CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông [1] [2].1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG SCADA 1.1 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.1: Các tủ điều khiển trong một hệ thống SCADA 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 công ty điện thoại phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm.
Công nghệ này được đưa vào 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 [3].2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode 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.3 Hệ thống SCADA được 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.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông. Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau: * Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến. * Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
* Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý. * Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy.1 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. * Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4] 1.2 RTU (Remote Terminal Unit) Thuật ngữ RTU được sử dụng từ những năm 1960. RTU được cung cấp bởi các nhà sản xuất SCADA. RTU gồm các khối chức năng, có các card mạch in. Nó thường lắp đặt trong một tủ thiết bị, tiện dụng có thể treo tường trong các trạm biến áp xa.
Hầu hết RTU hoạt động dựa trên nguyên lý quét liên tục. Chúng có thể đáp ứng nhanh để điều khiển theo sự kiện trong một môi trường nhiều tạp âm. RTU cũng sử dụng lược đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác được sử dụng trong vận hành điều khiển. Trong những năm 1960 -1970, các giao thức truyền thông của RTU được độc quyền bởi các nhà sản xuất RTU.
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU. 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 hoạt động của các thiết bị hiện trường. Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt 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. Cấu trúc cơ bản của RTU gồm có bộ giao tiếp truyền thông, bộ điều khiển trung tâm, hệ thống input/output số. Một hệ thống SCADA lớn có thể có hàng trăm RTU.3 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 – Repeater (trong trường hợp truyền đi xa).
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.4 Giao diện hệ thống SCADA Về giao diện, ban đầu hệ thống SCADA sử dụng một bảng điều khiển với các nút bấm để lựa chọn, thao tác các thiết bị. Các thông tin giám sát được hiển thị sử dụng các bộ hiển thị số.
Các cảnh báo được được đưa ra theo một danh sách qua máy in. Từ cuối 1960, màn hình CRT được sử dụng cho giao tiếp người/máy. Phiên bản đầu tiên sử dụng các ký tự trắng đen trên CRT. Màn hình CRT được sử dụng để hiển thị dữ liệu và trạng thái.
Chúng được biểu diễn dưới dạng bảng, danh sách cảnh báo, xóa các danh sách cảnh báo. Bàn phím được sử dụng thay cho các nút bấm trên bảng điều khiển.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Năm 1970, màn hình CRT màu ra đời. Màn hình này có các ký tự đồ họa cho phép biểu diễn sơ đồ một sợi mạch điện với các khóa, chuyển mạch động.
Các giá trị đo lường như điện áp, dòng điện, công suất có thể biểu diễn trên sơ đồ một sợi và được cập nhật thường xuyên. Năm 1980, CRT ảnh màu đầy đủ cho phép vẽ sơ đồ một sợi ở mức tinh xảo hơn. Nó có thể phóng to, thu nhỏ, chi tiết hóa hơn từng chi tiết. Trên sơ đồ này, người vận hành có thể lựa chọn thiết bị, xác nhận lựa chọn thiết bị, thao tác điều khiển thiết bị.3 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin.
Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET và cả mạng Internet. Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet. Mặt khác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ. Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA hiện đại cho phép dữ liệu thời gian thực từ nhà máy tới khắp mọi nơi trên thế giới.