Mô hình hệ thống điều khiển SCADA

1. KHÁI NIỆM

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.

* Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác.

2. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông.

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.

2.2. 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 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.

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 (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.

3. 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.

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).

* MMI: module giao tiếp giữa người và máy (Man- 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).

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.

* Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp.

* Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác.

* Khả năng tích hợp tín hiệu Video động.

* Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và Client.

3.3. Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy

Về phần giao tiếp giữa người và máy, các hệ thống SCADA ngày nay được trang bị các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit), hiển thị đầy đủ hình ảnh đồ họa của các quá trình. Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và bàn phím, các nút điều khiển được thay thế bằng các biểu tượng (Icon) trên màn hình. Chúng được tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tượng trên màn hình đối với các màn hình cảm ứng.

Các thiết bị đó giúp cho người điều hành có khả năng:

* Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị.

* Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được cập nhật.

* Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống.

* Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng như nhận biết dữ liệu (Ví dụ: các màu khác nhau cho các trạng thái khác nhau).

Ngoài ra các VDU chạy trên môi trường Windows hay Windows-X còn giúp điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, và truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau.

Về các RTU, không còn là những thiết bị thụ động nữa mà chúng làm nhiệm vụ thu thập và lưu giữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiện tại các RTU.

Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa… Các RTU có thể được kết nối theo kiểu phân bố hoặc kiểu phân cấp. Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ.

Về cơ sở dữ liệu, các dữ liệu được lưu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa được tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng như các cảnh báo. Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố. Cơ sở dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin (Managerment Information System) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System). Ngoài ra, các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password.

4. MẠNG SIMATIC

4.1 Mạng con (subnet)

Subnet là toàn bộ các thành phần vật lý cần thiết để xây dựng thành một đường truyền dữ liệu cũng như các thủ tục cần thiết cần thiết để chuyển dữ liệu.

4.2 Các lĩnh vực ứng dụng của các subnet

SIMATIC cung cấp các mạng truyền thông thích hợp cho các yêu cầu khác nhau:

– Industrial Ethernet

– PROFIBUS

– MPI

– Giao tiếp AS

Cấp quản lý/quản trị (Management Level)

Ở cấp quản trị, các công việc giám sát được xử lý ảnh hưởng đến toàn bộ các công việc (các chức năng quản trị). Chúng bao gồm lưu giữ các giá trị quá trình, tối ưu hóa và phân tích các chức năng xử lý, cũng như xuất các kết quả thành các báo cáo. Dữ liệu cần cho các báo cáo này được thu thập từ nhiều chỗ và đã được xử lý. Từ cấp quản lý, có thể truy cập các chỗ khác. Số trạm có thể lớn hơn 1000.

Cấp cell

Ở cấp cell, các chức năng tự động hóa và tối ưu hóa được xử lý tự động. Ở cấp này các PLC, PC và HMI (Human Machine Interfaace) được nối kết lại với nhau.

Cấp field

Cấp field là nối kết giữa những nơi lắp đặt máy móc và các PLC. Các thiết bị trường (field device) đo lường, báo hiệu và phát các lệnh từ cấp cell đến các máy móc. Thường thì chuyển các khối dữ liệu nhỏ. Ở cấp này thì thường sắp xếp truyền thông phân cấp, nghĩa là nhiều thiết bị trường truyền thông với một master.

Cấp Actuator/Sensor

Ở cấp này thì master truyền thông với các actuator và sensor được nối vào subnet. Đặc tính chính của nó là thời gian đáp ứng nhanh với số bit dữ liệu nhỏ.

4.3 Các subnet trong SIMATIC

SIMATIC cung cấp các subnet sau đây mà chúng đạt được các yêu cầu của các cấp hệ thống tự động khác nhau (cấp quản trị, cấp cell, cấp trường và cấp actuator/sensor).

MPI (Multipoint Interface)

MPI là một subnet cho một phủ nhỏ và một số ít các trạm cho cấp cell và cấp field. MPI là giao tiếp đa điểm trong các hệ thống SIMATIC S7. Nó được thiết kế như giao tiếp thiết bị lập trình và dùng để nối mạng một số ít CPU nhằm để trao đổi các khối dữ liệu nhỏ.

PROFIBUS

PROFIBUS là mạng cho cấp cell và field trong hệ thống truyền thông mở của SIMATIC. Có hai phiên bản PROFIBUS:

PROFIBUS-DP fieldbus (DP= Distributed I/O) để trao đổi dữ liệu tuần hoàn tốc độ cao, và PROFIBUS PA (PA= Process Actumation) cho các ứng dụng vốn có sẵn an toàn.

PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link) hoặc PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) trong cấp cell để trao đổi dữ liệu tốc độ cao với các cộng sự truyền thông có quyền bằng nhau.

Industrial Ethernet

Industrial Ethernet là mạng cho cấp quản trị và cấp cell trong hệ truyền thông mở SIMATIC. Industrial Ethernet thích hợp cho việc trao đổi dữ liệu có lượng dữ liệu lớn.

