Bài giảng Hệ thống SCADA - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:176

Thêm vào BST

Báo xấu

100
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng Hệ thống SCADA được biên soạn với nội dung bao gồm: phần cứng; phần mềm và truyền thông của hệ thống. Về phần cứng tập bài giảng trình bày khá chi tiết về cấu trúc của các thành phần phần cứng, từ các thiết bị cấp trường, RTU, PLC và MTU. Phần mềm được nhóm tác giả giới thiệu tổng quát các phần mềm SCADA và sau đó tập trung chủ yếu vào hướng dẫn sử dụng khai thác phần mềm WINCC của hãng Siemens với phiên bản được sử dụng phổ biến nhất là WinCC flexible 2008.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống SCADA - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát 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 được dùng để chỉ các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng: - 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 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 kịp thời và chính xác. Với mục tiêu giúp sinh viên tiếp cận và nắm bắt được những vấn đề cơ bản trong một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu, Tập bài giảng “Hệ thống SCADA” được biên soạn với nội dung bao gồm: phần cứng; phần mềm và truyền thông của hệ thống. Về phần cứng tập bài giảng trình bày khá chi tiết về cấu trúc của các thành phần phần cứng, từ các thiết bị cấp trường, RTU, PLC và MTU. Phần mềm được nhóm tác giả giới thiệu tổng quát các phần mềm SCADA và sau đó tập trung chủ yếu vào hướng dẫn sử dụng khai thác phần mềm WINCC của hãng Siemens với phiên bản được sử dụng phổ biến nhất là WinCC flexible 2008. Về truyền thông tập bài giải giới thiệu tổng quan về mạng, mô hình phân cấp chức năng và các cấp mạng công nghiệp, các chuẩn giao tiếp. Bên cạnh đó nhóm tác giả cũng trình bày khá chi tiết về một số bus giao tiếp thông dụng như AS-I, Profibus, Modbus, Ethernet… Tập bài giảng sẽ là tài liệu chính cho việc giảng dạy và học tập môn học Hệ thống SCADA của các lớp đại học nghành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Là cơ sở để thống nhất nội dung giảng dạy và kiểm tra đánh giá sinh viên. Tập bài giảng gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA. Chương 2: Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA. Chương 3: Truyền thông. Chương 4: Phần mềm cho SCADA. Chương 5: Thiết kế các mô hình SCADA Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp khoa Điện - Điện tử, cùng các đồng nghiệp trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã giúp chúng tôi hoàn thành tài liệu này. 1
Trong lần biên soạn đầu tiên, chắc chắn sẽ không tránh khỏi một số sai sót, mong người đọc đóng góp ý kiến cho các tác giả để tập bài giảng được hoàn thiện hơn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn. Nam Định, tháng 11 năm 2016 Nhóm biên soạn Đoàn Ngọc Sỹ Trần Hiếu 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ACC Area Control Center Trung tâm điều khiển vùng A/D Analog/Digital Chuyển đổi tương tự/số AI Analog Input Vào tương tự AO Analog Output Ra tương tự ASCII American Standard Code for Bảng mã chuẩn của Mỹ để trao đổi Information Interchange thông tin BI Binary Input Đầu vào tín hiệu nhị phân BF Bus Field Bus trường CPU Central Processing Unit Khói xử lý trung tâm CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Điều khiển truy nhập môi trường có with Collision Detect phát hiện xung đột DA Distributed Automation Tự động hóa hệ thống phân tán DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán DI Digital Input Vào số DMM Digital Multifunction Meter Đồng hồ số đa năng DO Digital Output Đầu ra số DNS Domain Name Service Dịch vụ tên miền DP Decentralised Peripherals Thiết bị ngoại vi phân tán DR Digital Relay Rơ le số FMS Fieldbus Message Specification FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file GUI Graphical User Interface Giao tiếp người dùng HDD Hard Disk Drive Ổ cứng HDLC High Level Data Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu mức cao HMI Human Machine Interface Giao tiếp người và máy HHU Hand Hold Unit Thiết bị cầm tay IED Intelligent Electronic Device Thiết bị điện tử thông minh IO Input Output Vào ra LAN Local Area Network Mạng cục bộ LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic LLI Lower Layer Interface Giao tiếp lớp thấp MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MODEM Modulation/Demodulation Bộ điều chế/ giải điều chế 3
Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt MPI Multi Point Interface Giao tiếp đa điểm MTU Master Terminal Unit Trạm chủ PA Process Automation Tự động hóa quá trình PC Personal Computer Máy tính cá nhân PID Proporation Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PLC Programmale Logic Control Điều khiển logic lập trình OSI Open Systems Interconnection Kết nối hệ thống mở RAM Ramdom Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối từ xa SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát và Acquisition System thu thập dữ liệu SMS Sub Master Station Trạm thu thập dữ liệu SS Substation Server Điều khiển mức trạm TCP/IP Transmission Control Protocol/ Giao thức điều khiển truyền/Giao Internet Protocol thức Internet 4
