Tài liệu Nghiên cứu và xây dựng hệ thống scada đặc thù trong các công trình thủy lợi

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN MINH TRUNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG SCADA ĐẶC THÙ TRONG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Chuyên ngành : Tự động hóa. LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS.TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2008 Trang 2 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HOÀNG MINH TRÍ Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS HỒ ĐẮC LỘC Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 26 tháng 12 năm 2008 HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA.TP.HCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . . năm . . . . . . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH TRUNG Ngày, tháng, năm sinh : 30/05/1979 Chuyên ngành : Tự động hóa Khoá (Năm trúng tuyển) : K2005 Giới tính : Nam ;/ Nữ Nơi sinh : KHÁNH HÒA 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG SCADA ĐẶC THÙ TRONG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ...................................................................... .......... 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 4 Lời đầu tiên em muốn nói là xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hóa và của trường Đại học Báck Khoa TP.HCM đã tận tình giảng dạy em trong các học kỳ vừa qua. Và đặc biệt hơn, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn của nhiệt tình Thầy Trương Đình Châu để em có thể hoàn thành đề tài này. Bên cạnh đó cũng rất cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn bè, các đồng nghiệp đã góp phần hỗ trợ tài liệu và giúp hoàn thành đề tài này. Xin chân thành cám ơn. NGUYỄN MINH TRUNG HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 5 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ....................................................... 7 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu .............................................................. 7 1.2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 10 1.3. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 10 CHƯƠNG 2: SCADA ........................................................................................ 11 2.1. Tổng quan về SCADA .......................................................................... 11 2.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA ...................................... 12 2.3. Cơ chế thu thập và xử lý dữ liệu ........................................................... 14 2.3.1. Cơ chế thu thập dữ liệu ................................................................. 14 2.3.2. Xử lý dữ liệu .................................................................................. 14 2.4. Phân cấp trong hệ thống SCADA ......................................................... 15 2.4.1. Cấp 1 - cấp trường ......................................................................... 16 2.4.2. Cấp 2 - Cấp điều khiển .................................................................. 17 2.4.3. Cấp 3 - Cấp điều khiển giám sát ................................................... 17 2.4.4. Cấp 4 - Cấp điều hành sản xuất ..................................................... 18 2.4.5. Cấp 5- Cấp quản lý ........................................................................ 18 2.4.6. Sơ đồ luồng thông tin .................................................................... 19 2.5. Các mạng truyền thông thông dụng trong SCADA .............................. 19 2.5.1. Mạng FieldBus .............................................................................. 19 2.5.2. Mạng AS-i ..................................................................................... 20 2.5.3. Mạng Profibus ............................................................................... 21 2.5.4. Mạng Modbus ................................................................................ 26 2.5.5. Mạng CAN .................................................................................... 27 CHƯƠNG 3: INTERNET VÀ SCADA ........................................................... 31 3.1. Internet 31 3.2. Mô hình tham chiếu OSI ....................................................................... 32 3.2.1. Mục đích của mô hình tham chiếu OSI ......................................... 32 3.2.2. Các lớp trong mô hình tham chiếu OSI ......................................... 34 3.3. Mô hình tham chiếu TCP/IP ................................................................. 37 3.3.1. Vai trò của mô hình tham chiếu TCP/IP ............................................ 37 3.3.2.Các lớp trong mô hình tham chiếu TCP/IP ......................................... 37 3.3.3. Sơ đồ giao thức của TCP/IP ............................................................... 38 3.4. Giao thức TCP ...................................................................................... 39 HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 6 3.4.1. Tổng quan về giao thức TCP ............................................................. 39 3.4.2. Cấu trúc gói tin ................................................................................... 40 3.4.3.3. Kết thúc kết nối ............................................................................... 45 3.4.4. Địa chỉ TCP ........................................................................................ 45 3.4.5. Các cổng TCP .................................................................................... 46 3.5. Kết hợp SCADA và Internet ................................................................. 47 CHƯƠNG 4: OPC ............................................................................................. 49 4.1. Giới thiệu chung về OPC ..................................................................... 49 4.2. Sự cần thiết của OPC ............................................................................ 49 4.3. Phạm vi ứng dụng của OPC .................................................................. 51 4.4. Cấu trúc cở bản của đối tượng OPC ..................................................... 52 4.5. Các phiên bản của OPC ........................................................................ 53 4.6. OPC Data Access (OPC DA) ............................................................... 54 4.6.1. OPC Server: ................................................................................... 54 4.6.2. OPC Group .................................................................................... 56 4.6.3. OPC Item ....................................................................................... 57 4.6.4. Tag ................................................................................................. 57 4.6.5. OPC Client .................................................................................... 59 4.6.6. Đọc dữ liệu từ OPC ...................................................................... 60 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA ............................................ 65 5.1. Cấu hình hệ thống SCADA trong thủy lợi Tiền Giang ........................ 65 5.2. Thiết kế chương trình cho bộ điều khiển cho PLC............................... 69 5.3. Thiết kế chương trình cho bộ điều khiển cho PC ................................. 71 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ........................................................... 84 6.1. Kết quả thực hiện .................................................................................. 84 6.1. Hướng phát triển của đề tài ................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 88 HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là phần cuối cùng của châu thổ sông MêKông chảy qua Việt Nam với diện tích tự nhiên khoảng 3.95 triệu ha. Hằng năm, đồng bằng sông Cửu Long đóng góp gần 27% GDP và 40% sản phẩm nông nghiệp cho cả nước. Vì vậy, đồng bằng sông Cửu Long đóng một vai trò rất quan trọng trong công cuộc phát triển kinh tế - xã hội của cả nước. Một trong những nhân tố chính đóng góp vào sự thành công này là các hệ thống thủy lợi lớn ngày càng được đầu tư và phát triển nhanh chóng. Các hệ thống này được xây dựng với nhiệm vụ là cung cấp nước ngọt, kiểm soát lũ vào mùa mưa, tiêu chua và ngăn chặn xâm nhập mặn từ biển Đông nhằm phục vụ cho việc canh tác nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản của vùng. Tuy vậy, để nâng cao tính hiệu quả của các hệ thống thuỷ lợi hiện nay thì yêu cầu cần đặt ra là chúng ta phải tiến hành hiện đại hoá công tác quản lý các hệ thống thủy lợi này. Đây là một yêu cầu cấp thiết và thiết thực để giải quyết nhanh các vấn đề về ngập lũ, xâm nhập mặn và cũng như sử dụng nguồn nước tiết kiệm, hợp lý. Hiện nay, vùng đồng bằng sông Cửu Long có rất nhiều hệ thống thủy lợi lớn. Các hệ thống thủy lợi này được mỗi tỉnh phân cấp cho một công ty có trách nhiệm quản lý và khai thác. Nhiệm vụ của từng công ty này là phải điều tiết các công trình để đảm bảo nhu cầu nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng trong vùng. Ngoài ra, các công ty quản lý và khai thác còn có chức năng dự báo và phòng chống lũ từ sông MêKông, ngăn chặn xâm nhập mặn từ biển Đông. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 8 Hình 1.1: Hệ thống thủy lợi đồng bằng sông Cửu Long Một số hệ thống thuỷ lợi lớn ở đồng bằng sông Cửu Long Vị trí Diện tích STT Tên hệ thống thủy lợi 1 Gò Công Tiền Giang 54.000 2 Tiếp Nhật Sóc Trăng 53.910 3 Nam Măng Thít Vĩnh Long, Trà Vinh 225.682 4 Quản Lộ - Phụng Hiệp Sóc Trăng, Bạc Liêu 178.888 5 Ô Môn – Xà No Kiên Giang, Cần Thơ 45.340 6 Nhật Tảo – Tân Trụ Long An 13.320 7 Ba Lai Bến Tre 50.800 8 Bắc Đông Long An, Tiền Giang 40.400 9 Ba Rinh – Tà Liêm Sóc Trăng, Cần Thơ 30.944 10 Hồng Ngự Đồng Tháp 21.754 11 Hương Mỹ Bến Tre 17.000 Nhiệm vụ phục vụ (ha) HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) cấp nước ngọt, ngăn mặn cấp nước ngọt, ngăn mặn cấp nước ngọt, ngăn mặn, tiêu chua cấp nước ngọt, ngăn mặn cấp nước ngọt, ngăn mặn, tiêu chua cấp nước ngọt, ngăn mặn cấp nước ngọt, ngăn mặn cải tạo đất, kiểm soát lũ cấp nước ngọt, ngăn mặn cải tạo đất, kiểm soát lũ cấp nước ngọt, ngăn mặn Trang 9 12 Ba Thê – tri Tôn An Giang, Kiên Giang 43.700 13 Cần Thơ – Long Mỹ Cần Thơ 50.000 14 Cái Sắn - Thốt Nốt Cần Thơ, Kiên Giang 58.000 15 Kế Sách Sóc Trăng, Cần Thơ 32.000 cải tạo đất, kiểm soát lũ cấp nước ngọt, ngăn mặn cấp nước ngọt, ngăn mặn, tiêu chua cấp nước ngọt, ngăn mặn, tiêu chua Để thực hiện các nhiệm vụ đo đạc và thu thập số liệu, hằng năm các công ty quản lý và khai thác các công trình thủy lợi phải tiến hành thu thập các số mực nước, độ mặn, độ pH, lưu lượng, … nhằm để phục vụ cho công tác vận hành, lập kế hoạch tưới tiêu, dự báo tình hình lũ, diễn biến mặn để có kế hoạch điều tiết, khống chế thiên tai kịp thời. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu thông tin kịp thời phục vụ cho sản xuất và phòng chống thiên tai, mỗi công ty đã bố trí rất nhiều điểm đo mực nước và độ mặn trên toàn tỉnh; chưa tính tới những điểm đo phụ và các điểm đo thời vụ khi cần thiết khác. Hiện nay, cách làm này rất tốn kém về chi phí và phải bố trí rất nhiều nhân lực. Bên cạnh đó, số liệu không chính xác do cách đo còn rất thủ công và do chủ quan của người đọc vì phải làm việc liên tục ngày đêm. Việc đo lưu lượng càng trở nên phức tạp hơn khi phải cần 3-4 người cùng thực hiện cùng với nhiều trang thiết bị cồng kềnh, phương tiện như xuồng, ghe rất tốn kém và không an toàn. Ngoài ra, yếu tố rất quan trọng trong công tác dự báo và phòng chống lũ là mất đi tính thời sự khi bộ phận xử lý thông tin không đáp ứng được liệu kịp thời. Xuất phát từ các nhu cầu thực tế đã nêu ở trên, chúng ta cần phải xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển trong các công trình thủy lợi để phục vụ thông tin kịp thời cho sản xuất nông nghiệp và phòng chống thiên tai. Đề tài “NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG SCADA ĐẶC THÙ TRONG CÁC CÔNG TRÌNH THỦY LỢI” là nhằm mục đích nghiên cứu và xây dựng một hệ thống quan trắc các thông số của công trình thủy lợi trên diện rộng. Hệ thống SCADA này sẽ giúp cho các nhà quản lý hệ thống thủy lợi có được những thông số cần thiết và chính xác từ hệ thống của mình để từ đó đưa ra các giải pháp vận hành công trình hiệu quả hơn. Hệ thống quan trắc này bao gồm các trạm đo được đặt tại HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 10 các vị trí công trình chính như cống hay kênh chính. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của từng vị trí trạm mà chúng ta cần thu thập các thông số như khí tượng, mực nước, độ mặn, pH và điều khiển đóng/mở cống thích hợp. Các số liệu sẽ được truyền về webserver thông qua internet. 1.2. Mục đích nghiên cứu • Thiết kế và xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển cục bộ và diện rộng cho một hệ thống các công trình thuỷ lợi. 1.3. Phương pháp nghiên cứu • Các phương pháp truyền thông và lý thuyết SCADA. • Kỹ thuật và lý thuyết của hệ thống công trình thủy lợi. • Ngôn ngữ lập trình Visual C#.NET, ASP.NET, ADO.NET, và Step7 để viết các ứng dụng. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 11 CHƯƠNG 2: SCADA 2.1. Tổng quan về SCADA SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) được định nghĩa là một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám. Hệ thống này nhằm hỗ trợ con người trong quá trình từ giám sát và điều khiển từ xa. Tuy nhiên thì trong thực tế có những hệ thống vẫn thường được gọi là SCADA, mặc dù những hệ thống này chỉ thực hiện duy nhất một chức năng là thu thập dữ liệu. Hệ thống SCADA đầu tiên đơn giản chỉ là thu thập dữ liệu từ các công tắt, bóng đèn, panel, …và người vận hành sẽ vận hành bằng tay bằng cách bấm vào các nút điều khiển để điều khiển giám sát hệ thống. Ngày nay, khi mà công nghệ ngày càng phát triển vượt bậc thì các hệ thống SCADA cũng có những bước phát triển nhanh chóng. Các bộ điều khiển lập trình được (PLC) và các hệ thống điều khiển phân tán (DCS) ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn. Sự ra đời của PLC và DCS đã giúp cho các hệ thống SCADA hoạt động chính xác và hiệu quả hơn. Ưu điểm của hệ thống SCADA: − Ghi và lưu trữ một số lượng rất lớn dữ liệu vào máy tính − Dữ liệu có thể được chia sẽ và hiển thị mọi nơi, mọi lúc − Một hệ thống SCADA lớn có thể kết nói hàng ngàn thiết bị cảm biến. − Có thể thu thập nhiều kiểu dữ liệu khác nhau từ các RTUs. Nhược điểm của hệ thống SCADA: − Hệ thống ngày càng trở nên phức tạp hơn. − Yêu cầu phải có kỹ năng lập trình, phân tích hệ thống − Do phải kết nối rất nhiều thiết bị nên việc đấu dây rất phức tạp và khó khăn. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 12 2.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA 2.2.1. Trạm thu thập dữ liệu Trạm thu thập dữ liệu là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remota Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…). Các RTU hay PLC thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như 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. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 13 2.2.2. Trạm điều khiển giám sát trung tâm Trạm điều khiển giám sát trung tâm (MTU - Master Terminal Unit) là trung tâm của một hệ thống SCADA. Trong thực tế thì MTU thường là một hay nhiều máy chủ trung tâm. 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. 2.2.3. Giao diện người - máy HMI Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống 2.2.4. Hệ thống truyền thông Hệ thống truyền thông bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ. Môi trư ờng truyền thông bao gồm hai thành phần: ¾ 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). ¾ 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. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 14 2.3. Cơ chế thu thập và xử lý dữ liệu Hình 2.2: Cấu trúc một hệ thống SCADA hiện đại 2.3.1. Cơ chế thu thập dữ liệu Trong hệ thống SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU. Khi RTU nhận được các tín hiệu điều khiển này thì sẽ tiến hành xử lý và gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ. 2.3.2. Xử lý dữ liệu Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (anlog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse). HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 15 Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ thống SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ thống SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: − Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ thống SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. − Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…Do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ thống SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…). 2.4. Phân cấp trong hệ thống SCADA Thông thường, một hệ thống SCADA đầy đủ được chia thành 5 cấp bao gồm: cấp trường, cấp điều khiển, cấp điều khiển giám sát, cấp điều hành và cấp quản lý. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 16 Hình 2.3: Sơ đồ phân cấp của một hệ thống SCADA 2.4.1. Cấp 1 - cấp trường Cấp trường hay còn gọi là cấp các phần tử chấp hành. Cấp này bao gồm các thiết bị máy móc, các cơ cấu chấp hành hay các thiết bị đo lường như động cơ, van khí nén, van thủy lực, lò nhiệt, và các cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo khoảng cách, cảm biến lưu lượng, … Các thiết bị này sẽ đo đạc, thu thập các dữ liệu từ các đối tượng như nhiệt độ, áp suất, …và sau đó đưa tín hiệu đo về các bộ điều khiển. Tín hiệu ngõ ra các thiết bị này thường là các tín hiệu theo chuẩn đo lường trong công nghiệp như: 0 ÷ 5V, 0 ÷ 10V, 0 ÷ 20mA hay 4 ÷ 20mA hay cũg có thể là tín hiệu số. Nhiệm vụ của cấp trường là đo lường số liệu từ hiện trường hay các đối tượng điều khiển để truyền số liệu về bộ điều khiển. Bên cạnh đó, để điều khiển thì các thiết bị chấp hành sẽ tiếp nhận các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và kích hoạt các máy móc, thiết bị khá. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 17 2.4.2. Cấp 2 - Cấp điều khiển Cấp điều khiển là bao gồm các RTU (Remote Terminal Unit): có thể là các bộ PLC, bộ điều khiền nhiệt độ hay các bộ vi điều khiển. Tại cấp này có 2 nhiệm vụ chính đó là nhiệm vụ điều khiển và nhiệm vụ thu thập dữ liệu. ¾ Nhiệm vụ điều khiển: Các thiết bị RTU này thực chất là các bộ điều khiển dựa trên công nghệ vi xử lý và vi điều khiển. Sau khi thu thập dữ liệu từ các thiết bị chấp hành thông qua các cảm biến ở cấp trường, các bộ điều khiển này sẽ tiến hành xử lý và xuất ra các tín hiệu điều khiển để thực hiện các thuật toán điều khiển thiết bị theo yêu cầu, như các thuật toán PID, logíc mờ, … ¾ Chức năng thu thập dữ liêu: Các RTU thu thập thông tin, dữ liệu từ các thiết bị của cấp chấp hành, và gửi thông tin, dữ liệu thu thập được lên cấp điều khiển giám sát. Ngoài ra, các RTUs này còn có chức năng là nhận lệnh điều khiển từ cấp điều khiền giám sát, xử lý và điều khiển các các thiết bị cấp chấp hành. Đối với các hệ thống phức tạp, yêu cầu phải thu thập và điều khiển nhiều thiết bị khác nhau, chúng ta có thể mở rộng các RTUs này tạo thành một mạng RTUs để tối ưu hóa việc thu thập và điều khiển thiết bị. Chúng ta có thể thiết lập các thiết bị ở cấp trường và các bộ điều khiển thành các mạng theo chuẩn trong công nghiệp như: mạng FieldBus, mạng AS-I, Profibus-PA, Profibus-DP, Modbus, Interbus-S, … 2.4.3. Cấp 3 - Cấp điều khiển giám sát Cấp điều khiển giám sát còn gọi là cấp SCADA có nhiệm vụ quản lý toàn bộ hệ thống. Tất cả thông tin, dữ liệu quá trình đều được thu thập, lưu trữ tại đây và hệ thống cơ sở dữ liệu cũng nằm tại đây. Cấp này bao gồm các bộ điều khiển PLC và các máy tính, .. các thiết bị cấp này còn gọi chung là các MTU (Master Terminal Units). HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 18 Phần mềm hệ thống SCADA được cài đặt trên máy tính, quản lý giám sát toàn bộ hệ thống, xử lý, lưu trữ dữ liệu, chia sẻ dữ liệu và có chức năng điều khiển toàn bộ hệ thống thông qua các RTU. Về khả năng mở rộng, ta có thể mở rộng cấp này theo chiều ngang nghĩa là kết nối nhiều MTU với nhau tạo thành một hệ thống các MUT theo chuẩn mạng công nghiệp hay mạng LAN (Ethernet, Token ring, Token Bus, …) Cấp điều khiển giám sát chứa phần mềm SCADA. 2.4.4. Cấp 4 - Cấp điều hành sản xuất Cấp điều hành sản xuất viết tắt là MES (Manufacturing Execution Sysem) là cấp trên của cấp điều khiển giám sát. Đây là một hệ thống các máy tính nối mạng LAN, WAN để cùng nhau thực hiện các nhiệm vụ như: − Quản lý nguồn tài nguyên của toàn bộ hệ thống. − Lập chương trình họat động. − Thu thập, lưu trữ dữ liệu (thu thập dữ liệu quá trình sản xuất từ các cấp dưới) − Quản lý lao động, quản lý chất lượng. − Quản lý quá trình, quản lý bảo dưỡng thiết bị máy móc. 2.4.5. Cấp 5- Cấp quản lý Đây là cấp cao nhất trong hệ thống SCADA hiện đại, cũng bao gồm các máy tính nối mạng LAN, WAN với các nhiệm vụ như: − Phân tích hoạt động kinh doanh. − Quản lý chiến lược phát triển, quản lý điều hành kinh tế. − Quản lý điều hành tòan bộ nhà máy. − Quản lý nguồn nhân lực. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 19 2.4.6. Sơ đồ luồng thông tin Quản lý, điều hành Cấp 4 Kế hoạch, qui trình vận hành, … Thông tin về trạng thái, chất lượng, quá trình điều khiển hệ thống, … Điều khiển, giám sát Cấp 3 Thông số quá trình điều khiển hệ thống Setup, Setpoint, thay đổi cấu hình hệ thống con Các thiết bị điều khiển(RTUs) Cấp 2 Thông số đo được từ các cảm biến Tín hiệu điều khiển Các cảm biến và phần tử chấp hành Cấp 1 Hình 2.4: Lưu đồ trao đổi thông giữa các cấp trong hệ thống SCADA 2.5. Các mạng truyền thông thông dụng trong SCADA 2.5.1. Mạng FieldBus PLC PLC Hình 2.5: Mạng FieldBus HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359) Trang 20 Kiến trúc giao thức của mạng Fieldbus là bao gồm lớp vật lý , “ngăn” truyền thông và các chương trình ứng dụng. Trong đó ngăn truyền thông tương ứng với lớp 2 và lớp 7 theo mô hình OSI. Lớp vật lý thực hiện dựa theo chuẩn IEC 1158-2 và ISA S50.02-1992, lớp liên kết dữ liệu dựa trên chuẩn IEC/ISA DLL. Lớp ứng dụng thực hiện các dịch vụ FMS giống như Profibus. Trong kết nối mạng Fieldbus thì thường sủ dụng là cáp điện và cáp quang là chủ yếu, chiều dài tối đa phụ thuộc vào loại cáp. Cấu trúc mạng khác nhau như là mạng trục – đường nhánh, mạng daisy – chain và mạng hình sao, cũng có thể là mạng điểm – điểm. Bên gửi và bên nhận có thể đồng bộ nhịp cho từng bức điện dựa vào chính tín hiệu mang thông tin, vì thế chế độ truyền thông là không đồng bộ. Phương pháp truy nhập bus: Kết hợp giữa Master/Slave, Token-Passing và TDMA. 2.5.2. Mạng AS-i Hình 2.6: Mạng AS-i Mục đích sử dụng duy nhất của mạng AS-i là kết nối các thiết bị cảm biến và các phần tử chấp hành số với cấp điều khiển. HVTH: Nguyễn Minh Trung (MS: 01505359)