Chương 1. KIẾN TRÚC WEB-BASED SCADA ĐỀ TÀI THỰC HIỆN
1.3 Các kiến trúc khác
Hệ thống 1: Hệ thống SCADA trong đó các liên kết và quan sát dữ liệu được lấy trực tiếp từ thiết bị
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 17
RS485
Hình 1.5 Hệ thống SCADA trong đó các liên kết và quan sát dữ liệu được lấy trực tiếp từ thiết bị
Đặc điểm: dữ liệu được lấy trực tiếp từ thiết bị, thông qua truyền thông và các trạm hiển thị đến người vận hành, người quan sát.
So với hệ thống đã đề xuất: hệ thống này không tồn tại bộ lưu trữ dữ liệu dùng cho mục đích sau này như: phân tích số liệu theo thời gian, tiến hành so sánh và quản lý cũng như lược sử an ninh trong các trường hợp khẩn cấp … Với hệ thống này, các tính năng về lịch sử dữ liệu, cũng như các cảnh báo hệ thống theo thời gian không được lưu trữ khiến hệ thống chỉ có thể quan sát theo thời gian thực, hệ thống không thể đáp ứng xu hướng của một hệ thống ngày một mở rộng và phát triển. Đặc biệt là với lượng dữ liệu ngày một tăng như hiện nay cũng như việc khai thác thông tin chứa đựng trong dữ liệu ngày một quan trọng như hiện nay cần có một hệ thống có khả năng lưu trữ, phân tích và tính toán.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 18
Hệ thống 2: Hệ thống SCADA với các phần mềm ứng dụng truyền thống như Vijeo Citect (Schneider Electric), WinCC (Siemens), RSView (Rockwell Automation)
RJ45 RS485
Hình 1.6 Hệ thống SCADA với các phần mềm ứng dụng truyền thống Đặc điểm: dữ liệu được lấy trực tiếp từ thiết bị, thông qua truyền thông kết hợp với các phần mềm ứng dụng từ các hãng sản xuất cung cấp dữ liệu đến các trạm hiển thị, người vận hành và người quan sát.
So với hệ thống đã đề xuất: hệ thống này không tồn tại bộ lưu trữ dữ liệu chuyên biệt; cũng như khả năng linh động, tính mềm dẻo trong thiết kế và thực thi, sử dụng không cao dẫn đến khả năng đáp ứng các mục tiêu trong thực tế phụ thuộc rất nhiều vào nhà sản xuất và các công ty cung cấp phần mềm cho hệ thống SCADA.
Từ các lý do đó mà một hệ thống trên nền tảng Web được nghiên cứu và đi vào phân tích nhằm đưa ra các quan điểm đánh giá tính khả thi cũng như tiềm năng ứng dụng trong thời gian tới của một hệ thống SCADA, từ đó đề tài có
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 19
một hướng đi rõ ràng trong việc lựa chọn hệ thống đã đề xuất – hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý điện năng trên nền tảng Web.
Với hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý điện năng trên nền tảng Web cho phép chương trình thực thi SCADA đọc dữ liệu trực tiếp từ thiết bị là các đồng hồ đo, các dữ liệu này được đọc và lưu trữ vào bộ công cụ SQL server với các database đặt tên theo cấu trúc nhằm thực hiện quản lý theo từng cấp (cấp Tổ/Khu Phố đến cấp Quận/Huyện). Các dữ liệu sau khi lưu trữ sẽ giúp các công cụ khác như công cụ phân tích, công cụ tính toán tiến hành thực thi nhiệm vụ của mình và chuyển dữ liệu ngược lại cho hệ thống lưu trữ thông tin. Tất cả các thông tin này nhằm mục tiêu quản lý hệ thống tốt hơn, xây dựng các chương trình dự báo nhằm cải thiện hoặc nâng cấp hệ thống. Ngoài ra, khi chất lượng hệ thống tốt hơn, khả năng mở rộng, tính linh hoạt cao sẽ giúp hệ thống nâng cao hiệu suất, hạ giá thành điện năng cung cấp đến người tiêu dùng điện.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 20
Chương 2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG SCADA ĐÃ THỰC THI
Hệ thống đã thực thi gồm 2 phần chính yếu: phần cứng (hardware) và phần mềm (software)
Đại diện cho phần cứng là các thiết bị, để mô tả chi tiết nhằm làm rõ hệ thống đề tài sẽ tập trung phân tích mạng lưới điện năng.
Tổng quan về mạng lưới điện 2.1
Trong một cụm dân cư, các số liệu đo đạc về thông số điện áp được quản lý bởi nhà điều hành quản lý điện năng, từng hộ dân sẽ được trang bị một đồng hồ đo cho phép trả về giá trị các thông số. Từng cụm dân cư sẽ cung cấp các số liệu điện áp, từng khu vực Quận/Huyện sẽ cung cấp và nhân lên trên phạm vi áp dụng của một Tỉnh/Thành sẽ giúp công tác quản lý điện năng được hiệu quả hơn, mang lại một bộ dữ liệu cung cấp thông tin phục vụ cho việc nâng cao hiệu suất và khả năng phục vụ đến người tiêu dùng điện tốt nhất. Ngoài ra, hướng quản lý điện năng sẽ là một hướng đi mang lại lợi ích cho cả người tiêu dùng và nhà cung cấp, khi mọi quy trình kỹ thuật trong cung cấp điện năng đến người tiêu dùng được tối ưu hóa sẽ kéo theo giá thành sản phẩm điện năng giảm và là nền tảng để tiếp tục củng cố và nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản xuất, tạo thành một vòng tuần hoản trong chu trình cung cấp – tiêu dùng điện năng.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 21
Số lượng đồng hồ đo quản lý tại mỗi trạm lên đến một triệu chiếc Hình 2.1 Mô hình kết nối vật lý của hệ thống điện
Quy mô mạng lưới điện năng là rất lớn, theo thiết kế số lượng tối đa đồng hồ cho một trạm là một triệu chiếc, con số một triệu được chọn dựa trên số dân của một Quận/Huyện trong tình hình thực tế là con số dao động trong thời gian mười năm tới thì hệ thống có thể đáp ứng được. Các trạm được quản lý theo từng Quận/Huyện như đã đề cập.
Phần mềm là phần đảm nhiệm vai trò thực thi các phương thức giao tiếp xuống phần cứng, lấy dữ liệu đưa vào các bộ quản lý dữ liệu chuyên biệt và phần trọng tâm là hiện thực hóa chương trình SCADA.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 22
Tương tác giữa phần cứng và phần mềm
Dữ liệu được cung cấp từ các đồng hồ đo cần có bộ lưu trữ thích hợp đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu cũng như việc khai thác thông tin có được từ dữ liệu trong hiện tại và tương lai sau này. Microsoft cung cấp công cụ cho cả việc khai thác dữ liệu từ thiết bị và lưu trữ dữ liệu, đối với việc đọc dữ liệu người dùng có thể sử dụng công cụ CSharp trong bộ sản phẩm Microsoft Visual Studio, đối với việc lưu trữ dữ liệu người dùng có thể sử dụng bộ công cụ Microsoft SQL Server.
Đề tài chọn C-Sharp cho việc phát triển hệ thống SCADA, SQL Server cho việc lưu trữ dữ liệu
Nền tảng C-Sharp trong xây dựng hệ thống SCADA 2.2
Một số tính năng của Microsoft .NET cho phép những nhà phát triển sử dụng như sau:
- Một mô hình lập trình cho phép nhà phát triển xây dựng các ứng dụng dịch vụ web và ứng dụng client với Extensible Markup Language (XML)
- Tập hợp dịch vụ XML Web, như Microsoft .NET My Services cho phép nhà phát triển đơn giản và tích hợp người dùng kinh nghiệm;
- Cung cấp các server phục vụ bao gồm: SQL Server, BizTalk Server tất cả điều tích hợp, hoạt động và quản lý các dịch vụ XML Web và các ứng dụng;
- Nhiều công cụ hỗ trợ như Visual Studio .NET, để phát triển các dịch vụ Web XML, ứng dụng trên nền Windows hay nền Web một cách dễ dàng và hiệu quả.
.NET Framework
.NET Framework của Microsoft là một nền tảng lập trình tập hợp các thư viện lập trình.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 23
Framework có 2 thành phần chính là: Common Language Runtime và NET Framework class library
Common Language Runtime (CLR)
CLR là thành phần kết nối giữa các phần khác trong .NET Framework với hệ điều hành.
NET Framework class library
NET Framework class library cung cấp thư viện lập trình cho các ứng dụng, cơ sở dữ liệu, dịch vụ Web …
Quản lý cơ sở dữ liệu 2.3
Microsoft SQL Server
Microsoft SQL Server là bộ công cụ cung cấp đến người dùng khả năng quản lý dữ liệu thuộc Hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ - RDBMS (Relational Database Management System), gồm những đặc tính:
Khả năng mở rộng (Scalability): trong thế giới cơ sở dữ liệu, khả năng mở rộng liên quan đến kích thước lớn nhất mà bộ quản lý có thể thực hiện, ngoài ra yếu tố hiệu suất trong quản lý khi có sự thay đổi cấu trúc quản lý như thêm dữ liệu, thay đổi cấu trúc dữ liệu, truy vấn dữ liệu cần phải được đảm bảo khi các yếu tố này biến động và tác động lẫn nhau.
Bảo toàn dữ liệu (Data protection): bảo toàn dữ liệu là đặc tính nền tảng trong các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu, hệ thống SQL Server được xây dựng trên nền tảng quản lý dữ liệu kết hợp với bộ công cụ tự động đưa dữ liệu vào dự phòng khi có sự cố mất thông tin xảy ra, ngoài ra dữ liệu lưu trữ còn được cấu trúc theo dạng có thể phục hồi được.
Bảo mật (Security): ngày nay khi mọi thông tin liên quan đến bảo mật càng cần được xem xét trước khi thực thi một hệ thống thông tin, vấn đề bảo mật dữ liệu trước những tấn công từ bên ngoài hệ thống là vấn đề nền tảng. Dữ liệu trong hệ thống sẽ được quản lý không chỉ một tầng phẳng mà có thể được
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 24
quản lý và kiến trúc nhằm bảo mật thông tin thành nhiều tầng tùy thuộc vào mục đích sử dụng và đặc tính thông tin quản trị.
Phân tích và khai thác dữ liệu (Data analysis and mining): dữ liệu thu thập không chỉ được dùng để giám sát, với tài nguyên dữ liệu thu thập được dùng để phân tích và đưa ra những dự báo nhằm khai thác hiệu quả thông tin chứa đựng trong hệ thống. Hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ có đủ khả năng trong việc phân tích cơ sở dữ liệu phức tạp, có thể nhắc đến “data warehousing”, “online analytical processing (OLAP)”
Kiến trúc Microsoft SQL Server được chia thành 3 phần:
SQLOS thực hiện những tác vụ yêu cầu từ SQL Server bao gồm thread scheduling, memory management, I|O management.
Relational Engine thực hiện tác vụ trên các relational database components, các tác vụ này liên quan đến databases, tables, queries, stored procedures và type system.
Protocol Layer: thực thi các chức năng của SQL Server.
Quản lý dữ liệu theo các Quận/Huyện
Hệ thống SCADA được xây dựng với cấu trúc lưu trữ dữ liệu theo từng Quận/Huyện thể hiện qua hình 2.2, mỗi Quận/Huyện được chia nhỏ cấp độ quản lý gồm các Phường/Xã, dưới cấp Phường là các Khu Phố/Tổ, dưới cấp này là các hộ gia đình hoặc các cơ sở kinh doanh/doanh nghiệp.
Bản đồ hình 2.3 với chức năng thể hiện các điểm đánh dấu là tọa độ của các địa điểm có các trạm quản lý điện năng, cho phép người quản lý, vận hành dễ dàng trong công tác quản lý, giám sát, tra cứu.
