Nghiên cứu ứng dụng SCADA quản lý hệ thống cấp điện công trình lăng chủ tịch hồ chí minh

Mặt khác việc ứng dụng SCADA để quản lý những hệ thống điều khiển cũ hay tích hợp các dây truyền sản xuất cũ trong khi chưa có điều kiện để thay thế mới hoàn toàn cũng là việc hết sức qu

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Hà Nội – Năm 2010

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Người hướng dẫn khoa học

1 GS TS Nguyễn Trọng Thuần

Hà Nội – Năm 2010

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu có nội dung trung thực, kết quả nghiên cứu là khách quan do tôi thực hiện Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về các kết quả nghiên cứu đ−ợc công bố trong luận văn này./

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn Giáo sư, Tiến sỹ Nguyễn Trọng Thuần, các thầy cô giáo bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, khoa điện, viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ

em hoàn thành luận văn này./

Mục lục

Trang phụ bìa

Danh mục các hình vẽ

Mở đầu

Chương II - Giới thiệu tổng thể hệ thống cấp điện công

trình Lăng Bác và các yêu cầu đặc thù

2.3 Tình trạng quản lý và các yêu cầu để xây dựng hệ SCADA

quản lý hệ thống cấp điện công trình Lăng Bác 20

Chương III – Khái quát PLC và wincc của siemens trong SCADA

3.2.1 Phần mềm WinCC 7.0 30

3.2.3 Cấu trúc WinCC và PLC S7-300 trong mạng SCADA 49

Chương IV - Ưng dụng SCADA quản lý Hệ thống cấp điện

công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh

4.1 Sơ đồ cấu trúc và các bước thiết kế hệ SCADA 51

4.1.1 Sơ đồ cấu trúc SCADA quản lý hệ thống cấp điện

4.4 Lựa chọn thiết bị xây dựng cấu hình phần cứng SCADA 59

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.3.1: Sơ đồ khối cơ bản hệ SCADA 3

Hình 1.3.2: Cấu trúc của một hệ SCADA hiện đại 3

Hình 2.2.1: Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện trạm biến áp T5 13 Hình 2.2.2: Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện trạm biến áp K03 16 Hình 2.2.3 Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện trạm biến áp Giếng Lăng 18 Hình 2.2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp điện hiện trạng 19

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống SCADA 22 Hỡnh 3.1.1 Chương trình thực hiện trong PLC 26 Hình 3.2.1: Maùng giao tieỏp giửừa maựy tớnh vaứ PLC 33 Hình 3.2.2: Phạm vi chức năng của các thành phần giao diện mạng 42 Hình 3.2.3 Sử dụng CPU tích hợp giao diện Profibus – DP 43 Hình: 3.2.4: Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ 49 Hình 4.1.1: Sơ đồ cấu trúc SCADA quản lý hệ thống 51

Hình 4.2.2: Sơ đồ nguyên lý cấp điện trạm K03 sau cải tạo 54

Hình 4.2.3 : Sơ đồ nguyên lý cấp điện trạm Giếng Lăng sau cải tạo 56 Hình 4.2.4: Sơ đồ nguyên lý cấp điện hệ thống sau cải tạo 57

Hình 4.4.1: Sơ đồ cấu hình mạch vòng Ring có Token 62

Hình 4.6.1: Giải thuật điều khiển Q1, trạm T5 70

Phần mở đầu

SCADA là tên viết tắt của từ tiếng Anh (Supervisory Control And Data Acquisition) được hiểu theo nghĩa là một hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu thông qua các thiết bị kỹ thuật và phầm mềm ứng dụng Ngày nay SCADA được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp khác nhau như: năng lượng, thuỷ lợi, khai thác tài nguyên, khoáng sản, dự báo thời tiết, khí hậu Đề tài nghiên cứu và ứng dụng SCADA là một đề tài không mới, tuy nhiên trong quá trình học tập bản thân tôi nhận thấy nghiên cứu và ứng dụng SCADA sẽ giúp bản thân tôi rất nhiều trong quá trình công tác sau này

SCADA được ra đời vào những năm 1980 trên cơ sở ứng dụng những kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp Cùng với sự phát triển của công nghiệp SCADA ngày càng được thiết kế hiện đại, linh hoạt và có tính năng mở rộng hơn, SCADA đã thực sự trở thành một phần không thể thiếu được đối với bất kỳ một ngành công nghiệp tiên tiến nào Ơ Việt Nam SCADA cũng đang dần được ứng dụng rộng rãi như quản lý điện năng, thuỷ lợi, toà nhà thông minh Mặt khác việc ứng dụng SCADA để quản lý những hệ thống điều khiển cũ hay tích hợp các dây truyền sản xuất

cũ trong khi chưa có điều kiện để thay thế mới hoàn toàn cũng là việc hết sức quan trọng trong giai đoạn phát triển hiện nay của đất nước

Mục đích nghiên cứu của đề tài là: ứng dụng những thiết bị công nghệ mới vào cải tạo, nâng cấp hệ thống đã có sẵn, xây dựng mạng SCADA quản lý hệ thống nhằm nâng cao chất lượng công tác quản lý, giúp hệ thống làm việc linh hoạt, ổn định, an toàn và tin cậy hơn, giảm thiểu những chi phí vận hành, duy tu, bảo dưỡng, nâng cao

hệ số dự phòng cho công trình, bảo đảm tính ổn định cho công trình

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu hệ thống cấp điện và các yêu cầu đặc thù của công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh làm cơ sở để đánh giá và xây dựng mạng SCADA quản lý hệ thống cấp điện cho công trình

Nội dung nghiên cứu của đề tài chủ yếu là ứng dụng những thành tựu khoa học vào thực tiễn Cụ thể là:

Nghiên cứu tổng quan về hệ SCADA: tìm hiểu cấu trúc phần cứng, phần mềm, chức năng và nhiệm vụ của mạng SCADA làm cơ sở để nghiên cứu các nội dung tiếp theo

Nghiên cứu khảo sát tổng quan hệ thống hiện trạng: tìm hiểu sơ đồ cấp điện và nguyên lý làm việc của hệ thống, các yêu cầu đặc thù của công trình; cơ cấu tổ chức hành chính để vận hành hệ thống Đánh giá thực trạng các thiết bị kỹ thuật,

đưa ra các báo cáo, các điểm còn hạn chế trong công tác quản lý và vận hành hệ thống hiện trạng, đồng thời cũng xác định rõ các yêu cầu đặc thù cần phải bảo đảm khi nâng cấp, thay thế mới và quản lý hệ thống bằng SCADA

Từ kết quả nghiên cứu tổng quan hệ SCADA và những yêu cầu thực trạng của công trình thấy rằng: việc nghiên cứu, ứng dụng SCADA để quản lý hệ thống cấp điện công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh là hết sức cần thiết Đề tài đã nghiên cứu, thiết kế, xây dựng một trung tâm điều khiển và ba trạm cơ sở ứng với

ba trạm biến áp; mỗi trạm biến áp được ứng dụng một PLC để quản lý và vận hành trạm, đồng thời các trạm PLC cơ sở được kết nối với trạm PLC trung tâm qua mạng lưới truyền thông công nghiệp Profibus –DP Trạm PLC trung tâm sẽ luôn kiểm soát mọi hoạt động của các trạm cơ sở và cung cấp tình trạng hoạt động, thông số về lưới điện và các cảnh báo (nếu có) tới nhân viên vận hành thông qua máy tính công nghiệp được hỗ trợ phần mềm giao diện WinnCC 7.0 Toàn bộ chương trình thiết kế đã được mô phỏng trên máy tính và mô hình thực nghiệm, kết quả mô phỏng đều đạt các chỉ tiêu, mục đích mà đề tài đã đặt ra, bảo đảm đúng, đủ các yêu cầu đặc thù của công trình Ngoài ra hệ thống còn có chức năng phân quyền quản lý và phân tán rủi ro đó là: hệ thống vẫn bảo đảm làm việc liên tục ngay cả khi có sự cố xảy ra với một trạm cơ sở nào đó hoặc trung tâm điều khiển

bị sự cố thì các trạm cơ sở vẫn có thể hoạt động bình thường nhờ chương trình

được cài đặt trước trong PLC trạm cơ sở Khi sự cố được khắc phục và xác nhận thì

hệ thống lại trở về trạng thái hoạt động bình thường

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan tài liệu về SCADA, khảo sát thực trạng thiết bị công nghệ của công trình, tiến tới xây dựng mạng SCADA để quản

lý hệ thống cấp điện cho công trình

Chương I Tổng quan hệ scada

1.1 Khái niệm về một hệ thống điều khiển giám sát

Sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại đã cho ra đời hàng loạt các sản phẩm hàng hoá ngày càng nâng cao về chất lượng, mẫu mã đa dạng, giá thành giảm

và phù hợp với người tiêu dùng Vì vậy, để có được những sản phẩm tốt nhất thì việc tìm kiếm một phương thức sản xuất mới để tạo nên các dây truyền công nghệ tự động hiện đại, cho phép nhanh chóng thay đổi chất lượng và mẫu mã của hàng hoá là hết sức cần thiết Những dây truyền công nghệ ở thời kỳ đầu của nền công nghiệp thường cồng kềnh, phức tạp và đòi hỏi vốn đầu tư xây dựng lớn; mặt khác các thiết bị điều khiển đều mang tính rời rạc, không được tích hợp, tập trung Do sự phát triển của thị trường nên các dây truyền công nghệ này không đáp ứng được các yêu cầu thay đổi về chất lượng và mẫu mã sản phẩm vì vậy chúng đã dần trở nên lạc hậu, thay vào đó các dây truyền công nghệ mới được ra đời Các dây truyền công nghệ mới được ứng dụng những thành tựu khoa học hiện đại đã đưa người máy tham gia trực tiếp vào quá trình sản xuất vì vậy chúng rất linh hoạt Các dây truyền công nghệ mới có thể kết nối với nhau tạo thành một hệ thống, người điều khiển không cần trực tiếp tham gia vào hệ thống sản xuất mà giám sát từ xa qua các thiết bị tự động hiện đại Vì vậy, giảm thiểu

được rủi do và tai nạn nghề nghiệp đáng tiếc có thể xảy ra nhất là với những nghành sản xuất nguy hiểm, độc hại Để hỗ trợ cho con người thực hiện việc giám sát sản xuất

có rất nhiều các hệ thống điều khiển được ra đời như hệ điều khiển phân tán DCS hay PCS7, SCADA, Với việc điều khiển thông qua máy tính hiện đại nên việc theo dõi, giám sát đưa ra các quy trình làm việc mới thay thế các quy trình làm việc cũ được thực hiện dễ dàng, bên cạnh đó hệ thống còn có chức năng dự phòng và dự phòng nóng giúp cho quá trình sản xuất giảm thiểu được rủi ro

1.2 Khái niệm hệ SCADA

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA là một phương thức sản xuất tiến tiến để điều khiển hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, được áp dụng vào nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau đem lại nhiều hiệu quả to lớn cho con

người Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng và quy mô sản xuất mà có thể xây dựng một

hệ SCADA hay nhiều hệ SCADA kết nối với nhau

Hệ SCADA được ra đời vào những năm 1980 trên cơ sở ứng dụng những kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp

Định nghĩa SCADA

SCADA là tên viết tắt của từ tiếng Anh (Supervisory Control And Data Acquisition) được hiểu theo nghĩa là một hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu thông qua các thiết bị kỹ thuật và phầm mềm ứng dụng Nói một cách tổng quát SCADA là một hệ thống hỗ trợ cho con người trong việc quan sát điều khiển từ xa các quá trình sản xuất Ơ phạm vi rộng lớn hơn thì SCADA còn hỗ trợ con người thông qua việc dự báo các khả năng có thể xảy ra như hạn hán, úng lụt và thời tiết…

Để làm được các chức năng như vậy thì hệ SCADA cần phải có một hệ thống truy nhập và truyền tải dữ liệu Vì con người sử dụng thiết bị kỹ thuật để quan sát và

điều khiển nên đương nhiên cũng phải cần có giao diện giữa người và máy (Human Machine Interface - HMI)

Như đã phân tích ở trên, thì mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống Chính vì thế SCADA cho một

hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân chia ra từng cấp cụ thể, tùy thuộc vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau; song nói chung mỗi cấp SCADA phải thực hiện được những nhiệm vụ sau:

- Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc cảm biến;

- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được;

- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý;

- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị chấp hành

Để thực hiện được các chức năng trên tất nhiên một hệ SCADA phải có các thiết bị chuyên dụng Vậy ta phân tích xem các thiết bị đó là gì? Và chúng được đặt ở

đâu? Và thực hiện nhiệm vụ gì?

1.3 Cấu trúc hệ SCADA

1.3.1 Cấu trúc cơ bản hệ SCADA

Kết cấu của một hệ SCADA gồm ba phần:

Hai là: Các RTU ở các trạm cở sở (cấp cơ sở);

Ba là: Các thiết bị truyền tin để kết nối hai phần trên với nhau

trạm trung tâm

(PC + Nhân viên giám sát) truyền thông rtu đối tượng điều khiển

Hình 1.3.1: Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ SCADA

1.3.2 Cấu trúc của hệ SCADA hiện đại

Hệ thống SCADA hiện đại cũng tương tự như một hệ SCADA cơ bản song ở các cấp có nhiều tính năng hỗ trợ hơn, hay có thể nối nhiều hệ SCADA độc lập với nhau thành một mạng SCADA Cụ thể như sau:

pc date store pc control and

supecisory

pc cummunication

sacada phân xưởng

Hình 1.3.2: Cấu trúc của một hệ SCADA hiện đại

- Cấp cơ sở: Bao gồm các RTU (Remost Terminal Unit) được đặt ở hiện trường để thu nhận các dữ liệu từ các cảm biến hiện trường như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, các giá trị dòng điện, điện áp, công suất, … theo thời gian thực và báo cáo về trung tâm, cấp cơ sở sẽ thi hành mệnh lệnh của trung tâm chỉ thị Thông thường các RTU lưu giữ

thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi khi nào có yêu cầu từ trung tâm

điều khiển mới gửi tin đến trung tâm điều khiển Ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC, các nhà tích hợp hệ thống thích dùng các PLC thay vì dùng các RTU cho việc thiết kế nhiều hệ thống SCADA

Các RTU và các PLC được nối với các I/O tại hiện trường Vì vậy nó có thể thực hiện điều khiển trực tiếp các thiết bị chấp hành và báo cáo kết quả về trung tâm mà không cần phải chờ đến khi có lệnh điều khiển từ trung tâm, điều này làm cho hệ SCADA hoạt động linh hoạt hơn và đặc biệt là phân tán được rủi ro

- Cấp điều khiển trung tâm (Master Station): có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ xử lý số liệu và đưa ra các mệnh lệnh điều khiển xuống các trạm cơ sở (cấp trường)

Tại cấp điều khiển trung tâm có giao diện người – máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, các phím thao tác, ) thông qua màn hình giám sát hay màn hình cảm ứng để giúp người vận hành có thể can thiệp kịp thời lên từng đối tượng cụ thể trong hệ thống Hỗ trợ cho giao diện người - máy là các máy tính công nghiệp và phần mềm chuyên dụng Tuỳ thuộc vào các hãng sản xuất mà có các phần mềm hỗ trợ khác nhau

Các SCADA phân xưởng chính là các máy Server của hệ thống SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC Trong cấu trúc phần mềm máy chủ server đó có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu với các máy Client thông qua mạng Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều khiển Vì vậy các máy Server thường được dùng để cài đặt các phần mềm phát triển, thiết lập cấu hình truyền thông

để kết nối với thiết bị hiện trường

SCADA Client gồm các máy tính công nghiệp được nối với máy Server thông qua mạng Ethernet Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy kết nối với dữ liệu của máy Server để hiện thị hoặc điều khiển Tức là các máy Client này

sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ Contronller giám tiếp thông qua máy Server Mối quan hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết lập trên cơ

sở phần mềm công nghiệp được sử dụng trong hệ SCADA

* Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng trên cở sở mạng máy tính và mạng

truyền thông công nghiệp, có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm điều khiển trung tâm với các trạm cơ sở

Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các Server, thiết bị mạng … ở

là hệ thống truyền tin Nó liên quan đến sự ổn định và sự chính xác của hệ thống Vì vậy, một hệ truyền tin được trong một SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ, khoảng cách địa lý…

Hệ thống truyền thông được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server và quan trọng nhất là phải bảo đảm tính thời gian thực Có thể sử dụng mạng truyền thông Profibus – DP, Modbus; hay Ethernet, … Với các kỹ thuật truyền dẫn bằng cổng RS232, RS422, RS485, MBP (IEC 1158) Ơ khoảng cách địa lý xa hơn

có thể sử dụng phương tiện truyền dẫn là đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang hay sóng vô tuyến Nói chung do sự phát triển mang tính toàn cầu nên các nhà công nghiệp đã phải cùng ngồi lại với nhau và đưa ra các chuẩn truyền thông Quốc tế, điều này mang lại rất nhiều thuận lợi cho những nhà tích hợp hệ thống Sóng radio hoạt động ở tần số 400Mhz – 900Mhz bán kính phủ sang từ 25 – 100km Radio Modem dùng giao tiếp theo chuẩn RS-232, tuy nhiên RS-485 và RS-

422 cũng được sử dụng Tín hiệu số đưa vào được điều chế thành sang vô tuyến và

được phát đi trong không gian và tất nhiên cần phải có trạm thu để nhận tín hiệu đưa

về trung tâm Luồng thông tin trong hệ thống SCADA được chia làm ba mức:

Mức 1:

- Thu thập dữ liệu từ quá trình công nghệ theo thời gian thực;

- Tính toán theo algrimhm và đưa ra tín hiệu điều khiển theo quy luật cho trước;

- Báo hiệu về việc vượt quá ngưỡng cho phép của các thông số;

- Ngăn ngừa nguy cơ xảy ra sự cố

Mức 2:

- Thu thập thông tin từ cấp dưới, xử lý, lưu trữ;

- Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thông tin;

- Chuyển thông tin về việc sản xuất ở các phân xưởng, xí nghiệp cho cấp cao hơn;

- Tính toán những thông số thứ cấp, chỉ số chất lượng sản phẩm, chỉ số kinh tế kỹ thuật;

- Lưu trữ thông tin;

- Đưa ra các báo cáo;

Chuẩn đoán về sự hư hỏng của các phần tử trong hệ thống;

- Xác định thông số, cấu hình của các thiết bị điều khiển và những bộ điều khiển cục bộ của mức 1;

- Thay đổi cấu hình của hệ thống điều khiển cục bộ, thay đổi trạng thái làm việc của các thiết bị điều khiển

Mức 3:

- Tối −u các chỉ số kinh tế về sản xuất;

- Điều khiển theo các chỉ số kinh tế, kinh tế – kỹ thuật;

- Quản lý nguồn tài nguyên của công ty;

- Các Transmitter /RTU số thông minh

- Cáp mạng và hệ thống cáp nối đi theo phục vụ cho quá trình thu thập số liệu và

1.5 Nguyên tắc hoạt động của hệ SCADA

Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiệu từ các cơ cấu cảm biến đ−ợc gắn trên các thiết bị công tác hoặc trên dây truyền sản xuất gửi về cho máy tính (thực hiện phần thu thập dữ liệu) Máy tính xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt động của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm đã đ−ợc cài sẵn trong bộ nhớ Đồng

phép tự động giám sát và điều khiển hệ thống đồng thời phát tín hiệu điều khiển đến

các trạm cơ sở tạo nên một vòng tín hiệu kín

Điều khiển và giám ở đây bao hàm hai ý nghĩa

- Con người theo dõi và điều khiển;

- Máy tính giám sát và điều khiển

Với các hệ thống sản xuất tự động trước đây, việc kiểm tra, giám sát hoàn toàn do con người đảm nhiệm So với máy tính thì tốc độ xử lý tính toán của con người rất chậm và dễ nhầm lẫn vì vậy có những hạn chế nhất định Việc đưa máy tính vào tính toán và giám sát sẽ tránh được các hậu quả trên, những sai sót nhỏ, đơn giản thường xuyên gặp phải sẽ được các máy tính giám sát và xử lý theo chương trình được đặt trước; đối với những sự cố lớn máy tính sẽ báo cho người vận hành biết và tạm dừng chương trình hoặc cách ly phần bị sự cố nếu có thể để chờ quyết định giải quyết của con người

Vì vậy, bên cạnh khả năng hoạt động toàn hệ thống theo một chương trình đặt trước, hệ SCADA còn cho phép người vận hành quan sát được trạng thái làm việc của từng thiết bị tại các trạm cơ sở, đưa ra các cảnh báo, báo động khi hệ thống có sự cố, sẵn sàng dừng chương trình hoặc cách ly phần bị sự cố ra khỏi hệ thống Ngoài ra SCADA còn thực hiện việc lưu trữ thông tin và in báo cáo giúp con người giải quyết

được việc ghi chép qua hệ thống sổ sách cồng kềnh, khó quản lý và dễ nhầm lẫn, con người có thể xem các kết quả hoạt động của từng thiết bị trong hệ thống tại bất kỳ thời gian nào trong quá khứ Đặc biệt hệ SCADA còn có chức năng dự phòng và dự phòng nóng Nghĩa là có thể sử dụng hai cấu hình phần cứng chạy song song, một cấu hình phần cứng làm việc và một cấu hình phần cứng chạy theo dõi, kiểm tra Nếu kết quả tính toán giữa hai cấu hình bị sai lệch nghĩa là một cấu hình bị sự cố thì cấu hình

dự phòng sẽ lập tức tranh quyền điều khiển, đồng thời cảnh báo cho người vận hành biết để khắc phục, sửa chữa Khi cấu hình chính đã được kiểm tra sửa chữa xong và lắp

đặt vào hệ thống thì nó lại tranh quyền điều khiển của cấu hình dự phòng và cấu hình

dự phòng lại trở về trạng thái chạy kiểm tra theo dõi Việc dự phòng và dự phòng nóng này rất quan trọng, thích hợp cho các quá trình sản xuất liên tục hoặc điều khiển, giám sát những quá trình công nghệ đặc biệt

1.6 Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ SCADA

a, Giám sát và phân tích hoạt động sản xuất

Ngay khi nhận biết được những thông tin về hoạt động của hệ thống từ các bộ phận cảm biến tại các RTU gửi về, máy tính sẽ phân tích những tín hiệu đó và so sánh với những tín hiệu chuẩn Với những tín hiệu yêu cầu từ các tệp tin về cấu hình hoạt

động của hệ thống sản xuất, hay các bảng cơ sở dữ liệu về sản phẩm, quy trình sản xuất, các thông số công nghệ của các máy công tác Nhờ các bộ phận cảm biến, các thiết bị đo lường mà mọi khâu trong quá trình sản xuất luôn thông báo cho người giám sát biết được các thông tin tiến trình hoạt động sản xuất, các thông số kỹ thuật,

số lượng sản phẩm, …

Việc giám sát bao gồm

+ Máy tính giám sát;

+ Con người giám sát

Việc theo dõi giám sát chủ yếu do máy tính đảm nhận, con người chỉ đóng vai trò phụ, chuyên theo dõi những biến cố lớn, nguy hiểm đến hệ thống sản xuất Những trục trặc nhỏ hay những sai lệch thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính sửa chữa theo chương trình được cài đặt sẵn; hoặc máy tính sẽ đưa ra các chỉ dẫn giúp người vận hành khắc phục các sự cố lớn hơn ngoài tầm kiểm soát của máy tính

b, Hoạt động theo chương trình điều khiển

Ngoài các chức năng truyền thống là xử lý các dữ liệu đầu vào để đưa ra các quyết

định điều khiển tới các thiết bị chấp hành, hệ SCADA còn hoạt động theo một chương trình đã được lập trình và cài đặt trước Nhờ có bộ vi xử lý mạnh và những phần mềm chuyên dụng mà ta còn có thể lập trình cho hệ thống làm việc theo những chu trình từ

đơn giản đến phức tạp, máy tính sẽ đọc chương trình và xuất tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành hoạt động theo một chương trình nào đó mà con người mong muốn

Việc thay đổi các quy trình sản xuất lạc hậu hay việc thay đổi mẫu mã sản phẩm chỉ là việc thay đổi các chương trình phầm mềm ứng dụng trong máy tính Kích thước mẫu mã sản phẩm hay các quy trình làm việc mới đã được thiết kế sẵn trên các phần mềm chuyên dụng vì vậy máy tính chỉ cần dịch lại theo mã máy để cho các máy điều khiển số hiểu được và thực hiện

c, Kiểm tra, đánh giá và phân loại sản phẩm

Nhờ các cảm ứng, các cảm biến được gắn trên các máy gia công hay trên dây

chất lượng ngay từ khi nhập nguyên liệu vào dây truyền; hoặc phân loại, đánh giá và loại bỏ các phế phẩm trong quá trình gia công mà vì một nguyên nhân nào đó sản phẩm đó bị hỏng Vì vậy mà chất lượng, mẫu mã sản phẩm luôn được đảm bảo, giảm bớt chi phí sản xuất không cần thiết Đây là một trong những ưu điểm vượt trội của hệ thống điều khiển hiện đại so với các hệ thống điều khiển thông thường khác

e, Quản lý quá trình sản xuất

Mọi thông tin về hệ thống sản xuất luôn được truyền về cho máy tính điều khiển trung tâm, máy tính trung tâm sẽ thực hiện việc giám sát và thống kê, tổng kết quá trình sản xuất: số lượng sản phẩm, số lượng nguyên, vật liệu đầu vào hay còn tồn trữ trong quá trình sản xuất, hệ thống sẽ tự động dự báo cho các quá trình sản xuất tiếp theo, giúp người quản lý ra các quyết định để điều chỉnh sao cho phù hợp với quy mô quản lý của công ty Đặc biệt SCADA còn có khả năng liên kết động (DDE-Dynamic Data Exchangge) Cho phép các thông tin được kết nối, trao đổi với cở sở dữ liệu với các hệ thống SCADA tương tự khác trong hệ thống trên một mạng TCP/IP (Transfer Control Protocol/ Internet Protocol) Điều này cho phép các hệ trạm SCADA cở sở có thể truy xuất dữ liệu với trạm SCADA trung tâm để xuất ra các tín hiệu điều khiển lẫn nhau Việc này thích hợp với quy mô quản lý của các công ty lớn có nhiều chi nhánh trên các quốc gia khác nhau

Hệ thống SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc/viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn ODBC như Oracle, Access, Microsft SQL,

1.7 Phân loại SCADA

Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau nhưng cơ bản chúng được chia ra làm 4 nhóm chính như sau

a) Hệ thống SCADA mờ

Là hệ thống thu nhận, sử lý dữ liệu thu được bằng hình ảnh hoặc đồ thị Do không

có bộ phận giám sát nên hệ thống rất đơn giản và giá thành thấp

b) Hệ thống SCADA sử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt

động của hệ thống sản xuất; nhờ các tệp tin cấu hình của máy đã được khai báo trước

đó Tệp tin cấu hình sẽ ghi lại khả năng hoạt động của hệ thống, các giới hạn không hoạt động, giới hạn về khả năng công suất làm việc của máy Nhờ biết trước khả năng

hoạt động của hệ thống sản xuất mà khi có tín hiệu vượt quá ngưỡng đặt trước hay có vấn đề đột ngột phát sinh, hệ thống sẽ báo cho người giám sát biết trước để họ can thiệp vào hoặc tín hiệu vượt quá ngưỡng cho phép thì hệ thống sẽ lập tức cho máy công tác ngừng hoạt động

c) Hệ thống SCADA độc lập

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với một bộ vi xử lý, thông thường loại hệ thống SCADA này chỉ điều khiển được một hay hai máy công tác hay còn gọi là workcell Do khả năng điều khiển ít máy công tác nên hệ thống sản xuất chỉ đáp ứng

được cho việc sản xuất chi tiết, không tạo nên được dây truyền sản xuất lớn

d) Hệ thống SCADA mạng

Là hệ thống giám sát và thu nhận dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý có nhiều bộ phận giám sát được kết nối với nhau thông qua mạng Hệ thống này cho phép điều khiển phối hợp được nhiều máy công tác hoặc nhiều nhóm workcell tạo nên một dây truyền sản xuất tự động, đồng thời hệ thống có thể kết nối tới nơi quản lý – nơi ra quyết định sản xuất hay có thể trực tiếp sản xuất theo yêu cầu của khách hàng từ nơi bán hàng hay phòng thiết kế Do được kết nối mạng nên con người có thể điều khiển từ xa các thiết bị công tác ở những nơi công tác có tính nguy hiểm, độc hại (như hầm lò, nơi có chất phóng xạ, chất độc, nơi có từ trường mạnh, )

1.8 Phân quyền quản lý trong hệ SCADA

Nhằm bảo mật thông tin hay đảm bảo an toàn cho cả quá trình sản xuất thì khi thiết

kế một hệ SCADA các kỹ sư lập trình có thể đặt các Password cho từng cấp điều hành trong một công ty hay trong một hệ thống Với các trạm cở sở thì giám sát viên mặc dù vẫn có thể truy xuất được thông tin từ trạm chủ hay các trạm SCADA cơ sở khác nhưng chỉ có thể điều khiển được các đối tượng trong phạm vi mình quản lý Cứ tương tự như vậy cho tới cấp cao nhất (người chỉ huy trưởng) mới có thể truy xuất được thông tin và

điều khiển trong toàn bộ hệ thống Điều này cho phép mọi thông tin về công ty được bảo mật Đây là vấn đề rất cần thiết giúp cho các công ty lớn giữ được bí mật về công nghệ trong thời kỳ cạnh tranh khốc liệt như hiện nay

1.9 Tiêu chuẩn đánh giá và xây dựng một hệ SCADA

Mục đích trong công việc đánh giá và lựa chọn của một nhà thiết kế hệ thống không phải là tìm ra giải pháp tốt nhất, mà là tìm ra một giải pháp đủ thoả mãn các

cho một hệ thống SCADA đựợc ứng dụng trong một nghành nghề cụ thể nào đó thì phát huy được hết những mặt tích cực của hệ thống, đồng thời những mặt hạn chế không làm ảnh hưởng nhiều đến con người và thiết bị trong hệ thống Để đánh giá một giải pháp SCADA ta cần đặc biệt chú ý đến những yếu tố sau:

Một là: Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn hình giao diện, chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn

Hai là: Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các thiết bị chấp hành, cảm biến, các modul vào/ra qua các thiết bị điều khiển khả trình PLC hay các hệ thống bus trường)

Ba là: Tính năng mở rộng của hệ thống

Bốn là: Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging)

xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting)

Năm là: Tính thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin

Sáu là: Giá thành hệ thống phần mềm bao gồm công cụ phát triển (Development Tool, chương trình chạy (Runtime Engine), tài liệu sử dụng, công đào tạo và dịch vụ hỗ trợ, bảo trì

Chương II

Hệ thống cấp điện công trình trọng điểm

và các yêu cầu đặc thù

2.1 Giới thiệu chung

Công trình đặc biệt là một công trình trọng điểmquốc gia, không những có ý nghĩa

về lịch sử, văn hoá mà còn có ý nghĩa chính trị đặc biệt

Là công trình đặc biệt nên yêu cầu về cấp điện cho công trình cũng được ưu tiên đặc biệt, không những đảm bảo yêu cầu cấp điện thường xuyên, liên tục mà chất lượng điện áp cũng phải bảo đảm ở mức tốt nhất

Hệ thống cấp điện cho công trình được phân cấp theo tính chất đặc biệt của phụ tải Cụ thể như sau:

a, Khu vực I các phụ tải quan trong nhất (trạm I)

Bao gồm các phụ tải đặc biệt được ưu tiên cấp ba nguồn điện 22kV từ lưới điện Quốc gia qua 03 máy biến áp, mỗi máy có công suất 1000kVA đảm bảo cho các phụ tải trong công trình luôn hoạt động liên tục nhằm duy trì các thông số nhiệt, ẩm và

ánh sáng trong công trình luôn ở mức cho phép

b, Khu vực II công trìnhi vệ tinh (trạm II)

Bao gồm các phụ tải như: Bơm thoát, chiếu sáng truyền thanh, sinh hoạt, … Các phụ tải này không đặt ở mức đặc biệt như các phụ tải trong công trình nên được cấp 02 nguồn điện 22kV từ lưới điện Quốc gia qua 2 máy biến áp mỗi máy có công suất 560kVA

c, Khu vực II công trình vệ tinh (trạm III)

Bao gồm các phụ tải như bơm chìm, bơm cấp nước, quạt gió, sinh hoạt, …

được cấp 02 nguồn điện 22kV từ lưới điện Quốc gia qua 02 máy biến áp mỗi máy có công suất 560kVA

d, Máy phát điện dự phòng

Ngoài các nguồn điện lưới Quốc gia thì công trình còn có một trạm phát điện Diêzien dự phòng, công suất 1500kVA Khi hai trong ba nguồn điện lưới bị mất thì trạm Diêzien sẽ tự động phát điện và sẵn sàng làm việc khi có yêu cầu

2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp điện công trình

a, Sơ đồ nguyên lý trạm I

* Các ký hiệu trên sơ đồ

- Nguồn T1, nguồn T2, nguồn T3: Nguồn điện lưới Quốc gia 22kV

- Diezen: Nguồn điện máy phát dự phòng 50Hz, 0,4kV – 1500kVA

- TA-1, TA-2, TA-3: Máy biến áp khô của Italia, công suất 1000kVA/ máy

- Q1-Q7: Máy cắt hạ thế ACB của hãng Siemes có dòng định mức 1600A

- Hệ thống thanh cái C1, C2, C3 có dòng định mức 1600A

- A1 – A15: Hệ thống tủ phân phối hạ thế bao gồm 15 Ap tô mát của hãng Sienmes, dòng định mức 600A/cái

y

y y

Hình 2.2.1: Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện trạm I

Trạm I được thiết kế dự phòng 400% công suất nguồn điện Trạm được đặt ở chế

độ làm việc bằng tay và tự động qua công tắc chọn chế độ được lắp trên cánh tủ Cụ thể như sau:

* Chế độ làm việc tự động

- Vận hành bình thường: có đủ ba nguồn điện từ lưới điện Quốc gia, các máy cắt Q1, Q2, Q3 sẽ tự động đóng điện cấp nguồn điện hạ thế T1, T2, T3 xuống hệ thống ba thanh cái C1, C2, C3 (T1 cấp C1, T2 cấp C2, T3 cấp C3) Hệ thống 3 thanh cái C1, C2, C3 làm việc độc lập và cách ly với nhau

+ Mất nguồn T2: trường hợp xảy ra mất nguồn T2 thì máy cắt Q2 ở trạng thái

mở cách ly thanh cái C2 với nguồn T2, máy cắt Q5 lập tức ở trạng thái đóng cấp nguồn từ thanh cái C3 sang C2 để cấp nguồn cho các phụ tải thuộc thanh cái C2 Khi nguồn T2 có trở lại máy cắt Q5 lập tức ở vị trí mở để cách ly thanh cái C2 với C3, máy cắt Q2 đóng trở lại cấp nguồn T2 cho thanh cái C2, hệ thống trở về trạng thái vận hành bình thường

+ Mất nguồn T3: trường hợp xảy ra mất nguồn T3, máy cắt Q3 ở trạng thái mở

để cách lý thanh cái C3 với nguồn T3, máy cắt Q5 lập tức ở vị trí đóng cấp nguồn từ thanh cái C2 sang thanh cái C3 để cấp nguồn cho các phụ tải thuộc thanh cái C3 Khi nguồn T3 có trở lại máy cắt Q5 lập tức ở trạng thái mở để cách ly thanh cái C2 và C3, máy cắt Q3 đóng trở lại để cấp nguồn T3 cho thanh cái C3, hệ thống trở về trạng thái vận hành bình thường

+ Mất nguồn T1 và T2: Trường hợp xảy ra mất hai nguồn T1, T2: Trạm phát

điện Điezen tự động phát điện, nguồn máy phát được cấp đến cực trên của máy cắt Q6

và Q7 Máy cắt Q1 mở để cách ly C1 với T1, máy cắt Q2 mở để cách ly C2 với T2 Máy cắt Q5 đóng trước cấp nguồn từ thanh cái C3 sang C2, máy cắt Q4 đóng sau để cấp nguồn từ thanh cái C2 sang C1; trường hợp Q4 không đóng thì Q6 đóng cấp nguồn máy phát Điezen cho thanh cái C1 Khi nguồn T1, T2 có trở lại hệ thống trở về trạng thái vận hành bình thường Trạm phát Điezen tự động dừng phát điện

+ Mất nguồn T1, T3: Trường hợp xảy ra mất nguồn T1 và nguồn T3: Trạm phát

điện Điezen tự động phát điện, nguồn máy phát được cấp tới cực trên của máy cắt Q6, Q7 Máy cắt Q1 mở để cách ly C1 với T1, máy cắt Q3 mở để cáh lý C3 với T3 Máy cắt Q4 đóng trước cấp nguồn từ C2 sang C1 (nếu Q4 không đóng thì Q6 đóng cấp nguồn máy phát cho C1), sau đó Q5 đóng cấp nguồn từ C2 sang C3 (nếu Q5 không đóng thì Q7

đóng cấp nguồn máy phát cho C3) Khi T1 và T3 có trở lại hệ thống lại trở về trạng thái vận hành bình thường Trạm phát Điezen tự động dừng làm việc

+ Mất nguồn T2, T3: Trạm phát Điezen tự động phát điện, máy cắt Q2 mở cách ly C2 với T2, máy cắt Q3 mở cách ly C3 với T3 Máy cắt Q4 đóng trước cấp nguồn từ C1 sang C2, sau đó máy cắt Q5 đóng để cấp nguồn từ C2 sang C3 (nếu Q5 không đóng thì Q7 đóng cấp nguồn máy phát cho C3) Khi T2, T3 có điện trở lại hệ thống lại trở về trạng thái vận hành bình thường Trạm phát Điezen tự động dừng làm việc

y y

y y

- Nguồn 1, nguồn 2: hai nguồn điện lưới Quốc gia

- TA-1, TA-2: Máy biến áp 630kVA

- MCCB1: Ap to mát đầu vào nguồn K03-1 có dòng định mức1000A

- MCCB2: Aptomát đầu vào nguồn K03-2 có dòng định mức 1000A

- AD3: Máy cắt hạ thế ACB 1000A

- MCCB 4: Aptomát 1000A

- ATS1, ATS2: Máy cắt liên lạc - 1000A

- C1, C2, C3, C4 : thanh cái Cu/1000A

- A1-A10: Aptomát phụ tải

* Nguyên lý làm việc: Trạm II được thiết dự phòng 300% công suất nguồn

điện Trạm được đặt làm việc ở chế độ tự động

- Vận hành bình thường

Khi có đủ hai nguồn điện cấp vào 02 áp tô mát đầu vào (MCCB1, MCCB2, MCCB4, AD3 luôn ở trạng thái đóng), ATS1, ATS2 sẽ tự động cách ly thanh cái C2, C3, C4 với nhau, nguồn sẽ được cấp đến các phụ tải qua thanh cái C2, C3, C4

- Sự cố mất nguồn

+ Khi nguồn 1 mất: ATS2 sẽ tự động cách ly C4 với 1 và đóng cấp nguồn 2 qua thanh cái C2 sang thanh cái C4 Khi nguồn K03-1 có trở lại thì ATS2 lập tức mở

để cách ly C2 với C4 và đóng cấp nguồn 1 xuống thanh cái C4

+ Khi nguồn 2 mất: ATS1 sẽ tự động cách ly C2 với 2 và đóng cấp nguồn1 qua C1, C4 đến C2 Khi nguồn K03-2 có trở lại thì ATS1 sẽ lập tức mở để cách ly C2 với C4 và đóng cấp nguồn K03-2 tới C2

+ Khi nguồn 1 và 2 mất điện: ATS1, ATS2 sẽ lập tức cách ly C4 với 1, C2 với

2, Trạm phát điện Điezen tự động phát điện sau 3s, AD3 luôn ở trạng thái đóng cấp nguồn đến C3, khi C3 có điện ATS1 sẽ đóng cấp sang C4, ATS2 sẽ đóng cấp sang C2 Khi nguồn 1 và 2 có điện trở lại hệ thống lại trở về trạng thái vận hành bình thường, trạm phát Điezen tự động dừng phát điện

c, Sơ đồ nguyên lý trạm III

* Ký hiệu trên sơ đồ

- Nguồn 1, nguồn 2: Nguồn điện lưới Quốc gia 22kV

- TA-1, TA-2: máy biến áp 630kVA

- MCCB1: Aptomát đầu vào nguồn Giếng Lăng 1 -1000A

- MCCB2: Aptomát đầu vào nguồn Giếng Lăng 2 -1000A

- MCCBLL: Aptomat liên lạc – 1000A

- A – A10: áp tô mát phụ tải

Trạm hạ thế III có 02 nguồn điện từ lưới điện Quốc gia Trạm được đặt ở chế

độ vận hành bằng tay Việc chuyển nguồn được thực hiện bằng tay qua việc đóng cắt các MCCB1, MCCB2 và MCCBLL

y y

y y

d, Sơ đồ nguyên lý cấp điện toàn hệ thống hiện trạng

y y

y y

y y

y y y

y y

y

y y

mcmf

ats1

mccb3 mccb1

ats2 mccb2

2.3 Tình trạng quản lý và các yêu cầu để xây dựng một hệ SCADA quản lý

hệ thống cấp điện công trình trọng điểm

Hệ thống cấp điện công trình điểm được xây dựng từ những năm cuối của thế kỷ trước; mặc dù tại thời điểm đó hệ thống đã được đầu tư xây dựng rất hiện đại; tuy nhiên, qua thời gian khai thác sử dụng hệ thống đã xuống cấp và trở nên cũ kỹ, lạc hậu

* Trạm I: Đã được trang bị các máy cắt ACB -1600A của hãng Siemens, tuy

nhiên hệ thống vẫn được điều khiển bằng tay, vẫn phải có người tham gia trực vận hành hàng ngày, chưa có tính tự động hoá cao, nếu ứng dụng SCADA để quản lý thì vẫn có thể

sử dụng các thiết bị cũ và chỉ cần thiết kế lại mạch điều khiển để có thể tích hợp vào PLC

* Trạm II và trạm III: Sử dụng các thiết bị cũ trước đây, các thiết bị đã quá

cũ và lạc hậu Việc trực vận hành, duy tu, bảo dưỡng trạm phải tiến hành thường xuyên gây tốn kém nhân lực và vật tư; mặt khác thiết bị trạm làm việc không an toàn, tin cậy, không đáp ứng được yêu cầu hiện tại và tương lai Để ứng dụng SCADA quản lý thì phải tiến hành đổi mới hoàn toàn các thiết bị trạm

Công trìnẩytọng điểm là một công trình rất quan trọng, không những có ý nghĩa

về văn hoá, lịch sử mà còn có ý nghĩa lớn về chính trị Hệ thống cấp điện cho công trình phải luôn luôn bảo đảm hoạt động ổn định, tin cậy, hơn nữa việc vận hành hệ thống phải

dễ dàng và minh bạch để bảo đảm việc cấp điện được thông suốt, hơn nữa hệ thống còn phải có khả năng phát triển theo hướng hiện đại Hiện nay, việc ứng dụng SCADA để quản lý các hệ thống cấp điện đã và đang được ứng dụng rộng rãi; tuy nhiên ở các công trình đặc biệt thì việc ứng dụng SCADA vẫn đang gặp nhiều khó khăn vì nhiều lý do khác nhau

Việc ứng dụng những thành tựu khoa học và các thiết bị công nghệ mới vào quản

lý hệ thống sẽ mang lại nhiều lợi ích như sau:

- Bảo đảm hệ thống làm việc ổn định, tin cậy hơn

- Các thiết bị trạm được giám sát chặt chẽ, bảo đảm hệ thống vận hành an toàn linh hoạt hơn

- Nâng cao hệ số dự phòng cho công trình

- Nânh cao chất lượng công tác quản lý

Việc xây dựng mạng SCADA để quản lý toàn bộ hệ thống cấp điện phải bảo đảm các yêu cầu sau:

Thứ nhất: Về cơ bản phải giữ nguyên được sơ đồ cấp điện cho toàn bộ công trình,

không làm thay đổi tính chất của từng phụ tải trong từng khu vực cụ thể mà trước đây đã xây dựng

Thứ hai: Đảm bảo hệ thống làm việc tuyệt đối an toàn, tin cậy và có dự phòng

cao, có đủ ba chế độ làm việc là Bằng tay, Tự động, Từ xa đảm bảo cho công trình được cấp điện liên tục và thông suốt

Thứ ba: Hệ thống phải có giao diện dễ hiểu, minh bạch và vận hành linh hoạt Thứ tư: Hệ thống phải đảm báo tính thời gian thực

Thứ năm: Hệ thống phải có tính năng mở giúp cho sự phát triển sau này của toàn

công trình

Thứ sáu: Giá thành đầu tư xây dựng phải nằm trong phạm vi cho phép

Chương III Khái quát về WinCC 7.0 và PLC S7-300 của Siemens

trong hệ thống SCADA

Có nhiều giải pháp để lựa chọn và xây dựng một hệ thống SCADA Tuy nhiên cũng có rất nhiều lý do để lựa chọn đồng bộ các thiết bị của hãng Siemens để thiết kế một hệ SCADA Các PLC thế hệ mới của Siemens như S7 – 300, S7 – 400 Ngoài các chức năng của một RTU thông thường thì các PLC này còn có thể làm việc một cách độc lập, thực hiện quản lý các trạm hiện trường làm việc theo một chương trình được cài đặt trước, hơn nữa các PLC loại này còn được tích hợp sẵn cổng truyền thông trên CPU có khả năng liên kết trực tiếp với máy tính thông qua phần mềm ứng dụng WinCC mà không cần thêm bất cứ một modul truyền thông nào khác

trạm trung tâm

(PC + Nhân viên giám sát) truyền thông rtu (PLC) đối tượng điều khiển

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống SCADA

- Phần mềm giao diện mạng

3.1 Thiết bị phần cứng trong mạng SCADA

3.1.1 Thiết bị điều khiển PLC S7-300

a, Cấu trúc và phân chia bộ nhớ

* Các modul của PLC S7-300

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối t−ợng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng nh− chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC đ−ợc thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình Chúng đ−ợc chia nhỏ thành các module Số các module đ−ợc sử dụng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU Các module còn lại là những module nhận truyền tín hiệu với đối t−ợng điều khiển, các module chuyên dụng nh− PID, điều khiển động cơ, … chúng đ−ợc gọi chung là module mở rộng

- Module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ

định thời, bộ đếm, cổng truyền thông và có thể có một vài công vào ra onboard

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module khác nhau Chúng đ−ợc đặt tên theo

bộ vi xử lý có trong nó nh− module CPU 312, module CPU 314, module CPU 315… Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nh−ng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng nh− các khối hàm đặc biệt đựoc tích hợp sẵn trong th− viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ đ−ợc phân biệt với nhau trong tên gọi bằng việc thêm cụm từ IFM (Intergrate Funtion Module) Ngoài ra còn có loại module với hai cổng truyền thông nh− CPU 315-DP

- Module mở rộng

Có 5 loại chính:

PS (Power Supply): Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A, 10A

SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

DI: (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số

DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số

DI/DO: Module mở rộng các cổng vào/ra số

AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự

AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự

I/AO: Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự

IM (Interface Module): Module gép nối Đây là loại module chuyên dụng có

nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản

lý chung bởi một module CPU Các module mở rộng được gá trên một thanh rack Trên mỗi rack có thể gá được tối đa 8 module mở rộng (không kể CPU và nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM

FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module

điều khiển động có bước, module điều khiển động cơ servo, module PID

CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các

PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

* Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

- Kiểu dữ liệu

Trong một chương trình có thể có các kiểu dữ liệu sau:

BOOL; Với dung lượng 1 bít và có giá trị 0 hay 1

BYTE: Gồm 8 bít, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 255

WORD: Gồm 2 byte, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 65535

INT: Có dung lượng 2 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ – 32768 đến 32767

DINT: Gồm 4 byte, biểu diễn số nguyên từ – 214763846 đến 214783647

REAL: Gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động

S5T: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/minigiây

TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây

DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/ngày/tháng

CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự)

- Phân chia bộ nhớ

CPU S7-300 có 3 vùng nhớ sau:

• Vùng nhớ hệ thống (sytem memory): (RAM trong CPU) lưu trữ dữ liệu hoạt

động theo chương trình của ta;

I (Process Input Image): Miền bộ đệm các cổng vào số

Q (Process Output Image):Miền bộ các dữ liệu cổng ra số

M (Memory): Miền các biến cờ có bít (M), byte (MB), từ (MW), từ kép (MD)

T (Timer): Miền nhớ thời gian

C (Counter): Miền nhớ bộ đếm

PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự

PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự

• Vùng nhớ nạp (Load memory): (RAM trong CPU, cộng thêm EEPROM có sẵn

trong CPU hoặc thẻ EEPROM gắn thêm) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng OB,

FB, FC các khối chức năng trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFB, SFC) và các khối dữ liệu DB

• Vùng nhớ làm việc (word memory): (RAM trong CPU) chứa các bản sao của các

phần tử chương trình đang được CPU thực thi Như các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FC, SFB, SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với các hệ điều hành và với

các khối chương trình khác (local block) Tại một thời điểm nhất định vùng word memory

chỉ chứa một khối chương trình duy nhất

- Địa chỉ cho các vùng nhớ

• Với I, Q, PI, DB, DI và L:

Địa chỉ tối đa cho bít: 0.0 đến 65535.7

Địa chỉ tối đa cho byte: 0 đến 65535

Địa chỉ tối đa cho word: 0 đến 65534

Địa chỉ tối đa cho double word: 0 đến 65532

• Với bộ nhớ bit M

Địa chỉ tối đa cho bít: 0.0 đến 255.7

Địa chỉ tối đa cho byte: 0 đến 255

Địa chỉ tối đa cho worrd: 0 đến 255

Địa chỉ tối đa cho double word: 0 đến 252

- Lập trình có cấu trúc

Trong PLC Siemens S7 tổ chức theo các khối mà có thể lập trình được với từng nhiệm vụ riêng Loại hình cấu trúc này phù hợp với các bài toán điều khiển nhiều nhiệm

vụ phức tạp PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản:

• Khối tổ chức OB (oganization block): khối tổ chức và quản lý chương trình điều

khiển

• Khối hàm chức năng FB (Funtion block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng

trao đổi một lượng dữ liệu với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block

• Khối hàm (Funtion): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như

do đó một khối chương trình con cũng có thể được gọi là một khối chương trình con khác Nhưng tránh không bao giờ một khối chương trình con lại gọi đến chính nó

• Lập trình theo ngôn ngữ STL (Statement list): Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông

thường của máy tính Một chương trình được gép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất

định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc “tên lệnh” + “toán hạng”

• Ngôn ngữ lập trình “hình thang” (Ladder): Đây là dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích

hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic

• Ngôn ngữ “hình khối” FBD (Funtion block diargam): Đây cũng là kiểu ngôn

ngữ đồ hoạ dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số

Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng STL, nhưng ngược lại thì không Trong STL có nhiều câu lệnh không có trong LAD hay FBD

• Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả

Một câu lệnh có “tên lệnh” + “toán hạng” Trong đó toán hạng có thể là một dữ liệu hoặc một địa chỉ ô nhớ

MB: chỉ vị trí ô nhớ trong miền các biến cờ có kích thước là 1 byte

MW: chỉ ô nhớ trong miền các biến cờ có kích thước là 2 byte

MD: chỉ vị trí ô nhớ trong miền biến cờ có kích thước là 4 byte

I: chỉ vị trí ô nhớ có kích thước là 1 bit trong miền bộ đệm cổng vào số

IB: chỉ ô nhớ có kích thước là 1 byte trong miền bộ đệm cổng vào số

IW: chỉ ô nhớ có kích thước là một từ trong miền bộ đệm cổng vào số

ID: chỉ ô nhớ có kích thước là 2 từ trong miền bộ đệm cổng vào số

Q: chỉ ô nhớ có kích thước là một bit trong miền bộ đệm cổng ra số

QB: chỉ ô nhớ có kích thước là là một byte trong miền bộ đệm cổng ra số

QD: chỉ ô nhớ có kích thước là 2 từ trong miền bộ đệm cổng ra số

T: cho ô nhớ trong miền nhớ của bộ thời gian Timer

C: chỉ ô nhớ trong miền nhớ của bộ đếm Counter

PIB: chỉ ô nhó có kích thước là một byte thuộc vùng peripheral inpute

PIW: chỉ ô nhớ có kích là một từ thuộc vùng peripheral inpute

PID: chỉ ô nhớ có kích thước là một byte thuộc vùng peripheral inpute

PQB: chỉ ô nhớ có kích thước là một byte thuộc vùng peripheral inpute

PQW: chỉ ô nhớ có kích thước một từ trong trong vùng peripheral inpute

PQD: chỉ ô nhớ có kích thước 2 từ trong vùng peripheral inpute

DBX: chỉ ô nhớ có kích thước là 1 bit trong khối dữ liệu DB

DBB: chỉ ô nhớ có kích thước là một byte trong khối dữ liệu DB

DBW: chỉ ô nhớ có kích thước 1 từ trong khối dữ liệu DB

DBD: chỉ ô nhớ có kích thước là 2 từ trong khối dữ liệu DB

• Phần số

Chỉ địa chỉ của byte hoặc bít trong miền nhớ xác định thông qua phần chữ có kích thước 1 bit thì phần số sẽ gồm địa chỉ của byte và số thứ tự của bit trong byte đó được tách với nhau bằng dấu chấm

M 100.5

Q 124.7 Nếu ô nhớ đã được xác định là byte, từ hoặc từ kép thì phần số sẽ là địa chỉ byte

đầu tiên trong mảng byte của ô nhớ đó

sử dụng phải có khả năng chống nhiễu tốt để không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ của

đường truyền Bên cạnh đó, khoảng cách truyền tối đa phụ thuộc vào độ suy giảm của tín hiệu trên đường truyền

Trong kỹ thuật truyền thông nói chung cũng như truyền thông công nghiệp nói riêng, người ta sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau:

- Cáp điện: Cáp đồng trục, đôi dây xoắn, cáp trơn

- Cáp quang: cáp sợi thuỷ tinh (đa chế độ, đơn chế độ), sợi chất dẻo

- Vô tuyến: Sóng truyền thanh (radio, AM, FM, sóng truyền hình (TV, vi sóng), tia hồng ngoại

Loại cáp phổ biến nhất hiện nay trong các hệ bus trường là đôi dây xoắn Đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về tốc độ truyền và độ bền với nhiễu thì cáp đồng trục là sự lựa chọn tốt hơn Cáp quang cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng có phạm vi

địa lý rộng, môi trường xung quanh nhiễu mạnh hoặc dễ xâm thực, hoặc có yêu cầu cao

về độ tin cậy cũng như tốc độ truyền dữ liệu

a, Đôi dây xoắn

Là một phương tiện kinh điển trong truyền thông công nghiệp Một đôi dây xoắn bao gồm 2 sợi dây đồng được quấn cách ly ôm vào nhau có tác dụng chống nhiễu Trong các hệ thống truyền thông công nghiệp, đôi dây xoắn thường được sử dụng đi kèm với với chuẩn RS-485 Che chắn đường truyền với RS-485 không phải bao giờ cũng bắt buộc, tuỳ theo đòi hỏi về chất lượng đường truyền và tính tương thích điện từ trong các lĩnh vực

ứng dụng khác nhau Các lớp bọc lót, che chắn sẽ giảm tác động của nhiễu bên ngoài

đến tín hiệu truyền dẫn, đồng thời hạn chế nhiễu xạ từ chính đường truyền ra môi trường xung quanh Một cáp dẫn thường nhiều đôi dây xoắn, trường hợp phổ biến nhất là 2 đôi dây Sử dụng đôi dây xoắn cho phép truyền với tốc độ từ (1 10Mbit/s) Tốc độ truyền của các loại cáp đôi dây xoắn không cao lắm, nhưng lại có ưu điểm là giá thành hợp lý và dễ lắp đặt, nối dây Vì vậy, ứng dụng chủ yếu trong hệ thống bus trường

b, Cáp quang

Cáp quang được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải cao, phạm vi truyền dẫn lớn hoặc trong các môi trường làm việc chịu tác động mạnh của nhiễu Với kỹ thuật truyền dẫn hiện nay, các loại cáp quang có thể đạt tới tốc độ 20Gbit/s Sự suy giảm tín hiệu ở cáp quang rất nhỏ, vì vậy chiều dài cáp dẫn có thể lên

đến vài chục km mà không cần một bộ lặp hay một bộ khuyếch đại tín hiệu nào

Một ưu điểm lớn của cáp quang là khả năng kháng nhiễu cũng như tính tương thích điện – từ Cáp quang chịu tác động của nhiễu ngoại cảnh như trường điện từ, sóng vô tuyến Ngược lại bản thân cáp quang cũng hầu như không bức xạ nhiễu ra môi trường xung quanh, vì thế không ảnh hưởng tới cá hoạt động của các thiết bị khác Bên cạnh đó

sử dụng cáp quang còn nâng cao độ bảo mật của thông tin được truyền

Một hệ SCADA có thể sử dụng hỗn hợp cả đôi dây xoắn và cáp quang với nhau để thực hiện việc truyền dẫn tín hiệu Tuy nhiên chi phí sẽ tăng bởi vì tại các đầu đầu, đầu cuối phải sử dụng thêm bộ đổi nối quang - điện, điện – quang, nhưng bù lại thông tin sẽ

được truyền đi xa hơn, trong một số trường hợp thì việc sử dụng trên là bắt buộc

3.1.3 Máy tính điều khiển trung tâm

Thực chất máy tính điều khiển trung tâm là một máy tính công nghiệp, có khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp, là công cụ hỗ trợ con người trong việc giám sát, điều khiển và lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ Để có thể ứng dụng được phần mềm giao diện mạnh thì máy tính cũng phải được chọn có cấu hình phù hợp Trong thực tế, nếu như

đã chọn các PLC của hãng Siemens thì nên chọn máy tính đồng bộ của hãng Siemens, hãng sẽ tư vấn để có được một máy tính phù hợp nhất

3.2 Phần mềm mạng SCADA

WinCC là tên tên viết tắt của Tiếng Anh (Window control center) có nghĩa là phần mềm điều khiển và giám sát chạy trên môi trường Window

WinCC là hệ thống trung tâm về công nghệ và kỹ thuật được dùng để điều hành các nhiệm vụ của màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hoá sản xuất và quá trình, cung cấp các modul chức năng thích ứng trong công nghiệp về hiển thị hình

ảnh, thông điệp, lưu trữ báo cáo Giao diện điều khiển mạnh, truy cập hình ảnh nhanh chóng, chức năng lưu trữ an toàn của nó đảm bảo tính hữu dụng cao

Ngoài các chức năng hệ thống WinCC còn mở ra các giao diện cho các giải pháp của người sử dụng, những giao diện này khiến chúng có thể tích hợp WinCC vào các giải pháp tự động hoá phức tạp và có quy mô lớn Việc xử lý dữ liệu lưu trữ được được tích hợp bằng các giao diện chuẩn ODBD và SQL, ngoài ra việc thêm các đối tượng và các tài liệu cũng được tích hợp bằng OLE2.0 và OLE Custom Control Các cơ chế này làm cho WinCC trở thành một bộ phận am hiểu và dễ truyền tải trong môi trường Windows

- Hướng dẫn, giới thiệu việc lập cấu hình

- Thích ứng việc ấn định, gọi và lưu trữ các Projects

- Quản lý các Projects

- Có khả năng nối mạng các chức năng soạn thảo cho nhiều người sử dụng trong một Projects

- Quản lý phiên bản

- Diễn tả bằng đồ thị của dữ liệu cấu hình

- Điều khiển và đặt cấu hình cho các hình vẽ cấu trúc hệ thống

- Thiết lập việc cài đặt toàn cục

- Đặt cấu hình cho các chức năng định vị đặc biệt