GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SCADA CHƯƠNG II CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN
CỨNG HỆ THỐNG SCADA

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
- Các thiết bị điện tử thông
minh IED (Intelligent
Electronic Devices);
-Cấu trúc thiết bị đầu cuối
RTU (Remote Terminal Unit);
-Ứng dụng khối điều khiển
lập trình PLC (Programmale
Logic Controllers) trong hệ
thống SCADA;
-Cấu trúc của trạm điều
khiển trung tâm;
-Cấu trúc truyền thông;
-Giao diện Người – Máy HMI
(Human Machin Interface).
§2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
§2.2 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH IEDs
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
Biểu thị
Điều khiển
Ghi lại
các sự cố
Kiểm tra
Bảo vệ

IDE
2.2.1. Chức năng của IED
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA

2.2.2. Rơle kỹ thuật số
Cấu trúc chung của một rơle kỹ thuật số thể hiện dạng các khối như dưới
Biến đổi đại
lương đầu
vào I,U
Lọc
tương tự
Biến đổi
tương tự
A/D
Tín hiệu nhị
phân BI
Khối xử lý tín hiệu
µP
Lưu
trữ
và
giao
tiếp
với
thiết
bị
Các phần
tử thực
hiện:
Rowle cắt
đầu ra;
đèn LED
cảnh báo
Nguồn thao tác

Hình 2.2. Cấu trúc rơle kỹ thuật số
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.2.2. Rơle kỹ thuật số
• Hình dáng bên ngoài của một rơle
khoảng cách số MICOM P441 như hình
1. Trong đó:
• (1) - màn hình tinh thể lỏng (LCD) có thể
hiển thị 16 kí tự dưới hai hàng.
• (2) - bốn đèn LED cố định.
• (3) - tám đèn LED hiển thị vùng khả trình.
• (4) - hệ thống các phím chức năng.
• (5) - phím chức năng đọc, xoá các kí tự
và hiển thị thời gian.
• (6) - vỏ bọc và kí hiệu sản phẩm.
• (7) - tấm che chắn bảo vệ các đầu kết nối
cổng truyền thông.
• (8) - phần đầu kẹp chì.
MICOM P441
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
Chức năng của từng khối như sau :
1) Đầu vào: Dòng điện và điện áp được lấy từ các cuộn dây thứ cấp
của biến dòng điện và biến điên áp.
2) Khối biến đổi đại lượng đầu vào.
Dòng điện và điện áp danh định của thứ cấp biến dòng điện và biến
điện áp có trị 5A, 1A và 110 V, 100 V còn quá lớn so với các thông số
vào của linh kiện rơle, do đó cần phải giảm tín hiệu vào xuốn thấp cỡ
vài mA và khoảng 10 V.
3) Khối lọc tương tự.
Lọc nhiễu, hài bậc cao và các thành phần không mong muốn trong
các đại lượng đầu vào.

4) Khối biến đổi tương tự - số A/D ( Analog/Digital)
Biến đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
5) Khối xử lý tín hiệu số µP.
Khối này có chức năng xử lý các tín hiệu đầu vào, sử dụng các bộ vi xử lý
16 bit hoặc 32 bit. Đối với các rơle phức tạp như rơle khoảng cách, rơle so
lệch bảo vệ máy phát điện, máy biến áp, đường dây siêu cao áp, hệ thống
thanh cái sử dụng từ 2÷3 µP và mỗi bộ vi xử lý thực hiện các chức năng
nhiệm vụ sau:
- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ chính;
- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng;
- Vi xử lý thực hiện chức năng điều khiển: Phần mềm tính toán trong các
chế độ vận hành bình thường, sự cố, giáo tiếp với các thiết bị và hệ thống
bên ngoài và phần tử quan trọng nhất làm nhiệm vụ : Xác định sự cố các đại
lượng đầu vào, So sánh quan hệ logic giữa các đại lượng, Đưa ra các quyết
định cảnh báo, cắt sự cố,…
6) Lưu trữ số liệu và giáo tiếp với thiết bị.
Khối này có các nhiệm vụ :
- Lưu trữ dữ liệu ở chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố;
- Công giao tiếp trao đổi dữ liệu, cung cấp tín hiệu cho phần mềm phân tích
sự cố;
- Kết nối thông tin với các đối tượng khác, hệ thống thông tin và điều độ.

• 7) Các phần tử thực hiện.
• - Các rơle thừa hành thực hiện việc đóng cắt máy cắt điện, đưa
đi cảnh
• báo đèn, còi, chuông,…
• - Các đèn tín hiệu LED thông báo về trạng thái của rơle: sẵn
sàng, lỗi phần cứng/mềm, hoạt động của các chức năng.

• 8) Tín hiệu nhị phân BI ( Binary Input)
• Khối này nhận tín hiệu nhị phân từ điều độ hoặc nhận các tín
hiệu nhị phân từ các phần tử khác thực hiện phối hợp liên động
trong vận hành của hệ thống.
• 9) Nguồn thao tác.
• Biến đổi các nguồn điện 220V, 110V thành điện áp 12V, 24V,
48V DC cung cấp cho các nguồn linh kiện


CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
• 2.2.3. Công tơ điện tử nhiều biểu giá
• Một công tơ điện tử nhiều biểu giá gồm các khối Chức năng của từng
khối như sau :
1) Đầu vào (Input)
2) Đầu ra ( Output)
• 3) Hệ thống đo lường
• 4) Xử lý tín hiệu
• 5) Các giá trị đo
• 6) Thay đổi biểu giá
7) Dữ liệu cho việc in hóa đơn
• 8) Bộ nhớ
• . 9) Nguồn nuôi
• 10) Giao diện truyền tin.

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
• 2.2.3. Công tơ điện tử nhiều biểu giá
•
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
• 2.2.3. Công tơ điện tử nhiều biểu giá

Chức năng của từng khối như sau :
1) Đầu vào (Input)
Những tín hiệu đầu vào chủ yếu là :
- Điện áp các pha (U1, U2, U3) và trung tính UN, dòng các pha (I1, I2,
I3). Các đại lượng này cung cấp tín hiệu cho hệ thống đo lường, cung cấp
nguồn nuôi cho công tơ và điện áp giám sát.
- Điện áp điều khiển Ut để thay đổi giá trị điện năng và nhu cầu biểu
giá, cài đặt lại các giá trị, hạn chế nhu cầu sử dụng, đồng bộ các thông số.
- Các nút màn hình để lật trang màn hình, cài đặt thông số cho công tơ
và xóa giá trị điện năng.

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
• 2.2.3. Công tơ điện tử nhiều biểu giá
2) Đầu ra ( Output)
Các tín hiệu đầu ra của công tơ bao gồm:
- Màn hình tinh thể lỏng LCD và các phím bấm dùng cho việc đọc tại
chỗ các thông số : Giá trị điện năng, Điện áp, Dòng điện, góc pha, tần số,
công suất,…
- Tín hiệu quang dùng cho việc thí nghiệm công tơ: các đèn LED với tần
xuất phát tín hiệu tỷ lệ với giá trị điện năng công tơ đo được trong một
khoảng thời gian xác định.
- Các rơle tĩnh sử dụng cho việc cảnh báo tín hiệu mà công tơ xác định
như mất điện áp, quá dòng điện, ngược chiều công suất,….
- Giao diện quang sử dụng cho việc thu thập dữ liệu tại chỗ bằng thiết bị
cầm tay HHU (Hand Held Unit) phù hợp.
- Giao diện thông tin RS232, RS485, Optical,…
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
• 2.2.3. Công tơ điện tử nhiều biểu giá
3) Hệ thống đo lường
Tín hiệu điện áp và dòng điện từ cuộn dây thứ cấp của biến dòng và biến

điện áp được chuyển đổi từ 1(5)A và 100(110)V xuống cỡ mA và mV
thông qua các Shunt dòng điện và điện trở phân áp, sau đó tín hiệu dòng
và áp được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự - số A/D (Analog/Digital) và
bộ chuyển đổi này sẽ biến đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu số tức thời
thông qua các mức hiệu chuẩn đưa tới bộ xử lý tín hiệu số.
4) Xử lý tín hiệu
Bộ xử lý tín hiệu xác định số lượng giá trị đo từ giá trị số tức thời đầu
vào như sau:
- Công suất tác dụng và công suất phản kháng của từng pha;
- Điện áp và dòng điện từng pha;
- Tần số, góc lệch pha.
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
§2.3. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU


CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
§2.3. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU


CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
§2.3. THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI RTU

-Thiết bị đầu cuối RTU ( Remote Terminal Unit) là một thiết bị thu
thập thông tin từ các IEDs do nó quản lý, lưu vào cơ sở dữ liệu và
gửi thông tin tới trạm chủ hoặc cấp quản lý cao hơn qua các đường
truyền tin. Thông thường, RTU là thiết bị xử lý thông minh có thể
giám sát và điều khiển các thiết bị đặt ở xa trung tâm điều khiển và
truyền các tín hiệu thu thập được đến trung tâm điều khiển.

- Một RTU loại nhỏ thường có ít hơn 20 tín hiệu số và tương tự, loại

RTU trung bình có 100 tín hiệu số và khoảng từ 30 đến 40 tín hiệu
tương tự. Những loại RTU có số lượng IO lớn hơn nữa thì được gọi
là RTU loại lớn.
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
Cấu trúc phần cứng cơ
bản của RTU gồm
những phần sau
-Bộ xử lý trung tâm CPU
(Central Processing Unit);
-Các đầu vào tương tự AI
( Analog Input);
-Các đầu ra tương tự AO
( Analog Output);
-Các đầu vào đếm;
-Các đầu vào số DI
( Digital Input);
-Các đầu ra số DO
( Digital Output);
-Giao diện truyền thông;
-Nguồn cấp.
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.3.2. B xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit)
Thường dùng họ vi xử lý 16 bit hoặc 32 bit. Tổng dung lượng bộ nhớ 256
kByte (có thể mở rộng lên 4 Mbytes) được chia làm ba loại sau:
EPROM 256 kByte
RAM 640 kByte
EEPROM 128 kByte
Các CPU của RTU thường có thêm một bộ xử lý toán học để thực hiện các
công việc tính toán phức tạp.
Cổng truyền thông của CPU thường có hai hoặc ba cổng RS-232/RS-422

hoặc RS-485 dùng cho các công việc sau:
Giao tiếp với các thiết bị kiểm tra lỗi;
Giao tiếp với các Trạm vận hành;
Kết nối truyền thông với Trung tâm điều khiển.
CPU được thiết kế một hệ thống đèn LED báo lỗi để thông báo các sự cố và
báo lỗi của CPU, của các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output).
Một bộ phận khác rất quan trọng của CPU đó là bộ định thời, cung cấp thời
gian thực giúp cho việc thông báo các sự kiện theo thời gian được chính
xác tuyệt đối.
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.3.3. Mô-đun đầu vào
tương t AI ( Analog Input)
Sơ đồ phần cứng của Mô-đun
đầu vào tương tự như bên:
Mô-đun đầu vào tương tự AI
có năm thành phần chính như
sau:
-Bộ đa cổng đầu vào (The
input multiplexer);
-Bộ khuếch đại tín hiệu đầu
vào (The input signal
amplifier);
-Mạch lấy mẫu và giữ tín hiệu;
-Bộ chuyển đổi tín hiệu tương
tự sang tín hiệu số A/D
(Analog/Digital);
-Giao diện truyền dữ liệu (Bus
interface) và hệ thống định
thời (Timing system)
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA

Các mô-đun đầu ra tương tự có đặc điểm sau:
- 8 đầu ra tương tự;
- Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit;
- Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms;
- Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V.
2.3.4. Mô-đun đầu ra tương t AO (Analog Output)

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.3.5. Mô-đun đầu vào số DI
(Digital Input)

- Hầu hết các mạch đầu vào số
thường có 8, 16 hoặc 32 đầu.
- Có hệ thống đèn hiển thị LED để
hiển thị trạng thái của từng tín hiệu.

Theo chuẩn, các tiếp điểm thường đóng hoặc thường mở được sử dụng để làm
tín hiệu cảnh báo (Alarm).
Thông thường, các đầu vào Alarm thường đóng được sử dụng để chỉ ra trạng
thái của Alarm.

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.3.6. Mô-đun đầu ra số DO (Digital Output)

Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số
- 8 đầu ra số;
- Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC;
- Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng
tín hiệu;
- Có cách ly để bảo vệ tín hiệu.

CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.3.7. Mô-đun số/ tương tự
Do yêu cầu của ứng dụng, nhiều RTU cần có cả mô-đun số và
tương tự, các mô-đun này được chế tạo có đặc điểm sau:
4 đầu vào tương tự (8 bit);
2 đầu vào số;
1 đầu ra số;
CHƯƠNG II: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
2.3.8. Mô-đun truyền thông
Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện
truyền thông nhiều như:
RS-232/RS-442/RS-485;
Dialup telephone lines/dedicated landlines;
Microwave/MUX;
Satellite.
X.25 packet protocols
Radio via trunked/VHF/UHF/900 MHz.
2.3.9. Mô-đun nguồn cấp
Các RTU có thể hoạt động ở nguồn cấp 110/240V AC ±10% 50Hz
hoặc 12/24/48V DC ±10%. Mặt khác để đảm bảo cho hoạt động của RTU
được liên tục kể cả khi có sự cố mất điện thì các pin sử dụng cho RTU
phải là loại pin chất lượng cao như lead acid hoặc nickel cadmium. Các
loại pin này đảm bảo cho RTU có thể hoạt động được khoảng 20 giờ.