Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các SCADA phục cho ngành năng lượng thay thế cho nhập ngoại phần 3 xây dựng một hệ SCADA cho một mạng điện nhỏ hạ áp

• Nhận lệnh điều khiển từ người vận hành, sủ lý: Hệ giao diện người- máy hiện nay là một hệ giao tiếp với đầy đủ ý nghĩa của từ này, nó cho phép người vận hành không chỉ xem và giám sát

Hội liên hiệp KHKT Việt nam

Liên hiệp hội kHKT công trình

Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm cấp nhà nước

Kc 03 Tự động hóa

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các scada

phục vụ cho ngành năng lượng thay thế cho nhập ngoại

M∙ số kc 03.11

Chủ nhiệm: PGS Nguyễn trọng quế

Phần 3 xây dựng hệ scada cho một mạng điện nhỏ hạ áp

6684-3

28/11/2007

Hà nội – 2003

ThiÕt kÕ hÖ thèng scada

vµ amr cña l−íi ®iÖn h¹ ¸p

ph−¬ng ¸n 1

MỤC LỤC

Chương 1 Phân tích bài toán 5

1.1 Mở đầu 5

1.1.1 Bài toán chung của toàn hệ thống 5

1.1.2 Tóm tắt bài toán 5

1.1.3 Các giải pháp của các nhà phát triển và cung cấp giải pháp trên thế giới 10

1.2 Hướng triển khai thực hiện 21

Chương 2 Vấn đề thu thập số liệu 24

2.1 Mở đầu 24

2.2 Phân loại 24

Chương 3 Các phương pháp thu thập dữ liệu 26

3.1 Phân cấp cơ sở dữ liệu và thu thập số liệu 26

3.1.1 Phân cấp cơ sở dữ liệu 28

3.1.2 Mô hình triển khai các cách thu thập số liệu từ các phương pháp thu thập dữ liệu cơ bản 29

3.2 Phương pháp thu thập số liệu theo chu kỳ 31

3.3 Phương pháp thu thập số liệu theo yêu cầu của người vận hành và quản lí .34

Chương 4 Các vấn đề cần xử lí trong chương trình thu thập số liệu 37

4.1 Bài toán xử lí số liệu tập trung 37

Chương 5 Các yêu cầu của bài toán giao diện người máy 40

5.1 Mở đầu 40

5.1.1 Những yêu cầu đối với hệ của người thiết kế 41

5.1.2 Những yêu cầu đối với hệ của người sử dụng 41

5.2 Xác định các yêu cầu cụ thể của bài toán 42

5.2.1 Hiển thị số liệu và thông số đo lường 43

5.2.2 Hiển thị các số liệu, tín hiệu phục vụ việc điều khiển 45

5.2.3 Nhận lệnh điều khiển từ người vận hành 45

5.2.4 Hiển thị các thông số phục vụ người quản lí khai thác dữ liệu 46

Chương 6 Triển khai chương trình 48

6.1 Xác định phương pháp thiết kế và triển khai 48

6.1.1 Mô hình cơ bản được sử dụng 50

6.1.2 Hiển thị số liệu thông số đo lường dưới hai dạng là dạng bảng và dạng đồ hoạ .53

6.1.3 Nhận lệnh điều khiển 54

6.1.4 Giao tiếp với người vận hành và quản lí 55

6.2 Một số ví dụ minh hoạ 55

Chương 7 Vị trí của chương trình 57

Chương 8 Cấu trúc và phương pháp thiết kế 58

Chương 9 Triển khai 59

Chương 10 Yêu cầu của bài toán 61

10.1 Mở đầu 61

10.2 Đặc điểm của hệ thống 64

10.2.1 Cách chương trình xử lí bài toán 67

10.3 Thông tin cấu hình của các RTU 70

10.4 Thông tin cấu hình của Concentrator 70

10.5 Thông tin thành lập hóa đơn 72

10.6 Nhiệm vụ của gói chương trinh cài đặt mạng 74

10.7 Nhiệm vụ của Concentrator 74

10.7.1 Thiết lập và thay đổi các thông số tĩnh 74

10.7.2 Đáp ứng các yêu cầu xây dựng mạng 75

10.7.3 Thực hiện các công việc khởi tạo ban đầu của toàn bộ trạm 75

10.7.4 Quản lí mạng 75

10.7.5 Tạo các hóa đơn 79

10.7.6 Lưu trữ thông tin mất điện 79

10.7.7 Truyền các số liệu thu thập về máy tính trung tâm 79

10.8 Nhiệm vụ của chương trình quản lí trên máy tính trung tâm 80

10.8.1 Quản lí mạng 80

10.8.2 Thu thập số liệu của các RTU từ Concentrator 80

10.8.3 Quản lí cơ sở dữ liệu 80

10.8.4 Giao diện người máy 82

10.8.5 Truyền thông với hệ thống 84

10.9 Nhiệm vụ của các thiết bị cầm tay Handheld 84

10.9.1 Thực hiện việc cài đặt các thông số cho Concentrator 84

10.9.2 Thực hiện việc tải các số liệu trên Concentrator vào thiết bị cầm tay .84

10.9.3 Thực hiện cài đặt thông số cho từng RTU 85

10.9.4 Đọc các thông số hiện tại trên một RTU xác định 85

10.9.5 Thực hiện truyền thông giữa Handheld và máy tính 85

10.10 Khung truyền nhận chung 86

10.10.1 Khung truyền (TX) 86

10.10.2 Khung nhận (RX) 87

10.11 Chi tiết các lệnh 88

10.11.1 Các lệnh thuộc nhóm lệnh hỏi đáp 88

10.11.2 Các lệnh thuộc nhóm lệnh truyền nhận file 97

10.11.3 Nhóm lệnh xây dựng mạng 101

phÇn I Më ®Çu – Tæng quan hÖ thèng

Chương 1 Phõn tớch bài toỏn

1.1 Mở đầu

Mục đích của chương trình này là giới thiệu chung vấn đề và hướng nghiên cứu triển khai thực hiện bài toán của chúng tôi Nội dung của chương này gồm các phần sau:

- Bài toán chung tổng quát của toàn bộ hệ thống

- Giới thiệu bài toán của ta và tóm tắt phạm vi của bài trình bày này

- Giới thiệu các giải pháp và xu hướng phát triển của các giải pháp cho vấn

đề này của các nhà phát triển và cung cáp giải pháp lớn trên thế giới

- Đề xuất hướng triển khai thực hiện

1.1.1 Bài toỏn chung của toàn hệ thống

Một hệ thống quản lý điện năng toàn diện bao gồm 3 cấp: cấp toàn quốc, cấp trung thế và cấp cấp hạ áp Trong phạm vi bài này chúng tôi chỉ đề cập đến các vấn đề liên quan đến lưới điện phân phối hạ áp mà không quan tâm đến các vấn

đề của điện lưới điện trung áp và cao áp

1.1.2 Túm tắt bài toỏn

Các vấn đề được đặt ra cần phải giải quyết trong bài toán này là:

- Hiện đại háo qui trình quản lý vận hành

- Hiện đại hoá quá trình đọc số điện, tính giá điện

Hình 1 miêu tả bài toán ở dạng đơn giản nhất Để dễ dàng hình dung và phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới (xem phần 1.1.3) ta sẽ tạm thời miêu tả hệ thống theo 4 môđun cơ bản và trên cơ sở đó ta sẽ giải quyết bài toán theo từng môđun này Các khía cạnh cơ bản của bài toán là:

a) Lập chương trìnhthu thập số liệu: bao gồm việc xử lý số liệu và xử lý cho nhiều thiết bị đầu cuối RTU Ta có thể xét sự làm việc của môđun này

như hai quá trình: quá trình thu thập thông tin và quá trình truyền lệnh từ người quản lý, vận hành đến các thiết bị Concentrator hoặc RTU để thực hiện xử lý Hai quá trình này có thể được tóm tắt như sau, chi tiết việc triển khai thực hiện sẽ được trình bày trong phần II

• Quá trình thu thập thông tin từ các thiết bị Thông tin tại các thiết bị đầu cuối sẽ được truyền về tập kết ở thiết bị quản lý điều khiển mà cụ thể là Concentrator Khi đã có đủ số liệu hoặc máy tính trung tâm yêu cầu cung cấp số liệu Concentrator sẽ truyền các dữ liệu cần thiết về máy tính trung tâm Máy tính trung tâm nhận được số liệu sẽ lưu vào cơ sở dữ liệu để phục vụ cho các bài toán quản lý, vận hành và giao diện người máy hay lập và in các báo biểu

• Quá trình truyền lệnh từ quản lý, vận hành từ máy tính trung tâm Người vận hành và quản lý khi làm việc có thể yêu cầu hệ thống cung cấp các thông tin về các thông số làm việc, tình trạng làm việc của các Concentrator hay các trạm đầu cuối (RTU) Bên cạnh việc yêu cầu cung cấp thông tin người vận hành cũng có thể điều khiển hoạt động của Concentrator hoặc RTU bằng cách điều khiển trực tiếp Quá trình này

được tiến hành như sau: Máy tính trung tâm nhận yêu cầu từ người vận hành, sử lý yêu cầu, gửi yêu cầu tới Concentrator, Concentrator thực hiện kiểm lỗi và sử lý lệnh Nếu lệnh yêu cầu thực hiện các thao tác trên các RTU thì Concentrator sẽ truyền lệnh đến các RTU và sau đó chờ kết quả trả lời

b) Lập chương trình hiển thị giao diện người - máy: Môđun này nằm giữa hệ thống mà cụ thể là hệ cơ sở dữ liệu và người sử dụng Mục đích của môđun này là tạo điều kiện thuận lợi nhất cho người vận hành trong quá trình làm việc Các công việc chính của môđun này là:

• Hiển thị số liệu, thông số đo lường với nhiều chế độ giao diện cụ thể là dạng bảng biểu, đồ thị tổng kết, thống kê Việc hiển thị này có thể diễn ra

ở nhiều hình thức khác nhau, ở nhiều cấp khác nhau

• Hiển thị với chế độ mở cho phép cập nhật thêm thông số hiển thị Khái niệm mở sẽ được chúng tôi đề cập chi tiết trong phần 1.1.3.2 Hiểu một cách đơn giản, tính mở của giao diện cho phép người thiết kế và sử dụng thay đổi cách thức biểu diễn của các đối tượng cần giám sát, theo dõi một cách dễ dàng cho dù chúng không có trong thiết kế ban đầu

• Nhận lệnh điều khiển từ người vận hành, sủ lý: Hệ giao diện người- máy hiện nay là một hệ giao tiếp với đầy đủ ý nghĩa của từ này, nó cho phép người vận hành không chỉ xem và giám sát các thông số và tình trạng làm việc của hệ thống mà hơn thế nó còn là phương tiện để người vận hành giám sát tác động ngược lại vào hệ thống, điều khiển hệ thống

c) Lập chương trình điều khiển từ xa: Môđun này nhằm hai mục đích, tiến tới giảm nhân công trong công việc vận hành, hỗ trợ cho xu thế tích hợp toàn

bộ hệ thống, quản lý tập trung Nhiệm vụ chính của môđun là:

• Điều khiền chính xác thiết bị Concentrator và RTU từ xa và tại chỗ

• Xử lý, tính toán số liệu điều khiển, tập trung

d) Lập chương trình giám sát hoạt động hệ thống thông số đo điều khiển:

Đây là môđun chương trình gắn kết chặt chẽ với hệ thống giao diện người- máy thông qua hệ cơ sở dữ liệu chung thống nhất Môđun chương trình này

có các nhiệm vụ chính sau:

• Giám sát online các thông số điện, hoạt động hệ thống Việc cập nhật các thông số của hệ thống phải đảm bảo tính kịp thời chính xác và tin cậy

• Cảnh báo, báo động, lưu lại lịch sử các sự cố và tình trạng sự cố Việc cảnh báo, báo động là đòi hỏi không thể thiếu của bất cứ một hệ thống

c«ng nghiÖp quan träng nµo LÞch sö c¸c sù cè sÏ gióp cho ng−êi vËn hµnh, c¶i tiÕn vµ kh¾c phôc sù cè ®−îc dÔ dµng h¬n

H×nh 1: Minh ho¹ bµi to¸n

S¬ §å Khèi HÖ Thèng SCADA §IÖN Dùa Trªn C«ng NghÖ PLC

-C«ng t¬ ®iÖn tö 1 pha: 01

-C«ng t¬ ®iÖn tö 3 pha: 02

-Tranducer ®o ®iÖn ¸p : 01

-Tranducer ®o dßng ®iÖn: 01

-Tranducer ®o tÇn sè : 01

-Tranducer ®o Cos phi : 01

-Tranducer ®o c«ng suÊt: 01

1.1.3 Các giải pháp của các nhà phát triển và cung cấp giải pháp trên thế giới

Trong phần 1.1.2 chúng ta đã xét tóm tắt các vấn đề mà bài toán của ta đặt ra, trong phần này chúng tôi sẽ nêu tóm tắt một số giải pháp cùng xu hướng phát triển của các giải pháp hiện nay mà các nhà phát triển và cung cấp giải pháp để xúât để giải quyết cho bài toán tương tự Các giải pháp được tham khảo chính trong phần này được lấy từ tài liệu của Siemens và Yokogawa Chúng ta sẽ lần lượt điểm qua các vấn đề sau:

- Vấn đề hợp nhất các môđun chương trình

- Vấn đề hệ thống mở

- Vấn đề giao diện người máy

Qua việc tìm hiểu các vấn đề này chúng tôi muốn giải thích lí do cùng phương pháp luận trong việc giải quyết bài toán của chúng ta theo các môđun chương trình

mà chúng tôi đã đề cập ở phần 1.1.2

1.1.3.1 Hướng hợp nhất các môđun trong toàn bộ hệ thống

Hiện nay xu thế tích hợp toàn bộ hệ thống thành một thể thống nhất đang phát triển rất mạnh trên thế giới và theo các nhà nghiên cứu trên thế giới nó sẽ trở thành nền tảng cho các hệ thống công nghiệp trong tương lai Trong phần này chúng tôi

sẽ giới thiệu một cách sơ lược nhất khái niệm và các ưu điểm của việc tích hợp hệ thống Phần này sẽ được trình bày như sau:

- Đặt vấn đề: định nghĩa và lịch sử phát triển của vấn đề hợp nhất toàn bộ hệ thống cùng các cách tiếp cận vấn đề (tích hợp hệ thống theo chiều ngang, tích hợp hệ thống theo chiều dọc)

- Các lợi ích của việc tích hợp hệ thống Các lợi ích được xem xét trên hai phương diện, lợi ích cho người sử dụng và lợi ích cho người thiết kế, xây dựng và triển khai hệ thống

(a) Vấn đề hợp nhất hoá toàn bộ hệ thống

Một hệ thống công nghiệp đầy đủ bao giờ cũng bao gồm ba hệ thống cơ bản đó là:

hệ thống quản lý thông tin (MIS), hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và hệ thống vào ra phân tán và các thiết bị trường (như PLC, cảm biến, ) mà trong phần này

ta sẽ gọi chung là PLC Việc tích hợp hệ thống là kết hợp các hệ thống con này lại với nhau thành một chỉnh thể thống nhất Việc tích hợp này được tiến hành đồng thời theo hai cách tiếp cận là: Tích hợp theo chiều ngang và tích hợp theo chiều dọc Ta sẽ lần lượt xét các cách tiếp cận này ở các phần (b) và 1.1.3

(b) Tích hợp theo chiều ngang

Quá trình phát triển của việc tích hợp hệ thống theo chiều ngang có thể được tóm tắt qua ba giai đoạn:

- Giai đoạn cổ điển: là giai đoạn mà các hệ thống con còn nằm rời rạc thụ dộng chờ công việc

- Giai đoạn hiện nay: là giai đoạn hiện nay khi mà các hệ thống không còn đứng rời rạc mà đang tiến dần đến xu thế hợp nhất Các hệ thống con đã bắt đầu thực hiện các giao tiếp với nhau nhưng tính chất của các giao tiếp này còn mang nhiều yếu tố đơn lẽ, thông thường

MIS

- Giai đoạn tương lai: khi đó các hệ thống con hoàn toàn sát nhập làm một Lúc này các hệ thống sẽ “giao tiếp” với nhau chứ không còn phải bắt tay nhau nữa Đây cũng chính là mục tiêu và xu hướng phát triển chung của các nhà phát triển chung của các nhà phát triẻn lớn trên thế giới

MIS

PLC

Tích hợp toàn bộ hệ thống

(c) Tích hợp theo chiều dọc

Đây là xu hướng của các hệ thống công nghiệp trong tương lai nơi mà các hệ thống con của hệ công nghiệp được tích hợp theo chiều dọc Hình 2 trình bày một hệ thống tích hợp theo chiều dọc

Hình 2: Tích hợp hệ thống theo chiều dọc

Như ta thấy ở Hình 2, các hệ thống điều khiển quá trình, giao diện người máy, điều khiển, vào ra phân tán và thiết bị trường đều được gắn kết bằng các thành phần liên kết theo chiều dọc thống nhất trên tấ cả các cấp từ cao xuống thấp Việc liên kết được thực hiện bằng ba thành phần liên kết xuyên suốt từ trên xuống dưới là: hệ cơ sở dữ liệu, hệ truyền thông và phần mềm vận hành, khai thác, quản lý Ta sẽ xem xét một cách tóm tắt hoạt động của các hệ này và các

ưu điểm của chúng qua các phần (i), (ii), (iii)

(i) Cơ sở dữ liệu thống nhất

Thành phần liên kết bằng cơ sở dữ liệu thực chất chính là một hệ thống cơ sở

dữ liệu thống nhất lưu trữ tất cả các cơ sở dữ liệu của hệ thống chẳng hạn: thông tin cấu hình, thông tin vận hành, cùng với việc hỗ trợ truy vấn thông tin thống nhất thông suốt trên tất cả các cấp Việc truy vấn này có thể chie là truy

