thiết kế hệ scada giám sát và thu thập số liệu điện năng

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
MỞ ĐẦU
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không
thể thiếu được trong một hệ thống tự động hoá hiện đại. Từ những năm gần
đây, sự tiến bộ trong lónh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần
mền đã thực sự đem lại nhiều khả năng mới, giải pháp mới. Chưa bao giờ,
việc tạo dựng các ứng dụng SCADA lại đơn giản như bây giờ. Nếu như
trước đây, ngành điện cần phải có những panel điều khiển bằng cả một bức
tường với chi chít những đèn báo, công tắc, đồng hồ và vài người đứng xem
xét, theo dõi mạng lưới cung cấp điện: nơi non tải, hay những sự cố đứt dây,
chập mạch thì nay với giải pháp dùng hệ SCADA, ta chỉ dùng tay tác động
vào “chuột” thì các thông số ở vùng nào muốn theo dõi sẽ hiện lên.Việc
điều điện áp, cắt tải hay mở rộng cửa xả nước để tăng công suất phát điện
đó còn được truyền đến các nhà máy phát điện khác để cùng tham gia hòa
điện lên trên mạng lưới điện quốc gia.Với sự tiến bộ như vậy, em đã chọn
đề tài này để củng cố nhiều kiến thức. Và từ đó có nhiều khả năng để xây
dựng nên các giải pháp SCADA mà trọng tâm của việc xây dựng các giải
pháp này trong thời điểm hiện nay là dùng công cụ phần mềm thiết kế giao
diện và tích hợp hệ thống.Vì vậy trong đề tài về phần mềm em chọn phần
mềm SCADA là WinCC. Còn các thiết bò bao gồm các bộ đo điện năng là
Mach 30, PLC S7-300 CPU 314IFM, PLC S7-200 CPU 226, các contactor,
các relay, và tải là các bóng đèn và động cơ không đồng bộ ba pha. Trừ
động cơ ra tất cả các thiết bò trên được gắn trên panel.
Và với nhiệm vụ của đề tài là tìm hiểu về WinCC, Simatic S7-
200/300, chuẩn truyền thông Modbus, chuẩn truyền thông Ducati (hỗ trợ
cho việc truyền thông giữa máy tính với Mach 30), thiết kế hệ SCADA-
giám sát và thu thập số liệu điện năng. Nên trong luận văn này ở chương
một em giới thiệu về SCADA và HMI. Và vì hệ thống SCADA một phần
phát triển trên cơ sở của sự phát triển mạng máy tính và truyền thông công
nghiệp nên em giới thiệu khái quát về mạng công nghiệp ở chương hai. Và

trong chương ba giới thiệu về PLC S7-200, PLC S7-300. Thêm vào đó trong
chương bốn giới thiệu về Mach 30. Cuối cùng trong chương năm giới thiệu
về WinCC.
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên trong luận văn này không
trách khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy cô và độc giả nhiệt tình bỏ
qua.
Tp.HCM, ngày 12/1/2002
Sinh viên thực hiện
Lưu Văn Khoa
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
MỤC LỤC Trang

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI 1
I Khái niệm về SCADA và HMI 1
II Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA 3
III Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA 4
IV Phân loại hệ thống SCADA 5
V Tiêu chuẩn đánh giá 6
VI SCADA lên WEB 9
VII Nhìn về tương lai 9
Chương 2 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 11
I Khái niệm 11
1 Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp 11
2 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN 12
II Cơ sở kỹ thuật 16
1 Khái niệm về thời gian thực 16
2 Kiến trúc giao thức 17
3 Chuẩn truyền dẫn 35
III Modbus 43

1 Cơ chế giao tiếp 44
2 Chế độ truyền dẫn 46
3 Cấu trúc bức điện 47
4 Bảo toàn dữ liệu 51
5 Modbus Plus 52
IV Lập trình cổng COM(RS-485) 53
V Cáp chuyển đổi RS-232/485 58
Chương 3 PLC 61
A.Giới thiệu VỀ PLC 61
I Khái niệm về PLC 61
II Đặc điểm bộ điều khiển lập trình 61
III Cấu trúc 65
IV Cổng truyền thông 66
V Ưu nhược điểm của PLC 67
VI Một vài lónh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 68
B.PLC SIEMENS S7-200 70
I Giới thiệu 70
II Bộ nhớ 70
III Tập lệnh PLC S7-200 72
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
IV Bảng sự kiện ngắt và thứ tự ưu tiên 76
V Vùng nhớ đặc biệt 77
VI Giới thiệu về SIEMENS SIMATIC S7-200 (CPU 226) 78
C.PLC Siemems S7-300 80
I Thiết bò điều khiển logic khả trình 80
II Ngôn ngữ lập trình 87
III Tổ chức bộ nhớ CPU 88
IV Giới thiệu về CPU 314IFM 90
Chương IV MACH 30 98

I Giới thiệu 98
1 Các tính năng của MACH 30 99
2 Các thông số của MACH 30 99
3 Công suất trung bình 99
4 Hệ số dạng THDF 99
5 Các giá trò đo được hiển thò sẵn 100
6 Mạng nối kết các thiết bò và máy tính 101
7 Ứng dụng 102
II Cách sử dụng MACH 30 102
1 Các menu và các phím chức năng 102
2 Cách kết nối nguồn cung cấp 103
3 Cách kết nối MACH 30 với tải 103
4 Cogeneration 104
5 Hai ngõ vào analog 105
6 Bốn ngõ ra cực thu hở 106
7 Các thông số trong menu đặt cấu hình 107
III Giao thức truyền thông của Ducati 108
1 Giới thiệu 108
2 Ứng dụng 108
3 Diễn tả 108
4 Frame yêu cầu dữ liệu 111
5 Những frame lệnh 119
Chương 5 SIMATIC WINCC CONTROL CENTER 124
A.Giới thiệu 124
I Control Center trong hệ thống WinCC 124
II Project 133
B.Cách lập trình WinCC 136
I Khái niệm 136
1 Cấu trúc 136
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành

SVTH: Lưu Văn Khoa
2 Giao diện của WinCC 136
II Cách lập trình 138
1 Khái niệm về tag của WinCC 138
2 Driver của WinCC 139
3 Tạo picture 139
4 Cách tạo thư viện liên kết động 140
5 Sử dụng tập tin liên kết động 143

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
BÁO CÁO KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ HƯỚNG
PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
1.Kết quả thi công
Thu thập tốt dữ liệu từ các bộ đo Mach 30 về máy tính thông qua bộ
chuyển đổi RS-232/485 và phần mềm WinCC và đồng thời từ máy tính
thông qua phần mềm này đã điều khiển được các ngõ ra của Mach 30
Vì WinCC có hỗ trợ Driver cho PLC S7-300 nên việc kết nối giữa
máy tính với S7-300 CPU 314IFM rất dễ dàng nên em đă kết nối thành
công trong việc đọc dữ liệu cũng như điều khiển . Còn S7-200 thì WinCC
không hỗ trợ nên em viết chương trình con riêng và viết theo frame truyền
của Ducati cho PLC S7-200 và WinCC. Kết quả đã kết nối thành công
WinCC có hỗ trợ trong việc lưu trữ xử lý dữ liệu (ví dụ như các giá trò
đo và các thông tin báo động)và nên em đã tìm hiểu được các thức mà
WinCC lưu dữ liệu và có thể đọc các dữ liệu mà WinCC thu thập được từ
Mach 30 cũng như PLC S7-220 và S7-300 từ các phần mềm khác như
Excel, Access, ISQL…Và em đã thực hiện trên các phần mềm này thành
công trong việc đọc và xử lý dữ liệu đó
Cụ thể:
Đây là hình chụp panel:

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
Kết quả thu thập được từ Mach30 các giá trò:tần số, điện áp tương
đương ba pha, áp dây 1-2, áp dây 2-3, áp dây 3-1:


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
Đồ thò U12(t),U23(t),U31(t):


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa



Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa

2.Hướng phát triển của đề tài
Đề tài này một phần khẳng đònh tính năng mở, độ linh hoạt trong hệ
thống SCADA tức là có thể dùng mạng truyền thông dựa theo giao thức
Modbus và chuẩn RS-485 này có thể ghép nối nhiều thiết bò (có hỗ trợ giao
thức và chuẩn này) thuộc các hãng khác nhau. Hơn nữa với sự hỗ trợ mạnh
về cơ sở dữ liệu của như khả năng tích hợp của WinCC nên ta có thể ghép
nối với các hệ thống khác và có khả năng mở rộng đến cấp quản lý, chứ
không nhất thiết là ở cấp chấp hành và cấp điều khiển. Vì vậy hệ thống

SCADA này có khả năng mở rộng và ứng dụng vào nhiều lónh vực như: khu
công nghiệp, khách sạn, nhà hàng, bảo tàng, trung tâm thương mại, hệ
thống chuyển mạch ATS, hệ thống kho chứa và phân phối xăng dầu,…


Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa

TÀI LIỆU THAM KHẢO


 WinCC Configuration Manual(Volume1/Volume2) –Edition February
1999 (Siemens)
 WinCC Getting Started Manual -Edition August 1997 (Siemens)
 Tự động hoá với SIMATIC S7-300 (Nguyễn Đoãn Phước-Phan Xuân
Minh-Vũ Văn Hà )
 Tự động hoá với SIMATIC S7-200 (Nguyễn Đoãn Phước-Phan Xuân
Minh)
 Tạp chí Tự Động Hoá Ngày Nay(Automation Today)
 Mạng Truyền Thông Công Nghiệp (Hoàng Minh Sơn)
 SIMATIC Loadable Driver for Point-to-Point CPs: MODBUS Protocol,
S7 is master/slave manual Edition 2(Siemens)
 SIMATIC Data Highway Reference Manual (Siemens)
 SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation
Manual(Siemens)
 SIMATIC S7-300 Programmable Controller Integrated Functions CPU
312 IFM/314 IFM Manual (Siemens)
 SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual (Siemens)
 Các Kỹ Xảo Lập Trình Với Visual Basic Và Borland Delphi (Lê Hữu
Đạt)

 Kỹ Thuật Lập Trình C (Phạm Văn t)
 Tin Học II (Đặng Thành Tín)
 Serial Port Complete (Jan Alexlson)
 Kỹ Thuật Ghép Nối Máy Tính (Ngô Diên Tập)
 Các Luận Văn Tốt Nghiệp của các khoá trước trong bộ môn ĐKTĐ
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa
ĐỀ TÀI:

MẠNG SCADA
GIÁM SÁT VÀ THU THẬP
SỐ LIỆU ĐIỆN NĂNG


GVHD : NGUYỄN ĐỨC THÀNH
SVTH : LƯU VĂN KHOA
MSSV : 49700693
Lớp : ĐKTĐ97

Tp. HCM, tháng 1/ 2002

BỘ GIÁO DỤC VÀ Đ
ÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ
NGÀNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG


BK
TP.HCM

VNEE

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
SVTH: Lưu Văn Khoa

Em xin chân thành cảm ơn :
-Tất cả các thầy cô giáo đã trực tiếp giảng dạy trong giai đoạn đại cương.
-Toàn thể các thầy cô giáo trong trường ĐHBK.
-Tất cả các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử đã trực tiếp giảng dạy
trong giai đoạn chuyên ngành.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình ,tận tâm của thầy
Nguyễn Đức Thành đã bỏ nhiều thời gian quý báu hướng dẫn trực tiếp trong
quá trình em thực hiện luận văn.
Sau cùng em xin chân thành cảm ơn công lao cha mẹ ,gia đình đã nuôi dạy
em nên người và tất cả bạn bè đã độâng viên giúp đở trong thời gian học tập.
Mặc dù em rất cố gắng trong khi thực hiện,nhưng chắc chắn không tránh
khỏi những sai sót, mong các thầy tận tâm chỉ bảo giúp em rút ra kinh nghiệm
bổ íich trong việc thiết kế sau này.
Một lần nữa,em xin cảm ơn tất cả !
Tp Hồ Chí Minh tháng 1 /2002
SVTH: Lưu Văn Khoa
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI

I.Khái niệm về SCADA và HMI
Thò trường tiêu thụ hàng hoá luôn đòi hỏi không ngừng nâng cao chất
lượng, giảm giá thành, đổi mới kết cấu, mẫu mã sản phẩm. Nhu cầu đó đặt

ra yêu cầu tìm kiếm một phương thức sản xuất mới để tạo nên các dây
chuyền sản xuất tự động cho phép nhanh chóng thay đổi mẫu mã, loại sản
phẩm. Dây chuyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bò tự động chuyên dùng
đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo, trong lúc quy
trình công nghệ luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của
sản phẩm luôn thay đổi. Bởi vậy nhu cầu mền hoá hay linh hoạt dây chuyền
sản xuất ngày càng tăng. Các dây chuyền sản xuất có khả năng thay đổi
nhanh chóng lại không tốn nhiều công suất để chuyển sang sản xuất sản
phẩm mới, sang một quy trình công nghệ mới. Để đáp ứng được nhu cầu
trên, yêu cầu phải có một hệ thống sản xuất mới. Hệ thống sản xuất tự
động linh hoạt hay gọi tắt là hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) áp dụng
thành tựu khoa học và kỹ thuật về tin học, kỹ thuật điều khiển số, điều
khiển người máy. Đặt biệt là mô hình sản xuất tự động Workcell –tế bào
sản xuất tự động –là đơn vò cơ bản có khả năng làm việc độc lập hoàn toàn
với các bộ phận khác trong nhà máy, nó đảm đương việc thực hiện hoàn tất
một công đoạn trong quy trình sản xuất. Một workcell hiện đại còn có thể
biến đổi chức năng làm việc để phù hợp với nhu cầu mới cũng như kết nối
với các workcell khác để tạo nên dây chuyền sản xuất linh hoạt. Dây
chuyền công nghiệp dùng người máy được điều khiển bằng máy tính điện
tử cùng với các thiết bò gia công điều khiển số dạng NC và CNC tạo ra khả
năng dễ dàng thay đổi quy trình làm việc, sự thuyên chuyển công việc có
thể thực hiện chủ yếu chỉ bằng sự thay đổi chương trình cho máy tính . Các
thiết bò này thay thế dần các máy tự động “cứng” .Hệ thống sản xuất linh
hoạt bao gồm nhiều vấn đề phức tạp như: cấu trúc tổ chức, quản lý các
phần tử cơ bản trong hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, các vấn đề xã hội
mà hệ thống sản xuất gây ra. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu (SCADA) là một phương thức tiên tiến điều khiển hệ thống sản xuất tự
động trong công nghiệp và phương thức điều khiển SCADA có thể được
ứng dụng vào việc giám sát và điều khiển tế bào sản xuất workcell. Vậy ta
sẽ giới thiệu sơ lược về hệ thống SCADA

Hệ SCADA ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin
học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 1
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
Giống như nhiều từ viết tắt có tính truyền thống khác, khái niệm
SCADA ( Supervisory Control And Acquisition) cũng được hiểu với những ý
nghóa khác nhau, tuỳ theo lónh vực ứng dụng và theo thời gian. Có thể, khi
nói tới SCADA người ta chỉ liên tưởng tới một hệ thống mạng và thiết bò có
nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về một
khu trung tâm để xử lý. Các hệ thống ứng dụng trong công nghiệp khai thác
dầu khí và phân phối năng lượng là những ví dụ tiêu biểu. Theo cách hiểu
này, vấn đề truyền thông được đặt lên hàng đầu. Trong nhiều trường hợp,
các khái niệm SCADA và “None-SCADA “ lại được dùng để phân biệt các
giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ
FIX, InTouch, WinCC, Lookout,…) hay phần mềm phổ thông (Acess, Excel,
Visual Basic, Delphi, Jbuilder,…). Ở đây, công nghệ phần mềm là vấn đề
quan tâm chủ yếu
Nói một cách tổng quát, một hệ SCADA không có gì khác là một hệ
thống điều khiển giám sát, tức là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc
quan sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển thông thường.
Đương nhiên, để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có một hệ
thống truy cập ( không chỉ thu thập! ) và truyền tải dữ liệu, cũng như cần
phải có giao diện người -máy (Human - Machine Interface, HMI). Tuỳ theo
trọng tâm của nhiệm vụ mà người ta có những cách nhìn khác nhau. Tuy
nhiên một hệ SCADA thường phải có đủ những thành phần sau đây :
+Giao diện người – máy (sơ đồ công nghệ, đồ thò, phím thao tác,…)
+Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp
+Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các
module vào/ra , cho các hệ thống bus trường
+Cơ sở dữ liệu quá trình

+Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức(Messaging ) và xử lý sự cố (Alarm).
Hỗ trợ lập báo cáo (Reporting)
Hay nói một cách tổng quát hơn, hệ SCADA bao gồm các thành phần
chính như sau:
+Trạm điều khiển trung tâm (Master Station ): Có nhiệm vụ thu thập, lưu
trữ, xử lý số liệu và đưa ra các lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở
+Hệ thống trạm cơ sở (Operation Station ): là các trạm được đặt tại hiện
trường có nhiệm vụ thu thập, xử lý số liệu trong một phạm vi nhất đònh và
gửi các số liệu về trạm trung tâm đồng thời thực hiện các lệnh điều khiển từ
trạm trung tâm
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 2
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
+Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cơ sở mạng máy tính và truyền
thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm điều
khiển trung tâm và các trạm cơ sở
Như ta thấy, HMI là một thành phần trong hệ SCADA, tuy nhiên
không phải chỉ ở cấp điều khiển giám sát, mà ngay ở các cấp thấp hơn
người ta cũng cần giao diện người –máy phục vụ việc quan sát và thao tác
vận hành cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc tính kỹ thuật cũng như phạm vi
chức năng, ở các cấp gần với quá trình kỹ thuật này các OP (Operator
Panel) chuyên dụng chiếm vai trò quan trọng hơn
Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, đặc
biệt là sự chiếm lónh thò trường của hệ điều hành Windows NT cùng với các
công nghệ của Microsoft đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ tạo
dựng phần mềm SCADA theo một hướng mới, sử dụng PC và Windows NT
làm nền phát triển và cài đặt. Từ phạm vi chức năng thuần tuý là thu thập
dữ liệu cho việc quan sát, theo dõi quá trình, một hệ SCADA ngày nay có
thể đảm nhiệm vai trò điều khiển cao cấp, điều khiển phối hợp. Phương
pháp điều khiển theo mẻ, điều khiển theo công thức (batch control, recipe
control) là những ví dụ tiêu biểu. Hơn thế nữa, khả năng tích hợp hệ thống

điều khiển giám sát với các ứng dụng khác nhau trong một hệ thống thông
tin, các phần mềm quản lý, tối ưu hoá hệ thống, của toàn công ty cũng trở
nên dễ dàng hơn.
Trong giải pháp điều khiển phân tán, hệ thống truyền thông ở cấp
dưới (bus trường, bus chấp hành – cảm biến) đã có sẵn. Nếu như mạng máy
tính của một công ty cũng đã được trang bò (chủ yếu dùng Ethernet),thì cơ
sở hạ tầng cho việc truyền thông không còn là vấn đề lớn phải giải quyết.
Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng các giải pháp SCADA trong thời
điểm hiện nay là vấn đề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và
tích hợp hệ thống.

II.Nguyên tắc hoạt động của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiện từ các
cơ cấu cảm biến được gắn trên các thiết bò công tác hoặc trên dây truyền
sản xuất gửi về cho máy tính (thực hiện phần thu nhận dữ liệu ) . Máy tính
xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt động của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của
sản phẩm đã được cài sẵn trong bộ nhớ. Đồng thời, máy tính sẽ hiển thò lại
những thông tin kỹ thuật của hệ thống trên màn hình, cho phép tự động
giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tín hiệu điều khiển đến máy
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 3
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức năng giám sát và điều
khiển)
Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghóa :
+Con người theo dõi và điều khiển
+Máy tính giám sát và điều khiển
Đối với các hệ thống sản xuất tự động trước đây, việc kiểm tra giám
sát hoàn toàn do con người đảm trách. So với máy tính, tốc độ xử lý tính
toán của con người rất chậm và dễ nhầm lẫn .Việc tính toán điều khiển của
máy tính sẽ tránh được những hậu quả trên. Những sai sót nhỏ, đơn giản

thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính giám sát và xử lý theo chương
trình được đặt sẵn. Đối với những sự cố lớn máy tính sẽ báo cho người theo
dõi biết và tạm dừng hoạt động của hệ thống để chờ quyết đònh của người
điều hành.
Vì vậy, bên cạnh khả năng hoạt động toàn hệ thống theo một chương
trình đònh trước, hệ SCADA còn cho phép người vận hành quan sát được
trạng thái làm việc của từng thiết bò tại các trạm cơ sở, đưa ra các cảnh báo,
báo động khi hệ thống có sự cố và thực hiện các lệnh điều khiển can thiệp
vào hoạt động của hệ thống khi có tình huống bất thường hay có sự cố

III.Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ thống SCADA:
1.Giám sát và phân tích hoạt động sản xuất:
Ngay khi nhận biết được những thông tin về hoạt động của hệ thống
từ các bộ phận cảm biến gửi về, máy tính sẽ phân tích những tín hiệu đó và
so sánh với những tín hiệu chuẩn, với những tín hiệu yêu cầu từ các tập tin
về cấu hình hoạt động của hệ thống sản xuất, hay các bảng cơ sở dữ liệu về
sản phẩm, quy trình sản xuất, các thông số công nghệ của các máy công
tác(dữ liệu tham khảo). Nhờ các bộ phận cảm biến, các thiết bò đo lường
mà trong quá trình sản xuất luôn thông báo cho người giám sát biết được
các thông tin về tiến trình hoạt động sản xuất, các thông số kỹ thuật ,số
lượng sản phẩm
Việc giám sát ở đây bao hàm hai ý nghóa:
+Máy tính giám sát
+Con người giám sát
Việc theo dõi giám sát chủ yếu là do máy tính, con người chỉ đóng
vai trò phụ, chuyên theo dõi những biến cố lớn nguy hiểm đến hệ thống sản
xuất. Những trục trặc nhỏ hay những sai lệch thường xuyên gặp phải sẽ
được máy tính sửa chữa theo chương trình được cài sẵn

SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 4

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
2.Hoạt động theo chương trình điều khiển
Ngoài các chức năng truyền thống là so sánh để điều khiển cơ cấu tác
động, ta còn có thể cho hệ thống hoạt động theo một chương trình đã lập từ
trước. Nhờ có bộ vi xử lý ta có thể lập trình cho hệ thống hoạt động theo
những chu trình phức tạp, máy tính sẽ đọc chương trình và xuất tín hiệu điều
khiển cho các cơ cấu hoạt động theo chương trình
Việc thay đổi chu trình hoạt động của máy tính hay thay đổi kích
thước mẫu mã sản phẩm chỉ là việc thay đổi chương trình. Mẫu mã, kích
thước được vẽ trên máy tính bằng các phần mềm chuyên dụng (Cimatron,
Pro Engineer ) rồi máy tính sẽ dòch lại theo mã máy để cho các máy điều
khiển số (NC,CNC) hiểu được.

3.Kiểm tra và đảm bảo chất lượng
Nhờ các thiết bò cảm ứng, các thiết bò đo lường được gắn trên máy mà
ta có thể đo, kiểm tra sản phẩm, loại bỏ các phế phẩm ngay từ nguyên nhân
hỏng, nhờ đó mà chất lượng sản xuất được nâng cao và giảm bớt chi phí sản
xuất; kòp thời phát hiện, báo động những biến cố xảy ra

4.Quản lý quá trình sản xuất
Các thông tin về hệ thống sản xuất đều được truyền về cho máy tính
giám sát và thống kê, tổng kết quá trình sản xuất: số lượng sản phẩm, số
lượng nguyên vật liệu còn tồn trữ, giúp người quản lý ra quyết đònh. Đặt
biệt là khả năng liên kết động (DDE-Dynamic Data Exchange) cho phép
các thông tin trên được kết nối, trao đổi cơ sở dữ liệu với các hệ thống
SCADA tương tự khác trên một mạng TCP/IP (Transfer Control
Protocol/Intenet Protocol)-một tập tiêu chuẩn (các giao thức) dùng cho quá
trình phát truyền và sửa lỗi đối với các dữ liệu, cho phép máy tính được
ghép mạng Internet sang máy tính khác). Điều này cho phép các hệ thống
có thể truy xuất dữ liệu cũng như xuất ra tín hiệu điều khiển lẫn nhau.

Hệ thống SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống thương
mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc /viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn ODBC
như Oracle , Access , Microsoft SQL…

IV. Phân loại hệ thống SCADA
Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau nhưng trên cơ bản chúng
được chia làm 4 nhóm với những tính năng cơ bản sau :
+SCADA độc lập/SCADA nối mạng
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 5
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
+SCADA không có chức năng đồ hoạ(Blind)/SCADA có khả năng xử lý đồ
hoạ thông tin thời gian thực(real time)

1.Hệ thống SCADA mờ (Blind) :
Là hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu thu được bằng hình ảnh hoặc đồ
thò . Do không có bộ phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành
thấp

2.Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (run time) :
Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng tiến
trình hoạt động của hệ thống sản xuất nhờ các tập tin cấu hình của máy đã
được khai báo trước đó. Tập tin cấu hình sẽ ghi lại khả năng hoạt động của
hệ thống, các giới hạn không gian hoạt động, giới hạn về khả năng, công
suất làm việc của máy. Nhờ biết trước khả năng hoạt động của hệ thống
sản xuất mà khi có tín hiệu vượt quá tải hay có vấn đề đột ngột phát sinh,
hệ thống sẽ báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp vào hoặc tín
hiệu vượt quá mức cho phép hệ thống sẽ lập tức cho máy công tác ngưng
hoạt động

3.Hệ thống SCADA độc lập:

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với một bộ xử lý, thông
thường loại hệ thống SCADA này chỉ điều khiển một hoặc hai máy công cụ
hay còn gọi là workcell. Do khả năng điều khiển ít máy công tác nên hệ
thống sản xuất chỉ đáp ứng được cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên
được dây chuyền sản xuất lớn

4.Hệ thống SCADA mạng:
Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với nhiều bộ xử lý có nhiều
bộ phận giám sát được kết nối với nhau thông qua mạng. Hệ thống này cho
phép điều khiển phối hợp được nhiều máy công tác hoặc nhiều nhóm
workcell tạo nên một dây chuyền sản xuất tự động. Đồng thời hệ thống có
thể kết nối tới nơi quản lý – nơi ra quyết đònh sản xuất hay có thể trực tiếp
sản xuất theo yêu cầu của khách hàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế.
Do được kết nối mạng nên chúng ta có thể điều khiển từ xa các thiết bò
công tác mà điều kiện nguy hiểm (như làm việc ở nơi có môi trường phóng
xa, nơi có từ trường mạnh …) không cho phép con người đến gần

V.Tiêu chuẩn đánh giá
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 6
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
Mục đích trong việc đánh giá và lựa chọn của một người thiết kế hệ
thống không phải là tìm ra giải pháp tốt nhất, mà là một giải pháp đủ thoả
mãn các nhu cầu về mặt kỹ thuật với giá thành hợp lý, trong phạm vi ngân
sách cho phép. Để đánh giá một giải pháp SCADA, ta cần đặc biệt chú ý
đến những yếu tố sau:
+Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn
hình giao diện, chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn
+Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật
(trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các module vào / ra, qua các
thiết bò điều khiển khả trình PLC hay các hệ thống bus trường)

+Tính năng mở rộng của hệ thống
+Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử
lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and
History) và lập báo cáo (Reporting)
+Tính năng thời gian, hiệu suất trao đổi thông tin
+Giá thành hệ thống phần mềm bao gồm công cụ phát triển ( Development
Tool ), chương trình chạy (Runtime Engine), tài liệu sử dụng, công đào tạo
và dòch vụ hỗ trợ, bảo trì
Sau đây, ta sẽ đi sâu bàn luận các vấn đề liên quan ba yếu tố đầu
tiên, hay nói cách khác là vấn đề liên quan tới công nghệ phần mềm. Đó
cũng là những khía cạnh làm nổi bật những đặc tính của các giải pháp
SCADA thế hệ mới
Tạo dựng một ứng dụng SCADA tối thiểu đòi hỏi hai phần việc
chính: xây dựng màn hình hiển thò và thiết lập mối quan hệ giữa các hình
ảnh trên màn hình với các biến quá trình. Như vậy, công việc tạo dựng một
ứng dụng SCADA trên nguyên tắc sẽ phức tạp hơn nhiều so với việc lập
trình giao diện đồ hoạ trong các ứng dụng thông thường. Có hai phương
pháp để tạo dựng:
Phướng pháp thứ nhất là sử dụng công cụ lập trình phổ thông như
Visual C++, Visual Basic, Jbuilder, Delphi và người lập trình phải tự làm từ
đầu, giống như việc phát triển các ứng dụng thông thường. Không kể đến
việc phải lập trình để kết nối dữ liệu qua các cổng truyền thông, thì công
việc lập trình đồ họa mặc dù có các công cụ hỗ trợ rất mạnh cũng gặp
nhiều khó khăn. Thứ nhất là phương pháp này đòi hỏi mức kiến thức lập
trình khá cao ở người lập trình. Thứ hai, việc lập trình các biểu tượng, ký
hiệu đồ hoạ thường dùng trong kỹ thuật (van, đường ống, bình nước, đồng
hồ, núm xoay…) đòi hỏi nhiều công sức. Để giải quyết vấn đề này, ta có thể
sử dụng các thư viện phần mềm dưới dạng thư viện lớp(class library) hay
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 7
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành

thư viện thành phần (component library) có sẵn. Đặc biệt, việc sử dụng các
thư viện thành phần như ActiveX –controls hay JavaBeans nâng cao hiệu
suất lập trình một cách đáng kể. Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào,
việc phải biên dòch lại toàn bộ ứng dụng (tức là phải sử dụng một compiler)
là điều không thể tránh khỏi. Do những hạn chế trên đây, phương pháp lập
trình này chỉ nên sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và ít có yêu cầu
phải thay đổi.
Phương pháp thứ hai là sử dụng một công cụ phần mềm chuyên dụng
(ví dụ FIX, InTouch,WinCC,Lookout,…), gọi tắt là phần mềm SCADA. Các
công cụ này có chứa các thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện
người –máy cũng như phần mềm kết nối với các thiết bò cung cấp dữ liệu
thông dụng. Nhiều công cụ đònh nghóa một ngôn ngữ riêng (thường gọi là
script) phục vụ các mục đích này , tuy nhiên độ phức tạp của chúng cũng rất
khác nhau. Gần nay, xu hướng đơn giản hoá việc tạo dựng một ứng dụng
SCADA thể hiện ở sự kết hợp phương pháp lập trình hiển thò với sử dụng
một ngôn ngữ script thông dụng như Visual Basic for Application(VBA) và
VBScript, tương tự như việc soạn thảo một văn bản. Một số công cụ còn đi
xa hơn nữa, cho phép ta sử dụng các biểu tượng, ký hiệu đồ hoạ vừa để xây
dựng giao diện người – máy vừa để biểu diễn sự liên quan logic giữa các
thành phần của một chương trình dưới dạng biểu đồ khối chức năng (FBD)
quen thuộc, không cần tới một dòng lệnh kể cả script. Người ta cũng nói
đến khái niệm tạo lập cấu hình (configuring) thay cho lập trình (
programming)
Công nghệ đối tượng thành phần và tính năng mở:
Hiện nay, có lẽ không một phần mềm SCADA nào tự nhận là tiên
tiến mà không đưa từ khóa hướng đối tượng vào danh sách các đặc tính ưu
việt để quảng cáo. Mặc dù trong đại đa số các trường hợp, cách sử dụng
thuật ngữ như vậy mang tính chất lạm dụng, nhưng qua đó ít hay nhiều ta
cũng thấy tầm quan trọng của công nghệ đối tượng. Thực chất các thư viện
phần sẵn có trong những sản phẩm thuộc thế hệ mới thường được xây dựng

trên cơ sở một mô hình đối tượng, đặc biệt phải nói tới mô hình COM của
Microsoft. Việc sử dụng một mô hình đối tượng thành phần chuẩn công
nghiệp như COM mang lại nhiều ưu thế như:
+Nâng cao hiệu suất công việc thiết kế, xây dựng giao diện người –máy
bằng cách sử dụng ActiveX –Controls
+Nâng cao khả năng tương tác và khả năng mở rộng, hay nói cách khác là
tính năng mở rộng của hệ thống
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 8
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
+Thuận lợi trong việc sử dụng một chuẩn giao diện quá trình như OPC
(OLE for Process Control) để kết nối với các thiết bò cung cấp dữ liệu
quả thật, hầu hết (nếu không nói đến tất cả ) các phần mềm SCADA tiên
tiến nhất hiện nay điều hỗ trợ COM, cụ thể là đều có ba đặc điểm nêu trên.
Nếu trước đây để tạo dựng được một màn hình giao diện đồ hoạ, một người
lập trình có kinh nghiệm cần trung bình một vài ngày, thì nay thời gian có
thể giảm xuống tới một vài giờ. Sử dụng một công cụ tích hợp, ta có thể
hoàn toàn tập trung vào công việc chính mà không cần kiến thức chuyên
sâu về lập trình. Công nghệ đối tượng thành phần và các phương pháp
không lập trình đã mở ra khả năng này

VI. SCADA lên WEB
Một phép tính cho học sinh phổ thông: để cài đặt một ứng dụng
SCADA lên 10 trạm máy tính quan sát cần bao nhiêu thời gian? Mười lần
thời gian cài lên một máy !?Không, cũng chỉ bằng một lần! Công nghệ Web
cho phép chúng ta làm như vậy
Sử dụng Web làm nền cho các ứng dụng SCADA không chỉ mang lại
hiệu quả về thời gian cài đặt phần mềm mà trước tiên là mở khả năng mới
cho việc tích hợp hệ thống tự động hoá trong một hệ thống thông tin thống
nhất của công ty. Điều khiển giám sát không còn là chức năng độc quyền
của các chuyên viên kỹ thuật. Một giám đốc điều hành sản xuất, hay một

tổng giám đốc công ty đều có thể quan sát và tham gia điều hành quá trình
sản xuất từ phòng làm việc riêng, chỉ qua màn hình, bàn phím và chuột.
Tương tự như các báo cáo về tình hình sản xuất cũng như các chỉ thò không
nhất thiết phải đi theo con đường giấy tờ hay truyền miệng, mà trực tiếp
diễn ra “on-line”
Đưa SCADA lên Web cũng tạo điều kiện thuận lợi cho các dòch vụ
bảo trì hệ thống từ xa. Các nhà cung cấp giải pháp tự động hoá không cần
phải trực tiếp đến cơ sở sản xuất, mà có thể theo dõi toàn bộ diễn biến quá
trình kỹ thuật qua một trình duyệt như Internet Explorer hay Netscape
Navigator, trên cơ sở đó có thể chuẩn đoán, xác đònh lỗi và đưa ra phương
hướng giải quyết thích hợp

VII. Nhìn về tương lai
Điều khiển giám sát hay SCADA không còn là những khái niệm mới
mẻ, những tiến bộ trong công nghệ để thực hiện thì luôn luôn đổi mới. Bên
cạnh các xu hướng mới như việc sử dụng các thiết bò cảm biến và cơ cấu
chấp hành thông minh, mạng truyền thông công nghiệp và mềm hoá các
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 9
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
giải pháp điều khiển, thì các hệ SCADA sẽ chiếm vai trò quan trọng trong
nhiều lónh vực ứng dụng khác nhau.Tầm nhìn cho một công ty trong tương
lai với một hệ thần kinh số (DNS), tích hợp toàn bộ hệ thống điều khiển tự
động, điều khiển giám sát với các hệ thống điều hành sản xuất và quản lý
công ty, có thể sẽ rất nhanh chóng trở thành hiện thực. Đó chính là hướng
chiến lược cho các công ty trên con đường phát triển ở thời đại kinh tế trí
tuệ và xã hội thông tin trong thế kỷ XXI.

SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 10
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đức Thành
Chương 2 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

I. Khái niệm
1. Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp
Sự phổ biến của các giải pháp tự động hoá sử dụng hệ thống truyền
thông số là kết quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ
thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và đương nhiên là của cả kỹ thuật tự động
hoá. Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp ( MCN ) là
một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối
tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bò công nghiệp. Các hệ thống
truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở
nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp
trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bò quan sát, máy tính điều
khiển quan sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công
ty. Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông
có nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau:
• Mạng viễn thông, có phạm vi đòa lý và số lượng thành viên tham gia
lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ
truyền thông, tính năng thời gian thực,…) rất khác, cũng như các
phương pháp truyền thông ( truyền tải dải rộng / dải cơ sở, điều biến,
dồn kênh, chuyển mạch,…) thường phức tạp hơn so với mạng công
nghiệp.
• Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bò kỹ
thuật, trong đó con người đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông
tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu.
Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bò công
nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu. Kỹ
thuật truyền thông được dùng trong mạng viễn thông cũng rất phong
phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc
trưng của mạng công nghiệp.
Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của

mạng máy tính, có thể được so sánh với mạng máy tính thông thường ở
những điểm giống nhau và khác nhau sau:
• Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung
• Mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần (ở
các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty)
trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp.
SVTH: Lưu Văn Khoa Trang 11