Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Scada

Chia sẻ: Mai Anh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

419
lượt xem 165
download

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Scada

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Điều khiển ở đây là điều khiển một cách giám sát. SCADA khác với các hệ thống điều khiển DCS ở chỗ, các hệ DCS là một hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng và cơ chế điều khiển được giao cho cả các phần tử cấp dưới.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Scada

Chưương 1: Giới thiệu về SCADA 1.1 Tổng quan chung về SCADA: a. Định nghĩa: SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ th ống đi ều khi ển giám sát và thu thập dữ liệu. Điều khiển ở đây là điều khiển một cách giám sát. SCADA khác với các hệ thống điều khiển DCS ở chỗ, các h ệ DCS là một hệ thống điều khiển phân tán trên mạng diện rộng và cơ chế điều khiển được giao cho cả các phần tử cấp dưới, trong khi hệ thống SCADA thiên về giám sát và thu thập dữ liệu trên mạng tập trung, mọi thao tác lên hệ đều dưới sự điều khiển của trung tâm. b. Chức năng và vai trò: Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống. Chính vì th ế việc SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra t ừng c ấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô của từng cấp mà có nh ững yêu c ầu c ụ th ể khác nhau song nói chung môi cấp SCADA là phải th ực hi ện nh ững d ịch v ụ sau: • Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số li ệu v ề s ản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động…). • Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thập được. • Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài h ệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ). Nhìn chung SCADA là mộ sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo mộ phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp. Và ta nhận thấy rằng xu th ế t ự động hoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt h ậu trong sản xuất. Vai trò của nó là rất rõ dàng, SCADA giúp ta thu th ập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắn về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định. Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành đi ều này góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh. 1.2 Các ứng dụng vào thực tế và so sánh lợi thế với hệ cũ: Các hệ thống SCADA được dùng cho hệ thống điện, hệ thống xe lửa, nhà máy nước sạch, trạm xử lý nước sạch, hàng hải… Hệ thống SCADA của ngành điện Việt nam hiện nay được chia thành ba cấp: cấp quốc gia, cấp Bắc Trung Nam và cấp tỉnh. Khi h ệ th ống tr ở thành 1
phức tạp hơn, có thể sẽ có cấp huyện. Trung tâm điều độ qu ốc gia theo dõi và điều khiển các nhà máy phát điện, các đường dây/trạm 500kV và các đường dây/trạm 220kV lớn. Ba trung tâm điều độ miền theo dõi và đi ều khiển các đường dây/trạm 220kV và các đường dây/trạm 110kV lớn trong khu vực mình. Các trung tâm điều độ cấp tỉnh theo dõi và đi ều khi ển h ệ thống phân phối điện trong khu vực của mình. Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay th ế bởi PLC, trong hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngày càng đi theo xu thế này. Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau: • Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều. • Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn… Do đó chúng rất cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích.Ngoài ra còn rất khó khăn trong việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng. Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC. • Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cậm với công nghệ PLC hơn và do đó khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn. • Mua thiết bị dễ dàng hơn. • Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị. • Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, th ống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng. • Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trong tương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh. 2
Hình 1: 1.3 Kết cấu của một hệ SCADA Nói một cách đơn giản, hệ thống SCADA có ba phần: Các PC ở phòng điều khiển trung tâm, các RTU( remote terminal unit) hay PLC(programable logic controller) ở các trạm xa và thiết bị thông tin để kết nối hai ph ần trên với nhau. Kết cấu phần mềm của phần PC ở phòng điều khiển trung tâm được th ể hiện trong bảng Hình 1. Chúng ta sẽ thấy các ch ức năng c ủa các PC c ủa h ệ thống SCADA tương tự như phần HMI của hệ thống DCS: Hiển thị, điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm, thu thập dữ liệu, quản l ý các s ố li ệu, quản lý báo động, báo cáo. Các hệ thống SCADA cũ chạy trên môi trường DOS, VMS hay UNIX. Các hệ thống mới hơn chạy trên nền của Windows, Linux. Thiết kế giao diện Thiết kế giao diện Thư viện sẵn có Môi trường phát triển 3
SCADA Lập chương trình Thiết kế vào ra HMI Đồ thị Hiển thị cảnh báo Kho chứa các Active X ActiveX điều khiển ứng dụng thứ 3 SCADA Client TCP/IP Chuyển đổi thành các dạng CSDL có kết nối dạng ODBC Quản lý vào ra I/O server/OPC Quản lý và xử lý dữ liệu theo thời gian thực Dữ liệu chương trình Dữ liệu thời gian thực Dữ liệu báo động Dữ liệu quá trình Dữ liệu lưu trữ SQL SCADA Server PLC RTU 4
5
Hình 2: Kiến trúc phần mềm Client/Server của hệ SCADA a. SCADA Server SCADA Sever chính là máy Server của h ệ th ống SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC. Trong cấu trúc phần mềm máy ch ủ Server đó có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu với các máy Client thông qua mang Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực ti ếp đ ến các bộ điều khiển.Vì vậy trên các máy Server thường được dùng để cài đặt các phần mềm phát triển (development), thiết lập cấu hình truy ền thông để kết nối với thiết bị hiện trường. b. SCADA Client SCADA Client gồm các máy tính công nghiệp được nối với máy Server bằng mạng Ethernet. Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy (Human Machine Interface) kết nối với dữ liệu của máy Server để hiển thị hoặc điều khiển. Tứ là các máy Client nay s ẽ thu th ập các trạng thái và điều khiển các bộ controller gián tiếp thông qua máy Server. Mối quan hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết lập, tuỳ thuộc vào phần mềm công nghiệp được sử dụng trong h ệ SCADA. c. PLC- RTU RTU được định nghĩa là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý, có khả năng xử lý các đầu vào ra theo th ời gian th ực, thu th ập s ố li ệu và báo động, báo cáo về SCADA Server, và thi hành các lệnh của SCADA Server. 6
Theo truyền thống, hệ thống SCADA thường sử dụng các thiết bị RTU. Nhưng ngày nay, với sự phát triển của PLC, các nhà tích hợp h ệ th ống thích dùng PLC thay vì RTU cho việc thiết kế cho nhiều hệ th ống SCADA. Các RTU và các PLC được nối với các I/O tại các trạm. Các đ ầu vào, qua RTU hay PLC cho các thiết bị SCADA ở phòng điều khi ển trung tâm bi ết trạng thái của hệ thống tại hiện trường.Thiết bị SCADA có thể điều khiển bằng cách thao tác đầu ra, cũng như qua các RTU hayPLC. Như vậy, RTU và PLC là thiết bị được trực tiếp nối với I/O và trung tâm điều khiển tín hiệu. Client Client Lưu trữ Server Dữ liệu Server Controller Controller Dữ liệu Server Controller Controller Ethernet 7
Hình 3: Kiến trúc phần cứng Client/Server của hệ SCADA 1.4Phần cứng và phần mềm của hệ SCADA: a. Phần cứng Tuỳ thuộc vào từng hãng chế tạo, các hệ SCADA sẽ mang một số đặc điểm khác nhau, tuy nhiên nói chung phần cứng của h ệ SCADA sẽ gồm những phần sau: • Máy tính PC với các dịch vụ truyền thông chuẩn và các ch ương trình giao diện đồ hoạ được thiết kế sẵn. • Các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Controller). • Các transmitter/RTU số thông minh. • Card mạng và hệ thống cáp nối đi theo phục vụ cho quá trình thu th ật và điều khiển. b. Phần mềm Phần mềm của SCADA là một chương trình thực hiện các nhi ệm v ụ cụ thể của một hệ SCADA. Phần mềm phải có khả năng thu thập dữ liệu theo thời gian thực và có khả năng điều khiển đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Ngoài ra, phần mềm SCADA phải có khả năng kết nối mạng, chẳng hạn như Internet hay Ethernet, để có thể chuuyển các báo cáo dưới nhiều hình thức khác nhau, như dạng bảng thống kê, dạng biểu đồ hay dạng đồ thị. 1.5Truyền tin trong hệ SCADA a. Các dạng truyền tin trong hệ SCADA Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các Server, thiết bị mạng… ở phòng theo dõi trung tâm. Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ thống SCADA là hệ thống truyền tin. Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống. Vì vậy, một h ệ truy ền tin được chổntng một hệ SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bô hay dị bộ, khoảng cách địa lý… Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server. Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu trong hệ SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data 8
Technology) của Anh quốc có các loại truyền sóng Radio, vô tuy ến; các thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU, GPS. Tuỳ theo mô hình, phạm vi của từng hệ SCADA mà ta áp dụng từng loại thi ết b ị trên s ẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó. Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU đ ược thi ết k ế đặc biệt cho ngành điện (theo tiêu chuẩn IEEE và IEC, có khả năng chịu được nhiễu điện từ…). Các thiết bị RTU thông minh với các trung tâm điều độ qua thủ tục truyền tin IEC-870-5-101. Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus. Bảng dưới đây tổng kết lại các dạng truyền tin th ường dùng trong h ệ SCADA: Truyền tin Kiểu truyền tin Tiêu chuẩn thường dùng Máy chủ với IDE hiện Không đồng bộ kiểu RS-485 trường multidrop PLC thu thập với IDE Không đồng bộ kiểu RS-485 hiện trường multidrop Máy chủ với máy dự Đồng bộ kiểu Ethernet phòngDMS, EMS, multidrop DTS Máy chủ với SCADA Không đồng bộ kiểu RS-232 + tải ba, cấp trên singledrop modem Hay Ratio 450Hz SCADA với các ứng Bản tin qua bộ nhớ DDE (Dynamic Data dụng khác Exchange) SCADA với các thư Đọc/viết thư viện DLL(Dynamic Link viện Library) SCADA với các hệ Quản lý các cửa sổ Windows điều hành SCADA với máy in Song song, nối tiếp RS- 232, ASII b. Truyền tin số c. Truyền tin hiện trường 1.6 Những yêu cầu chung về một hệ SCADA a. Những yêu cầu chung về phần cứng: 9
• Máy tính PC dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có khả năng giao tiếp tốt với các hãng thiết bị ph ần c ứng 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. Những yêu cầu chung về phần mềm: • Có khả năng tương thích với các giao thức (Protocol) thông dụng. • Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết. c. Về dịch vụ SCADA: • Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nh ất trong một năm. • Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người s ử dụng và vận hành. Dể dàng cho ngươì 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 ph ải b ảo đảm thao tác điều khiển bằng tay. d. Yêu cầu về giá thành và chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý. Các trạm điện 220kV trong lưới điện Việt Nam năm 2005 Các trạm Chế độ cực đại Chế độ cực tiểu 220kV khu P (MW) Q (MVAr) P (MW) Q (MVAr) vực miền B ắc Yên Bái 50,7 -2,2 30,8 1,8 Thái Nguyên 50,3 -18,2 33,5 -8,0 Bắc Giang 55,4 -2,3 19,1 -47,4 Quảng Ninh 53,4 96,5 1,2 63,6 Sóc Sơn 174,2 57,4 123,2 71,0 Việt Trì 102,7 72,0 47,6 0,4 Tràng Bạch 21,2 -100,4 10,0 -58,9 Phả Lại 255,8 148,0 87,8 29,1 (phía 110kV) Vật Cách 71,7 8,6 36,3 -21,9 Hải Phòng 110,2 97,4 53,3 44,1 Phố Nối 101,1 72,6 69,8 81,0 Mai Động 185,6 73,3 107,0 -39,0 Hà Đông 414,0 262,4 96,8 32,4 Chèm 410,4 230,0 79,2 40,4 Xuân Mai 87,6 28,0 30,7 34,3 10