Điều khiển quá trình

Giao diện người máy

vấn xem thông tin nhưng cũng có thể là các truy vấn dạng cập nhật hoặc bổ sung thông tin

Lợi điểm chính của hệ cơ sở dữ liệu thống nhất là tính toàn vẹn dữ liệu và tính năng linh hoạt trong việc khai thác, truy vấn, quản lý hệ thống Ưu điểm của việc sử dụng một hệ thống cơ sở dữ liệu chung lien kết tất cả các cấp từ trên xuống dưới thì có nhiều, ở đây chúng tôi chỉ nêu tóm tắt một số ưu điểm cơ bản

Các ưu điểm của một hệ thống cơ sở dữ liệu thống nhất liên kết từ trên xuống dưới là:

- Chỉ cần nhập liệu một lần duy nhất tại một nơi duy nhất Nếu sự nhập

liệu này là hợp lệ thì toàn bộ hệ thống sẽ được cập nhật ngay lập tức hoặc sau một khoảng thời gian ngắn sự thay đổi này Ví dụ khi ta muốn thay đổi thông số cài đặt của một loạt thiết bị cùng dạng thay vì phải cài đặt lại cho từng thiết bị ta chỉ cần ra lệnh cho hệ thống thay đổi thông số cài đặt của dạng thiết bị nào đó cùng với phạm vi áp dụng (thường là các hàm giới hạn theo một tiêu chí nào đó: chẳng hạn chỉ áp dụng cho một số hệ thống con nào đó, chỉ áp dụng trong một khoảng thời gian nào đó) chương trình quản

lý sẽ tự động tiến hành các truy vấn để tìm kiếm các đối tượng thích hợp trong cơ sở dữ liệu và sau đó hệ thống sẽ tiến hành thay đổi thông số của từng thiết bị trong tập hợp các đối tượng tìm được

- Tính toàn vẹn và bảo mật của hệ thống được thực hiện dễ dàng

- Dễ dàng trong việc nâng cấp, bảo trì và sửa lỗi Người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi nâng cấp các mối quan hệ giữa các phần tử trong cơ sở dữ liệu để nâng cấp tính năng của sản phẩm Điều kiện cần chỉ là phải giữ nguyên hoặc sửa đổi rất ít các tham số đầu vào và đầu ra

Như ta đã biết phần bổ sung các mối quan hệ hoặc các luật quy định các các mối quan hệ theo các yêu cầu mới có thể dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm với tính năng mới với một chi phí thấp hơn bao giờ hết

- Việc truy vấn cơ sở dữ liệu có thể thông suốt từ trên xuống dưới.Người vận hành ở cấp cao nhất có thể truy vấn hầu như tất cả mọi thông tin, từ các thông tin thống kê , tổng quát chung của toàn hệ thống , đến các thông tin chi tiết của riêng từng thiết bị đầu cuối Việc khai thác thiết bị tại chỗ cũng

sẽ trở nên dễ dàng Người kiểm tra có thể có được tất cả các thông tin từ hệ thống từ bất cứ một trạm nào của hệ thống nhờ vào việc khai thác hệ thống

dữ liệu chung thống nhất của toàn hệ thống

- Việc hỗ trợ giao tiếp giữa các môđun phần cứng và phần mềm khác nhau cũng sẽ trở nên rõ ràng hơn

Ta có thể xét một ví dụ: có hai môđun chương trình muốn nối với nhau theo một giao tiếp nào đó, thông thường thì ta cũng phải thiết kế các môđun giao tiếp trực tiếp giữa chúng với nhau.Việc này đối với hai môđun thì đơn giản nhưng vấn đề sẽ trở nên phức tập nếu có rất nhiều môđun và khi đó vấn đề giao tiếp sẽ là không đơn giản Ví dụ thêm một môđun vào một hệ thống sẽ có sẵn 3 môđun ta sẽ phải thiết kế tất cả 3 giao tiếp Tiếp cận theo cách dùng chung cơ

sở dữ liệu và hỗ trợ một phương pháp giao tiếp chung với cơ sở dữ liệu thì ta chỉ cần một thiết kế mà thôi Tất nhiên vấn đề xử lí xẽ có thể làm chậm tốc độ làm việc của hệ thống Tuy mhiên với sự phát triển của công nghệ thông tin và khoa học máy tính, việc chậm trễ này không có vấn đề nữa so với những lợi ích

mà nó đem lại

(ii) Môđun truyền thông thống nhất

Việc có được môđun truyền thông thống nhất sẽ đem lại các lợi điểm sau:

- Đảm bảo việc thống nhất trong truyền thông toàn bộ hệ thống

- Cho pháp đơn giản trong việc vận hành thiết kế

Tuy nhiên trong tình hình thực tế hiện nay ở nước ta, chúng tôi nhận thấy không nên cứng nhắc trong việc bắt buộc sử dụng duy nhất một giao thức truyền thông,việc thống nhất chỉ nên thực hiện tương đối trong phạm vi thích hợp

(iii) Phần mềm thống nhất

Việc sử dụng phần mềm thống nhất theo nghĩa hẹp có thể được hiểu như là sử dụng các phần mềm của riêng một hãng cung cấp.Tuy nhiên ở đây chúng tôi muốn đề cập đến việc thống nhất phần mềm hiểu theo nghĩa rộng Đó là việc thống nhất phần mềm theo các chuẩn thiết kế và khai thác tối đa các môđun chuẩn thống nhất Ví dụ :viẹc sử dụng chuẩn giao tiếp như COM, DCOM, COM+, ActiveX, ADO, DAO, sẽ cho phép người thiết kế xây dựng đượ các chương trình một cách nhanh chóng dễ dàng Việc kết hợp giữa các chương trình tự phát triển với các nhà sản xuất lớn như Mícoflt, hay các nhà phát triển phần mềm thứ ba cũng sẽ trở nên dễ dàng Bên cạnh đó việc đảm bảo tính năng trong tương thích và hỗ trợ giải pháp cho sự phát triển của sản phẩm cũng được đảm bảo

(d) Lợi ích của việc tích hợp toàn bộ hệ thống

Ưu điểm của việc tích hợp toàn bộ hệ thống sẽ được xét đến hai phương diện: phương diện người sử dụng và phương diện người thiết kế, xây dựng và triển khai hệ thống

Đứng trên phương diện người sử dụng việc tích hợp toàn bộ hệ thống sẽ mang lại các lợi ích sau:

- Người dùng sẽ có được một hệ thống dễ thao tác, thống nhất trong thao tác,vận hành ở tất cả các khâu, hạn chế các thao tác nhàm chán lặp đi lặp lại

bằng các macro hoặc bằng các chuỗi thao tác đã được định sắn

- Ngưòi dùng sẽ dễ dàng học cách làm việc ở tất cả các khâu Người vận hành sẽ dễ dàng hiểu được hệ thống, điều này dẫn đến giảm chi phí huấn luyện

và chuyển giao

- Người sử dụng hệ thống sẽ có cơ hội có được một hệ giao diện báo cáo theo một chuẩn thống nhất Người dùng không còn lo lắng về hệ thống con làm việc như thế nào, vì đối với họ, tất cả các hệ thống là một hệ thống nhất, với một giao diện thống nhất, một cách cư xử thống nhất

- Có thể hình dung hệ giao diện như một hình chóp, trên đỉnh là các giao diện đầu cuối nằm tại các trung tâm quản lí và điều khiển toàn miền.Càng xuống thấp giao diện cấp thấp cũng ít hơn chức năng trong hướng thiết kế của chúng tôi sẽ có cùng một giao diện chung ở tất cả các cấp

- Hệ thống nhờ kích hợp thành một hệ thống nhất được kiểm tra kí lưỡng sự làm việc kết hợp giữa các khâu nên tính ổn định và tin cậy của hệ thống sẽ dễ dàng được đảm bảo

- Người dùng không cần quan tâm dến vấn đề giao tiếp giữa các hệ thống và các môđun, vì chúng đã được tích hợp và kiểm tra lúc thiết kế

- Dữ liệu chỉ cần nhập một lần duy nhất, sau đó tuỳ theo yêu cầu của bài toán hệ thống sẽ tự động giải quyết các vấn đề lan truyền và đồng nhất dữ liệu Điều này đảm bảo giảm nhẹ công sức vận hành và đồng thời đảm bảo được tính toàn vẹn của hệ thống

- Việc kiểm tra và khởi động trở nên dễ dàng

Đứng trên phương diện người thiết kế, xây dựng và triển khai hệ thống, việc tích hợp toàn bộ hệ thống sẽ mang lại các lợi ích sau:

- Đảm bảo tính tương thích cao

- Khả năng sử dụng lại cao

- Tính linh hoạt trong mở rộng, nâng cấp, bổ sung tính năng cho sản phẩm tiện lợi cho việc bảo trì và phát triển hệ thống

- Dễ dàng trong việc đào tạo chuyển giao

(e) Ví dụ một hệ thống bao gồm các môđun được tích hợp thành một thể thống nhất

Hình 3 trình bày tổng quan một hệ thống với các môđun chương trình cơ bản ( nguồn lấy từ Siemens)

Hình 3: Mô hình tổng quan một hệ thống với các môđun chương trình

cơ bản

1.1.3.2 Hướng thiết kế mở của hệ thống

Giá thành luôn luôn là mối quan tâm hàng đầu đối với các nhà sản xuất, sử dụng

và bảo trì Tính mở của hệ thống được đưa ra chính là giải pháp cho vấn đề này Tính mở của hệ thống có thể hiểu là việc cung cấp các sản phảm theo môđun, điều này cho phép người tiêu dùng khả năng lựa chọn hệ thích hợp với nhu cầu của

mình nhất đồng thời cũng đảm bảo sự mở rộng cho tương lai khi mà nhu cầu sản xuất, khai thác vận hành tăng lên Tính mở của hệ thống được đánh giá trên hai khía cạnh là: tính mở của phần mềm và tính mở của phần cứng

(a) Tính mở của phần mềm

Giá thành của phần mềm được tiếp cận theo các hướng sau:

- Sử dụng các ứng dụng dạng chuẩn, các môđun phn cứng và phần mềm chuẩn trong việc phát triển và triển khai hệ thống (ví dụ các thiết bị chuẩn ở mức vào/ra, các thư viện hàm chuẩn phục vụ cho việc truyền thông, khai thác dữ liệu, các chuẩn về truyền thông trong công nghiệp, các chuỗi thao tác qiu định sẵn trong các tình huống công việc thông thường )

- Sử dụng một hệ thống thiết kế, triển khai thống nhất tất cả các môđun Tất

cả đều được thiết kế tương ứng với một hệ thống cơ sở dữ liệu chung, một

hệ thống cây các đối tượng thống nhất phục vụ cho việc lập trình hướng đối tượng, khai thác thông tin từ cấp cao nhất là cấp người vận hành quản lý đến cấp thấp nhất là cấp thiết bị cấp trường

(b) Tính mở của phần cứng

Tính mở của phần cứng sẽ được tiếp cận theo hướng môđun hoá từng thiết bị, từng tính năng của thiết bị hướng đến cho phép cấu hình động bằng phần mềm các thiết bị thuộc hệ thống

(c) Ví dụ một hệ thống cấu trúc dạng môđun

Hình 4 biểu diễn cấu trúc dạng môđun của hệ thống ở Hình 2 Đây cũng chính

là hướng phát triển chính của chúng tôi

Hình 4: Cấu trúc dạng môđun của hệ thống

1.1.3.3 Vấn đề giao diện người máy

Cùng với sự phat triển của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi chính đáng của người sử dụng các hệ thống công nghiệp ngày càng trở nên tiện dụng hơn, có được điều đó chính là nhờ sự phát triển của hệ giao diện người máy Giao diện giữa người và máy đã phat triển qua nhiều thế hệ Giao diện người máy có rất nhiều chủng loại khác nhau từ các đồng hồ cơ khí chỉ thị bằng kim hay các đồng hồ số hiển thị LED cho đến các màn hình đa dụng của máy tính cho phép hiển thị đồ hoạ và đa phương tiện Đứng trên phương diện thiết kế và sử dụng ta có thể xem hệ thống giao diện người máy như là một kim tự tháp (xem hình 5) Số lượng của các thiết

bị giao diện tăng dần từ cao xuống thấp, độ phức tạp và số lượng các tính năng của các thiết bị giao diện giảm dần từ cao xuống thấp Ta có thể bắt gặp các giao diện ở các trạm điều khiển quản lý ở cấp cao nhất, chúng cho phép hiển thị số liệu

thống kê dưới dạng biểu đồ, bảng biểu, cho phép giao tiếp dạng multimedia hay hiển thị tình trang hoạt động của toàn bộ hệ thống ở thời gian thực (với một chu kỳ cập nhật xác định) Ta cũng có thể bắt gặp các màn hình hiển thị ở cấp cuối cùng với các đèn LED báo cáo tình trạng hoạt động của thiết bị ở các thiết bị RTU

Hình 5: Minh hoạ một hệ giao diện thống nhất 1.2 Hướng triển khai thực hiện

Hiện nay hệ thống của chúng ta rất đa dạng, đa chủng loại và đa chuẩn, việc thiết

kế chuyển đổi sang thống nhất trên tất cả các phương diện là không thực tế vì việc này sẽ đòi hỏi rất nhiều tiền bạc và công sức và nhất là kinh nghiệm là điều mà chúng ta rất thiếu Chính vì vậy chúng tôi đề xuất hướng nghiên cứu mang tính chất thoả hiệp như sau:

- Trong lĩnh vực phần mềm: chúng tôi triệt để tận dụng các tính năng kế thừa

để phát huy tối đa các ưu điểm của việc hợp nhất Khai thác tối đa khả năng dùng chung một hệ cơ sở dữ liệu và các hệ giao diện mang tính thống nhất

và làm cơ sở chính để phát triển hệ thống sau này

- Trong lĩnh vực phần cứng: chúng tôi sẽ chia việc hợp nhất ra thành nhiều giai đoạn, cụ thể bước đầu tiên chúng tôi sẽ thiét kế các thành phần đệm mang chức năng giao tiếp nhằm mục đích giao tiếp giữa các chủng loại sản phẩm đa dạng hiện có với một hệ thống hạ tầng truyền thống và thống nhất

mà chúng tôi phát triển Điều này sẽ làm giảm được chí phí của việc áp dụng, vì chúng ta không phải thay đổi toàn bộ các thiết bị đầu cuối hiện có

Phần II Chương trình thu thập số liệu

Chương 2 Vấn đề thu thập số liệu

2.1 Mở đầu

Nhiệm vụ của môđun chương trình này là thu thập số liệu của tất cả các thiết bị trên toàn bộ hệ thống và lưu vào cơ sở dữ liệu Sau đó tất cả các hệ thống khai thác và hiển thị sẽ sử dụng số liệu này để thực hiện công việc của chúng Ta có thể minh hoạ sự liên kết của hệ thống với môđun này bằng Hình 6

Hình 6: Quan hệ giữa hệ thống thu thập số liệu, cơ sở dữ liệu và hệ thống

khai thác cơ sở dữ liệu

- Theo yêu cầu của người vận hành, điều khiển

- Theo yêu cầu của việc thực hiện một thao tác hoặc một chuỗi thao tác nào

đó

Phân loại theo cách thức tiến hành của việc thu thập số liệu:

- Thu thập số liệu tại chỗ

Hệ thống thu thập cơ

sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu Các hệ thống khai thác

cơ sở dữ liệu

- Thu thập số liệu từ xa thông qua mạng truyền thông

Phân loại theo phạm vi tác dụng của việc thu thập số liệu ta có:

- Thu thập số liệu của một thiết bị xác định

- Thu thập số liệu của một nhóm thiết bị xác định hay của toàn bộ hệ thống Phân loại theo mục đích sử dụng ta có:

- Thu thập để cập nhật việc hiện thị

- Thu thập để lưu cơ sở dữ liệu phục vụ cho các công việc thống kê, quản lý

và khai thác thông tin

- Thu thập để phục vụ cho việc vận hành đúng đắn ciủa hệ thống (giải quyết các xung đột trong các yêu cầu vận hành của hẹ thống) Tương tự như các khoá liên động mềm

Tuy đa dạng như vậy nhưng tất cả các phương pháp thu thập trên về cơ bản đều được xây dựng trên hai thao tác thu thập số liệu cơ bản là: thu thập số liệu theo chu kỳ do Concentrator khởi phát và thu thập số liệu bất thường do người vận hành tại máy tính trung tâm khởi phát Các dạng thu thập số liệu khác nhau chủ yếu là ở khía cạnh khung truyền cùng số lượng sữ liệu truyền đi trong 1 lần thu thập Để có được 1 hệ thống các cách thu thập dữ liệu đa dạng như trên chúng tôi

đã xây dựng một cơ sở dữ liệu lưu trữ cấu hình và trạng thái của hệ thống cùng các cách thức xử lý công việc cơ bản (tập các quy tắc triển khai) Kết hợp hệ này với một hệ chấp hành truy vấn số liệu với các tham số đàu vào là kết quả của các truy vấn cơ sở dữ liệu ta sẽ dễ dàng có được các cách thực hiện các tiến trình thu thập dữ liệu dựa trên hai thao tác thu thập dữ liệu cơ bản

Chương 3 Các phương pháp thu thập dữ liệu

Trong phần này chúng tôi sẽ lấy việc phân tích và thiết kế phương pháp thu thập

dữ liệu theo chu kỳ và theo yêu cầu của người vận hành/ điều khiển làm ví dụ minh hoạ vì đây là phương pháp thu thập số liệu cơ bản của hệ thống chúng tôi

