Nghiên cứu, thiết kế hệ thống scada cho nhà máy thủy điện đaksrông

CCR Centre Control Room Phòng điều khiển trung tâm GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu MMI Man – Machine Interface Giao diện người máy ICCP Inter-control Center Communic

[ \

ĐOÀN VĂN MINH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO

NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN ĐAKSRÔNG

LUËN V¡N TH¹C SÜ KHOA HäC MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hµ Néi – 2010

rất cám ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt, bộ môn Hệ thống điện – trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi cũng xin cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học – Đại học Bách khoa Hà Nội vì đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong suốt khóa học này

Cuối cùng, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, các chuyên gia trong lĩnh vực SCADA và các bạn bè đồng nghiệp

Hà nội 4/2010 Đoàn Văn Minh

CCR Centre Control Room Phòng điều khiển trung tâm GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu MMI Man – Machine Interface Giao diện người máy

ICCP Inter-control Center Communication Protocol

IEDs Intelligent Electronic Devices Thiết bị điện tử thông minh ISO International Organization for Standardization

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Viện các vấn đề kỹ thuật điện và điện tử

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu DSC Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

PLC Programmable Logic Controller

Bộ điều khiển logic khả trình

SC Station Controller Điều khiển trung tâm

VDU Visual Display Unit Màn hình giao diện

DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu DCE Data Communication Equipment

Thiết bị truyền dẫn dữ liệu

Bảng 2.1 Cấu trúc bức điện 21

Bảng 4.1 Bảng dự tính số lượng đầu vào / đầu ra cho RTU 80

Hình 1.2 Mô hình tuabin – máy phát 2

Hình 2.10 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng 34 Hình 2.11 Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232 35

Hình 2.12 Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 37

Hình 4.1 Sơ đồ nối điện chính nhà máy thủy điện Đaksrông 67

Hình 4.4 Sơ đồ tổ chức thông tin nhà máy thủy điện Đaksrông 83

Chương 1 Tổng quan về nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

1.1 Khái quát chung

1.2 Hệ thống thiết bị chính trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

1.2.6 Các hệ thống khác: thông gió, đo lường, bảo vệ

1.3 Yêu cầu điều khiển cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

1.3.1 Yêu cầu chung

1.3.2 Thiết kế điều khiển

Chương 2 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp

2.1 Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp

2.2 Cấu trúc mạng – Topology

ixixixixix1111157788810121215161718181819

2.3.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP

2.3.4 Kiến trúc giao thức OSI

2.4 Phương pháp truy cập Bus

2.4.1 Các khái niệm cơ bản

2.4.2 Phương pháp chủ/tớ (master/slave)

2.4.3 Phương pháp TDMA (Time division multiple access)

2.4.4 Phương pháp Token Passing

2.4.5 Phương pháp thâm nhập ngẫu nhiên phân tán CSMA/CD

2.5 Thiết bị liên kết mạng

2.6 Các chuẩn truyền thông công nghiệp

2.6.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu

2.6.2 Chuẩn truyền dẫn TIA/EIA

2.7 Một số mạng công nghiệp phổ biến

Chương 3 Lý thuyết hệ thống SCADA

3.4 Giải pháp kết nối SCADA cho các nhà máy thủy điện vừa

4.1.1 Vị trí xây dựng

4.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ dự án

4.1.3 Sơ đồ nối điện chính nhà máy

4.2 Hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện Đaksrông

4.2.1 Nhiệm vụ thiết kế

4.2.2 Yêu cầu thiết kế

4.2.3 Độ tin cậy hệ thống

4.3 Thiết kế hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện Đaksrông

4.3.1 Thiết kế phần cứng trung tâm

4.3.2 Phần mềm SCADA

4.3.3 Thiết kế thiết bị đầu cuối RTU

4.3.4 Thiết kế hệ thống thông tin SCADA

4.3.5 Thiết kế cấp nguồn cho SCADA

4.3.6 Kết quả đạt được

4.3.7 Kết luận

Kết luận chung

Tài liệu tham khảo

Phụ lục: Giới thiệu các thiết bị của hệ thống SCADA nhà máy

thủy điện Đaksrông

Tóm tắt luận văn

646567

6767676767676871727275778087899092ixixixix

and medium size hydropower plant, then apply for specific plant, Daksrong Hydropower Plant Main contents include:

- General about small and medium size Hydro power plant

- Theoretical basis of industrial communication

- Theoretical basis of SCADA system

- Design SCADA system for Daksrong Hydropower Plant

For SCADA for small and medium size hydro power plant, the thesis has deeply determined , researched its automation requirement and the whole plant, theory of industrial communication system and SCADA system as well, then apply for specific project, Daksrong hydropower plant Author limited in the introduction and technical design for the plant only

Key word:

SCADA – Supervising, control and data acquisition system

1 Thực trạng tự động hóa trong nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và lý do chọn đề tài

Cùng với nhu cầu về điện năng tăng cao trong sự nghiệp phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành điện đang huy động các nguồn lực để sản xuất tối đa điện năng đặc biệt là nguồn lực về thủy điện trong đó hàng trăm các dự án thủy điện vừa và nhỏ (công suất từ 1-30MW) đã và đang được xây dựng

Thông thường các nhà máy thủy điện đều được trang bị hệ thống DCS

để tích hợp toàn bộ thông tin của Nhà máy bao gồm từ thiết bị công nghệ, năng lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra và hệ thống phụ trợ phục vụ công tác giám sát và điều khiển tại chỗ của nhà máy

Tuy nhiên, vì chỉ phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển tại chỗ nên các hệ thống này thường được thiết kế đóng theo các phương thức truyền tin và trao đổi dữ liệu của riêng các nhà sản xuất Việc sử dụng các hệ thống đóng sẽ làm cho khả năng trao đổi dữ liệu và can thiệp của người sử dụng khi

có những yêu cầu phát sinh đối với công tác quản lý và kinh doanh rất khó khăn do nhà sản xuất không bao giờ bàn giao hết các công cụ và thủ tục để thực hiện

