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.