Chương 1 Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong công nghiệp
1.2.1 Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý
Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống điều khiển kiểm soát và thu thập dữ liệu (SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của các hệ thống công nghệ, bao gồm quá trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp trong toàn ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp và cả công tác điều hành thị trường.
Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:
+ Cấp hiện trường.
+ Cấp nhà máy.
+ Cấp vùng miền.
+ Cấp ngành.
Cấp hiện trường quản lý dây chuyền công nghệ sản xuất trong một nhà máy xí nghệp nhất định.
Cấp nhà máy quản lý toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy, bao gồm quản lý cấp hiện trường và các các quản lý khác thuộc nhà máy xí nghiệp.
Vị trí của cấp hiện trường và cấp nhà máy đặt tại nhà máy xí nghiệp.
+
Hình 1.4 – Tổng quan hệ thống SCADA
Cấp vùng miền quản lý nhiều nhà máy xí nghiệp trong vùng được phân công quản lý. Ở Việt Nam cấp này có vị trí đặt ở trung tâm vùng miền.
Cấp ngành quản lý chung quá trình sản xuất và thị trường của toàn ngành. Đây là cấp quản lý cao nhất đối với ngành. Nhà nước thực hiện công tác quản lý ngành thông qua cấp này.
Có 3 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:
Một là; Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức.
CC (Center)
RTU, PLC
CC (Center)
SAS/DCS
IEC 870-5-101/104 ICCP/ELCOM90
IEC 870-5-101/104
870-5-103/MODBUS
IEC 870-5-103/MODBUS IEC 61850
Hai là; Môi trường áp dụng trong công nghiệp có thể có nhiễu rất lớn nên các giao diện và giao thức phải được áp dụng hợp lý để xử lý nhiễu.
Ba là; Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA theo IEC thường tuân thủ một số giao thức chuẩn sau:
+ Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC 870- 5-103 hoặc giao thức của nhà sản xuất.
+ Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên giao diện RS485/RS232,....
+ Giữa các máy trạm và máy chủ trong hệ thống SAS/DCS ngày nay đang sử dụng một số giao thức của nhà sản xuất và đang hướng tới chuẩn IEC 61850.
+ Gữa GateWay với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng WAN.
+ Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90.
+ Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90...
1.2.2 Các chức năng hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA có các chức năng chính sau đây:
+ Chức năng thu thập dữ liệu.
+ Chức năng điều khiển, điều chỉnh.
+ Chức năng tạo các cảnh báo.
+ Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị.
+ Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin.
+ Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin.
Ngày nay yêu cầu đối với các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là hệ thống quản lý thuần túy kỹ thuật. Vai trò của hệ thống SCADA mới chỉ quản lý hạ tầng kỹ thuật với các phần mềm tương ứng. Các hệ thống SCADA nói trên cần được tích hợp thêm các ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường.
Đối với ngành năng lượng hệ thống như vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS tiếng Anh có nghĩa là Energy Management System). Đây là chức năng mới và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam.
1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA gồm 3 phần chính như sau:
+ Hệ thống các thiết bị đầu cuối: RTU, PLC, SAS/DCS (tại hiện trường).
+ Hệ thống các Trung tâm điều hành (CC).
+ Hệ thồng mạng truyền số liệu.
1.2.3.1 Hệ thống các thiết bị đầu cuối
Hệ thống các thiết bị đầu cuối có nhiệm vụ thu thập dữ liệu tại hiện trường thông qua các bộ cảm biến và chuyển đổi chuẩn hóa (Transducer).
Mỗi thiết bị đầu cuối có khả năng tiếp nhận hàng trăm đại lường đo lường và tín hiệu trạng thái, có khả năng xử lý các đầu vào ra theo thời gian thực, thu thập số liệu, cảnh báo, báo cáo và chấp hành các lệnh từ trung tâm điều khiển.
RTU được hiểu là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý có thiết bị vào/ra để trao đổi dữ liệu thời gian thực với thiết bị công nghệ của dây chuyền sản xuất có công nghệ truyền thống (cũ).
PLC là thiết bị đầu cuối chuyên dụng ra đời muộn hơn RTU cho phép trao đổi dữ liệu thời gian thực với thiết bị công nghệ của dây chuyền sản xuất, đồng thời cho phép lập trình để điều khiển cục bộ một số quá trình điều khiển (điều khiển quá trình).
SAS/DCS là thiết bị đầu cuối ra sau cùng, sau khi các thiết bị IED xuất hiện như là thành phần cấu thành của thiết bị công công nghệ có đủ các giao diện và giao thức cần thiết để tích hợp thành hệ thống điều khiển DCS.
Máy thu GPS/GLONASS được coi là một thiết bị IED. Nó cho phép cập nhật thời gian với độ chính xác cao nhất của ứng dụng dân sự.
Việc điều hành dây chuyền công nghệ và quá trình sản xuất tại nhà máy, xí nghiệp được thực hiện trên màn hình của các máy trạm đóng vài trò là các console làm việc. Tại đây người sử dụng giao tiếp (nhận thông tin và thao tác) với hệ thống qua giao diện người-máy HMI. Các Console kết nối với máy chủ, các máy chủ liên kết với các thiết bị đầu cuối để cập nhật thông tin qua lại với dây chuyền. Trên máy chủ được cài đặt các phần mềm ứng dụng của toàn bộ SAS/DCS.
Trạng thái làm việc của dây chuyền công nghệ được thể hiện qua các biểu tượng đồ họa HMI.
Các giá trị đo lường thể hiện dưới dạng con số bên cạnh đối tượng quan sát hoặc dưới dạng biểu đồ.
Các sự kiện xảy ra trên dây chuyền, các cảnh báo (vượt ngưỡng, dưới ngưỡng, an toàn, mất an toàn,…) được thể hiện qua danh sách sự kiện (Event litst).
Người vận hành tương tác với hệ thống để xác nhận các sự kiện xuất hiện trên Event list. Các lệnh điều chỉnh và điều khiển có thể được đưa ra để để chuyển đổi trạng thái làm việc hợp lý của dây chuyền.
Bên cạnh các Console, một Module có chức năng cập nhật dữ liệu dây chuyền công công nghệ để chuyển thông tin về cấp quản lý cao hơn và từ đó tạo thành hệ thống SCADA hoàn chỉnh. Module này được gọi là GateWay (GW).
1.2.3.2 Hệ thống mạng truyền số liệu
Một bộ phận rất quan trọng không thể thiếu được trong hệ thống SCADA là hệ thống truyền tin, nó liên quan đến sự ổn định, chính xác của hệ thống vì vậy một hệ truyền tin được chọn trong một hệ SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: Dải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ, khoảng cách địa lý...
Ngày nay bản thân các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có khả năng thỏa mãn nhiều loại kênh truyền từ kênh 2 dây quay số (2W), 4 dây âm tần (4W), RS232, Ethernet, mạng LAN/WAN.
Hệ thống SCADA sử dụng các dịch vụ viễn thông để kết nối giữa các GW và CC. Giao thức chuẩn áp dụng cho kết nối này là IEC-870-5 -101 và IEC-870-5 -104.
1.2.3.3 Hệ thống các Trung tâm điều hành (CC)
Trung tâm điều hành gồm hệ thống máy tính, hệ thống các Console (User Interface) và Các phần mềm SCADA, EMS.
Hệ thống máy tính tại phòng điều khiển trung tâm chính là các máy tính Server và Client. Server chia sẽ dữ liệu với các máy Client thông qua giao thức mạng và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển.
Các hệ SCADA cũ chạy trên môi trường DOS, VMS hay UNIX. Các hệ thống mới hơn chạy trên nền Windows 95 hay NT với một số chạy trên Linux.
SCADA Server: SCADA Server chính là máy Server của hệ thống SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC. Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server có chức năng thu thập, chia sẽ dữ liệu với các máy Client thông qua mạng Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển. Vì vậy trên các máy Server thường được dùng để cài đặt
các phần mềm phát triển (Development), thiết lập cấu hình truyền thông để kết nối với thiết bị tại hiện trường.
SCADA Client: Gồm các máy tính công nghiệp được nối với với máy Server bằng mạng Ethernet. Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy (Human Machine Unterface) kết nối với dữ liệu Server để hiển thị hoặc điều khiển. Tức là các máy Client sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ Controller gián tiếp thông qua máy Server. Mối liên hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào từng loại phần mềm công nghiệp được sử dụng trong hệ SCADA.
1.2.4 Hệ thống SCADA trong ngành điện.
Hệ thống điện (HTĐ) của nước ta bao gồm Trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia; các Trung tâm điều độ HTĐ miền Bắc, Trung, Nam; các Công ty phát điện; Tổng công ty truyền tải, các Công ty điện lực, các trạm điện và hộ tiêu thụ điện được liên kết với nhau bởi các đường dây siêu cao áp, cao áp, trung áp và hạ áp. Hệ thống SCADA của ngành điện hiện nay làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu ở tất cả các nhà máy điện, trạm điện siêu cao áp (500kV), cao áp ( 220, 110 kV). Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã ban hành quyết định số: 1208/QĐ-EVN ngày 28/7/2008 về việc ban hành “Quy định xây dựng và quản lý vận hành thiết bị SCADA của trạm biến áp và nhà máy điện”, theo quy định này thì giao thức sử dụng để nối giữa hệ thống SCADA/EMS tới RTU hoặc GateWay là IEC 870-5-101.
1.2.4.1 SCADA điều độ cấp Quốc gia
Đây là một trung tâm mang tính điều độ cấp cao, mang tính huyết mạch của hệ thống điện Việt Nam. Nó làm nhiệm vụ điều tiết toàn bộ điện năng trên lưới. SCADA điều độ quốc gia giúp cho việc phân bổ điện năng thông suốt trên khắp ba miền. SCADA điều độ quốc gia đảm đương các nhiệm vụ sau:
+ Thu thập các số đo, các trạng thái, tình hình phụ tải từ các trung tâm điều độ miền đưa lên.
+ Trên cơ sở các số liệu thu được tiến hành phân tích, nhận dạng, đánh giá và đưa ra các điều khiển tối ưu cho hệ thống về phân bổ công suất cũng như ổn định dự phòng trong lưới.
Thực chất trung tâm SCADA điều độ quốc gia không trực tiếp làm nhiệm vụ thu thập số liệu về hệ thống và cũng không điều khiển trực tiếp lên hệ thống mà chỉ thông qua các trạm phía dưới để thu thập dữ liệu và điều khiền hệ thống thông qua các lệnh dưới dạng các bản tin.
Hình 1.5- Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam
1.2.4.2 SCADA điều độ cấp Miền
Tại các trung tâm điều độ miền, các dữ liệu về hệ thống được các trạm gửi lên, các trung tâm này đưa ra các quyết định điều khiển tác động lên lưới nhằm mục tiêu là ổn định hệ thống. SCADA điều độ miền là cấp trung gian giữa SCADA điều độ quốc gia và SCADA trạm nên nó có một số nhiệm vụ đặc trưng sau:
- Thu thập số liệu từ các SCADA trạm.
- Phân tích biểu đồ phụ tải thu được, tiến hành đánh giá và đưa ra các phương án điều độ và phân chia phụ tải và ổn định lưới.
Các trung tâm điều độ miền đóng vai trò quan trọng và định hướng cho các SCADA trạm trong việc điều tiết công suất tải và điều khiển hệ thống.
1.2.4.3 SCADA trạm
Hình 1.6 - Sơ đồ SCADA trạm/nhà máy điện
Đây là một trung tâm máy tính điều khiển mà tác động trực tiếp đến chất lượng trong lưới điện vì đây là một nơi mà các tác động điều khiển trực tiếp
IEDsH? th?ng máy tính ch?
HMI Gateway
Thi?t b? nh?t th? (máy c?t …)
Trung tâm Ði?u d?
L AN 1
LAN 2
HMI Gateway Trung tâm điều độ (CC)
Máy chủ
IED
Thiết bị nhất thứ: Máy cắt...
SAS/DCS PLC, RTU
tác động vào hệ thống điện. Lưới điện có thể ổn định và bền vững hay không phụ thuộc rất nhiều các trung tâm SCADA trạm này. Nhiệm vụ của SCADA trạm như sau:
+ Thao tác điều khiển lên các thiết bị của hệ thống, các máy biến áp…
+ Thu thập và giám sát các thông số về hệ thống.
+ Điều khiển đóng/cắt nhằm bảo vệ hệ thống trong trường hợp lưới gặp sự cố như quá tải, chạm chập…
+ Đưa các dữ liệu về báo cáo với SCADA cấp trên phục vụ cho việc phân tích, đánh giá hệ thống khi cần khắc phục sự cố hay nâng cấp hệ thống
Các thành phần SCADA trạm/nhà máy:
+ Hệ thống máy tính chủ: Gồm các máy tính chủ có chức năng kết nối với các IED, nhận lệnh điều khiển từ HMI, Gateway và các ứng dụng lưu trữ dữ liệu. Phần mềm máy tính chủ sử dụng giao thức IEC 61850, IEC 60870-5- 104 Một số hãng sản xuất phần mềm: Matrikon, KalkiTech, Triangle Micro Works…
+ Hệ thống HMI: Cung cấp giao diện người/máy.
+ Hệ thống Gateway: Kết nối DCS với hệ thống SCADA của Trung tâm Điều độ, sử dụng giao thức IEC 61870-5-101. Một số hãng sản xuất phần mềm: Matrikon, KalkiTech, Triangle Micro Works…
+ Hệ thống mạng LAN: Star, Ring, Redundant, Optical Cable.
+ Các thiết bị IED … kết nối giữa thiết bị nhất thứ với hệ thống máy tính thông qua các giao thức IEC 60870-5-103, MODBUS.