Cung cấp các khái niệm cơ bản về Hệ thống SCADA
Trang 1KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG SCADA
Nội dung
I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG SCADA: 2
II CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI TỪ XA (RTU): 2
A RTUS DÙNG CHO CÁC TRẠM TRUNG CHUYỂN: 3
B RTUs DÙNG ĐỂ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI PHÂN PHỐI: 3
C CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH (PLCs): 3
D CÁC PHẦN TỬ CẢM BIẾN (TRANSDUCERs): 4
E CÁC BỘ DỒN XUNG (PULSE ACCUMULATORs): 4
III PHẦN MỀM CÀI ĐẶT CHO RTU (RTU SOFTWARE): 5
IV CÁC GIAO THỨC CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA PROTOCOLS): 5
V CÁC TRẠM CHỦ CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA MASTER STATION): 7 VI SCADA COMMUNICATIONS: 8
Trang 2I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG SCADA:
Một hệ thống SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA
mềm ứng dụng thích hợp Chúng hình thành các Trạm Chính (MASTER
STATIONS) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đường dây hữu
tuyến, vô tuyến, đường dây truyền tải, cáp quang, mạng internet,…) kết nối
với các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units) Các RTUs được
đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển tư xa, tự điều
khiển linh hoạt hệ thống điện và thông báo định kì kết quả về máy tính chủ
Hệ thống SCADA dùng trong lưới điện cung cấp có nhiệm vụ phát hiện,
nhận dạng và cô lập lỗi sự cố, giúp lưới mau chóng khôi phục trạng thái làm
việc, tham gia điều khiển đóng cắt các CB (circuit breaker),điều khiển máy
phát hòa mạng vảo lưới điện, Hệ thống SCADA còn có nhiệm vụ điều chỉnh
điện áp, quản lý lưới tải, điều phối tụ bù để cải thiện hệ số công suất, tự động
đo đọc thông số lưới (AMR – Automated Meter Reading), xử lý lưu trữ dữ
liệu, điều khiển tự động máy phát (AGC – automatic generation control),
điều phối tải, theo dõi và điều chỉnh điện áp, theo dõi nhiệt độ của các MBA
phân phối,…
II CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI TỪ XA (RTU):
Các RTU (REMOTE TERMINAL UNITS)thực chất là các bộ điều khiển (PLC
hay Bộ Vi Điều Khiển), bên trong nó thường chứa sẳn các bộ chuyển đổi
ADC (Analog Digital Converters) và DAC (Digital Analog Converters).
Các Bộ RTUs được thiết kế rất chặc chẽ bao gồm: các ngõ vào ra I/O được
bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống các xung quá độ điện áp, thể hiện
qua thông số SWC (surge withstand capability) được kiểm định theo chuẩn
IEEE Std 472 & chuẩn ANSI Std.C37.90a.
Các Bộ RTUs được thiết kế để làm việc trong môi trường có nhiệt độ khắc
nghiệt (-40oC -> +85oC), được 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 được chia sẽ bởi nhiều máy chủ (Master Station).
Phân loại RTUs, ta có thể phân ra:
Trang 3A RTUS DÙNG CHO CÁC TRẠM TRUNG CHUYỂN:
Ơ đây sẽ xử dụng các RTUs có dung lượng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến
vài ngàn điểm) Chúng được đóng gói trong võ bọc dạng tủ đứng (theo
chuẩn NEMA), gồm nhiều ngăn gắn CARD cho phép kết nối với nhiều
CARDs Vi Xử Lý, CARDs ADC & DAC & các CARDs I/O Như vậy, 1
RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với nhiều RTUs 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 RTUs DÙNG ĐỂ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI PHÂN PHỐI:
Ở đây sẽ xử dụng các RTUs có dung lượng ngõ nhập/xuất NHỎ HƠN
Chúng được đóng gói trong võ bọc chống thấm ẩm (theo chuẩn NEMA 4),
được dùng chủ yếu để điều khiển đóng cắt các ACBs và điều khiển tụ bù
công suất phản kháng, Các RTUs loại này (gọi là DA RTUs –
DISTRIBUTION AUTOMATION RTUs) thường là các mạch điều khiển
đơn board, có màn hình MONITOR, trên đó tích hợp sẳn các ngõ
inputs/outputs Các CARDs I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt,
thay cho loại CARD cắm trực tiếp Hướng phát triễn mạnh nhất là các DA
RTUs tích hợp công nghệ DSP (digital signal processing-xử lý tín hiệu số )
có khả năng phát hiện lỗi và xử lý tính toán các đại lượng điện cực nhanh
C CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH (PLCs):
Từ nhiều năm, PLCs đã được xử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều dây
chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp Gần đây, PLC lại bắt đầu được
dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ thống
phân phối năng lượng Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất lớn
(hàng ngàn đơn vị) Tín hiệu điều khiển các ngõ OUTPUTs, hoặc được điều
khiển bằng chương trình phần mềm nạp sẳn, hoặc thông qua tín hiệu điều
khiển phát từ máy chủ của hệ thống SCADA Nhờ khai thác các bộ nhớ loại
EEPROM và gần đây là FLASHROM, người vận hành có thể dễ dàng chỉnh
sửa chương trình đang nạp cho PLSs mà không phải động chạm đến phần
cứng Một ưu điểm nữa là hầu hết các PLCs đều có cấu trúc I/O và các chức
năng chuyên dùng ở dạng modun, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở
gần, hoặc kết nối bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay dây đôi
xoắn theo chuẩn EIA-485 Ngôn ngữ lập trình thông dụng cho các PLCs là
Trang 4ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER LOGIC – RLL), RẤT đơn giản
và hiệu quả, cho phép người vận hành chỉnh sửa chương trình LADDER với
các RTUs là PLCs dùng bộ nhớ dạng EEPROM Một ưu thế nữa của các
RTUs dạng PLCs hiện đại là khả năng lập trình hóa cả các ứng dụng có điều
khiển PID vòng kín, tích hợp các chương trình điều khiển mờ (FUZZY
CONTROLLER) phối hợp với mạng nơrôn.
D CÁC PHẦN TỬ CẢM BIẾN (TRANSDUCERs):
Trong công nghệ sản xuất- truyền tải & phân phối điện năng, thuật ngữ cảm
biến (TRANSDUCER) muốn nói đến các môđun điện tử dùng chuyển đổi tín
hiệu điện từ dạng này sang dạng khác Các hàm chuyển đổi rất rộng bao gồm
WATT, VAR, VA, WATT/VA, WATT/WATTHOUR, VAR/VARHOUR,
VOLT-AMP, VOLT-AMPHOUR, PHASE ANGLE (PF – power factor),
Các cảm biến phải được chỉnh định tầm (scale), có bộ đệm (buffer) & khả
năng cách điện (isolating) để bảo đảm an toàn cho RTU Thường tín hiệu AC
cần chuyển sang tín hiệu DC để cấp cho ngõ vào analog của RTU Tùy thiết
kế các transducer có thể cần hoặc không cần nguồn nuôi ngoài cung cấp, với
lưu ý tín hiệu đầu ra phải tương hợp với biến áp PT (potential transformer)
& biến dòng (CT) đo lường Khi cảm biến dòng & áp được tích hợp sẳn
trong RTU, ta nói RTU nhận đầu vào trực tiếp (nghĩa là dòng áp AC có thể
đưa trực tiếp vào RTU).
E CÁC BỘ DỒN XUNG (PULSE ACCUMULATORs):
Chuyển động quay của động cơ, roto máy phát hay dĩa quay đếm công suất
tiêu thụ của điện kế có thông số tốc độ (rad/giây) được đo hoặc bằng cảm
biến (dạng tacho) chuyển thành điện áp đưa vào ngõ input analog của RTU
để xử lý ; hoặc qua tiếp điểm đóng mở (dạng tiếp xúc hay dạng quang) tạo
chuổi xung truyền trực tiếp vào ngõ input digital của RTU để được bộ đếm
của phần mềm cài trong RTU xử lý Máy chủ có thể điều khiển từ xa để kích
hoạt cho ngưng hay chạy các bộ đếm này
Trang 5III PHẦN MỀM CÀI ĐẶT CHO RTU (RTU SOFTWARE):
Phần mềm chạy trên RTU được nhà sản xuất cung cấp, thường có dạng ngôn
ngữ cấp cao như C & C++, chứa sẳn trình biên dịch các lệnh (polling
requests) gởi từ máy chủ Với RTU có khả năng xử lý đủ mạnh, nó kiêm
luôn khả năng điều khiển tại chổ (chẳng hạn chức năng điều khiển đóng cắt
tụ để bù công suất phản kháng hoặc chức năng ngắt mạch khi sự cố) Một vài
kiểu RTU đời mới cho phép người dùng lập trình để hiệu chỉnh các chức
năng điều khiển tại chổ Ngoài ra, để giúp RTU đạt độ bền bỉ (robust) cần
thiết, phần mềm luôn có bộ Timer cảnh giới (WATCH-DOG) ĐỂ sẳn sàng
reset RTU để khắc phục tình trạng chương trình thực thi bị đứng do lỗi lập
trình hoặc do sự cố
Ta có thể liệt kê 1 số tính năng mà chương trình của RTU vận hành trong hệ
thống SCADA hệ thống điện phải có bao gồm:
Khả năng chọn lọc thông tin (POLLING REPORT BY EXCEPTION):
Máy chủ chỉ sàng lọc các thông tin khác biệt so với nội dung các báo cáo đều
đặn trước đó
Khả năng ngắt để báo cáo đột xuất (SPONTANEOUS REPORT BY
EXCEPTION):
Cho phép RTU ngắt đột xuất chương 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 lưu trữ dữ liệu (LOGGING):
RTU phải được cấp đủ bộ nhớ để có thể lưu giữ dữ liệu được lấy mẫu theo
thời gian Khi cần có thể xuất ra dưới dạng đồ thị theo thới gian hoặc bằng
thông báo (HISTORY CHART & HISTORY REPORT).
IV CÁC GIAO THỨC CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA
PROTOCOLS):
Các giao thức (PROTOCOLs) hết sức 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 được trao đổi, Do đó giao thức (PROTOCOLs) có bản chất là 1 khái
Trang 6diện (INTERFACE) Trước đây, mỗi hảng sản xuất tự thiết kế giao thức gắn
kết với RTUs mà không hề nghĩ đến việc chuẩn hóa Hậu quả là RTU của
hảng này không thể kết nối được với máy chủ của hảng khác do chúng được
cài đặt các giao thức khac hẳn nhau Hiện nay các nhà thiết kế các hệ thống
SCADA cố gắng xây dựng các tiện ích kết nối (như các bộ emulators, ) 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 tìm cách mở rộng ứng dụng cho protocols
của họ
Theo trình tự thời gian, với mức phức tạp tăng dần, ta có thể phân loại các
nhóm giao thức chính như sau:
BIT PROTOCOLS:
Cho đến đầu thập niên 80, hầu hết các giao thức thuộc loại định hướng BIT
Mạch phần cứng thường do khách hàng tự ráp, chạy chậm và chi phí đắt Có
thể kể các Bit Protocols đã được đăng kí như 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
BYTE PROTOCOLS:
Mỗi Byte dùng trong giao thức thường cần 10 bit (1 start, 8 data và 1 stop)
thường được dùng để biểu diễn 1 kí tự của bảng Mã ASCII (American
Standard Code for Information Interchange) Bảng mã ASCII gồm 136 kí
tự dữ liệu và kí tự điều khiển, chứa đầy đủ các kí tự của bàn phím chuẩn
dùng với máy tính PC (gồm cả các kí tự điều khiển không in ra như Esc,
Ctrl, Del, Shift, Backspace & Alt) Các Byte Protocols tương thích tốt với
các RTUs sử dụng các Bộ VĐK 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 như đường truyền nối tiếp tiêu chuẩn (STANDARD
SERIAL INTERFACE) của máy tính đều dựa trên bảng mã ASCII và tương
thích với chúng Tiêu biểu cho các giao thức nhóm này là PG&E, Harris
5000, Ferranti 5000 & Duke Power SDLC.
HỆ THỐNG MỞ UCA (UCA OPEN SYSTEMS):
Từ 1991, Viện nghiên cứu năng lượng điện EPRI (Electric Power Electric
Institute) triễnkhai dự án EPRI Project RP2949 nhằm Tích hợp các hệ thống
liên lạc Hai giai đoạn đầu của dự án là UCA (Utility Communication
Trang 7Architecture) & DAIS (Data Access Integration Services) đã được hoàn
thành, cụ thể hóa bằng các đặc tả UCA 1.0 & DAIS 1.0 Nội dung 2 đặc tả
có xét đến sự phát triễn nhanh chóng của công nghệ thông tin cùng công
nghệ máy tính, 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 được 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
hóa các protocols nói riêng và các qui định khác nói chung của các Tổ Chức
Chính danh như IEEE, như ISO, như IEC trước sự phát triễn vũ bảo của
công nghiệp và khoa học kỹ thuật
V CÁC TRẠM CHỦ CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA MASTER
STATION):
Trạm chủ trong hệ thống SCADA cung cấp điện có nhiệm vụ giám sát và
điều khiển các RTUs và các khí cụ điện bảo vệ đóng cắt đi kèm Khả năng
tương tác đồ họa ngày càng cao của các PCs dùng trong trạm cho phép người
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 hay WINDOWS), các
chương trình này được viết bởi nhà cung cấp & có thể được người sử dụng
hiệu chỉnh bổ sung
Cơ chế trao đổi dữ liệu động (DDE – Dynamic Data Exchange) của hệ điều
hành cho phép máy tính liên kết CƠ SỞ DỮ LIỆU (DATABASE) rất
thoáng theo kiểu AM/FM (Automated Mapping/Facilities Management)
với Hệ thống SCADA Trạm chủ (MASTER STATION) không chỉ giám
sát điều khiển các RTUs mà còn có thể truy cập dữ liệu của khách hàng
Khai thác cơ sở dữ liệu cho phép ta viết các chương trình thông minh cho
phép lọc các sự cố cảnh báo và thực hiện 1 số hiệu chỉnh mà không cần
người điều hành can thiệp
Trang 8Dựa theo loại thiết bị dùng trong trạm chủ, ta có thể phân ra:
Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC Based Systems):
Xu hướng 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 xẽ tài nguyên & cùng khai thác khả năng tương tác đồ họa Các hệ điều
hành hiện nay đều cho phép máy tính vận hành đa nhiệm
(MULTI-TASKING), nghĩa là chạy nhiều chương trình song song và quản lý cùng lúc
nhiều cửa sổ Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET
Hệ thống Trạm làm việc (Workstation Systems):
Các workstations của các hảng lớn như SUN, DEC, HP, IBM, thường vận
hành trên nền 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 được
rút gọn RISC (Reduced Instruction Set) Các trạm làm việc cũng có thểnối
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
Hệ thống dùng máy tính mini (Minicomputer Systems):
Được dùng khi cần đạt tốc độ tính toán cực cao, chẳng hạn lưới SCADA
dùng trong các hệ thống AGC (Automatic Generation Control) & EMS.
Do năng lực của 2 hệ thống loại trên ngày 1 nâng cao, nên hệ thống thứ 3
này ngày 1 ít được dùng
VI SCADA COMMUNICATIONS:
Để kết nối vật lý giữa máy chủ với các đầu cuối RTUs, thường cần 1 mạng
LAN (Local Area Network) hay WAN (Wide Area Network) Ở khoảng
cách xa (hàng trăm Km trở lên), đường truyền tải điện được dùng hổ trợ để
truyền dữ liệu kèm theo đường điện thoại cùng các trạm thu phát vô tuyến
Từ những năm 80s lại đây mới bổ sung thêm đường cáp quang truyền tải
thông tin đường dài Hiện tại, ta có thể khai thác các phương tiện truyền tải
sau để thực hiện kết nối liên lạc cho các hệ thống SCADA nói chung: