Nghiên cứu và ứng dụng hệ thống SCADA trong hệ thống điện

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SCADA
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 004233C79

TẠ THỊ YẾN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ MINH CHÍNH

HÀ NỘI - 2009


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các thuật ngữ
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP

I. Tổng quan về hệ thống SCADA trong công nghiệp
1.1. Định nghĩa

1

1.1.2. Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống SCADA

1

1.1.3. Cấu trúc hệ SCADA

4

1.1.4. Ứng dụng của hệ thống SCADA

6

II. Cơ sở kỹ thuật truyền thông để xây dựng hệ điều khiển

7

1.2.1. Chế độ truyền tải

8

1.2.2. Cấu trúc của mạng (Topology)

12

Kết luận

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1. Khái niệm chung về hệ SCADA trong hệ thống điện

22

2.2. Mạng thông tin điện lực

25

2.2.1. Đặc điểm của mạng thông tin trong hệ thống điện

25

2.2.2. Kênh thông tin liên lạc trong hệ thống điện

25

2.2.3. Cấu trúc các kênh thông tin liên lạc trong hệ thống SCADA

30

2.2.4. Các chuẩn thông tin liên lạc trong hệ thống điện

34

2.3. Các chức năng của hệ thống SCADA trong hệ thống điện

39

2.3.1. Chức năng thu thập dữ liệu (Data Acquisition)

39

2.3.2. Chức năng chỉ thị trạng thái (Status Indication)

40

2.3.3. Chức năng đo lường

40


2.3.4. Chức năng giám sát và báo cáo (Monitoring and evet reporting)

42

2.3.5. Chức năng điều khiển

45

2.3.6. Chức năng tính tốn

46

2.3.7. Tính thời gian thực

46

Kết luận

CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1. Phần cứng trung tâm (Master Station Hardware)

50

3.1.1. Máy tính chủ (Server)

50

3.1.2. Các trạm công tác (Workstation)

51

3.1.3. Thiết bị tiền xử lý (Front-end processor)

51

3.1.4. Mạng nội bộ (Local Area Network)

52

3.4.5. Router

52

3.2. Thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit)

53

3.2.1. Cấu tạo chung của RTU

53

3.2.2. Các ứng dụng của RTU

57

3.3. Hệ thống thiết bị chủ

60

3.4. Kết nối thơng tin

61

Kết luận
CHƯƠNG 4. TÌM HIỂU LƯỚI ĐIỆN THUỘC CÔNG TY TRUYỀN TẢI
ĐIỆN I QUẢN LÝ

4.1. Phân cấp điều độ hệ thống điện

63

4.2. Phân cấp thông tin dữ liệu giữa các cấp điều độ

63

4.3. Các hệ thống quản lý mạng trong điều độ hệ thống điện Việt Nam

64

4.3.1. Hệ thống SCADA/EMS tại các trung tâm điều độ

64

4.3.2. Hệ thống tự động hóa trạm biến áp

66

4.4. Cơng tác điều hành và thực trạng lưới điện thuộc công ty truyền tải
điện 1 quản lý

68


4.4.1. Công tác điều hành lưới điện

68

4.4.2. Thực trạng lưới điện thuộc công ty truyền tải điện 1 quản lý

69

Kết luận
CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA TRẠM BIẾN
ÁP 220KV SĨC SƠN

5.1. Giới thiệu về trạm 220kV Sóc Sơn và nhiệm vụ của SCADA trạm

72

5.1.1. Giới thiệu về trạm 220kV Sóc Sơn

72

5.1.2. Các tín hiệu đo và điều khiển trong trạm

79

5.1.3. Nhiệm vụ của SCADA trạm Sóc Sơn

81

5.2. Các nguyên tắc chung khi thiết kế SCADA

82

5.2.1. Thiết kế RTU

83

5.2.2. Hệ thống viễn thông

88

5.2.3. Giao thức viễn thông

89

5.3. Phương án xây dựng hệ SCADA cho trạm Sóc Sơn

89

5.3.1. Sơ đồ tổng thể trạm

91

5.3.2. Q trình thu thập tín hiệu Digital, Analog

93

5.4. Thiết kế phần cứng trung tâm

113

5.5. Thiết kế phần mềm SCADA

110

Kết luận
KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. TNG QUAN V H THNG SCADA TRONG CễNG NGHIP
1.1.1. Định nghĩa
Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống
điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, hỗ trợ con ngời trong việc giám sát
và điều khiển từ xa.
Hệ SCADA truyền thống là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ
thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về trung tâm để xử lý. Trong
một hệ thống nh vậy thì phần cứng và mạng truyền thông là yếu tố quan
trọng nhất và đợc quan tâm nhiều nhất. Theo xu hớng phát triển hiện đại,
với khả năng xử lý phân tán có sẵn ở cấp dới (bus trờng) và cấp trên (bus hệ
thống) thì việc xây dựng hệ SCADA hiện đại chính là xây dùng phÇn mỊm
thiÕt kÕ giao diƯn HMI (Human Machine Interface) và kết nối hệ thống truy
nhập, truyền tải dữ liệu .
1.1.2. Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống SCADA
Chức năng của mỗi cấp SCADA là cung cấp những dịch vơ sau:
ƒ Thu thËp tõ xa (qua ®−êng trun sè liệu) các số liệu và tổ chức việc lu
giữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về sản xuất, về sự kiện thao tác, về
báo động).
Dùng các cơ sở số liệu đó để cung cấp những dịch vụ về điều khiển-giám
sát hệ thống:
- Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình kỹ thuật (trang màn hình, trang đồ
thị, trang sự kiện, trang báo động).
- Điều khiển từ xa quá trình kỹ thuật.


2

Thực hiện các dịch vụ truyền thông số liệu trong hệ và ra ngoài (đọc
viết số liệu PLC/RTU, gửi trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu,

về thao tác hệ thống).
Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xây dựng hệ
SCADA thực hiện một trong số những nhiệm vụ sau:
- Thu-thập giám sát từ xa về đối tợng.
- Điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tợng.
- Điều chỉnh tự động từ xa lên đối tợng.
- Thông tin từ xa với các đối tợng và với cấp quản lý.
Các chức năng đó mỗi thứ đều có yêu cầu đặc biệt đối với các bộ phận
phần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA, cụ thể là:
- Phần đo-giám sát xa cần bảo đảm thu thập, lu giữ, hiển thị, in ấn đủ
những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật.
- Phần điều khiển thao tác xa cần phải bảo đảm đợc việc kiểm tra đóng mở
an toàn, đúng đắn. Bên cạnh đó SCADA phải có đóng mở bằng tay.
- Phần điều chỉnh tự động từ xa cần phân định và quy định trong nhiệm vụ
điều chỉnh hệ SCADA phải đảm nhiệm đến đâu.
- Phần truyền tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện
trờng và nhất là các nhiệm vụ thủ tục truyền số liệu với các SCADA cấp
trên.
Ngày nay, nhiều ngành công nghiệp, giao thông, quân sự... đà áp dụng
những mạng quy m« lín nh− SCADA (Supervisory Control And Data
Acquisition), CAN (Controller Area Network), FIP (Factory instrument
Protocols) vµo viƯc xư lý, tÝnh toán, kiểm tra và điều khiển. Đó là những hệ
quản lý, giám sát quy mô lớn đáp ứng những yêu cầu đa dạng và phức tạp
khác nhau trong tích hợp hƯ thèng. HƯ SCADA cho phÐp m« pháng hƯ thèng
thùc trên máy tính để quan sát trạng thái hiện thời cđa hƯ thèng, ®ång thêi ghi


3

lại các thông tin về hoạt động của hệ thống. Nhờ vậy ngời vận hành có thể dễ

dàng xác định đợc vị trí xảy ra sự cố. Không những thế các hệ SCADA hiện
đại còn có khả năng chuẩn đoán đợc sự cố và cách khắc phục dựa trên các số
liệu thu thập đợc. Các thiết bị để xây dựng hệ SCADA đợc chế tạo sẵn
thành các module chức năng tiêu chuẩn, những phần mềm ứng dụng cũng
đợc hoàn chỉnh thành các module rất tiện lợi cho ngời sử dụng tạo cho họ
khả năng lựa chọn các thiết bị và phần mềm phù hợp với bài toán thiết kế của
mình.
1.1.3. Phn mm SCADA
Để đánh giá một giải pháp SCADA cần phải xét đến:
- Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn
hình giao diện, chất lợng của các thành phần đồ hoạ có sẵn.
- Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật
(trực tiếp từ các cơ cu chấp hành, cảm biến, các modul vào/ra qua PLC
hay các hệ thống bus trờng).
- Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình.
- Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức, xử lý sự kiện, lu
giữ thông tin và lập báo cáo, bảng biểu.
- Tính năng thời gian và hiệu suất trao đổi thông tin.
- Giá thành tổng thể của hệ thống.
Có thể hình dung quá trình tạo dựng một ứng dụng SCADA gồm hai
công việc chính là: Xây dựng màn hình hiển thị và thiết lập mối quan hệ giữa
các hình ảnh trên màn hình với các biến quá trình. Có hai phơng pháp để
thực hiện là:
- Phơng pháp lập trình: là phơng pháp tạo dựng ứng dụng bằng các ngôn
ngữ lập trình thông dụng nh Visual C++, Visual Basic, Delphi... Đây là công
việc đòi hỏi rất nhiều công sức, thời gian và khả năng lập trình chuyên sâu.


