GIÁO TRÌNH hệ THỐNG điều KHIỂN GIÁM sát và THU THẬP dữ LIỆU TRONG hệ THỐNG điện SCADA CHƯƠNG 3 cấu TRÚC PHẦN mềm hệ THỐNG SCADA

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Chương này sẽ tập trung cụ thể vào các phần mềm của hệ thống SCADA và giao thức truyền thông được sử dụng trong hệ thống, cụ thể giới thiệu các nội dung s

CHƯƠNG 3

CẤU TRÚC PHẦN MỀM HỆ

THỐNG SCADA

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chương này sẽ tập trung cụ thể vào các phần mềm của hệ thống SCADA và giao thức truyền thông được sử dụng trong hệ thống, cụ thể giới thiệu các nội dung sau:

Độ phân giải: lên tới 1280 x1024 triệu màu

3) Cảnh báo (Alarm)

4) Đồ thị (Trend);

5) Giao diện RTU (hoặc PLC);

6) Khả năng mở rộng;

7) Truy cập dữ liệu;

8) Cơ sở dữ liệu;

9) Mạng truyền thông;

10) Phát hiện lỗi và dự

phòng

3.2.2 Các thành phần của một hệ thống SCADA

Hình 3.1 Thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA

3.3 GÓI PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG SCADA

3.3.1 Giới thiệu chung

Hiệu suất và năng suất của một hệ thống SCADA đối với đối tượng đang sử dụng nó là rất quan trọng, điều này phụ thuộc nhiều vào khả năng mở rộng của hệ thống theo các yêu cầu trong tương lai

Hệ thống phải dễ dàng trong nâng cấp và chỉnh sửa theo các yêu cầu thực tế của đối tượng, để làm được điều này phụ

thuộc rất nhiều vào cấu hình phần mềm của hệ thống

Có hai phương pháp chính để thiết kế:

Hệ thống SCADA

Phương pháp tập trung Phương pháp phân tán

Hình 3.2 Hệ thống tập trung

Những hạn chế của

phương pháp này là:

- Giá thành đầu tư ban

đầu rất lớn đối với các hệ

thống nhỏ

- Khả năng mở rộng nhà

máy bị hạn chế

- Hệ thống dự phòng rất

tốn kém bởi vì toàn bộ hệ

thống phải được nhân đôi

- Nhân viên bảo dưỡng,

bảo trì phải yêu cầu có trình

độ cao

toàn bộ việc giám sát và thu thập dữ liệu dựa trên cơ sở dữ liệu bên trong máy tính đó

3.3.1.2 Phương pháp phân tán: Nghĩa là hệ thống SCADA sẽ được điều

khiển bởi nhiều trạm máy tính nhỏ Trên hình bên giới thiệu hệ thống phân tán

Hình 3.3 Hệ thống phân tán

H ạn Chế:

-Truyền thông giữa các máy

tính là không phải đơn giản;

-Truyền dữ liệu và cơ sở dữ

liệu phải được nhân đôi đối

với toàn bộ các máy tính;

-Không có cách tiếp cận để

thu thập dữ liệu trực tiếp từ

các thiết bị trường (ví dụ nếu

có 2 trạm vận hành yêu cầu

cùng một dữ liệu, các RTU

phải được hỏi 2 lần)

Hệ thống SCADA theo phương pháp chủ khách

Một hệ thống chủ khách được

hiểu như sau:

Một máy chủ (server) là thiết

bị mà cung cấp toàn bộ dịch vụ

cho các máy khác trên hệ thống

mạng Tất cả các máy khách

(Client) muốn sử dụng dịch vụ

thì cần phải yêu cầu lệnh từ

máy chủ

Hình 3.4 Cấu hình chủ khách

3.3.2 Hệ thống dự phòng

Một ví dụ điển hình của một hệ thống SCADA, nơi một trong những thành phần có thể làm gián đoạn hoạt động của toàn bộ hệ thống được giới thiệu trên hình 3.5, gọi là hệ thống SCADA không được bảo vệ tốt

Hình 3.5 Hệ thống SCADA không được bảo vệ tốt

Hình 3.6 Sơ đồ sử dụng hai server

Để đảm bảo tính liên tục và độ tin cậy cho hệ thống cần thiết kế một sơ đồ có tính dự phòng như hình 3.6 dưới đây

Hình 3.7 Sơ đồ sử dụng mạng LAN và mạng PLC

Ngoài ra, để hệ thống

được đảm bảo hơn,

người ta thiết kế hai

đường mạng cho hệ

thống, một đường

hoạt động chính và

một đường dự phòng

như hình 3.7

3.3.3 Thời gian phản hồi

Các yêu cầu về mặt thời gian rất quan trọng đối với hệ thống SCADA, do đó thời gian phản hồi của nó cần phải được đáp ứng đúng yêu cầu:

- Hiển thị các giá trị tương tự và số (thu được từ các RTU) trên

trung tâm điều khiển tại các trạm vận hành: Thời gian đáp ứng lớn nhất phải từ 1 đến 2 s

- Yêu cầu điều khiển từ trạm vận hành đến các RTU: 1 s cho các yêu cầu quan trọng, 3 s cho các yêu cầu ở mức độ khác

- Xuất hiện cảnh báo (Alarm) trên các trạm vận hành: 1 s

- Hiển thị các màn hình mới trên màn hình của trạm vận hành: 1 s Nhận các đồ thị và hiển thị trên trạm vận hành: 2 s

Truy cập đến các sự kiện (ở RTU) hoặc các sự kiện quan trọng

khác: 1 ms

3.3.4 Khả năng mở rộng của hệ thống

Khả năng mở rộng của hệ thống là rất quan trọng, nó liên quan đến tương lai sau này của một đối tượng có trang bị SCADA

Do vậy khi thiết kế nhà đối tượng có trang bị hệ thống SCADA cần chú ý đến các vấn đề sau:

- Phần cứng có thể được thêm vào phải tương thích với các phần

cứng đang sử dụng

- Việc cài đặt phần cứng hiện tại của hệ thống SCADA, tủ điều khiển , nhà điều hành hiển thị sẽ không bị ảnh hưởng khi bổ sung thêm

phần cứng

Điều này bao gồm các hạng mục như cung cấp điện, tổ chức hiển thị SCADA …vv

- Các hệ điều hành sẽ có thể hỗ trợ được các yêu cầu bổ sung mà

không cần sự thay đổi lớn nào;

- Các phần mềm ứng dụng nên không cần sửa đổi trong cách thêm mới RTU hoặc trạm vận hành tại trung tâm điều khiển

3.4 GIAO THỨC TRONG HỆ THỐNG SCADA

3.4.1 Giới thiệu chung

3.4.2.Giao thức mã chuẩn của Mỹ cho trao đổi thông tin ASCII 3.4.3 Giao thức ModBus

3.4.4 Giao thức Kết nối hệ thống mở OSI

3.4.5 Giao thức TCP/IP

3.4.6 Giao thức Bus trường FB

3.4.7 Giao thức Điều khiển dữ liệu mức cao HDLC

3.4.1 GiỚI THIỆU CHUNG

Giao thức giao tiếp hay còn gọi là Giao thức truyền thông, Giao thức liên mạng, Giao thức tương tác, Giao thức trao đổi thông tin

(Communication Protocol) - trong công nghệ thông tin gọi tắt là giao thức (Protocol)

Giao thức truyền thông là gì?

Trong một hệ thống mạng là phải làm sao cho các thiết bị có cấu trúc không tương thích có thể truyền thông cho nhau Như vậy cần đưa ra một thủ tục quy định chuẩn cho tất cả các thiết bị khi muốn

tham gia mạng phải tuân theo Nó được gọi là giao thức truyền thông (Protocol)

- Giao thức cấp cao

Gần với người sử dụng thường được thực hiện bằng phần mềm, ví dụ:

FTP HTTP MMS

- Giao thức truyền thông

Nhiệm vụ của giao thức

• Cắt thông tin thành những gói dữ liệu để có thể dễ

dàng đi qua bộ phận truyền tải trung gian

• Tương tác với phần cứng của Adapter

• Xác định được địa chỉ nguồn và đích: Máy tính gửi

thông tin đi phải xác định được nơi gửi đến đích phải nhận được đâu là thông tin gửi cho mình

Các yêu cầu đối các giao thức :

- Dễ dàng cho các hệ thống xử lý

- Tính bảo toàn dữ liệu

- Chuẩn hóa giao thức

- Tốc độ truy cập các thông số cao:

Sau đây sẽ giới một số giao thức thông tin phổ biến

Giao thức mã chuẩn của Mỹ cho trao đổi thông tin ASCII Giao thức ModBus

Giao thức Kết nối hệ thống mở OSI Giao thức TCP/IP

Giao thức Bus trường FB Giao thức Điều khiển dữ liệu mức cao HDLC

3.4.2 GIAO THỨC MÃ CHUẨN ASCII

Giao thức ASCII:

Ưu điểm : Đơn giản nên được sử dụng rộng rãi

Nhược điểm : Giao thức này là chậm và khó sử dụng với các hệ thống lớn với nhiều nút mạng

Nói chung giao thức ASCII chỉ sử dụng trong các hệ thống không đòi hỏi tốc độ trao đổi thông tin nhanh với một trạm chủ

(Master) và các trạm khách (Slave)

3.4.2.1 Giao thức ASCII cơ bản cho các IED

Các IED số có sẵn các cổng ghép nối truyền thông như chuẩn truyền thông RS232, RS485,…Các chuẩn này được sử dụng trong việc truyền số liệu giữa các trạm chủ (Master) và các trạm khách (Slave)

Master

Hình 3.9 Sơ đồ ghép nối Master/Slave theo chuẩn RS232

Master

Slave l Slave 2 Slave n

Hình 3.10 Sơ đồ ghép nối Master/Slave theo chuẩn RS485

3.4.2.2 Cấu trúc giao thức

- Phương thức hoạt động của giao thức ASCII cơ bản là

hỏi/đáp, chúng được áp dụng trong truyền thông giữa trạm chủ (PC, PLC) với các IDE, trạm chủ luôn phát tín hiệu một cách tuần tự

- Độ dài cực đại của mỗi mã trả lời tối đa 20 ký tự

- Dùng phương pháp kiểm soát lỗi tổng (Check Sum) để kiểm tra giá trị các số HEX trong bản tin

3.4.3 GIAO THỨC ModBus

( SV đọc tài liệu)

3.4.4 GIAO THỨC KẾT NỐI HỆ THỐNG MỞ OSI

Mô hình kết nối hệ thống mở OSI (Open System

Interconnection), còn được gọi là mô hình quy chiếu OSI được tổ chức tiêu chuẩn hóa ISO đưa ra năm 1983

Mô hình này bao gồm 7 lớp, trong đó mỗi lớp được phân công một chức năng riêng nhằm mục đích trao đổi dữ liệu của các thiết bị khác nhau trong mạng

Các chức năng của 7 lớp này có thể chia ra làm 2 nhóm như sau:

Nhóm 1, Kết nối (Interconnection):

Nhóm 2, Trao đổi ứng dụng (Interworking):

Layered Architecture 25

Hệ thống gửi- Sending system Hệ thống nhận- Receive system

truyền dòng bits qua phương tiện truyền; cung cấp các đặc tả kỹ thuật về

khung; vận chuyển dữ liệu

giữa các nodes trong cùng

một mạng

3.4.4 GIAO THỨC TCP/IP

1) Giới thiệu chung

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet) bao gồm 5 lớp được sắp xếp như trên hình bên

IP là gì

Trong mạng, thiết bị nào cũng phải có địa chỉ riêng cho mỗi kết nối Nhờ địa chỉ này, các gói tin trao đổi giữa hệ thống máy tính (máy chủ, máy khách) mới được nhận biết để chuyển đi, cũng như anh bưu tá phải biết số nhà để gửi thư

IP là chữ viết tắt của Internet Protocol (giao thức Internet) Mỗi gói tin IP sẽ bao gồm một địa chỉ IP nguồn và một địa chỉ IP

đích Tất nhiên, hệ thống “số nhà” trên Internet phức tạp và thú

vị hơn nhiều so với nhà cửa trong thực tế

Kiến trúc bộ giao thức TCP/IP

Lớp application

Đầu tiên, dữ liệu được xử lý bởi tầng application

Tầng này có nhiệm vụ tổ chức dữ liệu theo khuôn dạng và trật tự

nhất định để tầng application ở máy B có thể hiểu được

-Tầng application gửi dữ liệu xuống tầng dưới theo dòng byte nối

byte

-Cùng với dữ liệu, tầng application cũng gửi xuống các thông tin

điều khiển khác giúp xác định địa chỉ đến, đi của dữ liệu

-FPT (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file,

-TELNET cho làm việc với trạm chủ từ xa,

-SMTP (Somple Mail Transfer Protocol) cho chuyển thư điện tử, -SNMP (Simple Network Management Protocol) cho quản trị

mạng và -DNS (Domain Namre Service) phục vụ tra cứu danh sách tên và địa chỉ trên Internet

Lớp application

Lớp transport còn gọi là tầng TCP (Transmission Control Protocol)

Khi xuống tới tầng TCP, dòng dữ liệu sẽ được đóng thành các gói

có kích thước không nhất thiết bằng nhau nhưng phải nhỏ hơn 64

3 Lớp Mạng (Network Layer)

-Gói dữ liệu xuống tới tầng IP sẽ tiếp tục bị đóng gói lại thành các gói dữ liệu IP nhỏ hơn sao cho có kích thước phù hợp với mạng chuyển mạch gói mà nó dùng để truyền dữ liệu

-Trong khi đóng gói, IP cũng chèn thêm phần header của nó vào gói dữ liệu rồi chuyển xuống cho tầng Datalink/Physical

Khi các gói dữ liệu IP tới tầng Datalink sẽ được gắn thêm một header khác và chuyển tới tầng physical đi vào mạng Gói dữ liệu lúc này gọi là frame Kích thước của một frame hoàn toàn phụ

thuộc vào mạng mà máy A kết nối

4 Lớp Truy nhập mạng

- Khi các gói dữ liệu IP tới tầng Datalink sẽ được gắn thêm một header khác và chuyển tới tầng physical đi vào mạng Gói dữ liệu lúc này gọi là frame Kích thước của một frame hoàn toàn phụ

thuộc vào mạng mà máy A kết nối

-Lớp Truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu hai trạm thiết bị trong cùng một mạng, bao gồm các chức năng kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lưu thông dữ liệu

giống như lớp liên kết dữ liệu trong OSI

5 Lớp Vật lý (Physical Layer):

Lớp Vật lý giống như lớp Vật lý của ISO, đề cập đến giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (ví dụ PC, PLC, RTU,…) với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học của phíc cắm, rắc cắm

2) Cấu trúc của giao thức TCP/IP

TCP/IP cung cấp 3 lớp như sau:

- Application Service;

- Quarateed Reliable Transport Service;

- Connectionless Packet Delivery Service

IP có ba chức năng quan trọng:

Thông số định dạng giao thức;

Các gói thông tin truyền qua một đường Internet xác định; Thông tin về các gói giữ liệu, các lỗi trong quá trình truyền

3.4.5 Giao thức Bus trường FB

1) Khái niệm về Bus trường FB (Field Bus)

Field Bus là hệ thống nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị trong cấp điều khiển (các bộ Controller, các máy tính điều khiển,….) với nhau và tới các thiết bị ở cấp hiện trường (hay còn goi là thiết bị trường)

Do nhiệm vụ của Field Bus là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển từ cấp điều

khiển xuống cấp chấp hành, do đó mà tính năng thời gian thực được yêu tiên hàng đầu Thời gian đáp ứng có thể lên đến ms

Mặt khác yêu cầu về lượng thông tin trong thông báo không lớn

(khoảng vài Byte) nên tốc độ truyền nhất thiết phải quá lớn (cỡ

Mbit/s) Việc trao đổi thông tin về quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn bên cạnh các thông tin cảnh báo

2) Đặc điểm của Field Bus

Field Bus không những là giao thức thông tin mà nó còn có các

- Là hệ thống mở, đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ

phòng điều khiển trung tâm

3) Ưu điểm của Field Bus

- Hệ thống hoạt động với độ tin cậy cao;

- Độ mềm dẻo gần như không có giới han;

- Giá thành thấp;

- Lượng thông tin truyền tải lớn;

- Lập trình cho hệ thống Field Bus có thể được thực hiện theo các khối chức năng bằng phần mềm Nó cho phép thay đổi lại cấu trúc của hệ thống mà không phải thay đổi phần cứng

Tổ chức Field Bus coi mô hình OSI là cơ sở bắt đầu cho các

thiết kế của mình

4) Các lớp của Field Bus

Mô hình mạng ba lớp được áp dụng trong các hệ thống Field Bus;

Đó là : lớp Ứng dụng, lớp Liên kết và lớp Vật lý :

1 Lớp Ứng dụng (Application Layer)

Lớp Ứng dụng được định nghĩa như là một nội dung của các thông điệp với các dịch vụ yêu cầu được hỗ trợ

2 Lớp Liên kết dữ liệu (Data Link Layer)

Lớp liên kết dữ liệu là giao thức và phần tìm kiếm lỗi của các giao thức ở đó thông điệp gửi trên đường dây đã được mã hóa

3 Lớp Vật lý (Physical Layer)

Việc nhận dữ liệu từ lớp này được mã hóa khi đến lớp Vật lý

của môi trường khác Tín hiệu nhận được từ lớp Liển kết dữ liệu đã được mã hóa dưới dạng dữ liệu nhị phân và đưa xuống lớp Vật lý

3.4.6 Giao thức Điều khiển dữ liệu mức cao HDLC

Giao thức HDLC (High Level Data Control) được định nghĩa theo tiêu chuẩn của tổ chức quốc tế để sử dụng cho cả hai trường hợp kết nối kiểu Nhiều điểm – Nhiều điểm ( multipoint) và Điểm – Điểm

(point to point)

Có hai kiểu hoạt động của HDLC là:

Kiểu đáp ứng bình thường NRM (Normal Response Mode): Được sử dụng với chỉ trạm chủ để khởi tạo toàn bộ hoạt động;

Kiểu cân bằng không đồng bộ ABM (Asynchronous Balance Mode): Trong chế độ này mỗi trạm đề có quyền như nhau và có thể hoạt động như là trạm chính hoặc trạm phụ

§3.5 PHÁT HIỆN LỖI

3.5.1 Nguyên nhân gây lỗi

Trong thực tế một tín hiệu được truyền đi qua bất kỳ hình thức phương

tiện truyền dẫn nào cũng bị ảnh hưởng của bốn yếu tố sau:

1) Sự suy giảm: Đây là hiện tượng cường độ tín hiệu bị mất do cáp dẫn

của hệ thống dài vượt quá cự ly cực đại cho phép, theo các đặc trưng kỹ thuât của mạng Sự suy giảm sẽ làm cho việc truyền dữ liệu bị thất bại Bạn có thể dùng thiết bị gọi là bộ lặp lại để tăng cự ly truyền thông cực

đại của mạng

2) Hạn chế băng thông (Limitted Bandwith ): Do giới hạn của băng

thông nên nhiều khi tín hiệu truyền gặp lỗi

3) Méo tín hiệu (Delay distortion): Khi truyền tín hiệu tần số các thành

phần khác nhau của tín hiệu đến máy thu với sự chậm trễ khác nhau giữa chúng Do đó tín hiệu nhận được là méo với những ảnh hưởng của biến

dạng chậm trễ

4) Nhiễu (Noise): Có rất nhiều tác động ngoại cảnh tạo nhiễu trong

truyền tín hiệu