3.1 Phân cấp cơ sở dữ liệu và thu thập số liệu

Vấn đề được đặt ra như sau: Hệ thống cần theo dõi các thông số biến đọng của hệ thống Các thông số này đều có một đặc tính chung là chúng biến đổi theo thời gian và trong một khoảng thời giang nào đó ta có thể xem như chúng không đổi Nguyên nhân gây ra sự thay đổi của các thông số này là các nguyên nhân đến từ bên ngoài hệ thống và hệ thống không thể đoán biết trước được Các nguyên nhân này có thể là nguyên nhân xuất phát từ con người, thiên nhiên hay thiết bị Ta có thể lấy thông số mức tiêu thụ điện năng của người dùng làm minh hoạ: Việc khởi động hoặc ngừng sử dụng một phụ tải điện năng của người dùng hoàn toàn là do người dùng quyết định, người quản lý vận hành hệ thống không thể kiểm soát được Một ví dụ khác, sự cố mất điện trên một dường dây do các nguyên nhân xuất phát từ thiên nhiên cũng sẽ làm các thông số hoạt động của hệ thống thay đổi Chính vì lý do các thông số hoạt động của hệ thống thay đổi nên việc theo dõi cập nhật thường xuyên các thông số biến động này của hệ thống là cần thiết để phục

vụ cho việc quản lý giám sát hệ thống, đảm bảo hệ thống vận hành đúng đắn Hình 7 trình bày mô hình tổng quát của bài toán quản lý hệ thống điện của ta

Hình 7: Minh hoạ bài toán quản lí hệ thống điện

S¬ §å Khèi HÖ Thèng SCADA §IÖN Dùa Trªn C«ng NghÖ PLC

-C«ng t¬ ®iÖn tö 1 pha: 01

-C«ng t¬ ®iÖn tö 3 pha: 02

-Tranducer ®o ®iÖn ¸p : 01

-Tranducer ®o dßng ®iÖn: 01

-Tranducer ®o tÇn sè : 01

-Tranducer ®o Cos phi : 01

-Tranducer ®o c«ng suÊt: 01

3.1.1 Phân cấp cơ sở dữ liệu

Trong hệ thống của chúng tôi dữ liệu sẽ được phân bố như sau:

- Cơ sở dữ liệu chung được tập trung ở máy tính trung tâm tại phòng điều khiển trung tâm Khi hệ thống phat triển lớn hơn ta có thể thiết kế mở rộng một máy tính chuyên trách phục vụ cơ sở dữ liệu cho toàn miền

- Cơ sở dữ liệu trung gian nằm tại Concentrator chứa tất cả các dữ liệu tạm thời của tất cả các thiết bị đầu cuối mà Concentrator quản lý và cả dữ liệu hoạt động của Concentrator

- Các dữ liệu thực tế nằm tại các thiết bị đầu cuối Các dữ liệu này sẽ được truyền về Concentrator khi có yêu cầu

Hình 8: Minh hoạ ba cấp cơ sở dữ liệu và mối quan hệ của chúng với các cấp

thiết bị trong hệ thống

=

=

Số liệu thực tế (tức thời) Header

Số liệu thực tế (tức thời) Header

Cơ sở dữ liệu trung gian(tạm)

Số liệu thực tế (tức thời) Header

Cơ sở dữ liệu trung gian(tạm)

Truyền thông bằng modem

Truyền thông cáp điện lực

Việc phân bố dữ liệu như thế này sẽ phù hợp với kiến trúc hệ thống dạng lai (kết hợp giữa kiến trác tập trung và kiến trúc lặp) là dạng kiến trúc mà chúng tôi

sử dụng

Hình 9: Minh hoạ kiến trúc dạng lai

3.1.2 Mô hình triển khai các cách thu thập số liệu từ các phương pháp thu thập dữ liệu cơ bản

Trong phần này chúng tôi giới thiệu tóm tắt cách xây dựng các thu thập dữ liệu bất thường Việc thực hiện các công việc thu thập sữ liệu được bắt đầu như sau:

- Khi hệ thống nhận được yêu cầu tiến hành các thu thập dữ liệu, các yêu cầu này có thể xuất phát từ người dùng hoặc từ các quá trình đang vận hành của

Giao tiếp 1

Tập hàm cơ bản 1

Giao tiếp 1

Tập hàm cơ bản 1

hệ thống, hệ thống sẽ tiến hành phân loại nhu cầu từ bảng nhu cầu các loại thu thập mà chúng tôi đã xây dựng sẵn Nhu cầu thu thập được chọn trong bảng sẽ được kết hợp với các tham số đầu vào được cung cấp kèm theo yêu cầu truy vấn (do hệ thống hoặc người vận hành quyết định (ví dụ phạm vi

áp dụng của thao tác thu thập dữ liệu - các RTU nào cần thu thập số liệu, số liệu thu thạp là số liệu gì, ) để cho ra một câu truy vấn cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh Sau khi có được câu truy vấn cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh, hệ thống sẽ tiến hành truy vấn trên thông tin cấu hình cài đặt và vận hành hiện có của hệ thống, từ đây sẽ trả về một tạp hợp các thiết bị cần áp dụng các thao tác thu thập số liệu cơ bản cùng với trình tự thực hiện của các thao tác này Đến đây bài toán giải quyết việc thu thập dữ liệu phức tạp đã chia thành một tập hợp các bài toán thu thập dữ liệu cơ bản Việc còn lại của hệ thống chỉ là tiến hành tuần tự theo thời gian các truy vấn cơ bản, để có được tập kết quả Tập kết quả có được từ thao tác truy vấn cơ bản cũng sẽ chứa trong một vùng đệm, các kết quả này sẽ được tổng hợp lại theo một bảng lựa chọn phương án mà chúng tôi quy định sẵn Kết quả cuối cùng sẽ có được khi hệ thống áp dụng một (hay một loạt các câu truy vấn cơ sở dữ liệu) chủ yếu là các câu lệnh xử lý, thay đổi và chuẩn hoá tập két quả có được để cuôí cùng

có được kết quả của yêu cầu thu thập dữ liệu ban đầu Hình 10 mô tả tóm tắt quá trình này

Hình 10: Mô hình thực hiện các thu thập số liệu phức tạp dựa trên các cách

thu thập số liệu cơ bản

3.2 Phương pháp thu thập số liệu theo chu kỳ

Phương pháp thu thập số liệu theo chu kỳ nhằm phục vụ cho việc cập nhật

dữ liệu thường xuyên nhằm các mục đích:

- Theo dõi sự vận hành của hệ thống thông qua các thông số Online

- Tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc thống kê báo cáo tình hình hoạt động của hệ thống

Quá trình thu thập số liệu được tiến hành như sau:

- Concentrator sẽ điều khiển việc tiến hành cập nhật các thông số hoạt động của hệ thống theo chu kì bằng một đồng hồ định vị thời gian

thập số liệu Bắt đầu

Kết thúc

Tuỳ theo yêu của từng loại thu thập số liệu cụ thể mà xây dựng cấu trúc truy vấn CSDL

- Mỗi khi có tín hiệu đồng hồ định thời gian Concentrator sẽ cho tiến hành một lượt cập nhật số liệu mới Concentrator sẽ thực hiện lần lượt các công việc sau ứng với từng RTU mà nó quản lý: xét xem RTU đó có ở tình trạng Active hay không Tình trạng Active tương ứng với việc liên lạc hỏi đáp giữa Concentrator và RTU là hợp lệ Nếu RTU ở tình trạng Active thì Concentrator sẽ phát lệnh yêu cầu RTU trả về các thông số Các thông số này được quy định bởi tập các biến quy định các thông số trả về khi cập nhật của RTU được qui định sẵn bởi người cài đặt hệ thống Nếu việc hỏi đáp thành công, Concentrator sẽ lặp lại các công việc này đối với RTU tiếp sau Ngược lại nếu việc hỏi đáp thất bại, Concentrator sẽ lặp lại việc hỏi đáp.Việc hỏi đáp chỉ dừng khi đủ số lần qui định mà vẫn không thành công (khi đó kết quả sẽ là không xác định đồng nghĩa với lỗi trong việc hỏi đáp là

cố định không phải lỗi thoáng qua, cần có biện pháp giải quyết) hoặc khi việc hỏi đáp được thành công (đồng nghĩa với việc lỗi hỏi đáp là tức thời thoáng qua, hệ thống vẫn hoạt động bình thường)

Việc thu thập số liệu theo chu kỳ của Concentrator được biểu diễn bằng lưu đồ ở Hình 11, Hình 12 và Hình 13

Hình 11: Sơ đồ khối hoạt động thu thập số liệu của Concentrator

Bắt đầu

Thực hiện một chu kỳ truy vấn dữ liệu

Chờ ngắt báo đủ thời gian đến lần truy vấn tiếp theo

Kết thúc

Lập trình theo hướng sự kiện, sử dụng ngắt

Hình 12: Sơ đồ khối hoạt động truy vấn số liệu của một chu kì truy vấn số liệu do

sai

đúng Bắt đầu

Truy vấn số liệu của

RTU

Lưu số liệu CSDL tạm tại Concentrator

Kết thúc RTU ở chế độ Active

3.3 Phương pháp thu thập số liệu theo yêu cầu của người vận hành

và quản lí

Phương pháp thu thập số liệu theo yêu cầu của người vận hành quản lí nhằm phục

vụ cho các yêu cầu dữ liệu tức thời từ người vận hành để phục vụ cho việc vận hành chính xác hệ thống Quá trình thu thập số liệu được tiến hành như sau: - Người vận hành quản lí sẽ phát lệnh yêu cầu thông số tức thời của thiết bị Lệnh này sẽ bao gồm hai thành phần cơ bản là thông số yêu cầu là thông số nào và thiết

bị cung cấp thông số đó là thiết bị nào

– Máy tính nhận lệnh, xử lí lệnh để có thể truyền đi trên giá truyền thông, thiết lập kênh truyền thông và gửi yêu cầu đến Concentrator

- Concentrator khi nhận được yêu cầu gửi dữ liệu tức thời sẽ tạm dừng quá trình quét dữ liệu theo chu kì mà chuyển sang chế độ đọc dữ liệu trực tiếp tức thời của RTU được yêu cầu Sau khi thực hiện xong việc đọc dữ liệu từ RTU, Concentrator

sẽ xây dựng bản tin và truyền bảng tin trả lời cho máy tính trung tâm

- Khi việc truyền thông đã hoàn tất, Concentrator sẽ tiếp tục quá trình quét dữ liệu theo chu kì

Hình 14: Sơ đồ khối chung của quá trình xử lí của Concentrator khi nhận được yêu

cầu dữ liệu tức thời từ máy tính trung tâm

Bắt đầu

Thực hiện truy vấn thông số của RTU xác định

Tiếp tục quá trình truy vấn theo chu kỳ

Kết thúc Tạm dừng quá trình truy vấn theo chu kỳ

Hình 15: Sơ đồ khối Concentrator truy vấn số liệu của một RTU xác định

sai

đúng Bắt đầu

Truy vấn số liệu của

RTU

Chương 4 Các vấn đề cần xử lí trong chương trình thu thập

số liệu

4.1 Bài toán xử lí số liệu tập trung

Như ta đã thấy trong các phân tích ở phần trên, việc tập trung số liệu là vấn đề hết sức quan trọng và đem lại một hiệu quả rất lớn trong việc áp dụng để tiến hành các thao tác thu thập số liệu của toàn bộ chương trình Tuy nhiên vấn đề tập trung số liệu trong thực tế cũng gặp một số trở ngại như sau:

- Việc tập trung số liệu sẽ gây một khoảng thời gian trễ của hệ thống chúng tôi đã hạn chế vấn đề này bằng cách sử dụng kiến trúc dạng lại (xem hình 9)

- Cần phối hợp cân đối giữa bài toán tập trung số liệu và điều khiển phân tán (vấn đề quản lí xung đột)

- Vấn đề đồng bộ số liệu giữa các trạm cũng cần được quan tâm Giải pháp của chúng tôi hiện nay là tất cả số liệu ở các trạm đều được tập trung về máy tính trung tâm Máy tính nào chỉ quản lí dữ liệu của chính nó, vấn đề điều khiển khai thác dữ liệu trực tiếp từ máy tính trung tâm đến các thiết bị đầu cuối được hạn chế đến mức tối đa

Trong chương này chúng tôi sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau:

- Cấu trúc và phương pháp thiết kế hệ giao diện

- Một số ví dụ minh hoạ cách thiết kế triển khai thực hiện của chương trình