Ngoài ra, do được thiết kế đóng nên các hệ thống DCS rất khó có thể kết nối với hệ thống SCADA và quản lý đo đếm điện năng của các Công ty điện lực Bên cạnh đó, do các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ thường được xây dựng tại các vùng sâu nên việc thiết lập một được truyền hữu tuyến (4W) như các giải pháp kết nối hiện nay đòi hỏi chi phí rất tốn kém kể cả đầu tư ban đầu

và chi phí vận hành hàng tháng

(nay là Bộ Công Thương) Đặc biệt với các nhà máy tham gia chương trình mua bán phát thải (CDM) thì việc kết nối, lưu trữ dữ liệu đo đếm điện năng phát lên lưới điện là một trong những điều kiện cần thiết để bên mua CDM có thể tính toán được lượng phát thải được hưởng Hơn nữa, các trung tâm điều

độ vùng, miền hay quốc gia hiện đã áp dụng thành công hệ thống SCADA cho công tác điều hành hệ thống điện thuộc quyền của mình

Giải pháp cho việc quản lý, giám sát và vận hành toàn bộ nhà máy và đấu nối với các trung tâm điều độ vùng, miền chính là hệ thống SCADA Trên thực tế, SCADA không còn là công nghệ mới trên thế giới Nó đã được

ra đời và áp dụng từ khá lâu không chỉ trong ngành điện mà còn ở nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp khai thác dầu khí, hầm mỏ, giao thông Những công nghệ áp dụng cho các thành phần cấu thành hệ thống thì vẫn liên tục được cập nhật và đổi mới Ngày càng nhiều thế hệ thiết bị với những tính năng ưu việt ra đời kể cả phần cứng, giải pháp phần mềm hay chuẩn thông tin liên lạc để phục vụ cho SCADA Đây chính là lý do cho việc tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện để điều khiển, giám sát, vận hành toàn nhà máy cũng như kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ miền và quốc gia

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu cơ bản của luận văn này là nghiên cứu các yêu cầu điều khiển trong các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ và ứng dụng lý thuyết SCADA để điều khiển

Để có được bất kì hệ thống nào hoàn chỉnh cũng đều phải có nhiều khâu, bộ phận, nhiều quá trình cấu thành Hệ thống SCADA không nằm ngoài quy luật đó Chính vì vậy, luận văn cũng đề cập và tìm hiểu các thành phần, các yếu tố liên quan trực tiếp đến một hệ thống điều khiển trong nhà máy thủy

Do khuôn khổ có hạn nên với mục tiêu đã đề ra một số phần được trình bày và nghiên cứu trong bản luận văn dưới đây chỉ dừng ở mức độ chi tiết nhất định

Người viết cũng hi vọng qua bản luận văn này sẽ tìm hiểu và nắm bắt được một lĩnh vực công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong nhà máy thủy điện Và với kết quả từ việc xây dựng hệ thống SCADA sẽ có thêm những kiến thức mới, những cái nhìn mới trong việc tiếp cận các nhà máy thủy điện trong tương lai

3 Bố cục của luận văn

Để thực hiện mục đích nghiên cứu như trình bày ở trên, bản luận văn này được trình bày trong bốn chương chính Nội dung cụ thể của mỗi phần là:

Chương 1: “Tổng quan về nhà máy thủy điện vừa và nhỏ” Phần đầu của

chương sẽ trình bày về các thiết bị chính trong nhà máy thủy điện vừa Phần sau dành cho việc tìm hiều các yêu cầu điều khiển của toàn nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Chương 2: “Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp” Trong chương

này sẽ trình bày sâu phần lý thuyết làm cơ sở để thực hiện phần truyền thông trong nhà máy điện

Chương 3: “Lý thuyết hệ thống SCADA” trình bày về các lý thuyết và đặc

điểm của hệ thống SCADA, DSC Những khái niệm cơ bản của các thành phần của SCADA và các tiêu chuẩn cơ bản Từ đó đưa ra giải pháp kết nối cho hệ thống SCADA cho các nhà máy thủy điện

Chương 4: “Thiết kế hệ thống SCADA cho nhà máy thủy điện Đaksrông” tập

trung nghiên cứu thiết kế hệ thống trên cơ sở các yêu cầu điều khiển, lý thuyết

đã đề cập trong các chương trước đó

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG

Đối với các nhà máy thủy điện nhỏ công suất từ 1 – 30MW, hệ thống điều khiển nhà máy cần được thiết lập để đảm bảo điều khiển, giám sát toàn

bộ nhà máy Tổng quan các thiết bị cơ bản của nhà máy cũng như yêu cầu của

hệ thống điều khiển sẽ được giới thiệu trong chương này

1.2 HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHÍNH

1.2.1 Tổng quan về nhà máy

Về cơ bản các thiết bị chính trong nhà máy bao gồm các thành phần như hình H1.1:

1.2.2 Hệ thống tuabin - điều tốc

Mô hình tuabin – máy phát như

hình 1.2 Nước từ hồ chứa thượng lưu

(reservoir) được dẫn vào hệ thống

đường ống áp lực và buồng xoắn

(spiral case), tại đây nước được gia

tốc tới vận tốc rất lớn, qua hệ thống

cánh hướng (wicket gate), nước được

dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay

tuabin đồng thời làm quay máy phát

điện (generator), thông thường trục

của tuabin được nối thẳng với trục

máy phát (turbine – generator shaft)

Từ đầu cực máy phát, dòng điện được

tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc gia

Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất phát của tổ máy Là một thiết bị có cơ cấu phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin đòi hỏi phải có

độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40 năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm )

Tuabin thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại tuabin Kaplan trục đứng): Roto tuabin (gồm bánh xe công tác – BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng dòng ) và bộ ống xả, buồng xoắn

Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp Vấn đề đặt ra là phải

điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho tuabin tốc độ ổn định

Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng

và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành

Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện

Bộ điều tốc kỹ thuật số: được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các

thông số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm

Bộ điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo quá trình chuyển mạch không trễ trong mọi chế độ vận hành Nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi tiếp

Điều khiển vị trí: sử dụng thuật toán điều chỉnh PD, tín hiệu vào là vị trí thực

của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor Khi vận hành ở chế độ quá tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu Điểm đặt vị trí của BXCT được tính toán dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước

Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong

khoảng -5 đến 105%

Điều khiển vận tốc: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị đặt

của bộ điều khiển vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến 110% Dải tần số chết có tác dụng trong suốt quá trình vận hành song song và có thể điều chỉnh được Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh hướng bằng cách tính toán sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ thực tế

Điều khiển độ mở cánh hướng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong

khoảng -5 đến 105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác điểm đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh hướng

Điều khiển lưu lượng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến

105% Lưu lượng thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của cánh hướng và BXCT Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị đặt cho vị trí của servomotor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác nhau giữa giá trị đặt và lưu lượng thực tế

Điều khiển mực nước: giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể

được xác định lại thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI

Các tính năng tự động hoá của bộ điều tốc:

− Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng của BXCT

− Giám sát và kiểm tra tốc độ, lưu lượng

− Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải

− Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực

− Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA

− Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ

Ghi và thông báo các sự kiện trong quá trình vận hành

− Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống

Bộ điều tốc thuỷ lực: gồm bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính, máy bơm

trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ

Bộ tác động điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ thuật số thành các đại lượng cơ tương ứng Bộ khuếch đại thuỷ lực gồm có van động và van phân phối chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor của cánh hướng và hệ thống cấp dầu áp lực

Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, cân bằng áp lực hệ thống Với hệ thống van, thời gian tác động được giới hạn tương ứng với đòi hỏi của sự thay đổi tốc độ Ngoài ra còn có một van trượt điện từ độc lập để dừng khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các cánh hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển

Các thiết bị đo:

− Đầu đo lưu lượng

− Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn

− Công tắc giới hạn và cảnh báo sự đồng bộ giữa các cánh hướng

− Đo vị trí vành điều chỉnh hay độ mở cánh hướng

− Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực

− Đo độ lệch trục của Tuabin

Ngoài ra còn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, ổn định

1.2.2 Hệ thống máy phát - kích từ

Mô hình của máy phát điện thủy lực như hình H1.3

Máy phát điện: có nhiệm vụ biến đổi cơ năng chuyển động quay của tua bin

thành điện năng – khâu chính của quá trình sản xuất năng lượng điện Cho đến nay, các máy phát điện dùng trong nhà máy thủy điện chủ yếu vẫn là các

máy phát điện đồng bộ 3 pha Chúng có công suất từ vài kW đến hàng nghìn

MW, điện áp định mức

từ 380V đến 25kV

Thông thường,

máy phát điện tua bin

nước được chế tạo với

tốc độ quay chậm, thấp

hơn nhiều so với máy

phát điện tua bin hơi

nước Tốc độ quay của

Do tốc độ quay thấp, số đôi cực của máy phát điện tuabin nước rất

nhiều Số đôi cực p quan hệ với tốc độ quay n theo công thức:

Trong đó: f =50Hz – tần số định mức của lưới điện Việt Nam

Hệ thống làm mát máy phát điện có ảnh hưởng quyết định đến giới hạn công suất làm việc của máy phát điện do nhiệt độ nóng cho phép lâu dài của cách điện

Hệ thống kích từ: có nhiệm vụ cung cấp dòng một chiều cho các cuộn dây

kích thích của máy phát đồng bộ Hệ thống kích tự phải có khả năng điều chỉnh bằng tay hoặc tự động để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, kinh tế với chất lượng cao trong mọi tình huống

Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát, thay đổi lượng công suất phản kháng vào lưới Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) làm việc nhằm giữ điện

áp không đổi (với độ chính xác nhất định) khi phụ tải biến động Ngoài ra TĐK còn nhằm các mục đích nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đặc biệt khi nhà máy nối với hệ thống qua đường dây dài, đảm bảo ổn định tĩnh, nâng cao tính ổn định động

Trong chế độ sự cố (ngắn mạch trong lưới…) chỉ có bộ phận kích thích cưỡng bức làm việc là chủ yếu, nó cho phép duy trì điện áp của lưới, giữ ổn định cho hệ thống

Hiệu quả thực hiện các nhiệm vụ trên phụ thuộc vào đặc trưng và thông

số của hệ thống kích từ cũng như kết cấu của bộ phận TĐK

Thông thường để cung cấp một cách tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ của máy phát điện đồng bộ cần phải có hệ thống kích từ thích hợp với công suất định mức đủ lớn, từ 0.2 -0.6% công suất định mức máy phát điện

1.2.3 Thiết bị cấp điện áp máy phát

Cấp điện áp máy phát thường nhỏ hơn cấp điện áp lưới truyền tải Các thiết bị cấp điện áp máy phát có chức năng truyền tải điện từ máy phát đến trạm tăng áp, một phần qua máy biến áp phân phối để cấp điện cho hệ thống

tự dùng toàn nhà máy Đối với các máy phát tự kích từ, hệ thống thiết bị cấp điện áp máy phát sẽ bao gồm các máy biến áp hạ áp hay gọi là máy biến áp kích từ Dòng điện sẽ qua máy biến áp kích từ đến hệ thống kích thích của tổ máy

1.2.4 Trạm tăng áp

Trạm tăng áp của nhà máy thủy điện đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện đến lưới điện khu vực hoặc quốc gia Điện năng được truyền tải đến trạm tăng áp thông qua hệ thống thiết bị cấp điện áp máy phát

Các thiết bị chính trong trạm tăng áp gồm:

− Các máy biến áp lực biến điện áp từ cấp điện áp máy phát đến cấp điện

áp truyền tải như: 13.8kV/110kV

− Các hệ thống máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa

− Các hệ thống máy biến điện áp, máy biến dòng điện, đồng hồ đo đếm…

− Các hệ thống rơ le bảo vệ

− Hệ thống chống sét, nối đất, chiếu sáng…

− Và các thiết bị phụ trợ khác

Các thiết bị trong trạm tăng áp phải đảm bảo truyền tải được điện năng

từ nhà máy đến lưới điện quốc gia hoặc khu vực Trong các trường hợp sự cố hoặc bất thường khác, các hệ thống đo đếm, bảo vệ phải tác động chính xác cắt vị trí sự cố ra khỏi lưới điện, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị

1.2.5 Các hệ thống khác: thông gió, đo lường, bảo vệ

Các thiết bị phụ trợ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo làm việc ổn định cho các thiết bị chính trong nhà máy Các hệ thống phụ trợ bao gồm các hệ thống thông gió, hệ thống cấp nước kỹ thuật cho tua bin, máy phát, hệ thống làm mát dầu, hệ thống khí nén…

1.3 YÊU CẦU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

1.3.1 Yêu cầu chung

Đối với các nhà máy có công suất lớn, yêu cầu điều khiển cho toàn bộ

hệ thống là rất cao do việc dừng máy của các nhà máy này sẽ dẫn đến thiếu hụt công suất trên lưới, ảnh hưởng đến ổn định cũng như chất lượng điện năng Do đó, các hệ thống điều khiển phải có khả năng xử lý nhanh và tin cậy trong các trường hợp vận hành của nhà máy cũng như trong tình huống sự cố Các thiết bị điều khiển đòi hỏi phải có dự phòng nóng toàn bộ nhà máy, hệ

thống chống nhiễu đường dây thông tin, đo lường đảm bảo nhận biết chính xác chế độ làm việc thiết bị Các hệ thống điều khiển nhóm công suất đảm bảo vận hành và phân bố tối ưu chế độ làm việc của các tổ máy Do vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển rất phức tạp

Đối với các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, các hệ thống điều khiển có yêu cầu thấp hơn do việc dừng tổ máy không ảnh hưởng lớn đến lưới điện nói chung Do vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển đơn giản hơn Tuy vậy, hệ thống điều khiển vẫn phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản như sau:

− Điều khiển tin cậy và ổn định các thiết bị công nghệ

− Giao diện với thiết bị công nghệ ổn định

− Quản lý an toàn toàn bộ dữ liệu và thông tin vào và ra từ các thiết bị sản xuất

Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phải:

− Chú trọng đến vấn đề an toàn đối với người và trang thiết bị

− Bảo vệ trang thiết bị của nhà máy tránh các điều kiện vận hành bất thường ngoài ý muốn

− Bảo vệ toàn bộ trang thiết bị tránh các điều kiện ngắn mạch và chạm đất

− Cung cấp khả năng phát hiện sự cố ở mọi điều kiện vận hành

− Cung cấp khả năng làm việc ổn định ở các điều kiện vận hành bình thường, bất thường cũng như khi có sự cố bên ngoài hệ thống

− Đảm bảo sẵn sàng vận hành tối ưu và liên tục

− Được thực hiện dựa trên các thiết bị có độ tin cậy và độ bền cao

− Được thực hiện dựa trên các giải pháp được tiêu chuẩn hoá ở mức cao nhất

− Thoả mãn các yêu cầu về chức năng mà khách hàng đặt ra

Trang thiết bị của hệ thống: phải có cấu trúc module hoá nhằm giảm thiểu số

lượng các bộ phận cấu thành hệ thống Mục đích này không nhằm tối ưu các

bộ phận thiết bị được sử dụng mà để giảm tới mức thấp nhất số lượng các bộ phận khác nhau của hệ thống, giảm module dự phòng

Hệ thống phải được thiết kế với các bộ phận và module có giao diện tương thích với các tiêu chuẩn công nghiệp chuyên ngành phổ biến đã được công nhận, và phải có khả năng giao tiếp với các thiết bị tương tự của các nhà sản xuất khác mà không cần đầu tư quá mức

Khái niệm ''điện áp điều khiển'' phải được hiểu là điện áp cung cấp cho các rơ le trung gian của thiết bị điều khiển, cho các đèn tín hiệu, các cuộn đóng, cuộn cắt của đối tượng được điều khiển v.v Điện áp điều khiển phải được phân bố để đạt được độ an toàn cao nhất khi có sự cố mạch điện áp điều khiển

Hệ thống phải có khả năng duy trì hoạt động điều khiển khi điện áp điều khiển được chủ động ngắt có kiểm soát Các bộ phận của hệ thống điều khiển đòi hỏi có nguồn điện áp điều khiển riêng phải có các mạch cung cấp nguồn riêng

1.3.2 Thiết kế điều khiển

Tất cả các chức năng điều khiển của hệ thống điều khiển phải được thực hiện bởi các bộ điều khiển khả trình trên cơ sở vi xử lý (Programmable Logic Controller - được gọi tắt là PLC) phân bố tại các vị trí thích hợp trong

Nhà máy và các bộ điều khiển trung tâm (Station Controller - được gọi tắt là SC) đặt tại phòng điều khiển Nhà máy

Hệ thống điều khiển phải được phân cấp điều khiển như bảng 1.1, sao cho tại điều khiển cấp dưới có khả năng khoá tất cả các cấp điều khiển cao hơn

Bảng 1.1 Bảng phân cấp độ điều khiển trong nhà máy

Cấp “Điều khiển từ xa” Từ phòng điều khiển miền và điều độ

quốc gia Cấp “Điều khiển nhà máy”

hay “cấp điều khiển trung

Cấp “Điều khiển tại thiết bị” Ngay trên các đối tượng được điều khiển

Trang thiết bị nhà máy phải có thể được điều khiển từ các trạm vận hành đặt tại phòng điều khiển của nhà máy và tại các trung tâm điều độ quốc gia, điều độ miền được thực hiện bằng đường truyền cáp quang

Tổ máy phải được điều khiển từ tủ điều khiển tổ máy đặt tại sàn gian máy và từ phòng điều khiển trung tâm nhà máy Điều khiển tổ máy từ tủ điều khiển tổ máy phải có thể thực hiện tự động, bán tự động và bằng tay, và từ phòng điều khiển nhà máy phải có thể thực hiện bán tự động và tự động (phân chia quyền cho phép) Tua bin phải có thể điều khiển được từ tủ điều khiển tua bin đặt trên sàn gian máy và ở trung tâm điều khiển

Trang thiết bị phụ của tổ máy phải có khả năng được điều khiển từ tủ điều khiển tổ máy, từ phòng điều khiển trung tâm và tại chỗ

Trang thiết bị hệ thống cung cấp điện tự dùng và tự dùng chung của nhà máy phải được điều khiển từ phòng điều khiển nhà máy Trạm phân phối phải được điều khiển từ phòng điều khiển nhà máy Điều khiển bằng tay phải

có thể thực hiện được từ bảng điều khiển trực quan gắn trên các tủ điều khiển trạm phân phối đặt trong phòng điều khiển

Nút ấn dừng máy khẩn cấp của tổ máy phải được bố trí tại sàn tua bin,

tủ điều khiển tổ máy và trên các màn hình vận hành (VDU)

1.3.3 Đặc tính hệ thống điều khiển

Trang thiết bị điều khiển phải được cung cấp đầy đủ để vận hành toàn

bộ nhà máy, được đặt trong phòng điều khiển nhà máy Để vận hành tự động, bán tự động và bằng tay, cần phải cung cấp các tủ điều khiển tại chỗ

Hệ thống điều khiển tuân theo các tiêu chuẩn sau:

ISA S18 l Các đặc điểm và trình tự cảnh báo

ISA S5.5 Các ký hiệu thiết bị công nghệ trên màn

hình hiển thị

NEMA PBl-197 Bảng (điện, điều khiển)

IEEE l 13 l Bộ điều khiển lập trình

ANSl/IEEE - STD 10101987 Hướng dẫn điều khiển nhà máy thủy

điện

ISA RP60 Các thiết bị điều khiển trung tâm

Đặc điểm dữ liệu thiết kế: Hệ thống điều khiển được thiết kế để vận hành ba tổ tuabin – máy phát, các máy biến áp chính, thiết bị trạm phân phối,

hệ thống cung cấp điện tự dùng và các hệ thống phụ trợ khác của nhà máy

1.3.4 Thiết bị bảo vệ

Khái quát:

Hệ thống bảo vệ trong nhà máy phải là đa chức năng và tin cậy cho các

tổ máy phát, các máy biến áp lực, trạm phân phối điện ngoài trời và hệ thống cung cấp điện tự dùng Đây là một hệ thống đầy đủ trên mọi phương diện với tất cả các rơ le phụ cần thiết, các biến thế trung gian và các module cấp nguồn Các rơ le bảo vệ phải là loại kỹ thuật số và phải có độ tin cậy cao, kèm theo các chức năng trọn bộ đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết Các rơ le phải

có các đặc tính sau:

− Tự kiểm tra, chuẩn đoán và lưu trữ thông tin các sự cố

− Bàn phím phục vụ cài đặt và màn hình tinh thể lỏng để giám sát

− Cổng giao diện nối tiếp RS232 hoặc RS485

− Bộ nhớ FLASH EPROM

Một bộ thử nghiệm cho tất cả các rơ le bảo vệ được cung cấp đồng bộ cùng nguồn dòng, áp, các thiết bị đấu nối cần thiết phải được cung cấp để phục vụ công tác, thí nghiệm hiệu chỉnh

Hệ thống bảo vệ phải có khả năng phát hiện tất cả các dạng sự cố và tác động để cắt bộ phận sự cố ra khỏi hệ thống trong khoảng thời gian ngắn nhất

để giảm bớt nguy hiểm do sự cố

Hệ thống bảo vệ rơ le được thiết kế với hai hệ thống độc lập, một hệ thống bảo vệ chính và một hệ thống bảo vệ dự phòng Các rơ le phải được chia thành hai nhóm sao cho có thể kiểm tra hệ thống bảo vệ mà vẫn giữ nguyên được số lượng các chức năng bảo vệ tối thiếu làm việc tại mọi thời điểm Một vài loại rơ le bảo vệ chính phải có độ dự phòng kép (hai bộ bảo vệ)

Bảo vệ các tổ máy, các máy biến áp tăng áp, các máy biến áp tự dùng, bao gồm cả trang thiết bị phụ của tổ máy phải được lắp đặt tại dãy tủ bảo vệ

tổ máy đặt tại phòng điều khiển trung tâm Bảo vệ thiết bị của trạm phân phối điện ngoài trời (bao gồm thiết bị đóng cắt, hệ thống điện tự dùng) phải được

bố trí tại dãy tủ bảo vệ đặt trong phòng điều khiển trung tâm Hệ thống điện tự dùng và hệ thống thiết bị phụ chung trong nhà máy cũng được trang bị các bảo vệ thích hợp đặt tại các tủ điều khiển tại chỗ của chúng

Mọi báo động phải được hiển thị trên màn hình vận hành một cách riêng biệt Báo động theo nhóm chỉ cần thiết cho các báo động hiển thị trực quan và cho các tủ giao tiếp từ xa

Ngoài các đèn tín hiệu sự cố như đã mô tả ở trên, các tín hiệu cắt của

rơ le cũng phải được thể hiện trên một cửa sổ báo tín hiệu bằng đèn báo của một rơ le tín hiệu kết hợp Các đèn này phải tự động tắt sau khi giải trừ các rơ

− Máy cắt máy phát Mở

− Van dừng sự cố khẩn cấp Khoá

− Điều tốc tua bin Dừng

− Cửa van công tác cửa nhận nước Đóng

− Bơm dầu cao áp Mở

Các bảo vệ cơ khí (tác động trễ) phải kích hoạt các rơ le dừng máy sự

cố chậm (dừng máy cơ khí), sa thải phụ tải của tổ máy, kích hoạt rơ le dừng máy khẩn cấp, dừng tổ máy và khoá tổ máy khỏi mọi hoạt động

Bất kỳ lỗi nào trong trình tự dừng của tổ máy phải kích hoạt trình tự dừng sự cố khẩn cấp của tổ máy

Rơ le cắt phải được giải trừ bằng tay sau khi đã khắc phục nguyên nhân sự cố

Hệ thống bảo vệ phải được trang bị các thiết bị giám sát liên tục cho tất

cả các mạch cắt Nguồn điện tự dùng cho mục đích này phải phải được lấy từ một cấp nào đó sao cho nó không ảnh hưởng tới sự hoạt động bình thường của các mạch cắt

Hệ thống bảo vệ phải có trang thiết bị kiểm tra hợp bộ để có thể thực hiện kiểm tra hệ thống bằng tay hoặc hoàn toàn tự động

Nếu một rơle hay một bộ phận điện tử của nó bị hỏng, kênh cắt đó phải

bị khoá và phải đưa tín hiệu cảnh báo

Một vấn đề quan trong khác là nguồn một chiều cấp cho các rơ le bảo

vệ và các trang thiết bị phụ đi kèm phải lấy từ hai nguồn khác nhau sao cho các chức năng bảo vệ khác nhau (bảo vệ chính và bảo vệ dự phòng) kết hợp trong một rơ le hay một nhóm các rơ le không gặp sự cố cùng một lúc

Hệ thống bảo vệ rơ le phải được trang bị đồng bộ với hệ thống điều khiển và giám sát bằng máy tính Các sự cố mất đồng bộ không được kéo dài quá 1 miligiây

Tiêu chuẩn: Hệ thống bảo vệ phải tuân theo IEC 255 “Rơle bảo vệ điện” và

phải có phương thức giao tiếp IEC 870-5-103 để giao tiếp thanh cái của hệ thống điều khiển

Các cảnh báo cho mọi trang thiết bị nhà máy phải được chỉ báo và thể hiện bằng cờ hiệu trên các tủ điều khiển tương ứng và trên màn hình vận hành trong phòng điều khiển nhà máy

Tuỳ thuộc vào mức độ khẩn cấp và vị trí sự cố, các cảnh báo có thể là các loại còi, chuông khác nhau được lắp đặt tại các vị trí thích hợp trong nhà máy

Hệ thống điều khiển phải được thiết kế để có thể nhận được tất cả các cảnh báo của hệ thống và hiện thị chúng trên màn hình vận hành theo thứ tự thời gian Các cảnh báo phải được chia làm 4 loại: “Nguy hiểm”, “Thông báo”, “Lỗi”, và “Hệ thống bị nhiễu”

Hệ thống hiện thị cảnh báo trên các tủ điều khiển phải sự dụng bảng tín hiệu đèn báo kiểm soát dạng điện tử hoặc rơ le tín hiệu, và nó có thể chấp nhận các tín hiệu cảnh báo từ các tiếp điểm thường mở (NO) và thường đóng (NC) Hệ thống được thiết kế theo nguyên tắc ưu tiên thời gian (first-out) với các đèn nháy và tín hiệu cảnh báo còi, chuông Sau khi giải trừ sự cố thì các tín hiệu còi, chuông phải tắt và các đèn nháy với tần số chậm hơn đối với các cảnh báo đến đầu tiên và sáng tĩnh (không nháy) đối với các cảnh báo của nhóm song song đến sau Các cảnh báo phải có thể giải trừ bằng tay Theo cách này, trong trường hợp các nguyên nhân cảnh báo đã được tìm ra giải quyết, phải có thể ấn nút giải trừ để tắt đèn cảnh báo Hệ thống phải có khả năng chỉ báo cho ít nhất 50 cảnh báo

Trong chế độ vận hành từ xa, các cảnh báo bằng âm thanh như còi, chuông v.v…phải tự động tắt và giải trừ sau một phút

Nếu số lượng cảnh báo quá nhiều để có thể hiện thị trên một màn hình, các sự kiện chưa được giải trừ phải được đặt theo một thứ tự Một thông báo trên màn hình sẽ cho biết có bao nhiêu sự kiện đang nằm chờ trong thứ tự đó

1.3.6 Các thiết bị đo lường

Các thiết bị đo lường đóng có vai trò quan trọng trong việc điều khiển giám sát toàn nhà máy Việc đo lường chính xác và đầy đủ thông số thiết bị, nhà máy đảm bảo cho người vận hành cũng như thiết bị điều khiển có thể đưa

ra được các thao tác chính xác

1.4 Nhận xét, đặt vấn đề

Với chức năng nhiệm vụ của từng bộ phận trong nhà máy thủy điện và các đặc tính kỹ thuật của chúng, việc điều khiển giám sát quá trình sản xuất là rất quan trọng Xây dựng một hệ thống điều khiển có khả năng giám sát và điều khiển nhà máy từ xa sẽ đảm bảo tính an toàn và hiệu quả kinh tế cho toàn

bộ nhà máy góp phần đảm bảo chất lượng điện năng, tính liên tục và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện khu vực và quốc gia

Để xây dựng được hệ thống điều khiển SCADA hoàn chỉnh cho nhà máy, một mặt kết nối với hệ thống DCS điều khiển tổ máy hiện hữu và kết nối với hệ thống SCADA của trung tâm điều độ vùng, ta cần phải nghiên cứu

lý thuyết về các hệ điều khiển SCADA, DCS và mạng truyền thông công nghiệp, từ đó đưa ra giải pháp kết nối, điều khiển cho toàn nhà máy

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

2.1 KHÁI NIỆM

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm chung để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit dữ liệu nối tiếp được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị giám sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính trên cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp, vì vậy dạng thông tin được quan tâm để truyền đi trong mạng công nghiệp là dữ liệu

2.2 CẤU TRÚC MẠNG – TOPOLOGY

Để tìm hiểu cấu trúc thông dụng trong mạng truyền thông công nghiệp

ta đưa ra một số định nghĩa cơ bản sau:

Liên kết: Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hoặc nhiều đối tác

truyền thông Đối với liên kết vật lý, các đối tác chính là các trạm truyền thông được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý Đối tác truyền thông ngoài các thiết bị phần cứng ra nó còn có thể là một chương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm nên các quan hệ giữa các đối tác này chỉ mang tính logic Liên kết gồm các loại sau:

- Liên kết điểm - điểm (Point to Point)

- Liên kết điểm - nhiều điểm (multi – drop)

- Liên kết nhiều điểm (multipoint)

Topology: Là cấu trúc liên kết của một mạng hay chính là tổng hợp của các

liên kết

2.2.1 Cấu trúc bus

Với cấu trúc này các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm Vì vậy tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt Có ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: Daisy-chain, Trunk-link/Drop-line và mạch vòng không tích cực

2.2.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực)

Với cấu trúc này các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm khác một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín Ưu điểm cơ bản của cấu trúc này là mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại Vì vậy, khi thiết

kế mạng theo kiểu này có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn, mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc Có hai kiểu mạch vòng phổ biến sau:

- Kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm: Các trạm đều bình đẳng như nhau trong việc phát/nhận tín hiệu

- Kiểu có điều khiển trung tâm: Một trạm chủ sẽ đảm nhiệm việc kiểm soát truy cập đường dẫn

2.2.3 Cấu trúc hình sao

Cấu trúc hình sao là cấu trúc mà trong đó trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác Trạm trung tâm sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng, các thành viên được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm

2.2.4 Cấu trúc cây

Cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao Cấu trúc cây dùng các bộ nối tích cực (Active coupler), nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng

đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (Repeater), trong trường hợp các mạng con hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như Bridge, Router, và Gateway

2.3 KIẾN TRÚC GIAO THỨC

2.3.1 Dịch vụ truyền thông

Một hệ thống truyền thông cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên tham gia nối mạng Các dịch vụ đó được dùng cho các nhiệm vụ khác nhau như trao đổi dữ liệu, báo cáo trạng thái, tạo lập cấu hình và tham số hoá thiết bị trường, giám sát thiết bị và cài đặt chương trình

Việc thực hiện các dịch vụ được dựa trên các nguyên hàm dịch vụ (Service Primitive), gồm có:

- Yêu cầu (Request) dịch vụ, ký hiệu là Req, ví dụ connect.Req

- Chỉ thị (Indication) nhận lời phục vụ, ký hiệu là Ind, ví dụ connect.Ind

- Đáp ứng (Response) dịch vụ, ký hiệu là Res, ví dụ connect.Res

- Xác nhận (Confirmation) đã nhận được đáp ứng, ký hiệu là Con, ví dụ connect.con

2.3.2 Giao thức

Bên cầu Bên cung

1: connect.req 2: connect.ind 3: connect.res 4: connect.con

1: disconnect.req 2:disconnect.ind

Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng các dịch vụ truyền thông Một qui chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:

- Cú pháp: Qui định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi,

trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi

- Ngữ nghĩa: Qui định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện,

như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi

- Định thời: Qui định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền, tốc độ

truyền Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng được gọi là xử lý giao thức Quá trình xử lý giao thức

có thể là mã hoá (xử lý giao thức bên gửi) và giải mã (xử lý giao thức bên nhận)

Giao thức HDLC:

HDLC cho phép chế độ truyền bít nối tiếp đồng bộ hoặc không đồng bộ Một bức điện, hay còn gọi là khung có cấu trúc như sau:

Bảng 2.1 Cấu trúc bức điện

01111110 8/16 bit 8bit n bit 16/32 bit 1111110

Cờ Địa chỉ Điều khiển Dữ liệu FCS Cờ

Mỗi khung được mở đầu và kết thúc bằng một cờ hiệu với dãy bit

01111110 Dãy bit này đảm bảo không bao giờ xuất hiện trong các phần thông tin khác qua phương pháp nhồi bit, tức là cứ sau một dãy 5 bit có giá trị

1 thì một bit 0 được bổ sung vào

Ô địa chỉ tiếp theo chứa địa chỉ bên gửi và bên nhận Tuỳ theo cách gán địa chỉ 4 hoặc 8 bit (tương ứng với 32 hoặc 256 địa chỉ khác nhau), ô này có chiều dài là 8 hoặc 16 bit

Giao thức UART:

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) là một vi mạch

điện tử được sử dụng rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song song/nối tiếp giữa đường truyền và bus máy tính UART cho phép lựa chọn giữa chế độ truyền một chiều, hai chiều đồng bộ hoặc hai chiều không đồng bộ Việc truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit,

được bổ sung 2 bit đánh dấu đầu cuối và một bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ

2.3.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP

Khái niệm TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet

Ta có thể sắp xếp các chức năng truyền thông cho TCP/IP thành năm lớp:

- Lớp ứng dụng: thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng

dụng khác nhau Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt

- Lớp vận chuyển: Cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển môt cách

tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc đặc tính của các ứng dụng sử dụng

dữ liệu Chính vì thế, cơ chế này được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung, được gọi là lớp vận chuyển Có thể nói, TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục

vụ việc thực hiện chức năng nói trên TCP hỗ trợ trao đổi dữ liệu trên

cơ sở dịch vụ có nối

- Lớp Internet: Lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa

nhiều mạng được liên kết với nhau Giao thức IP được sử dụng ở chính lớp này Giao thức IP được thực hiện không những ở các thiết bị đầu cuối, mà còn ở các bộ router Một router chính là một thiết bị xử lý giao thức dùng để liên kết hai mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ

một mạng này sang một mạng khác, trong đó có cả nhiện vụ tìm đường

đi tối ưu

- Lớp truy nhập mạng: Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi

dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm tra lỗi và lưu thông dữ liệu, giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI

- Lớp vật lý: Lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ

liệu (ví dụ máy tính PC, PLC) với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong

đó các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu trúc cơ học các phích cắm/giắc cắm

2.3.4 Kiến trúc giao thức OSI (Open System Interconnection)

Năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standard Organization) đã đưa ra một kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498, được gọi là mô hình qui chiếu OSI nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng tương tác OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới

Theo mô hình OSI, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được chia thành 7 lớp, tương ứng với mỗi lớp dịch vụ là một lớp giao thức Các lớp này có thể do phần cứng hay phần mềm thực hiện, tuy nhiên chuẩn này không đề cập tới chi tiết một đối tác truyền thông phải thực hiện từng lớp đó như thế nào Một lớp trên thực hiện dịch vụ của mình trên cơ sở

sử dụng các dịch vụ ở một lớp phía dưới và theo đúng giao thức qui định tương ứng Thông thường, các dịch vụ ở cấp thấp do phần cứng (các vi mạch điện tử) thực hiện, trong khi các dịch vụ cấp cao do phần mềm (hệ điều hành, phần mềm điều khiển, phần mềm ứng dụng) đảm nhiệm Một lớp bất kỳ trong

7 lớp có thể thay đổi trong cách thực hiện mà không ảnh hưởng đến các lớp

khác nếu nó giữ nguyên giao diện với các lớp trên và lớp dưới nó Các lớp trong mô hình quy chiếu OSI và quan hệ giữa chúng được minh hoạ trong hình vẽ 2.2

Tương ứng với mỗi lớp là một nhóm chức năng đặc trưng cho các dịch

vụ và giao thức, các lớp ở đây chính là các lớp chức năng trong thành phần giao diện mạng của một trạm thiết bị, bao gồm cả phần cứng ghép nối và phần mềm cơ sở Chức năng của các lớp được mô tả như sau:

Lớp ứng dụng (application layer):

Lớp ứng dụng là lớp trên cùng của mô hình OSI, có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng

và các chương trình ứng dụng, các hàm chức năng trao đổi thông tin, các dịch

vụ truyền thông Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm Một số thiết bị trường hiện nay không những mang tính chất của dịch vụ truyền thông mà còn được tích hợp một số chức năng như xử lý thông tin, điều khiển tại chỗ còn được gọi là các thiết bị trường thông minh Đây chính xu hướng mới trong việc chuẩn hoá lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường, hướng tới cấu trúc điều khiển phân tán

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp vận chuyển

Lớp mạng

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lý

H2.2 : Mô hình qui chiếu ISO/OSI

Đường đi của dữ liệu

á

Bên nhận

Các chương trình ứng dụng Các chương trình ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu (presentation layer):

Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn, nhằm tạo điều kiện cho các đối tác truyền thông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau Ngoài ra, lớp này còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật

dữ liệu, ví dụ qua phương pháp sử dụng mã khoá

Nếu như cách biểu diễn dữ liệu được thống nhất, chuẩn hoá thì chức năng này không nhất thiết phải tách riêng thành một lớp độc lập mà có thể kết hợp thực hiện trên lớp ứng dụng để đơn giản hoá và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức Đây chính là một đặc trưng trong các hệ thống bus

trường

Lớp kiểm soát nối (session layer):

Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm các việc tạo lập, quản lý và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng đối tác Mối liên kết giữa các chương trình ứng dụng mang tính chất logic Một mối liên kết vật lý (giữa hai trạm hay giữa hai nút mạng) có thể tồn tại song song dưới dạng nhiều đường nối logic Thông thường kiểm soát nối thuộc chức năng của hệ điều hành Để thực hiện các đường nối giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạo các quá trình tính toán song song Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính toán này đối với việc sử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểm soát nối Vì vậy lớp này còn được gọi là lớp đồng bộ hoá

Lớp vận chuyển (Transport layer):

Khi một khối dữ liệu được chuyển đi thành từng gói, cần phải đảm bảo tất cả các gói đều đến đích và theo đúng trình tự lúc chúng được chuyển đi

Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả việc khắc phục lỗi và việc điều khiển lưu thông Nhờ vậy mà các lớp trên có thể thực hiện được các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm tới cơ chế vận chuyển cụ thể

Lớp mạng (Network layer):

Trong mạng diện rộng WAN là sự liên kết của nhiều mạng tồn tại độc lập Mỗi mạng đều có một không gian địa chỉ và cách đánh địa chỉ riêng, sử dụng công nghệ truyền thông khác nhau Một bức điện từ đối tác này sang đối tác khác của một mạng khác có thể có nhiều đường đi khác nhau Vì vậy thời gian, quãng đường vận chuyển và chất lượng cũng khác nhau Chức năng của lớp mạng là tìm một đường đi tối ưu cho việc vận chuyển dữ liệu, giải phóng

sự phụ thuộc của các lớp phía trên vào phương thức chuyển giao dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau

Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer):

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng truyền dẫn dữ liệu một cách tin cậy thông qua mối liên kết vật lý, trong đó bao gồm việc điều khiển truy cập môi trường truyền dẫn và bảo toàn dữ liệu Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phía trên được đóng gói thành các bức điện có chiều dài hợp lý Các khung dữ liệu này chứa các thông tin bổ sung phục vụ cho mục đích kiểm soát lỗi, kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá Lớp liên kết dữ liệu bên phía nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này để xác định tính chính xác của

dữ liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôi phục lại thông tin để chuyển tiếp lên lớp trên nó

Lớp vật lý (Physical layer):

Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thông của một trạm thiết bị Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn

dữ liệu bằng phương tiện vật lý

2.4 PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP BUS

2.4.1 Các khái niệm cơ bản

Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền Để tránh sự xung đột về đường truyền gây sai lệch về thông tin, mỗi thời điểm trên đường truyền chỉ có duy nhất một bức điện được phép truyền đi Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi

Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống bus Mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống đặc biệt là độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền

- Độ tin cậy ở đây chính là độ tin cậy của cả hệ thống

- Hiệu suất sử dụng đường truyền chính là khả năng có thể khai thác, sử dụng đường truyền

Tính năng thời gian thực chính là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy Hai yếu tố liên quan đến việc đánh giá tính năng thời gian thực là thời gian đáp ứng tối đa và chu kỳ bus Thời gian đáp ứng tối đa với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần

để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thông chính lặp lại như cũ Chu kỳ bus chính là cơ sở cho việc chọn chu kỳ vòng quét cho các PLC đóng vai trò trạm chủ Có thể phân loại cách truy

nhập bus thành hai phương pháp là phương pháp tiền định và phương pháp ngẫu nhiên

Với các phương pháp tiền định có trình tự truy nhập bus được xác định

rõ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (đối với phương pháp Master/Slave) và theo sự qui định trước về thời gian (đối với phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương pháp Token Passing)

Các phương pháp ngẫu nhiên có trình tự truy nhập bus không được qui định chặt chẽ mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viên trong mạng có thể truy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào Có những phương pháp để tránh sự xung đột như phương pháp nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA) Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra thì ít nhất một trạm phải ngừng gửi và phải chờ một khoảng thời gian trước khi thử lại Sau đây là cụ thể về các phương pháp

2.4.2 Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave)

Theo phương pháp này, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (Slave) Các trạm tớ

H2.3 : Phân loại các phương pháp truy nhập bus

Truy nhập ngẫu nhiên Truy nhập tiền định

Phương pháp truy nhập bus

Kiểm soát tập trung

Master / Slave TDMA

Kiểm soát phân tán Token Passing

Nhận biết xung đột CSMA/CD

Tránh xung đột CSMA/CA