Đối với các trạm cấp cơ sở kinh doanh hoặc doanh nghiệp, đồng hồ đo với công suất đo lớn được sử dụng để quản lý toàn bộ điện năng vào. Đối với các hộ dân, mỗi hộ dân sẽ được trang bị một đồng hồ đo với công suất nhỏ hơn.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 25
Hình 2.2 Cơ sở dữ liệu các Quận/Huyện
Hình 2.3 Bản đồ hiển thị các Quận trong cơ sở dữ liệu Quận/Huyện
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 26
Database
Quận/Huyện
Phường/Xã
Khu Phố/Tổ
Cơ sở kinh doanh
Hộ dân 1
Hộ dân 2
Hộ dân n ...
Hình 2.4 Cấu trúc dữ liệu trong một Database
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 27
Mỗi hộ dân sẽ có một table dữ liệu riêng, table này lưu trữ tất cả các thông tin về điện năng bao gồm tất cả các chỉ số. Tất cả các chỉ số tại cùng một thời điểm sẽ nằm trên cùng một hàng (Row), thời gian giữa hai lần lưu chỉ số do nhà vận hành thiết lập, theo chu kỳ mỗi tháng Database sẽ được reset trên SQL Server và lưu trữ dữ liệu của tháng vào bộ lưu trữ hệ thống (Storage System). Việc quản lý dữ liệu theo từng tháng sẽ giúp công tác định kỳ như thu tiền từng hộ gia đình hay đơn vị kinh doanh, nhà máy dễ dàng. Khi đó các chương trình xử lý Scripts cho phép chuyển các dữ liệu từ dạng SQL sang các file Excel, một công cụ mạnh mẽ trong tính toán và kết xuất thông tin, các thông tin này cho phép in ấn và chuyển đến từng hộ dân hoặc từ dữ liệu các thông tin này sẽ cho phép người sử dụng điện truy cập và lấy thông tin sử dụng điện của mình dễ dàng.
Device Connection 2.4
Trong hệ thống SCADA quản lý và thu thập dữ liệu điện năng, mọi thông tin phục vụ cho việc giám sát đều liên quan đến các thiết bị điều khiển bên dưới là các đồng hồ đo cung cấp các giá trị điện năng.
Các phương thức phổ biến trong kết nối thiết bị:
Direct driver;
Dynamic Data Exchange – DDE;
OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control – OPC.
Đề tài chọn Modbus TCP/IP là phương thức kết nối thiết bị. Thông qua database chứa thông tin các thanh ghi cần đọc, chương trình SCADA tiến hành tra cứu địa chỉ thanh ghi và lấy dữ liệu tương ứng, bảng thông tin chi tiết được thể hiện qua hình 2.5
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 28
Hình 2.5 Bảng thông tin các thanh ghi của thiết bị bên dưới 2.4.1 Đồng hồ Power Meter ION 7550
Khái quát đồng hồ ION 7550
Power Meter ION 7550 được sử dụng trong công nghiệp như một thiết bị đo lường và điều khiển thông minh cung cấp các số đo về điện áp, dòng điện hiệu dụng, công suất tác dụng, phản kháng và công suất tiêu thụ một cách chính xác , bên cạnh đó Power Meter 7550 còn tích hợp các I|O mở rộng giúp cho quá trình điều khiển thuận tiện và đáp ứng các nhu cầu khác nhau trong công nghiệp. Ngoài ra, khi sử dụng Power Meter 7550 người dùng có thể khai thác các chức năng kiểm tra chất lượng điện.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 29
Power Meter ION 7550 có thể thay thế các thiết bị chuyển đổi, thiết bị đo lường truyền thống và các mạch điều khiển. Người dùng có thể tích hợp nhiều Power Meter nhằm xây dựng các hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống SCADA, hệ thống tự động hóa, hệ thống giám sát hoặc các hệ thống tính toán khác sử dụng nhiều chuẩn giao tiếp và giao thức công nghiệp.
Trên cùng một mạng, các Power Meter có thể giao tiếp truyền thông theo các chuẩn công nghiệp khác nhau: Modbus RTU, Modbus TCP/IP, DNP3, FTP, IEC 61850.
Phần mềm ION Setup cho phép cấu hình Power Logic 7550, tuy nhiên để cài đặt địa chỉ IP hoặc thiết đặt cấu hình mạng ta sử dụng màn hình hiển thị của PowerLogic 7550 với các phím chức năng. Phần mềm ION Setup thiết đặt các Point Number (nếu sử dụng chuẩn giao tiếp DNP3) hoặc địa chỉ thanh ghi (chuẩn giao tiếp Modbus). Mỗi Point Number hoặc một thanh ghi là địa chỉ ô nhớ chứa dữ liệu cần đọc về, ngoài ra với phần mềm ION Setup người dùng có thể Scale các giá trị đọc được.
2.4.2 Đồng hồ Power Meter 710
Các Power Meter 710 cung cấp các tính năng nổi bật về chất lượng, độ linh hoạt kết hợp với các chức năng tính toán hiệu quả đến người sử dụng.
Power Meter 710 cung cấp đến người dùng giao thức sử dụng dễ dàng, màn hình LCD cho phép đọc chỉ số đo trong điều kiện thiếu ánh sáng và góc nghiêng.
Sự thay thế lý tưởng cho các đồng hồ đo analog, Power Meter 710 có thể sử dụng độc lập trong các Panel điều khiển, Switchboards, thiết bị đóng cắt, máy phát điện, động cơ, trung tâm kiểm soát và hệ thống UPS.
Về giao thức truyền thông, các Power Meter sử dụng chuẩn giao tiếp là Modbus RTU, một chuẩn giao tiếp rất phổ biến trong công nghiệp, đơn giản và dễ dàng thiết lập cấu hình cũng như giao tiếp.
GVHD: TS. Trương Đình Châu
HV: Đỗ Thanh Thái - 7140399 30
Power Meter 710 cung cấp các thanh ghi với địa chỉ truy cập được qui định sẵn, tra bảng hướng dẫn sử dụng người dùng có thể biết chính xác địa chỉ ô nhớ chứa dữ liệu.
2.4.3 Power logic EGX300
Là sản phẩm tích hợp Gateway – Server, thiết bị cho phép Web Browser và mạng lưới Ethernet truy nhập lấy dữ liệu và hiển thị trên nền Web các thông tin dữ liệu thực và các đường biểu đồ thể hiện sự thay đổi liên tục các giá trị thực đo đạc được theo thời gian. Số lượng thiết bị lien kết lên đến 64 thiết bị, trong đó bao gồm cả những gateway khác. Khi kết nối các Power Meter thông qua EGX300 cho phép các thiết bị giao tiếp ở lớp A. EGX300 là một thiết bị Ethernet-Based cung cấp một giao diện kết nối trong suốt giữa mạng Ethernet- Based và các thiết bị. Các thiết bị bao gồm Meter, Monitors, Relays bảo vệ, PLCs, Trip Units, Motor Controls và các thiết bị khác sử dụng chuẩn giao tiếp Modbus, Jbus, hoặc Power Logic protocol.
Đề tài tiến hành thu thập dữ liệu trên các thiết bị của phòng thí nghiệm (Power Logic 7550, Power Meter 710, EGX300) thể hiện qua Hình 2.6, do số lượng đồng hồ trong thực tế rất lớn nên đề tài kết hợp các thiết bị trong phòng thí nghiệm với chương trình mô phỏng Modbus Simulation.
Kiểu kết nối truyền thông
Modbus: Modbus được định nghĩa là một phương thức giao tiếp trong truyền tải thông tin nằm tại lớp ứng dụng cho cả hai phía Client/Server giữa các thiết bị được kết nối trên các kiểu bus/network khác nhau:
TCP/IP qua Ethernet;
EIA/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A, fiber, radio … Modbus Plus
Modbus được mô tả là quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng.