Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng cho các khối nổi

và đặc biệt là trong các lính vực quốc phòng an ninh, vấn đề giám sát, điều khiển các đối tượng phức tạp ở xa nhau, nhưng có nhiều mốc liên hệ gián tiếp với nhau, hoạt động phụ thuộc vào

Bộ khoa học và công nghệ Chương trình nghiên cứu khoa học

và phát triển công nghệ KC 03

đề tài KC 03.01

Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng hoạt động trong điều kiện môi

trường khắc nghiệt

Báo cáo tổng hợp

Chủ nhiệm đề tài: GS TSKH Cao Tiến Huỳnh Cơ quan chủ trì: Viện Tự động hoá KTQS Cơ quan chủ quản: Trung tâm KHKT-CNQS

Danh sách cán bộ tham gia đề tài

A Chủ nhiệm đề tài

1 GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh Viện Tự động hoá KTQS

B Cán bộ tham gia nghiên cứu

1 KS Nguyễn Vũ, th− kí đề tài Viện Tự động hoá KTQS

2 ThS Nguyễn Trung Kiên Viện Tự động hoá KTQS

3 KS Lê Quốc Bình Viện Tự động hoá KTQS

4 ThS Phạm Tiến Dũng Viện Tự động hoá KTQS

5 ThS Lê Việt Hồng Viện Tự động hoá KTQS

6 KS Vũ Minh Khiêm Viện Tự động hoá KTQS

7 KS Nguyễn Đăng Vĩnh Viện Tự động hoá KTQS

8 KS Phùng Chí Kiên Viện Tự động hoá KTQS

9 KS Nguyễn Hữu Quỳnh Viện Tự động hoá KTQS

10 ThS Phan Quang H−ng Viện Tự động hoá KTQS

Mục lục

trang

Phần thứ nhất: Những vấn đề tổng quát

I Tính bức thiết của đề tài

II Mục tiêu của đề tài

III Nội dung của đề đài

IV Triển khai thực hiện đề tài

V Những kết quả của đề tài

5.1.7 Trạm giám sát và điều khiển cơ động

5.1.8 Trạm quan sát điều khiển

5.1.9 Trạm giám sát điều hành điều khiển tổng hợp

5.2 Các kết quả về mặt học thuật

5.3 Các kết quả về mặt đào tạo, nâng cao trình độ và kinh nghiệm

cho đội ngũ cán bộ KHCN

VI áp dụng các kết quả của đề tài

VII Hướng phát triển tiếp theo

Trạm chuyển tiếp và các thiết bị truyền thông 35

1.2 Sơ đồ cấu trỳc của trạm chuyển tiếp 35

1.3 Lựa chọn cỏc phần tử xõy dựng thiết bị: 36

1.4 Cỏc thuật toỏn và MODUL phần mềm cho trạm

chuyển tiếp:

38

1.5 Thiết bị truyền số liệu phục vụ cho hệ thống SCADA 40 1.5.1 Chức năng của thiết bị truyền số liệu: 40 1.5.2 Sơ đồ cấu trỳc của thiết bị truyền số liệu: 40 1.5.3 Cỏc thuật toỏn và modul phần mềm truyền số liệu 41

1.6 Thiết bị truyền số liệu qua mạng cáp quang 43

1.6.3 Cỏc thuật toỏn và modul phần mềm 45

4.2.3 Trung t©m xö lý sè liÖu vµ ®iÒu khiÓn 151

4.2.4 Khối thu thập số liệu 164 Trạm giám sát điều khiển cơ động

Thiết bị đầu cuối và các cơ cấu chấp hành 230 Thiết bị đầu cuối đa năng

Thiết bị đầu cuối chuyên dụng và các cơ cấu chấp hành

Trạm giám sát điều hành điều khiển tổng hợp

Kết luận

Phụ lục

Phần thứ nhất Những vấn đề tổng quát

I Tính bức thiết của đề tài

Ngày nay trong nhiều lĩnh vực như: khai thác biển, giao thông vận tải, thuỷ lợi, thuỷ văn, năng lượng, phòng chống thiên tai, bảo vệ môi trường v.v và đặc biệt là trong các lính vực quốc phòng an ninh, vấn đề giám sát, điều khiển các đối tượng phức tạp ở xa nhau, nhưng có nhiều mốc liên hệ gián tiếp với nhau, hoạt động phụ thuộc vào nhau, hoạt động của từng đối tượng riêng lẻ lại ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả hoạt động chung của nhiều đối tượng khác và của toàn bộ hệ thống Hơn thế nữa, các đối tượng các quá trình đó lại làm việc trong môi trường dã ngoại khắc nghiệt, hạ tầng về truyền thông kém, trong lúc đó yêu cầu về tính sống còn của hệ thống lại rất cao

Vấn đề đặt ra là phải giám sát và điều khiển từng đối tượng, từng quá trình theo các yêu cầu đặt ra cho chúng, đồng thời lại phải phối hợp trong

điều khiển các đối tượng đó, nhằm làm cho hoạt động chung của từng nhóm

đối tượng hoặc toàn bộ các bộ đối tượng phục vụ những mục đích chung,

đạt hiệu quả cao nhất cho toàn bộ hệ thống Giám sát và điều khiển cục bộ, riêng lẻ từng đối tượng và kiểm soát, giám sát, điều khiển từ trung tâm Trong điều kiện như vậy, độ sống còn của các phân hệ, các hệ thống cục bộ cho từng đối tượng và quá trình là quan trọng, song độ sống còn của các mối liên kết để tạo nên hệ thống lớn còn là điều hết sức đáng quan tâm

Các hệ thống SCADA đặc thù với các yêu cầu đăc biệt cho các lĩnh vực nêu trên nếu nhập ngoại thì không những phải chịu giá rất đắt (có những hệ thống phải nhập với giá hàng nhiều triệu USD), mà còn phụ thuộc nhiều vào nhà cung cấp và còn bị động trong việc bảo trì lâu dài Việc nghiên cứu các thành tựu hiện đại của công nghệ tự động hoá, thiết kế chế

tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng cho các ứng dụng trong các lĩnh vực của sản xuất và quốc phòng an ninh thực sự là vấn đề cấp thiết

II Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chủ yếu của đề tài là: Nghiên cứu tiếp cận các vấn đề khoa học công nghệ hiện đại, liên quan đến các hệ thống SCADA diện rộng; nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng, trong đó

có nhiều đối tượng cần giám sát và điều khiển phân bố trên những vùng rộng lớn, ở cách xa nhau và cách xa trung tâm, đòi hỏi điều khiển ở chế độ thời gian thực, hoạt động của các đối tượng, các nhóm đối tượng đòi hỏi có

sự phối hợp nhằm phát huy hiệu quả cao cho toàn hệ thống, trong khi không

có hạ tầng truyền thông hoặc có nhưng rất hạn chế; hệ thống hoạt động trong môi trường nóng, ẩm, bụi và rung xóc

Ngoài những yếu tố mang tính đặc thù nêu trên hệ thống còn phải có tính sống còn cao, phải hoạt động tin cậy trong điều kiện cơ động cho một

số phân hệ thành phần Thông qua việc thực hiện đề tài nhằm đào tạo, nâng cao trình độ và kinh nghiệm cho đội ngũ cán bộ KHCN

III Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của đề tài đã được Bộ Khoa học công nghệ và Ban Chủ nhiệm chương trình KC.03 xác định như sau:

- Nghiên cứu khảo sát thực tế, thu thập các dữ liệu cần thiết cho thiết kế hệ thống

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm giám sát điều khiển, có khả năng ghép nối với các loại kênh truyền: thoại, vô tiuyến, hữu tuyến, cáp quang

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm giám sát điều khiển cơ động

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đầu cuối thông minh

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm và liên trạm phát hiện và bám sát trên cơ sở sử dụng các sensor quang điện tử

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị xử lí ảnh phục vụ giám sát

và điều khiển trong SCADA đặc thù

- Nghiên cứu xây dựng phần mềm cho hệ thống và cho từng thiết bị thành phần

iV Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài

4.1 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiếp cận các giải pháp KHCN mới nhất có liên quan đến SCADA, đặc biệt là các hệ SCADA quy mô lớn, trong đó chứa đựng nhiều yếu tố đặc thù, ngoài các mối liên hệ theo chiều dọc từ trung tâm đến các trạm và các đầu cuối còn đòi hỏi có các liên hệ giữa các trạm, giữa các đầu cuối Nghiên cứu tiếp cận các công nghệ mới có liên quan đến SCADA với

sự đa dạng của các kênh truyền ( thoại, hữu tuyến, vô tuyến, cáp quang v.v ) với các yêu cầu truyền thông khác nhau trên cơ sở các giải pháp thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát; áp dụng và phát triển các phương pháp

và công cụ của lý thuyết hệ thống để phân tích và tổng hợp cấu trúc của hệ thống tổng thể và cấu trúc của từng hệ thống thành phần từng phân hệ phù hợp với các yếu tố đặc thù, đáp ứng được các yêu cầu giám sát và điều khiển, đảm bảo độ sống còn, độ tin cậy trong các điều kiện đặc thù và khắc nghiệt Xây dựng mô hình hệ thống theo cấu trúc đó Xác định yêu cầu đối với các trạm và các đầu cuối, đối với các thiết bị giao diện, ghép nối chuyên dùng với các modul giám sát, điều khiển, truyền thông theo chiều dọc và chiều ngang Trên cơ sở đó thiết kế chế tạo các thiết bị và xây dựng các phần mền tương ứng Các thiết bị được thiết kế chế tạo trên cơ sở các linh kiện, cấu kiện thuộc các thế hệ kỹ thuật và công nghệ cao như ASIC, PC104, Encoder độ phân giải cao v.v

Tính mới, tính sáng tạo của đề tài là xây dựng được cấu trúc của hệ thống, trong đó khắc phục được ảnh hưởng của nhiễu, giảm thiểu được ảnh hưởng không tốt của yếu tố trễ; nâng cao được khả năng giám sát và điều khiển các đối tượng phân bố trên phạm vi rộng lớn, khắc phục được một số yếu tố bất định, làm tăng hiệu quả của toàn bộ hệ thống

Tính độc đáo của đề tài là ở chỗ: Tạo ra hệ thống có khả năng giám sát và điều khiển số lượng lớn các đối tượng phân tán trên phạm vi rộng trong điều kiện hạ tầng truyền thông rất hạn chế, hoặc chưa có hạ tầng truyền thông; Các phân hệ, các trạm giám sát và điều khiển được liên kết với nhau không chỉ thông qua trung tâm, mà còn có các liên kết trực tiếp,

đảm bảo sự thống nhất, phối hợp cao, có khả năng điều khiển cục bộ, điều khiển trực tiếp điều khiển vượt cấp với các khả năng linh hoạt trong điều hành , chỉ huy và điều khiển Nhờ vậy hệ thống đạt hiệu quả cao

4.2 Triển khai thực hiện đề tài

Tổ đề tài và cơ quan chủ trì đề tài đã bám sát mục tiêu yêu cầu của đề tài, triển khai toàn bộ các nội dung đã được Bộ Khoa học và Công nghệ và Ban chủ nhiệm Chương trình phê duyệt Tổ đề tài và cơ quan chủ trì cũng

đã chủ động đưa các kết quả của đề tài áp dụng vào thực tế, để từ thực tế xác định được các ưu, nhược điểm, làm cơ sở để tiếp tục hoàn thiện các giải pháp KHCN và các sản phẩm KHCN do đề tài tạo ra Quá trình nghiên cứu

- thiết kế - chế thử - áp dụng thử đã được thực hiện đối với từng sản phẩm, trong đó, việc áp dụng thử được tiến hành ngay từ khi tạo ra các sản phẩm

đầu tiên, không chờ khi hoàn thành xong toàn bộ các thiết bị thành phần và toàn bộ hệ thống SCADA Vì vậy, từ các áp dụng thử từng thiết bị thành phần, đến ứng dụng toàn bộ hệ thống là quá trình liên tục, đã giúp cho đề tài tạo ra được các thiết bị và cho cả hệ SCADA đặc thù, có tính sống còn cao, có hiệu quả cao

Trong suốt quá trình thực hiện, đề tài đã chấp hành tốt các quy định của Bộ Khoa học và công nghệ và Ban Chủ nhiệm chương trình, đảm bảo

đúng tiến độ Qua các đợt kiểm tra; các đoàn kiểm tra của Bộ Khoa học và

công nghệ và Ban chủ nhiệm đều đánh giá tốt: Đề tài bám sát nội dung yêu cầu theo đề cương nghiên cứu và theo hợp đồng thực hiện nghiêm túc, tạo ra sản phẩm có ý nghĩa về mặt KHCN và có giá trị thực tiễn, đảm bảo

đúng tiến độ

V Kết quả đạt được

Bám sát mục tiêu của đề tài và thực hiện đầy đủ các nội dung đã

được xác định, đề tài đã đạt được kết quả toàn diện Có thể tóm tắt các kết quả chính như sau:

- Truyền số liệu từ các trạm trung gian về trung tâm

- Lưu trữ, xử lí số liệu tại trung tâm

- Truyền số liệu và các lệnh điều khiển cho các trạm điều khiển theo cụm

- Xử lí số liệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành trực tiếp từ các trạm điều khiển theo cụm hoặc từ trung tâm thông qua các thiết bị đầu cuối

- Tăng cường khoảng cách địa lí giữa các trạm nhờ các trạm chuyển tiếp

Với mục tiêu như vậy, hệ thống chung được thiết kế theo sơ đồ cấu trúc trên hình 1

Trong đó:

I: Trung tâm giám sát, điều hành, điều khiển tổng hợp

II1 IIn: Các trạm cụm thu thập số liệu

III1 IIIn: Các trạm cụm thu thập số liệu và điều khiển cơ động

IV: Trạm chuyển tiếp

V: Các thiết bị đầu cuối dạng thu thập số liệu

VI: Các thiết bị đầu cuối dạng điều khiển

Ngoài ra, trong từng trạm có thể trang bị những thiết bị đặc thù khác Tuy nhiên, đối với hệ SCADA đặc thù về kết nối thông tin đề tài chọn mạng

3 tầng nh− vậy để thể hiện Trong thực tế, số tầng có thể thay đổi

Trong sơ đồ trên, trung tâm thu thập số liệu, điều hành và điều khiển

đường truyền số liệu từ các thiết bị đầu cuối tới các trạm cụ thẻ là các

đường hữu tuyến, có thể là mạng hình sao hoặc mạng nối tiếp, hoặc là

đường truyền vô tuyến với tần số riêng cho từng trạm cụm Khi sử dụng

đường truyền vô tuyến, mỗi mạng riêng của các trạm cụm thực sự là một mạng đồng cấp với mức độ ưu tiên khác nhau có thể đặt trước

Đường truyền số liệu từ các trạm cụm về trung tâm có thể là các dạng sautuỳ theo điều kiện thực tế và chức năng của từng trạm

- Đường truyền cáp quang: Tất cả các trạm có nhu cầu truyền

ảnh sẽ được trạng bị đường truyền cáp quang Khi đó các trạm này sẽ kết nối với trung tâm thành một mạng đồng cấp, toàn bộ

số liệu sẽ được trao đổi trên đường này

- Đường truyền hữu tuyến (cáp đồng): Các trạm sẽ kết nối với trung tâm thành mạng hình sao, để đảm bảo tốt đường truyền

số liệu sử dụng chuẩn RS422

- Đường truyền thoại: Các trạm sẽ kết nối với trung tâm hoặc nối với nhau qua tổng đài nội bộ đặt tại trung tâm Trong trường hợp này cần xây dựng phương pháp đồng bộ thơig gian, tránh trường hợp mất liên lạc do các trạm nhắc máy vào cùng một thời điểm

- Đường truyền vô tuyến: Toàn bộ trung tâm và các trạm đều sử dụng một tần số phát, vì vậy các số liệu có thể trao đổi dễ dàng giữa các trạm Tuy nhiên cần chú ý chu kỳ thời gian đẻ đảm bảo không bị nghẽn liên lạc Đối với các trạm ở xa, thông tin

sẽ được truyền qua trạm chuyển tiếp Trạm chuyển tiếp sẽ liên lạc với trung tâm qua một tàn số riêng và liên lạc với các trạm theo tần số chung, vì vậy, về mặt hệ thống có thể coi trạm chuyển tiếp ngư một trạm làm việc và cùng chỉ được hoạt động trên tần số chung trong một chu kỳ thời gian nhất định

Việc phân bổ chu kỳ thời gian cho các trạm được thực hiện từ trung tâm, có tính đén vị trí địa lí của từng trạm và mức độ ưu tiên cho từng trạm Như vậy, hệ thống SCADA được thiết kế mang tính đặc thù về đường truyền số liệu, nó sử dụng thiết bị nội bộ, không sử dụng các tài nguyên công cộng Trong những trường hợp nhất định, các trạm có thể kết nối vào mạng cáp quang chung, tuy nhiên hầu hết trường hợp các thiết bị đều hoạt

động phân tán và ở nhưngc nơi hạ tầng thông tin không cho phép

Như vậy, về mặt mạng truyền số liệu, các trạm có cấu trúc như sau:

Các thiết bị chuyên dụng trong hệ thống tạm gọi là các thiết bị xử lí

số liệu và điều khiển Trong cấc hệ SCADA khác nhau về chức năng, các thiết bị này sẽ được thiết kế, chế tạo để dáp ứng các chức năng riêng, còn về mạng truyền thông không có gì thay đổi

Đường truyền ảnh được thiết kế trên mạng cáp quang, đối với các hệ thống SCADA có mạng cáp quang, đường truyền số liệu sẽ được thiết lập chung với mạng cáp quang Trong các trường hợp khác, đường truyền vô tuyến và đường truyền hữu tuyến sẽ được sử dụng tuỳ điều kiện hạ tầng thực tế

Các thiết bị đầu cuối phục vụ mục đích thu thập số liệu hay điều khiển cũng có những đặc thù khác nhau, có thể là một thiết bị tự động hoàn

toàn, hoạt động độc lập và cũng có thể là các thiết bị điều khiển phức tạp, cần có sự can thiệp của con người

Trung tâm và các trạm trong mạng có thể hoạt động theo chế độ chủ

tớ, hoặc theo chế độ đồng cấp Việc thiết lập chế độ hoạt động trong mạng

được thực hiện từ trung tâm

Mạng truyền số liệu trung tâm

Trung tâm xử lý số liệu và

điều khiển

Khối điều khiển

đài quan sát Khối điều khiển

PC104 RS232

MD T1

MD T2

MD VT1 TP1

TĐ1

MD VT2

TP2

MDVT1 TĐ2

f2 sang chuyển tiếpf1

in Card quang

Mạng

Hình 2: Cấu trúc trạm trung tâm theo đường truyền số liệu

Trạm truyền số liệu quan sát và điều khiển

Hình 3: Cấu trúc trạm quan sát và điều khiển

và bám sát

Hiển thị hình ảnh

Card quang

VI Cáp đồng

§Õn c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi

HiÓn thÞ h×nh ¶nh

Card quang

COM

Các thiết bị đầu cuối có thể là thiết bị thu thập, có thể là thiết bị điều khiển, về mặt truyền số liệu đ−ợc xây dựng theo sơ đồ cấu trúc sau:

Khối điều khiển Trung tâm xử số liệu

số

Khối truyền thông

Trạm chuyển tiếp thực hiện các nhiệm vụ chuyển tiếp đường truyền vô tuyến nhằm nâng độ rộng về mặt địa lý của hệ SCADA và có sơ đồ cầu trúc như hình sau

Phần xử lí tín hiệu và điều khiển sẽ mang đặc thù của từng trạm Trên cơ

sở nhu cầu thực tế đề tài tập trung định hướng nghiên cứu thiết kế xây dựng các

hệ thống thiết bị phục vụ phòng không tầm thấp, vì vậy tính đặc thù của nó thể hiện ở cấu trúc từng trạm và các thiết bị đầu cuối Thiết kế hệ thống cụ thể sẽ

được thể hiện trong phần sau

5.1.2 Hệ thống SCADA đăc thù với định hướng ứng dụng trong Quốc

phòng và một số lĩnh vực khác

Hệ thống SCADA đăc thù diện rộng do đề tài thiết kế chế tạo với các trạm

và các thiết bị phân bố theo ba tầng, từ trung tâm tới các trạm trung gian và các thiết bị đầu cuối, với định hướng ứng dụng trong Quốc phòng và một số lĩnh vực khác

Hệ thống được thiết kế cho các nhóm hệ thống đặc thù, quan sát, thu thập hình ảnh và tham số mục tiêu, lưu trữ, xử lí số liệu và ra các quyết định tiêu diệt

mục tiêu theo các thuật toán khác nhau ở một khía cạnh nào đó, đây là một hệ chuyên gia với các khối thiết bị cụ thể trên Hình 8

Trong khuôn khổ của đề tài, Bộ Khoa học và công nghệ và Ban Chủ nhiệm chương trình KC.03 đã xác định số lượng từng loại thiết bị trong hệ thống

cụ thể là:

- Số lượng các đầu cuối: 02

- Số lượng các Trạm giám sát- điều khiển: 02

- Số lượng Trạm chuyển tiếp: 01

- Số lượng các Trạm giám sát- điều hành- điều khiển tổng hợp: 01

• Các chủng loại kênh thông tin sử dụng trong hệ thống: kênh thoại, kênh vô tuyến, cáp quang

• Phạm vi hoạt động: Lấy trung tâm (trạm) giám sát-điều hành- điều khiển tổng hợp làm tâm điểm, hệ thống có thể bao quát các đối tượng trong phạm vi bán kính 50Km

• Điều kiện môi trường:

- Đối với các thiết bị phân tán

Cơ động

Thiết bị

đầu cuối thông minh

Trạm

Giám sát -

Điều khiển 1

Trạm phát hiện- bám sát

Trạm Giám sát -

Điều khiển 2

Trạm Giám sát -

Điều khiển n Trạm chuyển tiếp

Thiết bị

đầu cuối

Trạm giám sát- bám sát

5.1.3 Trạm phát hiện, bám sát

Chức năng:

- Sục sạo, phát hiện và bám sát mục tiêu

- Đo các tham số góc của mục tiêu

- Truyền hình ảnh và tham số góc của mục tiêu về trung tâm

- Nhận chỉ thị dẫn đường của trung tâm để sục sạo phát hiện mục tiêu

Các đặc tính kỹ thuật:

- Vận tốc góc trong chế độ chuyển hướng: 0-600/s

- Vận tốc góc trong chế độ bám: 0-300/s

- Độ phân giải đo góc tà và góc phương vị: 0,367 li giác

- Sai số đo góc tối đa: ±0,74 li giác

Xử lý ảnh động nhằm xỏc định tọa độ tương đối của mục tiờu so với tõm trục quang của cỏc hệ thống phỏt hiện bỏm sỏt nhằm tạo tớn hiệu phục vụ

tự động bỏm

Các đặc tính kỹ thuật:

- Hệ thống xử lý tớn hiệu vào là tớn hiệu video composite theo chuẩn PAL, SECAM, NTSC Tớn hiệu video composite được số húa rồi xử lý theo từng frame ảnh với tốc độ 25fps với tớn hiệu PAL, SECAM và 30fps với tớn hiệu NTSC

- Chế độ làm việc bỏn tự động: người sử dụng chỉ thị một mục tiờu cần bỏm, sau đú thiết bị sẽ thực hiện bỏm tự động theo mục tiờu đú cho đến khi cú chỉ thị mục tiờu khỏc

- Cỏc thuật toỏn cơ bản ỏp dựng:

+ Tỏch biện đối tượng: nhằm xỏc định cỏc đối tượng cần xử lý là những đối tượng nhõn tạo thường cú đường biờn rừ nột, cũn cỏc đối tượng nhiễu như mõy thường khụng cú đường biờn rừ nột, tham số tỏch biờn được đặt trước hoặc tự động theo độ tương phản của mục tiờu trờn nền

