mô hình OSI giúp đồng nhất các hệ thống mạng khác biệt nhau khi chúng trao đổi thông tin. Mô hình này gồm có 7 tầng:
7. Tầng ứng dụng (Application Layer):Đây là tầng trên cùng, cung cấp các ứng dụng truy xuất đến các dịch vụ mạng. Nó bao gồm các ứng dụng của người dùng, ví dụ như các Web Browser, các Mail User Agent (Outlook Express, Netscape Messenger, ...) hay các chương trình làm server cung cấp các dịch vụ mạng như các Web Server (Netscape Enterprise, Internet Information Service, Apache, ...), Các FTP Server, các Mail server (Send mail, MDeamon). Người dùng mạng giao tiếp trực tiếp với tầng này.
6. Tầng trình bày (Presentation Layer):Tầng này đảm bảo các máy tính có kiểu định dạng dữ liệu khác nhau vẫn có thể trao đổi thông tin cho nhau. Thông thường các máy tính sẽ thống nhất với nhau về một kiểu định dạng dữ liệu trung gian để trao đổi thông tin giữa các máy tính. Một dữ liệu cần gửi đi sẽ được tầng trình bày chuyển sang định dạng trung gian trước khi nó được truyền
5. Tầng giao dịch (Session Layer): Tầng này cho phép các ứng dụng thiết lập, sử