Giao tiếp AS

Giao tiếp AS hay giao tiếp actuator/sensor (được viết tắt là AS-I hay ASI) là hệ subnet cho các cấp quá trình thấp nhất trong các hệ thống tự động. Nó được thiết kế đặc biệt cho kết nối giữa các sensor và actuator nhị phân. Lượng dữ liệu bị giới hạn ở 4 bit cho một trạm slave.

4.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA

Ngày nay hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp. Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:

Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát.

Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân bay, bến cảng.

Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí.

Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu.

Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện.

Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển trong các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác.

SCADA = Supervisory Control And Data Acquisition = Giám sát, Điều khiển và Thu thập dữ liệu.

Khái niệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các nhà máy hiện đại. Đối với một nhà máy hiện đại, khi xây dựng và đưa vào hoạt động, để có thể tạo ra được sản phẩm đạt yêu cầu về chất lượng, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của thị trường, nhà máy cần được trang bị các máy móc hiện đại, đạt được các tiêu chuẩn về chất lượng và môi trường, độ an toàn, năng suất và tiết kiệm. Chính vì thế, việc tích hợp tự động hóa nhà máy là một yêu cầu bức thiết được ra. Các hạng mục sản xuất được trang bị máy móc tự động, phần mềm điều khiển hiện đại để tiết kiệm nhiên liệu, điện năng, nhân công và đảm bảo chính xác theo yêu cầu.

Thông thường SCADA được chia ra làm 3 cấp:

Cấp vận hành (Cấp trường):

Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi hoạt 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 hoạt 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 hoạch sản xuất ,truyền tải,…

+ 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 hoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng.

Thiết bị của hệ thống SCADA:

Phần cứng:

Để xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy cần các phần cứng sau:

Máy tính công nghiệp (IPC)

Bộ tích hợp thiết bị (Kết nối và thu thập dữ liệu lên máy tính)

hiết bị mạng (Switch, Router,…)

Phần mềm:

Phần mềm cho giám sát điều khiển:

Tạo ra giao diện hiển thị các thông số, điều khiển qua giao diện hiển thị, lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. (Mỗi máy có 1 license và theo số điểm tích hợp điều khiển I/O point).

Phần mềm giám sát, quản lý:

Hiển thị các thông số, lưu trữ các dữ liệu vào cơ sở dữ liệu (Giao diện có thể là web navigator)

Các phần mềm phụ trợ:

Kết nối mạng, kết nối PLC –IPC, …

Mạng kết nối:

Các hình thức có thể sử dụng:

Đường truyền lease-line:

Là kênh thuê bao riêng của của bưu điện cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao bằng các thiết bị đầu cuối bằng modem truyền thống, tốc độ tối đa cho phép 19.2 kb/s. (của riêng nhà máy-private line)

Đường truyền cáp quang:

Dùng cáp quang để truyền dữ liệu từ nhà máy về trung tâm (có thể thuê của bưu điện hoặc tự kéo cáp nếu khoảng cách gần) với khoảng cách xa, băng thông rộng, tin cậy, tốc độ cao. Tại mỗi đầu phải có thiết bị chuyển đổi quang để kết nối với máy tính.

Đường truyền ADSL:

Là đường truyền internet băng thông rộng, cho phép dữ liệu với tốc độ cao, dễ kết nối. (Là mạng công cộng)
Xem thêm:
Nguyên lý bảo vệ so lệch máy phát 87G
Mô hình hệ thống điều khiển SCADA
Nguyên lý hoạt động của Diode

Khả năng tích hợp vào các hệ thống tại trung tâm:

Tại trung tâm, nhà quản lý không chỉ thu nhận và giám sát các thông tin liên quan đến các nhà máy điện từ xa qua mạng mà còn giám sát và quản lý nhiều hệ thống khác: trung tâm dữ liệu (thu thập toàn bộ các dữ liệu chuyên nghành và tích hợp vào các hệ thống con của tầng dữ liệu, truyền hình hội nghị (tele conference), tổng đài điện thoại (PABX), bán hàng & thương mại điện tử (e-commerce), tư vấn và các dịch vụ điện tử sử dụng nội bộ và cho thuê, …Tất cả các dịch vụ này đều không chỉ thuần túy về kỹ thuật và còn liên quan đến các vấn đề về thông tin, quản lý, bán hàng, định hướng, phát triển và các dịch vụ giá trị gia tăng.

Hệ thống SCADA sẽ xây dựng hoàn toàn có thể tích hợp để giám sát từ xa trên cùng một máy tính tại trung tâm, luồng dữ liệu thu thập từ nhà máy được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu nên hoàn toàn có thể dùng để tạo các báo về các họat động có liên quan. Tuy nhiên hệ thống điều khiển giám sát SCADA vẫn hoạt động độc lập mà không bị phụ thuộc hay cản trở từ bất kỳ hệ thống nào khác kể cả khi các hệ thống khác gặp sự cố, hệ thống SCADA vẫn hoạt động bình thường.

Có thể bạn thích: Mô hình trạm biến áp ngầm, trạm biến áp trong nhà, trạm biến áp ngoài trời.