Tìm hiểu và mô phỏng giao thức truyền tin IEC 870 5 101 sử dụng trong công nghiệp

ii

MỤC LỤC
Trang

Mục lục .................................................................................................... iii
Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt ..................................................... vi
Danh mục hình vẽ .................................................................................... viii
Mở đầu..................................................................................................... 1
Chương 1 Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực
trong công nghiệp....................................................................................... 3
1.1 Một số khái niệm trong hệ thống phân tán thời gian thực ................... 3
1.1.1 Thông tin và xử lý thông tin trong các hệ thời gian thực ............ 3
1.1.1.1 Tín hiệu analog, số và số hoá ......................................... 3
1.1.1.2 Số liệu và thông tin ........................................................ 3
1.1.2 Thu thập dữ liệu và mã hóa......................................................... 4
1.1.2.1 Thu thập dữ liệu của các đại lượng analog ...................... 4
1.1.2.2 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng analog ........................ 5
1.1.2.3 Thu thập dữ liệu của các đại lượng logic......................... 5
1.1.2.4 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng logic ........................... 5
1.1.2.5 Thu thập các đại lượng tích lũy ....................................... 6
1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền dữ liệu thời gian thực ................... 6
1.1.4 Địa chỉ quy chiếu của đối tượng .................................................. 7
1.1.5 Đồng bộ thời gian cho các phân hệ .............................................. 7
1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa .................................................................. 8
1.1.7 Giao thức truyền tin ..................................................................... 8
1.1.8 Định thời (TimeOut).................................................................... 10
1.1.9 Truyền tin dị bộ, đồng bộ............................................................. 11
1.1.9.1 Truyền dị bộ..................................................................... 11
1.1.9.2 Truyền đồng bộ................................................................ 12
1.1.10 Mô hình OSI ............................................................................ 13

1.1.10.1 Giới thiệu....................................................................... 13
1.1.10.2 Mô tả ý nghĩa các tầng ................................................... 14
1.1.10.3 Đóng gói dữ liệu ............................................................ 15
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong
công nghiệp.............................................................................................. 15
1.2.1 Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý....................................... 15


iii

1.2.2 Chức năng của hệ thống SCADA .............................................. 17
1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA ......................................................... 18
1.2.3.1 Hệ thống thiết bị đầu cuối ................................................. 18
1.2.3.2 Hệ thồng mạng truyền số liệu............................................ 20
1.2.3.3 Hệ thống các Trung tâm điều hành.................................... 20
1.2.4 Hệ thống SCADA trong ngành điện ........................................... 21
1.2.4.1 SCADA điều độ cấp quốc gia ............................................ 21
1.2.4.2 SCADA điều độ cấp Miền ................................................. 23
1.2.4.3 SCADA trạm ..................................................................... 23
Chương 2 Giao thức IEC 870-5-101......................................................... 25
2.1 Giới thiệu ........................................................................................... 25
2.2 Cấu trúc giao thức .............................................................................. 26
2.2.1 Thông tin truyền thông ............................................................... 26
2.2.2 Một số định nghĩa....................................................................... 26
2.2.3 Đặc tả về cấu trúc ....................................................................... 27
2.3 Các đặc tả về truyền thông.................................................................. 28
2.3.1 Cấu hình mạng............................................................................. 28
2.3.2 Định dạng giao thức .................................................................... 29
2.3.3 Quy tắc truyền ............................................................................. 29
2.4 Định dạng Frame truyền tin ................................................................ 30

2.4.1 Frame tiêu chuẩn ......................................................................... 30
2.4.2 Cấu trúc phổ biến của Frame dữ liệu ứng dụng............................ 31
2.4.2.1 Start character/length ....................................................... 33
2.4.2.2 Control field trong chế độ Master-Slave........................... 34
2.4.2.3 Control field trong chế độ Master- Master ....................... 36
2.4.2.4 Link address (địa chỉ liên kết) .......................................... 37
2.4.2.5 Type Identification........................................................... 37
2.4.2.6 Variable Stucture Qualifier (xác định loại biến) ............... 38
2.4.2.7 Cause Of Transmisson ..................................................... 39
2.4.2.8 Common address of ASDUs ............................................ 40
2.4.2.9 Information Object Address ............................................. 40
2.4.3 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master-Slave ..... 42


iv

2.4.3.1 Frame được gửi từ trạm controlling ................................. 42
2.4.3.2 Frame được gửi từ trạm controlled................................... 43
2.4.4 Đặc trưng Frame với chiều dài cố định, chế độ Master- Master .. 44
2.4.4.1 Frame được gửi từ trạm controlling như là một trạm chủ . 44
2.4.4.2 Frame được gửi từ trạm contronlling như là trạm thứ cấp..44
2.4.4.3 Frame được gửi từ trạm controlled dưới như là trạm chủ . 45
2.4.4.4 Frame được gửi từ trạm controlled như là trạm thứ cấp ... 45
2.5 Các thủ tục truyền thông..................................................................... 46
2.5.1 Khởi động trạm......................................................................... 46
2.5.1.1 Khởi động cục bộ của controlling station chế độ Master-Slave..46
2.5.1.2 Khởi động cục bộ của controlled station chế độ Master-Slave .. 48
2.5.1.3 Khởi động từ xa controlled station chế độ Master-Slave .... 50
2.5.2 Thu nhận các sự kiện trong chế độ Master-Slave ......................... 51
2.5.3 Tổng thẩm vấn (hỏi yêu cầu) ....................................................... 54

2.5.4 Đồng bộ hóa thời gian ................................................................. 56
2.5.5 Lệnh truyền ................................................................................. 57
2.5.6 Truyền của tổng số tích hợp......................................................... 60
2.5.7 Tham số tải.................................................................................. 61
2.5.8 Kiểm tra thủ tục ........................................................................... 62
Chương 3 Xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng giao thức IEC 870-5-101
trong công nghiệp..................................................................................... 63
3.1 Giới thiệu mô hình.......................................................................... 63
3.2 Kết cấu phần cứng .......................................................................... 64
3.3. Phần mềm...................................................................................... 65
3.4. Nguyên tắc hoạt động của mô hình................................................ 65
Kết luận, kiến nghị ................................................................................... 67
1. Kết luận................................................................................................ 67
2. Kiến nghị.............................................................................................. 67
Tài liệu tham khảo ................................................................................... 68


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt
DCS

Giải thích ý nghĩa

Distributed Control Systems (hệ thống điều khiển phân
tán).

RTU

Remote Terminal Units (thiết bị đầu cuối).

PLC

Programmable Logic Controller (bộ điều khiển logic lập
trình được).

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition (hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu).

IEC 870-5-101

Giao thức truyền tin theo tiêu chuẩn của Uỷ ban điện tử
Quốc tế (IEC).

CC

Control Center (trung tâm điều khiển).

I/O

In put/Out put (Vào/Ra).

IED

Thiết bị điện tử thông minh.

ASDU

Application Service Data Unit (Đơn vị dữ liệu dịch vụ
ứng dụng, được định nghĩa là các frame dữ liệu trong
giao thức IEC 870-5-101).

Data Unit

Chứng thực đơn vị dữ liệu.

Identifier
Information

Đối tượng thông tin (cần thu thập).

Object
Information

Địa chỉ đối tượng thông tin (địa chỉ đối tượng thông tin

Object Address

qui ước thống nhất giữa CC và RTU).

Time Tag

Nhãn thời gian (gán cho đối tượng thông tin).

Type

Xác định chủng loại.

Identification
RES

Dự phòng.


vi

PRM

Primary Message (tin nhắn chính).

FCB

Frame Count Bit (đếm số bít của frame).

FCV

Đếm số bít hợp lệ của frame.

DFC

Điều khiển dòng dữ liệu.

ACD

Access Demand bit (nhu cầu truy cập).

ACK

Xác nhận tốt (Bản tin được chấp nhân).

NACK

Xác nhận bản tin không được chấp nhận.

FC

Function Code (mã code của hàm).

COT

Cause Of Transmission (Nguyên do truyền).

TI

Telegram Type Identification (Kiểu điện tín).

SQ

Single/sequence (đơn/chuỗi).

DIR

Hướng truyền vật lý.

SE

Select / Execute ( Lựa chọn/Thi hành).

GW

Getway


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ ....................................... 4
Hình 1.2. Biểu diễn tín hiệu tương tự không có chu kỳ............................. 4
Hình 1.3. Biểu diễn mô hình OSI 7 lớp. ................................................... 13
Hình 1.4. Tổng quan hệ thống SCADA .................................................... 16
Hình 1.5. Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam................ 22
Hình 1.6. Sơ đồ SCADA trạm/nhà máy điện ............................................ 23
Hình 2.1. Mô hình 3 OSI của IEC 870-5-101 ........................................... 27
Hình 2.2.Các dạng cấu hình mạng của giao thức IEC 870-5-101.............. 28
Hình 2.3. Định dạng Character của IEC 870-5-101 .................................. 29
Hình 2.4. Định dạng Frame dữ liệu tiêu chuẩn ......................................... 30
Hình 2.5. Cấu trúc Frame dữ liệu ............................................................. 31
Hình 2.6. Frame với chiều dài cố định được gửi từ trạm controlling ........ 42
Hình 2.7. Frame với chiều dài cố định được gửi từ trạm controlled.......... 43
Hình 2.8. Frame được gửi từ trạm controlling như trạm chủ..................... 44
Hình 2.9. Frame được gửi từ trạm controlling như trạm thứ cấp............... 44
Hình 2.10. Frame được gửi từ trạm controlled như trạm chủ .................... 45
Hình 2.11. Frame được gửi từ trạm controlled như trạm thứ cấp .............. 45
Hình 2.12 .Khởi động cục bộ của contronlling station chế độ Master-Slave .... 47
Hình 2.13 Khởi động cục bộ của contronlled station chế độ Master-Slave 49
Hình 2.14 Khởi động từ xa của contronlled station chế độ Master-Slave.. 50
Hình 2.15Thu nhận các sự kiện (dữ liệu lớp 1) chế độ Master-Slave ........ 52

Hình 2.16 Thu nhận các sự kiện (dữ liệu lớp 2) chế độ Master-Slave ....... 53
Hình 2.17 Thủ tục tổng thẩm vấn trong chế độ Master-Slave ................... 55
Hình 2.18 Thủ tục đồng bộ hóa trong chế độ Master-Slave ...................... 56
Hình 2.19 Thủ tục lệnh truyền trong chế độ Master-Slave........................ 59


viii

Hình 2.20 Truyền tổng số tích hợp trong chế độ Master-Slave ................. 60
Hình 2.21 Tham số truyền trong chế độ Master-Slave .............................. 61
Hình 2.22 TEST trong chế độ Master-Slave ............................................ 62
Hình 3.1 Mô phỏng mô hình sử dụng IEC 870-5-101 trong Scada ........... 63
Hình 3.2 Mô phỏng mặt trước của bộ cảnh báo 32 kênh........................... 64
Hình 3.3 Mô phỏng mặt sau của bộ cảnh báo 32 kênh............................. 64
Hình 3.4 Mô phỏng Trung tâm điều khiển trên máy tính .......................... 65


1

MỞ ĐẦU
Công nghệ thông tin đã và đang được ứng vào hầu hết các lĩnh vực của
cuộc sống. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngày
nay hoạt động sản xuất trong công nghiệp đã được tự động hóa ở mức độ cao,
ở đó có sự tham gia rất hiệu quả của công nghệ thông tin.
Các hệ thống điều khiển tự động hoá dây chuyền sản xuất công nghiệp
được cấu thành từ nhiều phân hệ độc lập nhưng được liên kết thống nhất với
nhau trong sự kiểm soát chặt chẽ bởi công nghệ mạng theo các tiêu chuẩn
khác nhau. Việc trao đổi thông tin giữa các phân hệ được thực hiện bởi các
giao thức truyền tin.
Hiện nay nhiều hệ thống điều khiển được thiết kế cho phép điều khiển,

giám sát và thu thập dữ liệu từ các hệ thống SAS/DCS (Distributed Control
Systems), RTU (Remote Terminal Units) khác nhau được phân bổ trong toàn
ngành hay toàn lãnh thổ gọi tắt là hệ thống SCADA (Supervisory Control
And Data Acquisition), hệ thống sử dụng các loại giao diện, giao thức, loại
mạng khác nhau tuỳ theo từng mức phân cấp các phân hệ trong hệ thống.
Luận văn tập trung nghiên cứu giao thức IEC 870-5-101 là một tiêu
chuẩn quốc tế sử dụng trong hệ thống SCADA nhằm kết nối giữa các
SAS/DCS, RTU, Getway với trung tâm điều khiển CC (Control Center).
Ở nước ta hiện nay có nhiều hệ thống điều khiển tự động hoá đang được
áp dụng cho các ngành công nghiệp, các hệ thống này thường do các nhà
cung cấp thiết bị của nước ngoài xây dựng và tích hợp thành hệ thống riêng
theo các gói thầu vì vậy khi bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế hệ thống thường
gặp phải những khó khăn về các chuẩn kết nối không tương thích nhau. Các
sản phẩm trong nước do chưa tìm hiểu kỹ về các tiêu chuẩn kết nối do đó
không hợp chuẩn và không đồng bộ nên khó đi vào thực tiễn. Hướng nghiên
cứu của luận văn mong muốn cung cấp thêm thông tin để các công ty, dự án


2

của Việt Nam về lĩnh vực điều khiển tự động hoá nghiên cứu, tham khảo áp
dụng vào các sản phẩm của mình nhằm đưa ra các sản phẩm chuẩn hoá đi vào
thực tiễn trong các ngành sản xuất công nghiệp trong và ngoài nước.
Luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian
thực trong công nghiệp.
Phân tích lý thuyết về một số khái niệm chính trong hệ thống phân tán
thời gian thực, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập thời gian thực
(Scada) trong công nghiệp và trong ngành điện.
Chương 2: Giao thức IEC 870-5-101.

Phân tích cấu trúc, thủ tục của giao thức. Vấn đề đồng bộ thời gian, cơ
chế phát hiện và kiểm tra lỗi.
Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng giao thức IEC 870-5101 trong công nghiệp.
Mô phỏng việc truyền 1 byte dữ liệu của giao thức IEC 870-5-101 trong
hệ thống Scada thông qua mô hình với phần cứng là bộ cảnh báo 32 kênh (giả
định là hệ thống RTU, PLC) và máy tính PC (giả định là trung tâm điều
khiển).
Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài: Kết luận những vấn đề đã
nghiên cứu, những điểm còn tồn tại và hướng phát triển của đề tài.
Do đề tài thuộc chuyên ngành công nghiệp, cần có thời gian công tác
thực tế và kinh nghiệm chuyên sâu nên luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót, vì vậy tác giả rất mong nhận được sự quan tâm, nhận xét góp ý,
phản biện của các thầy cô trong hội đồng khoa học và các độc giả để luận văn
được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn!


3

CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU
THỜI GIAN THỰC TRONG CÔNG NGHIỆP
Trong chương này tập trung phân tích lý thuyết về một số khái niệm
chính trong hệ thống phân tán thời gian thực. Phân tích những thành phần cơ
bản của hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực
(SCADA) trong công nghiệp nói chung và trong ngành điện nói riêng.
1.1 Một số khái niệm trong hệ thống phân tán thời gian thực
1.1.1 Thông tin và xử lý thông tin trong các hệ thời gian thực
1.1.1.1 Tín hiệu analog, số và số hoá
- Tín hiệu analog (tương tự): Là các tín hiệu biến thiên liên tục theo thời
gian trong một miền xác định. Ví dụ: âm thanh, nhiệt độ, giá trị dòng điện,

điện áp...
- Tín hiệu số (logic): Là các tín hiệu thể hiện trạng thái đóng mở On/off
của thiết bị. Bản thân tín hiệu số đã tồn tại dưới dạng số và được mã hóa dưới
dạng 1 hoặc 0 của 1 bit dữ liệu.
- Số hoá tín hiệu: Là quá trình lấy mẫu tín hiệu analog rồi lượng tử hóa
chúng thành dữ liệu.
1.1.1.2 Số liệu và thông tin
Trong luận văn này, số liệu được hiểu là tín hiệu analog ở lối vào (của
một hệ thống) đã được số hóa hoặc trạng thái các thiết bị đã mã hóa dưới dạng
các bit 0 hoặc 1. Thông tin được hiểu là kết quả của số liệu đã được xử lý và
có thể có nhiều thông tin được rút ra từ một dữ liệu.
Như vậy, số liệu là kết quả của việc thu thập các giá trị của các đại lượng
vật lý và trạng thái của các thiết bị. Từ các số liệu thô theo thời gian, qua xử
lý ta có nhận biết thông tin về trạng thái của hệ thống như hoạt động bình
thường hay không, vượt ngưỡng, dưới ngưỡng, an toàn hoặc mất an toàn…


4

1.1.2 Thu thập dữ liệu và mã hóa
1.1.2.1 Thu thập dữ liệu của các đại lượng analog
Tín hiệu tương tự có chu kỳ:

Hình 1.1 - Biểu diễn tín hiệu tương tự có chu kỳ.
Tín hiệu tương tự có chu kỳ có biên độ biến đổi theo thời gian mà ta có
thể tìm ra chu kỳ (T) biến thiên của nó. Nếu gọi f là tần số biến thiên của tín
hiệu ta có f = 1/T hoặc T = 1/f.
Ta thấy tín hiệu có thể có nhiều chu kỳ biến thiên khác nhau và nằm
trong miền Tmin và Tmax. Ứng với Tmin và Tmax ta có các tần số fmax và
fmin, trong đó fmax = 1/Tmin và fmin = 1/Tmax.

Dải tần số từ fmin đến fmax, ứng với Tmax và Tmin gọi là phổ tần số
của tín hiệu.
Để số hóa ta cần lấy mẫu tín hiệu. Việc lấy mẫu tuân thủ theo định luật
Shannon, còn gọi là định luật lấy mẫu tín hiệu. Nếu fs là tần số lấy mẫu, ta có:
fs  2fmax hoặc Ts  Tmin/2
Tín hiệu tương tự không có chu kỳ (tín hiệu một chiều):

Hình 1.2 – Biểu diễn tín hiệu tương tự không có chu kỳ.


5

Đối với tín hiệu một chiều có biến thiên theo thời gian nhưng không theo
quy luật, ta không thể tìm thấy chu kỳ hay tần số của tín hiệu. Tuy nhiên ta có
thể tìm thấy các quá trình diễn biến của tín hiệu và gọi Tmin là độ dài thời
gian biến thiên của nó.
Đối với các tín hiệu kiểu này, chu kỳ lấy mẫu có thể xác định như sau:
Ts  Tmin/2
1.1.2.2 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng analog
Mã hóa dữ liệu analog trong các hệ thống thời gian thực được thực hiện
sao cho độ dài từ là ngắn nhất có thể để vừa tốn it không gian lưu trữ và thời
gian truyền giữa các phân hệ của hệ thống.
1.1.2.3 Thu thập dữ liệu của các đại lượng logic
Trạng thái đóng mở của các thiết bị trong công nghiệp thường được truy
xuất từ các Rơle cơ điện do đó quá trình quá độ của các tín hiệu này cỡ vài
mili giây. Đây là khoảng thời gian không lớn đối với các bộ vi xử lý, tuy
nhiên lại là đáng kể khi thiết bị đầu cuối làm việc với với hàng trăm tín hiệu ở
lối vào.
1.1.2.4 Mã hóa dữ liệu của các đại lượng logic
Với 2 trạng thái đóng và mở, chỉ cần 1 bit để mã hóa các đại lượng logic.

Tuy nhiên trong công nghiệp người ta sử dụng thêm trạng thái không xác định
để đảm bảo rằng 0 và 1 là chắc chắn. Do đó người ta thường mã hóa trạng thái
như sau:
00 là trạng thái không xác định
01 là trạng thái mở
10 là trạng thái đóng
11 là trạng thái không xác định
Đối với các thiết bị quan trọng trong hệ thống nhất thiết phải sử dụng 2
bit để mã hóa trạng thái. Và các bit này được thực hiện bằng cơ cấu cơ khí


6

ngay từ khi chế tạo thiết bị, chứ không phải sử dụng 1 bit rồi chế ra bit đảo nó
để tạo thành 2 bit. Ta gọi đây là tín hiệu kép.
Đối với các thiết bị ít quan trọng hơn người ta vẫn sử dụng 1 bit để mã
hóa. Ta gọi đây là tín hiệu đơn.
1.1.2.5 Thu thập dữ liệu tích lũy
Trong số các đại lượng analog còn có đại lượng tích lũy. Đại lượng này
là tích phân giá trị của một đại lượng vật lý nhất định theo thời gian. Ví dụ
năng lượng tiêu thụ điện là tích phân của công suất tiêu thụ theo thời gian.
Đối với các đại lượng kiểu này, ngoài việc lấy mẫu tín hiệu cần thực hiện
phép toán tích phân.
1.1.3 Tối thiểu hóa thời gian truyền dữ liệu thời gian thực
Do các tín hiệu được thu thập liên tục theo thời gian nên các kênh truyền
dữ liệu trong các hệ thời gian thực giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị cấp trên
đòi hỏi tốc độ cao và dễ dàng tắc nghẽn.
Để hóa giải điều này người ta không đồng nhất giữa việc thu thập dữ liệu
và truyền số liệu đã thu thập được.
Đối với tín hiệu analog, để làm được điều này ta đưa ra khái niệm

ngưỡng thay đổi. Khi giá trị lối vào thay đổi một giá trị lớn hơn giá trị ngưỡng
thì được coi là có thông tin để truyền và ngược lại thì không. Độ lớn của
ngưỡng này có thể được định nghĩa theo từng ứng dụng cụ thể.
Đối với các tín hiệu logic, chỉ khi có sự thay đổi trạng thái của nó ở lối
vào thì mới được coi là có thông tin để truyền và ngược lại thì không.
Như vậy mặc dù có rất nhiều đại lượng cần thu thập nhưng dữ liệu thực
sự cần truyền lại rất ít. Tuy nhiên người ta vẫn phải cập nhất toàn bộ dữ liệu
lúc thiết bị mới khởi động lại để có được số liệu ban đầu.


7

1.1.4 Địa chỉ quy chiếu của đối tượng (Information Object Address)
Các hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực lớn phải đối diện với số
lượng khổng lồ các tín hiệu cần thu thập. Các phân hệ của hệ thống thường là
sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Như vậy với 1 tín hiệu nhất định,
hệ cấp trên không nhất thiết phải biết địa chỉ vật lý của nó ở thiết bị thu thập
dữ liệu.
Khi lập cơ sở dữ liệu cho các phân hệ, hệ cấp dưới và hệ cấp trên cần
thống nhất với nhau danh sách dữ liệu, trong đó có thống nhất địa chỉ quy
chiếu của các đối tượng. Giao thức truyền tin chuẩn hóa dành sẵn một không
gian nhớ cho địa chỉ này.
Các hệ thống nhỏ sử dụng 1 byte để mã hóa địa chỉ này.
Các hệ thống lớn sử dụng 2 byte và các hệ thống rất lớn sử dụng 3 byte
để mã hóa địa chỉ này.
1.1.5 Đồng bộ thời gian cho các phân hệ
Hệ thống thời gian thực cần có thời gian như nhau cho tất cả các phân
hệ. Thời gian mẫu thường cho ra từ 1 đồng hồ chủ có độ chính xác cao.
Thông thường đồng hồ chủ được trang bị cho 01 trung tâm điều hành và thời
gian từ đồng hồ chủ phải được đồng bộ cho tất cả các phân hệ của toàn hệ

thống.
Việc đồng bộ thời gian cần được thực hiện bởi giao thức truyền tin.
Trước đây khi máy thu GPS/GLONASS chưa phổ biến người ta sử dụng
đồng hồ chủ đặt tại trung tâm điều hành với độ chính xác ít nhất là 10 mũ trừ
9. Ngày nay khi máy thu GPS/GLONASS trở nên rẻ hơn, nó được thay thế
cho đồng hồ chủ nói trên, thậm chí ngay ở Việt nam nó còn được trang bị cho
tất các thiết bị đầu cuối đời mới.
Trong trường hợp đồng hồ chủ thuộc thiết bị đầu cuối bị sự cố, kênh
đồng bộ thời gian qua giao thức truyền tin cần được khôi phục.


8

1.1.6 Lệnh điều khiển từ xa
Trong hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực, lệnh điều khiển từ xa
được thực hiện qua giao thức truyền tin. Mặc dù giao thức truyền tin cho phép
gửi 1 bản tin từ nơi phát đến nơi nhận một cách an toàn và cho các lệnh điều
khiển từ xa được thực hiện chính xác tuyệt đối.
Để giải quyết vấn đề, ta chia quá trình điều khiển thành 3 phần là dự lệnh
kiểm tra và bản thân lệnh thao tác.
Dự lệnh là yêu cầu về thực hiện với nội dung nhất định. Dự lệnh được
gửi từ Master đến Slave bằng 1 chức năng của giao thức, sau đó lại được kiểm
tra lại bằng 1 chức năng khác để đảm bảo rằng dự lênh đã tới đích an toàn.
Lệnh thao tác là hành động cuối cùng để thực hiện lệnh điều khiển từ xa.
Giao thức truyền tin quy định 2 loại lệnh điều khiển từ xa được chuẩn
hóa:
+ Lệnh điều khiển có điều kiện: SELECT AND EXECUTE Command.
+ Lệnh điều khiển trực tiếp: DIRECT Command.
Lệnh điều khiển có điều kiện trong giao thức có 3 giai đoạn:
+ Chuẩn bị điều kiện cần thiết để điều khiển từ xa tại trạm Controlled.

+ Kiểm tra xem điều kiện đã chuẩn bị xong chưa.
+ Thực hiện điều khiển nếu phản hồi là điều kiện đã được chuẩn bị.
Lệnh điều khiển trực tiếp không đòi hỏi chuẩn bị điều kiện thực hiện.
1.1.7 Giao thức truyền tin
Để có thể thực hiện truyền dữ liệu qua kênh viễn thông một cách an toàn
và chính xác đòi hỏi một quy tắc nhất định. Quy tắc này có khả năng đối phó
với các tình huống không bình thường của kênh như lỗi, trễ, gián đoạn kênh,
v.v…


9

Tập hợp các quy tắc này được gọi là giao thức truyền tin, Giao thức
truyền tin đóng vai trò trung gian và là “giao diện logic” giữa 2 việc: truyền
tin và xử lý thông tin.
Có thể hiểu giao thức truyền tin như là một loại “ngữ pháp” cho phép tập
hợp và biên tập dòng các bit thu được trên kênh thành dạng có thể hiểu được.
Giao thức truyền tin bao hàm cả việc quản lý “giao diện logic” nói trên.
Giao thức truyền tin có các chức năng sau:
+ Chức năng chuyển dữ liệu: Mục đích cơ bản của giao thức truyền tin là
truyền số liệu từ 1 phía sang phía bên kia của liên kết.
+ Chức năng cấu trúc lại dữ liệu từ các khung dữ liệu: Đối với truyền dị
bộ, byte là đơn vị truyền nhỏ nhất, cần phải tạo khung tin từ nhiều byte. Đối
với truyền đồng bộ, khung dữ liệu là đơn vị truyền nhỏ nhất.
+ Chức năng xác thực dữ liệu: Xác thực dữ liệu là cấu trúc lại dữ liệu
thành khối, khung, bản tin, đánh số thứ tự, đánh dấu đầu, đuôi.
+ Chức năng điều khiển liên kết: Chức năng này đảm bảo việc truyền số
liệu một cách chắc chắn, tin cậy, hiệu quả.
+ Chức năng phát hiện lỗi: Lỗi xảy ra đối với khung truyền phải được
phát hiện để được xử lý.

+ Chức năng xử lý lỗi: Khi lỗi đã được phát hiện, giao thức truyền tin
cho phép sửa lỗi hoặc đơn giản hơn là yêu cầu phát lại.
Quá trình truyền số liệu gồm các trạng thái:
+ Thiết lập kết nối dữ liệu.
+ Khởi tạo kết nối.
+ Trao đổi dữ liệu.
+ Kết thúc trao đổi dữ liệu.
+ Giải phóng kết nối.


10

Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác và bản thân hoạt động
của các trạng thái được điều khiển bởi giao thức truyền tin.
1.1.8 Định thời (TimeOut)
Định thời là khoảng thời gian tối đa phải hoàn tất một tiến trình nhất
định.
Định thời T = nT1, T có giá trị khoảng vài lần T1 (ví dụ n=5), n là số lần
yêu cầu thực hiện lại tiến trình.
Định thời là khái niệm rất quan trọng được sử dụng nhiều trong truyền số
liệu, và được quy định trong giao thức truyền tin. Ở đây độ lớn của định thời
luôn lớn hơn tổng thời gian trễ để có hồi âm từ phía thu, bao gồm cả thời gian
trễ trên đường truyền và trễ do thiết bị thực hiện các phép xử lý. Do chỉ là giá
trị tối đa nên định thời là giá trị không cần hoàn toàn chính xác. Đối với các
ứng dụng Internet, do quy mô mạng là toàn cầu, độ trễ có thể rất lớn nên định
thời được chọn lớn hơn nhiều. Trong các hệ thống thời gian thực, các giao
thức chọn định thời khoảng 10 giây.
Cơ chế hoạt động với định thời được mô tả như sau:
+ Sau khi phát một lệnh, bao giờ phía phát cũng chờ đợi hồi âm từ phía
thu trong khoảng T1, Khi thời gian vượt quá giá trị T1 mà vẫn không có hồi

âm, điều đó cho biết đã có lỗi xảy ra.
+ Để xử lý tình huống này, phía phát phát lại lệnh vừa rồi, việc này được
thực hiện tối đa n lần cho đến khi có hồi âm, lúc đó lỗi đã được khắc phục.
Ngược lại lỗi không có khả năng khắc phục. Lúc đó phía phát cần có
những thao tác ở mức độ cao hơn, ví dụ đồng bộ lại quá trình,... Cuối cùng là
các cảnh báo cho mức quản lý cao hơn.


11

1.1.9 Truyền tin dị bộ, đồng bộ
1.1.9.1 Truyền dị bộ
Dạng tín hiệu của 1 byte dị bộ:
NghØ Start

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

Parity

Stops NghØ Start

Byte #i

D0

Byte #i+1

+ Idle: Trạng thái nghỉ.
+ Start: Bit khởi động.
+ D0 đến D7: Các bit số liệu.
+ Parity: Bit chẵn/lẻ
+ Stop: Bit dừng
- Số bit của bản thân byte số liệu (ví dụ 8 bit) luôn luôn ít hơn số bit
truyền dị bộ (ví du: 8+1 start+1 stop+1 Parity =11). Cuối mỗi byte có thể
không hoặc có bổ sung thêm 1 bit chẵn/lẻ. Nếu thêm bit chẵn/lẻ thì có thể
chọn thuộc tính là chẵn hoặc lẻ. Bit chẵn/lẻ được bổ sung vào để tổng số bit 1
của byte là chẵn hoặc lẻ.
- Sử dụng bit chẵn/lẻ trong việc kiểm tra lỗi của byte thu được. Mỗi byte
được đóng gói bởi 1 bit Start và 1 (1,5 hoặc 2) bit Stop. Mỗi byte gồm 5, 6, 7
hoặc 8 bit (và 1 bit chẵn/lẻ), 1,5 bit stop chỉ sử dụng cho trường hợp chỉ có 5
bit trong 1 byte. Giữa các byte có quãng nghỉ, idle ở mức logic 1, giá trị idle ≥
0. Do idle có thể > 0 nên phương thức truyền này này gọi là dị bộ. Cơ chế
đồng bộ thực hiện cho từng byte (Start, Stop).
- Nếu 1 byte có 1 Start, 1 stop, 8 bit dữ liệu, ta có hiệu suất sử dụng các
bit truyền rất thấp là 8/(1+1+8), tức là 80%.
- Cứ 9 bit truyền lại được đồng bộ 1 lần, phía thu có thể tự tách các bit

dữ liệu, nên không cần gửi nhịp đồng bộ đi kèm dữ liệu.


12

- Một khung tin dị bộ bao gồm nhiều byte, giao thức truyền quy định số
byte này.
Phát hiện lỗi:
- 1 byte dị bộ bị coi là lỗi khi các bit Start, stop không đúng như định
nghĩa và sai bit chẵn/lẻ (0 1 hoặc 1 0).
- 1 frame dị bộ bị coi là lỗi khi:
+ Có byte trong khung bị lỗi.
+ Sai độ dài khung.
+ Sai FCS.
+ Dãn cách quá lớn giữa các byte trong khung (quãng nghỉ Tidle).
1.1.9.2 Truyền đồng bộ
Dạng tín hiệu của frame đồng bộ:
NghØ Syn

B0

B1

B2

Syn

B3

...

Bn-1 Bn

Syn NghØ

Khung #i

Khung #i+1

+ Idle: Trạng thái nghỉ.
+ Syn: Byte đồng bộ.
+ B0 đến Bn: Các byte số liệu (không có các bit start, stop.
- Syn là byte đồng bộ mở đầu và kết thúc các khung tin, Syn được chọn là
byte có giá trị 7EH, byte này có bit đầu và bit cuối bằng 0 để dễ đánh dấu.
- Tất cả các byte được truyền liên tiếp (không nghỉ).
- Để lấp chỗ trống khi dữ liệu tạm thời chưa có, 1 hoặc nhiều byte Syn
được chèn vào khung tin khi chưa có dữ liệu, Syn có giá trị 7EH (01111110)
khác với số liệu có cùng giá trị.
+ Ở phía phát, nếu có 5 bit 1 liên tiếp thì 1 bit 0 được tự động chèn vào.
+ Ở phía thu, nếu có 6 bit 1 liên tiếp thì đó là byte Syn.
+ Gỡ bỏ bit 0 sau 5 bit 1 liên tiếp.


13

- Do hàng trăm byte (hàng nghìn bit) truyền mới được đồng bộ 1 lần, để
phía thu có thể tự tách các bit dữ liệu, nhịp đồng bộ cần được gửi kèm dữ liệu
theo nhiều cách mã hóa khác nhau.
Phát hiện lỗi và sửa lỗi:
- 1 khung đồng bộ bị coi là lỗi khi:

+ Có Syn bắt đầu nhưng không có Syn kết thúc trong thời hạn nhất định.
+ Sai độ dài.
+ Sai FCS.
+ Việc khắc phục lỗi hoặc sửa lỗi được thực hiện hoặc bằng mã sửa sai
hoặc thông dụng hơn bằng thủ tục yêu cầu phát lại.
Thông thường việc phát hiện và sửa lỗi được thực hiện trên giao thức
truyền tin cho cả truyền dị bộ và đồng bộ.
1.1.10 Mô hình OSI (Open Systems Interconnection Reference Model)
1.1.10.1 Giới thiệu

Dòng chạy dữ liệu

Hình 1.3 – Biểu diễn mô hình OSI 7 lớp.


14

Mô hình tham chiếu OSI kết nối các hệ thống mở là một thiết kế dựa trên
nguyên tắc phân lớp quá trình truyền số liệu để mô tả kỹ thuật kết nối truyền
thông giữa các máy vi tính và thiết kế giao thức giữa chúng. Mô hình OSI
gồm 7 lớp còn gọi là mô hình 7 lớp OSI.
+ Dòng dữ liệu từ 1 trạm đi từ tầng cao nhất xuống tầng 1, qua kênh
truyền đến tầng 1 trạm thứ 2 rồi đi ngược lên tầng cao nhất của trạm này.
+ Giao diện nằm ở tầng 1.
+ Giao thức quy định cách thức trao đổi dữ liệu giữa 2 tầng tương đương.
1.1.10.2 Mô tả ý nghĩa các tầng
Tầng vật lý: Định nghĩa tất cả các đặc tả về điện và vật lý cho các thiết
bị. Trong đó bao gồm bố trí của các chân cắm, điện áp và các đặc tả về cáp
nối. Các thiết bị tầng vật lý bao gồm Modem, Hub, Repeater.... Tầng này thao
tác trên các bit (hoặc byte) dữ liệu.

Tầng Liên kết dữ liệu: Quy định cách thức trao đổi dữ liệu giữa 2 trạm,
cho phép dữ liệu được truyền an toàn từ trạm 1 tới trạm thứ 2. Đó là các giao
thức phục vụ việc truyền số liệu. Tầng này thao tác trên các Frame dữ liệu.
Tầng mạng: Quy định cách thức trao đổi dữ liệu qua các mạng sao cho
dữ liệu có thể đi từ một trạm này tới một trạm khác. Tầng này thực hiện chức
năng định tuyến, điều khiển lưu lượng, phân đoạn và hợp đoạn, kiểm soát
lỗi.... Tầng này thao tác trên các gói dữ liệu.
Tầng giao vận: Quy định cách thức trao đổi dữ liệu dưới dạng dịch vụ
chuyển dữ liệu giữa người sử dụng. Tầng này kiểm soát độ tin cậy của một
kết nối, theo dõi các gói tin và truyền lại các gói bị lỗi. Tầng này thao tác trên
các phân đoạn (segment) dữ liệu.
Tầng thoả thuận (còn gọi là phiên do dịch từ session): Chức năng chính
của tầng này là kiểm kiểm soát các (phiên) hội thoại giữa các máy tính. Thiết


15

lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa ứng dụng tại trạm và ứng dụng ở xa.
Tầng này thao tác trên dữ liệu toàn bộ trước khi phát và sau khi thu.
Tầng thể hiện (trình diễn): Chứa chức năng chuyển đổi dữ liệu sang
dạng phù hợp để cung cấp cho tầng ứng dụng. Tầng này thao tác trên toàn bộ
dữ liệu.
Tầng ứng dụng: Xử lý dữ liệu và cung cấp giao diện cho người sử dụng.
Tầng này thao tác trên toàn bộ dữ liệu.
1.1.10.3 Đóng gói dữ liệu
Do chỉ thao tác trên các đơn vị nhỏ hơn dữ liệu tổng thể nên các giao
thức từ tầng 1 đến tầng 3 thuộc loại có liên kết (giữa 2 trạm để hoàn tất dữ
liệu). Ở đây đòi hỏi cả 2 trạm làm việc để trao đổi thông tin.
Việc đóng gói các đơn vị dữ liệu ở đây thực hiện cả phía trước và phía
sau dòng dữ liệu.

Giao thức từ tầng 4 đến 6 thao tác trên dữ liệu tổng thể nên 2 trạm không
cần giao tiếp trực tiếp.
Việc đóng gói dữ liệu chỉ ở phía trước, đây là phần là mô tả dữ liệu.
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trong
công nghiệp (SCADA)
1.2.1 Hệ thống SCADA và phân cấp quản lý
Hiểu theo nghĩa đầy đủ, hệ thống điều khiển kiểm soát và thu thập dữ
liệu (SCADA) trong công nghiệp cho phép điều khiển giám sát hoạt động của
các hệ thống công nghệ, bao gồm quá trình sản xuất tại các nhà máy xí nghiệp
trong toàn ngành, cho tới giám sát từ xa tại các Trung tâm điều hành các cấp
và cả công tác điều hành thị trường.
Hệ thống SCADA thường có phân cấp quản lý như sau:
+ Cấp hiện trường.
+ Cấp nhà máy.


16

+ Cấp vùng miền.
+ Cấp ngành.
Cấp hiện trường quản lý dây chuyền công nghệ sản xuất trong một nhà
máy xí nghệp nhất định.
Cấp nhà máy quản lý toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy, bao gồm
quản lý cấp hiện trường và các các quản lý khác thuộc nhà máy xí nghiệp.
Vị trí của cấp hiện trường và cấp nhà máy đặt tại nhà máy xí nghiệp.
ICCP/ELCOM90

CC (Center)

CC (Center)

IEC 870-5-101/104

IEC 870-5-101/104

IEC 61850
SAS/DCS

+

RTU, PLC
870-5-103/MODBUS

IEC 870-5-103/MODBUS

Hình 1.4 – Tổng quan hệ thống SCADA
Cấp vùng miền quản lý nhiều nhà máy xí nghiệp trong vùng được phân
công quản lý. Ở Việt Nam cấp này có vị trí đặt ở trung tâm vùng miền.
Cấp ngành quản lý chung quá trình sản xuất và thị trường của toàn
ngành. Đây là cấp quản lý cao nhất đối với ngành. Nhà nước thực hiện công
tác quản lý ngành thông qua cấp này.
Có 3 yêu cầu lớn đối với hệ thống SCADA:
Một là; Là hệ thống phức tạp đắt tiền nên các thành phần của SCADA
được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Do đó có yêu cầu cao về chuẩn hóa
thiết bị, đặc biệt là về các giao diện và giao thức.


17

Hai là; Môi trường áp dụng trong công nghiệp có thể có nhiễu rất lớn

nên các giao diện và giao thức phải được áp dụng hợp lý để xử lý nhiễu.
Ba là; Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch
vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA.
Kết nối dữ liệu trong hệ thống SCADA theo IEC thường tuân thủ một số
giao thức chuẩn sau:
+ Giữa RTU với với dây chuyền công nghệ sử dụng giao thức IEC 8705-103 hoặc giao thức của nhà sản xuất.
+ Giữa SAS/DCS với IED sử dụng giao thức MODBUS trên giao diện
RS485/RS232,....
+ Giữa các máy trạm và máy chủ trong hệ thống SAS/DCS ngày nay
đang sử dụng một số giao thức của nhà sản xuất và đang hướng tới chuẩn IEC
61850.
+ Gữa GateWay với CC sử dụng giao thức IEC870-5-101 trên
RS232/Modem hoặc giao thức IEC870-5-104 qua mạng WAN.
+ Giữa CC với CC sử dụng giao thức ICCP hoặc ELCOM90.
+ Giữa CC với hệ thống quản lý thị trường sử dụng giao thức ICCP hoặc
ELCOM90...
1.2.2 Các chức năng hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA có các chức năng chính sau đây:
+ Chức năng thu thập dữ liệu.
+ Chức năng điều khiển, điều chỉnh.
+ Chức năng tạo các cảnh báo.
+ Chức năng tạo các biểu đồ, đồ thị.
+ Chức năng lưu trữ và truy xuất số liệu và thông tin.
+ Chức năng trung chuyển số liệu và thông tin.


18

Ngày nay yêu cầu đối với các hệ thống điều khiển kiểm soát không chỉ là
hệ thống quản lý thuần túy kỹ thuật. Vai trò của hệ thống SCADA mới chỉ

quản lý hạ tầng kỹ thuật với các phần mềm tương ứng. Các hệ thống SCADA
nói trên cần được tích hợp thêm các ứng dụng kinh tế - kỹ thuật và thị trường.
Đối với ngành năng lượng hệ thống như vậy được gọi là SCADA/EMS (EMS
tiếng Anh có nghĩa là Energy Management System). Đây là chức năng mới
và đang bắt đầu được ứng dụng tại Việt nam.
1.2.3 Cấu trúc hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA gồm 3 phần chính như sau:
+ Hệ thống các thiết bị đầu cuối: RTU, PLC, SAS/DCS (tại hiện trường).
+ Hệ thống các Trung tâm điều hành (CC).
+ Hệ thồng mạng truyền số liệu.
1.2.3.1 Hệ thống các thiết bị đầu cuối
Hệ thống các thiết bị đầu cuối có nhiệm vụ thu thập dữ liệu tại hiện
trường thông qua các bộ cảm biến và chuyển đổi chuẩn hóa (Transducer).
Mỗi thiết bị đầu cuối có khả năng tiếp nhận hàng trăm đại lường đo lường và
tín hiệu trạng thái, có khả năng xử lý các đầu vào ra theo thời gian thực, thu
thập số liệu, cảnh báo, báo cáo và chấp hành các lệnh từ trung tâm điều
khiển.
RTU được hiểu là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý có thiết
bị vào/ra để trao đổi dữ liệu thời gian thực với thiết bị công nghệ của dây
chuyền sản xuất có công nghệ truyền thống (cũ).
PLC là thiết bị đầu cuối chuyên dụng ra đời muộn hơn RTU cho phép
trao đổi dữ liệu thời gian thực với thiết bị công nghệ của dây chuyền sản xuất,
đồng thời cho phép lập trình để điều khiển cục bộ một số quá trình điều khiển
(điều khiển quá trình).