Giải thích khỏi niệm về hệ thống SCADA và các lĩnh vực ứng dụng của điều khiển SCADA. 1.2 Phân tích cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA 1.3 Phân tích Các đặc tính chính của hệ thống SCADA hiện đại 1.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA 1.5 Phân tích những nguyên tắc cơ bản trong thiết kế giao diện người–máy 1.6 Phân tích ảnh hưởng của mầu sắc và chữ viết trong thiết kế giao diện người máy
Trang 1Chơng 1 Giới thiệu về hệ thống SCADA
1.1 Khái niệm
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một
hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Ngời vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, SCADA thờng đợc dùng để chỉ tất cả các
hệ thống máy tính đợc thiết kế để thực hiện các chức năng sau:
Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến
Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập
đợc
Hiển thị các dữ liệu thu thập đợc và kết quả đã xử lý
Nhận các lệnh từ ngời điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy
Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác
1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA
Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông
1.2.1 MTU (Master Terminal Unit)
MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực
tế nó thờng là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với ngời điều hành và RTU thông qua khối truyền thông Ngoài ra MTU còn đợc kết nối với các thiết bị ngoại vi nh monitor, máy in
và có thể kết nối với mạng truyền thông
Nhiệm vụ của MTU bao gồm:
Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ ngời
điều hành
Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU
Trang 2 Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng nh trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho ngời
điều hành giám sát và điều khiển
Lu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống
1.2.2 RTU (Remote Terminal Unit)
RTU thu nhận thông tin từ xa, thờng đặt tại nơi làm việc
để thu nhận dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trờng nh các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để
xử lý và thông báo cho ngời điều hành biết trạng thái hoạt
động của các thiết bị hiện trờng Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị
Thông thờng các RTU lu giữ thông tin thu thập đợc trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hớng của MTU
1.2.3 Khối truyền thông
Là môi trờng truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng và phần mềm
Phần cứng: là các thiết bị kết nối nh modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây_ wireless), các trạm lặp (trong trờng hợp truyền đi xa)
Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình đợc dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau
CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức có thể là giao thức mở nh TCP\IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin đợc tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI đợc sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận
Trang 3dạng mã trong dữ liệu truyền Dữ liệu này đợc biên dịch và đợc CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ
1.3 Hệ thống SCADA hiện đại
Cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông nh mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET và cả mạng Internet Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet Mặt khác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC
có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các
điểm cục bộ Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệ thống SCADA
1.3.1 Cấu trúc hệ thống hiện đại
Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới đợc xây dựng theo cấu trúc phân bố, trong đó máy chủ đợc phân bố trên một số các bộ xử lý đợc nối với nhau thông qua mạng cục bộ (LAN) Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất định nh: thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một
số bộ xử lý dùng để dự phòng
Hệ thống đợc thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client – Server
Với:
IOS: module các ngõ vào ra dữ liệu (Data Input/Output Modules)
MMI: module giao tiếp giữa ngời và máy (Man- Machine Interface)
HDC: module lu trữ dữ liệu thu thập đợc trong quá khứ (Historical for Data Collection Storage)
GW: cổng giao tiếp cho mạng LAN (Gateway for Inter-LAN Comunication)
Trang 4 APPS: module tính toán và xử lý ứng dụng (Aplication Calculation and Processing Module)
1.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống
Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau:
Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển
Có hệ thống lu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu
Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System)
Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP
Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp
Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác
Khả năng tích hợp tín hiệu Video động
Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng nh giữa các Server và Client
1.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa ngời và máy
Về phần giao tiếp giữa ngời và máy, các hệ thống SCADA ngày nay đợc trang bị các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit), hiển thị đầy đủ hình ảnh đồ họa của các quá trình Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và bàn phím, các nút điều khiển đợc thay thế bằng các biểu tợng (Icon) trên màn hình Chúng đợc tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tợng trên màn hình đối với
Các thiết bị đó giúp cho ngời điều hành có khả năng:
Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị
Nhanh chóng xem đợc chi tiết các thông tin đợc cập nhật
Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình
hệ thống
Trang 5 Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng nh nhận biết dữ liệu (Ví dụ: các màu khác nhau cho các trạng thái khác nhau)
Ngoài ra các VDU chạy trên môii trờng Windows hay Windows-X còn giúp điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, và truy cập đợc các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau
Về các RTU, không còn là những thiết bị thụ động nữa
mà chúng làm nhiệm vụ thu thập và lu giữ dữ liệu vùng Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển đợc thực hiện tại các RTU
Nhiều loại thiết bị có thể đợc nối vào các RTU nh: PLC, máy đo lu lợng, thiết bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa… Các RTU có thể đợc kết nối theo kiểu phân bố hoặc kiểu phân cấp Dữ liệu của các RTU đợc xử lý tại trạm chủ
Về cơ sở dữ liệu, các dữ liệu đợc lu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa đợc tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng nh các cảnh báo Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng đợc phân bố Cơ
sở dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin (Managerment Information System) và hệ thống thông tin địa
lý GIS (Geographic Information System) Ngoài ra, các dữ liệu
có thể đợc bảo mật bằng các password
1.4 Mạng SIMATIC
1.4.1 Mạng con (subnet)
Subnet là toàn bộ các thành phần vật lý cần thiết để xây dựng thành một đờng truyền dữ liệu cũng nh các thủ tục cần
1.4.2 Các lĩnh vực ứng dụng của các subnet
SIMATIC cung cấp các mạng truyền thông thích hợp cho các yêu cầu khác nhau:
- Industrial Ethernet
- PROFIBUS
- MPI
- Giao tiếp AS
Trang 6Cấp quản lý/quản trị (Management Level):
ở cấp quản trị, các công việc giám sát đợc xử lý ảnh hởng
đến toàn bộ các công việc (các chức năng quản trị) Chúng bao gồm lu giữ các giá trị quá trình, tối u hóa và phân tích các chức năng xử lý, cũng nh xuất các kết quả thành các báo cáo Dữ liệu cần cho các báo cáo này đợc thu thập từ nhiều chỗ
và đã đợc xử lý Từ cấp quản lý, có thể truy cập các chỗ khác Số trạm có thể lớn hơn 1000
Cấp cell
ở cấp cell, các chức năng tự động hóa và tối u hóa đợc xử
