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 SCADA Nghề Điện Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nam

Mục lục chi tiết

• TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
• LỜI GIỚI THIỆU
• GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN
• 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
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐƠN VỊ ĐẦU CUỐI RTU (REMOTE TERMINAL UNIT)
• 1.1. Cấu hình phần cứng của RTU
• 1.2. Cấu hình phần cứng RTU
• 1.2.1. Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit)
• 1.2.2. Khối vào tương tự (Analog Input Modules)
• 1.2.3. Khối ra tương tự (Analog Output Modules)
• 1.2.4. Khối vào số (Digital Input Modules)
• 1.2.5. Khối ra số (Digital Output Modules)
• 1.2.6. Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces)
• 1.2.7. Bộ đếm số (Digital Counters)
• 1.3. Cấu hình phần mềm của RTU
• 1.3.1. So sánh giữa RTU & PLC
• 1.3.2. 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 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 khác nhau, từ tổng quan đến các ứng dụng thực tiễn của 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 và thu thập dữ liệu hiệu quả.

1.2. Các thành phần chính của hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA bao gồm ba thành phần chính: MTU (Master Terminal Unit), RTU (Remote Terminal Unit) và các khối truyền thông. MTU là trung tâm điều khiển, RTU thu thập dữ liệu từ các thiết bị hiện trường, và khối truyền thông đảm bảo kết nối giữa các thành phần.

II. Vấn đề và 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 an toàn cho hệ thống SCADA 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 và kỹ năng chuyên môn cao.

2.2. An toàn hệ thống SCADA

An toàn hệ thống SCADA là một yếu tố quan trọng. 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 mật hiệu quả để bảo vệ dữ liệu và thiết bị.

III. Phương pháp và Giải pháp triển khai hệ thống SCADA hiệu quả

Để triển khai hệ thống SCADA hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và giải pháp phù hợp. Việc lựa chọn phần mềm và thiết bị phù hợp, cùng với việc đào tạo nhân viên là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru.

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 cung cấp nhiều tính năng hữu ích cho việc giám sát và điều khiển.

3.2. Đào tạo nhân viên sử dụng hệ thống SCADA

Đào tạo nhân viên là một phần không thể thiếu trong việc triển khai hệ thống SCADA. Nhân viên cần nắm vững các kiến thức về hệ thống để có thể vận hành và xử lý sự cố hiệu quả.

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

Hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện công nghiệp. Từ việc giám sát sản xuất điện đến quản lý hệ thống cấp nước, SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.1. Hệ thống quản lý sản xuất điện

Hệ thống SCADA giúp giám sát và điều khiển quá trình sản xuất điện, đảm bảo hiệu suất và an toàn cho hệ thống.

4.2. Hệ thống giám sát tòa nhà

SCADA cũng được sử dụng để giám sát các hệ thống trong tòa nhà như điều hòa không khí, chiếu sáng và tiêu thụ điện năng, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả.

V. Kết luận và Tương lai của hệ thống SCADA trong ngành điện công nghiệp

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 sản xuất.

5.1. Xu hướng phát triển của hệ thống SCADA

Trong tương lai, hệ thống SCADA sẽ tích hợp nhiều công nghệ mới như IoT và AI, giúp nâng cao khả năng giám sát và điều khiển từ xa.

5.2. Tầm quan trọng của SCADA trong tự động hóa công nghiệp

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

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) (mã môn học: MH34) được ban hành kèm theo Quyết định số 234/QĐ-CĐN ngày 05 tháng 08 năm 2020 của Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam, do tác giả Vũ Hồ Thành làm chủ biên. Tài liệu được thiết kế với thời lượng đào tạo 45 giờ, giữ vị trí là môn học kỹ thuật chuyên môn bắt buộc thuộc chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp. Về tiến trình đào tạo, môn học được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành các mô-đun kỹ thuật cơ sở và chuyên ngành nền tảng, 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.

Mục tiêu học tập của giáo trình được cấu trúc thành ba nhóm chuẩn đầu ra rõ rệt. Về kiến thức, người học nắm vững nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong việc tự động hóa công tác đo lường, thu thập, truyền tải dữ liệu và kiểm soát các quá trình kỹ thuật trong công nghiệp (như sản xuất điện, thép, hóa chất, xử lý nước thải, trạm bơm). Về kỹ năng, sinh viên có khả năng phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tự động, cấu hình thiết bị phần cứng, cài đặt tham số truyền thông và thiết kế giao diện vận hành HMI (Human Machine Interface). Về năng lực tự chủ và trách nhiệm, giáo trình định hướng rèn luyện phương pháp tư duy kỹ thuật, tính cẩn thận, khả năng làm việc độc lập hoặc phối hợp nhóm trong môi trường công nghiệp.

Cấu trúc giáo trình gồm một bài mở đầu và bốn chương chuyên đề:

• Bài mở đầu: Tổng quan về hệ thống SCADA
• Chương 1: Một số đơn vị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit)
• Chương 2: Phần mềm ứng dụng cho SCADA
• Chương 3: Trạm trung tâm MS (Master Station)
• Chương 4: Thiết kế các mô hình SCADA

Điểm đặc thù của tài liệu là phương pháp tiếp cận gắn liền giữa lý thuyết điều khiển tự động và hướng dẫn thao tác thực hành cụ thể trên các công cụ phần mềm công nghiệp như Siemens WinCC, WinCC Flexible 2008 và PLCSIM.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai theo một trình tự logic chặt chẽ, đi từ lịch sử hình thành, phân tích cấu trúc phần cứng cấp trường đến lập trình phần mềm và thiết kế giao diện giám sát tổng thể:

• Bài mở đầu – Tổng quan về hệ thống SCADA (MH 34-00): Trình bày lịch sử phát triển của hệ thống giám sát từ thập niên 1940 (sử dụng cặp dây đôi, chuyển mạch bước nam châm), thập niên 1950 (hệ thống Visicode của Westinghouse và North Electric dùng đếm xung trễ, hệ thống Solid State REDAC và GETAC của GE), đến thập niên 1960 khi SCADA gắn liền với máy tính điều khiển (PRODAC, GETAC). Phân định mô hình 3 cấp SCADA nhà máy (cấp vận hành/cấp trường, cấp điều khiển tại phòng điều khiển, cấp giám sát quản lý tại chỗ hoặc từ xa); phân tích ranh giới kỹ thuật giữa PLC, DCS và SCADA; làm rõ ưu thế kinh tế – kỹ thuật của giải pháp SCADA tích hợp PLC.
• Chương 1 – Một số đơn vị đầu cuối RTU (MH 34-01): Khảo sát cấu hình phần cứng của RTU độc lập dựa trên vi xử lý 16 hoặc 32 bit (như 68302, 80386), tích hợp bộ xử lý toán học, bộ định thời gian thực và các giao tiếp truyền thông nối tiếp (RS-232, RS-422, RS-485). Chi tiết hóa cấu trúc các khối chức năng: khối vào tương tự (gồm bộ ghép kênh, khuếch đại, mạch lấy mẫu và giữ, biến đổi A/D, Bus Interface), khối ra tương tự (độ phân giải 8/12 bit, thời gian chuyển đổi 10–30 ms, dải 4–20 mA hoặc ±10V/0–10V), khối vào/ra số (tín hiệu 24V DC hoặc 240V AC có cách ly quang và LED chỉ thị), khối đếm xung số (Digital Counters). Phân tích so sánh toàn diện giữa RTU và PLC về chi phí, khả năng xử lý và dung sai chịu đựng môi trường khắc nghiệt.
• Chương 2 – Phần mềm ứng dụng cho SCADA (MH 34-03): Giới thiệu các phần mềm công nghiệp thông dụng (Siemens WinCC, FIX-DMACS của Intellution, RSView của Allen Bradley, InTouch của Wonderware). Đi sâu vào kiến trúc phần mềm WinCC: Graphic Designer, Alarm Logging, Tag Logging, User Administrator, Report Designer, Global Script (ngôn ngữ ANSI-C). Cung cấp quy trình 9 bước tạo lập một Project trên WinCC Flexible 2008; kỹ thuật cấu hình Tag nội (Internal Tag) và Tag ngoại (External Tag); phân loại các ngôn ngữ lập trình PLC theo chuẩn (LAD, FBD, STL, Graph); hướng dẫn nạp chương trình qua mạng MPI và kiểm thử bằng công cụ mô phỏng PLCSIM.
• Chương 3 – Trạm trung tâm MS (MH 34-04): Phân tích kiến trúc phần cứng Master/Slave giữa MTU (Master Terminal Unit) và các trạm chủ phụ (Sub-Master Station). Trình bày cơ chế hỏi vòng dữ liệu (polling), chẩn đoán lỗi phần cứng từ xa và xử lý sự kiện. Khảo sát cấu hình HMI phần cứng/phần mềm (màn hình Mitsubishi GOT, Omron NT, SoftGOT trên PC); phân tích chức năng quản lý công thức sản xuất (Recipe Function) hỗ trợ trao đổi dữ liệu với PLC và lưu trữ qua tệp tin Excel.
• Chương 4 – Thiết kế các mô hình SCADA (MH 34-05): Hướng dẫn các nguyên tắc công thái học trong thiết kế giao diện người – máy: quy luật phân bố bố cục theo hướng quét mắt từ góc trên bên trái sang phải và từ trên xuống dưới; tiêu chuẩn mã hóa màu sắc (đỏ = dừng/nguy hiểm, vàng = cảnh báo, xanh lá cây = an toàn, xanh đậm = bắt buộc; màu nền sử dụng xám nhạt, xanh sáng hoặc nâu sáng); quy chuẩn trình bày văn bản (phông chữ hệ thống như Arial kích thước chuẩn 16pt, tiêu đề tăng 2 cỡ, không dùng quá 3 cỡ chữ). Hướng dẫn quy trình 4 bước hoàn chỉnh: phân tích yêu cầu -> xây dựng sơ đồ khối/lưu đồ hoạt động -> kết nối phần cứng -> lập trình điều khiển.

flowchart TD
    A["Bài mở đầu: Tổng quan & Lịch sử SCADA"] --> B["Chương 1: Phần cứng & Phần mềm RTU"]
    B --> C["Chương 2: Phần mềm WinCC & Lập trình PLC"]
    C --> D["Chương 3: Trạm trung tâm MS & HMI"]
    D --> E["Chương 4: Thiết kế mô hình SCADA & Giao diện HMI"]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết nền tảng vững chắc trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa:

• Cấu trúc phân cấp hệ thống: Mô hình phân tầng chức năng 3 cấp (cấp trường, cấp điều khiển, cấp giám sát quản lý).
• Mô hình truyền thông công nghiệp: Truyền tải thông tin theo mô hình 7 tầng ISO/OSI, giao thức mạng mở TCP/IP, các chuẩn giao tiếp vật lý RS-232, RS-422, RS-485, mạng MPI và Ethernet công nghiệp.
• Cơ chế trao đổi dữ liệu và phần mềm trung gian: Nguyên lý tích hợp mở giữa SCADA với các ứng dụng khác thông qua OLE, DDE, OPC (OLE for Process Control), DCOM, Active X và kết nối cơ sở dữ liệu quan hệ qua SQL, ODBC.

Kỹ năng phát triển

Sau khi hoàn thành nội dung giáo trình, người học phát triển đồng bộ các nhóm năng lực kỹ thuật:

• Kỹ năng kỹ thuật chuyên môn: Đọc hiểu sơ đồ cấu trúc RTU/MTU; cấu hình cổng truyền thông và module I/O tương tự/số; biên dịch và nạp chương trình điều khiển vào CPU PLC qua cổng MPI.
• Kỹ năng phân tích hệ thống: So sánh, lựa chọn giải pháp phần cứng phù hợp giữa RTU và PLC dựa trên yêu cầu môi trường và chi phí; xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển và sơ đồ khối chức năng.
• Kỹ năng thực hành ứng dụng: Khởi tạo project SCADA; khai báo biến nhớ, vùng địa chỉ và chu kỳ quét Tag; thiết kế giao diện đồ họa HMI đúng tiêu chuẩn kỹ thuật; thiết lập bảng thông báo lỗi Alarm Logging và xuất báo cáo Report Designer; vận hành kiểm thử hệ thống tự động hóa trên phần mềm mô phỏng PLCSIM.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA được biên soạn nhằm phục vụ phương pháp giảng dạy kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hệ thống và thực hành công nghệ trên máy tính và thiết bị điều khiển.

flowchart LR
    Step1["1. Phân tích yêu cầu công nghệ"] --> Step2["2. Xây dựng sơ đồ khối & Lưu đồ giải thuật"]
    Step2 --> Step3["3. Kết nối phần cứng RTU/PLC"]
    Step3 --> Step4["4. Lập trình điều khiển & Thiết kế giao diện WinCC"]

Quy trình sư phạm được triển khai qua các phương pháp cụ thể:

• Phương pháp dạy học tình huống và Case Study thực tế: Giáo trình lồng ghép các bài toán công nghiệp điển hình, tiêu biểu là mô hình thiết kế hệ thống bình trộn nước trái cây tự động (trang 31–34). Qua tình huống này, người học được hướng dẫn trực tiếp cách biểu diễn đối tượng tĩnh (tank chứa nguyên liệu, tank trộn, đường ống, van) và đối tượng động (mức chất lỏng trong tank, trạng thái đóng/mở của van, tín hiệu vận hành của động cơ khuấy) thông qua liên kết Tag với PLC.
• Phương pháp thực hành quy trình từng bước: Tài liệu hướng dẫn chi tiết từng thao tác kỹ thuật, điển hình là quy trình 9 bước tạo lập dự án trên WinCC Flexible 2008 (từ bước khởi động, chọn kiểu kết nối như Small machine, Large machine, Sm@ttClient, cấu hình thiết bị HMI/PLC, đến chọn màn hình mẫu, màn hình điều hướng, thư viện và đặt tên project).
• Phương pháp mô phỏng kiểm thử không phần cứng: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Siemens PLCSIM để mô phỏng CPU và các module I/O ngoại vi trực tiếp trên máy tính lập trình, cho phép sinh viên kiểm tra tính đúng đắn của logic điều khiển (LAD, STL, FBD) trước khi kết nối thực tế.
• Phương pháp đánh giá: Cuối mỗi chương đều có hệ thống câu hỏi ôn tập định lượng (ví dụ: trình bày cấu hình phần cứng RTU, so sánh PLC với RTU, trình bày các phương pháp lưu trữ dữ liệu Tag Logging, nguyên tắc bố cục màu sắc HMI), phục vụ công tác kiểm tra định kỳ và đánh giá chuẩn đầu ra môn học.
• Hướng dẫn tự học: Sinh viên được yêu cầu chuẩn bị trước tài liệu lý thuyết, thực hiện các bài tập cấu hình Tag ngoại/nội, lập trình giao diện HMI độc lập và rèn luyện kỹ năng tự chẩn đoán lỗi hệ thống.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh các bước chuyển dịch công nghệ và cập nhật thực tiễn của lĩnh vực tự động hóa công nghiệp:

• Phản ánh xu thế chuyển dịch công nghệ từ RTU sang PLC: Giáo trình làm rõ xu hướng các hệ thống SCADA hiện đại (bao gồm cả các hệ thống điều độ lưới điện quốc gia và khu vực) đang ưu tiên tích hợp PLC thay thế dần các bộ RTU chuyên dụng. Điều này giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu, thu gọn kích thước tủ bảng điều khiển, đơn giản hóa việc bảo dưỡng và khai thác tốt nguồn nhân lực kỹ sư tại Việt Nam vốn đã làm chủ sâu về công nghệ PLC.
• Hệ thống hóa quy chuẩn công thái học trong thiết kế HMI: Thay vì chỉ hướng dẫn sử dụng công cụ vẽ thuần túy, Chương 4 của giáo trình cung cấp bộ tiêu chuẩn thiết kế màn hình giao diện công nghiệp chuyên sâu:
  • Quy tắc thị giác: Bố trí các phần tử báo động khẩn cấp ở đỉnh màn hình, vùng đồ họa ở giữa bên trái, bảng giá trị dữ liệu ở bên phải, nút điều khiển tác vụ ở góc dưới bên trái và phím điều hướng màn hình ở góc dưới bên phải.
  • Quy chuẩn phối màu: Nghiêm cấm dùng màu cơ bản hoặc nền đen/trắng gây chói mắt; khuyến nghị sử dụng tông màu xám nhạt, xanh sáng hoặc nâu sáng để tăng độ tương phản; chuẩn hóa mã màu thị giác (đỏ = dừng/nguy hiểm, vàng = cảnh báo, xanh lá = an toàn, xanh đậm = thao tác bắt buộc).
  • Quy chuẩn văn bản: Xác định phông chữ chuẩn Arial kích thước 16pt cho nội dung thông thường, tiêu đề tăng 2 cỡ, giới hạn tối đa không quá 3 kích cỡ chữ trên cùng một giao diện hiển thị.
• Tích hợp các chuẩn giao tiếp phần mềm công nghiệp: Tài liệu cập nhật kiến trúc mở của hệ thống SCADA trên nền tảng Windows, trình bày chi tiết khả năng tích hợp qua các chuẩn truyền thông DDE, OLE, OPC, ActiveX và cơ sở dữ liệu chuẩn SQL/ODBC.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA được thiết kế cho các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và kỹ thuật ứng dụng:

classDiagram
    class GiaoTrinhSCADA {
        +Mã môn học: MH34
        +Thời lượng: 45 giờ
        +Chủ biên: Vũ Hồ Thành
    }
    class SinhVienCaoDangTrungCap {
        +Ngành: Điện công nghiệp, Tự động hóa
        +Học phần: Bắt buộc
    }
    class GiangVienKyThuat {
        +Giảng dạy lý thuyết
        +Hướng dẫn thực hành WinCC, PLC
    }
    class KySuKyThuatVien {
        +Tra cứu cấu hình RTU, MTU
        +Chuẩn hóa thiết kế giao diện HMI
    }
    GiaoTrinhSCADA --> SinhVienCaoDangTrungCap : Đào tạo chính khóa
    GiaoTrinhSCADA --> GiangVienKyThuat : Khung bài giảng & thực hành
    GiaoTrinhSCADA --> KySuKyThuatVien : Tài liệu tham khảo ứng dụng

• Sinh viên chuyên ngành: Học sinh, sinh viên theo học trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Điện công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa. Giáo trình được sử dụng trực tiếp làm tài liệu học tập chính khóa cho mô-đun MH34.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học nền tảng trước khi tiếp cận giáo trình này, bao gồm: Tin học cơ bản, Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, Truyền động điện, Lập trình PLC cơ bản và nâng cao, Mạng truyền thông công nghiệp, Kỹ thuật vi xử lý và Đo lường – hiệu chuẩn thiết bị điện.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ chuẩn để biên soạn giáo án lý thuyết, xây dựng bài tập thực hành trên máy tính và tổ chức kiểm tra, đánh giá kỹ năng nghề nghiệp theo quy định đào tạo của nhà trường.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên: Làm tài liệu tra cứu kỹ thuật về cấu trúc module RTU, nguyên lý hoạt động của MTU, quy trình thiết lập Tag trong phần mềm WinCC và các quy tắc chuẩn hóa giao diện vận hành công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ học sinh, sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Điện công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên vận hành hệ thống giám sát SCADA tại các nhà máy.

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

Người học cần nắm vững kiến thức các môn học tiên quyết được quy định tại mục tiêu môn học: Tin học cơ bản, Trang bị điện, Kỹ thuật cảm biến, Truyền động điện, Lập trình PLC (cơ bản và 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 SCADA thông thường là gì?

Giáo trình không chỉ trình bày lý thuyết cấu trúc hệ thống (RTU, MTU, Sub-Station) mà còn hướng dẫn quy trình từng bước cấu hình trên phần mềm công nghiệp Siemens WinCC Flexible 2008, đồng thời đưa ra bộ nguyên tắc công thái học chi tiết (bố cục màn hình, bảng màu chuẩn, quy định cỡ chữ) phục vụ thiết kế giao diện HMI chuyên nghiệp.

4. Người học có thể tự thực hành môn học khi không có thiết bị phần cứng thực tế hay không?

Có. Giáo trình hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng Siemens PLCSIM để giả lập hoạt động của CPU và các module I/O của PLC trên máy tính, cho phép người học kết nối với WinCC để kiểm thử toàn bộ giao diện HMI và chương trình logic mà không bắt buộc phải có phần cứng vật lý.

5. Những phần mềm chuyên dụng nào được hướng dẫn trong giáo trình?

Giáo trình tập trung hướng dẫn phần mềm Siemens WinCC (đặc biệt là phiên bản WinCC Flexible 2008), công cụ mô phỏng PLCSIM, cùng các ngôn ngữ lập trình PLC tiêu chuẩn (LAD, STL, FBD, Graph) và các giao thức kết nối mở (OPC, DDE, SQL, ODBC).

---

Kết luận

Giáo trình Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Mã môn học: MH34) do Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam ban hành cung cấp hệ thống tri thức hoàn chỉnh về kỹ thuật thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát công nghiệp. Nội dung sách dẫn dắt người học qua một tiến trình khoa học: từ việc hiểu rõ lịch sử và cấu tạo phần cứng RTU/MTU, nắm vững kiến trúc phần mềm WinCC, đến việc tự thiết kế các giao diện HMI theo đúng tiêu chuẩn công thái học và lập trình điều khiển quy trình. Để nâng cao hiệu quả tiếp thu, người học nên kết hợp nghiên cứu giáo trình cùng các tài liệu kỹ thuật chuyên sâu về PLC họ S7, phần mềm TIA Portal/WinCC của Siemens và các tiêu chuẩn mạng truyền thông công nghiệp hiện hành.

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.