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA ...................................................13 1.1. Khái niệm về hệ thống SCADA .........................................................................13 1.2. Lịch sử phát triển hệ thống SCADA ...................................................................13 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA.............................................14 1.3.1. Phần cứng .....................................................................................................14 1.3.2. Phần mềm .....................................................................................................16 1.3.3. Truyền thông ................................................................................................17 1.3.4. Những yêu cầu chung về một hệ thống SCADA .........................................18 1.4. Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA .........................................................19 1.5. Các chức năng cơ bản của hệ thống SCADA .....................................................21 1.5.1. Kiểm soát truy cập .......................................................................................21 1.5.2. MMI (Man Machine Interface) ....................................................................21 1.5.3. Lập biểu đồ (Trending) ................................................................................22 1.5.4. Điều khiển báo động (Alarm Handling) ......................................................22 1.5.5. Ghi sự kiện và lưu trữ (Logging/Archiving) ................................................22 1.5.6. Xuất báo cáo (Report Generation) ...............................................................22 1.5.7. Tự động hoá (Automation)...........................................................................22 1.6. Một số ứng dụng của SCADA ............................................................................23 Câu hỏi ôn tập chương 1................................................................................................23 Chương 2. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA .....................................24 2.1. Các thiết bị trường ..............................................................................................24 2.2. Thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices) .....................24 2.2.1 Chức năng của IED .......................................................................................24 2.2.2 Rơ le kỹ thuật số............................................................................................24 2.2.3. Công tơ điện tử nhiều biểu giá .....................................................................26 2.3 Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Termainal Unit) ...................................28 2.3.1. Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit) ........................29 2.3.2. Khối vào tương tự (Analog Input Modules) ................................................29 2.3.3. Khối ra tương tự (Analog Output Mudules) ................................................29 2.3.4. Khối vào số (Digital Input Modules) ...........................................................30 5
2.3.5. Khối ra số (Digital Output Modules) ........................................................... 30 2.3.7. Bộ đếm số (Digital Counters) ...................................................................... 31 2.4. Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC .............................................................. 32 2.4.1. Khối vào/ra cơ bản (Basic I/O Unit): ........................................................... 33 2.4.2. Bộ định thì tương tự (Analog Timer Unit) .................................................. 34 2.4.3. Khối vào/ra đặc biệt (Special I/O Unit): ...................................................... 34 2.4.4. Khối điều khiển PID (PID Control Unit) ..................................................... 35 2.4.5. Khối truyền thông (Communication Unit): ................................................. 35 2.5. Trạm chủ MS (MTU - Master Terminal Unit) ................................................... 36 2.6. Thiết bị giao tiếp người và máy HMI ................................................................. 37 Câu hỏi ôn tập chương 2 ............................................................................................... 39 Chương 3: TRUYỀN THÔNG ..................................................................................... 40 3.1. Tổng quan về mạng ............................................................................................ 40 3.1.1. Khái niệm về mạng ...................................................................................... 40 3.1.2. Mạng truyền thông công nghiệp là gì? ........................................................ 40 3.1.3 Cấu trúc mạng ............................................... Error! Bookmark not defined. 3.2. Các cấp mạng truyền thông trong hệ thống SCADA ......................................... 42 3.2.1. Bus trường, bus thiết bị ................................................................................ 43 3.2.2. Bus hệ thống, bus điều khiển ....................................................................... 44 3.2.3. Mạng xí nghiệp ............................................................................................ 44 3.2.4. Mạng công ty ............................................................................................... 45 3.3. Các chuẩn giao tiếp............................................................................................. 45 3.3.1. Các phương thức truyền dẫn ........................................................................ 45 3.3.2 Giao tiếp RS -232.......................................................................................... 