Tài liệu Nghiên cứu thiết kế hệ thống scada cho hệ thống cung cấp nước sạch tại xí nghiệp nước sạch tích lương

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÝ THỊ THU HƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa THÁI NGUYÊN - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Lý Thị Thu Hường. Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nơi công tác: Trường Cao đẳng nghề số 1 - Bộ Quốc phòng. Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG”. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa. Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Quốc Đông và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên thực hiện Lý Thị Thu Hường ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS. Vũ Quốc Đông, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Lý Thị Thu Hường iii năm 2019 MỤC LỤC THÔNG TIN ĐỀ TÀI ........................................................................................... ix LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA ................................................... 1 1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG SCADA .............................................................................................................. 1 1.1.1 Giai đoạn những năm 1940 ............................................................ 1 1.1.2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode những năm 1950.............. 2 1.1.3 Hệ thống SCADA được phát minh năm 1960 ............................... 2 1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA ................... 3 1.2.1 MTU (Master Terminal Unit)......................................................... 3 1.2.2 RTU (Remote Terminal Unit) ........................................................ 4 1.2.3 Khối truyền thông ........................................................................... 5 1.2.4 Giao diện hệ thống SCADA ........................................................... 6 1.3 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI ................. 7 1.3.1 Cấu trúc hệ thống ........................................................................... 8 1.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống ..................................................... 8 1.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy ...................................... 9 1.3.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA............................................ 10 1.4 HỆ THỐNG SCADA TRONG KỶ NGUYÊN IOT ........................... 12 1.4.1 Hệ thống IoT ................................................................................ 12 1.4.2 IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT ................... 13 1.4.3 IoT so với SCADA ....................................................................... 14 1.4.4 Tích hợp SCADA và IoT ............................................................. 16 1.4.5 Tương lai của SCADA và IoT...................................................... 17 1.5 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH ............. 19 1.5.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ................................... 20 1.5.2 Khái quát quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch ................... 21 1.5.3 Cấu hình hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch .............. 23 1.5.4 Cấu hình mạng SCADA - Biến tần cho các trạm bơm ................ 26 iv 1.5.5 Các chức năng của hệ thống SCADA .......................................... 26 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ SCADA CHO XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG ............................................................................................................... 32 2.1 THÔNG TIN VỀ NHÀ MÁY NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG ........... 32 2.1.1 Khái quát chung về nhà máy nước sạch Tích Lương .................. 32 2.1.2 Yêu cầu đối với Hệ SCADA ........................................................ 35 2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA - IoT .............................................. 37 2.2.1 Lựa chọn phương án ..................................................................... 37 2.2.2 Thực thi phần cứng Hardware ...................................................... 38 2.2.3 Thực thi phần mềm Software ....................................................... 46 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM & KẾT LUẬN ..................... 48 3.1 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH ............. 48 3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................. 49 3.3 KẾT LUẬN ......................................................................................... 53 3.4 ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN ............. 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 55 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các tủ điều khiển trong một hệ thống SCADA .......................................... 1 Hình 1.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4] ................................................................ 4 Hình 1.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU. .............................................................................. 5 Hình 1.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy. .................................................. 