4

Cho dù sử dụng những kỹ thuật lập trình tiên tiến, thì điều không thể tránh
khỏi là phải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (Compiler).
- Phơng pháp thứ hai sử dụng những công cụ phần mềm chuyên dụng cho hệ
SCADA. Phơng pháp này thể hiện tính u việt ở ngay tính chuyên dụng của
nó. Các công cụ này có sẵn th viện thành phần cho việc xây dựng giao diện
ngời-máy(HMI), cũng nh các phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ
liệu thông dụng. Để đơn giản hoá việc tạo dựng, xu hớng hiện nay là kết hợp
phơng pháp lập trình trực quan với ngôn ngữ script thông dụng (tơng tự việc
soạn thảo văn bản). Đi xa hơn nữa, một số công cụ cho phép ta sử dụng các
biểu tợng, ký hiệu đồ hoạ để xây dựng giao diện ngời-máy, đồng thời biểu
diễn sự liên quan logic giữa các thành phần của chơng trình dới dạng các
khối chức năng.
1.1.4. Cu trỳc h SCADA
Mô hình phân cấp chức năng

Hình 1.1. Mô hình phân cấp chức năng


5

Một hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ nói chung thờng đợc
cấu trúc theo mô hình phân cấp hình chóp. Theo mô hình này, các chức năng
đợc phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dới lên trên. Càng ở những cấp dới
thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về
độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên đợc thực hiện
dựa trên các chức năng ở cấp dới, có lợng thông tin cần trao đổi và xử lý lớn
hơn nhiều. Thông thờng, ngời ta chỉ coi 3 cÊp d−íi thc ph¹m vi cđa mét
hƯ thèng điều khiển giám sát.
-

Cấp chấp hành (cấp thiết bị): Chức năng chính của cấp chấp hành là đo

lờng, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trờng hợp cần thiết. Thực tế đa
số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc
thực hiện đo lờng/truyền động đợc chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị
thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị
thông tin trớc khi đa lên cấp điều khiển.
-

Cấp điều khiển cơc bé: NhiƯm vơ chÝnh cđa cÊp ®iỊu khiĨn cơc bộ là

nhận thông tin từ các bộ cảm biến, tự động xử lý các thông tin đó theo chơng
trình của con ngời đà cài đặt sẵn và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp
hành. Những thông tin và kết quả của việc điều khiển sẽ đợc chuyển lên cấp
điều hành. ở cấp điều khiển thờng đặt các bộ điều khiển PID, các
controllers, PLC, transmitter RTU số thông minh.....
Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng đợc gọi chung là cấp trờng (field
level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành đợc cài đặt trực tiếp
tại hiƯn tr−êng gÇn kỊ víi hƯ thèng kü tht .
-

CÊp điều hành (cấp điều khiển giám sát): Khi đa số các chức năng nh

đo lờng, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống đợc các cấp cơ sở thực
hiện thì nhiệm vụ của cấp điều hành là hỗ trợ ngời sử dụng trong việc cài đặt
ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát, vận hành và xử lý những tình hng bÊt
th−êng. Kh¸c víi cÊp d−íi, viƯc thùc hiƯn c¸c chức năng ở cấp điều hành


6

thờng không đòi hỏi phơng tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy
tính thông thờng (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal...) có giao
diện mạng gọi chung là máy tính điều hành.
Việc phân cấp chức năng nh trên sẽ rất tiện lợi khi thiết kế hệ thống và
lựa chọn thiết bị. Theo đó các nhà sản xuất cũng đa ra kiến trúc các tầng
mạng thích hợp với đặc thù trao đổi thông tin của từng cấp.
1.1.5. Ứng dụng của hệ thống SCADA
a) Ứng dụng của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do khả
năng thu thập dữ liệu thuận tiện, giám sát, điều khiển và quản lý hoạt động
của hệ thống một cách hiệu quả. Ngày nay các hệ thống SCADA được ứng
dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp theo hướng chuyên biệt hóa cho
từng ngành cụ thể như:
- SCADA cho nhà máy giấy.
- SCADA cho nhà máy xi măng.
- SCADA cho nhà máy lọc dầu và hệ thống kho chứa (đường ống dẫn, hệ
thống phân phối dầu, khí).
- SCADA cho dàn khoan dầu.
- SCADA cho hệ thống cấp thoát nước.
- SCADA điện lực (mạng phân phối và truyền tải điện).
- SCADA cho nhà máy sản xuất đồ uống.
- SCADA cho nhà máy sản xuất hóa chất, dược.
Thơng thường một hệ thống SCADA được xếp loại làm nhiều cấp phức
tạp phụ thuộc vào số lượng các điểm đo và số lượng các điểm điều khiển. Với
hệ cỡ nhỏ và trung bình thi có khoảng từ 50, 500 hay đến 1000 điểm đo. Các
hệ lớn có tới 2000 đến 5000 điểm hoặc hơn nữa.


7

Để đánh giá một giải pháp SCADA cần đặc biệt chú ý đến các vấn đề sau:
- Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn
hình giao diện, chất lượng của các thành phần đồ họa có sẵn.
- Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật
(trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các modul vào/ra qua PLC
hay các hệ thống Bus trường)
- Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện quá trình, khả năng
hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự cố
(Alarm), lưu giữ thông tin (Archive) và lập báo cáo (Reporting).
- Tính năng thời gian và hiệu suất trao đổi thông tin.
- Giá thành tổng thể của hệ thống.
b) Ưu, nhược điểm của hệ thống SCADA
Ưu điểm:
- Cấu trúc phần cứng của hệ SCADA đơn giản, giá thành rẻ.
- Các thiết bị phần cứng có thể được cung cấp từ nhiều nhà cung cấp khác
nhau.
- Có thể vận hành hệ thống từ máy tính trung tâm.
- Quản lý được hệ thống vừa và nhỏ.
- Sử dụng các Sensor thông minh trong công nghiệp.
Nhược điểm:
- Hệ SCADA là hệ thống tập trung cho nên không quản lý được những hệ
thống lớn, phức tạp vì q tải.
- Khơng có phần mềm chun dụng phục vụ cho dự phòng.
- Khả năng cho phép mở rộng các điểm đo và điều khiển là rất khó khăn.
- Tính ổn định cho hệ thống khơng cao.
- Chỉ quản lý được những hệ thống nhỏ


8

1.2.

CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ĐỂ XÂY DỰNG HỆ
ĐIỀU KHIỂN
Có nhiều phương pháp truyền thơng trong hệ thống SCADA, đây là

phần quan trọng trong hệ thống, nó góp phần kết nối các phần tử trong hệ
thống lại với nhau. Để có được cái nhìn tổng quan về phương thức truyền
thơng ta tìm hiểu các phần sau:
1.2.1. Chế độ truyền tải
Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển
giữa các đối tượng truyền thông gồm:
- Truyền song song hay nối tiếp.
- Truyền đồng bộ hay không đồng bộ.
- Truyền 1 chiều (simplex), hai chiều toàn phần (duplex, full-duplex) hay
hai chiều gián đoạn (half – duplex).
- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng.
1.2.1.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp
Truyền bit song song:
Phương pháp truyền bit song song được dùng phổ biến trong các bus
nội bộ của máy tính. Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số kênh dẫn hay chính là
độ rộng của một bus song song. Việc nhiều bit được truyền đi đồng thời gây
trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thơng tăng lên vì khó
đồng bộ giữa bên thu và bên phát. Chính vì vậy phạm vi ứng dụng của
phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu cao về
thời gian và tốc độ truyền.
Truyền bit nối tiếp:
Với phương pháp này, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua
một đường truyền duy nhất. Tốc độ bit vì thế bị hạn chế nhưng cách thực hiện

9

lại đơn giản, độ tin cây của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công
nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này.
1.2.1.2. Truyền đồng bộ và không đồng bộ
Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên
quan tới phương thức truyền bit song song. Trong chế độ này các đối tác
truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức là với cùng tần số và độ lệch
pha cố định.
1.2.1.3. Truyền một chiều, hai chiều toàn phần và gián đoạn
Simplex

Bộ phát

10110101

Bộ thu

10110101
Half-duplex

Duplex

Bộ phát

Bộ thu
10110101

Bộ phát

Bộ thu

Hình 1.2. Truyền một chiều, hai chiều gián đoạn và hai chiều toàn phần
Truyền một chiều:
Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một
chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trị hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên
nhận thông tin (receiver) trong suốt quá trình giao tiếp.
Truyền hai chiều gián đoạn:
Chế độ truyền 2 chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi
hoặc nhận thông tin nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao
đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu
điểm của chế độ này là khơng địi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong
khi có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao.
Truyền hai chiều toàn phần:


10

Với chế độ truyền hai chiều toàn phần, mỗi trạm đều có thể gửi hoặc
nhận thơng tin cùng một lúc. Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ truyền
hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai chiều truyền riêng biệt cho thu và
phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thơng.
1.2.1.4. Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng
Truyền tải dải cơ sở:
Một tín hiệu hiệu mang một nguồn thơng tin có thể biểu diễn bằng tổng
của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp được gọi
là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu
được tạo ra sau khi mã hóa bit nên có tần số cố định hoặc nằm trong một

khoảng hẹp nào đó, tùy thuộc vào phương pháp mã hóa bit. Đường truyền chỉ
có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải
phân chia thời gian để sử dụng đường truyền. Tốc độ truyền tải vì thế tuy có
bị hạn chế nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được dùng chủ
yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp.
Truyền tải dải mang:
Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở khơng tương thích trong mơi
trường làm việc, người ta sử dụng một tín hiệu khác gọi là tín hiệu mang có
tần số nằm trong một dải tần thích hợp – dải mang. Dải tần này thường lớn
hơn nhiều so với tần số nhịp. Dữ liệu cần truyền tải sẽ thực hiện quá trình dải
điều chế để phục hồi thông tin nguồn. Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới
đây, phương thức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền duy
nhất, giống như truyền tải dải cơ sở.
Truyền tải dải rộng:
Sau khi nhiều nguồn thơng tin khác nhau đã được mã hóa, một tín hiệu
được tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn


11

nhiều gọi là tín hiệu mang. Các tín hiệu mang đã được điều biến có tần số
khác nhau nên có thể pha trộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ
tần trải rộng. Tín hiệu này cuối cùng lại được dùng để điều biến một tín hiệu
mang khác. Tín hiệu thu được từ khâu này mới được truyền đi. Đó chính là kỹ
thuật dồn kênh phân tầng trong truyền tải thơng tin nhằm mục đích sử dụng
hiệu quả hơn đường truyền. Phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều biến và
phân kênh hồi phục các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau.
Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh được dùng rộng
rãi trong các mạng viễn thông bởi tốc độ cao và khả năng truyền song song
nhiều nguồn thông tin. Tuy nhiên, vì đặc điểm phạm vi mạng, lý do giá thành

thực hiện và tính năng thời gian, truyền tải băng rộng cũng như kỹ thuật dồn
kênh hầu như khơng đóng vai trị gì trong các hệ thống truyền thơng cơng
nghiệp.
1.2.1.5. Đường truyền vật lý
Mạng máy tính – mạng cơng nghiệp là phương pháp tổ chức một tập
hợp các máy tính, các thiết bị tự động hóa được nối với nhau bởi các đường
truyền vật lý theo một cấu trúc nào đó.
Đường truyền vật lý dùng để truyền các tín hiệu điện giữa các máy tính,
giữa cá thiết bị tự động hóa hay giữa các thiết bị trong mạng với nhau. Các tín
hiệu điện đó biểu diễn các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (onoff). Tất cả các tín hiệu được truyền đều thuộc một dạng sóng điện từ nào đó.
Mỗi loại sóng điện từ có những thiết bị phương tiện truyền dẫn riêng.
Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý cần chú ý tới các đặc trưng
cơ bản: Dải thông (band width), độ suy giảm và nhiễu.
Dải thơng của một đường truyền chính là phạm vi tần số mà nó có thể
đáp ứng được (dải thơng của cáp truyền phụ thuộc vào độ dài cáp. Cáp ngắn
nói chung có dải thơng lớn hơn so với cáp dài. Bởi vậy khi thiết kế cáp cho


12

mạng phải chỉ rõ độ dài chạy cáp tối đa vì ngồi giới hạn đó chất lượng truyền
tín hiệu khơng còn được đảm bảo).
Độ suy giảm là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng
phụ thuộc vào độ dài cáp.
Nhiễu: gây bởi điện từ bên ngồi làm ảnh hưởng đến tín hiệu trên
đường truyền.
1.2.2. Cấu trúc của mạng (Topology)
Kiến trúc mạng (Network Architecture) thể hiện cách các máy tính, các
thiết bị tự động nối với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, các quy ước mà tất
cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo

cho mạng hệ thống tốt. Cách nối này gọi là cấu trúc (Topology) của mạng
(gọi là tơpơ của mạng).
Có hai kiểu nối mạng chủ yếu là điểm – điểm (point – to – point) và
điểm – nhiều điểm (point – to – multipoint):
Nếu một mạng chỉ gồm hai nút được nối trực tiếp với nhau thì được gọi
là mạng có cấu trúc điểm – điểm (point – to – point structure). Theo kiểu này
thì các đường truyền nối với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm
thời sau đó chuyển tiếp dữ lieu đi cho tới đích.
Nếu một mạng gồm nhiều nút, liên kết với nhau theo kiểu quảng bá
(cấu trúc kiểu đường thẳng, vịng, hình sao, hình cây) thì tất cả các nút có
chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một nút nào đó sẽ có
thể được tiếp nhận bởi tất cả các nút còn lại nên chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của
dữ liệu để mỗi nút căn cứ vào đó để kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho
mình không.


13

RTU 01

RTU 02
Máy chủ đầu cuối
tại các trung tâm
điều độ

..
..
..
.
RTU xx

Hình 1.3. Cấu trúc point – to – multipoint tại Trung tâm điều độ A0
Hiện nay các hệ thống SCADA/EMS của trung tâm điều độ HTĐ Quốc
gia (A0), HTĐ miền Bắc (A1), HTĐ miền Nam (A2), HTĐ miền Trung (A3)
đang thực hiện cấu trúc point – to – multipoint nếu xem xét kết nối giữa máy
tính đầu cuối của các Trung tâm điều độ với các RTU tại các trạm T500,
T220, T110, T66 … Tương tự như vậy, các hệ thống MiniSCADA
(SCADA/DMS) của điện lực một số tỉnh, thành phố như Hà Nội, TP Hồ Chí
Minh, Đà Nẵng, Nha Trang … cũng đang thực hiện cấu trúc point – to –
multipoint. Nếu xem xét kết nối giữa máy tính đầu cuối của các Trung tâm
điều độ điện lực tỉnh với các RTU tại các trạm T35, T22, T6 …
Tương ứng với các dạng liên kết, có các dạng cấu trúc mạng cơ bản như sau:
1.2.2.1. Cấu trúc bus
Cấu trúc kiểu đường thẳng là kiểu cấu trúc đơn giản nhất, cấu trúc này
cịn có tên là cấu trúc kiểu đường dẫn (bus structure), mặc dù không phải
đường dẫn nào cũng là cấu trúc đường thẳng. Tất cả các thành viên trong
mạng đều phải có một điểm ghép nối vào mạng. Nó có thể nối thơng qua một
đường dẫn ngắn để đến điểm dẫn chính. Trong mạng này, ngun tắc truyền
thơng được thực hiện như sau: Ở tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành


14

viên trong mạng được truyền dữ liệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền
nhận, tín hiệu được truyền cả hai chiều của bus. Đối với các bus một chiều thì
tín hiệu chỉ đi về một phía. Lúc đó các Teminator (thiết bị đầu cuối) phải
được thiết kế sao cho các tín hiệu phải được dội lại trên bus để có thể đến
được các thành viên trong mạng. Điều này là cần thiết để tránh các xung đột
trên đường dẫn. Đây chính là các phương pháp truyền thơng kiểu bus. Phương
pháp này cũng được sử dụng cho cấu trúc mạng tiếp theo.

Trong dạng bus tất cả các thành viên phân chia chung một đường
truyền chính (bus). Đường truyền chính này được giới hạn bởi một loại đầu
nối đặc biệt gọi là Terminator. Mỗi thành viên được nối vào bus qua một đầu
nối chữ T (T- connector) hoặc một bộ thu phát (Transceiver). Trong tôpô
mạng dạng bus, dữ liệu được truyền dựa vào liên kết điểm – nhiều điểm
(point – to – multipoint).
Trong các tơpơ dạng bus, cần có một cơ chế “trọng tài” để giải quyết
“xung đột” khi nhiều nút muốn truyền tin cùng một lúc. Việc cấp phát đường
truyền có thể là “tĩnh” hoặc “động”. Cấp phát tĩnh thường dùng cơ chế quay
vòng để phân chia đường truyền theo các khoảng thời gian định trước, còn
cấp phát động là cấp phát theo yêu cầu để hạn chế thời gian “chết” vơ ích trên
đường truyền.
Station

Station
Bus System
Terminator

Hình 1.4. Cấu trúc bus

Station


15

Các mạng máy tính LAN trong các Trung tâm điều độ điện lực Quốc
gia, miền và tỉnh, thành phố đa số đều được xây dựng theo cấu trúc bus. Để
tăng cường độ tin cậy, đa số các mạng LAN này đều có cấu trúc hình kép.

Hình 1.5. Cấu trúc bus tại A1

1.2.2.2. Cấu trúc mạch vịng
Cấu trúc vịng cũng có những điểm chung như cấu trúc đường thẳng.
Cấu trúc này sử dụng phương pháp truyền thông kiểu bus. Cấu trúc vòng
được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến
điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vịng khép kín. Ưu điểm cơ bản
của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ
khuyếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể được
thực hiện với khoảng cách rất lớn


16

Station

Station

Repeator
Station
R

R

Hình 1.6. Cấu trúc dạng mạch vịng
Nếu có một thành viên trong mạng bị hỏng thì vấn đề phải giải quyết
lớn hơn rất nhiều so với mạng cấu trúc theo kiểu đường thẳng vì khơng thể
tiếp tục q trình truyền thơng trong mạng được. Cấu trúc vịng có tính chất
rất giống với cấu trúc đường thẳng.
1.2.2.3. Cấu trúc hình cây
CÊu trúc này là sự liên kết các cấu trúc đờng thẳng có độ dài khác
nhau với nhau, do vậy mạng cần có thêm các phần tử để nối các cấu trúc

đờng lại với nhau. Nó có thể đơn thuần là là một bộ lặp lại (Repeater) nếu
nh các đờng dẫn cùng một loại. Còn nếu đờng dẫn không cùng loại một thì
có thể phải dùng đến bộ chuyển đổi (Router, Bridge, Gateway).

