(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu thiết kế hệ thống Scada cho hệ thống cung cấp nước sạch tại xí nghiệp nước sạch Tích Lương

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÝ THỊ THU HƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO
HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP
NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN - 2019

i


LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Lý Thị Thu Hường.
Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học
Thái Nguyên.
Nơi công tác: Trường Cao đẳng nghề số 1 - Bộ Quốc phòng.
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA
CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH
LƯƠNG”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa.
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những
nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Quốc Đông và sự
giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học
Thái Nguyên. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.

Thái Nguyên, ngày

tháng năm 2019

Học viên thực hiện

Lý Thị Thu Hường

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự
hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS. Vũ Quốc Đông, người trực tiếp hướng dẫn luận
văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất
để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những
đóng góp quý báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực
hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo
sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp
và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình
học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày

tháng

Học viên

Lý Thị Thu Hường

iii

năm 2019


MỤC LỤC
THÔNG TIN ĐỀ TÀI ........................................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... xii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA ................................................... 1
1.1

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG

SCADA .............................................................................................................. 1
1.1.1

Giai đoạn những năm 1940 ............................................................ 1

1.1.2

Hệ thống điều khiển giám sát Visicode những năm 1950.............. 2

1.1.3

Hệ thống SCADA được phát minh năm 1960 ............................... 2

1.2

CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA ................... 3

1.2.1

MTU (Master Terminal Unit)......................................................... 3

1.2.2

RTU (Remote Terminal Unit) ........................................................ 4

1.2.3

Khối truyền thông ........................................................................... 5

1.2.4

Giao diện hệ thống SCADA ........................................................... 6

1.3

CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI ................. 7

1.3.1

Cấu trúc hệ thống ........................................................................... 8

1.3.2

Các đặc tính chính của hệ thống ..................................................... 8

1.3.3

Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy ...................................... 9

1.3.4

Các ứng dụng của hệ thống SCADA............................................ 10

1.4

HỆ THỐNG SCADA TRONG KỶ NGUYÊN IOT ........................... 12

1.4.1

Hệ thống IoT ................................................................................ 12

1.4.2

IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT ................... 13

1.4.3

IoT so với SCADA ....................................................................... 14

1.4.4

Tích hợp SCADA và IoT ............................................................. 16

1.4.5

Tương lai của SCADA và IoT...................................................... 17

1.5

HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH ............. 19

1.5.1

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ................................... 20

1.5.2

Khái quát quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch ................... 21

1.5.3

Cấu hình hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch .............. 23

1.5.4

Cấu hình mạng SCADA - Biến tần cho các trạm bơm ................ 26

iv


1.5.5

Các chức năng của hệ thống SCADA .......................................... 26

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ SCADA CHO XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH

LƯƠNG ............................................................................................................... 32
2.1

THÔNG TIN VỀ NHÀ MÁY NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG ........... 32

2.1.1

Khái quát chung về nhà máy nước sạch Tích Lương .................. 32

2.1.2

Yêu cầu đối với Hệ SCADA ........................................................ 35

2.2

THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA - IoT .............................................. 37

2.2.1

Lựa chọn phương án ..................................................................... 37

2.2.2

Thực thi phần cứng Hardware ...................................................... 38

2.2.3

Thực thi phần mềm Software ....................................................... 46

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM & KẾT LUẬN ..................... 48

3.1

HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH ............. 48

3.2

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................. 49

3.3

KẾT LUẬN ......................................................................................... 53

3.4

ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN ............. 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 55

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các tủ điều khiển trong một hệ thống SCADA .......................................... 1
Hình 1.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4] ................................................................ 4
Hình 1.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU. .............................................................................. 5
Hình 1.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy. .................................................. 6
Hình 1.5: Phối hợp IoT và SCADA .......................................................................... 17
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống cấp nước dùng nguồn nước sông (nước mặt) [13]........... 21
Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống SCADA cho nhà máy cung cấp nước sạch.............. 23
Hình 1.8: Cấu hình cơ bản mạng SCADA biến tần cho trạm bơm ........................... 26

Hình 1.9: Mô phỏng trang màn hình giao diện hệ thống phân phối ......................... 27
Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý nước trong Nhà máy nước sạch Tích Lương
................................................................................................................................... 33
Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ nhà máy nước sạch Tích Lương .................................... 34
Hình 2.3: Động cơ bơm 160KW tại trạm bơm cấp 2 ................................................ 35
Hình 2.4: Mác động cơ bơm 160KW ........................................................................ 36
Hình 2.5: Cảm biến áp suất ....................................................................................... 36
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................ 37
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý Mô đun MCU ................................................................. 42
Hình 2.8: Sơ đồ mạch in khối MCU ......................................................................... 42
Hình 2.9: Hình ảnh thực tế Mô đun MCU ................................................................ 43
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mô đun giáo tiếp phần 1............................................... 44
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý Mô đun giao tiếp phần 2 .............................................. 44
Hình 2.12: Sơ đồ mạch in mô đun giao tiếp COMU ................................................ 45
Hình 2.13: Hình ảnh thực tế mô đun giao tiếp COMU ............................................. 45
Hình 2.14: Giao diện màn hình chương trình lập trình cho mạch điều khiển .......... 46
Hình 2.15: Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển STM32 ...................................... 47
Hình 3.1: Tủ điều khiển trong hệ SCADA................................................................ 48
Hình 3.2: Màn hình đăng nhập WEB ........................................................................ 49
Hình 3.3: Giao diện màn hình Web sau khi đăng nhập thành công ......................... 49

vi


Hình 3.4: Màn hình Web thể hiện kết quả đảm bảo áp suất đặt 3.0 Bar .................. 50
Hình 3.5: Màn hình WEB Điều khiển- Giám sát hệ thống ....................................... 50
Hình 3.6: Màn hình cài đặt thông số điều khiển cho hệ thống ................................. 51
Hình 3.7: Biểu đồ Áp suất đường ống chính của hệ thống ....................................... 51
Hình 3.8: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo giờ ................................................. 52
Hình 3.9: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo ngày .............................................. 52

vii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

MTU

Master Terminal Unit

RTU

Remote Terminal Unit

TCP\IP

Transmission Control Protocol and Internet Protocol

CNTT

Công nghệ Thông Tin

IOS

Data Input/Output Modules

HMI

Human- Machine Interface

HDC

Historical for Data Collection Storage

GW

Gateway for Inter-LAN Comunication

APPS

Aplication Calculation and Processing Module

VDU

Video Display Unit

GIS

Geographic Information System

IoT

Internet of Things

IoT-GSI

Global Standards Initiative on Internet of Things

KPI

Key Performance Indicator

TTĐĐCTY

Trung tâm điều độ công ty

PĐĐXN

Phòng điều độ xí nghiệp

PĐ ĐNM

Phòng điều độ nhà máy

DMA

Direct Memory Access

MIS

Managerment Information System

GIS

Geographic Information System

viii


THÔNG TIN ĐỀ TÀI
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG
CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG

 Đặt vấn đề
Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng
cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp
nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước,
ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành
và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước…
và trong tương lai quản lý đến tận từng địa chỉ, từng hộ tiêu thụ nước.
Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến
có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp
có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống
đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc
điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công
ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống
đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn. Và một điều hiển nhiên là theo
một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà
máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực
hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch. Việc ứng dụng công nghệ SCADA
chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách. Luận văn nhằm giới
thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng
cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn
những mục tiêu nêu trên.
Kết quả của luận văn ngoài việc cung cấp các kết quả về mặt lý thuyết giúp cho
việc học tập và nghiên cứu còn có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tế.

 Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ
SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng. Cụ thể trong luận văn này tôi
thiết kế, thi công cả về phần cứng và phần mềm cho hệ SCADA cho hệ thống cung

ix


cấp nước sạch. Tác giả sẽ thực hiện kiểm chứng chất lượng của hệ SCADA này thông
qua mô phỏng và kiểm chứng trên thực nghiệm.
 Kết quả dự kiến
- Về mặt lý thuyết:
Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ
SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng; ứng dụng được phương pháp
tính toán mô phỏng để đánh giá, kiểm tra sơ bộ hệ thống.
- Về mặt thực nghiệm:
Nếu có điều kiện cụ thể thì tiến hành kiểm nghiệm trên mô hình thực hệ SCADA
cho hệ thống cung cấp nước sạch.
 Phương pháp và phương pháp luận
* Phương pháp luận:
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết để giải quyết thành công về mặt lý thuyết cho
hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch từ đó kiểm nghiệm thông qua hệ thống
thực.
* Phương pháp nghiên cứu:
- Lý thuyết:
+ Tìm hiểu công nghệ, yêu cầu của hệ điều khiển
+ Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống SCADA.
+ Nghiên cứu lý thuyết về IoT để ứng dụng nâng cao chất lượng của hệ SCADA
thông qua mạng internet tốc độ cao.
- Kiểm nghiệm:

+ Ứng dụng các phần mềm để kiểm tra sơ bộ hệ thống.
+ Thực nghiệm trên hệ thống thực.
 Cấu trúc của luận văn
Luận văn dự định gồm có các phần
Chương 1: Tổng quan về về hệ SCADA
Tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ SCADA cho hệ thống cung cấp
nước sạch nói riêng.
Chương 2: Thiết kế hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch.

x


Nghiên cứu các yêu cầu của hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch, từ
đó xây dựng phần cứng và viết phần mềm cho hệ thống.
Chương 3: Mô phỏng, thực nghiệm, kết luận và kiến nghị
Từ những nghiên cứu về mặt lý thuyết, thực hiên mô phỏng trên mô hình hệ
thống (trên phần mềm dùng cho HMI và PLC, chương trình cho Vi điều khiển), sau
đó tiến hành thực nghiệm kiểm nghiệm kết quả.
 Các công cụ và thiết bị nghiên cứu
- Máy tính cá nhân có cài đặt phần mềm chuyên dụng, lập trình C.
- Tất cả các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho đề tài.

xi


LỜI MỞ ĐẦU
Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng
cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp
nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước,
ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành

và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước…
và trong tương lai quản lý đến tận từng địa chỉ, từng hộ tiêu thụ nước.
Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến
có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp
có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống
đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc
điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công
ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống
đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn. Và một điều hiển nhiên là theo
một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà
máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực
hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch. Việc ứng dụng công nghệ SCADA
chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách. Luận văn nhằm giới
thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng
cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn
những mục tiêu nêu trên.

xii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập
dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Người vận hành có thể nhận biết
và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông [1] [2].

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ
THỐNG SCADA
1.1.1 Giai đoạn những năm 1940
Từ những năm 1940, yêu cầu vận hành các thiết bị điện ở các địa điểm khác
nhau dẫn đến nhu cầu xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát các thiết bị đó.

Cách tiếp cận đầu tiên để xây dựng hệ thống này là sử dụng cặp đôi dây hoặc nhiều
cặp đôi dây giữa các địa điểm. Mỗi cặp đôi dây vận hành một thiết bị duy nhất. Điều
này làm tăng chi phí. Tuy nhiên đây là sự cần thiết để vận hành các thiết bị thường
xuyên. Đồng thời có khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng nếu xảy ra lỗi.

Hình 0.1: Các tủ điều khiển trong một hệ thống SCADA
Để tiết kiệm chi phí hơn, vấn đề cần giải quyết là làm thế nào để chỉ sử dụng một
đôi dây mà có thể điều khiển nhiều thiết bị. Trong thời gian này, các công ty điện thoại
phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm. Công nghệ này được đưa vào

