Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng cho các trạm bơm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống
điều khiển tự động và giám sát năng lượng
cho các trạm bơm
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn:

Viện:

Chữ ký của GVHD

Điện

HÀ NỘI, 10/ 2020


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động và
giám sát năng lượng cho các trạm bơm”

Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Thu Hà


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới

người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học là TS. Nguyễn Thu Hà. Cô đã tạo điều
kiện và gợi mở cho tôi nhiều ý tưởng, ln tận tình hướng dẫn trong suốt thời
gian tôi nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ lịng cảm ơn tới cơ giáo Đinh Thị Lan Anh, anh Trần Thanh
Hà, Giám đốc Công ty Cổ phần Giải pháp Công nghệ ELANI đã luôn tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi được làm việc, cung cấp nhiều thông tin, kiến thức quan
trọng và được tham gia trực tiếp trong thực tế để tơi có thể hồn thiện được đề tài
của mình.
Đồng thời tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn
Điều khiển tự động – Viện Điện, đã nhiệt tình có những góp ý xây dựng để tơi
hồn thành luận văn của mình.
Tơi cũng xin được trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau
đại học, Viện điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu để có thể hồn thành luận văn này.

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển
tự động và giám sát năng lượng cho các trạm bơm, đây là đề tài mang ý nhĩa thực
tế triển khai ngồi cơng nghiệp và các cơng trình thủy lợi. Bên cạnh nhiệm vụ
chính là tự động hóa trạm bơm thì bài toán giám sát và tiết kiệm năng lượng cũng
là vấn đề cấp thiết được xem xét và giải quyết.
Trên cơ sở đó, học viên chọn hệ thống trạm bơm để “nghiên cứu, thiết kế
và triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các
trạm bơm” làm hướng nghiên cứu chính của đề tài này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2020
HỌC VIÊN

Nguyễn Quang Tiến

MỤC LỤCC LỤC LỤCC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................iv
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU...........................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................vi
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU........................................................................................1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................1
1.2 Mục đích của đề tài.........................................................................................1
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài...................................................2
1.4 Ý nghĩa của đề tài............................................................................................2
1.5 Nội dung của đề tài..........................................................................................3
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG,
GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG..............................................................................4
2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng........................4
2.2 Mơ hình phân cấp hệ thống.............................................................................5
2.2.1 Mơ hình phân cấp.................................................................................5
2.2.2 Chức năng, nhiệm vụ từng cấp.............................................................6
2.3 Các thiết bị chính trong hệ thống.....................................................................7
2.3.1 Các thiết bị điều khiển giám sát............................................................7
2.3.2 Các thiết bị điều khiển tự động.............................................................9
2.3.3 Giao thức truyền thông.......................................................................11
2.3.4. Các thiết bị phụ trợ............................................................................14
2.4 Các giải pháp điều khiển và giám sát năng lượng........................................14
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG, GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BƠM...................17
3.1 Các tiêu chuẩn thiết kế...............................................................................17
3.2 Cơng nghệ và bài tốn đặt ra cho các trạm bơm............................................17
3.2.1 Công nghệ trạm bơm hiện nay............................................................17
3.2.2 Giới thiệu dự án..................................................................................18
3.2.3 Yêu cầu bài toán đặt ra.......................................................................19
3.2 Tính tốn lựa chọn thiết bị.........................................................................20

3.3.1 Hệ thống thiết bị điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu.....................21
3.3.2 Thiết bị hiện trường............................................................................25
3.3.4 Truyền dẫn và cấp nguồn...................................................................28
3.4 Triển khai hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm................28
3.4.1 Sơ đồ cấu trúc mạng và cấu trúc điều khiển.......................................28
3.4.2 Sơ đồ đấu nối thiết bị hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng
trạm bơm Ngòi Hiêng..................................................................................30


3.4.3 Phần mềm lập trình, thuật tốn và lưu đồ...........................................34
3.5 Giao diện điều khiển và biểu đồ báo cáo.......................................................40
3.5.1 Giao diện màn hình điều khiển (HMI)................................................40
3.5.2 Biểu đồ năng lượng và biểu mẫu báo cáo...........................................44
KẾT LUẬN........................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................51
PHỤ LỤC...........................................................................................................52


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
SCADA

Giải thích
Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát
và thu thập dữ liệu)

HMI

Human- Machine Interface (Giao diện người – máy)

