Giáo Trình Hệ Thống Giám Sát và Thu Thập Dữ Liệu SCADA Nghề Điện Công Nghiệp

Giáo trình hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA cho nghề điện công nghiệp, cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sinh viên.

• Tác giả: Vũ Hồ Thành
• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam
• Chuyên ngành: Điện Công Nghiệp
• Đề tài: Giáo Trình Hệ Thống Giám Sát SCADA
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nam

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT)
• 1.1. Cấu hình phần cứng của RTU
• 1.1.1. Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit)
• 1.1.2. Khối vào tương tự (Analog Input Modules)
• 1.1.3. Khối ra tương tự (Analog Output Mudules)
• 1.1.4. Khối vào số (Digital Input Modules)
• 1.1.5. Khối ra số (Digital Output Modules)
• 1.1.6. Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces)
• 1.1.7. Bộ đếm số (Digital Counters)
• 1.2. Cấu hình phần mềm của RTU
• 1.2.1. So sánh giữa RTU & PLC
• 1.2.2. Ứng dụng RTU
• 2. CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG CHO SCADA
• 2.1. Các khái niệm cơ bản trong phần mềm ứng dụng
• 2.2. Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC
• 2.2.1. Giới thiệu phần mềm WINCC
• 2.2.2. Hướng dẫn lập trình
• 2.3. Các phần mềm trong hệ SCADA
• 2.3.1. Phần mềm thiết kế giao diện
• 2.3.2. Phần mềm điều khiển Logic
• 2.3.3. Phần mềm kết nối trung gian
• 3. CHƯƠNG 3: TRẠM TRUNG TÂM MS (MASTER STATION)
• 3.1. Cấu hình phần cứng của MS
• 3.2. Cấu hình phần mềm MS
• 3.3. HMI- giao diện người máy
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH SCADA
• 4.1. Bố cục màn hình
• 4.2. Các vấn đề về màu sắc
• 4.3. Các vấn đề về hình ảnh và đồ họa
• 4.4. Trình bày văn bản
• 4.5. Giá trị dữ liệu
• 4.6. Cảnh báo và thông tin sự kiện
• 4.7. Điều hướng và điều khiển
• 4.8. Xây dựng sơ đồ khối và lưu đồ hoạt động
• 4.9. Kết nối phần cứng theo hệ thống đã phân tích
• 4.10. Viết chương trình điều khiển hệ thống
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Hệ Thống Giám Sát SCADA Nghề Điện Công Nghiệp

Giáo trình "Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA" là một phần quan trọng trong chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp. Nó cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sinh viên trong lĩnh vực tự động hóa. Nội dung giáo trình được biên soạn với thời lượng 45 giờ, bao gồm nhiều chương học thiết thực, giúp sinh viên nắm vững các khái niệm cơ bản về hệ thống SCADA.

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1940. Ban đầu, hệ thống này được xây dựng để giám sát và điều khiển các thiết bị điện từ xa. Sự phát triển của máy tính đã thúc đẩy sự ra đời của SCADA như một công cụ giám sát hiệu quả.

1.2. Các thành phần chính của hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA bao gồm các thành phần như MTU (Master Terminal Unit), RTU (Remote Terminal Unit) và các khối truyền thông. Những thành phần này phối hợp với nhau để thu thập và xử lý dữ liệu từ các thiết bị hiện trường.

II. Những thách thức trong việc triển khai hệ thống SCADA

Việc triển khai hệ thống SCADA trong ngành điện công nghiệp gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư, sự phức tạp trong cấu hình và bảo trì hệ thống là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc đảm bảo tính bảo mật và độ tin cậy của hệ thống cũng là một thách thức lớn.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống SCADA

Chi phí đầu tư cho hệ thống SCADA có thể cao, đặc biệt là trong giai đoạn đầu. Ngoài ra, việc bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng đòi hỏi nguồn lực tài chính và nhân lực đáng kể.

2.2. Tính bảo mật trong hệ thống SCADA

Bảo mật là một yếu tố quan trọng trong hệ thống SCADA. Các mối đe dọa từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, do đó cần có các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

III. Phương pháp triển khai hệ thống SCADA hiệu quả

Để triển khai hệ thống SCADA hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại. Việc lựa chọn phần mềm và thiết bị phù hợp là rất quan trọng. Ngoài ra, đào tạo nhân lực cũng là một yếu tố không thể thiếu.

3.1. Lựa chọn phần mềm SCADA phù hợp

Việc lựa chọn phần mềm SCADA phù hợp với nhu cầu của doanh nghiệp là rất quan trọng. Các phần mềm như WINCC hay các giải pháp tùy chỉnh có thể đáp ứng tốt yêu cầu giám sát và điều khiển.

3.2. Đào tạo nhân lực cho hệ thống SCADA

Đào tạo nhân lực là yếu tố quyết định đến sự thành công của hệ thống SCADA. Nhân viên cần được trang bị kiến thức và kỹ năng để vận hành và bảo trì hệ thống một cách hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống SCADA trong công nghiệp

Hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất điện, xử lý nước thải và quản lý tòa nhà. Những ứng dụng này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động.

4.1. Hệ thống quản lý sản xuất điện

Hệ thống SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển quá trình sản xuất điện. Nó giúp theo dõi các thông số kỹ thuật và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

4.2. Hệ thống giám sát tòa nhà

SCADA được sử dụng để giám sát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và tiêu thụ điện năng trong các tòa nhà. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống SCADA trong ngành điện

Hệ thống SCADA sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong ngành điện công nghiệp. Với sự tiến bộ của công nghệ, các hệ thống SCADA sẽ ngày càng trở nên thông minh và tự động hóa hơn, giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro.

5.1. Xu hướng phát triển của công nghệ SCADA

Công nghệ SCADA đang hướng tới việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT). Điều này sẽ giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển từ xa.

5.2. Tầm quan trọng của SCADA trong tương lai

Hệ thống SCADA sẽ tiếp tục là một phần không thể thiếu trong ngành điện công nghiệp, giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

THÔNG TIN THƯ MỤC VÀ MÔ TẢ NỘI DUNG GIÁO TRÌNH: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA

---

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học: Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Mã môn học: MH34) là tài liệu đào tạo chuyên môn bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp, do Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam (thuộc Sở Lao động - Thương binh và Xã hội tỉnh Hà Nam) ban hành kèm theo Quyết định số 234/QĐ-CĐN ngày 05 tháng 08 năm 2020. Tài liệu do tác giả Vũ Hồ Thành làm chủ biên, hoàn thành biên soạn vào ngày 10 tháng 06 năm 2020 với tổng thời lượng phân bổ là 45 giờ học.

Trong khung chương trình đào tạo, môn học MH34 được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành các môn học và mô đun cơ sở kỹ thuật, bao gồm: Tin học cơ bản, Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, Truyền động điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao, Mạng truyền thông công nghiệp, Vi xử lý và Hiệu chuẩn thiết bị đo lường. Vị trí này đảm bảo người học có đủ kiến thức nền tảng về tín hiệu, mạch điều khiển và vi xử lý trước khi tiếp cận cấp độ tích hợp hệ thống.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định trên ba phương diện cụ thể:

• Về kiến thức: Trang bị nguyên lý vận hành của hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong tự động hóa đo đạc, thu thập, truyền dẫn và kiểm soát dữ liệu quá trình phục vụ tối ưu hóa vận hành dây chuyền sản xuất, trạm xử lý nước thải, mạng lưới cấp nước, năng lượng và môi trường.
• Về kỹ năng: Phát triển năng lực phân tích cấu hình phần cứng, kết nối mạng truyền thông, lập trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát người - máy (HMI).
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện năng lực đánh giá chất lượng phương tiện giám sát, tác phong làm việc chuẩn xác, chuẩn bị bài giảng, giải quyết bài tập và khả năng hướng dẫn nhóm kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm Bài mở đầu và 4 chương chuyên đề. Cách tiếp cận của tài liệu đi từ lịch sử phát triển, mô hình kiến trúc phân cấp, cấu hình phần cứng thiết bị đầu cuối, kỹ thuật phần mềm giám sát WinCC Flexible 2008, cấu hình trạm trung tâm cho đến phương pháp luận thiết kế đồ họa HMI theo tiêu chuẩn công nghiệp.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành 5 phần tuần tự theo logic từ cấu trúc tổng quát, thiết bị ngoại vi hiện trường đến phần mềm trung tâm và tích hợp hệ thống:

[Bài mở đầu: Tổng quan SCADA]
               │
               ▼
[Chương 1: Đơn vị đầu cuối RTU]
               │
               ▼
[Chương 2: Phần mềm ứng dụng SCADA (WinCC/PLC)]
               │
               ▼
[Chương 3: Trạm trung tâm Master Station (MS/HMI)]
               │
               ▼
[Chương 4: Thiết kế các mô hình SCADA hoàn chỉnh]

• Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA (Mã chương: MH 34 – 00): Trình bày tiến trình lịch sử phát triển của hệ thống giám sát từ kỹ thuật dây đôi thập niên 1940, hệ thống chuyển mạch bước bằng nam châm, hệ thống đếm xung Visicode của Westinghouse và North Electric (thập niên 1950), hệ thống bán dẫn Solid-State REDAC (Westinghouse) và GETAC (GE) thập niên 1960, đến các dòng máy tính điều khiển PRODAC và GETAC. Chương này định nghĩa kiến trúc 3 cấp của SCADA (Cấp trường/vận hành, Cấp điều khiển tại phòng điều khiển, Cấp giám sát quản lý tại nhà máy và trung tâm từ xa); phân tích 3 thành phần cốt lõi gồm MTU (Master Terminal Unit), RTU (Remote Terminal Unit) và Khối truyền thông; đồng thời so sánh sự khác biệt cấu trúc giữa SCADA, DCS (Distributed Control System) và PLC.
• Chương 1: Một số đơn vị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) (Mã chương: MH 34 – 01): Khảo sát cấu hình phần cứng RTU độc lập dựa trên bộ vi xử lý 16-bit hoặc 32-bit (như 68302, 80386), trang bị bộ xử lý toán học, cổng truyền thông nối tiếp RS-232, RS-422, RS-485 và bộ định thời thời gian thực. Phân tích chi tiết 5 khối chức năng: Khối vào tương tự (Analog Input Modules - gồm bộ ghép kênh, khuếch đại, lấy mẫu/giữ Sample & Hold, biến đổi A/D, Bus Interface); Khối ra tương tự (Analog Output Modules - độ phân giải 8/12 bit, dải 4-20 mA, 0 đến +10V, ±10V, thời gian chuyển đổi 10-30 ms); Khối vào số (Digital Input Modules - xử lý tín hiệu ON/OFF); Khối ra số (Digital Output Modules - ngõ ra 24V DC hoặc 240V AC có cách ly bảo vệ); và Khối bộ đếm số (Digital Counters). Chương này cũng so sánh RTU và PLC về chi phí, khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt và phương thức lập trình.
• Chương 2: Phần mềm ứng dụng cho SCADA (Mã chương: MH 34 – 03): Giới thiệu các phần mềm SCADA thương mại (WinCC của Siemens, FIX của Intellution, RSView của Allen Bradley, InTouch của Wonderware, Think & Do) và cơ chế liên kết dữ liệu đa nhiệm qua OLE, OPC, DDE, ActiveX, DCOM, C-API cùng cơ sở dữ liệu Sybase SQL qua ODBC/SQL. Trọng tâm chương là hướng dẫn thực hành phần mềm WinCC Flexible 2008 của Siemens qua quy trình 9 bước tạo dự án; quản lý biến tag (Tag nội - Internal tag, Tag ngoại - External tag); thiết lập màn hình, nút bấm (Button), công tắc (Switch); cùng kỹ thuật lập trình điều khiển PLC qua 4 ngôn ngữ chuẩn (STL, LAD, FBD, Graph), nạp chương trình qua giao tiếp MPI và mô phỏng chạy thử bằng PLCSIM.
• Chương 3: Trạm trung tâm MS (Master Station) (Mã chương: MH 34 – 04): Phân tích kiến trúc phần cứng Master/Slave, chức năng của trạm chủ chính MTU và trạm chủ phụ (Sub-Master Station); cấu hình phần mềm MS (nâng cấp hệ điều hành, lập trình script điều khiển, thư viện đối tượng); nguyên lý giao diện người - máy HMI (màn hình Graphic Operation Terminal - GOT của Mitsubishi, màn hình NT của Omron, SoftGOT trên PC); và chức năng quản lý công thức sản xuất (Recipe Function) liên kết cơ sở dữ liệu với bảng tính Excel.
• Chương 4: Thiết kế các mô hình SCADA (Mã chương: MH 34 – 05): Phân tích các tiêu chuẩn công nghiệp khi thiết kế giao diện HMI: bố cục màn hình theo hướng quét mắt (góc trên bên trái sang phải và từ trên xuống dưới); nguyên tắc phối màu nền trung tính (xám nhạt, xanh sáng, nâu sáng; tránh màu cơ bản chói); quy ước màu chỉ thị trạng thái (Đỏ: Dừng/nguy hiểm, Vàng: Cảnh báo, Xanh lá: An toàn, Xanh đậm: Bắt buộc); quy tắc đồ họa tĩnh hạn chế ảnh động nhấp nháy; và chuẩn trình bày văn bản (phông chữ Arial/Helvetica, kích thước cơ bản cỡ 16, tiêu đề tăng 2 cỡ, không dùng quá 3 cỡ chữ trên một màn hình).

Bảng tổng hợp cấu trúc nội dung giáo trình MH34

Phần / Chương	Mã chương	Trọng tâm kiến thức kỹ thuật	Công cụ / Phần cứng đề cập
Bài mở đầu	MH 34 – 00	Lịch sử SCADA; Kiến trúc 3 cấp; So sánh SCADA - DCS - PLC	MTU, RTU, mạng truyền thông, chuẩn OSI
Chương 1	MH 34 – 01	Cấu trúc phần cứng/phần mềm RTU; Xử lý Analog/Digital/Counter	Vi xử lý 68302/80386, RS-232/422/485, dải 4-20mA/0-10V
Chương 2	MH 34 – 03	Phần mềm SCADA/WinCC; Quản lý Tag; Lập trình PLC; Mô phỏng	WinCC Flexible 2008, STEP 7, PLCSIM, STL/LAD/FBD
Chương 3	MH 34 – 04	Trạm chủ MS/MTU; Giao diện HMI; Quản lý dữ liệu công thức	Mitsubishi GOT/SoftGOT, Omron NT, tính năng Recipe
Chương 4	MH 34 – 05	Nguyên tắc công thái học HMI: Bố cục, màu sắc, phông chữ	Giao diện điều khiển công nghiệp, chuẩn hiển thị tĩnh

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết kỹ thuật vững chắc dựa trên:

• Lý thuyết truyền thông công nghiệp: Mô hình tham chiếu 7 tầng ISO/OSI, giao thức mạng TCP/IP, các chuẩn giao tiếp nối tiếp vật lý (RS-232, RS-422, RS-485), mạng MPI của Siemens và các cơ chế truyền thông không dây (Radio VHF/UHF, Microwave, Satellite).
• Nguyên lý chuyển đổi và xử lý tín hiệu: Nguyên lý biến đổi tương tự - số (A/D) và số - tương tự (D/A), phương pháp ghép kênh tín hiệu (Multiplexing), mạch trích mẫu và giữ (Sample and Hold), cách ly quang bảo vệ ngõ ra số.
• Cơ chế quản lý và lưu trữ dữ liệu thời gian thực: Cấu trúc dữ liệu Process Value Archives, cơ chế ghi nhận cảnh báo Alarm Logging, thu thập dữ liệu chu kỳ/sự kiện qua Tag Logging, liên kết cơ sở dữ liệu qua giao diện SQL và ODBC.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Cấu hình thông số vào/ra cho RTU và PLC; thiết lập kết nối truyền thông công nghiệp qua giao thức MPI; sử dụng phần mềm WinCC Flexible 2008 để khởi tạo dự án, liên kết biến Tag ngoại vi với vùng nhớ PLC; viết mã điều khiển logic bằng ngôn ngữ LAD/STL/FBD và thực hiện nạp/mô phỏng chương trình trên PLCSIM.
• Kỹ năng phân tích: Đọc hiểu và phân tích lưu đồ công nghệ hệ thống tự động hóa; phân định chức năng giữa các cấp điều khiển (cấp trường, phòng điều khiển, trung tâm giám sát); đánh giá dung sai môi trường giữa thiết bị PLC và RTU.
• Kỹ năng thực hành nghề nghiệp: Thiết kế giao diện vận hành HMI đạt chuẩn công nghiệp, tối ưu hóa công thái học thị giác (bố cục màn hình, phân cấp cảnh báo, chuẩn hóa bảng màu, định dạng nhãn dữ liệu) và xuất biểu mẫu báo cáo hoạt động (Report Designer).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được biên soạn phục vụ thời lượng 45 giờ đào tạo, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hệ thống và thực hành ứng dụng từng bước (step-by-step):

[Giảng dạy lý thuyết cấu trúc hệ thống (45h)]
               │
               ▼
[Nghiên cứu Case Study: Bồn trộn tự động]
               │
               ▼
[Thực hành 9 bước cấu hình WinCC Flexible 2008]
               │
               ▼
[Mô phỏng chương trình PLC qua PLCSIM & MPI]
               │
               ▼
[Đánh giá qua Câu hỏi ôn tập & Bài tập thiết kế]

• Phương pháp sư phạm: Tài liệu áp dụng phương pháp dạy học tích hợp kỹ thuật. Sau các nội dung lý thuyết về cấu hình phần cứng trạm MS, RTU và các giao thức truyền thông, giáo trình cung cấp hướng dẫn thao tác trực tiếp trên phần mềm chuyên dụng (WinCC Flexible 2008, STEP 7, PLCSIM).
• Bài tập và Case Studies thực tế: Đưa vào các ví dụ ứng dụng điển hình trong công nghiệp, tiêu biểu là mô hình thiết kế màn hình HMI cho hệ thống bình trộn nước trái cây tự động (gồm các tank chứa nguyên liệu, tank trộn, hệ thống van điều khiển đóng/mở, cảm biến mức và động cơ khuấy).
• Quy trình thực hành kỹ thuật: Hướng dẫn chi tiết quy trình 9 bước tạo lập một dự án HMI trên WinCC Flexible:
  1. Khởi động phần mềm WinCC Flexible 2008.
  2. Tạo mới dự án bằng công cụ Project Wizard.
  3. Lựa chọn kiểu cấu hình mạng liên kết (Small machine, Large machine, Distribute operation, Control center and local operation, Sm@rtClient).
  4. Lựa chọn loại thiết bị HMI, PLC và phương thức kết nối điều khiển.
  5. Cấu hình màn hình mẫu (tiêu đề, thanh cảnh báo, vùng điều hướng).
  6. Chọn số lượng và cấu trúc màn hình điều hướng (Section Screen).
  7. Chọn màn hình hệ thống chuẩn.
  8. Lựa chọn thư viện đồ họa chuẩn (nút ấn, công tắc, biểu tượng thiết bị).
  9. Khai báo thông tin dự án (Project name, author, comments) và hoàn thiện giao diện.
• Phương pháp đánh giá: Đánh giá kết quả học tập qua hệ thống câu hỏi ôn tập cuối mỗi chương (tập trung vào cấu trúc phần cứng RTU/MS, chức năng phần mềm WinCC, FIX-DMACS, các chế độ nạp chương trình online qua cổng MPI) và bài tập thực hành thiết kế sơ đồ khối, viết chương trình điều khiển logic kết nối với giao diện HMI.
• Hướng dẫn tự học: Yêu cầu người học nghiên cứu trước tài liệu lý thuyết, chuẩn bị bài trước khi lên lớp, hoàn thành bài tập về nhà và chủ động cài đặt các phần mềm mô phỏng (PLCSIM, WinCC Flexible Runtime) để tự kiểm thử chương trình trên máy tính cá nhân.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tích hợp các nền tảng phần mềm công nghiệp phổ biến: Giáo trình tích hợp hướng dẫn chi tiết trên phần mềm WinCC Flexible 2008 của hãng Siemens, hệ thống phần mềm FIX-DMACS của Intellution, cùng việc ứng dụng phần mềm mô phỏng PLCSIM giúp người học có thể chạy thử nghiệm logic điều khiển và kiểm tra truyền thông HMI-PLC hoàn chỉnh mà không bắt buộc phải có phần cứng vật lý tại chỗ.
• Cập nhật các chuẩn kết nối phần mềm hiện đại: Đưa vào nội dung giảng dạy các giao thức kết nối phần mềm tiêu chuẩn trong công nghiệp như OLE, OPC (OLE for Process Control), DDE, ActiveX, DCOM và chuẩn truy vấn cơ sở dữ liệu Sysbase SQL/ODBC, cho phép tích hợp dữ liệu SCADA với các hệ thống điều hành sản xuất cấp cao như MES (Manufacturing Execution System) và ERP (Enterprise Resource Planning).
• Phân tích xu hướng chuyển đổi công nghệ RTU - PLC: Làm rõ xu hướng hiện đại trong tự động hóa công nghiệp khi các hệ thống SCADA đang chuyển dịch từ việc sử dụng các khối RTU chuyên dụng sang PLC nhằm giảm chi phí lắp đặt, thu gọn diện tích tủ bảng điện, tối ưu hóa công tác bảo dưỡng và tạo thuận lợi cho đội ngũ kỹ sư trong việc lập trình, nâng cấp hệ thống.
• Tính thực tiễn trong thiết kế công nghiệp: Chương 4 của giáo trình cung cấp bộ quy chuẩn công thái học thị giác chi tiết và thực tế, chỉ ra các lỗi thiết kế phổ biến của người mới bắt đầu (như lạm dụng ảnh động 3D gây mất tập trung, dùng sai màu nền) và đưa ra các thông số cụ thể về cỡ chữ (Arial cỡ 16 cho nội dung, tăng 2 cỡ cho tiêu đề), mã màu nhận diện chức năng (Đỏ, Vàng, Xanh lá, Xanh đậm) và bố cục màn hình theo luồng quét thị giác.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên và học viên: Dành cho học sinh, sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp chuyên ngành Điện công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật đo lường và Hiệu chuẩn thiết bị điện.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần nắm vững kiến thức từ các mô đun kỹ thuật cơ sở đã học trước đó trong chương trình:
  • Kiến thức tin học ứng dụng và lập trình vi xử lý cơ bản.
  • Nguyên lý hoạt động của khí cụ điện và mạch trang bị điện.
  • Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển truyền động điện.
  • Lập trình bộ điều khiển logic khả trình PLC mức độ cơ bản và nâng cao.
  • Kiến thức về mạng truyền thông công nghiệp và hiệu chuẩn thiết bị đo.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức cho môn học MH34 (45 giờ); làm căn cứ thiết kế giáo án bài giảng lý thuyết, biên soạn đề thi, xây dựng hướng dẫn thực hành xưởng và định hướng phát triển các bài tập mô phỏng SCADA.
• Cán bộ kỹ thuật và tự học: Tài liệu hữu ích cho kỹ thuật viên, kỹ sư vận hành tại các nhà máy xử lý nước, trạm biến áp, dây chuyền sản xuất cần tham khảo quy chuẩn cấu hình HMI, kỹ thuật kết nối WinCC và phương pháp quản trị dữ liệu quá trình.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Giáo trình được biên soạn chính thức cho học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Điện công nghiệp theo quyết định ban hành của Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam. Ngoài ra, tài liệu có thể sử dụng cho các ngành kỹ thuật liên quan như Tự động hóa công nghiệp và Kỹ thuật đo lường.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Theo quy định chương trình tại mục "Vị trí môn học", người học bắt buộc phải hoàn thành các mô đun tiên quyết: Tin học cơ bản, Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, Truyền động điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao, Mạng truyền thông công nghiệp, Vi xử lý và Hiệu chuẩn thiết bị đo lường.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết điều khiển tự động thông thường là gì?

Giáo trình tập trung chuyên sâu vào tính thực hành hệ thống: phân tích chi tiết cấu hình phần cứng RTU/MS, hướng dẫn từng bước quy trình 9 bước tạo dự án trên WinCC Flexible 2008, kỹ thuật liên kết Tag nội/ngoại, và đặc biệt là bộ nguyên tắc thiết kế giao diện HMI chuẩn công nghiệp (công thái học bố cục, phối màu trung tính, hạn chế hoạt ảnh động, chuẩn hóa phông chữ Arial cỡ 16).

4. Người học có thể tự học và thực hành nếu không có thiết bị phần cứng tại nhà không?

Có thể tự học và thực hành hiệu quả. Giáo trình hướng dẫn sử dụng phần mềm WinCC Flexible 2008 kết hợp với phần mềm mô phỏng PLCSIM của Siemens. Công cụ này cho phép giả lập hoàn toàn hoạt động của một CPU PLC trên máy tính cá nhân để kiểm thử logic điều khiển và giao tiếp HMI mà không cần kết nối phần cứng thực tế.

5. Những hệ thống phần mềm và thiết bị công nghiệp nào được hướng dẫn trong giáo trình?

Về phần mềm, tài liệu đề cập đến Siemens WinCC / WinCC Flexible 2008, PLCSIM, STEP 7, FIX-DMACS, RSView, InTouch. Về phần cứng, tài liệu khảo sát các vi xử lý RTU (68302, 80386), PLC S7 của Siemens, màn hình HMI GOT/SoftGOT của Mitsubishi và dòng màn hình NT của Omron.

---

Kết luận

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Chủ biên: Vũ Hồ Thành - Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam) là tài liệu đào tạo có cấu trúc chặt chẽ, chuẩn mực về chuyên môn cho ngành Điện công nghiệp với thời lượng 45 giờ. Giá trị cốt lõi của tài liệu nằm ở việc kết hợp hài hòa giữa nguyên lý hệ thống điều khiển giám sát phân cấp và quy trình thực hành cấu hình phần mềm công nghiệp WinCC Flexible, lập trình PLC và chuẩn hóa thiết kế giao diện HMI.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học:

1. Nắm vững lịch sử, phân cấp kiến trúc 3 tầng và cấu trúc phần cứng RTU (Bài mở đầu, Chương 1).
2. Thực hành quy trình 9 bước tạo lập dự án trên WinCC Flexible 2008, cấu hình Tag và lập trình điều khiển PLC kết hợp mô phỏng PLCSIM (Chương 2).
3. Làm chủ cấu hình trạm trung tâm MS, các dòng HMI (Mitsubishi GOT, Omron NT) và tính năng quản lý Recipe (Chương 3).
4. Vận dụng toàn diện bộ quy chuẩn thiết kế bố cục, màu sắc và phông chữ công nghiệp để hoàn thiện mô hình SCADA hoàn chỉnh (Chương 4).

Người học nên kết hợp nghiên cứu giáo trình cùng các tài liệu bổ trợ như tài liệu kỹ thuật Simatic WinCC của Siemens, tài liệu lập trình STEP 7 và các cẩm nang hướng dẫn sử dụng thiết bị HMI công nghiệp liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA Mã chƣơng: MH 34 – 00 Giới thiệu: Bài học giới thiệu cung về hệ thống SCADA trong điều khiển tự động hóa Mục tiêu: - Khái quát được tầm quan trọng của môn hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu. - Nêu được các thành phần của hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu, ứng dụng của hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu. - Rèn được phương pháp học tư duy và nghiêm túc trong công việc. Nội dung chính: 1.

Lịch sử phát triển - Giai đoạn những năm 1940 Từ những năm 1940, yêu cầu vận hành các thiết bị điện ở các địa điểm khác nhau dẫn đến nhu cầu xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát các thiết bị đó. Cách tiếp cận đầu tiên để xây dựng hệ thống này là sử dụng cặp đôi dây hoặc nhiều cặp đôi dây giữa các địa điểm. Mỗi cặp đôi dây vận hành một thiết bị duy nhất. Điều này làm tăng chi phí.

Tuy nhiên đây là sự cần thiết để vận hành các thiết bị thường xuyên. Đồng thời có khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng nếu xảy ra lỗi. Các tủ điều khiển trong trạm biến áp. Các tín hiệu cảnh báo, tín hiệu điều khiển của các thiết bị trong trạm biến áp được tập trung đến tủ này.

Để tiết kiệm chi phí hơn, vấn đề cần giải quyết là làm thế nào để chỉ sử dụng một đôi dây mà có thể điều khiển nhiều thiết bị. Trong thời gian này, các 6 công ty điện thoại phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm. Công nghệ này được đưa vào đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm số lượng đi dây. Do sử dụng chung đôi dây và cần thiết điều khiển thiết bị chính xác, một khung làm việc lựa chọn/kiểm tra/thao tác được đưa ra.

- Hệ thống điều khiển giám sát Visicode đƣợc phát minh từ những năm 1950 Khi điện thoại kiểu xung phát triển, công ty Westing house liên kết với công ty North Electric đã phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode dựa trên cách đếm số xung. Mã Visicode sử dụng 2 cửa sổ trễ để tạo xung và đếm số xung. Cửa sổ ngắn sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra một thiết bị. Cửa số lớn sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra cho một nhóm thiết bị.

Hàng nghìn thiết bị này đã được sử dụng trong các năm 1950 – 1960. Năm 1960 – 1970, Công ty Westing house phát triển hệ thống giám sát Solid state gọi là REDAC. Hệ thống này sử dụng khung dữ liệu cố định. Hệ thống này cũng sử dụng lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác.

GE cũng phát triển hệ thống tương tự có tên gọi là GETAC. Để giảm bớt sự vất vả trong việc lưu trữ dữ liệu đọc được mỗi giờ của người trực vận hành, hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được đưa ra. Phiên bản đầu tiên của hệ thống này có trước cả hệ thống Solid State và hệ thống đo lường xa. Tuy nhiên, phải đến khi hệ thống Solid state ra đời và sự phát triển của máy tính thì hệ thống này mới được đưa vào sử dụng.

- Hệ thống SCADA đƣợc phát minh năm 1960 Hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu điều khiển giám sát thực sự phát triển sau khi máy tính trở nên phổ biến. Giữa năm 1960, Westing house và GE đã xây dựng bộ xử lý cho hệ thống này. Westing house gọi là PRODAC và GE gọi là GETAC. Do yêu cầu phức tạp, đòi hỏi máy chủ máy chủ phải cung cấp tất cả các chức năng của một hệ thống SCADA.

Chức năng chính của máy chủ là quét dữ liệu, giám sát dữ liệu và các trạng thái. Bên cạnh đó là cảnh báo nếu thay đổi, hiển thị dữ liệu, hiển thị dữ liệu trên màn hình, lưu dữ liệu theo chu kỳ. Hầu hết hệ thống SCADA làm việc bằng cách quét liên tục. Máy chủ gửi các yêu cầu dữ liệu đến đầu xa và đầu xa trả lời.

SCADA là gì SCADA – (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ 7 SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface). Các thành phần của một hệ thống SCADA Thông thường trong một nhà máy hiện đại hệ thống SCADA được thiết kế chia ra làm 3 cấp: Cấp vận hành (Cấp trƣờng): Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi họat động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ đặt ra. Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển): Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tình trạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI- Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel).

Cấp giám sát, quản lý: Có 2 hình thức tương đương nhau: + Giám sát tại nhà máy (Tại nhà vận hành): Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số, tình trạng thiết bị và toàn bộ họat động của dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòng điều khiển qua đó có thể nắm được tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kế họach sản xuất,. + Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại đây có thể theo dõi, giám sát mọi họat động của nhà máy thông qua máy tính được kết nối từ xa qua mạng. Từ đó có kế họach sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng. Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trƣờng, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…) Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông.

a) MTU (Master Terminal Unit): MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp. MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông. Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông. Nhiệm vụ của MTU bao gồm: - Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành.

- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU. - Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển. 8 - Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác. b) RTU (Remote Terminal Unit): RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo,… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái họat động của các thiết bị hiện trường.

Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển họat động của các thiết bị theo yêu cầu. Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hướng của MTU. c) Khối truyền thông: Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm.

Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây wireless), các trạm lặp (trong trường hợp truyền đi xa). Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau. CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông. Các giao thức có thể là giao thức mở như TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng.

Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức. Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ.

Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA SCADA khác với các hệ thống điều khiển DCS ở chỗ, các hệ DCS là một hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng và cơ chế điều khiển được giao cho cả các phần tử cấp dưới, trong khi hệ thống SCADA thiên về giám sát và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, mọi thao tác lên hệ đều dưới sự điều khiển của trung tâm. Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay thế bởi PLC, trong hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngày càng đi theo xu thế này. Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau: Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều. 9 Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn… Do đó chúng rất cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngoài ra còn rất khó khăn trong việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng.

Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC. Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với công nghệ PLC hơn và do đó khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn. Mua thiết bị dễ dàng hơn. Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị.

Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng. Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trong tương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh.