Chức năng của phần mềm SCADA chia làm 3 loại: Thu thập dữ liệu, Giám sát có điều khiển, kiểm soát hệ thống.
1.5.1 Thu thập dữ liệu
SCADA thực hiện các chức năng sau đây để thu thập dữ liệu của các thiết bị trong hệ thống được giám sát:
• Dò quét hệ thống được giám sát tại các thời điểm định sẵn và thu nhận dữ liệu từ các RTU qua trung gian là các CFE.
• Thực hiện chuyển đổi và kiểm tra dữ liệu thô nhằm làm cho nó hữu dụng để hiển thị cho các điều hành viên và các chương trình ứng dụng khác.
• Thực hiện các tính toán dữ liệu cho các chương trình ứng dụng khác.
• Xác định chất lượng dữ liệu và đánh dấu các dữ liệu có thể không tin cậy. Nó củng đánh dấu dữ liệu để thể hiện nguồn cung cấp dữ liệu.
• Cho phép các điều hành viên SCADA yêu cầu quét các nhóm dữ liệu riêng rẽ.
SCADA có thể thu thập, xử lý và thể hiện dữ liệu từ 3 loại thiết bị trong hệ thống được giám sát. Các loại thiết bị này là:
➢ Các thiết bị trạng thái biến thiên, thể hiện thông qua các giá trị đo lường số học như dòng điện, điện thế, công suất, lưu lượng nước...được gọi là các tín hiệu analog.
➢ Các thiết bị trạng thái rời rạc, chẳng hạn như các máy cắt và các van, thể hiện trạng thái của thiết bị, được gọi là các tín hiệu status.
➢ Các thiết bị đếm xung tích lũy, như sản lượng, điện năng….được gọi là các tín hiệu count.
1.5.2 Giám sát có điều khiển.
Chức năng giám sát có điều khiển của SCADA cho phép điều hành viên và các chương trình ứng dụng điều khiển các thiết bị trong hệ thống được giám sát. Từ trung tâm điều khiển, điều hành viên có thể gởi các lệnh điều khiển để thay đổi trạng thái của các thiết bị như van, máy cắt, cầu dao...
1.5.3 Kiểm soát hệ thống.
Chức năng kiểm soát hệ thống của SCADA cho phép điều hành viên và các chương trình ứng dụng thay đổi cách thức mà SCADA xử lý và thể hiện dữ liệu.
Một vài hoạt động kiểm soát hệ thống có thể được dùng như:
• Tách một điểm đo khỏi dịch vụ (NIS- not in service). Hoạt động này ngăn cấm việc xử lý dữ liệu đã quét được đối với thiết bị được chọn trong hệ thống được giám sát.
• Đưa một điểm đo trở lại dịch vụ. Chức năng này cho phép SCADA xử lý dữ liệu quét được đối với các thiết bị được chọn.
• Điều hành viên có thể nhập tay giá trị vào cho một thiết bị mà giá trị đo của nó không nhận được từ RTU.
• Thay thế dữ liệu đo được bằng giá trị nhập vào.
• Cập nhật các giá trị giới hạn kiểm soát (limit) cho các giá trị đo lường analog và chỉ thị SCADA bỏ qua việc kiểm soát giới hạn đối với các thiết bị được chọn.
• Cho phép và ngăn ngừa các hoạt động kết hợp với các thông báo biến cố và trạng thái bất thường (alarm và abnormal).
• Xác nhận của điều hành viên đối với các cảnh báo.
• Kiểm soát hoạt động của hệ thống truyền thông bằng cách tách khỏi dịch vụ hay đưa vào các RTU, các nhóm quét hay các đường truyền thông.
1.5.4 Giao diện người dùng SCADA:
Mục tiêu của giao diện người dùng là:
➢ Thể hiện dữ liệu, mô tả một cách chính xác trạng thái của hệ thống được giám sát.
➢ Cảnh báo cho đều hành viên SCADA về những vấn đề xuất hiện trong hệ thống được giám sát và hệ thống truyền thông.
➢ Cho phép điều hành viên thực hiện các hoạt động điều khiển trên hệ thống được giám sát và thay đổi cấu hình hoạt động của hệ thống truyền thông.
➢ Cho phép điều hành viên nhập vào các giá trị dữ liệu và giới hạn kiểm soát.
Ví dụ điều hành viên có thể ghi đè một giá trị đang được đo lường từ xa hay đưa vào giới hạn kiểm soát mới cho các tín hiệu analog.
1.5.5 Các hiển thị cơ bản:
Dữ liệu SCADA được thể hiện tại các bàn điều khiển theo 2 dạng: dạng đồ họa và dạng bảng.
Dạng đồ họa chính là dạng sơ đồ một sợi (one line). Thông qua các đường vẽ và các ký hiệu đồ họa cho các thành phần, sơ đồ một sợi thể hiện trạng thái vận hành của hệ thống được giám sát. Các dạng ký hiệu đồ họa khác nhau được dùng để thể hiện các thiết bị được giám sát và màu sắc trên các ký hiệu thiết bị tùy thuộc cách chúng ta muốn chọn sử dụng các chức năng hiển thị của SCADA. Chúng ta sử dụng các sơ đồ một sợi cho 2 mục đích:
• Để cung cấp sự quan sát hiện tại về trạng thái vận hành của các thiết bị ở trạm được giám sát và điều tra nguồn gốc của các tình huống bất thường.
• Để gởi các mệnh lệnh điều khiển trạng thái của các thiết bị hay điều khiển cách thức thể hiện dữ liệu của SCADA.
Tương tự như dạng sơ đồ một sợi, các hiển thị dạng bảng (tabular) cũng thể hiện trạng thái của các thiết bị được giám sát. Và ta dùng hiển thị dạng bảng với mục đích tương tự như các sơ đồ một sợi. Tuy nhiên, các hiển thị dạng bảng thể hiện thông tin theo các hàng và cột trong bảng thay vì bằng hình vẽ đồ họa. Các hiển thị dạng bảng thường cung cấp nhiều thông tin hơn so với các sơ đồ một sợi.
1.5.6 Cách thức thu thập và xử lý dữ liệu của SCADA.
Thu thập dữ liệu là một tiến trình của SCADA nhằm thu thập dữ liệu về các thiết bị trong hệ thống được giám sát. SCADA lấy dữ liệu từ các nguồn khác nhau bao gồm từ các RTU, các hệ thống khác, và bởi điều hành viên. Tiến trình xử lý dữ liệu chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu thô (dữ liệu thu thập từ các RTU) thành dạng nội tại hữu dụng để thể hiện và tính toán, đồng thời lưu trữ các dữ liệu đã chuyển đổi vào cơ sở dữ liệu SCADA.
1.5.7 Các nguồn gốc dữ liệu:
Mỗi dữ liệu SCADA nhận được đều có một nguồn gốc mà nó được thu thập.
Nguồn gốc bình thường của đa số dữ liệu là RTU. Tuy nhiên, SCADA cũng có thể nhận dữ liệu từ một hệ thống SCADA khác, từ một tính toán, từ một giá trị nhập của điều hành viên…
Cho dù nguồn gốc của giá trị đo là đến từ RTU hay một nguồn khác, nó cũng có thể được tách khỏi dịch vụ (NIS- Not in service) bởi điều hành viên. Việc tách giá
trị đo khỏi dịch vụ có tác dụng ngăn ngừa SCADA cập nhật giá trị đo đó theo giá trị nhận được từ nguồn bình thường của nó.
Mặc dù SCADA không cập nhật giá trị nhận từ nguồn bình thường đối với các điểm đo đã tách khỏi dịch vụ, nhưng nó có thể sử dụng giá trị từ một nguồn thứ cấp.
Ví dụ, các giá trị đo lường từ một máy biến thế thường đến từ một RTU, nếu có một điểm đo analog được tách khỏi dịch vụ, điều hành viên có thể muốn nhập vào giá trị mới cho điểm đo đó. Giá trị nhập bằng tay đó chính là nguồn thứ cấp của dữ liệu hay giá trị thay thế của điểm đo.
SCADA xử lý và lưu trữ 3 loại khác nhau của dữ liệu: dữ liệu analog, trạng thái và count.
➢ Dữ liệu đo lường số (analog):
Analog là các giá trị số đại diện cho trạng thái của các thiết bị trạng thái biến thiên như các đường dây tải điện, các máy biến thế, các máy bơm….
Trong hệ thống được giám sát, một đại lượng biến thiên vật lý được đo bởi một cảm biến (transducer), và đầu ra của bộ cảm biến được chuyển đến một bộ chuyển đổi số-tương tự (A/D) trong RTU. Bộ chuyển đổi A/D tạo ra một giá trị số (dạng nhị phân-binary) mà máy tính chủ có thể xử lý. Tất cả các giá trị analog được máy tính chủ chuyển đổi thành số thực (floating point number) và hiệu chỉnh để tái hiện các giá trị đo vật lý theo các đơn vị đo kỹ thuật chẳng hạn như MW, MVAR, KV, A… Ở dạng này các giá trị được lưu vào cơ sở dữ liệu và sử dụng để hiển thị và tính toán.
Một điểm đo analog đều có các giới hạn (limits) kết hợp với nó. Các giới hạn được định nghĩa bởi 2 giá trị để mô tả một tầm vực. Ví dụ, điểm đo analog về dòng điện (I) của một đường dây tải điện có thể có một cặp giới hạn để định nghĩa giới hạn trên và giới hạn dưới của trạng thái hoạt động bình thường của đường dây đó.
Nếu các giá trị đo I nằm ngoài tầm vực xác định bởi các giới hạn đó, SCADA sẽ xem như đường dây ở trạng thái không bình thường (quá tải), và sẽ khởi tạo một cảnh báo (alarm). Danh sách sau đây mô tả các loại giới hạn khác nhau có thể kết hợp với một điểm đo analog:
• Giới hạn bình thường (normal limit): định nghĩa một tầm vực mà khi giá trị đo nằm ở bên trong nó thì thiết bị được xem là hoạt động bình thường.
• Giới hạn hợp lý (reasonability limit): định nghĩa một tầm vực mà SCADA dùng để xác định một giá trị nhận được đối với một điểm đo analog là hợp lý hay không. Ví dụ, giá trị của một điểm đo lớn hơn giới hạn hợp lý trên hay nhỏ hơn giới hạn hợp lý dưới, SCADA sẽ xem giá trị đó là không hợp lý và sẽ bỏ qua nó. Thay vào đó, SCADA sẽ sử dụng giá trị của lần nhận được trước đó cho điểm đo này.
• Giới hạn vùng cấm (forbidden range limit): Định nghĩa một tầm vực mà SCADA xem như xâm phạm khi điểm đo analog rơi vào bên trong vùng này.
Các giới hạn vùng cấm được sử dụng khi có một tầm vực giá trị nằm bên trong giới hạn bình thường mà việc vận hành thiết bị trong tầm vực đó cần phải được hạn chế hay ngăn ngừa.
• Vùng chết của giới hạn (deadband limit): Được dùng khi xác định một giá trị analog từ trạng thái bất thường trở về trạng thái bình thường. Cho ví dụ đối với một cặp giới hạn bình thường, nếu giới hạn trên bị xăm phạm, khi giá trị giảm xuống thì nó phải giảm xuống nhỏ hơn giới hạn trên một lượng tối thiểu phải bằng lượng deadband thì SCADA mới xem như điểm đo đó trở về trạng thái bình thường. Việc sử dụng deadband nhằm hạn chế lượng cảnh báo thừa khi giá trị đo dao động ở lân cận các giới hạn bình thường.
• Giới hạn tốc độ thay đổi (rate-of-change limit): Định nghĩa tốc độ chấp nhận được mà giá trị đo analog có thể thay đổi giữa các lần quét.
Khi SCADA nhận được dữ liệu của một điểm đo analog, nó kiểm tra các giới hạn kết hợp với điểm đo này. Nếu giá trị đo xâm phạm bất kì giới hạn nào, SCADA có thể khởi tạo một cảnh báo (alarm).
SCADA có khả năng tự động chuyển đổi giữa các bộ giới hạn khác nhau đối với một điểm đo analog, dựa trên yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, mùa... Chức năng này được gọi là sự thay thế giới hạn (limit replacement), cũng có thể được áp dụng bằng tay bởi các điều hành viên.
➢ Dữ liệu đo lường trạng thái (status):
Các giá trị trạng thái thể hiện trạng thái của các thiết bị trạng thái rời rạc như máy cắt, cầu dao, bộ đổi nấc… SCADA có thể chấp nhận các đầu vào trạng thái để thể hiện đơn giản trạng thái on/off hay đóng/mở, hay các đầu vào tổ hợp từ các thiết bị
3 trạng thái (three-state). Một ví dụ về điểm đo status 3-trạng thái là nó có các trạng thái “on” và “off”, và một trạng thái chuyển tiếp giữa “on” và “off”.
Hơn nữa, SCADA có thể chấp nhận các đầu vào trạng thái từ các thiết bị 2- trạng thái và 3- trạng thái có phát hiện các thay đổi thoáng qua (MCD-momentary change detection). Với MCD, SCADA có thể phát hiện có các thay đổi xuất hiện giữa các lần quét.
Các RTU có thể gắn nhãn thời gian cho các thay đổi trạng thái để thời gian mà thiết bị thay đổi trạng thái được xác định một cách chính xác. Thông tin như vậy, còn được gọi là trình tự diển biến biến cố (SOE-sequence of events), được tích lũy bởi SCADA và có thể quan sát trên một display đặc biệt.
➢ Dữ liệu đếm tích lũy (count):
Giá trị đếm tích lũy (count) là một giá trị đến từ bộ tích lũy xung (pulse accumulator). Bộ tích lũy xung được sử dụng để đo lường lượng điện năng, chất lỏng hay khí đốt truyền qua một vị trí xác định trong hệ thống được giám sát. Thiết bị phát hiện sẽ luân phiên đóng và mở một công tắc mỗi lần một đơn vị của đại lượng đo di chuyển qua nó. Bộ đếm tích lũy sẽ đếm số lần thay đổi của công tắc và chuyển số đếm được cho SCADA, nơi chứa tổng tích lũy của các số đếm này tính từ lần reset gần nhất.
Tương tự như các giá trị analog, các giá trị đếm (count) được lưu trữ như các số thực và hiệu chỉnh để thể hiện giá trị đo vật lý theo các đơn vị đo kỹ thuật, như MWH, mét khối… Ở dạng này, các giá trị có thể được dùng để hiển thị hay tính toán.
1.5.8 Khả năng quét dữ liệu của SCADA:
SCADA nhận dữ liệu về hệ thống được giám sát bằng cách quét các RTU được đấu dây để thu thập các tín hiệu đo lường analog, trạng thái, và đếm tích lũy. Các dữ liệu được quét theo từng nhóm (còn được gọi là địa chỉ).
Một nhóm quét là một nhóm các điểm dữ liệu được thu thập bằng một lệnh đơn gởi đến RTU. Thông thường, các điểm đo trạng thái quan trọng nhất được định nghĩa vào một nhóm và được thu thập theo mỗi 2 giây. Các đo lường ít quan trọng hơn có thể được định nghĩa vào nhóm khác và được thu thập ít thường xuyên hơn, chẳng hạn theo mỗi 10 giây.
SCADA có thể quét hệ thống được giám sát theo 4 cách:
• Quét toàn bộ (integrity scan): Tất cả các RTU và nhóm quét (địa chỉ) đều được quét để thu thập dữ liệu cho tất cả các thiết bị được giám sát. Quét toàn bộ luôn được thực hiện khi SCADA khởi động lần đầu tiên hay sau mỗi hỏng hóc trong máy tính chủ và hệ thống truyền thông, và thỉnh thoảng 1 lần trong điều kiện vận hành bình thường.
• Quét định kì (periodic scan): Mỗi nhóm quét trong một RTU được quét ở một tốc độ tính bằng đơn vị giây định sẵn trong cơ sở dữ liệu SCADA.
SCADA thu nhận từ CFE chỉ các dữ liệu mà các nhóm quét của nó thu thập, và chỉ nếu dữ liệu có thay đổi so với lần quét trước đó. Các nhóm quét của các điểm đo trạng thái và các điểm đo analog quan trọng được quét thường xuyên nhất để các thay đổi có thể được thấy sớm nhất.
• Quét riêng biệt (individual scan): Một số nhóm quét định sẵn có thể được quét chọn lọc ở một tốc độ định sẵn trong cơ sở dữ liệu SCADA. Điều này cho phép vài loại điểm đo, như các bộ đếm tích lũy, được thu thập theo nhóm ở cùng tốc độ quét. Quét riêng biệt củng cho phép các điểm đo xác định được thu thập ở tốc độ chậm hơn bình thường một thời khoảng dài, hay ở tốc độ nhanh hơn bình thường một thời khoảng ngắn (gọi là quét tăng tốc).
• Quét theo yêu cầu (demand scan): một hay nhiều nhóm quét có thể được quét theo yêu cầu của điều hành viên. Quét theo yêu cầu có thể được thực hiện thường xuyên nếu muốn.