Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa Hà nội
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

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

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

-
















L
L
u
u
ậ
ậ
n
n


v
v
ă

ă
n
n


t
t
h
h
ạ
ạ
c
c


s
s
ĩ
ĩ




k
k
h
h
o
o
a

a


h
h
ọ
ọ
c
c








N
N
g
g
à
à
n
n
h
h
:
:

x
x
ử
ử


l
l
ý
ý


t
t
h
h
ô
ô
n
n
g
g


t
t
i
i
n

n


v
v
à
à


t
t
r
r
u
u
y
y
ề
ề
n
n


t
t
h
h
ô
ô
n

n
g
g








X
X
â
â
y
y


d
d
ự
ự
n
n
g
g


h

h
ệ
ệ


t
t
h
h
ố
ố
n
n
g
g


đ
đ
i
i
ề
ề
u
u


k
k
h

h
i
i
ể
ể
n
n




g
g
i
i
á
á
m
m


s
s
á
á
t
t

N
N
g
g
u
u
y
y
ễ
ễ
n
n


t
t
r

r
u
u
n
n
g
g


k
k
i
i
ê
ê
n
n

H
H
à
à


n
n
ộ
ộ
i
i


2
2
0
0
0

0
6
6


2



Lời cam đoan
Tên tôi là Nguyễn Trung Kiên, Học viên lớp Cao học Xử lý thông tin và
truyền thông 2004. Tôi cam đoan những nội dung tôi viết trong luận văn là
nghiên cứu của bản thân tôi dới sự hớng dẫn của T.S Nguyễn Linh Giang và
không có sự sao chép bất hợp pháp từ nghiên cứu của ngời khác. Nếu sai tôi
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2006
Ngời cam đoan:


Nguyễn Trung Kiên.


3
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.........................................................7
Mở đầu.........................................................................................................9
Chơng 1 - Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
1.1. Tổng quan về SCADA.......................................................................... 11
1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTUs (Remote Terminal Units)............... 13

1.1.2. Trạm chủ của hệ thống SCADA (Scada Master Station) .............. 16
1.1.3. Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols) ............. 17
1.1.4. Truyền thông trong SCADA .......................................................... 19
1.2. Kiến trúc của SCADA.......................................................................... 20
1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối...................................................... 20
1.2.2. Hệ SCADA phân bố ....................................................................... 21
1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng........................................................... 23
1.3. Kiến trúc phần mềm ............................................................................ 25
1.4. Tính năng của hệ thống SCADA ........................................................ 27
1.4.1. Cảnh báo và giám sát ..................................................................... 27
1.4.2. Thu thập dữ liệu ............................................................................. 28
1.4.3. Thông báo và chia sẻ dữ liệu.......................................................... 28
1.5. Hệ thống SCADA ở Việt Nam.............................................................28

Chơng 2 Mạng truyền thông công nghiệp
2.1. Mạng truyền thông của Siemens......................................................... 31
2.1.1. Tổng quan về mạng công nghiệp của SEMATIC .......................... 31
2.1.2. Mạng nhiều điểm ........................................................................... 33

4
2.1.3. PROFIBUS ..................................................................................... 34
2.1.4. Mạng công nghiệp (Industrial Ethernet)........................................ 41
2.1.5. Ghép nối điểm tới điểm (Point to Point Interface)......................... 42
2.1.6. Giao diện cảm biến-cơ cấu chấp hành ........................................... 43
2.2. Một số chuẩn truyền dẫn..................................................................... 45
2.2.1. Chuẩn RS-232 ................................................................................ 45
2.2.2. Chuẩn truyền RS-422..................................................................... 48
2.2.3. Chuẩn RS-485 ................................................................................ 50
2.3. Dịch vụ truyền thông ........................................................................... 56
2.3.1. Định nghĩa...................................................................................... 56

2.3.2. Dịch vụ truyền thông và subnet ..................................................... 57

Chơng 3 Truyền thông với PLC
3.1. Tổng quan về PLC ............................................................................... 60
3.1.1. Định nghĩa...................................................................................... 60
3.1.2. Đặc điểm ........................................................................................ 60
3.1.3. Cấu tạo PLC ................................................................................... 62
3.1.4. Cấu hình cứng PLC ........................................................................ 62
3.1.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 64
3.1.6. Cơ chế hoạt động............................................................................ 64
3.1.7. Phơng pháp xử lý tín hiệu ............................................................ 65
3.2. Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 của Siemens .................. 65
3.2.1. Các thành phần của một hệ PLC S7-200........................................ 65
3.2.2. Phần cứng của PLC S7-200............................................................ 66
3.2.3. Cổng truyền thông.......................................................................... 68
3.2.4. Cấu trúc bộ nhớ .............................................................................. 69
3.2.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 71
3.3. Truyền thông trên PLC ....................................................................... 73

5
3.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông................................................. 73
3.3.2. Tham số truyền thông .................................................................... 74
3.3.3. Các cổng truyền thông ................................................................... 74
3.3.4. Khoảng cách truyền thông ............................................................. 75
3.3.5. Điều khiển đờng tín hiệu truyền thông ........................................ 75
3.3.6. Nghi thức truyền thông .................................................................. 76

Chơng 4 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát
4.1. Phân tích thiết kế hệ thống..................................................................78
4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát ...................................................... 78

4.1.2. PLC ................................................................................................ 80
4.1.3. Hệ thống điều khiển giám sát .......................................................80
4.1.4. Một số thiết bị đầu cuối dữ liệu khác sử dụng trong hệ thống....... 86
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát ............................................... 88
4.2.1. Các thành phần và tính năng của hệ thống..................................... 88
4.2.2. Hoạt động của hệ thống ................................................................. 88

kết luận và khuyến nghị................................................................93
tài liệu tham khảo.............................................................................94

phụ lục a: Một số hình ảnh về kết cấu của hệ thống
phụ lục b: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ điều khiển
Phụ lục c: m nguồn chơng trình điều khiển cho PLC


6
Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t
STT Từ viết tắt Giải nghĩa
1 ADC Analog Digital Converter
2 AGC Automatic Generation Control
3 DA Distribution Automation
4 DAC Digital Analog Converter
5 DCE Data Communication Equipment
6 FBD Function Block Diagram
7 HMI Human Machine Interface
8 LAD Ladder Logic
9 LAN Local Area Network
10 MMI Man Machine Interface
11 MPI Multi Point Interface
12 MS Master Stations

13 MTU Master Terminal Unit
14 PLC Programable Logic Control
15 PSN Public Switched Network
16 RTU Remote Terminal Unit
17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
18 STL Statement List
19 UCA Utility Communication Architecture
20 WAN Wide Area Network


7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Thứ tự Tên hình Trang
Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 12
Hình 1.2 Một RTU điển hình 13
Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên 21
Hình 1.4 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai 22
Hình 1.5 Hệ thống SCADA thế hệ thứ ba 24
Hình 1.6 Kiến trúc chung của phần mềm 26
Hình 2.1 MPI - SURNET 33
Hình 2.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 36
Hình 2.3 Phơng pháp thâm nhập đờng dẫn trong mạng
PROFIBUS
37
Hình 2.4 Mạng PROFIBUS 38
Hình 2.5 Mạng PROFIBUS -DP 39
Hình 2.6 Industrial Ethernet 41
Hình 2.7 Kết nối điểm tới điểm 43
Hình 2.8 ASI - Subnet 44
Hình 2.9 Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC 46

Hình 2.10 Kiểu mạng RS-422 bốn dây 49
Hình 2.11 Sơ đồ bộ kích thích và bộ thu RS-485 51
Hình 2.12 Quy định trạng thái logic cảu tín hiệu RS-485 52

8
Hình 2.13 Các phơng pháp chặn đầu cuối RS-485/RS-422 55
Hình 3.1 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển logic 62
Hình 3.2 Các thành phần của PLC S7-200 66
Hình 3.3 Cấu tạo của CPU 214 67
Hình 3.4 Sơ đồ chân của cổng truyền thông 68
Hình 3.5 Ghép nối máy tính với PLC 69
Hình 3.6 Bộ nhớ trong và ngoài của S7 - 200 69
Hình 4.1 Cấu tạo của lò nhiệt 81
Hình 4.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 84
Hình 4.3 Hình dạng của bộ điều khiển số MR13 87
Hình 4.4 Hình dáng của PZ-41L 88
Hình 4.5 Bảng điều khiển hệ thống 90
Hình 4.6 Giao diện điều khiển giám sát 91

9
Mở đầu
Trong những năm gần đây, nhu cầu về ứng dụng tự động hoá kết hợp
với truyền thông trong hoạt động của các nhà máy, xí nghiệp đang phát triển
rất mạnh. Rất nhiều nhà máy, xí nghiệp có nhu cầu trang bị hệ thống tự động
hoá để phục vụ cho mục đích của họ. Nhng họ không có nhiều thông tin về
các hệ thống đó.
Trong thực tế, ở Việt Nam đã xuất hiện nhiều hệ thống tự động điều
khiển giám sát hoạt động nhng tính tích hợp của nó cha cao. Hầu hết các hệ
thống này thờng dành cho các ứng dụng lớn, do đó giá thành tơng đối cao,
không phù hợp với nhiều nhà máy, xí nghiệp. Hơn nữa, mỗi nhà máy, xí

nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau. Do đó việc
nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
(SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý,
giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất
thiết thực và cần thiết.
Chỉ cần có một ngời điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một
phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể
ứng dụng để :
- Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động
- Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt
- Giám sát số lợng ngời vào/ra khu vực lò
- Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập
- Giám sát hoạt động của ngời trong phòng/toà nhà thông qua Camera
quan sát
- Điều khiển chuông báo giờ

10
Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở
trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của ngời sử dụng, và khi đó giá
thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo.
Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: Xây dựng hệ thống điều
khiển giám sát với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển
giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính.
Nội dung của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống.
- Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống.
- Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống.
Đề tài đợc hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S. Nguyễn
Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Trờng ĐH Bách Khoa
Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Trờng ĐH Công nghiệp

Hà Nội. Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc tìm tài liệu và biên dịch nhng
chắc hẳn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý của các
thầy cô và các bạn để đề tài của tôi đợc đầy đủ hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!



11
Chơng 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
(SCADA)
1.1. Tổng quan về SCADA:
SCADA là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition
(Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống
điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả
của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và công nghệ tự động hoá.
Các thiết bị tự động hoá ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào
mạng truyền thông công nghiệp.
Một hệ thống SCADA bao gồm 1 hay nhiều máy tính, dùng kèm với 1
phần mềm ứng dụng thích hợp. Chúng hình thành các Trạm chính (MS -
Master Stations) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đờng dây hữu
tuyến, vô tuyến, đờng dây truyền tải, cáp quang, mạng Internet) kết nối
với các Đơn vị tải đầu cuối (RTU - Remote Terminal Units). Các RTU đợc
đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển
linh hoạt hệ thống và thông báo định kỳ kết quả về máy tính chủ.
Một hệ thống SCADA sẽ thu thập thông tin, truyền thông tin trở lại vị
trí trung tâm, sau đó cảnh báo trạm chính rằng đã có sự cố xảy ra, cần thực
hiện các phân tích và điều khiển, xem xét liệu sự cố đó có nguy cấp hay
không, rồi hiển thị thông tin theo một dạng logic và có tổ chức nhất định. Hệ
thống SCADA có thể ở dạng đơn giản, nh một hệ thống giám sát điều kiện
môi trờng; nhng có thể rất phức tạp, nh hệ thống giám sát các hoạt động

của một nhà máy năng lợng hạt nhân. Trớc đây, các hệ thống SCADA sử
dụng mạng chuyển mạch chung (PSN Public Switched Network) để phục vụ
mục đích giám sát. Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng
của LAN/WAN (Local Area Network/Wide Area Network). Kỹ thuật không
dây cũng đang đợc ứng dụng rộng rãi cho mục đích giám sát.

12

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống SCADA

Nh vậy, hệ thống SCADA bao gồm:
Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu, thờng là các RTU hoặc PLC.
Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị giao
tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong máy chủ trung
tâm SCADA. Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại, cáp, vệ
tinh. hoặc là sự kết hợp của bất kỳ loại nào ở đây.
Một hoặc nhiều máy tính chủ ở trung tâm (còn đợc gọi là SCADA
Center, Master Station, hoặc Master Terminal Unit MTU).
Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống phần mềm (đôi khi đợc gọi là
phần mềm giao diện ngời máy (HMI Human Machine Interface
hoặc MMI Man Machine Interface)) sử dụng để hỗ trợ cho máy chủ

13
trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ trợ hệ thống
truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu từ xa.
1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units):
RTU là một thiết bị giao tiếp với các đối tợng trong hệ SCADA bằng
cách truyền dữ liệu của phép đo từ xa tới hệ thống và/hoặc cảnh báo trạng thái
của các đối tợng đã kết nối dựa trên các thông báo điều khiển nhận đợc từ
hệ thống.

Một RTU điển hình có một giao diện truyền thông (thờng là nối tiếp,
Ethernet, giao diện riêng hoặc bất kỳ sự kết hợp nào ở đây), một bộ xử lý đơn
giản, một vài cảm biến, một vài chuyển mạch, và một bus sử dụng để liên lạc
với các thiết bị và/hoặc các board giao diện. Bus này đôi khi đợc gọi là bus
thiết bị. Các board giao diện có thể là ở dạng số và dạng tơng tự, nó đợc
thiết kế chỉ cho đầu vào, chỉ cho đầu ra hoặc cả hai. Chúng thờng đợc viết
tắt là "DI" (Digital Input), "AO" (Analog Output),

Hình 1.2: Một RTU điển hình
Các RTU thực chất là các bộ điều khiển (PLC hoặc bộ vi điều khiển), bên
trong nó thờng chứa sẵn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters)
và DAC (Digital Analog Converters). Các bộ RTU đợc thiết kế rất chặt chẽ,
bao gồm: các ngõ vào/ra I/O đợc bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống
các xung quá độ điện áp. Các bộ RTU đợc thiết kế để làm việc trong môi

14
trờng có nhiệt độ khắc nghiệt (- 40
0
C đến +85
0
C), đợc cấp nguồn hoặc bằng
điện AC 120/240V, hoặc bằng điện DC 125/24VDC. Một RTU có thể có
nhiều cổng kết nối sao cho 1 RTU có thể đợc chia sẻ bởi nhiều máy (Master
Station).
1.1.1.1. Phân loại RTU:
a) RTU dùng cho các trạm trung chuyển:
ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lợng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến
vài ngàn điểm). Chúng đợc đóng gói trong vỏ bọc dạng tủ đứng, gồm nhiều
ngăn gắn Card cho phép kết nối tới nhiều Card vi xử lý, Card ADC&DAC,
Card I/O. Nh vậy, một RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với

nhiều RTU khác trên chính trạm đó. Mỗi RTU này có chức năng chuyên biệt
riêng, từ điều khiển vòng kín cho đến chuyên xử lý tính toán.
b) RTU dùng để tự động hoá lới phân phối:
ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lợng ngõ nhập/xuất nhỏ hơn. Các
RTU loại này (gọi là DA RTU DISTRIBUTION AUTOMATION RTU)
thờng là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor, trên đó tích
hợp sẵn các ngõ I/O. Các Card I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt,
thay cho loại Card cắm trực tiếp. Hớng phát triển mạnh nhất là các DA RTU
tích hợp công (Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số) có khả năng phát
hiện lỗi và xử lý tính toán các đại lợng điện cực nhanh.
c) Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC Programable Logic Control):
Từ nhiều năm, PLC đã đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều
dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp. Gần đây, PLC lại bắt đầu
đợc dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ
thống phân phối năng lợng. Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất
lớn (hàng nghìn đơn vị). Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc đợc điều khiển
bằng chơng trình phần mềm nạp sẵn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát
từ máy chủ của hệ thống SCADA. Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và

15
gần đây là FLASHROM, ngời vận hành có thể dễ dàng chỉnh sửa chơng
trình đang nạp cho PLC mà không phải động chạm đến phần cứng. Một u
điểm nữa là hầu hết các PLC đều có cấu trúc I/O và các chức năng chuyên
dùng ở dạng Modul, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở gần, hoặc kết nối
bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay đôi dây xoắn. Ngôn ngữ
lập trình thông dụng cho các PLC là ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER
LOGIC RLL), rất đơn giản và hiệu quả, cho phép ngời vận hành chỉnh sửa
chơng trình LADDER với các RTU là các PLC dùng bộ nhớ dạng EEPROM.
Một u thế nữa của các RTU dạng PLC hiện đại là khả năng lập trình hoá cả
các ứng dụng có điều khiển PID vòng kín, tích hợp các chơng trình điều

khiển mờ (FUZZY CONTROLLER) phối hợp với mạng Nơron
d) Bộ chuyển đổi (Transducer):
Transducer thờng là các modul điện tử dùng để chuyển đổi tín hiệu điện
từ dạng này sang dạng khác. Thờng tín hiệu AC cần chuyển sang tín hiệu DC
để cấp cho ngõ vào Analog của RTU. Tuỳ thiết kế các Transducer có thể cần
hoặc không cần nguồn nuôi ngoài cung cấp.
e) Bộ dồn xung (Pulse Accumulator):
Chuyển động của động cơ, roto máy phát hay đĩa quay đếm công suất tiêu
thụ của điện kế có thông số tốc độ (rad/giây) đợc đo hoặc bằng cảm biến
chuyển thành điện áp đa vào ngõ Input Analog của RTU để xử lý; hoặc qua
tiếp điểm đóng mở tạo chuỗi xung truyền trực tiếp vào ngõ Input Digital của
RTU để đợc bộ đếm của phần mềm cài đặt trong RTU xử lý. Máy chủ có thể
điều khiển từ xa để kích hoạt cho ngng hay chạy các bộ đếm này.
1.1.1.2. Phần mềm cài đặt cho RTU:
Phần mềm chạy trên RTU đợc nhà sản xuất cung cấp, thờng có dạng
ngôn ngữ cấp cao nh C và C++, chứa sẫn trình biên dịch các lệnh gửi từ máy
chủ. Với RTU có khả năng xử lý đủ mạnh, nó kiêm luôn khả năng điều khiển

16
tại chỗ (ví dụ chức năng ngắt mạch khi có sự cố). Ngoài ra, chơng trình của
RTU vận hành trong hệ thống SCADA còn có thêm một số tính năng nh:
Khả năng chọn lọc thông tin: máy chủ sàng lọc các thông tin khác biệt
so với nội dung các báo cáo đều đặn trớc đó.
Khả năng ngắt để báo cáo đột xuất: cho phép RTU ngắt đột xuất chơng
trình máy chủ để báo có biến đổi trạng thái đột ngột hoặc để cảnh báo
giới hạn giá trị Analog của 1 biến nào đó bị vi phạm.
Khả năng lu trữ dữ liệu: RTU phải đợc cấp đủ bộ nhớ để có thể lu
giữ dữ liệu đợc lấy mẫu theo thời gian. Khi cần có thể xuất ra dới
dạng đồ thị theo thời gian hoặc bằng thông báo.
1.1.2. Trạm chủ của hệ thống SCADA (SCADA MASTER STATION):

Trạm chủ trong hệ thống SCADA có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các
RTU. Khả năng tơng tác đồ hoạ ngày càng cao của các máy tính dùng trong
trạm cho phép ngời vận hành dễ dàng truy cập theo dõi toàn bộ hệ thống.
Trạm chủ chạy các trình ứng dụng SCADA trên nền hệ điều hành UNIX hoặc
Windows, các chơng trình này đợc viết bởi nhà cung cấp và có thể đợc
ngời sử dụng hiệu chỉnh bổ sung.
Trạm chủ không chỉ giám sát điều khiển các RTU mà còn có thể truy
cập dữ liệu của khách hàng. Khai thác cơ sở dữ liệu cho phép ta viết các
chơng trình thông minh cho phép lọc các sự cố cảnh báo và thực hiện 1 số
hiệu chỉnh mà không cần ngời điều hành can thiệp.
Dựa vào loại thiết bị của trạm chủ, ta có thẻ phân ra:
a) Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC Based Systems):
Xu hớng chính hiện nay là dùng máy tính cho các trạm chủ chạy trên hệ
điều hành WINDOWS, UNIX hay OS-2. Các máy tính có thể nối mạng để
chia sẻ tài nguyên & cùng khai thác khả năng tơng tác đồ hoạ. Các hệ điều

17
hành hiện nay đều cho phép máy tính vận hành đa nhiệm (MULTI-
TASKING), nghĩa là cứ chạy nhiều chơng trình song song và quản lý cùng
lúc nhiều cửa sổ. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET .
b) Hệ thống trạm làm việc (Workstation Systems):
Các workstations của các hãng lớn nh SUN, DEC, HP, IBM ,.. thờng
vận hành trên hệ điều hành UNIX ,có thể đạt mức độ điều khiển tinh xảo hơn
so với loại trên (dựa trên PC). Chúng rất mạnh, dựa trên tập lệnh đợc rút gọn
RISC (Reduced Instruction Set). Các trạm làm việc cũng có thể nối mạng với
cấu trúc quen thuộc là 1 trạm chủ có ổ cứng dùng làm Server trong khi các
trạm còn lại là vệ tinh kết nối. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET.
c) Hệ thống dùng máy tính Mini (Minicomputer Systems):

Đợc dùng khi cần đạt tốc độ tính toán cực cao,chẳng hạn lới SCADA

dùng trong các hệ thống AGC (Automatic Generation Control) & EMS. Do
năng lực của 2 hệ thống loại trên ngày một nâng cao, nên hệ thống thứ ba này
ngày một ít đợc dùng .
1.1.3. Các giao thức của hệ thống SCADA (SCADA Protocols):
Các giao thức (PROTOCOLs) rất cần thiết để giúp máy chủ của hệ
thống SCADA tạo xa lộ trao đổi thông tin với các RTU. Nó giúp thiết lập các
chuẩn (standard) của thông số kênh nối, chuẩn (standard) của thông số dữ liệu
đợc trao đổi, Do đó giao thức có bản chất là 1 khái niệm logic hơn là một
kết nối vật lý. Ta thờng gọi kết nối vật lý là một giao diện (INTERFACE).
Trớc đây mỗi hãng sản xuất tự thiết kế giao thức gắn kết với RTUs mà không
hề nghĩ đến việc chuẩn hoá. Hậu quả là RTU của hãng này không thể kết nối
đợc với máy chủ của hãng khác do chúng đợc cài đặt các giao thứ khác hẳn
nhau. Hiện nay các nhà thiết kế các hệ thống SCADA cố gắng xây dựng các
tiện ích kết nối giúp dung hợp các giao thức rất khác nhau trên đây, trong khi
nhiều công ty lớn vẫn ra sức bảo vệ bản quyền và ra sức mở rộng ứng dụng

18
cho giao thức của họ. Theo trình tự thời gian, với mức phức tạp tăng dần, ta có
thể phân loại các nhóm giao thức chính nh sau:
a) Bit Protocols:
Cho đến đầu thập niên 80, hầu hết các giao thức thuộc loại định hớng
BIT. Mạch phần cứng thờng do khách hàng tự ráp, chạy chậm và chi phí đắt.
có thể kể các Bit protocols đã đợc đăng ký nh ACS, L&N Conitel,
Westinghouse REDAC, BBI/CSI, TELEGYR 7500, ROCWELL,.. Với loại
này, trạng thái 1 bit thay đổi kéo theo sự thay đổi trạng thái điều khiển.
b) Byte Protocols:
Mỗi Byte dùng trong giao thức thờng cần 10 bit (1 start, 8 data và 1 stop)
thờng đợc dùng để biểu diễn một ký tự của bảng mã ASCII (American
Standard Code for Information Interchange). Bảng mã ASCII gồm 136 ký tự
dữ liệu và ký tự điều khiển, chứa đầy đủ các ký tự của bàn phím chuẩn dùng

với máy tính PC (gồm cả các ký tự điều khiển không in nh Esc, Ctrl, Del,
Shift, Backspace & Alt). Các byte protocols tơng thích tốt với các RTUs sử
dụng các bộ vi điều khiển 8-bit (8-Bit MICROCONTROLLER). Thuận lợi lớn
của các giao thức mức BYTE này là các ngôn ngữ lập trình máy tính cấp cao
cũng nh đờng truyền nối tiếp tiêu chuẩn (STANDARD SERIAL
INTERFACE) của máy tính đều dựa trên bảng mã ASCII và tơng thích với
chúng. Tiêu biểu cho các giao thức nhóm này là PG&E, Harris 5000, Ferranti
5000 & Duke Power SDLC.
c) Hệ thống mở UCA (UCA Open System):
Từ 1991, Viện Nghiên Cứu năng lợng điện EPRI (Electric Power Electric
Institute) triển khai dự án EPRI Project RP2949 nhằm tích hợp các hệ thống
liên lạc. Hai giai đoạn đầu của dự án là UCA (Utility Communication
Architecture) & DAIS (Data Access Integration Services) đã đợc hoàn thành,
cụ thể hoá bằng các đặc tả UCA 1.0 & DAIS 1.0. Nội dung 2 đặc tả có xét đến
sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin cùng công nghệ máy tính,

19
xét đến các yêu cầu của hệ thống điện. Nội dung của UCA 1.0 cũng phù hợp
với mô hình chuẩn tham khảo gồm 7 lớp của ISO (International
Standardisation Organisation).
Từ đó, năm 1992 đã thông qua đợc giao thức mở MMS (Manufacturing
Message Specification), thuộc lớp ứng dụng (Application Layer) trong mô
hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection) dùng để giao tiếp giữa các
RTUs dùng cho các trạm điện, cho chức năng phân phối tự động (Distribution
Automation). Qua đó cho thấy sự chậm chạp trong việc chuẩn hoá các
Protocols nói riêng và các quy định khác nói chung của các tổ chức chính
danh nh IEEE, ISO, IEC trớc sự phát triển vũ bão của công nghiệp và khoa
học kỹ thuật.
1.1.4. Truyền thông trong SCADA:

Để kết nối vật lý giữa máy chủ với các đầu cuối RTUs, thờng cần 1
mạng LAN (Local Area Network) hay WAN (Wide Area Network). ở
khoảng cách xa (hàng trăm Km trở lên), đờng truyền tải điện đợc dùng hỗ
trợ để truyền dự liệu kèm theo đờng điện thoại cùng các trạm thu phát vô
tuyến. Từ những năm 80 trở lại đây mới bổ xung thêm đờng cáp quang
truyền tải thông tin đờng dài. Hiện tại, ta có thể khai thác các phơng tiện
truyền tải sau để thực hiện kết nối liên lạc cho các hệ thống SCADA nói
chung:
Đờng truyền dùng cáp kim loại
Kênh truyền dùng dây điện thoại
Mạng truyền sóng vô tuyến
Mạng thu phát vệ tinh
Mạng cáp quang