6 Hình 1.5: Phối hợp IoT và SCADA .......................................................................... 17 Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống cấp nước dùng nguồn nước sông (nước mặt) [13]........... 21 Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống SCADA cho nhà máy cung cấp nước sạch.............. 23 Hình 1.8: Cấu hình cơ bản mạng SCADA biến tần cho trạm bơm ........................... 26 Hình 1.9: Mô phỏng trang màn hình giao diện hệ thống phân phối ......................... 27 Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý nước trong Nhà máy nước sạch Tích Lương ................................................................................................................................... 33 Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ nhà máy nước sạch Tích Lương .................................... 34 Hình 2.3: Động cơ bơm 160KW tại trạm bơm cấp 2 ................................................ 35 Hình 2.4: Mác động cơ bơm 160KW ........................................................................ 36 Hình 2.5: Cảm biến áp suất ....................................................................................... 36 Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................ 37 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý Mô đun MCU ................................................................. 42 Hình 2.8: Sơ đồ mạch in khối MCU ......................................................................... 42 Hình 2.9: Hình ảnh thực tế Mô đun MCU ................................................................ 43 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mô đun giáo tiếp phần 1............................................... 44 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý Mô đun giao tiếp phần 2 .............................................. 44 Hình 2.12: Sơ đồ mạch in mô đun giao tiếp COMU ................................................ 45 Hình 2.13: Hình ảnh thực tế mô đun giao tiếp COMU ............................................. 45 Hình 2.14: Giao diện màn hình chương trình lập trình cho mạch điều khiển .......... 46 Hình 2.15: Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển STM32 ...................................... 47 Hình 3.1: Tủ điều khiển trong hệ SCADA................................................................ 48 Hình 3.2: Màn hình đăng nhập WEB ........................................................................ 49 Hình 3.3: Giao diện màn hình Web sau khi đăng nhập thành công ......................... 49 vi Hình 3.4: Màn hình Web thể hiện kết quả đảm bảo áp suất đặt 3.0 Bar .................. 50 Hình 3.5: Màn hình WEB Điều khiển- Giám sát hệ thống ....................................... 50 Hình 3.6: Màn hình cài đặt thông số điều khiển cho hệ thống ................................. 51 Hình 3.7: Biểu đồ Áp suất đường ống chính của hệ thống ....................................... 51 Hình 3.8: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo giờ ................................................. 52 Hình 3.9: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo ngày .............................................. 52 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SCADA Supervisory Control And Data Acquisition MTU Master Terminal Unit RTU Remote Terminal Unit TCP\IP Transmission Control Protocol and Internet Protocol CNTT Công nghệ Thông Tin IOS Data Input/Output Modules HMI Human- Machine Interface HDC Historical for Data Collection Storage GW Gateway for Inter-LAN Comunication APPS Aplication Calculation and Processing Module VDU Video Display Unit GIS Geographic Information System IoT Internet of Things IoT-GSI Global Standards Initiative on Internet of Things KPI Key Performance Indicator TTĐĐCTY Trung tâm điều độ công ty PĐĐXN Phòng điều độ xí nghiệp PĐ ĐNM Phòng điều độ nhà máy DMA Direct Memory Access MIS Managerment Information System GIS Geographic Information System viii THÔNG TIN ĐỀ TÀI Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG  Đặt vấn đề Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước, ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước… và trong tương lai quản lý đến tận từng địa chỉ, từng hộ tiêu thụ nước. Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn. Và một điều hiển nhiên là theo một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch. Việc ứng dụng công nghệ SCADA chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách. Luận văn nhằm giới thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn những mục tiêu nêu trên. Kết quả của luận văn ngoài việc cung cấp các kết quả về mặt lý thuyết giúp cho việc học tập và nghiên cứu còn có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tế.  Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng. Cụ thể trong luận văn này tôi thiết kế, thi công cả về phần cứng và phần mềm cho hệ SCADA cho hệ thống cung ix cấp nước sạch. Tác giả sẽ thực hiện kiểm chứng chất lượng của hệ SCADA này thông qua mô phỏng và kiểm chứng trên thực nghiệm.  Kết quả dự kiến - Về mặt lý thuyết: Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng; ứng dụng được phương pháp tính toán mô phỏng để đánh giá, kiểm tra sơ bộ hệ thống. - Về mặt thực nghiệm: Nếu có điều kiện cụ thể thì tiến hành kiểm nghiệm trên mô hình thực hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch.  Phương pháp và phương pháp luận * Phương pháp luận: Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết để giải quyết thành công về mặt lý thuyết cho hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch từ đó kiểm nghiệm thông qua hệ thống thực. * Phương pháp nghiên cứu: - Lý thuyết: + Tìm hiểu công nghệ, yêu cầu của hệ điều khiển + Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống SCADA. + Nghiên cứu lý thuyết về IoT để ứng dụng nâng cao chất lượng của hệ SCADA thông qua mạng internet tốc độ cao. - Kiểm nghiệm: + Ứng dụng các phần mềm để kiểm tra sơ bộ hệ thống. + Thực nghiệm trên hệ thống thực.  Cấu trúc của luận văn Luận văn dự định gồm có các phần Chương 1: Tổng quan về về hệ SCADA Tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng. Chương 2: Thiết kế hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch. x Nghiên cứu các yêu cầu của hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch, từ đó xây dựng phần cứng và viết phần mềm cho hệ thống. Chương 3: Mô phỏng, thực nghiệm, kết luận và kiến nghị Từ những nghiên cứu về mặt lý thuyết, thực hiên mô phỏng trên mô hình hệ thống (trên phần mềm dùng cho HMI và PLC, chương trình cho Vi điều khiển), sau đó tiến hành thực nghiệm kiểm nghiệm kết quả.  Các công cụ và thiết bị nghiên cứu - Máy tính cá nhân có cài đặt phần mềm chuyên dụng, lập trình C. - Tất cả các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho đề tài. xi LỜI MỞ ĐẦU Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước, ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước… và trong tương lai quản lý đến tận từng địa chỉ, từng hộ tiêu thụ nước. Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn. Và một điều hiển nhiên là theo một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch. Việc ứng dụng công nghệ SCADA chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách. Luận văn nhằm giới thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn những mục tiêu nêu trên. xii 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]. 1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG SCADA 1.1.1 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. Hình 0.1: 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 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]. 1.1.2 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. 1.1.3 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 1.2 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. 1.2.1 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 Hình 0.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4] 1.2.2 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 Hình 0.3: 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. 1.2.3 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  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. 1.2.4 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. Hình 0.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy. 6 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. 1.3 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. Việc truy cập thông tin thời gian thực này cho phép các chính phủ, doanh nghiệp và cá nhân đưa ra quyết định theo hướng dữ liệu về cách cải thiện quy trình của họ. Nếu không có phần mềm SCADA, sẽ vô cùng khó khăn nếu không thể thu thập đủ dữ liệu để có quyết định sáng suốt. Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng SCADA hiện đại có khả năng phát triển ứng dụng nhanh (RAD) cho phép người dùng thiết kế ứng dụng tương đối dễ dàng, ngay cả khi họ không có kiến thức sâu rộng về phát triển phần mềm. Việc đưa các tiêu chuẩn và thực hành Công nghệ Thông Tin (CNTT) hiện đại như SQL và các ứng dụng dựa trên web vào phần mềm SCADA đã cải thiện đáng kể hiệu quả, bảo mật, năng suất và độ tin cậy của các hệ thống SCADA. 7 Phần mềm SCADA sử dụng sức mạnh của cơ sở dữ liệu SQL cung cấp những lợi thế rất lớn so với phần mềm SCADA cổ xưa. Một lợi thế lớn của việc sử dụng cơ sở dữ liệu SQL với một hệ thống SCADA là nó làm cho nó dễ dàng hơn để tích hợp vào hệ thống MES và ERP hiện có, cho phép dữ liệu lưu thông liên tục thông qua toàn bộ tổ chức. Dữ liệu lịch sử từ một hệ thống SCADA cũng có thể được ghi vào cơ sở dữ liệu SQL, cho phép phân tích dữ liệu dễ dàng hơn thông qua xu hướng dữ liệu. 1.3.1 Cấu trúc hệ thống Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được xây dựng theo cấu trúc phân bố, trong đó máy chủ được phân bố trên một số các bộ xử lý được nối với nhau thông qua mạng cục bộ (LAN). Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất định như: thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một số bộ xử lý dùng để dự phòng. Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client – Server. Với: * IOS: module các ngõ vào ra dữ liệu (Data Input/Output Modules). * HMI: module giao tiếp giữa người và máy (Human- Machine Interface). * HDC: module lưu trữ dữ liệu thu thập được trong quá khứ (Historical for Data Collection Storage). * GW: cổng giao tiếp cho mạng LAN (Gateway for Inter-LAN Comunication). * APPS: module tính toán và xử lý ứng dụng (Aplication Calculation and Processing Module). 1.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau: * Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển. * Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu. * Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System). * Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP. 8