S ta tio n

R

R

R

M a s te r
S ta tio n

M a s te r
S ta tio n

S ta tio n

M a s te r

S ta tio n

S ta tio n

S ta tio n

Hình 1.7. Cấu trúc mạng hình cây

S ta tio n


17

1.2.2.4. Cấu trúc hình sao
Lµ mét cÊu tróc mµ cã một nút quan trọng hơn tất cả nút này điều khiển
sự truyền thông của toàn mạng, đợc gọi là nút chủ. Nếu nút này bị hỏng thì
sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục. Nút chủ là thiết bị trung
tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển chúng đến trạm đích.
Tuỳ theo yêu cầu truyền thông trong mạng, thiết bị trung tâm có thể là một bộ
chuyển mạch (Switch), bộ chọn đờng (Router) hoặc đơn giản là bộ phân kênh
(Hub). Vai trò thực chất của thiết bị trung tâm là thực hiện liên kết điểm điểm giữa các trạm. Chính vì thế tận dụng đợc tối đa tốc độ đờng truyền, dễ
dàng cấu hình lại và khắc phục sự cố.
Master
Station
HUB

Station

Station

Station

Hỡnh 1.8. Cu trỳc mng dạng hình sao
Ưu điểm của cấu trúc này là lắp đặt đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu hình
(thêm, bớt trạm), dễ dàng kiểm soát và khắc phục sự cố.
Nhược điểm chủ yếu là độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị
trung tâm bị hạn chế.
Các trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia, miền, tỉnh, thành phố được nối

mạng với nhau theo cấu trúc sao kết hợp với cấu trúc point – to – point.


18

Trung tâm
điều độ A1

Trung tâm điều
độ A0

Trung tâm
điều độ A2

Trung tâm
điều độ A3

Hình 1.9. Cấu trúc hình sao kết hợp vi cu trỳc point-to-point
Dựa vào khoảng cách địa lý mạng đợc phân thành các loại mạng :
+ Mạng cục bộ (Local Area Networks - LAN ).
+ Mạng đô thị (Metropolitan Area Networks - MAN).
+ M¹ng diƯn réng (Wide Area Networks - WAN).
Một sự phân loại chính xác giữa các mạng là không thể. Nhng có sự phân
loại tơng đối sau:
Kiu mạng

Khoảng cách truyền

LA N

≤ 5 km

MAN

< 25 km

WAN

> 25 km

CÊu trúc mạng WAN thờng có cấu trúc kiểu cây và mỗi mạng có cấu
trúc rất khác nhau. Mạng đợc thiết kế trên cơ sở các thành viên trong mạng ở
cách xa nhau, tức là dựa trên đòi hỏi về mặt địa lý. Mạng LAN thờng có cấu
trúc đờng thẳng, cấu trúc vòng hoặc cấu trúc hình sao. Cấu trúc của mét


19

mạng LAN thờng rất tờng minh và ở đây yếu tố kinh tế ít đợc quan tâm
hơn yếu tố thoả mÃn các yêu cầu truyền thông trong mạng.
Tự động hoá quá trình thuộc lĩnh vực hệ thống, do vậy mạng LAN và
WAN đợc ứng dụng để thực hiện truyền thông ở các mức cao, nh mô hình
các phần tử (điều hành hoạt động, điều hành sản xuất và điều hành hoạt động
của nhà máy). Đặc biệt là có thể điều hành thống nhất các nhà máy trong một
mạng. Lựa chọn môi trờng truyền thông hoàn toàn phụ thuộc vào độ tin cậy
và tốc độ truyền thông.
1.2.2.5. Kết nối mạng
Liên kết các hệ đờng dẫn (BusSystem)
Để cho dòng dữ liệu giữa hai m¹ng con cã thĨ trun qua l¹i cho nhau
ng−êi ta sử dụng các thiết bị liên kết đặc biệt. Thông thờng thì mỗi mạng con

đợc thiết lập các giao thức riêng, các thủ tục này có thể Giống/Khác so với
mạng con khác trong mạng. Vấn đề là làm thế nào có thể liên kết hai mạng
lại, mà ngời sử dụng hoàn toàn thiết lập lại giao thức truyền thông. Có thể
thực hiện đợc bằng cách chọn các thiết bị liên kết phù hợp trong số các loại
kết nối nh bộ lặp (Repeater), cầu nối (Bridge), chọn đờng (Router) và cổng
kết nối (Gateway). Những thiết bị kết nối này đợc chọn theo nhiệm vụ của nó
và theo một tiêu chuẩn nào đó đợc sử dụng trong mạng.
Bộ lặp (Repeater) thực chất là bộ sao chép thông tin trên đờng truyền
và khuếch đại lên. Repeater đợc sử dụng trong một lớp của mạng, với yêu
cầu là lớp vật lý của hai mạng hoàn toàn giống nhau. Repeater thờng không
sử dụng để liên kết hai mạng truyền thông con có cùng một kiểu và thờng
đợc dùng để mở rộng một mạng, có nghĩa là làm cho mạng đó dài hơn và lớn
thêm lên, thờng đợc lắp đặt trên đờng dẫn.
Các mạng đều đợc thiết kế với kích thớc giới hạn do độ truyền dẫn, bởi
vậy không thể dùng Repeater để mở rộng vô hạn một mạng.


20

Cầu nối (Bridge): Bridge phục vụ cho việc liên kết các Subnet thuộc lớp
điều khiển (Logic Link Control - LLC) với các thủ tục truyền thông nh nhau.
Môi trờng truyền thông và phơng pháp truy nhập đờng dẫn (MAC)
cho mỗi một Subnet có thể khác nhau. Bridge đợc sử dụng liên kết các
Subnet có cấu trúc khác nhau hoặc do một yêu cầu thiết kế đặc biệt nào đó.
Nhiệm vụ Bridge nhiều khi chỉ có thể giải quyết vấn đề thâm nhập đờng dẫn
(MAC), còn LLC không bị thay đổi gì. Bridge loại này đợc sử dụng cho các
Subnet mà môi trờng truyền thông có thể gồm nhiều loại (Cable ®ång trơc,
Cable quang). So víi Repeater th× Bridge cã tÝnh mềm dẻo hơn vì Bridge chỉ
chuyển đi các tín hiệu có đích ở phần mạng bên kia (nhờ địa chỉ đích đợc ghi
trên Header của tin).

Bộ chọn đờng (Router) : Phục vụ cho liên kết các mạng khác nhau
thành một liên mạng, các mạng này thuộc hai lớp khác nhau. Router xác định
đờng dẫn tối u cho một thông báo thông qua mạng (Routing).
Tiêu chuẩn chọn đờng tối u là đờng truyền đến địa chỉ cần gửi là ngắn
nhất và qua ít thiết bị truyền tin trung gian nhất. Để thực hiện đợc việc này,
Router thay đổi địa chỉ của nơi gửi và nơi nhận trớc khi truyền tiếp dữ liệu
đi.
Cổng kết nối (Gateway) : Phục vụ cho việc liên kết các Subnet có cấu
trúc khác nhau, điều đó có nghĩa là Gateway có khả năng ghép nối các mạng
bất kỳ lại với nhau. Theo mô hình mạng chuẩn ISO, Gateway có khả năng
thông dịch thủ tục truyền thông của các lớp. Gateway cho phép liên kết các
Subnet thuộc chuẩn ISO và không thuộc chuẩn này, có nghĩa là liên kết qua
Gateway có thể là mạng 7 lớp (chuẩn ISO) hoặc có thể không.
1.2.2.6. Môi trờng truyền thông
Tuỳ vào khoảng cách truyền, tốc độ truyền mà ta có thể lựa chọn các giải
pháp truyền số liệu sau :


21

+ Cáp xoắn đôi (Twisted - Pair Cable ) loại cáp này gồm hai đờng dây
dẫn đồng đợc xoắn vào nhau cốt để giảm nhiễu điện từ (EMI) gây ra bởi môi
truờng xung quanh và chính chúng. Có hai loại cáp xoắn đôi đợc sử dụng
hiện nay là cáp xoắn có bọc kim và cáp xoắn không bọc kim.
+ Cáp đồng trục.
+ Cáp quang truyền tín hiệu quang đợc bọc một lớp áo có tác dụng phản
xạ các tín hiệu trở lại để giảm sự mất mát tín hiệu. Tín hiệu đợc truyền đi
là tín hiệu ánh sáng và vậy cần có thiết bị chuyển đổi.
Kt lun:
Nghiờn cu h thng điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong cơng

nghiệp giúp ta có thể nắm bắt được:
- Tổng quan về hệ thống SCADA trong công nghiệp, các chức năng
nhiệm vụ của từng cấp SCADA trong công nghiệp, cấu trúc của hệ và
ứng dụng của hệ thống SCADA.
- Cơ sở kỹ thuật truyền thông để xây dựng hệ điều khiển như chế độ
truyền tải, cấu trúc của mạng (Topology)
Những vấn đề được đề cập trong chương này tạo cơ sở cho việc thực hiện các
chương tiếp theo của luận văn.