PLC

Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển Logic khả trình)

GUI

Graphical User Interface (Giao diện đồ họa người dùng)

I/O

Input/ Output (Đầu vào/ đầu ra ra)

CPU

Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm)

RTU

Remote Terminal Units (Thiết bị đầu cuối)

RAM

Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập tạm thời)

WinCC

Windows Control Center (Trung tâm điều khiển máy tính)

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1 Bảng lựa chọn thiết bị chính hệ thống điều khiển và giám sát năng
lượng trạm bơm...................................................................................................27


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống SCADA...........................................................................4
Hình 2.2. Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống điều khiển và giám sát [10].........5
Hình 2.3 Máy chủ (Server)....................................................................................7
Hình 2.4 Máy trạm (Workstation).........................................................................8
Hình 2.5 Giao diện HMI.......................................................................................8
Hình 2.6 Bộ điều khiển PLC..................................................................................9
Hình 2.7 Cấu trúc PLC.......................................................................................10
Hình 2.8 Module I/O...........................................................................................11
Hình 2.9 Các chuẩn truyền thơng cơng nghiệp [9]............................................11
Hình 2.10 Chuẩn truyền thơng nối tiếp[5]........................................................12
Hình 2.11 Chuẩn truyền thơng Modbus [5]........................................................12
Hình 2.12 Chuẩn truyền thơng Profibus [5].......................................................13
Hình 2.13 Chuẩn truyền thơng Profinet [5]........................................................13
Hình 2.14 Hệ thống giám sát năng lượng của Schneider [8]..............................14
Hình 2.15 Hệ thống giám sát năng lượng của Siemens.......................................15
Hình 3.1 Dự án trạm bơm Ngịi Hiêng................................................................18
Hình 3.2 Mặt bằng tổng thể trạm bơm Ngịi Hiêng.............................................19
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển và thu thập dữ liệu trạm bơm Ngịi Hiêng...20
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạng cho trạm bơm Ngịi Hiêng..................................28
Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển cho trạm bơm Ngịi Hiêng.........................................29
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối đầu vào số của bơm........................................................30
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối đầu ra số của bơm..........................................................31
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Modbus của trạm bơm Ngịi Hiêng................................32

Hình 3.9 Sơ đồ tín hiệu điều khiển bơm.............................................................33
Hình 3.10 Cấu trúc triển khai phần mềm............................................................34
Hình 3.11 Lưu đồ lập trình tổng thể trạm bơm....................................................35


Hình 3.12 Lưu đồ lập trình chế độ Auto.............................................................36
Hình 3.13 Cấu trúc chương trình chính trạm bơm Ngịi Hiêng...........................36
Hình 3.14 Chương trình chính của trạm bơm.....................................................37
Hình 3.15 Chương trình con đọc các thiết bị Modbus.........................................38
Hình 3.16 Chương trình điều khiển động cơ bơm...............................................38
Hình 3.17 Chương trình thiết lập mức nước của bể............................................39
Hình 3.18 Chương trình tổng hợp cảnh báo lỗi của hệ thống.............................40
Hình 3.19 Màn hình chính trạm bơm..................................................................41
Hình 3.20 Giao diện cài đặt thơng số mức nước bể chứa...................................41
Hình 3.21 Giao diện cài đặt thông số cảnh báo nhiệt độ bảo vệ động cơ...........42
Hình 3.22 Single line kết nối đồng hồ với bơm để lấy tín hiệu............................42
Hình 3.23 Báo lỗi khi bật tắt bơm.......................................................................43
Hình 3.24 Giao diện hiển thị các thơng số tham chiếu của 1 bơm......................43
Hình 3.25 Biểu đồ tổng hợp dữ liệu năng lượng theo ngày.................................45
Hình 3.26 Dữ liệu năng lượng tiêu thụ theo giờ..................................................46
Hình 3.27 Dữ liệu năng lượng tiêu thụ theo ngày...............................................47
Hình 3.29 Mẫu Exel báo cáo năng lượng tiêu thụ theo ngày..............................48
Hình 3.28 Mẫu Exel báo cáo năng lượng tiêu thụ theo giờ.................................48
Hình 3.30 Một số hình ảnh thi cơng thực tế lắp đặt tủ PLC, tủ điều khiển giám
sát hệ thống tại trạm bơm Ngòi Hiêng................................................................49


Chương 1. Mở đầu

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống điều khiển tự động và giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA:
Supervisory Control And Data Acquisition) nó khơng những là một hệ thống
điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát [6]
Hệ thống SCADA là hệ thống tự động hóa, với chức năng quản lý và giám
sát tồn bộ hệ thống điện của tịa nhà, nhà máy hay khu công nghiệp giúp nâng
cao hiệu quả cơng trình, hiện đại hố, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, bảo vệ môi
trường.
SCADA thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông
số kỹ thuật chính của nguồn điện như: U, I, kW, kWh, kVA,... Đây là những
thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất
cả thiết bị sử dụng điện của tòa nhà, nhà máy hay trong sản xuất công nghiệp.
Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của
tịa nhà, nhà máy; nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Các tham số đều được đo
bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối mạng, thể hiện thơng số trên màn hình
máy tính và lưu trữ dữ liệu. Hệ thống SCADA giúp quản lý các khoản đầu tư cho
toàn bộ hệ thống điện một cách hiệu quả nhất.
Các ứng dụng của hệ thống tự động và giám sát, thu thập dữ liệu là rất nhiều.
Tùy thuộc vào quy mơ cơng trình cũng như yêu cầu của chủ đầu tư, mà sẽ có các
ứng dụng, mục đích riêng cho mỗi cơng trình khác nhau.
Qua một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống SCADA với sự hướng
dẫn của cô Nguyễn Thu Hà, em quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và
triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các trạm
bơm” là đề tài luận văn tốt nghiệp năm học 2019 - 2020.
1.2 Mục đích của đề tài
Các mục tiêu của đề tài bao gồm:
1. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát và thu
thập dữ liệu (SCADA)

Chương 1. Mở đầu

2. Thiết kế, ứng dụng hệ thống SCADA cho việc điều khiển tự động
các trạm bơm
3. Thu thập, giám sát và lập biều đồ báo cáo dữ liệu năng lượng tiêu
thụ
4. Ứng dụng vào trạm bơm cụ thể ở Việt Nam
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Trạm bơm tiêu được xây dựng để bơm nước từ kênh tiêu hở, từ các hố móng
của vùng ngập nước... Ở nước ta do các sông chia cắt ruộng đất thành từng vùng
có đê ngăn lũ bảo vệ, do vậy về mùa mưa, lũ mực nước sông lên cao hơn mặt
ruộng trong đồng, nước thừa trong đồng không tiêu tự chảy ra sông.
Sở NN&PTNT cho biết, theo đánh giá hiện trạng hệ thống cơng trình thủy
lợi hiện có nhiều cơng trình khơng cịn đáp ứng được cho việc tiêu úng đã gây ra
thiệt hại lớn cho ngành nông nghiệp của Việt Nam. Xác định đây là một trong
những vấn đề quan trọng và cấp bách, sở NN&PTNN các tỉnh, thành phố đã đầu
tư hàng nghìn tỷ đồng sửa chữa, nâng cấp, xây mới cơng trình tiêu úng.
Trong phạm vi đề tài này, hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng
lượng tiêu thụ đã được lựa chọn để làm đề tài nghiên cứu, ứng dụng cho các trạm
bơm hiện nay, có ứng dụng cụ thể cho trạm bơm Ngòi Hiêng, Phú Thọ.
1.4 Ý nghĩa của đề tài
Hệ thống điều khiển và giám sát thu thập dữ liệu là một hệ thống công nghệ
mà hiện nay các cơng trình nói chung và các trạm bơm nói riêng đang có xu
hướng hiện đại hóa, sử dụng cơng nghệ để điều khiển, kiểm soát và quản lý dữ
liệu nên rất cần thiết phải có nó. Chính vì vậy, đề tài này sẽ là nguồn tài liệu cần
thiết cho việc ứng dụng một số hệ thống điều khiển tự động, giám sát, thu thập
dữ liệu cho các nhà máy, công trình, đặc biệt là các trạm bơm ở Việt Nam.
Một ưu điểm khác là toàn bộ hệ thống SCADA sẽ thu thập đủ dữ liệu để
kiểm soát được các quy trình của máy móc, thiết bị, một hệ thống kết nối tiện lợi,
dễ dàng, tối ưu và dễ mở rộng. Sẽ là một lựa chọn hợp lí cho các trạm bơm có thể

ứng dụng để thay thế cho việc quản lý bằng nhân công trực tiếp. Đây sẽ là cơ sở
để có thể phát triển các hệ thống sau này giúp tăng chất lượng và mức độ hiện đại
của các hệ thống sử dụng các thiết bị có thể điều khiển được trong tương lai.