lý tự động ở cấp này các PLC, PC và HMI (Human Machine Interfaace) đợc nối kết lại với nhau
Cấp field
Cấp field là nối kết giữa những nơi lắp đặt máy móc và các PLC Các thiết bị trờng (field device) đo lờng, báo hiệu và phát các lệnh từ cấp cell đến các máy móc Thờng thì chuyển các khối dữ liệu nhỏ ở cấp này thì thờng sắp xếp truyền thông phân cấp, nghĩa là nhiều thiết bị trờng truyền thông với một master
Cấp Actuator/Sensor
ở cấp này thì master truyền thông với các actuator và sensor đợc nối vào subnet Đặc tính chính của nó là thời gian
đáp ứng nhanh với số bit dữ liệu nhỏ
1.4.3 Các subnet trong SIMATIC
SIMATIC cung cấp các subnet sau đây mà chúng đạt đợc các yêu cầu của các cấp hệ thống tự động khác nhau (cấp quản trị, cấp cell, cấp trờng và cấp actuator/sensor)
MPI (Multipoint Interface)
MPI là một subnet cho một phủ nhỏ và một số ít các trạm cho cấp cell và cấp field MPI là giao tiếp đa điểm trong các
hệ thống SIMATIC S7 Nó đợc thiết kế nh giao tiếp thiết bị lập
Trang 7trình và dùng để nối mạng một số ít CPU nhằm để trao đổi các khối dữ liệu nhỏ
PROFIBUS
PROFIBUS là mạng cho cấp cell và field trong hệ thống truyền thông mở của SIMATIC Có hai phiên bản PROFIBUS:
PROFIBUS-DP fieldbus (DP= Distributed I/O) để trao đổi dữ liệu tuần hoàn tốc độ cao, và PROFIBUS PA (PA= Process Actumation) cho các ứng dụng vốn có sẵn an toàn
PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link) hoặc PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) trong cấp cell để trao đổi dữ liệu tốc độ cao với các cộng sự truyền thông có quyền b”ng nhau
Industrial Ethernet
Industrial Ethernet là mạng cho cấp quản trị và cấp cell trong hệ truyền thông mở SIMATIC Industrial Ethernet thích hợp cho việc trao đổi dữ liệu có lợng dữ liệu lớn
Giao tiếp AS
Giao tiếp AS hay giao tiếp actuator/sensor (đợc viết tắt là AS-I hay ASI) là hệ subnet cho các cấp quá trình thấp nhất trong các hệ thống tự động Nó đợc thiết kế đặc biệt cho kết nối giữa các sensor và actuator nhị phân Lợng dữ liệu bị giới hạn ở 4 bit cho một trạm slave
1.5 Các ứng dụng của hệ thống SCADA
Ngày nay hệ thống SCADA đợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:
Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng, nhà máy điện, các nhà máy chế biến thực phẩm, nớc giải khát
Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân bay, bến cảng
Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí
Trang 8 Hệ thống SCADA cho nhà máy nớc, xử lý chất thải, các kho xăng dầu
Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lới điện Ngoài ra, hệ thống SCADA còn đợc ứng dụng để giám sát
và điều khiển trong các nhà máy hạt nhân và trong các ngành
kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác
1.6 Những nguyên tắc cơ bản trong thiết kế giao diện ngời–máy
Giao diện ngời – máy
công nghiệp (Human –
Machine Interface, HMI) là hệ
thống thiết bị và phần mềm
hỗ trợ con ngời theo dõi quá
trình các diễn biến của kỹ
thuật, trạng thái, và các th”ng số làm việc của các thiết bị trong
hệ thống, qua đó có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp tới hệ thống điều khiển - tự động hoá phía dới
Giao diện ngời - máy là cửa sổ để ngời vận hành nhìn vào chi tiết vận hành của cả hệ thống máy móc bên dới mà chỉ qua những giác quan thông thờng không thể nắm bắt đợc Giao diện ngời–máy cũng là một trong những thành phần chính của hệ thống SCADA Thiết bị giao diện ngời-máy đợc
sử dụng trong tự động hoá công nghiệp đợc chia làm hai loại chính: các thiết bị HMI chuyên dụng và máy tính cá nhân Có thể nói, sử dụng loại thiết bị nào thì vai trò quan trọng nhất cũng đều nằm ở phần mềm Ngày nay, hầu hết phần mềm giao diện ngời-máy đợc xây dựng dựa trên các kỹ thuật đồ hoạ hiện đại
Phần mềm giao diện ngời-máy có thể đợc xây dựng theo phơng pháp cơ bản: Lập trình với một ngôn ngữ thông dụng
(ví dụ sử dụng Visual Basic, Visual C++, Visual CĐ, Delphi, …)
hoặc sử dụng một công cụ phần mềm SCADA/HMI chuyên dụng
(WINCC, iFIX, InTouch, …) Đối với các dự án qui mô nhỏ, những
ngời có kinh nghiệm lập trình muốn tiết kiệm chi phí thờng
Trang 9đi theo cách thứ nhất Song đối với qui mô vừa và lớn, nơi mà tính hiệu quả đợc đặt lên hàng đầu, thì vai trò của công cụ phần mềm SCADA/HMI chuyên dụng là không thể thiếu đợc Các công cụ chuyên dụng hỗ trợ phát triển một ứng dụng HMI bằng cách soạn thảo hay cấu hình thay vì phải lập trình, vì thế cho phép rút ngắn tối đa thời gian thiết kế và thi công
Bên cạnh chất lợng của các hệ thống đo lờng, hệ thống
điều khiển tự động và hệ thống chấp hành thì chất lợng của
hệ thống HMI cũng có ảnh hởng quyết định tới khả năng vận hành an toàn, tin cậy và hiệu quả của cả dây chuyền sản xuất Nhng dù cho đợc phát triển bằng phơng pháp nào, công cụ nào thì chất lợng của một phần mềm HMI đều phụ thuộc một cách quyết định vào thiết kế
1.6.1 Yêu cầu chung
Thiết kế cho một sản phẩm dùng đợc thì không khó nhng thiết kế cho một sản phẩm có chất lợng, đợc khách hàng chấp nhận là một việc hoàn toàn không dễ Vấn đề nằm ở nhiều mặt Trớc hết thiết kế HMI là một công việc đòi hỏi hiểu biết kiến thức liên ngành: điều khiển tự động, qui trình công nghệ, mỹ thuật công nghiệp và tâm lý học công nghiệp và công nghệ phần mềm Giao diện ngời-máy công nghiệp có những yêu cầu cao, phần mềm HMI thờng do các kỹ s điều khiển, tự động hoá hoặc tin học công nghiệp thiết kế và thi công Chất lợng của một phần mềm HMI công nghiệp, quan trọng nhất là phù hợp với mục đích sử dụng, thể hiện ở những yêu cầu chung nh sau:
- Tính đơn giản, dễ sử dụng (easy-to-use): Hiệu quả và
độ tin cậy của việc vận hành hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào tính chất đơn giản, dễ sử dụng của phần mềm HMI Tính
đơn giản là một trong những nguyên tắc tối cao của mỗi hệ thống kỹ thuật
- Tính bền vững, khó gây nỗi: Phần mềm không cho phép một thao tác đơn giản của ngời vận hành có thể gây ra
lỗi trầm trọng trong hệ thống (ví dụ chỉ nháy một phím nhỏ
Trang 10mà đã vô tình có thể dừng ngay hệ thống, hay nhập một giá trị đặt lớn hơn giá trị ngỡng mà không có thông báo gì).
- Tính thông tin cao: Tính thông tin đợc hiểu là lợng thông tin hữu ích một ngời vận hành thu nhận đợc trên một đơn vị diện tích biểu diễn trong một đơn vị thời gian Tính thông tin có tính quyết định tới thời gian phản ứng và hiệu quả vận hành hệ thống Tính thông tin không những phụ thuộc vào
dạng biểu diễn (hình ảnh, lời viết, con số, âm thanh …), mà còn phụ thuộc vào nội dung thông tin đợc biểu diễn (trạng thái
logic hay giá trị thực, giá trị mờ hay giá trị rõ, lợng thông tin nhiều hay ít,…) và hình thức biểu diễn (mầu sắc, kích cỡ, hiệu ứng …) Vấn đề khó nhất ở chỗ làm sao để thoả hiệp
giữa những yếu tố nêu trên Ví dụ, chữ to thì khả năng thu nhận thông tin nhanh hơn nhng lợng thông tin đợc biểu diễn lại
ít, một giá trị rõ biểu diễn thông tin đầy đủ hơn nhng khả năng thu nhận kém hơn một giá trị mờ
- Tính nhất quán: Các kỹ thuật sử dụng phần tử tơng tác, phơng pháp biểu diễn thông tin, các qui tắc trong thao tác vận hành phải nhất quán trong mỗi trang màn hình và trong toàn
hệ thống Ví dụ, thông báo báo động thể hiện bằng mầu đỏ thì có nghĩa là ở mọi chỗ, mọi thời điểm cũng phải nh vậy,
một phím bấm có nghĩa là “ra lệnh” thì không thể dùng cho
việc chỉ hiển thị thông tin
- Đẹp, nhã nhặn: Cuối cùng thì một phần mềm giao diện ngời-máy cũng phải đẹp thì mới coi là có chất lợng Cái đẹp
ảnh hởng đến tâm lý của ngời vận hành, nó làm cho ngời ta
dễ chịu hơn và thao tác vận hành chính xác hơn, nhng cũng
có thể làm cho ngời ta bị thu hút quá vào cái đẹp màn hình
đồ hoạ mà mất tập chung vào c”ng việc chính là thao tác vận hành Cái đẹp chỉ là phơng tiện để đạt mục đích vận hành hiệu quả, chứ kh”ng phải là mục tiêu Vì thế cái đẹp ở đây phải là nhã nhặn, chứ không đợc phép mầu mè, loè loẹt Một trang màn hình phải đẹp nh một bản vẽ kiến trúc chứ không phải đẹp nh một bức hội hoạ
1.6.2 Phân cấp màn hình