Thanh Hoá 164,1 43,7 32,9 33,3 Ninh Bình 147,6 -24,4 44,0 17,2 Nam Định 99,0 44,7 41,0 77,5 Thái Bình 106,0 64,0 20,9 -50,3 Nghi Sơn 77,6 29,6 12,6 -38,0 Vinh 89,2 8,8 48,6 9,8 Hà Tĩnh 111,0 18,2 15,1 -58,5 Đồng Hới 60,2 37,0 25,0 11,6 Huế 98,4 88,7 45,4 13,3 Hoà Khánh 74,9 -9,8 53,8 -0,4 Đà Nẵng 152,5 104,4 66,1 40,9 Dốc Sỏi 101,0 98,5 38,2 3,8 Llêiku 73,2 47,3 29,4 9,6 Qui Nhơn 98,0 52,8 70,9 41,1 Krongbuk 59,2 39,9 28,6 9,6 Nha Trang 97,4 38,4 49,2 17,0 Đa Nhim 89,4 56,2 39,7 19,0 Đại Ninh 22,6 3,0 6,3 -13,1 Các trạm 220kV Chế độ cực đại Chế độ cực tiểu khu vực miền P (MW) Q (MVAr) P (MW) Q (MVAr) Nam Bảo Lộc 74,9 39,9 26,9 10,6 Hàm Thuận 48,1 29,8 18,0 18,9 Long Bình 206,6 115,6 121,8 28,6 Long Thành 118,0 -52,6 69,6 13,2 Trị An 36,2 9,6 29,4 18,6 Sài Gòn 323,0 355,4 113,4 -252,3 Bình Hoà 216,0 157,8 116,6 154,4 Tân Định 69,2 8,5 64,4 79,9 Hóc Môn 251,4 183,6 164,4 147,8 Cát Lái 235,6 173,2 141,2 120,6 Tao Đàn 278,0 105,0 193,0 153,6 Phú Lâm 251,0 15,4 192,2 179,4 Nam Sài Gòn 83,2 4,6 77,8 74,6 Nhà Bè 173,2 219,8 157,2 -95,0 Cai Lậy 123,2 57,6 54,2 -94,5 11
Mỹ Tho 111,7 21,4 58,1 29,5 Phú Mỹ 119,8 244,6 107,5 147,8 Bà Rỵa 4,6 -67,1 14,8 -67,1 Vũng Tàu 31,6 -11,1 17,6 -44,6 Vĩnh Long 65,0 -14,0 67,0 59,6 Trà Nóc 44, 0 13,3 69,1 0,9 Thốt Nốt 46,6 -43,8 49,0 30,8 Rạch Giá 90,0 -10,2 80,8 27,6 Bạc Liêu 67,1 27,0 45,4 6,9 Kiên Lương 31,8 -12,2 13,2 -45,2 Châu Đốc 67,6 14,0 12,9 -30,5 Tà Keo 189,5 96,5 82,4 -48,0 ứng dụng trong công tác điều độ hệ thống điện Việt Nam Quá trình phát triển của công nghệ điều khiển hệ thống điện: Từ những năm 1970, hệ thống máy tính đã được ứng dụng rộng rãi trong các trung tâm điều độ hệ thống điện lớn trên thế giới. Lúc đầu, hệ thống máy tính phục vụ việc quản lý kỹ thuật, quản lý các dữ liệu, các thiết bị trên hệ thống điện và phục vụ việc tính toán các bài toán rời rạc, đơn lẻ. Dần dần các phần mềm chuyên dụng phục vụ quản lý, điều hành hệ thống điện được ra đời. Vào đầu những năm 1980,, hầu hết các trung tâm điều khiển của các hệ thống điện lớn trên thế giới đã được trang bị “Hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điều khiển” gọi tắt là SCADA. Chức năng cơ bản của hệ thống SCADA là thu nhận tự động, xử lý các dữ liệu, hiển thị trên màn hình bảng sơ đồ các tín hiệu thời gian thực của các phần tử trên hệ thống điện như: tần số, điện áp các điểm nút, thông số vận hành (công suất tác dụng, công suất phản kháng, dòng điện, điện áp, nhiệt độ, áp lực dầu…) của các thiết bị (máy phát điện, máy biến áp, đường dây điện…). Nó hiển thị trạng thái làm việc của tất cả các thiết bị đóng cắt, tăng giảm nấc phân áp của máy biến áp… giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện điều khiển từ xa, theo dõi, giám sát sự làm việc của toàn bộ hệ thống điện. Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA: Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng chuông, còi; hiển thị nội dung sự kiện cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện có những hành động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống điện vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế. Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết bị trên hệ thống điện, đối với các chế độ vận hành hệ thống điện đều được lưu trữ tự động theo trật 12
tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây(ms), có thể truy xuất khi cần thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố được chính xác. Hệ thống SCADA cho phép các kỹ sư điều hành có thể thực hiện các thao tác, điều khiển các thiết bị từ xa như khởi động hay ngừng các tổ máy phát điện, thay đổi công suất theo yêu cầu, đóng cắt các thiết bị, điều chỉnh nấc điện áp của các máy biến áp… Khả năng này cho phép giảm bớt nhân lực, tiến tới có thể xoá bỏ chế độ người trực vận hành ở các trạm điện, các nhà máy. Các thiết bị làm việc hoàn toàn tự động, được điều khiển từ xa từ các trung tâm điều độ. Từ thập kỷ 90 trở lại đây, các hệ thống tích hợp thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát được ứng dụng và phát triển rộng rãi. Chức năng cơ bản của hệ thống SCADA tích hợp là nó được trang bị thêm nhiều phần mềm ứng dụng khác hỗ trợ trong việc tự động lấy các dữ liệu thời gian thực của hệ thống, đưa vào tính toán và cho ra kết quả bằng các lệnh điều khiển trực tiếp lên một phần thiết bị của hệ thống điện hoặc đưa ra các khuyến cáo cụ thể cho các kỹ sư điều hành thực hiện nhằm đảm bảo sự làm việc của hệ thống điện được ổn định, an toàn và kinh tế nhất. Các phần mềm ứng dụng thông thường đi kèm