Chương 1. Mở đầu

1.5 Nội dung của đề tài
Nội dung của đề tài được trình bày trong các chương:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng
lượng (SCADA)
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng cho
các trạm bơm
Kết luận và hướng phát triển của đề tài


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG,
GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng
Hệ thống điều khiển tự động, giám sát, thu thập năng lượng, còn được gọi là
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) [10], có cấu trúc chung:

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống SCADA

Sơ đồ hệ thống SCADA (hình 2.1) bao gồm các thành phần như:
-

Hệ thống thiết bị trung tâm: các máy tính giám sát, Server trung tâm,
phần mềm, trạm vận hành

-

Hệ thống dây tín hiệu truyền thơng

-

Hệ thống thiết bị điều khiển: các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các
bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các
module I/O

-

Hệ thống thiết bị trường: thiết bị chấp hành, cảm biến, thiết bị đo đạc,
chuyển đổi tín hiệu
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng

vai trị là giao diện giữa thiết bị điều khiển với q trình kỹ thuật. Cịn hệ thống


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các thiết bị và
các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm - điểm (Point to
Point) hoặc qua mạng truyền thơng. Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín
hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải
được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ ra của máy tính.
2.2 Mơ hình phân cấp hệ thống

2.2.1 Mơ hình phân cấp


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức
năng như hình vẽ minh hoạ dưới đây:
Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn
thiết bị. Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có
mơ hình phân cấp chức năng.
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn
động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị
cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo

Hình 2.2. Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống điều khiển và giám sát [10]

lường/ truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thơng minh (có
bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước
khi đưa lên cấp trên điều khiển.
Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các
bộ cảm biến, xử lý các thơng tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt
lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công
cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút mở/ đóng van, điều chỉnh cần
gạt, núm xoay,… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thơng tin.
Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình
kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngồi ra
trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp
như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo cơng thức.
Thơng thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống
điều khiển và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý và Điều
hành) sẽ giúp ta hiểu thêm một mơ hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể
cho các nhà máy. Gần đây, do nhu cầu tự động hoá tổng thể kể cả ở các cấp điều
hành và quản lý, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian khơng cần
thiết trong mơ hình chức năng trở nên cần thiết.
2.2.2 Chức năng, nhiệm vụ từng cấp
Một hệ thống nhà máy thường được tổ chức phân nhiệm thành nhiều cấp
quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển riêng lên những
đối tượng trong hệ thống. Các đối tượng máy móc, thiết bị, động cơ thường lắp
đặt trong vùng của cấp quản lý, đồng thời cũng có một đặc điểm nữa là một đối
tượng tùy thuộc giám sát- điều khiển của cấp trên về mặt điều khiển nhưng cũng
thuộc sự giám sát - điều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn đoán và bảo
dưỡng của các cấp khác thấp hơn. Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ
chức các cấp SCADA quản lý hệ thống hoạt động của nhà máy ngày nay [1]
Thông thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý được trợ giúp tự động
hoá bằng một hệ SCADA của cấp ấy. Mỗi cấp sẽ thực hiện bài tốn phân tích,
tính tốn được giao và tính đưa ra các lệnh thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ
tiêu đóng cắt các đối tượng của mình, qua hệ truyền tin gửi lệnh đó đến cấp
SCADA có liên quan để thực hiện. Để giải quyết những bài tốn điều khiển phân
tích riêng này của mình thì SCADA mỗi cấp thường được trang bị thêm những
phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên dụng. Những thiết bị này lấy số
liệu hiện hành từ SCADA cung cấp để giải bài tốn đó và xuất ra kết quả cho
người vận hành và cho hệ SCADA.
Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
-

Thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về tình trạng hoạt
động và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch
sử về đóng cắt, sự kiện thao tác, báo động …)


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

-

Dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển, giám sát sự
hoạt động

-

Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình hoạt động (trang màn hình, trang
đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo dữ liệu…)

-

Điều khiển từ xa q trình hoạt động (đóng cắt các máy móc thiết bị, tăng
giảm nấc phân áp …)

-

Thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài (đọc viết số
liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu cầu của
cấp trên về số liệu, về thao tác hệ)
Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động

hoá việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng cụ thể trong hoạt động

quản lý và điều hành thiết bị của các nhà máy. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài
tốn tự động hố ta có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số những nhiệm
vụ tự động hoá như: thu thập giám sát từ xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ
xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý.
2.3 Các thiết bị chính trong hệ thống
2.3.1 Các thiết bị điều khiển giám sát
 Máy chủ (Server):
 Khái niệm máy chủ (Server)
Máy chủ là một máy tính được kết nối với
mạng máy tính hoặc internet, có IP tĩnh, có năng
lực xử lý cao. Trên đó người ta cài đặt các phần
mềm để phục vụ cho các máy tính khác truy cập
để yêu cầu cung cấp các dịch vụ và tài nguyên.

Hình 2.3 Máy chủ (Server)

Hay nói đơn giản thì máy chủ cũng là một
máy tính, nhưng được thiết kế với nhiều tính năng vượt trội hơn, năng lực lưu trữ
và xử lý dữ liệu cũng lớn hơn máy tính thơng thường rất nhiều.

 Các loại máy chủ
Căn cứ theo phương pháp tạo ra máy chủ, người ta phân thành ba loại:
Máy chủ vật lý riêng (Dedicated Server): là máy chủ chạy trên phần cứng và các
thiết bị hỗ trợ riêng biệt gồm: HDD, CPU, RAM, Card mạng.. . Việc nâng cấp


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

hoặc thay đổi cấu hình của máy chủ riêng đòi hỏi phải thay đổi phần cứng của
máy chủ.

Máy chủ ảo (VPS): là dạng máy chủ được tạo thành bằng phương pháp sử dụng
cơng nghệ ảo hóa để chia tách từ một máy chủ vật lý riêng thành nhiều máy chủ
ảo khác nhau.
Máy chủ đám mây (Cloud Server): là máy chủ được kết hợp từ nhiều máy chủ
vật lý khác nhau cùng với hệ thống lưu trữ SAN với tốc độ truy xuất vượt trội
giúp máy chủ hoạt động nhanh, ổn định, hạn chế mức thấp tình trạng downtime.
 Máy trạm (Workstation)
Máy trạm (workstation) là máy tính dành riêng cho các nhân hoặc doanh
nghiệp sử dụng để chạy các ứng dụng kỹ thuật, khoa học. Nó có cấu hình mạnh
hơn, chạy nhanh hơn và có nhiều khả năng hơn máy tính bình thường. Đặc thù
của máy trạm là được kết nối với nhau qua mạng và phục vụ nhiều User cùng
lúc.
Máy trạm được xây dựng với các linh kiện
vượt bậc, chủ yếu là CPU, đồ họa, bộ nhớ và khả

Hình 2.4 Máy trạm
(Workstation)

năng xử lý đa nhiệm. Nó được tối ưu hóa trong
việc xử lý các dữ liệu phức tạp như bản vẽ, cơng
thức tốn học, mơ phỏng, …
 HMI
HMI là từ viết tắt của Human-MachineInterface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành
và máy móc thiết bị. Nói một cách chính xác, bất cứ cách
nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua 1 màn
hình giao diện thì đó là một HMI [2]

Hình 2.5 Giao diện
HMI

Ưu điểm của HMI:
-

Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thơng tin.

-

Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thơng tin cần thiết

-

Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.

-

Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều
loại giao thức.

-

Khả năng lưu trữ cao.


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

Ngoài ra, phần điều khiển giám sát cịn có các phần mềm, trạm vận hành,
điều khiển….
2.3.2 Các thiết bị điều khiển tự động
 Bộ điều khiển lập trình PLC
 Khái niệm

Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable
Logic Controller, viết tắt: PLC) hay còn gọi là bộ
điều khiển lập trình, là thiết bị điều khiển lập trình
được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các
thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ
lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực
hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này

Hình 2.6 Bộ điều khiển
PLC

được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác
động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự
kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC
hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự
thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo [7]

 Cấu trúc PLC


Chương 2. Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng

Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau:
-

Bộ nhớ chương trình RAM, ROM

-

Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trị xử lý các thuật tốn

-

Các module vào/ra tín hiệu

 Nguyên lý hoạt động của PLC
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong
chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới
các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ
thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường
tín hiệu song song:
-

Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác
nhau

-

Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

-

Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu
khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào ra

thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm
cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.

Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ
chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8