+ Lọc nhiễu: dựng cỏc thuật toỏn lọc median, hoặc thụng dải lọc những đối tượng là nhiễu thường cú kớch thước quỏ nhỏ hoặc quỏ lớn so với mục tiờu cần bỏm, , tham số lọc nhiễu được đặt trước hoặc tự động + Xỏc định đặc tớnh và phõn loại đối tượng: trờn cơ sở cỏc đối tượng đó được tỏch biờn, thực hiện xỏc định đặc tớnh đối tượng như kớch thước, đường bao, độ sỏng, điểm cú độ sỏng đỉnh

+ Xỏc định mục tiờu: trờn cơ sở cỏc đối tượng đó được xỏc định thụng

số và phõn loại, tỡm đối tượng nào cú cỏc thụng số gần đỳng nhất với thụng số mục tiờu đó được xỏc định từ frame trước

+ Xỏc định tõm chớnh xỏc của mục tiờu đưa ra hệ thống điều khiển tự động bỏm lưu trữ thụng số mục tiờu

- Điều khiển, đo lường và kiểm tra chế độ của các thiết bị ngoại vi

- Tự động chọn lựa số liệu và đối tượng điều khiển theo mức ưu tiên

- Độ phan giải: 8 bit

- Giao diện với trung tâm: nối tiếp, song song

- Đường truyền số liệu nối tiếp: RS422/RS485

- Thu thập các tham số mục tiêu để truyền về trung tâm

- Điều khiển các trạm phát hiện bám sát bằng cách cung cấp các tham số mục tiêu cần bám sát

Các đặc tính kỹ thuật:

- Kênh truyền hữu tuyến : 08

+ Toạ độ các mục tiêu

- Khả năng quản lí: 04 mục tiêu

- Số kênh thu thập và điều khiển: 08

- Nhận tín hệu về hình ảnh và tham số mục tiêu từ trung tâm đ−a ra

- Tính toán phần tử cho các cơ cấu chấp hành

- §iÒu khiÓn trùc tiÕp c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh hoÆc th«ng qua c¸c thiÕt bÞ

+ Gi¸n tiÕp: TruyÒn tham sè môc tiªu cho c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi tÝnh to¸n

vµ ®iÒu khiÎn c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh

- Chọn lựa mục tiêu cần tiêu diệt và truyền cho các trạm quan sát điều khiển

- Chọn lựa mục tiêu nguy hiểm, tự tính toán phần tử và điều khiển các cơ

cấu chấp hành

Các đặc tính kỹ thuật:

- Số các trạm thu thập số liệu phối thuộc : 08

- Số các trạm điều khiển phối thuộc: 08

- Các tham số thu thập: hình ảnh và tham số mục tiêu

- Các tham số điều khiển:

+ Hình ảnh và tham số mục tiêu + Phần tử cho các cơ cấu chấp hành

- Điều khiển trực tiếp đài quan sát:

+ Vận tốc góc: 0-600/s + Vận tốc bám sát: 0-300/s + Độ phân giải đo góc: 0,367 li giác

+ sai số đo góc tối đa: 0,75 li giác

+ Công suất truyền động: 330W + Mômen tải lớn nhất: 100Nm + Chế độ điều khiển: tự động/ bán tự động

- Số lượng cơ cấu chấp hành trực tiếp điều khiển: 06

- Hiển thị và lưu trữ mục tiêu

- Hiển thị phần tử và trạng thái các cơ cấu chấp hành

- Hiển thị tình trạng bám sát mục tiêu

- Môi trường:

+ Độ ẩm: đến 98%

+ Rung xóc: Rung 2G 1Khz - Xóc 10G

I.5.2 Các kết quả về mặt học thuật

1 Đã làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống SCADA với các yếu tố

đặc thù, diện rộng, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt

Nhằm nâng cao hiệu quả, nâng cao tính sống còn và độ tin cậy cho hệ thống, đã xây dựng một số giải pháp KHCN đáp ứng các yếu tố đặc thù, cụ thể là:

- Cấu trúc mở, mềm dẻo, có khả năng làm việc với các loại kênh thông tin như : Thoại, vô tuyến, hữu tuyến, cáp quang

- Sử dụng Redundant Station, trong trường hợp cần thiết, ở các cụm có thể sử dụng cả Duplicated LAN; sử dụng ASIC trong các thiết bị thành phần

- Giải pháp chống sét và chống nhiễu

2 Các đối tượng cần giám sát và điều khiển trong hệ SCADA đặc thù, diện rộng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt do các yếu tố đặc thù và chịu nhiều tác động bên ngoài, vì vậy, các thông số động học của chúng thay đổi không biết trước Không những thế, vì nhiều yếu tố khác nhau nên trong hệ thống chứa trễ Vấn đề điều khiển các lớp đối tượng này với sự thay đổi tham số trong các dải rộng là vấn đề phức tạp , phương pháp tổng hợp các hệ thống điều khiển chúng, cho đến nay vẫn chưa được được giải

quyết thoả đáng Đề tài đ∙ đề xuất phương pháp tổng hợp, thiết kế các hệ thống điều khiển cho các lớp đối tượng này trên cơ sở của điều khiển thích nghi và điều khiển cấu trúc biến đổi ở chế độ trượt

3 Đã xây dựng phương pháp tổng hợp các hệ thống điều khiển vừa cận tối

ưu theo tác động nhanh vừa có khả năng kháng nhiễu, bất biến với tác động bên ngoài

Đã đề xuất phương pháp tổng hợp và thiết kế hệ thống điều khiển bền vững cho lớp các đối tượng nêu trên, khi các đặc tính động học của chúng thay đổi trong những phạm vi nhất định

Các kết quả đó đã công bố tại hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 5 và lần thứ 6 về Tự động hoá và trên các tạp chí

I.5.3 Về mặt đào tạo

Theo các chuyên đề thuộc nội dung của đề tài đã và đang đào tạo 3 nghiên cứu sinh, trong số đó có 2 nghiên cứu sinh chuẩn bị bảo vệ luận án tiến sĩ

I.6 ứng dụng kết quả của đề tài

Các kết quả của đề tài KC03.01 đã được áp dụng vào thực tế trong 5 công trình lớn , được ấnh giá cao, đã phát huy hiệu quả tốt Điển hình là hệ thống SCADA điều khiển trận địa pháo phòng không tầm thấp tác chiến ngày và

đêm - một trong số 6 công trình KHCN chào mừng 60 năm thành lậo Quân

đội nhân dân Việt Nam Đây là hệ thống SCADA đặc thù, phức tạp, chứa

đựng hàm lượng khoa học cao, đã được thiết kế chế tạo trên cơ sở áp dụng các kết quả của đề tài KC.03.01.đã được áp dụng vào thực tế mang lại hiệu quả rất thiết thực cụ thể là:

I.7 Hướng phát triển tiếp theo và kiến nghị

Đề tài đã hoàn thành toàn bộ các nội dung và đạt được mục tiêu đề ra cho đề tài KC.03.01 Các kết quả của đề tài đã và đang được ứng dụng mang lại hiệu quả cao

Hướng phát triển tiếp theo là:

1 Tiếp tục mở rộng áp dụng các kết quả của đề tài vào thực tế

2 Nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện và phát triển các kết quả của đề tài, nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao và rất đa dạng của các hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng trong các lĩnh vực sản xuất, dịch vụ, quốc phòng, an ninhvà nhiều lĩnh vực khác

Kiến nghị: Đề nghị Bộ khoa học &công nghệ, các bộ ngành có liên

quan, các cơ quan tổ chức có thẩm quyền tạo điều kiện thuận lợi để đề tài tiếp tục phát triển theo hướng nêu trên

Phần thứ hai Các sản phẩm của đề tài

I Trạm chuyển tiếp và các thiết bị truyền số liệu

1.1 chức năng của trạm chuyển tiếp

Trạm chuyển tiếp trong hệ SCADA cú chức năng chuyển tiếp đường thụng tin vụ tuyến nhằm mục đớch nõng cao cự li thụng tin nối với cỏc trạm điều khiển cơ động Vỡ tớnh cơ động đặc thự nờn trạm điều khiển cơ động chỉ thực hiện chức năng kết nối với trung tõm chỉ huy thụng qua đường truyền số liệu

vụ tuyến, và cần đến thiết bị chuyển tiếp trong trường hợp nú hoạt động trong phạm vi rộng, xa trung tõm Việc điều khiển cỏc đối tượng khỏc trong những trường hợp đặc biệt nếu trạm được đặc trỏch chỉ huy cũng sẽ được thụng qua kờnh truyền số liệu vụ tuyến

1.2 sơ đồ chức năng của trạm chuyển tiếp

Mụ tả: Trạm chuyển tiếp bao gồm cỏc khối thiết bị:

Khối điều khiển chuyển tiếp vụ tuyến: Khối này sử dụng EMBEDDED PC

KHỐI THU PHÁT II

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

Khối thu phát 1: Bao gồm MODEM vô tuyến, và máy thu phát thực hiện liên lạc trên tần số 1

Khối thu phát 2: Bao gồm MODEM vô tuyến, và máy thu phát thực hiện liên lạc trên tần số 2

Khối nguồn : Cung cấp nguồn từ nguồn cung cấp chính và từ nguồn dự phòng (ắc quy) cho toàn bộ hệ thống

Khối điều khiển chuyển tiếp vô tuyến thực hiện liên lạc hai chiều với trạm điều khiển cơ động thông qua khối thu phát 1 trên tần số liên lạc 1, thu thập các tham số mục tiêu theo cơ chế hỏi - đáp lưu trữ, xử lý và truyền số liệu thu được về trung tâm thông qua khối thu phát 2 Đồng thời, nó cũng thực hiện liên lạc hai chiều với trung tâm qua khối thu phát 2 trên tần số liên lạc 2, nhận các lệnh điều khiển, giải mã lệnh và gửi tới các trạm điều khiển cơ động

1.3 lùa chän c¸c phÇn tö x©y dùng thiÕt bÞ

Theo yêu cầu của thiết kế hệ thống, các thiết bị được xây dựng cần có tính chuẩn hoá về cấu trúc và thông tin, dễ sử dụng và phát triển, thiết bị cần có

độ tin cậy cao trong điều kiện môi trường

Trong điều kiện hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số,

kỹ thuật vi xử lý, các công cụ để xây dựng các thiết bị trong hệ thống tương đối phong phú và đa dạng bao gồm các module PLC chế tạo sẵn của các hãng như SIEMENT, OMRON , Các máy tính công nghiệp (IPC), các hệ SCM (Single Chip Microcontroller) căn cứ vào các chỉ tiêu kỹ thuật của đề tài nhóm thực hiện lựa chọn giải pháp sử dụng EMBEDDED PC xây dựng thiết

bị điều khiển chuyển tiếp, sử dụng MODEM vô tuyến kết hợp với phần tử thu phát là máy thu phát thông dụng trên dải sóng UHF (134MHz-174MHZ) Chỉ tiêu cụ thể của các thiết bị chính được chọn như sau:

1.3.1 Phần tử điều khiển: EMBEDDED PC với cấu hình:

• Tốc độ CPU 386SX – 40MHz

• Dung lượng bộ nhớ RAM: 4MB RAM ONBOARD

• Dung lượng DISK – ONCHIP: 16MB

+ Mức tín hiệu: RS-232 hoặc TTL

- Giao tiếp với máy thu phát:

+ Tốc độ số liệu:1200bps hoặc 2400bps ( dạng điều chế MPSK) + Độ nhạy: 1X10-5 BER với mức 14 dB SINAD

+ Mức tín hiệu thu : 0.3-0.6 V + Lệnh phát số liệu:có thể lựa chọn mức cao hoặc thấp

1.3.3 Khối cung cấp nguồn:

• Nguồn nuôi thiết bị: Ắc quy 12v – 60 a/h hoÆc ®iÖn xoay chiÒu

1.4.1 Thuật toán truyền số liệu

Thuật toán truyền số liệu được xây dựng theo hình thức truyền gói ; có bắt tay và kiểm tra mã lỗi dùng CRC 16 bít Cấu trúc một gói tin như sau:

Kiểm tra mã lỗi sử dụng thuật toán CRC 16 bít với đa thức sinh

X16+x12+x5+1

1.4.2 Thuật toán điều hành chung

Thuật toán điều hành chung được xây dựng như trên cơ sở thuật toán truyền số liệu của các trạm thu phát Trên hình 1.2 trình bày lưu đồ thuật toán của khối chuyển tiếp

Các modul chương trình phần mềm được trình bày trong phần phụ lục

Hình 1.2: Thuật toán phần mềm trạm chuyển tiếp

Bắt đầu

Kiểm tra

dữ liệu về TP1

Kiểm tra

dữ liệu về TP2

Đọc dữ liệu từ TP1 liệu từ TP2 Đọc dữ

Kiểm tra

dữ liệu TP1

Kiểm tra

dữ liệu TP2

Sắp xếp dữ liệu cho TP2

Sắp xếp dữ liệu cho TP1

Đưa dữ liệu ra TP2

Đưa dữ liệu ra TP1

Kiểm tra điều kiện kết thúc

Đúng

Sai

Sai Đúng

1.5 thiÕt bÞ truyÒn sè liÖu phôc vô cho hÖ thèng scada

1.5.1 Chức năng của thiết bị truyền số liệu:

Thiết bị truyền số liệu thực hiện liên lạc hai chiều với các trạm trong cấu hình hệ thống, thu thập các tham số mục tiêu theo cơ chế hỏi - đáp lưu trữ, xử

lý và truyền số liệu thu được qua các đường truyền vô tuyến và hữu tuyến đến các thiết bị xử lý số liệu và trạm trung tâm qua các đường truyền tương ứng, nhận các lệnh điều khiển từ trung tâm gửi tới các trạm

1.5.2 Sơ đồ cấu trúc của thiết bị truyền số liệu:

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc thiết bị truyền số liệu

Mô tả:

Thiết bị truyền số liệu bao gồm các khối chức năng chính:

- Khối điều khiển: Thực hiện điều khiển truyền số liệu theo các đường truyền vô tuyến hoặc thoại

Khối điều khiển

Khối thu phát

vô tuyến khiển

Cổng điều khiển modem thoại

Vào ra