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

Khám phá giáo trình hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp.

• 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 Trong Đào Tạo Nghề Điện Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nam

Mục lục chi tiết

• TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
• LỜI GIỚI THIỆU
• GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
• Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA
• 0.1. Lịch sử phát triển
• 0.2. Các thành phần của một hệ thống SCADA
• 0.3. Các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)
• 0.4. Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA
• 0.5. Các ứng dụng tiêu biểu của SCADA trong công nghiệp
• 0.6. CÂU HỎI ÔN TẬP
• 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 Modules)
• 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
• 1.3. CÂU HỎI ÔN TẬP
• 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
• 2.4. CÂU HỎI ÔN TẬP
• 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. Phân tích yêu cầu thiết kế một hệ thống SCADA
• 4.1.1. Bố cục màn hình
• 4.1.2. Các vấn đề về màu sắc
• 4.1.3. Các vấn đề về hình ảnh và đồ họa
• 4.1.4. Trình bày văn bản
• 4.1.5. Giá trị dữ liệu
• 4.1.6. Cảnh báo và thông tin sự kiện
• 4.1.7. Điều hướng và điều khiển
• 4.2. Xây dựng sơ đồ khối và lưu đồ hoạt động
• 4.3. Kết nối phần cứng theo hệ thống đã phân tích
• 4.4. Viết chương trình điều khiển hệ thống
• 4.5. CÂU HỎI ÔN TẬP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Hệ Thống Giám Sát SCADA

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 cơ bản về hệ thống giám sát SCADA, giúp sinh viên hiểu rõ về cách thức hoạt động và ứng dụng của hệ thống này trong thực tiễn. Nội dung giáo trình được biên soạn với thời lượng 45 giờ, bao gồm nhiều chương học khác nhau, từ tổng quan đến các ứng dụng cụ thể trong ngành điện công nghiệp.

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, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả vận hành.

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 thiết bị truyền thông. Những thành phần này phối hợp với nhau để thu thập và giám sát dữ liệu từ xa.

II. Thách thức trong việc đào tạo nghề điện công nghiệp với SCADA

Việc đào tạo nghề điện công nghiệp với hệ thống giám sát SCADA gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự thiếu hụt nguồn nhân lực có kỹ năng chuyên môn cao trong lĩnh vực này. Ngoài ra, công nghệ SCADA liên tục phát triển, đòi hỏi giáo trình phải được cập nhật thường xuyên để đáp ứng nhu cầu thực tế.

2.1. Thiếu hụt nguồn nhân lực có kỹ năng

Nhiều sinh viên tốt nghiệp chưa đủ kỹ năng để làm việc với các hệ thống SCADA hiện đại. Điều này gây khó khăn cho các doanh nghiệp trong việc tìm kiếm nhân sự phù hợp.

2.2. Cần cập nhật công nghệ thường xuyên

Công nghệ SCADA thay đổi nhanh chóng, yêu cầu giáo trình phải được điều chỉnh để phản ánh những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này.

III. Phương pháp giảng dạy hiệu quả cho hệ thống SCADA

Để nâng cao chất lượng đào tạo nghề điện công nghiệp, cần áp dụng các phương pháp giảng dạy hiện đại. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành là rất quan trọng trong việc giúp sinh viên nắm vững kiến thức về hệ thống giám sát SCADA.

3.1. Kết hợp lý thuyết và thực hành

Giáo trình nên bao gồm các bài thực hành thực tế, giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào các tình huống cụ thể trong công việc.

3.2. Sử dụng công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng có thể giúp sinh viên trải nghiệm các tình huống thực tế mà không cần phải tiếp xúc với thiết bị thực tế, từ đó nâng cao khả năng xử lý tình huống.

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 giám sát tòa nhà. Những ứng dụng này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao hiệu quả quản lý.

4.1. Quản lý sản xuất điện

Hệ thống SCADA giúp giám sát và điều khiển quá trình sản xuất điện, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

4.2. Giám sát tòa nhà thông minh

SCADA được sử dụng để giám sát các hệ thống như điều hòa không khí, chiếu sáng và tiêu thụ điện năng, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng.

V. Kết luận về tương lai của hệ thống SCADA trong đào tạo nghề

Tương lai của hệ thống giám sát SCADA trong đào tạo nghề điện công nghiệp rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc tích hợp SCADA vào chương trình đào tạo sẽ giúp sinh viên có được những kỹ năng cần thiết để đáp ứng nhu cầu thị trường.

5.1. Tăng cường hợp tác giữa nhà trường và doanh nghiệp

Cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp để đảm bảo chương trình đào tạo phù hợp với nhu cầu thực tế.

5.2. Đầu tư vào công nghệ mới

Đầu tư vào công nghệ mới và cập nhật giáo trình sẽ giúp nâng cao chất lượng đào tạo, từ đó tạo ra nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành điện công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Mã môn học: MH 34) là tài liệu đào tạo chuyên môn bắt buộc thuộc chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở trình độ Cao đẳng. Tài liệu được biên soạn bởi nhóm tác giả do Vũ Hồ Thành làm chủ biên, ban hành theo Quyết định số 835/QĐ-CĐN ngày 31 tháng 12 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam (trực thuộc Sở Lao động - Thương binh và Xã hội tỉnh Hà Nam). Môn học được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các mô-đun kỹ thuật cơ sở và chuyên môn như: 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.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình tập trung trang bị cho người học hệ thống kiến thức toàn diện về nguyên lý vận hành của hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong tự động hóa đo đạc, thu thập, truyền dẫn và xử lý dữ liệu phục vụ điều khiển, giám sát các quy trình công nghệ công nghiệp. Về kỹ năng, tài liệu rèn luyện năng lực phân tích cấu trúc, kết nối phần cứng và thiết kế giao diện điều khiển - giám sát trên máy tính hoặc thiết bị chuyên dụng. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm, giáo trình định hướng người học hình thành phương pháp làm việc nghiêm túc, khả năng đánh giá độc lập cũng như năng lực phối hợp nhóm kỹ thuật.

Nội dung giáo trình được thiết kế với tổng thời lượng 45 giờ giảng dạy, phân bổ theo cấu trúc 5 phần logic: 01 bài tổng quan và 04 chương chuyên đề. Cách tiếp cận của tài liệu đi từ lịch sử phát triển, mô hình phân cấp, đến cấu trúc phần cứng của trạm đầu cuối, phần mềm giao diện và quy trình thiết kế mô hình ứng dụng cụ thể. Điểm đặc thù của giáo trình là gắn kết lý thuyết với các công cụ công nghiệp thực tế như phần mềm WinCC Flexible 2008 của hãng Siemens và các ví dụ công nghệ trong sản xuất.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 5 đơn vị bài học với sự phân chia kiến thức rõ ràng:

• Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA (Mã chương: MH 34-00): Trình bày tiến trình lịch sử điều khiển giám sát từ giai đoạn thập niên 1940 (hệ thống dây đôi, chuyển mạch bước), thập niên 1950 (hệ thống Visicode của Westinghouse và North Electric, hệ thống REDAC, GETAC) đến khi SCADA phát triển trên nền tảng máy tính vào thập niên 1960 (PRODAC, GETAC). Chương này định nghĩa SCADA, phân tích 3 cấp quản lý trong nhà máy (Cấp vận hành/cấp trường, Cấp điều khiển tại phòng điều khiển, Cấp giám sát/quản lý tại nhà máy và từ xa), xác định các thành phần cơ bản (MTU, RTU, mạng truyền thông) và phân biệt sự khác nhau giữa SCADA, PLC và DCS.
• Chương 1: Một số đơn vị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) (Mã chương: MH 34-01): Khảo sát cấu hình phần cứng của RTU độc lập dựa trên vi xử lý 16/32 bit (như dòng 68302, 80386). Chi tiết hóa các khối chức năng: Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU), Khối vào tương tự (Analog Input gồm bộ ghép kênh, khuếch đại, lấy mẫu/giữ, biến đổi A/D, giao tiếp Bus), Khối ra tương tự (Analog Output dải 4–20 mA, ±10V, 0–10V với độ phân giải 8–12 bit), Khối vào/ra số (Digital Input/Output mức 24V DC hoặc 240V AC có cách ly), Khối truyền thông và Khối bộ đếm số (Digital Counters). Chương 1 cũng so sánh chi phí, dung sai môi trường, phương thức lập trình giữa RTU và PLC.
• Chương 2: Phần mềm ứng dụng cho SCADA (Mã chương: MH 34-03): Giới thiệu các khái niệm phần mềm SCADA đa nhiệm trên nền tảng Windows NT/XP/2000, cơ chế quản lý đa người dùng (Multi-user), kiến trúc Client/Server và các chuẩn giao tiếp DDE, OLE, OPC, ActiveX, SQL/ODBC. Trọng tâm chương là hướng dẫn lập trình trên phần mềm WinCC Flexible 2008: các bước tạo dự án bằng Project Wizard, thiết lập cấu hình kết nối (Small machine, Large machine, Distribute operation, Sm@rtClient), tạo và phân loại biến (Tag nội và Tag ngoại), cấu hình thuộc tính màn hình, thiết kế nút ấn (Button), công tắc (Switch), thư viện đồ họa và hệ thống cảnh báo (Alarm Logging), lưu trữ dữ liệu (Tag Logging), thiết kế báo cáo (Report Designer). Chương này cũng đề cập đến các ngôn ngữ điều khiển logic (LAD, STL, FBD, Graph), quy trình nạp chương trình PLC và kỹ thuật chạy thử bằng phần mềm mô phỏng PLCSIM.
• Chương 3: Trạm trung tâm MS - Master Station (Mã chương: MH 34-04): Trình bày cấu hình phần cứng MTU và trạm chủ phụ (Sub-Master Station), nhiệm vụ hỏi vòng (polling), ghi nhận sự kiện và truyền nhận tín hiệu điều khiển. Cấu hình phần mềm MS bao gồm nâng cấp hệ điều hành, viết mã Script điều khiển và quản lý thư viện phần tử. Phân tích chức năng của các giao diện người - máy (HMI) phần cứng như dòng GOT của Mitsubishi, dòng NT của Omron, phần mềm SoftGOT và tính năng quản lý công thức sản xuất (Recipe Function).
• Chương 4: Thiết kế các mô hình SCADA (Mã chương: MH 34-05): Phân tích các tiêu chuẩn công học khi thiết kế giao diện HMI. Bao gồm: quy tắc bố cục theo hướng quan sát từ trên xuống dưới và từ trái sang phải; nguyên lý phối màu nền (khuyến nghị dùng màu xám nhạt, xanh sáng, nâu sáng; không dùng màu cơ bản chói); tiêu chuẩn quy ước màu sắc trạng thái (Đỏ = Dừng/nguy hiểm, Vàng = Cảnh báo, Xanh lá = An toàn, Xanh đậm = Hành động bắt buộc); kỹ thuật trình bày văn bản (sử dụng phông chữ chuẩn như Arial cỡ 16, giới hạn không quá 3 cỡ chữ trên một màn hình); và quy trình xây dựng sơ đồ khối, lưu đồ hoạt động, kết nối phần cứng và lập trình điều khiển cho hệ thống bình trộn nước trái cây tự động.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các khối lý thuyết kỹ thuật công nghiệp quan trọng:

• Lý thuyết truyền thông công nghiệp và mô hình mạng: Ứng dụng mô hình tham chiếu 7 tầng ISO/OSI, cơ chế truyền dẫn số liệu nối tiếp (RS-232, RS-422, RS-485), mạng Ethernet, giao thức TCP/IP, mạng PROFIBUS DP và các đường truyền vô tuyến (VHF, UHF, Microwave, Vệ tinh).
• Nguyên lý thu thập và chuyển đổi tín hiệu: Kỹ thuật biến đổi tín hiệu tương tự sang số (A/D) và ngược lại (D/A), dải đo chuẩn công nghiệp (4–20 mA, 0–10V), thời gian lấy mẫu từ 10 ms đến 30 ms, cùng cơ chế lưu trữ dữ liệu liên tục theo chu kỳ hoặc theo sự kiện biến đổi.
• Kiến trúc phần mềm tích hợp: Cơ chế liên kết đối tượng OLE/OPC trong điều khiển quá trình, hệ quản trị cơ sở dữ liệu tích hợp Sybase SQL/ODBC, và kiến trúc hệ thống TIA (Totally Integrated Automation), PCS 7 của hãng Siemens.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật chuyên môn: Cấu hình tham số phần cứng cho CPU, các mô-đun I/O của RTU; thiết lập cấu hình kết nối mạng truyền thông giữa PLC và trạm HMI/SCADA; lập trình điều khiển bằng các ngôn ngữ hình thang (LAD), danh sách lệnh (STL) và sơ đồ khối chức năng (FBD).
• Kỹ năng phân tích và chẩn đoán: Năng lực phân tích sơ đồ công nghệ, phân biệt ưu nhược điểm giữa cấu hình RTU và PLC trong các điều kiện môi trường công nghiệp; chẩn đoán lỗi truyền thông, lỗi tràn dữ liệu và giải quyết sự cố thông qua hệ thống đèn báo LED hoặc phần mềm chuẩn đoán.
• Kỹ năng thực hành ứng dụng: Khả năng sử dụng phần mềm WinCC Flexible 2008 để khởi tạo project, khai báo bảng Tag, thiết kế giao diện vận hành đồ họa, cấu hình nhóm cảnh báo (Alarm), quản lý công thức chế biến (Recipe), và thực hiện mô phỏng hệ thống điều khiển thông qua công cụ PLCSIM.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận kết hợp giữa giảng dạy lý thuyết nguyên lý và thực hành ứng dụng trên phần mềm chuyên dụng. Với thời lượng 45 giờ, tiến trình dạy học được định hướng theo cấu trúc mô-đun nghề nghiệp, gắn liền việc truyền đạt khái niệm kiến thức với việc rèn luyện thao tác kỹ thuật trên máy tính và thiết bị tự động hóa.

Trong giảng dạy, giáo trình sử dụng các ca nghiên cứu thực tế (case studies) và mô hình điển hình. Cụ thể, mô hình hệ thống bình trộn nước trái cây tự động (gồm các Tank chứa nguyên liệu, Tank trộn, hệ thống van đóng cắt và động cơ khuấy) được đưa vào làm bài tập mẫu để hướng dẫn sinh viên phân tích toàn diện: từ khâu phân tích bố cục màn hình, bố trí các phần tử tĩnh (đường ống, bồn chứa), phần tử động (trạng thái van, mức nguyên liệu, chuyển động động cơ), đến việc gán địa chỉ Tag liên kết trực tiếp với vùng nhớ PLC.

Hệ thống đánh giá kết quả học tập được thiết lập thông qua các bộ câu hỏi ôn tập cuối mỗi chương. Nội dung đánh giá bao quát các yêu cầu:

1. Trình bày lịch sử phát triển, cấu trúc 3 cấp và thành phần của hệ thống SCADA.
2. Phân tích cấu hình phần cứng, chức năng các khối vào/ra ngoại vi và phần mềm của RTU.
3. Vận dụng các phần mềm WinCC, FIX-DMACS và công cụ mô phỏng PLCSIM để giải quyết các bài toán giám sát, thu thập dữ liệu cụ thể.
4. Trình bày cấu hình phần cứng, phần mềm trạm trung tâm MS và ứng dụng HMI (GOT, NT, SoftGOT).
5. Thực hiện đầy đủ các bước thiết kế màn hình SCADA/HMI theo tiêu chuẩn công học và lập trình hệ thống hoàn chỉnh.

Đối với người học, giáo trình đặt ra hướng dẫn tự học rõ ràng: sinh viên phải hoàn thành các bài tập về nhà, chuẩn bị trước bài học theo đề cương môn học, tự thực hành thiết lập giao diện trên phần mềm WinCC Flexible 2008 và rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, chia sẻ trách nhiệm trong các bài thực hành thiết kế.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA của Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam cập nhật các kiến thức kỹ thuật phù hợp với yêu cầu thực tế trong công nghiệp sản xuất:

• Cập nhật công cụ phần mềm hiện đại: Tài liệu chuyển đổi từ các hệ thống SCADA thuần túy dùng lệnh phức tạp sang môi trường đồ họa của Siemens với gói phần mềm WinCC Flexible 2008 và WinCC Runtime/Complete Package. Đồng thời tích hợp phương pháp kiểm thử không cần phần cứng thông qua phần mềm mô phỏng PLCSIM.
• Tích hợp chuẩn kết nối và cơ sở dữ liệu mở: Giáo trình làm rõ phương thức trao đổi dữ liệu công nghiệp hiện đại qua các giao thức OPC, DDE, ActiveX, OLE, kết nối cơ sở dữ liệu Sybase SQL thông qua ODBC, tạo nền tảng cho việc tích hợp hệ thống SCADA với các hệ thống điều hành sản xuất cấp cao như MES (Manufacturing Execution System) và ERP (Enterprise Resource Planning).
• Xu hướng sử dụng PLC thay thế RTU: Tài liệu phân tích rõ xu thế công nghệ hiện nay khi các trạm điều độ điện và tự động hóa nhà máy chuyển dần từ các RTU truyền thống sang các bộ điều khiển logic khả trình (PLC), giúp giảm diện tích lắp đặt, giảm chi phí đầu tư, dễ bảo dưỡng và thuận tiện trong việc lập trình, mở rộng hệ thống.
• Chuẩn hóa nguyên tắc thiết kế giao diện công nghiệp: Giáo trình cập nhật các tiêu chuẩn thiết kế HMI chuyên nghiệp, bao gồm quy chuẩn phối màu tương phản, giới hạn kích thước phông chữ (Arial 16), phân chia vùng hiển thị theo hành vi thị giác người vận hành, nhằm giảm thiểu lỗi thao tác và ngăn chặn hiện tượng quá tải thông tin.
• Đa dạng hóa phạm vi ứng dụng thực tế: Nội dung minh họa bao quát nhiều ngành công nghiệp như: hệ thống phát điện, lọc hóa dầu, hóa chất, xử lý nước thải, sản xuất thép, dệt may, dược phẩm, chế biến thực phẩm, sản xuất ô tô, hệ thống quan trắc từ xa và giám sát điện năng tòa nhà.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và kỹ thuật:

• Sinh viên đào tạo chính quy: Học sinh, sinh viên theo học nghề Điện công nghiệp trình độ Cao đẳng. Giáo trình cung cấp toàn bộ khối lượng kiến thức của mô-đun MH 34 trong khung chương trình đào tạo.
• Học viên liên thông: Học viên hoàn thành trình độ Trung cấp nghề chuyển tiếp lên Cao đẳng cần học bổ sung các mô-đun chuyên môn bắt buộc về SCADA và tự động hóa.
• Điều kiện tiên quyết đối với người học: Để tiếp thu hiệu quả nội dung giáo trình, người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học, mô-đun nền tảng: 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.
• Giảng viên chuyên ngành: Làm tài liệu chuẩn phục vụ công tác giảng dạy lý thuyết, hướng dẫn thực hành xưởng và xây dựng đề thi, bài kiểm tra đánh giá năng lực nghề nghiệp.
• Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu đóng vai trò tham khảo kỹ thuật cho các kỹ sư, kỹ thuật viên vận hành, bảo trì tại các nhà máy, xí nghiệp có ứng dụng hệ thống điều khiển tự động hóa, giám sát HMI/SCADA.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai? Giáo trình được thiết kế trực tiếp cho học sinh, sinh viên nghề Điện công nghiệp trình độ Cao đẳng (môn học MH 34) tại Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp có chương trình đào tạo tương đương; đồng thời phù hợp cho học viên hệ liên thông từ Trung cấp lên Cao đẳng và kỹ thuật viên bảo trì hệ thống điều khiển công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học môn này? Người học cần tích lũy các kiến thức và kỹ năng từ các môn học tiên quyết bao gồm: Tin học cơ bản, Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, Truyền động điện, kỹ năng lập trình PLC (cơ bản và nâng cao), kiến thức về Mạng truyền thông công nghiệp, Vi xử lý và kỹ thuật Hiệu chuẩn thiết bị đo lường.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết khác là gì? Giáo trình tập trung vào tính ứng dụng thực tế với cấu trúc 45 giờ chuẩn hóa, phân định rõ ràng giữa phần cứng RTU/MTU và phần mềm điều khiển, hướng dẫn chi tiết từng bước (step-by-step) thực hành trên phần mềm WinCC Flexible 2008, lập trình nạp PLC qua PLCSIM, cùng các tiêu chuẩn thiết kế màn hình HMI công nghiệp dựa trên quy chuẩn màu sắc và công học.

4. Làm sao để tự học và thực hành hiệu quả theo giáo trình? Người học cần bám sát các câu hỏi ôn tập sau mỗi chương, kết hợp cài đặt các phần mềm hỗ trợ (WinCC Flexible 2008, STEP 7, PLCSIM) để thực hành tạo dự án, cấu hình bảng Tag (nội/ngoại), thiết kế giao diện đồ họa cho bài toán mẫu như hệ thống bình trộn nước trái cây và phân tích kết nối phần cứng theo lưu đồ thuật toán.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình? Giáo trình cung cấp hệ thống câu hỏi ôn tập định lượng kiến thức cuối mỗi chương (từ Bài mở đầu đến Chương 4), sơ đồ khối minh họa cấu trúc phần cứng/phần mềm, và danh mục Tài liệu tham khảo chuyên ngành tại trang 61 để người học tra cứu mở rộng.

---

Kết luận

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (MH 34) của Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam là tài liệu đào tạo chuyên môn có cấu trúc chặt chẽ, kết hợp hài hòa giữa nguyên lý điều khiển giám sát và kỹ năng thực hành công nghiệp. Giá trị cốt lõi của tài liệu thể hiện ở việc hệ thống hóa toàn diện các thành phần của một hệ thống SCADA: từ thiết bị trường, trạm đầu cuối RTU, mạng truyền thông công nghiệp đến trạm chủ MTU và phần mềm thiết kế giao diện WinCC.

Lộ trình học tập được định hướng tuần tự từ nhận thức tổng quan, phân tích phần cứng vi xử lý, làm chủ công cụ phần mềm đồ họa đến năng lực tổng hợp thiết kế một hệ thống giám sát hoàn chỉnh. Để nâng cao chất lượng học tập, người học nên kết hợp nghiên cứu giáo trình với việc thực hành trên các phần mềm chuyên dụng như WinCC Flexible, PLCSIM và tra cứu các tài liệu tham khảo chuyên sâu được dẫn chiếu ở cuối tài liệu.

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 đƣợc tầm quan trọng của môn hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu. - Nêu đƣợc 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 đƣợc phƣơng pháp học tƣ 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 thƣờng 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 đƣợc 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 bƣớc sử dụng nam châm. Công nghệ này đƣợc đƣa vào đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm số lƣợng 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 đƣợc đƣa 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 đƣợc 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 lƣu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác.

GE cũng phát triển hệ thống tƣơng tự có tên gọi là GETAC. Để giảm bớt sự vất vả trong việc lƣu trữ dữ liệu đọc đƣợc mỗi giờ của ngƣời trực vận hành, hệ thống tự động lƣu trữ dữ liệu đã đƣợc đƣa ra. Phiên bản đầu tiên của hệ thống này có trƣớc cả hệ thống Solid State và hệ thống đo lƣờng xa. Tuy nhiên, phải đến khi hệ thống Solid state ra đời và sự phát triển của máy tính thì hệ thống này mới đƣợc đƣa 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, lƣu 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 ngƣời trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thƣờng. 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 nhƣ hệ giao diện ngƣời – máy (HMI – Human Machine Interface). Các thành phần của một hệ thống SCADA Thông thƣờng trong một nhà máy hiện đại hệ thống SCADA đƣợc thiết kế chia ra làm 3 cấp: Cấp vận hành (Cấp trƣờng): Là cấp độ để các kỹ sƣ, 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 sƣ 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 tƣơng đƣơng 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 đƣợc kết nối trực tiếp với phòng điều khiển qua đó có thể nắm đƣợc tình hình sản xuất, tình trạng vật tƣ 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 đƣợc 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 thƣờng là một hệ máy tính công nghiệp. MTU giao tiếp với ngƣời điều hành và RTU thông qua khối truyền thông. Ngoài ra MTU còn đƣợc kết nối với các thiết bị ngoại vi nhƣ 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 ngƣời điều hành.

- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU. - Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng nhƣ trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho ngƣời điều hành giám sát và điều khiển. 8 - Lƣu 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, thƣờng đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trƣờng nhƣ các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo,… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho ngƣời điều hành biết trạng thái họat động của các thiết bị hiện trƣờng.

Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển họat động của các thiết bị theo yêu cầu. Thông thƣờng các RTU lƣu giữ thông tin thu thập đƣợc 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 hƣớng của MTU. c) Khối truyền thông: Là môi trƣờng truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm.

Phần cứng: là các thiết bị kết nối nhƣ modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây wireless), các trạm lặp (trong trƣờng hợp truyền đi xa). Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình đƣợc 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 nhƣ TCP/IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng.

Những luồng thông tin đƣợc tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI đƣợc 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 đƣợc biên dịch và đƣợc 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 đƣợc giao cho cả các phần tử cấp dƣới, trong khi hệ thống SCADA thiên về giám sát và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, mọi thao tác lên hệ đều dƣới sự điều khiển của trung tâm. Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng đƣợc 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 dƣỡng.

Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC. Các kỹ sƣ 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 dƣỡng và thay thế các thiết bị.

Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lƣu 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 tƣơng lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh.