hệ thống scada trong hệ thống điện

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI ĐIỆN LỰC

PGS-TS PHẠM VĂN HÒA
ThS ĐẶNG TIẾN TRUNG
ThS LÊ ANH TUẤN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

(Supervisory Control And Data Acquisition system)

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà nội 2010

2
 
 


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, hệ thống lưới truyền tải , lưới
phân phối và các phụ tải tiêu thụ điện; Chúng có quan hệ gắn bó với nhau
thành một thể thống nhất, nếu bị phá vỡ thì sẽ xảy ra những hậu quả nặng
nề cho toàn hệ thống, ảnh hưởng không nhỉ đến nền kinh tế của toàn quốc.
Do vậy đòi hỏi một sự quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống an
toàn, tin cậy cho toàn hệ thống.
Cùng với sự phát triển của hệ thống điện hiện đại có các thiết bị điện
ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển vận

hành hệ thống điện cũng không ngừng phát triển với sự trợ giúp đắc lực của
các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin và thiết bị điều khiển từ xa, các hệ
thống giám sát điều khiển hệ thống điện. Một trong các hệ thống trợ giúp
đắc lực đó là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition).
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu SCADA ngày càng gần
gũi hơn đối với các kỹ sư, kỹ thuật viên và sinh viên ngành Hệ thống điện và
việc trang bị chúng cho Hệ thống điện là hết sức cần thiết. Các hãng trên
thế giớ đã chế tạo, lắp đặt nhiều mô hình SCADA khác nhau đối với Hệ
thống điện, nhà máy điện, lưới điện hạ thế, công ty,…để quản lý vận hành
các sơ đồ lưới cũng như các thiết bị kỹ thuật số ngày càng được sử dụng
nhiều.
Cuốn sách “ Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong hệ
thống điện “ nhằm trợ giúp cho sinh viên, kỹ sư vận hành hệ thống điện
những kiến thức cơ bản về hệ thống SCADA và phạm vi ứng dụng chúng
trong điều độ hệ thống điện, trong nhà máy điện và lưới điện hạ thế.
Nội dung cuốn sách gồm tám chương chính như sau:
Chương một: Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập
dữ liệu trong Hệ thống điện.
Chương hai: Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA.

 

3
 


Chương ba: Cấu trúc phần mềm hệ thống SCADA.
Chương bốn: Các hệ thống mạng cục bộ dùng cho SCADA
Chương năm:Thiết bị MODEM và phòng điều khiển trung tâm.

Chương sáu: Ứng dụng của hệ thống SCADA trong Hệ thống điện
Cuốn sách “Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong hệ
thống điện “ được dùng chủ yếu cho sinh viên ngành Hệ thống điện, Công
nghệ thông tin, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư vận hành hệ thống
điện, vận hành các hệ thống thông tin.
Trong quá trình viết cuốn sách này nhiều cụm từ tiếng Anh chung tôi
không dịch sang tiếng Việt do đó là danh từ riêng hoặc nếu có dịch sẽ dài
mà không sát nghĩa và hơn thế nữa chúng là cụm từ chuyên dụng trong
chuyên ngành thông tin.
Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cán bộ
giảng dạy tại trường Đại học Điện lực đã tận tình giúp đỡ để hoàn thành
cuốn sách này.
Rất mong sự đóng góp của các độc giả để cuốn sách ngày một hoàn thiện
hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Hệ thống điện, trường Đại học
Điện lực.
Tel (04)22185612. Emai:hoapv@.epu.edu.vn
Xin chân thành cảm ơn.
Thay mặt tập thể tác giả
PGS-TS PHẠM VĂN HÒA

4
 
 


DANH MỤC CÁC CHƯ VIẾT TẮT
ACC

Area Control Center

Trạm điều khiển vùng

A/D

Analog/Digital

Chuyển đổi tương tự sang số

AI

Analog Input

Đầu vào tương tự

AO

Aanalog Output

Đầu ra tương tự

ASSCII

Americain Standard Code for
Information Interchange

Bảng mã chuẩn của Mỹ để
trao đổi thông tin

AUI

Attachment Unit Interface

BCD

Binary Cod Digit

Hệ mã nhị phân

BF

Bus Field

Bus trường

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detect

Đa truy cập nhận biết sóng
mang tránh xung đột

DA

Distribution Automation

Tự động hệ thống phân phối

DCS

Distributed Control System

Hệ thống điều khiển phân
tán

DI

Digital Input

Đầu vào số

DMM

Digital Multifunctional Meter

Đồng hồ kỹ thuật số đa chức
năng

DO

Digital Output

Đầu ra số

DNS

Domain Name Service

Phục vụ tra cứu danh sách
trên mạng

DR

Digital Relay

Rơ le kỹ thuật số

DSM
EMS


 

Nhu cầu điện năng
Energy Management System

Hệ thống quản lý năng
lượng
5
 


FACTS

Flexible AC transmission
Systems)

FDDI

Fiber Distributed Data
Interface

FR

Fault Recorder

FTP

File Transfer Protocol

FTP

Fole Transfer Protocol

GUI

Graphical User Interface

Màn hình giao diện đồ họa

HDD

Hard Disk Drive

Ổ cứng

HDLC

High Level Data Link Control

Điều khiển liên kết dữ liệu
bậc cao

HMI

Human Machine Interface

Giao diện người-máy

HUU

Hand Held Unit

Thiết bị cầm tay

IEC

International Electrotechnical
Committee

IED

Intelligent Electronic Devices

Thiết bị điện tử thông minh

IO

Input Output

Vào ra

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LCC

Logical Link Control

Điều khiển liên kết logic

MAC

Medium Access Control

Kiểm soát truy nhập truyền
dẫn

MAP

Manufacturing Message
Protocol

MAU

Medium Attachment Unit

Thiết bị điện tử thu phát

MODEM

Modulator/Demodulator

Điều biến/Giải điều biến

OSI

Open System Interconnection

Kiến trúc giao thức

6
 
 

Thiết bị điều chỉnh trong hệ
thống truyền tải xoay chiều
linh hoạt

Bộ ghi sự cố


PC

Personal Computer

Máy tính các nhân

PLC

Programmale Logic
Controllers

Bộ điều khiển logic lập
trình

PLC

Power Line Carrier

Thiết bị thông tin tải ba

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ trong

RTU

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối

SCADA

Supervisory Control And Data
Acquisition system

Hệ thống điều khiển giám
sát và thu thập số liệu

SMTP

Somple Mail Transfer Protocol

SNMP

Simple Network Management
Protocol

SS

Substation Server

TC

Technical Commitee

TCP/IP

Transmission Control Protocol/
Internet Protocol

 

Điều khiển mức trạm

7
 


8
 
 


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
§ 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG
Khả năng thực hiện các hoạt động tại một trạm điện không có nhân viên
kỹ thuật, gọi là trạm không người trực được thực hiện từ Trung tâm điều độ
địa phương hoặc từ Trung tâm điều độ vùng/miền. Điều đó tiết kiệm được
rất nhiều chi phí trong quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), nhưng tất
yếu phải dảm bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo yêu
cầu.
Thật vậy, trong HTĐ cần có các thao tác như đóng mở máy cắt, dao
cách ly, theo dõi đọc số liệu từ xa,…nhưng chi phí để duy trì nhân viên tại
chỗ tỏ ra không hợp lý, ngoai ra việc xử lý chậm trễ của nhân viên kỹ thuật
khi xảy ra sự có thể kéo dài thêm thời gian khắc phục sự cố và làm giảm
chất lượng phục vụ khách hàng. Hơn nữa chi phí duy trì nhân viên vận hành

tại chỗ sẽ càng tăng cao khi thực hiện các thao tác đóng cắt, điều này làm
cho chi phí đó trở nên không kinh tế.
Đây là những nguyên nhân chủ yếu làm cho các hệ thống điều khiển
giám sát và thu thập số liệu, gọi tắt bằng tiếng anh là SCADA (Supervisory
Control and Data Acquisition system) phát triển trong hệ thống. Thiết bị
điều khiển từ xa các thiết bị điện đã được sử dụng trong nhiều năm gần đây
và nhu cầu về thông tin cũng như điều từ xa dẫn đến sự phát triển các hệ
thống thiết bị có khả năng thực hiện các thao tác, kiểm soát chúng và báo
cáo lại với Trung tâm điều độ các thao tác điều khiển theo yêu cầu đã thực
hiện có kết quả; đồng thời cũng cần thông báo các thông tin quan trọng khác
như các thông số vận hành của lưới điện như dòng điện, điện áp, công suất,
tần số tới Trung tâm điều độ. Ban đầu một hệ thống như vậy phụ thuộc vào
nhiều đường dây thông tin liên lạc truyền tín hiệu giám sát, điều khiển. Thế
hệ đầu của hệ thống SCADA không thể đáp ứng được với việc thực hiện
nhiều thao tác điều khiển, nhưng với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh

 

9
 


vực thông tin ngày nay các thao tác điều khiển, giám sát trong hệ thống
SCADA là rất lớn khi thực hiện các mệnh lệnh từ Trung tâm điều độ.
Hiện nay tại các Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam, Trung tâm
điều độ hệ thống điện quốc gia và hầu hết các trạm biến áp từ cấp điện áp
110 kV trở lên ở nước ta đều được trang bị hệ thống SCADA. Hệ thống này
rất có hiệu quả trong giám sát, điều khiển vận hành HTĐ.
§1.2. SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA
Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một

hệ thống công nghiệp bất kỳ. Đối với HTĐ, đặc thù của nó là quy mô của hệ
thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, và bao gồm nhiều
phần tử, thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau, đó đó
việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất cả các
chức năng giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp. Chính vì vậy tùy theo
mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các
chức năng giám sát, điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân
cấp cho các thiết bị khác nhau. Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất,
với một công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường được chia
thành ba cấp cơ bản như sau đây:
1.2.1. Cấp thứ nhất
Cấp thứ nhất của hệ thống SCADA, các phần tử có chức năng giám sát
các thông số vận hành của lưới, điều khiển ra lệnh cho các phần tử đóng cắt,
ghi chụp phân tích các sự cố xảy tra trên lưới , đó là rơ le bảo vệ kỹ thuật số
DR (Digital Relay), bộ ghí sự có FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ thuật số
đa chức năng DMM (Digital Multi-function Metter), các bộ biến đổi công
suất, dòng điện, điện áp, tần số (Transducer)…..Khi xảy ra sự cố, các rơ le
tính toán và tác động theo thông số chỉnh định đã được cài đặt mà không
cần liên lạc với hệ thống cấp trên. Ngoài ra các phần tử thuộc cấp này còn
có chức năng thu thập số liệu, thông số vận hành ở các chế độ bình thường
của HTĐ để gửi lên các máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server )
hoặc các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit). Trong các hệ
thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là thiết bị điện tử thông
minh IED (Intelligen Electronic Devieces), chúng có các nguyên lý làm việc
và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp (Protocol), cho
10
 
 

phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm (
peer to peer) và trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) hoặc
RTU. Về nguyên tắc sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh
hưởng đến các IED khác trong hệ thống.
1.2.2. Cấp thứ hai
Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Điều khiển tram SS (Substation
Server) và RTU có chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó
quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ
qua các giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) và truyền dữ
liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn truyền thông tin
1.2.3. Cấp thứ ba
Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thực hiện
việc thu thập số liệu từ các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và
RTU, thực hiện các chức năng tính toán đánh giá trạng thái của hệ thống, dự
báo nhu cầu phụ tải và thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng như
việc phân phối lại công suất giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của
toàn hệ thống.
Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều
khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm
(Central control) và các trạm điều khiển vùng (Area Control Center)
§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA
Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau:
1.3.1. Chức năng giám sát
1) Giám sát và đảm bảo được tính chính xác toàn bộ các thông số vận
hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, vị trí nấc của
máy biến áp,…
2) Giám sát được các trạng thái của các phần tử đóng cắt trong hệ thống.
Đó là trạng thái đóng/mở của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa,…
1.3.2. Chức năng điều khiển
1) Quá trình điều khiển phải chính xác, tin cậy.

 

11
 


Trong quá trình thực hiện các thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly,
điều khiển chuyển nấc phân áp của máy biến áp,… từ xa ( từ Trung tâm
điều độ vùng/miền hoặc quốc gia phải đảm bảo tuyệt đối tin cậy, không
được nhầm lẫn, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về tính
liên động phối hợp giữa máy cắt, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân
theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống.
2) Cài đặt thông số từ xa.
Khi có sự thay đổi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao công suất chống
quá tải thì các thông số vận hành của lưới và thiết bị sẽ thay đổi, vì vậy ta
cần phải đặt lại các thông số chỉnh định bảo vệ rơ le hoặc thay đổi tỷ số biến
đổi trong các thiết bị đo đếm như đồng hồ và công tơ cho phù hợp với thực
tế. Việc cài đặt này có thể được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ
vung/miền hoặc quốc gia
1.3.3. Quản lý và lưu trữ dữ liệu
Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị, cảnh
báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên màn hình hiển thị,
ghi lại được các chuỗi sự kiện, sự cố xảy ra và xác định chuẩn đoán sự cố.
Tất cả các chức năng trên của hệ thống phải được bảo mật ở mức cao
nhất và tuyệt đối tin cây.
1.3.4. Tính năng thời gian thực
SCADA là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong
thời gian thực, do đó tính năng thời gian của hệ thống là rất cần thiết và

quan trọng. Sự hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ
thống điện nói riêng làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào
độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời
điểm đưa ra kết quả. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất
thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng hơn phải có phản ứng kịp
thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. Như vậy một hệ thống truyền
tin có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một
cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông. Do đó tính
năng thời gian thực một hệ thống giám sát, điều khiển phụ thuộc vào rất
nhiều hệ thống thông tin sử dụng trong hệ thống đó, ví dụ như hệ thống Bus
trường.
12
 
 


Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống Bus phải có những
đặc điểm sau :
1) Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thông tin hữu ích phải đủ nhanh để đáp
ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.
2) Tính tiền định: Dự đoán trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và
thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm.
3) Độ tin cậy, kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển
dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định.
4) Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không
gây thiệt hại thêm cho toàn bộ hệ thống.
§1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA
Từ sự phân cấp quản lý hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu
cũng như yêu cầu chung của hệ thống SCADA nêu trên, một hệ thống
SCADA cần có cơ cấu cơ bản như sau:

Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu
cuối từ xa RTU (Remota Terminal Units) hoặc là các khối (bộ) vi điều
khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng
giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều
khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
•

Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ
trung tâm (central host computer server).
•

Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công
nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồng kênh có chức
năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
•

Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các
thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các
quá trình hoạt động của hệ thống.
•

Theo các thành phần có một cơ chế thu thập dữ liệu như sau :
Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở
quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với
chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên

 

13
 

trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu
từ các RTU này.
Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ
đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị
chấp hành thực thi nhiệm vụ.
Trong quá trình truyền tải dữ liệu, dữ liêu có thể là dạng liên tục (anlog),
dạng số (digital) hay dạng xung (pulse).
Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình
giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ
thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời
điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì
hình ảnh này cũng thay đổi theo.
Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian,
hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình
giao diện đồ họa GUI dưới dạng đồ thị.
Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công
khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa
chọn một trong các cách xử lí sau:
• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các
RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ
được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì
các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại
bình thường.
• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA
đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền
thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ
phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc
hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).

§1.5. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ
14
 
 


PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG SCADA
Vào giữa những thập niên 90 của thế kỷ trước những hệ thống SCADA
đầu tiên chỉ có tác dụng thu thập dữ liệu từ các bộ cảm biến bằng các đồng
hồ đo, đèn báo, và các bộ ghi dữ liệu hiển thị dưới dạng đồ thị. Hệ thống
này hết sức đơn giản (hình 1.1), không đáp ứng được yêu cầu công nghệ
trong sản xuất.

Hình 1.1. Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai.
Đến năm 2000, các chuẩn truyền thông như IEC870-5-101/104 và DNP
3.0 ra đời đã phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như giải pháp
cho hệ thống SCADA. Các thiết bị cảm biến thu thập dữ liệu được thay thế
bằng các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output) sử dụng các chuẩn giao thức mở
như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn giao thức TCP/IP (Transmission
Control Protocol/ Internet Protocol).
Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công
nghệ chuẩn truyền thông Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần
thay thế các chuẩn cũ hơn. Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa và
thông tin phần mềm Wonderware và công ty tự động hóa Rockwell thế hệ
tiếp theo có thể là chuẩn OPC-UA, do có nhiêu ưu điểm từ việc hỗ trợ của
công nghệ thông tin do sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup
Language), các dịch vụ Web và các công nghệ Web hiện đại khác. Hình 1.2
là một ví đụ về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
hiện đại. Hình 1.3 thẻ hiện chi tiết một hệ thống SCADA.
Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát SCADA là một hệ

thống bao gồm các thiết bị đầu cuối RTU làm nhiệm vụ nhận tín hiệu điều
khiển từ trạm vận hành trung tâm và thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm

 

15
 


biến tại hiện trường gửi dữ liệu trả lại trạm chủ thông qua một hệ thống
truyền thông. Các trạm chủ hiển thị các thông số thu thập được và đồng thời
cho phép người vận hành có thể điều khiển được thiết bị từ xa.
Ưu điểm của hệ thống SCADA là các dữ liệu chính xác và kịp thời
(thường là thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động của nhà máy và
quá trình. Hơn nữa hệ thống SCADA luôn có hiệu quả hơn, độ tin cậy cao
và an toàn hơn trong vận hành.

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển giám sát và thu thập
dữ liệu SCADA hiện đại
Công nghệ SCADA đã hình thành và phát triển rất sớm cùng với sự canh
tranh của hai công nghệ khác là điều khiển phân tán DCS (Distributed
Control System) và bộ điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic
Controllers). Một đặc điểm khác nhau cơ bản nhất giữa hệ thống SCADA
và các hệ thống điều khiển quá trình khác là hệ thống SCADA có thể giám
sát và điều khiển các thiết bị từ khoảng cách rất xa bởi vì hệ thống SCADA
sử dụng các phương pháp truyền thông hiện đại còn các hệ thống điều khiển
quá trình khác chỉ sử dụng phương pháp nối dây trực tiếp.
16
 
 

Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết một hệ thống SCADA.
Các RTU cung cấp một giao diện đến các cảm biến số và tương tự tại
hiện trường.


 

17
 


Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp giữa các trạm chủ
và các thiết bị từ xa. Hệ thống này có thể được truyền qua đường dây điện,
cáp quang, phát thanh, điện thoại, và thậm chí có thể vệ tinh. Việc truyền dữ
liệu được thực hiện bằng giao thức thức cụ thể và phát hiện lỗi hiệu quả và
tối ưu dữ liệu.
Trạm chủ (hoặc các trạm con) thu thập dữ liệu từ RTUs khác nhau và
thường cung cấp một giao diện điều hành cho hiển thị các thông tin và kiểm
soát các thiết bị trường từ xa. Trong các hệ thống từ xa lớn, các trạm con tại
công trường thu thập thông tin từ các thiết bị từ xa và gửi thông tin trở lại
trạm chủ để kiểm soát tổng thể.
Trong hệ thống điều khiển phân tán DCS (hình 1.4), sự thu thập dữ liệu
và các chức năng điều khiển được thực hiện bởi một nhóm các bộ điều
khiển phân tán đặt gần với các thiết bị trường. Vì vậy hệ thống DCS chỉ
được thực hiện với các ứng dụng chỉ yêu cầu thiết bị đo đặt trong một phạm
vi thu hẹp.

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống DCS được phân thành 4 cấp:
18
 
 

Cấp quản lý, giám sát


-

Cấp giao diện vận hành

-

Cấp điều khiển

-

Cấp chấp hành

Bộ điều khiển logic lập trình PLC, từ những năm 1970 đã được ra đời để
thay thế cho các thiết bị điều khiển dạng cơ khí như Rơ le. Bộ PLC (hình
1.5) bao gồm phần mềm logic và các thiết bị phần cứng như Bộ xử lý trung
tâm CPU (Central Processing Unit), các mô-đun vào ra. Các bộ PLC thường
được sử dụng như là các thiết bị RTU của hệ thống SCADA.

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống PLC.
Các thiết bị đo thông minh là những thiết bị đo có khả năng xử lý tín hiệu
như là một máy tính (hình 1.6). Chúng có thể dễ dàng liên lạc được với các
RTU và các PLC vì vậy rất hay được sử dụng trong hệ thống SCADA.

Qua các phân tích so sánh nêu trên thấy rằng hệ thống SCADA có các lợi
ích cơ bản sau:
- Tiết kiệm được chi phí vận hành;
- Khả năng phát hiện và thông báo lỗi tốt;
- Tăng năng suất lao động;

 

19
 


- Có khả năng ứng dụng vào trong các lĩnh vực ứng dụng phức tạp.

Hình 1.6. Ví dụ về một thiết bị đo thông minh.
§1.6. THÀNH PHẦN HỆ THỐNG SCADA
1.6.1. Phần cứng
Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs
(Remote Terminal Unit) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay
trở lại trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông. Trạm chủ hiển thị các
dữ liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều
khiển từ xa.
Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hoá các hoạt động nhà
máy và quá trình. Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin
cậy cao, chi phí vận hành thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt
động.
Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau:
• Thiết bị đo và thiết bị điều khiển;
• Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU;
• Hệ thống truyền thông;

• Các trạm thu thập dữ liệu;
• Hệ thống xử lý dữ liệu.
20
 
 


Các RTU cung cấp một giao diện đến các cảm biến số và tương tự tại
hiện trường.
Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp giữa các trạm chủ
và các thiết bị từ xa. Hệ thống này có thể được truyền qua đường dây điện,
cáp quang, phát thanh, điện thoại, và thậm chí có thể vệ tinh. Việc truyền dữ
liệu được thực hiện bằng giao thức thức cụ thể và phát hiện lỗi hiệu quả và
tối ưu dữ liệu.
Trạm chủ (hoặc các trạm con) thu thập dữ liệu từ RTUs khác nhau và
thường cung cấp một giao diện điều hành cho hiển thị các thông tin và kiểm
soát các thiết bị trường từ xa. Trong các hệ thống từ xa lớn, các trạm con tại
công trường thu thập thông tin từ các thiết bị từ xa và gửi thông tin trở lại
trạm chủ để kiểm soát tổng thể.
1.6.2. Phần mềm
Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại, thuộc quyền sở hữu
hoặc nguồn mở. Các phần mềm thuộc quyền sở hữu là các phần mềm
SCADA nhà cung cấp hệ thống SCADA thiết kế ra để giao tiếp với phần
cứng của họ. Vấn đề chính với hệ thống này là sự phụ thuộc quá nhiều vào
các nhà cung cấp hệ thống. Vì vậy các phần mềm mở được sử dụng phổ
biến hơn phổ biến vì khả năng tương tác của họ mang lại cho hệ thống.
Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị khác
nhau trên cùng một hệ thống.
Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn
trên thị trường cho các hệ thống SCADA. Một số gói phần mềm hiện nay

bao gồm cả quản lý tài sản tích hợp trong hệ thống SCADA.
Phần mềm SCADA sẽ bao gồm những phần chính sau:
• Giao diện người sử dụng;
• Đồ họa;
• Các cảnh báo (Alarms);
• Các đồ thị (Trends);
• Giao diện cho thiết bị đầu cuối RTU và PLC;
• Khả năng mở rộng;
• Phương thức truy cập dữ liệu;
• Cơ sở dữ liệu;

 

21
 


• Mạng truyền thông;
• Lỗi và dự phòng;
• Quá trình phân phối máy chủ/khách.
1.6.3. Cáp truyền thông
Có rất nhiều loại cáp truyền thông được sử dụng trong hệ thống SCADA.
Thông tin trong ngành Điện lực được truyền tải thông qua các hình thức
sau:
1. Các kênh cao tần theo tuyến đường dây tải điện PLC (Poweer Line
Carrier).
Sử dụng các đường dây điện lực, dây chống sét hoặc các đường cáp đặt
cách ly trong chúng để tạo kênh cao tần truyền tin. Việc sử dụng đường dây
điện lực để truyền thông tin cao tần được thực hiện theo các sơ đồ: Dây phát
– Dây nhận, Dây pha – Dây đất, Dây pha – Dây pha, Dây pha của lộ này –

Dây pha của lộ khác. Việc sử . Việc sử dụng đường dây chống sét (DCS)
truyền tin được thực hiện theo các sơ đồ: DCS – DCS, DCS – Dây đất, hai
DCS – Dây đất.
Các đường cáp đặt cách ly trong đường dây điện lực hoặc trong dây
chông sét cũng được thực hiện theo các sơ đồ tương tự.
2. Các kênh theo đường cáp ngầm dưới đất hoặc dây hữu tuyến trên
không, thường sử dụng loại cáp đối xứng hoặc cáp đồng trục.
3. Các kênh liên lạc sử dụng vô tuyến chuyển tiếp hay vi ba với bước sóng
1÷10cm.
4. Các kênh vô tuyến sóng ngắn, bước sóng từ 10 – 50cm.
5. Các kênh cáp quang chôn ngầm dưới đất hoặc đặt theo đường dây
truyền tải điện.
6. Các kênh thuê của ngành bưu điện.
Hiện nay trong ngành Điện lực hình thức truyền tin cao tần theo đường
dây tải điện, vô tuyển chuyển tiếp, và kênh cáp quang được sử dụng rộng rãi
hơn cả. Trong các kênh truyền thông dùng cáp quang có nhiều ưu việt hơn
cả. Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ cáp quang sợi thủy tinh. Một số đặc điểm
chung của các loại cáp cần chú ý đó là nhiễu tín hiệu điện và nhiễu sóng
radio.

22
 
 


Hình 1.7. Sơ đồ cáp quang sợi thủy tinh
Các loại nhiễu này là nhân tố quan trọng hàng đầu cần được chú ý khi
thiết kế và lắp đặt một hệ thống truyền thông. Các loại nhiễu này được sinh
ra một cách ngẫu nhiên từ các tin hiệu không mong muốn trong thiết kế. Nó
có thể xâm nhập vào đường cáp hoặc đường dây bằng nhiều cách. Điều này

phụ thuộc rất nhiều vào người thiết kế ban đầu phải có những biện pháp để
giảm tối thiểu nhất các tín hiệu nhiễu. Bởi vậy các hệ thống SCADA thường
sử dụng đường truyền có điện áp bé là đường truyền có thể chịu đựng được
các tín hiệu nhiễu.
Việc sử dụng các cáp xoắn đôi là một yêu cầu tối thiểu của các hệ thống
điều khiển nói chung và hệ thống SCADA nói riêng. Sử dụng một cặp dây
dẫn tốt cộng việc lắp đặt theo đúng yêu cầu kỹ thuật sẽ giảm được tối đa các
tín hiệu nhiễu.
Cáp quang cũng là một trong những loại cáp được sử dụng phổ biến bởi
vì khả năng chống nhiễu của nó. Hiện tại hầu hết các hệ thống đều sử dụng
cáp quang sợi thủy tinh nhưng trong một số lĩnh vực công nghiệp, các cáp
quang sợi nhựa được sử dụng nhiều hơn.
Trong tương lai, các hệ thống truyền thông dữ liệu sẽ được tách ra thành
hệ thống radio, hệ thống cáp quang, và hệ thống tia hồng ngoại. các hệ
thống truyền thông có yêu cầu sử dụng đến năng lượng sẽ bị xóa bỏ.

 

23
 


1.6.4. Tổng quan về mạng cục bộ LAN
Mạng cục bộ LAN (Local Area Network) được dùng để chia sẻ toàn bộ
tài nguyên thông tin. Do vậy, có thể sử dụng mạng LAN để các trạm nằm
trong mạng SCADA có thể chia sẻ thông tin được với nhau khi chúng được
kết nối qua các phương tiện truyền thông. Phương thức kết nối là tôpô
(topology) mạng. Tôpô mạng là sự sắp xếp hình học của các nút và cáp nối
trong mạng cục bộ. Các tôpô mạng đều thuộc hai loại: tập trung và phân tán.
Trong tôpô mạng tập trung, như mạng hình sao chẳng hạn, có một máy tính

trung tâm điều khiển việc thâm nhập mạng. Kiểu thiết kế này đảm bảo an
toàn dữ liệu và sự quản lý trung tâm đối với các nội dung và các hoạt động
của toàn mạng. Trong tôpô phân tán như mạng Bus hoặc mạng vòng tròn
chẳng hạn, không có máy trung tâm, mà từng trạm công tác có thể thâm
nhập vào mạng một cách độc lập và tự thiết lập các ghép nối riêng của mình
với các trạm công tác khác.
Trong mạng LAN, các máy tính cá nhân và các máy tính khác trong
phạm vi một khu vực hạn chế được nối với nhau bằng các dây cáp chất
lượng tốt, sao cho những người sử dụng có thể trao đổi thông tin, dùng
chung các thiết bị ngoại vi, và sử dụng các chương trình cũng như các dữ
liệu đã được lưu trữ trong một máy tính dành riêng gọi là máy dịch vụ tệp.
Khác nhau khác nhiều về quy mô và mức độ phức tạp, mạng cục LAN có
thể chỉ liên kết vài ba máy tính cá nhân và một thiết bị ngoại vi dùng chung
đắt tiền, như máy in laser chẳng hạn. Các hệ thống phức tạp hơn thì có các
máy tính trung tâm (máy dịch vụ tệp) và cho phép những người dùng tiến
hành thông tin với nhau thông qua thư điện tử để phân phối các chương
trình nhiều người sử dụng, và để thâm nhập vào các cơ sở dữ liệu dùng
chung.
Ethernet là phần cứng, định ước, và tiêu chuẩn ghép nối của một loại
mạng cục bộ, do hãng Xerox Corporation đưa ra đầu tiên, có khả năng liên
kết đến 1024 nút trong một mạng Bus (hình 1.8). Do sử dụng tốc độ cao
trong kỹ thuật truyền tin dải tần cơ bản (kênh đơn). Ethernet cho phép
truyền dữ liệu dạng dãy với tốc độ 10 megabit mỗi giây, với thông lượng
thực tế từ 2 đến 3 megabit mỗi giây. Ethernet dùng kỹ thuật thâm nhập
nhiều mối bằng cảm nhận sóng mang có dò xung đột CSMA/CD (Carrier

24
 
 

Sense Multiple Access with Collision Detect) để đề phòng trục trặc cho
mạng khi có hai thiết bị đồng thời cùng cố thâm nhập vào mạng.

Hình 1.8. Ethernet được sử dụng để truyền dữ liệu trên một
hệ thống SCADA.
1.6.5. Thiết bị MODEM
MODEM (Modulator/Demodulator) là một thiết bị biến đổi các tín hiệu
số do cổng nối tiếp của máy tính phát ra thành các tín hiệu dạng tương tự
được điều biến, cần thiết để truyền qua đường điện thoại, và ngược lại nó
cũng biến những tín hiệu tương tự nhận được thành ra các tín hiệu số tương
đương. Trong điện toán cá nhân, người ta thường dùng MODEM để trao đổi
các chương trình và dữ liệu với những máy tính khác và để truy cập các
dịch vụ thông tin trực tuyến như Dow Jones News/Retrieval Service.
Hình 1.9 giới thiệu sự kết nối máy tính PC với RTU bằng MODEM
MODEM là danh từ rút gọn của Modulator/Demodulator (điều biến/giải
điều biến). Việc điều biến này là cần thiết vì các đường dây điện thoại được
thiết kết để xử lý tiếng nói con người, có tần số thay đổi trong khoảng từ
300 Hz đến 3000 Hz trong những cuộc nói chuyện điện thoại bình thường
(từ giọng trầm đến giọng thanh). Tốc độ truyền dữ liệu của một MODEM
được tính bằng đơn vị bit mỗi giây hay là bps (về kỹ thuật), không phải là
baut, mặc dù hai thuật ngữ này được dùng lẫn lộn).


 

25
 

Hình 1.9. Máy tính PC kết nối với RTU sử dụng MODEM
Chọn dùng MODEM tương đối đơn giản: chọn loại tốc độ chậm ( 300
hoặc 1200 bps) hoặc loại tốc độ nhanh ( 2400 bps). Tuy nhiên, hiện nay có
nhiều khả năng chọn MODEM hơn.
Các giao thức về điều biến chi phối tốc độ phát và thu dữ liệu. Trong
nước Mỹ, hầu như tất cả các modem 2400 bps đều dùng giao thức CCITT
V. 22 bis. Tuy nhiên, các modem tốc độ cao nhất (từ 9600 bps trở lên) thì sử
dụng các giao thức điều biến sở hữu riêng, cho nên bạn phải dùng các
modem cùng nhãn hiệu cho cả hai đầu đường truyền. Hiện nay loại
MODEM 9600 bps sử dụng giao thức CCITT V. 32, còn loại modem 14.
400 bps thì dùng tiêu chuẩn CCITT V. 32 bis. Cả hai đều tương thích ngược
với mọi loại MODEM bất kỳ nào, ngay cả trường hợp nó được chế tạo bởi
một hãng sản xuất khác.
Có hai loại tiêu chuẩn thông dụng đối với các giao thức kiểm lỗi nhằm
hạn chế các sai lỗi do tạp âm và các can nhiễu khác trong hệ thống điện
thoại: đó là MNP- 4 và CCITT V. 42. Đối với loại giao thức nén dữ liệu, thì
có hai tiêu chuẩn hàng đầu là V. 42 bis và MNP- 5. Vì việc nén dữ liệu yêu
cầu phải có kiểm lỗi, cho nên các MODEM nén dữ liệu bao giờ cũng có các
tiêu chuẩn kiểm lỗi; nói chung, một MODEM phải có đủ bốn giao thức
kiểm lỗi và nén dữ liệu ( MNP- 4, MNP- 5, V. 42 và V. 42 bis) hoặc không
có gì cả.
Thông thường trong hệ thống SCADA các thiết bị đầu cuối RTU được
đặt ở vị trí xa so với trung tâm điều khiển từ 10m đến hàng nghìn Km. Một
trong những cách tiết kiệm chi phí nhất để liên kết PC với RTU với một
khoảng cách dài là sử dụng cách kết nối điện thoại dialup thông qua thiết bị
MODEM.
Các MODEM được đặt tại các-chế độ tự động trả lời và RTU có thể quay
số vào máy tính hoặc máy PC có thể quay RTU. Các phần mềm để làm điều
26