là: - Điều khiển phát điện tự động (AGC: Automatic Generation Control). - Điều độ kinh tế (ED: Economic Dispatch). - Phân tích chế độ đột biến (CA: Contingency Analysis). - Đánh giá trạng thái (SE: State Estimation). - Tính toán trào lưu công suất (DLF: Dispatch Load Flow). - Tối ưu hoá trào lưu công suất (OPF: Optimal Power Flow). - Dự báo phụ tải (LF: Load Forecast). - Lập kế hoạch vận hành (GP: Generation Planning). Khái quát về SCADA trạm 1. SCADA trạm và các chức năng của SCADA trạm SCADA trạm là một hệ thống tự động hoá bằng máy tính và s ử d ụng các transmitter/sensor thông minh để giúp việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển hoạt động của trạm. Cấu trúc chủ yếu của trạm là gồm: máy tính làm nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, hiển thị số liệu và xử lý s ố li ệu đ ể đi ều khiển trạm, để kết nối thông tin với các thiết bị đo l ường và đi ều khi ển thông minh. SCADA trạm có các chức năng cơ bản sau: 13
• Thu thập số liệu các thanh cái của trạm bao gồm bộ các thông số(U, I, P, Q…) của các phần tử và trạng thái của các thiết bị trong trạm(chủ yếu là trạng thái máy cắt, trạng thái cầu dao, điện áp trên thanh cái… ). • Thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người điều hành hệ thống và người trực trạm đưa ra hoặc của SCADA điều độ cấp trên. Việc đi ều khiển chủ yếu là đóng cắt các máy cắt và điều chỉnh tăng giảm nấc phân áp của máy biến áp. • Cung cấp giao tiếp người - máy với người điều hành hay người trực trạm: các control pannel, các bảng mạch mà trên đó ta dùng để biểu thị các thiết bị, thông số giờ đây ta thay thế bằng giao tiếp bởi màn hình, chuột, bàn phím. Giao diện người – máy(HMI) của SCADA trạm cho phép người dùng dễ dàng hơn trong việc giám sát, thu th ập dữ li ệu, đi ều khiển, quản lý hệ thống và vận hành trạm. • Ghi nhận, quản lý, lưu giữ lịch sử vận hành trạm, lịch sử các s ự ki ện như: báo động, sự cố; lưu trữ các quá trình thao tác trong hệ. Điều này sẽ rất có ích trong việc phát hiện và sử lý khi có lỗi xảy ra. • Quản lý cơ sở dữ liệu lịch sử của trạm để phục vụ trong việc in báo cáo với cấp trên, gửi số liệu lên SCADA điều độ cấp trên. • Có một cơ chế tự động tạo và in các báo các khi cần thiết. • Có khả năng truyền thông với cấp trên như: nhận lệnh từ cấp trên đưa xuống và tiến hành gửi các báo cáo theo yêu cầu của cấp trên. • Truyền tin với cấp dưới của SCADA trạm là các transmitter, sensor, cơ cấu chấp hành. 2. Các kiến trúc của SCADA trạm Hiện nay các thiết bị đo lường và điều khiển thông minh, các transmitter số hợp bộ, các RTU và các PLC đang phát triển mạnh và b ắt đ ầu đ ược ứng dụng ngay càng rộng dãi hơn trong hầu hết các ngành công nghiệp từ các khu chế biến thực phẩm, nơi các nhà máy xí nghiệp sản xuất mà d ường như trước đây không máy khi sử dụng đến các thiết bị tự động hoá, cho đến các khu chế xuất, các khu công nghiệp. ở một số nước tiên ti ến, các h ệ thống SCADA sử dụng RTU hay PLC đang ngày càng được phát tri ển. Tuy nhiên xu hướng người ta ngày càng sử dụng PLC thay cho các RTU càng ngày càng được ưa chuộng hơn. Rất nhiều phần mềm SCADA đã ra đ ời với nhiều hỗ trợ hơn cho người thiết kế hệ thống, một số sản ph ẩm, thi ết bị của nhiều hãng như Wonderware, Siemens, Nari… đã ra đời và được đ ưa ra thị trường. Nói chung, chúng ta có thể phân các sản phẩm này thành một số ki ểu cấu trúc sau: Kiểu kiến PC/PLC RTU PC/PLC/Transmitter trúc SCADA số trạm 14
Hệ điều hành Unix, Windows Unix, Windows Windows Hệ thu thập PLC, transmitter RTU, transmitter PC , các transmitter số liệu analog, sensor analog, sensor số, các sensor Protocol Dựa trên Protocol RS - 232 RS - 485 truyền tin của PLC Giá cả Cao Trung bình đến Cao cao Sử dụng Hiện hành Hiện hành Tương lai gần a) Kiến trúc kiểu PC/PLC: sử dụng PC với PLC kết hợp v ới vi ệc s ử dụng hệ điều hành của Unix hay Windows. Nó sử dụng các bộ bi ến đ ổi, các transmitter analog, các sensor để thu thập số liệu. Kiểu ki ến trúc này phù hợp hơn trong việc ứng dụng vào SCADA cho các trạm với quy mô nhỏ.Tuy nhiên giá thành sử dụng khá cao. b) Kiến trúc kiểu RTU: kiểu kiến trúc này dựa trên các thiết bị đầu cuối, các transmitter analog, các sensor, cảm biến. Các thiết bị này s ẽ thu thập trạng thái của hệ thống và đưa về máy tính để xử lý s ố li ệu và thông qua các bộ điều khiển đưa xuống cơ cấu chấp hành. Kiến trúc d ựa trên các RTU thưòng được ứng dụng trong việc SCADA trạm với quy mô nhỏ và vừa. Ưu điểm của nó là giá cả rẻ song việc lắp đặt h ệ thống và thi ết k ế là không đơn giản. Trong tương lai kiểu này sẽ không còn được sử dụng thông dụng nữa. c) Kiến trúc dựa trên PC/PLC/Transmitter số: Kiểu kiến trúc này với máy PC được coi như là máy chủ và các Slave là các PLC, các transmitter s ố thông minh. Các PLC và các transmitter số thông minh này được nối v ới nhau thành một mạng dựa trên chuẩn truyền tin RS – 485. Máy chủ PC sẽ làm nhiệm vụ thu thập số liệu, ra lệnh điều khiển, ghi nhận trạng thái, thao tác vận hành và sự cố. PC là nơi hiển thị các giao di ện ng ười - máy và cũng la nơi quản lý các cơ sở dữ liệu của hệ thống. Kiến trúc kiểu này rất phù hợp với nhưng trạm có quy mô lớn và đang ngày càng được s ử d ụng nhi ều hơn trong tương lai bởi hệ thống và quy mô của các trạm cũng ngay càng phức tạp. 3. Lợi ích của việc sử dụng SCADA trạm SCADA trạm sẽ mang lại những lợi ích to lớn khi thiết kế, xây d ựng, vận hành, bảo trì và nâng cấp trạm khi cần mở rộng. Đặc biệt nó tăng cường thêm chất lượng giám sát, vận hành và nâng cao tính tin cậy c ủa h ệ thống trạm. Các lợi ích mà SCADA trạm mang lại gồm: 3.1 Lợi ích khi thiết kế và xây dựng trạm • Giảm bớt số lượng các thiết bị dự phòng. 15
• Giảm thiểu hạ tầng cơ sở của trạm bao gồm: đường cáp tín hiệu/ống dẫn dây, các tủ bảng đo lường, tủ bảng điều khiển và diện tích nhà điều hành trạm. • Dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống điều trạm. 3.2 Lợi ích khi vận hành • Tự động ghi nhận các hoạt động ghi nhận các hoạt động điều hành trạm của người trực trạm cũng như các lệnh điều hành của cấp trên. • Có cơ sở dữ liệu vận hành để dùng trong việc vận hành, phân tích, tính toán với hệ thống, điều khiển thời gian thực. • Giảm được số lượng nhân công vận hành trạm, hơn nữa trên cơ sở hệ thống trạm được tự động hoá hoàn toàn điều này sẽ tránh được đáng kể những sai sót do người công nhân vận hành trạm. 3.3 Lợi ích trong bảo trì hệ thống • Có cơ sở dữ liệu về lịch sử vận hành, lịch sử thao tác trạm, các báo động, thông tin về sự cố luôn có sẵn trên hệ thống. • Các thiết bị đo có thể được trực tiếp lập trình về các thông s ố cấu hình, chẩn đoán, chỉnh định hệ thống… • Dễ dàng lập kế kế hoạch bảo trì thiết bị thông qua việc phân tích c ơ sở số liệu tình trạng hoạt động của thiết bị. Chi phí bảo trì sẽ giảm do có số liệu cụ thể về hệ thống. • Sơ đồ trạm được quản lý bằng máy tính nên rất dễ dàng trong việc xem xét cũng như cập nhật các thay đổi mà không mất nhiều chi phí. 3.4 Tăng cường tính tin cậy của hệ thống • Giao diện người - máy thân thiện với giải thích rõ ràng cùng cơ ch ế kiểm tra hoạt động sẽ giảm thiểu khả năng tháo tác nh ầm, thao tác sai của người trực trạm. • Tăng số lượng, chất lượng và độ tin cậy của việc thu thập số liệu. • Cung cấp nhanh chóng và chính xác về lịch sử thao tác cũng như lịch sử vận hành trạm đê có thể đưa ra nhanh chóng nh ưng quy ết định khi hệ thống có sự cố xảy ra hay là khi cần nâng cấp, bảo trì hệ thống. • Trên cơ sở có các cảnh báo sớm sẽ khiến cho việc bảo trì đúng thời hạn sẽ giảm thiểu đáng kể các rủi ro hỏng hóc mang lại. • Do việc thu thập số liệu thời gian thực nên cho phép th ực hi ện nhanh chóng xác định và xử lý tình trạng quá tải. Những khu vực bị quá tải này sẽ được nhanh chóng bù đắp bằng hệ thống nguồn cấp dự phòng khác; điều này giảm đáng kể thời gian bị mất điện do sự cố qua tải hệ thống. 16
Tổ chức của SCADA trạm 1. Tổ chức của SCADA Theo yêu cầu của hệ SCADA, chúng ta nhận thấy SCADA có các đ ặc đi ểm sau: a) Hệ thống vừa truyền tin, vừa tiến hành thu thập số liệu, tính toán, tiến hành tương tác với người dùng và truyền tin với cấp trên trong tất c ả thời gian thực. b) Hệ thống có nhiều tính năng khác nhau. Một số đòi h ỏi vi ệc tính toán là rất nhiều( ví dụ như việc lập các báo cáo, phân tích h ệ thống… ) nh ưng một số công việc lại đòi hỏi tính thời gian chặt ch ẽ( các hệ thống đòi hỏi tính thời gian thực cao như là các hệ thống thu thập số liệu, truy ền tin cấp dưới, cảnh báo, báo động…). c) Một số tính năng hoạt động liên tục(ví dụ như: đo, thu th ập thông s ố h ệ thống, truyền tin…) nhưng một số tính năng lại chỉ hoạt động theo yêu cầu hay định kỳ rồi nghỉ( ví dụ như trong công tác in báo cáo, lập bảng biểu chỉ làm theo yêu cầu của người dừng ). d) Một số tính năng bắt buộc phải có, một số tính năng khác thì lại là tuỳ chọn của người dùng có thể thêm vào hay bớt đi mà không làm ảnh hướng đến hệ thống. Xuất phát từ các đặc điểm trên, chúng tôi đã chia hệ SCADA trạm thành các đối tượng hoạt động trong các trường thông tin khác nhau. Hệ SCADA trạmd thực hiện trên một máy tính cá nhân PC đơn bộ xử lý, thực hi ện đa chức năng, đa luồng bằng cách phân chia thời gian thực hiện giữa các lu ồng hoạt động và thực hiện đa tác vụ, đa xử lý thực sự ở cấp transmitter số. Hệ thống SCADA trạm của chúng ta được xây dựng từ các đối tượng sau: • Đối tượng cấp trường đó là các trasmitter số thông minh, các b ộ chuyển đổi, các sensor cảm biến. • Đối tượng thu thập. • Đối tượng lập báo cáo( hiển thị và in ấn các báo cáo). • Đối tượng truyền tin với cấp trên. • Đối tượng quản lý cơ sở số liệu về lịch sử vận hành, lịch s ử sự ki ện thao tác, sự cố… • Đối tượng thiết kế các trang hiển thị( gồm các thanh tác vụ tasbar, bus bar…). • Đối tượng thiết kế báo cáo. • Đối tượng lập cấu hình hệ thống. 17
2. Lựa chọn hệ điều hành Ngày nay kỹ thuật phần cứng của máy tính đã phát triển hết sức mạnh mẽ. Năng lực của các máy tính thế hệ mới của Intel mà điển hình là dòng chíp xử lý họ Pentium đã mang lại bước nhảy vọt trong công vi ệc tính toán, xử lý dữ liệu và phân tích hệ thống. Giao diện đồ hoạ GUI( Graphical User Interface) càng ngày càng được hoàn thiện, gần với người sử dụng hơn. Với hệ thống thư viên đồ hoạ kh ổng lồ của Microsoft Windows với các giao tiếp đồ hoạ chuẩn đã tạo nên nhi ều bước ngặt trong lĩnh vực thiết kế giao diện. Do máy tính PC là rất đơn giản, nhỏ gọn và độ tin cậy là tuy không băng các máy tính công nghiệp nhưng với công nghệ điện tử hiện nay các máy PC vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu về xử lý cũng như tính toán trong các quá trình công nghiệp. Trước đây người ta hay dùng trên hệ điều hành truy ền thống của Microsoft Windows là MS – DOS, tuy hệ điều hành DOS là khá đơn giản song ngay nay với quy mô của các trạm là rất l ớn và s ố công vi ệc phải thực hiện cùng một lúc là rất cao và DOS không đáp ứng được điều này. Hệ điều hành Windows đã mang lại một sự thay đổi đáng kể. Do vậy chúng tôi quyết định chọn việc phát triển bộ phần mềm SCADA trạm dựa trên hệ điều hành của Microsoft Windows với version Windows 2000/Windows XP với các lý do sau: • Microsoft Windows XP là một hệ điều hành thuộc vào loại tiên tiến hiện nay, nó hỗ trợ đa chương trình, đa năng cùng với một hệ th ống bảo mật nghiêm ngặt giúp bảo vệ tài nguyên của hệ thống. Trong khi một h ệ SCADA có rất nhiều chức năng, nhiệm vụ bao gồm: hiển th ị đồ hoạ, tạo lập báo cáo, quản lý cơ sở dữ liệu, điều khiển h ệ thống trạm, truy ền tin… Nếu chúng ta dưa tất cả các chức năng này vào trong một chưong trình duy nhất sẽ làm chương trình trở nên rất phức tạp, khả năng mắc lỗi là rât cao. Hơn nữa việc đưa tất cả các tác vụ vào cùng một chương trình sẽ rất khó khăn trong công tác quản lý cũng như trong công tác điều khiển h ệ thống. Còn một lý do nữa là một số chức năng không phải lúc nào cũng được sử dụng một cách thường xuyên, liên tục vì vậy sẽ không tạo nên tính hi ệu quả. Bởi vậy cách tốt nhất là chia nhỏ chương trình ra thành các module nhỏ với các tác vụ độc lập, chức năng riêng biệt chạy trên m ột h ệ đi ều hành đa nhiệm hỗ trợ đa năng. • Microsoft Windows XP có khả năng quản lý bộ nhớ lớn: kh ả năng đánh địa chỉ trực tiếp 32bit của Windows cho phép đánh địa ch ỉ trực ti ếp t ới 4Gb ô nhớ đủ để đáp ứng yêu cầu của mọi bộ ph ần mềm. Ng ười lập trình sẽ không bao giờ phải bận tâm với việc thiếu bộ nhớ. 18
• Microsoft Windows XP cung cấp cho người dùng một phương thức đồng nhất để tạo giao tiếp đồ hoạ một cách dễ dàng và thân thiện. Băng cách lập trình thống nhất không phụ thuộc phần cứng, người lập trình sẽ không phải bận tâm đến tính tương thích giữa các hệ thống đ ồ ho ạ khác nhau. DOS là một hệ điều hành dựa trên các dòng lệnh, không h ỗ trợ đ ồ hoạ trong lúc SCADA làm việc phần nhiều lại là đồ hoạ, việc này khi ến người thiết kế hệ thống SCADA phải tự xây dựng các th ư viên đồ hoạ cho chương trình SCADA của mình. Đây là một việc làm rất khó khăn đòi h ỏi mất nhiều công sức và tốn kém. Trong khi ấy Windows lại cung cấp một hệ thống các phần tử GUI chuẩn bao gồm view, dialog box, push button, pop-up mennu và nhiều thư viện khác việc này đã mang l ại cho người thi ết kế hệ thống rất nhiều trong việc tạo ra các HMI thân thi ện và đ ẹp m ắt mà không mất nhiều thời gian. • Microsoft Windows XP hỗ trợ mạnh trong các giao tiếp mạng nh ư mạng toàn cầu Internet, Ethernet công nghiệp, các mạng cục b ộ LAN, WAN…Nó hỗ trợ sử dụng modem, giúp cho người lập trình dễ dàng tạo các giao tiếp truyền thông cần thiết với công sức bỏ ra là ít nhất. • Microsoft Windows XP hỗ trợ đa phương tiện( multimedia) giúp người lập trình dễ dàng thêm vào các âm thanh và các hình ảnh chuyển động khiến cho giao diện HMI gần với thực tế hơn. • Microsoft Windows XP ngoài việc sử dụng phần cứng của Intel ra chúng ta có thể sử dụng phần cứng của nhiều hãng phần cứng khác nhau. 3. Triển khai xây dựng bộ phần mềm cho SCADA trạm Hệ thống SCADA trạm là một hệ thống khá phức tạp, bao gồm nhi ều tính năng, chức năng và nhiệm vụ khác nhau, được tổ chứcdưới dạng một tập hợp các chương trình hoạt động có liên quan mật thiết với nhau. Mỗi module có một đặc điểm riêng đòi hỏi người lập trình ph ải có m ột hi ểu biết nhất định về lĩnh vực cụ thể đó. Với một số hiểu biết và kinh nghiệm làm việc với ngôn ng ữ C/C++, tôi quyết định chọn hướng nghiên cứu, triển khai và thiết kế SCADA trạm cho trạm điện 110kV Sơn Tây dựa trên việc sử dụng phần mềm SCADA công nghiệp WinCC của hãng phần cứng SIEMENS . Phần thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát và hiển thị HMI có nh ững yêu cầu chính sau: • Hiển thị các trang màn hình mô tả trạm. • Thu thập các số liệu U, I, P, Q từ các transmitter số theo một chu kỳ đặt trước tuỳ theo yêu cầu cụ thể của hệ thống. • Hiển thị trạng thái của các máy cắt, cầu dao… • Ghi nhận các sự kiện quá áp, quá dòng, quá tải… 19
• Lưu trữ các số liệu giám sát được vào bộ nhớ của máy để dùng khi báo cáo với cấp trên hay dùng làm tài liệu để kh ắc ph ục lỗi khi có s ự cố. Trạm điện và SCADA trạm 1. SCADA trong hệ thống điện lực 1.1 Các cấp quản lý trong hệ thống điện lực Mục đích của việc SCADA cho các trạm điện trong h ệ th ống điện l ực Việt Nam trước tiên nhằm đáp ứng nhu cầu về tự động hoá và số hoá h ệ thống điện Việt Nam. Nó phản ánh một bước đi tất yếu của việc hi ện đại hoá hệ thống điện, đồng thời nó cũng phản ánh trình độ về kinh tế- kỹ thuật của lưới điện Việt Nam. Bảng dưới đây tóm tắt sơ lược những cấp quản lý trong việc phân bổ điện: Cấp quản lý Nội dung quản lý chính Phát và truyền tải điện lực siêu cao - Phương án phân phát P, Q trên áp 500kV xuyên quốc gia toàn lãnh thổ quốc gia. - Quản lý tần số, dự phòng ổn định tĩnh, động của hệ thống điện quốc gia. - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán, bảo dưỡng các thiết bị cao áp. Phát và truyền tải điện đến các - Phương án phân bố P, Q trên trạm trong mạng cao áp 220kV khu các khu vực cụ thể. vực - Phân bố điện áp 220kV ở các trọng tâm tải và dự phòng bảo vệ nguồn. - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán hỏng hóc và bảo dưỡng thiết bị. Phân phối và truyền tải điện trong Phát bù công suất phản kháng Q, địa bàn các mạng 110kV phân bổ điện áp trên địa bàn.Thu thập các số liệu, thao tác, bảo vệ, chẩn đoán và bảo dưỡng thiết bị. 20