46 3.3.3 Giao tiếp RS -422.......................................................................................... 49 3.3.4 Giao tiếp RS -485.......................................................................................... 51 3.4 Các hệ thống bus tiêu biểu. .................................................................................. 56 3.4.1 Bus AS -I....................................................................................................... 56 3.4.2 Bảo toàn dữ liệu ............................................................................................ 61 3.4.3 PROFIBUS (Program field bus) ................................................................... 62 3.4.4 ModBus ......................................................................................................... 82 3.4.5 MPI (Multi Point Interface). ......................................................................... 91 6
3.4.6 Ethernet .........................................................................................................91 3.4.7 Kiến trúc giao thức ........................................Error! Bookmark not defined. Câu hỏi ôn tập chương 3 ............................................................................................. 101 Chương 4. PHẦN MỀM CHO SCADA ..................................................................... 102 4.1 Giới thiệu chung về phần mềm SCADA .......................................................... 102 4.2 Hệ thống SCADA dùng phần mềm WINCC .................................................... 103 4.2.1 Giới thiệu phần mềm WINCC ................................................................... 103 4.2.2 Các chức năng và ứng dụng. ...................................................................... 106 4.2.3 Hướng dẫn lập trình ................................................................................... 109 4.2.4 Ứng dụng công nghệ Web trong SCADA. ................................................ 139 Câu hỏi ôn tập chương 4 ............................................................................................. 142 Chương 5. THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH SCADA ...................................................... 143 5.1 Phân tích yêu cầu thiết kế một hệ thống SCADA. ........................................... 143 5.2 Xây dựng lưu đồ hoạt động .............................................................................. 147 5.3 Kết nối phần cứng. ............................................................................................ 148 5.4 Viết chương trình điều khiển hệ thống. ............................................................ 150 5.5 Tải chương trình và kiểm tra ............................................................................ 157 5.5.1. Cấu hình trên HMI: ................................................................................... 157 5.5.2. Cấu hình trên máy tính (PC) ..................................................................... 159 5.5.3. Kiểm tra kết nối Ethernet. ......................................................................... 161 5.5.4. Cấu hình trên WinCC Flexible.................................................................. 162 Câu hỏi ôn tập chương 5 ............................................................................................. 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 168 7
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc một mạng SCADA đơn giản .......................................................... 15 Hình 1.2: Cấu hình một mạng SCADA lớn tiêu biểu ................................................... 16 Hình 2.1: Cấu trúc rơ le kỹ thuật số .............................................................................. 24 Hình 2.2: Rơ le kỹ thuật số Mikro................................................................................. 25 Hình 2.3: Sơ đồ khối công tơ điện tử nhiều biểu giá .................................................... 26 Hình 2.4: Công tơ điện tử nhiều biểu giá ...................................................................... 28 Hình 2.5: Cấu trúc một RTU tiêu biểu .......................................................................... 29 Hình 2.6: Hình minh họa cấu trúc khối vào số ............................................................. 30 Hình 2.7: Hình minh họa cấu trúc khối bộ đếm ............................................................ 31 Hình 2.8: Một số loại RTU............................................................................................ 32 Hình 2.9: Cấu hình tiêu biểu của một PLC ................................................................... 32 Hình 2.10: Hình minh họa hoạt động của khối vào ngắt .............................................. 33 Hình 2.11: Hình minh họa khối định thì ....................................................................... 34 Hình 2.12: Hình minh họa khối xuất nhập đặc biệt ...................................................... 34 Hình 2.13: Hình minh họa khối PID ............................................................................. 35 Hình 2.14: Hình minh họa khối truyền thông ............................................................... 35 Hình 2.15: Kiến trúc một MTU tiêu biểu ...................................................................... 36 Hình 2.16: Hình minh họa kiến trúc Sub-Master station .............................................. 36 Hình 2.17: Hình minh họa các thành phần của màn hình HMI .................................... 