20
1.2. Kiến trúc của SCADA:
SCADA đợc phát triển song song với sự phát triển của công nghệ tính
toán hiện đại. Có 3 thế hệ của SCADA bao gồm:
Thế hệ thứ nhất Nguyên khối (Monolithic)
Thế hệ thứ 2 Phân bố (Distributed)
Thế hệ thứ 3 Mạng lới (Networked)
1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối:
Khi hệ thống SCADA đợc phát triển đầu tiên, nội dung của tính toán
thờng tập trung vào hệ thống main frame. Khi đó không tồn tại mạng và
mỗi hệ thống thờng độc lập. Kết quả, hệ thống SCADA là hệ thống độc lập
lập và không kết nối với hệ thống nào khác.
Mạng WAN đợc dùng để truyền thông với các RTU ở xa đợc thiết kế
chỉ với một mục đích truyền thông với các RTU mà không có mục đích nào
khác. Ngoài ra, các giao thức WAN đợc sử dụng hiện nay đa số đều không
tồn tại ở thời điểm đó.

Các giao thức truyền thông sử dụng trong các mạng SCADA đợc phát
triển bởi các nhà cung cấp thiết bị RTU và thờng có đặc tính riêng. Thêm vào
đó, các giao thức này đợc thiết kế rất sơ sài và không dựa trên yêu cầu điều
khiển các điểm trong thiết bị ở xa. Nó cũng không khả thi khi trộn lẫn các loại
lu lợng dữ liệu khác nhau với RTU truyền thông trong mạng.

21

Hình 1.3: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên
Việc kết nối với chính trạm chủ SCADA là rất hạn chế bởi nhà cung cấp
hệ thống. Việc kết nối trạm chủ đặc thù đợc thực hiện ở mức bus thông qua
một adapter riêng bộ điều khiển đợc gắn với mặt phẳng ở phía sau CPU.
Sự d thừa ở hệ thống thế hệ đầu tiên là việc đợc hoàn thành bằng cách
sử dụng 2 hệ thống mainframe đợc trang bị giống hệt nhau, một hệ thống
chính và một hệ thống dự phòng, kết nối ở mức bus. Chức năng cơ bản của hệ
thống dự phòng là để giám sát hệ thống chính là thay thế trong trờng hợp có
lỗi xảy ra.
1.2.2. Hệ SCADA phân bố:
Thế hệ tiếp theo của hệ thống SCADA tiếp tục phát triển và cải tiến hệ
thống nhỏ, công nghệ mạng LAN để sắp xếp lại việc xử lý các hệ thống phức
tạp. Với các hệ thống tích hợp, mỗi hệ thống với một chức năng riêng biệt,
đợc kết nối với một LAN và chia sẻ thông tin với mỗi hệ thống khác theo
thời gian thực. Các hệ thống này đặc trng cho loại máy tính mini, nhỏ hơn và
giảm giá thành hơn so với thế hệ đầu tiên.

22

Hình 1.4: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2
Một số hệ thống phân bố này đợc dùng nh các bộ xử lý truyền thông,
trớc hết là truyền thông với các thiết bị khác nh là các RTU. Một số khác

đợc dùng nh các giao diện vận hành, cung cấp giao diện ngời - máy (HMI
- Human Machine Interface) cho ngời vận hành hệ thống. Một số hệ thống
còn lại đợc dùng để tính toán các bộ xử lý hoặc các máy chủ cơ sở dữ liệu.
Việc phân bố các chức năng của hệ thống SCADA riêng thành nhiều hệ thống
sẽ tạo ra nhiều khả năng xử lý khác nhau cho hệ thống tích hợp hơn là ở trong
một hệ thống riêng. Các mạng kết nối với các hệ thống riêng này thờng dựa
trên các giao thức mạng LAN và không có khả năng vợt quá giới hạn của
môi trờng cục bộ.
Một số giao thức mạng LAN đợc sử dụng là của một dạng độc quyền, ở
đây nhà cung cấp đã tạo ra giao thức mạng hoặc phiên bản của riêng mình rồi
từ đó xoá bỏ cái đang tồn tại. Điều này cho phép nhà sản xuất tối u giao thức
LAN của mình cho lu lợng thời gian thực, nhng nó chỉ giới hạn (hoặc có

23
hiệu quả) khi kết nối của mạng từ các nhà cung cấp khác tới LAN SCADA.
Hình 1.4. thể hiện kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2.
Việc phân bố các chức năng hệ thống thành các hệ thống có nối mạng
không những dùng để tăng khả năng tính toán mà còn để cải thiện việc d
thừa và độ tin cậy của hệ thống tích hợp. Hơn nữa, việc dự phòng h hỏng ở
đây đơn giản hơn so với trong nhiều hệ thống đầu tiên, kiến trúc phân bố
thờng giữ tất cả các hệ thống trên LAN trong trạng thái trực tuyến ở mọi thời
điểm. Ví dụ, nếu một hệ thống HMI bị hỏng, hệ thống HMI khác có thể đợc
sử dụng để điều khiển hệ thống mà không cần đợi để chuyển quyền từ hệ
thống thứ nhất sang hệ thống thứ hai.
Mạng WAN sử dụng để truyền thông với các thiết bị trong phạm vi này
không thay đổi nhiều so với sự phát triển của LAN kết nối giữa các trạm cục
bộ của SCADA master. Các mạng truyền thông mở rộng này vẫn bị giới hạn
với các giao thức RTU và không sẵn sàng cho các loại lu lợng mạng khác.
Cũng giống nh trong hệ thống ở thế hệ đầu tiên, thế hệ thứ hai của hệ
thống SCADA cũng bị giới hạn bởi phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại

vi là những thành phần đợc cung cấp hoặc lựa chọn tuỳ theo nhà cung cấp.
1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng:
Thế hệ hiện nay của kiến trúc hệ thống SCADA master gần giống với thế
hệ thứ 2, với khác biệt cơ bản là kiến trúc hệ thống mở hơn so với môi trờng
riêng, đợc kiểm soát bởi nhà cung cấp nh ở thế hệ thứ 2. ở đây vẫn tồn tại
hệ thống mạng tích hợp, có sự chia sẻ các chức năng của trạm chính. ở đây
vẫn có các RTU sử dụng các giao thức riêng của nhà cung cấp. Cải tiến chính
trong thế hệ thứ 3 này là việc mở kiến trúc hệ thống, sử dụng các chuẩn mở và
các giao thức cho phép phân chia các chức năng của SCADA trên mạng
WAN chứ không chỉ ở mạng LAN.

24

Hình 1.5: Hệ thống SCADA thế hệ thứ 3

Các chuẩn mở đã loại bỏ một số giới hạn của các thế hệ trớc đó của hệ
thống SCADA. Việc sử dụng hệ thống mở làm cho nó dễ dàng hơn đối với
ngời sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi thứ 3 (nh màn hình, máy in, ở
đĩa) với hệ thống và/hoặc mạng.
Cùng với việc sử dụng hệ thống mở, các nhà cung cấp cũng từ bỏ dần
việc chỉ phát triển kinh doanh phần cứng. Các nhà cung cấp này đã mong đợi
các nhà cung cấp hệ thống nh Compacq, Hewlett-Packard và Sun
Microsystems dành trí tuệ của họ trong việc phát triển phần mềm điều hành hệ
thống. Điều này cho phép các nhà cung cấp SCADA tập trung sự phát triển
của họ vào một lĩnh vực mà tại đây họ có thể thêm những tính năng nhất định
vào phần mềm của hệ thống SCADA master.
Cải tiến chính trong các hệ thống SCADA thế hệ thứ 3 là việc sử dụng
các giao thức WAN nh giao thức Internet (IP) cho truyền thông giữa trạm

25

chính và thiết bị truyền thông. Điều này cho phép phân chia trạm chính trạm
có nhiệm vụ truyền thông với các thiết bị thành các trạm riêng qua một WAN.
Hiện nay các nhà cung cấp đã sản xuất các RTU có thể truyền thông với trạm
chính sử dụng một kết nối Ethernet. Hình 1.5 thể hiện một hệ thống SCADA
nối mạng.
Một u điểm khác của việc phân chia chức năng hệ thống SCADA qua
một WAN là khả năng tránh các thảm hoạ. Việc phân chia SCADA xử lý qua
một LAN trong hệ thống thứ 2 đã cải thiện đáng kể, nhng trong trờng hợp
mất toàn bộ các thiết bị của SCADA master, thì toàn bộ hệ thống có thể mất.
Bằng cách phân chia xử lý thành cục bộ, nó có thể xây dựng một hệ thống
SCADA có thể tồn tại khi hỏng ở toàn bộ một trạm cục bộ nào. Với tính năng
này, một số tổ chức đã coi SCADA nh một chức năng siêu tới hạn.
1.3. Kiến trúc phần mềm:
Các sản phẩm phần mềm thờng là phần mềm đa nhiệm, đợc dựa trên
một cơ sở dữ liệu thời gian thực (RTDB) đặt trong một hoặc nhiều Server. Các
Server có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và xử lý (ví dụ: điều khiển kiểm soát vòng
lặp, kiểm tra cảnh báo, tính toán) trên một tập các tham số. Ngoài ra nó có
thể phải chỉ ra các Server cho những nhiệm vụ đặc biệt, ví dụ tìm ra Server xử
lý cảnh báo. Hình 1.6 thể hiện kiến trúc chung của phần mềm.