1


đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm
số lượng đi dây. Do sử dụng chung đôi dây và cần thiết điều khiển thiết bị chính xác,
một khung làm việc lựa chọn/kiểm tra/thao tác được đưa ra [3].
1.1.2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode những năm 1950
Khi điện thoại kiểu xung phát triển, công ty Westing house liên kết với công ty
North Electric đã phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode dựa trên cách đếm
số xung. Mã Visicode sử dụng 2 cửa sổ trễ để tạo xung và đếm số xung. Cửa sổ ngắn
sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra một thiết bị. Cửa số lớn sử dụng cho một lựa
chọn/kiểm tra cho một nhóm thiết bị. Hàng nghìn thiết bị này đã được sử dụng trong
các năm 1950 – 1960.
Năm 1960 – 1970, Công ty Westing house phát triển hệ thống giám sát Solid
state gọi là REDAC. Hệ thống này sử dụng khung dữ liệu cố định. Hệ thống này cũng
sử dụng lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác. GE cũng phát triển hệ thống tương tự có
tên gọi là GETAC.
Để giảm bớt sự vất vả trong việc lưu trữ dữ liệu đọc được mỗi giờ của người
trực vận hành, hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được đưa ra. Phiên bản đầu tiên
của hệ thống này có trước cả hệ thống Solid State và hệ thống đo lường xa. Tuy nhiên,

phải đến khi hệ thống Solid state ra đời và sự phát triển của máy tính thì hệ thống này
mới được đưa vào sử dụng.
1.1.3 Hệ thống SCADA được phát minh năm 1960
Hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu điều khiển giám sát thực sự phát triển sau
khi máy tính trở nên phổ biến. Giữa năm 1960, Westing house và GE đã xây dựng bộ
xử lý cho hệ thống này. Westing house gọi là PRODAC và GE gọi là GETAC. Do
yêu cầu phức tạp, đòi hỏi máy chủ máy chủ phải cung cấp tất cả các chức năng của
một hệ thống SCADA. Chức năng chính của máy chủ là quét dữ liệu, giám sát dữ
liệu và các trạng thái. Bên cạnh đó là cảnh báo nếu thay đổi, hiển thị dữ liệu, hiển thị
dữ liệu trên màn hình, lưu dữ liệu theo chu kỳ. Hầu hết hệ thống SCADA làm việc
bằng cách quét liên tục. Máy chủ gửi các yêu cầu dữ liệu đến đầu xa và đầu xa trả lời.

2


1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập
dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Người vận hành có thể nhận biết
và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông. Nói
cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết
kế để thực hiện các chức năng sau:
* Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến.
* Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
* Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý.
* Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà
máy.
1.2.1 MTU (Master Terminal Unit)
MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ
máy tính công nghiệp. MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối
truyền thông. Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor,

máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông.
Nhiệm vụ của MTU bao gồm:
* Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành.
* Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU.
* Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các
thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển.
* Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác.

3


Hình 0.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4]
1.2.2

RTU (Remote Terminal Unit)

Thuật ngữ RTU được sử dụng từ những năm 1960. RTU được cung cấp bởi các
nhà sản xuất SCADA. RTU gồm các khối chức năng, có các card mạch in. Nó thường
lắp đặt trong một tủ thiết bị, tiện dụng có thể treo tường trong các trạm biến áp xa.
Hầu hết RTU hoạt động dựa trên nguyên lý quét liên tục. Chúng có thể đáp ứng nhanh
để điều khiển theo sự kiện trong một môi trường nhiều tạp âm. RTU cũng sử dụng
lược đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác được sử dụng trong vận hành điều khiển. Trong
những năm 1960 -1970, các giao thức truyền thông của RTU được độc quyền bởi các
nhà sản xuất RTU.

4


Hình 0.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU.
RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu

và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo…
gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động
của các thiết bị hiện trường. Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều
khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu.
Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và
đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có
các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà
không cần định hướng của MTU. Cấu trúc cơ bản của RTU gồm có bộ giao tiếp
truyền thông, bộ điều khiển trung tâm, hệ thống input/output số. Một hệ thống
SCADA lớn có thể có hàng trăm RTU.
1.2.3 Khối truyền thông
Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng
và phần mềm.
 Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các
thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây - wireless), các trạm lặp –
Repeater (trong trường hợp truyền đi xa).

5


 Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập
trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau.
CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông. Các
giao thức có thể là giao thức mở như TCP\IP (Transmission Control Protocol and
Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng. Những luồng thông tin được tổ chức theo
mô hình 7 lớp ISO/OSI. Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao
đổi thông tin với các giao thức. Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó
nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền. Dữ liệu này được biên dịch và được
CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ.
1.2.4 Giao diện hệ thống SCADA

Về giao diện, ban đầu hệ thống SCADA sử dụng một bảng điều khiển với các
nút bấm để lựa chọn, thao tác các thiết bị. Các thông tin giám sát được hiển thị sử
dụng các bộ hiển thị số. Các cảnh báo được được đưa ra theo một danh sách qua máy
in. Từ cuối 1960, màn hình CRT được sử dụng cho giao tiếp người/máy. Phiên bản
đầu tiên sử dụng các ký tự trắng đen trên CRT. Màn hình CRT được sử dụng để hiển
thị dữ liệu và trạng thái. Chúng được biểu diễn dưới dạng bảng, danh sách cảnh báo,
xóa các danh sách cảnh báo. Bàn phím được sử dụng thay cho các nút bấm trên bảng
điều khiển.

Hình 0.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy.

6


Năm 1970, màn hình CRT màu ra đời. Màn hình này có các ký tự đồ họa cho phép
biểu diễn sơ đồ một sợi mạch điện với các khóa, chuyển mạch động. Các giá trị đo
lường như điện áp, dòng điện, công suất có thể biểu diễn trên sơ đồ một sợi và được
cập nhật thường xuyên. Năm 1980, CRT ảnh màu đầy đủ cho phép vẽ sơ đồ một sợi
ở mức tinh xảo hơn. Nó có thể phóng to, thu nhỏ, chi tiết hóa hơn từng chi tiết. Trên
sơ đồ này, người vận hành có thể lựa chọn thiết bị, xác nhận lựa chọn thiết bị, thao
tác điều khiển thiết bị.

1.3 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI
Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông
tin. Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám
sát trên một phạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng
chục ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao
thức mở và các mạng truyền thông như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET
và cả mạng Internet. Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối
Internet. Mặt khác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC có khả năng đảm

nhận việc giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ. Tuy nhiên, MTU vẫn không thể
thiếu trong hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA hiện đại cho phép dữ liệu thời gian thực từ nhà máy tới khắp
mọi nơi trên thế giới. Việc truy cập thông tin thời gian thực này cho phép các chính
phủ, doanh nghiệp và cá nhân đưa ra quyết định theo hướng dữ liệu về cách cải thiện
quy trình của họ. Nếu không có phần mềm SCADA, sẽ vô cùng khó khăn nếu không
thể thu thập đủ dữ liệu để có quyết định sáng suốt.
Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng SCADA hiện đại có khả năng phát triển ứng
dụng nhanh (RAD) cho phép người dùng thiết kế ứng dụng tương đối dễ dàng, ngay
cả khi họ không có kiến thức sâu rộng về phát triển phần mềm.
Việc đưa các tiêu chuẩn và thực hành Công nghệ Thông Tin (CNTT) hiện đại
như SQL và các ứng dụng dựa trên web vào phần mềm SCADA đã cải thiện đáng kể
hiệu quả, bảo mật, năng suất và độ tin cậy của các hệ thống SCADA.

7


Phần mềm SCADA sử dụng sức mạnh của cơ sở dữ liệu SQL cung cấp những
lợi thế rất lớn so với phần mềm SCADA cổ xưa. Một lợi thế lớn của việc sử dụng cơ
sở dữ liệu SQL với một hệ thống SCADA là nó làm cho nó dễ dàng hơn để tích hợp
vào hệ thống MES và ERP hiện có, cho phép dữ liệu lưu thông liên tục thông qua
toàn bộ tổ chức.
Dữ liệu lịch sử từ một hệ thống SCADA cũng có thể được ghi vào cơ sở dữ liệu
SQL, cho phép phân tích dữ liệu dễ dàng hơn thông qua xu hướng dữ liệu.
1.3.1

Cấu trúc hệ thống

Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được xây dựng theo cấu trúc phân
bố, trong đó máy chủ được phân bố trên một số các bộ xử lý được nối với nhau thông

qua mạng cục bộ (LAN). Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất định
như: thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một số bộ xử lý dùng để
dự phòng.
Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client – Server.
Với:
* IOS: module các ngõ vào ra dữ liệu (Data Input/Output Modules).
* HMI: module giao tiếp giữa người và máy (Human- Machine Interface).
* HDC: module lưu trữ dữ liệu thu thập được trong quá khứ (Historical for Data
Collection Storage).
* GW: cổng giao tiếp cho mạng LAN (Gateway for Inter-LAN Comunication).
* APPS: module tính toán và xử lý ứng dụng (Aplication Calculation and
Processing Module).
1.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống
Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau:
* Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển.
* Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng
hiển thị đa tín hiệu.
* Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System).
* Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP.

8


* Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp.
* Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác.
* Khả năng tích hợp tín hiệu Video động.
* Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và
Client.
1.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy
Về phần giao tiếp giữa người và máy, các hệ thống SCADA ngày nay được

trang bị các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit), hiển thị đầy đủ hình
ảnh đồ họa của các quá trình. Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và
bàn phím, các nút điều khiển được thay thế bằng các biểu tượng (Icon) trên màn hình.
Chúng được tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tượng trên
màn hình đối với các màn hình cảm ứng.
Các thiết bị đó giúp cho người điều hành có khả năng:
* Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị.
* Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được cập nhật.
* Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống.
* Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng như nhận
biết dữ liệu (Ví dụ: các màu khác nhau cho các trạng thái khác nhau).
Ngoài ra các VDU chạy trên môi trường Windows hay Windows-X còn giúp
điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, và truy cập
được các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu
khác nhau.
Về các RTU, không còn là những thiết bị thụ động nữa mà chúng làm nhiệm vụ
thu thập và lưu giữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực
hiện tại các RTU.
Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết
bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa… Các RTU có thể được kết nối theo kiểu
phân bố hoặc kiểu phân cấp. Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ.

9


Về cơ sở dữ liệu, các dữ liệu được lưu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa được
tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng như các cảnh
báo. Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố. Cơ sở
dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin MIS (Managerment
Information System) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information

System). Ngoài ra, các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password.
1.3.4

Các ứng dụng của hệ thống SCADA

Ngày nay hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực
công nghiệp. Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:
 Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng,
các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát.
 Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân
bay, bến cảng.
 Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí.
 Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu.
 Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện.
Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển trong
các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành
công nghiệp công nghệ cao khác.
Đối với một nhà máy hiện đại, khi xây dựng và đưa vào hoạt động, để có thể
tạo ra được sản phẩm đạt yêu cầu về chất lượng, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe
của thị trường, nhà máy cần được trang bị các máy móc hiện đại, đạt được các tiêu
chuẩn về chất lượng và môi trường, độ an toàn, năng suất và tiết kiệm. Chính vì thế,
việc tích hợp tự động hóa nhà máy là một yêu cầu bức thiết được ra. Các hạng mục
sản xuất được trang bị máy móc tự động, phần mềm điều khiển hiện đại để tiết kiệm
nhiên liệu, điện năng, nhân công và đảm bảo chính xác theo yêu cầu.
Thông thường SCADA được chia ra làm 3 cấp:
 Cấp vận hành (Cấp trường):

10

Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi hoạt động của thiết bị, các
thông số theo quy trình công nghệ đặt ra.
 Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển):
Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tình
trạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao
tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần
mềm (HMI-Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel).
 Cấp giám sát, quản lý:
Có 2 hình thức tương đương nhau:
+ Giám sát tại nhà máy (Tại nhà vận hành):Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số,
tình trạng thiết bị và toàn bộ hoạt động của dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao
diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòng điều khiển qua đó có thể nắm được tình
hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kế hoạch sản xuất, truyền tải, v.v...
+ Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại
đây có thể theo dõi, giám sát mọi họat động của nhà máy thông qua máy tính được kết
nối từ xa qua mạng. Từ đó có kế hoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng.
Tại trung tâm, nhà quản lý không chỉ thu nhận và giám sát các thông tin liên
quan đến các nhà máy điện từ xa qua mạng mà còn giám sát và quản lý nhiều hệ thống
khác: trung tâm dữ liệu (thu thập toàn bộ các dữ liệu chuyên nghành và tích hợp vào
các hệ thống con của tầng dữ liệu, truyền hình hội nghị (tele conference), tổng đài
điện thoại (PABX), bán hàng & thương mại điện tử (e-commerce), tư vấn và các dịch
vụ điện tử sử dụng nội bộ và cho thuê, …Tất cả các dịch vụ này đều không chỉ thuần
túy về kỹ thuật và còn liên quan đến các vấn đề về thông tin, quản lý, bán hàng, định
hướng, phát triển và các dịch vụ giá trị gia tăng.
Hệ thống SCADA sẽ xây dựng hoàn toàn có thể tích hợp để giám sát từ xa trên
cùng một máy tính tại trung tâm, luồng dữ liệu thu thập từ nhà máy được lưu giữ
trong cơ sở dữ liệu nên hoàn toàn có thể dùng để tạo các báo về các họat động có liên
quan. Tuy nhiên hệ thống điều khiển giám sát SCADA vẫn hoạt động độc lập mà

11

không bị phụ thuộc hay cản trở từ bất kỳ hệ thống nào khác kể cả khi các hệ thống
khác gặp sự cố, hệ thống SCADA vẫn hoạt động bình thường.

1.4 HỆ THỐNG SCADA TRONG KỶ NGUYÊN IOT
1.4.1 Hệ thống IoT
Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là
Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một
liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện truyền tin (được gọi là "thiết bị kết nối"
và "thiết bị thông minh"), và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện
tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính
giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu. [5] [6] [7] Năm 2013,
tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) đinh nghĩa IoT
là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán)
chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công
nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp," [7] và với mục đích ấy một
"vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà
vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông". Hệ
thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng
mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống
điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh
việc giảm thiểu sự can dự của con người. Khi IoT được kết hợp với các cảm biến và
cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo-thực với
tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như lưới điện thông minh,
nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh. Mỗi
vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối
hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu. Các chuyên gia dự báo rằng
Internet Vạn Vật sẽ có chừng 30 tỉ thiết bị trước năm 2020. [8]
Về cơ bản, Internet Vạn Vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ

thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy-máy
(M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các

12


thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh), được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên
tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới
thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh. [9]
1.4.2 IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT
Kết nối các thiết bị công nghiệp và điều khiển thông qua Internet; là một vấn đề
cực kỳ hấp dẫn đối với các ngành kỹ thuật. Các nhà máy tại Việt Nam chúng ta hiện
nay, các thiết bị điều khiển hầu hết được kết nối với PLC, DCS hoặc SCADA điều
khiển tự động hoặc bán tự động.
Nhưng khi ứng dụng của IoT được áp dụng vào trong nhà máy. Việc quản lý
các hệ thống này được thông qua Internet. Người quản lý không cần đến nhà máy
cũng biết được; các thông số của máy móc hoạt động ra sao. Và hơn hết chúng ta có
thể điều khiển các thiết bị, được kết nối ở bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua
Internet.
Như vậy thông qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy, chúng ta sẽ biết được
máy móc vận hành ra sao, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu có trong
bồn chứa, các nguyên vật liệu trong từng silo,…
Các yếu tố cần thiết để kết nối thiết bị công nghiệp với hệ thống Internet là:
 Các cảm biến trong nhà máy phải kết nối được với truyền thông Modbus
 Từ truyền thông Modbus phải thông qua bộ chuyển đổi trung gian từ Modbus
lên Internet
 Để truy cập vào hệ thống của nhà máy. Chúng ta cần thêm Webserver.
Ba yếu tố cơ bản để kết nối các thiết bị lên Internet. Nhưng để các thiết bị cảm
biến này hoạt động đúng theo yêu cầu cụ thể của từng khu vực, thì chúng tôi phải lập
trình hệ thống theo yêu cầu cụ thể cho từng cảm biến, từng khu vực của nhà máy.

Ngày nay với các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong ngành công nghiệp 4.0 để
tránh các rủi ro về độ bảo mật của hệ thống. Để can thiệp vào hệ thống quản lý và
điều hành thiết bị của nhà máy phải thông qua các bước bảo mật. Hệ thống truy cập
vào phần điều khiển sẽ bị hạn chế đến mức tối đa. Chủ yếu là để theo dõi và quản lý
hiệu quả nhất thiết bị.

13