37 Hình 2.18: Hình minh họa chức năng Recipe .............................................................. 37 Hình 2.19: Hình minh họa tính năng nâng cấp OS ...................................................... 38 Hình 2.20: Hình minh họa tính năng Script .................................................................. 38 Hình 3.1: Mô hình phân cấp chức năng và mạng truyền thông công nghiệp ............... 42 Hình 3.2: Mô hình truyền dẫn không đối xứng ............................................................. 46 Hình 3.3: Mô hình truyền dẫn không đối xứng ............................................................. 46 Hình 3.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232.............................................. 47 Hình 3.5: Sơ đồ chân Jack RS-232................................................................................ 48 Hình 3.6: Một số ví dụ ghép nối với RS-232 ................................................................ 49 Hình 3.7: Sơ đồ bộ phát và thu của RS 485 .................................................................. 52 Hình 3.8: Quy định trạng thái logic của RS-485 ........................................................... 52 Hình 3.9: Cấu hình mạng RS-485 kiểu 2 dây ............................................................... 53 8
Hình 3.10: Cấu hình mạng RS-485 kiểu 4 dây..............................................................54 Hình 3.11: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 .......................................55 Hình 3.12: Ghép nối cảm biến và cơ cấu chấp hành số với AS-i ..................................57 Hình 3.13: Nguyên tắc ghép nối thiết bị trong một hệ AS-i .........................................58 Hình 3.14: Cấu trúc bức điện AS-i ................................................................................59 Hình 3.15: Cấu trúc các lệnh gọi từ trạm chủ AS-i .......................................................60 Hình 3.16: Mã hóa đường truyền AS-i sử dụng phương pháp APM ............................61 Hình 3.17: Cấu hình Multi-Master trong Frofibus ........................................................66 Hình 3.18: Các dịch vụ truyền dữ liệu PROFIBUS ......................................................68 Hình 3.19: Ký tự khung UART sử dụng trong PROFIBUS .........................................70 Hình 3.20: Kiến trúc FMS trong mô hình OSI ..............................................................71 Hình 3.21: Các kiểu quan hệ giao tiếp PROFIBUS ......................................................74 Hình 3.22: Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master/slaver ..................................78 Hình 3.23: Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ .............................................................80 Hình 3.24: Chu trình yêu cầu-đáp ứng của modebus ....................................................85 Hình 3.25: Khung thông báo Modbus chế độ ASCII ....................................................86 Hình 3.26: Khung thông báo Modbus trên Modbus Plus ..............................................90 Hình 3.27: Mạng MPI ...................................................................................................91 Hình 3.28: Ethernet/IEEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802 .........................................92 Hình 3.29: Ba kiểu mạng Ethernet với cáp đồng trục và đôi dây xoắn .........................93 Hình 3.30: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/Ethernet ........................................95 Hình 4.1: Đặc tính mở của phần mềm WinCC .......................................................... 104 Hình 4.2: Khởi động phần mềm WinCC Flexible 2008 ............................................. 109 Hình 4.3: Lựa chọn tạo mới một project .................................................................... 110 Hình 4.4: Lựa chọn kiểu mạng kết nối giữa thiết bị HMI và PLC ............................. 110 Hình 4.5: Lựa chọn thiết bị HMI, thiết bị điều khiển và kiểu kểt nối ........................ 111 Hình 4.6: Lựa chọn thiết bị HMI ................................................................................ 112 Hình 4.7: Lựa chọn màn hình mẫu cho project .......................................................... 112 Hình 4.8: Lựa chọn màn hình điều hướng .................................................................. 113 Hình 4.9: Lựa chọn màn hình hệ thống chuẩn ........................................................... 113 Hình 4.10: Chọn thư viện chuẩn cho project .............................................................. 114 Hình 4.11: Đặt tên cho project và các chú thích cần thiết .......................................... 114 9
Hình 4.12: Màn hình làm việc của project .................................................................. 115 Hình 4.13: Cửa sổ tạo các Tag kết nối với PLC.......................................................... 116 Hình 4.14: Màn hình giao diện của hệ thống bình trộn nước trái cây ........................ 119 Hình 4.15: Bảng xây dựng thuộc tính của màn hình ................................................... 120 Hình 4.16: Thư viện hình ảnh trong WinCC Flexible ................................................ 121 Hình 4.17: Thư viện nút ấn trong WinCC flexible ..................................................... 121 Hình 4.18: Chọn kiểu nút ấn và tag xử lý cho nút ấn kiểu hình ảnh ........................... 122 Hình 4.19: Chọn kiểu nút ấn và đặt tên nút ấn đối với nút ấn kiểu Text .................... 122 Hình 4.20: Bảng lựa chọn chức năng của nút ấn và Tag liên kết................................ 122 Hình 4.21: Thư viện công tắt trong WinCC flexible .................................................. 123 Hình 4.22: Chọn Tag xử lý cho công tắc .................................................................... 123 Hình 4.23: Chọn chức năng và tag liên kết cho công tắc ............................................ 123 Hình 4.24: Biểu đồ và cấu hình một biểu đồ ............................................................... 124 Hình 4.25: Chọn tag xử lý cho thước đo ..................................................................... 124 Hình 4.26: Chọn tính năng của biểu đồ ....................................................................... 126 Hình 4.27: Khai báo các thông số của trường vào ra. ................................................. 125 Hình 4.28: Thư viện đèn báo trong WinCC flexible ................................................... 126 Hình 4.29: Cấu hình một đèn báo ............................................................................... 126 Hình 4.30: Cấu trúc khung làm việc của .NET ........................................................... 141 Hình 5.1: Điều khiển giám sát nhiệt độ trong tank nấu gạo ........................................ 148 Hình 5.2: Các Tag kết nối của HMI ............................................................................ 150 Hình 5.3: Màn hình “auto” .......................................................................................... 151 Hình 5.4: Giao diện khởi động hệ thống ủ .................................................................. 151 Hình 5.5: Thư viện công tắc trong WinCC flexible .................................................... 152 Hình 5.6: Chọn Tag xử lý cho công tắc ...................................................................... 152 Hình 5.7: Chọn chức năng cho công tắc ..................................................................... 153 Hình 5.8: Bảng chọn chế độ hoạt động ....................................................................... 153 Hình 5.9: Cấu hình chức năng cho phím tự động ....................................................... 153 Hình 5.10: Cấu hình chức năng cho phím thoát .......................................................... 153 Hình 5.11: Giao diện điều khiển tự động .................................................................... 154 Hình 5.12: Bảng hiển thị và điều chỉnh nhiệt độ......................................................... 154 Hình 5.13: Cấu hình cho trường đầu vào đặt trên ....................................................... 155 10
Hình 5.14: Chọn tag tác động đèn báo van 8 ............................................................. 155 Hình 5.15: Giao diện điều khiển bằng tay .................................................................. 155 Hình 5.16: Đồ thị nhiệt của hệ thống theo thời gian .................................................. 156 Hình 5.17: Lấy biểu đồ trong hộp công cụ ................................................................. 156 Hình 5.18: Chọn tín hiệu cần hiển thị trên biểu đồ và dải giá trị hiển thị .................. 157 Hình 5.19: Cửa sổ Transfer của Panel ........................................................................ 157 Hình 5.20: Thiết lập Tranfer ....................................................................................... 158 Hình 5.21: Biểu tượng Ethernet Drive ....................................................................... 158 Hình 5.22: Thiết lập địa chỉ IP và Subnet Mask của HMI ......................................... 158 Hình 5.23: Thiết lập tên HMI trên mạng .................................................................... 159 Hình 5.24: Chọn nút "Transfer" ................................................................................. 159 Hình 5.25: Mở cửa sổ Properties của adapter Ethernet .............................................. 160 Hình 5.26: Mở cửa sổ Properties của Internet Protocol ............................................. 160 Hình 5.27: Đặt địa chỉ IP và Subnet Mask của máy tính ........................................... 161 Hình 5.28: Mở cửa sổ lệnh CMD ............................................................................... 161 Hình 5.29: Màn hình kiểm ra kết nối ......................................................................... 162 Hình 5.30: Mở cửa sổ Connection .............................................................................. 162 Hình 5.31: Thiết lập giao tiếp ..................................................................................... 163 Hình 5.32: Chọn thiết bị Transfer............................................................................... 163 11
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số kiểu truyền và tiêu chuẩn thường dùng trong SCADA .................... 17 Bảng 1.2: Bảng tóm tắt các giao thức của một số nhà sản suất .................................... 18 Bảng 1.3: So sánh SCADA và DCS .............................................................................. 21 Bảng 3.1: So sánh mạng công nghiệp và các mạng khác.............................................. 41 Bảng 3.2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS232 ................................................ 48 Bảng 3.3: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-422 ............................................... 50 Bảng 3.4: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485 ............................................... 51 Bảng 3.5: Chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (Cáp STP loại A) ........... 64 Bảng 3.6: Ngữ nghĩa khung bức điện FDL ................................................................... 69 Bảng 3.7: Các kiểu dữ liệu chuẩn trong FMS ............................................................... 73 Bảng 3.8: Các hàm Modbus được các bộ điều khiển Modicon hỗ trợ .......................... 88 Bảng 3.10: Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng............................................... 93 Bảng 3.11: Một số loại cáp truyền Fast Ethernet thông dụng ....................................... 98 Bảng 5.1 Địa chỉ đầu vào hệ thống ............................................................................. 149 Bảng 5.2 Địa chỉ đầu ra ............................................................................................... 149 12
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA 1.1. Khái niệm về hệ thống SCADA Hệ thống SCADA hay còn được gọi là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu dựa trên nền tảng máy tính (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition) được phát triển từ mô hình đơn lẻ, điều hành phân tán đến kiến trúc mạng giúp truyền thông nhanh, linh động, chính xác và khoảng cách xa. SCADA - quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diển, lưu trữ, phân tích và có khả năng điều khiển những đối tượng này. Hơn nữa, SCADA đã chuyển từ độc quyền sang tiêu chuẩn hóa về phần cứng và phần mềm, sự thay đổi này giúp giảm chi phí nâng cấp, vận hành và bảo trì cũng như cung cấp quản lý với thông tin thời gian thực, hỗ trợ cho việc lập kế hoạch, giám sát và ra quyết định. Các hệ thống SCADA là thành phần rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như: phát điện, truyền tải và phân phối điện năng; lọc ga, dầu và hệ thống quản lý đường ống; hệ thống lọc và phân phối nước; hệ thống sản xuất và xử lý hóa chất; hệ thống giao thông vận tải. Mặc dù SCADA được dùng phổ biến nhất ở các mạng tự động lớn như các công ty tiện ích công cộng, SCADA còn có thể được dùng trong hầu hết các tiến trình điều khiển tự động. Các công ty sử dụng dây chuyền lắp ráp, như nhà máy đóng chai, cũng có thể sử dụng các tiện lợi từ SCADA. Toàn bộ các nhà máy có thể được tự động hóa giúp cho việc sản xuất hiệu quả và tin cậy. Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng được thực hiện những nguyên tắc như: làm việc với thời gian thực, sử dụng một khối lượng tương đối lớn thông tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng, nguyên tắc hệ thống và môdun mở, có thiết bị dự trữ để làm việc trong trạng thái “dự trữ nóng”, … 1.2. Lịch sử phát triển hệ thống SCADA Mục tiêu của hệ thống SCADA đã được phát triển từ đầu thập niên 1960. Sự ra đời của thế hệ máy tính nhỏ (minicomputer) như Digital Equipment Corporation (DEC) PDP-8 và PDP-11 làm cho điều khiển quá trình và sản xuất bằng máy tính là khả thi. Ở thập niên này thiết bị đo từ xa bằng sóng vô tuyến dùng trong giám sát thời tiết sử dụng khí cầu - tên lửa đẩy ra đời. Đồng thời cũng ra đời hệ thống giám sát từ xa có dây. Những năm 1970 ra đời máy bộ đàm dùng sóng radio, cùng tiến trình ra đời và phát triển của PLC (Programmable Logic Controlers) cũng được diễn ra song song. 13
Khi máy vi tính phát triển, chúng được lập trình và thu gọn nhằm cạnh tranh với các chức năng, lập trình và vận hành của PLC. Chính xác, sự cạnh tranh được phát triển giữa hai nghiên cứu và tiếp diễn đến ngày hôm nay. Lúc đầu, hệ thống điều khiển chỉ hạn chế ở từng thiết bị cụ thể. Sự kết hợp giữa các thiết bị điều khiển chỉ cục bộ ở thiết bị, nhà máy và không kết nối với mạng bên ngoài. Hệ thống điều khiển bao gồm máy tính mini hoặc PLC trung tâm kết nối với một số bộ điều khiển giao tiếp với động cơ, bơm, valve, công tắc, cảm biến …. Kiến trúc này thường được gọi là hệ thống điều khiển phân bố (DCS - Distributed Control System). Các hệ thống đó thường được giới hạn ở các vị trí gần nhau, thông thường được kết nối với nhau sử dụng mạng cục bộ (LAN – Local Area Network). Khi có yêu cầu cần thiết cho sự vận hành mạng này, công ty hoặc nhà cung cấp phát triển các giao thức truyền thông của riêng họ, trong số đó phần nhiều là độc quyền. Khi tính năng kĩ thuật của máy tính, hệ điều hành và mạng được cải tiến, thúc đẩy yêu cầu giám sát trạng thái, vận hành các thiết bị, nhà máy từ xa theo thời gian thực. Cũng như nhiều công ty có các thành viên hoặc chi nhánh hoạt động ở vùng địa lý cách biệt nhau, yêu cầu thu thập dữ liệu từ xa, điều khiển và bảo trì được quan tâm hơn theo khía cạnh quản lý và chi phí. Những khả năng này được biết tới như là sự tập hợp của giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition - SCADA). Ngày nay hệ thống SCADA đang có xu hướng phát triển cả về công nghệ và mở rộng quy độ ứng dụng trong mọi lĩnh vực của công nghiệp cũng như các lĩnh vức khoa học khác. 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA 1.3.1. Phần cứng Một mạng SCADA về bản chất là sự kết hợp của các trạm chủ MTU, trạm tớ RTU (Remote Terminal Unit) và các thiết bị trường được kết nối bởi mạng truyền thông. Điều khiển tiến trình và điều khiển luận lý (logic) được thực hiện bởi các máy chủ. Thông tin sử dụng bởi các trạm chủ được thu thập bởi các bộ điều khiển/cảm biến. Các trạm tớ là các giao tiếp được sử dụng bởi người vận hành để tương tác với hệ thống. Các trạm chủ thông thường được đặt ở nhà máy chính/trạm chính. Chúng truyền thông với các bộ điều khiển cục bộ hoặc các bộ điều khiển được đặt ở các vị trí xa, cần được giám sát hoặc điều khiển. Khi cần thiết, một hệ thống SCADA có thể rất lớn và phủ rộng hàng trăm km, đặc biệt ở các hệ thống tiện ích công cộng nơi mà các bộ điều khiển cần được đặt dọc theo hệ thống như đường điện hoặc ống dẫn dầu…. Ở những hệ thống loại này thường có thêm các trạm chủ phụ SMS (Sub-Master Station) đóng vai trò là thiết bị thu thập và điều khiển trung gian giữa trạm chủ và trạm tớ. Kích cỡ 14
và độ phức tạp của một mạng SCADA biến đổi phụ thuộc vào tiến trình mà nó điều khiển, kích thước của công trình tiện ích, thương mại sử dụng nó. Một hệ thống cung cấp điện tiêu biểu có thể lên đến 50.000 điểm thu thập dữ liệu trong khi một nhà máy đóng chai có thể chỉ đòi hỏi một máy chủ và một số nhỏ PLC. Hình 1.1: Cấu trúc một mạng SCADA đơn giản Trong hệ thống này bao gồm một vài PLC được điều khiển bởi một máy chủ. Một kết nối Ethernet LAN cho phép người vận hành có thể giám sát mạng từ xa thông qua mạng công ty, sử dụng kết nối Ethernet nối các PLC với PC để chạy ứng dụng SCADA. Các mạng SCADA của một công ty lớn cũng tương tự nhưng có nhiều các kết nối và chức năng hơn. Hình 1.2 minh họa một mạng SCADA lớn được sử dụng trong các công ty tiện ích công cộng. Như vậy đối với các hệ thống SCADA phức tạp để dễ dàng quản lý, vận hành người ta chia phần cứng thành năm cấp độ cơ bản như sau:  Thiết bị đo và thiết bị điều khiển.  Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU.  Hệ thống truyền thông.  Các trạm thu thập dữ liệu SMS (Sub-Master Station).  Hệ thống xử lý dữ liệu MTU. 15
Hình 1.2: Cấu hình một mạng SCADA lớn tiêu biểu 1.3.2. Phần mềm Phần mềm SCADA được chia ra làm hai loại: phần mềm độc quyền và phần mềm mã nguồn mở. Các phần mềm độc quyền là các phần mềm SCADA được xây dựng bởi nhà cung cấp hệ thống SCADA và thường chỉ dùng cho truyền thông với phần cứng của họ. Vấn đề chính của các hệ thống này là phải phụ thuộc hoàn toàn vào nhà cung cấp hệ thống. Các phần mềm mở ngày càng trở nên phổ biến vì tính năng liên kết hoạt động của các hệ thống này. Các phần mềm mở có khả năng làm việc với nhiều thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau trên cùng một hệ thống. Các chức năng chủ yếu của phần mềm SCADA bao gồm: - Giao tiếp người dùng. - Hiển thị hình ảnh. - Báo động. - Đồ thị. - Giao tiếp với RTU hoặc PLC. - Có khả năng phát triển thành hệ thống lớn. - Khả năng truy cập dữ liệu từ các server khác. - Cơ sở dữ liệu. - Khả năng kết nối mạng. - Khả năng chỉ thị lỗi và dự phòng. 16
- Xử lý phân bố theo mô hình chủ/tớ. 1.3.3. Truyền thông Một bộ phận không thể thiếu cho một hệ thống SCADA dù lớn hay nhỏ đó là truyền thông. Nó là yếu tố cơ bản quyết định đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống. Vì vậy hệ thống truyền tin được sử dụng trong SCADA phải thỏa mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ, khoảng cách địa lý… Hệ thống truyền tin phải được lựa chọn tương thích, phù hợp với các thiết bị trong hệ thống SCADA. Tùy theo từng loại mô hình, phạm vi của từng hệ thống SCADA, việc lựa chọn thiết bị truyền thông phù hợp sẽ phát huy được hết tính năng, tác dụng của nó. Bảng dưới đây kể tới một số dạng truyền thông thường dùng trong hệ thống SCADA. Bảng 1.1: Một số kiểu truyền và tiêu chuẩn thường dùng trong SCADA Đối tác truyền thông Kiểu truyền Tiêu chuẩn thường dùng Máy chủ với IED hiện Không đồng bộ kiểu RS485 trường Multidrop PLC thu thập với IED hiện Không đồng bộ kiểu RS485 trường Multidrop Máy chủ với máy dự Đồng bộ kiểu Multidrop Ethernet phòng DMS, EMS và DTS Máy chủ với SCADA cấp Không đồng bộ kiểu RS233 tải ba,modem hay trên singledrop Ratio 450Hz SCADA với các ứng dụng Bản tin qua bộ nhớ DDE (Dynamic Data khác Exchange) SCADA với các thư viện Đọc/viết thư viện DLL (Dynamic Link Library) SCADA với hệ điều hành Quản lý cửa sổ Windows SCADA với máy in Song song, nối tiếp RS232, ASCII Để hai hoặc nhiều thực thể có thể truyền thông, chúng phải “nói” cùng một ngôn ngữ (giao thức) và tuân theo những cách nhất định cho việc khởi đầu, thông suốt và kết thúc truyền thông. Một giao thức định nghĩa định dạng của các thông điệp và các cách thức cho sự trao đổi các thông điệp. Giao thức SCADA ra đời vì sự cần thiết gửi và nhận dữ liệu, điều khiển thông tin cục bộ và qua các khoảng cách xa trong khoảng thời gian dự tính. Khoảng thời gian dự tính trong trường hợp này ám chỉ khả năng dự đoán khoảng thời gian đòi hỏi cho một giao dịch xảy ra khi tất cả các thông số thích hợp đã được biết đến. Để thực hiện truyền thông trong các khoảng thời gian dự tính cho các ứng dụng trong nhà máy lọc dầu, mạng lưới điện và các mạng SCADA 17
của công ty, các nhà sản xuất thiết bị điều khiển như PLC phát triển các giao thức và các kiến trúc truyền thông bus cho riêng họ. Bảng 1.2 tóm tắt một số nhà sản xuất thiết bị và các giao thức tương ứng. Bảng 1.2: Bảng tóm tắt các giao thức của một số nhà sản suất Nhà sản xuất Giao thức Allen Braley DeviceNet, ControlNet, DFI, Data Highway+, (Rockwell) Data Highway 485 Siemens AS-I, Profibus Modicon Modbus, Modbus Plus, Modbus TCP/IP (Schneider) Trong số các giao thức này đa số là độc quyền. Vào những năm 1990, các nhóm điều khiển công nghiệp và các tổ chức về tiêu chuẩn bắt đầu phát triển các giao thức mở cho các hệ thống điều khiển, các giao thức này là không độc quyền và không dành riêng cho một nhà sản xuất nào. Sau này, khi Internet trở thành phổ biến, các công ty hướng tới phát triển dựa trên các giao thức và công cụ mạng Internet, như giao thức TCP/IP và các trình duyệt Internet. Thêm vào đó, các nhà sản xuất và các tổ chức tiêu chuẩn mở đã sửa đổi công nghệ Ethernet, mạng LAN đã phổ biến và hiệu quả cho sử dụng với mạng thu thập dữ liệu và điều khiển cục bộ. Các mô hình phân cấp được sử dụng để định nghĩa nơi nào giao thức được áp dụng và để đóng gói các chức năng đòi hỏi cho việc gửi và nhận thông điệp. Các mô hình kiến trúc được phân lớp đã được chấp nhận rộng rãi và có hiệu quả cao. Các thành phần cần thiết cho sự truyền thông được chia vào các lớp và được định cách giao tiếp giữa các lớp. Hai trong các mô hình truyền thông theo lớp được sử dụng rộng rãi là OSI (Open Systems Interconnection) và TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). 1.3.4. Những yêu cầu chung về một hệ thống SCADA a) Yêu cầu về phần cứng. - Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức. Máy tính dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có khả năng giao tiếp tốt với các hãng thiết bị phần cứng khác nhau. Có hệ điều hành đa nhiệm có khả năng mở rộng và giao tiếp dễ dàng với các phần mềm và phần cứng khác. b)Yêu cầu về phần mềm. Có khả năng tương thích với các giao thức thông dụng. 18
Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết. c)Yêu cầu về truyền thông. - Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA. - Mức độ yêu cầu của hệ thống truyền thông ở mức trạm là cấp thấp do vậy cần thiết chọn các giao thức đơn giản để dễ dàng cho các hệ thống xử lý. - Khả năng bảo toàn dữ liệu: Trong công nghiệp có nhiều nhiễu điện từ, do đó cần phải truyền dữ liệu sao cho không có lỗi, giao thức được chọn phải có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả, ví dụ như phương pháp kiểm tra lỗi CRC. - Chuẩn hóa giao thức: Xuất phát từ yêu cầu trao đổi tin giữa các đối tác truyền thông (IED, RTU, PLC, PC…) được sản xuất bởi các hãng khác nhau, cần thiết phải có giao thức truyền thông chung. - Tốc độ truy cấp các thông số cao: Trong hệ thống SCADA yêu cầu cập nhật các thông số từ các thiết bị trường nối tiếp nhau đòi hỏi phải gần như đồng thời. d) Yêu cầu về dịch vụ - Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong một khoảng thời gian đủ dài theo yêu cầu. - Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người sử dụng và vận hành. Dễ dàng cho người dùng hiển thị sơ đồ và đồ thị trong giám sát cũng như in báo cáo. - Giúp thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, tuy nhiên vẫn phải bảo đảm thao tác điều khiển bằng tay. e) Yêu cầu về giá thành và chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý. 1.4. Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng. Ngày nay đa số các PLC ngoài ứng dụng cho bài toán điều khiển logic còn dùng trong điều khiển quá trình. Tuy nhiên, các PLC được sử dụng trong các hệ điều khiển phân tán thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại (ví dụ SFC). Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, phân tán là tính chất hiển nhiên của hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau. Mỗi phân đoạn được điều khiển bằng một hoặc một số máy tính cục bộ. Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển. Trong phần lớn các trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và 19
với một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống. Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán có tên viết tắt tiếng anh là DCS. Ngay từ khi ra đời, DCS đã có đầy đủ các chức năng điều khiển Logic như các PLC vì DCS ra đời sau vì vậy DCS đã kịp kế thừa các chức năng này. Nếu PLC chuyên sâu về điều khiển Logic rời rạc (discrete) thì DCS lại thiên về điều khiển quá trình (Process control). Tuy nhiên, ứng dụng của DCS thường dành cho các nhà máy xí nghiệp lớn, cho nên nếu dùng điều khiển tập trung sẽ rất tốn kém, cả về đầu tư ban đầu lẫn giá thành bảo trì, vận hành. Vì vậy, các hệ DCS đã ứng dụng phương thức điều khiển phân tán thay vì điều khiển tập trung như PLC. Trong quá trình phát triển của PLC, đã có rất nhiều xu hướng làm xoá dần ranh giới của PLC và DCS. Thực tế, với các hệ thống PLC lớn như 9070 của GE Fanuc hay S7-400 của Siemens đều có các hình bóng của DCS như điều khiển phân tán qua mạng, điều khiển PID, dự phòng nóng... Như vậy, các đặc điểm chính của 1 hệ thống DCS là:  Điều khiển quá trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward...  Điều khiển phân tán qua mạng FieldBUS-Profibus, Device Net, FF...  Dự phòng nóng (Redundancy) và có khả năng Hot plug.  Nạp chương trình khi hệ thống đang "chạy".  Và nhiều đặc điểm khác. Do vậy, DCS là một trong các thiết bị sử dụng phương pháp điều khiển phân tán, nhưng không phải là duy nhất. Ngược lại, DCS không chỉ điều khiển phân tán mà còn rất nhiều chức năng như trên. Hệ SCADA rất dễ nhầm lẫn với các hệ DCS. Bởi vì cả hệ SCADA và hệ DCS cũng có yếu tố điều khiển qua mạng, cũng có các phần mềm HMI, các server dữ liệu. Tuy nhiên, đây là 2 hệ thống khác nhau. Trong hệ thống DCS, có cả điều khiển đối tượng và điều khiển giám sát. Chức năng điều khiển đối tượng được thực hiện bởi các trạm điều khiển (Control station), còn chức năng điều khiển giám sát được thực hiện tại trạm vận hành (Operator station). Trong khi đó, SCADA chỉ có điều khiển giám sát, còn điều khiển đối tượng cũng có thể tồn tại trong các hệ thống điều khiển chung, nhưng nằm ngoài chức năng của hệ SCADA. Khi PLC kết hợp với PC mặc dù gần giống như "DCS", nhưng không đúng vậy. Vì PLC dù có rất ít sự khác biệt với DCS nhưng vẫn không phải là DCS do thiếu những tính năng chủ đạo hoặc các tính năng này không hoàn thiện như DCS. Còn PC trong hệ PLC và DCS có nhiệm vụ không hoàn toàn giống nhau. PC trong hệ DCS có cả chức năng trạm vận hành lẫn trạm thiết kế, kỹ thuật. PC trong hệ PLC có thể chạy 20