He thong SCADA dien rong ung dung trong linh vuc khi tuong thuy van

He thong SCADA dien rong ung dung trong linh vuc khi tuong thuy van

HỆ THỐNG SCADA DIỆN RỘNG ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN (DESIGN OF SUPERSCADA FOR ENVIRONMENT MONITORING)

ThS.NGUYỄN THỊ NGỌC ANH, PGS.NGUYỄN NGỌC LÂM (*), ThS.TRẦN VIẾT THẮNG

Khoa Cơ - Điện – Điện tử, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh

* Viện NC Điện tử, Tin học và Tự động hoá (VIELINA)

TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA diện rộng cho kiểm soát thông số khí tượng thủy văn (KTTV) trong điều kiện Việt Nam

Hệ thống được xây dựng nhằm thu thập - truyền số liệu, kiểm soát và cung cấp các dữ liệu khí tượng - thuỷ văn và môi trường một cách khách quan, kịp thời, chính xác Hệ thống được thiết

kế có tính mở, cho phép kết nối các thiết bị đo hiện đại hoặc thiết bị nhiều thế hệ đang có tại Trạm thành 1 hệ thống đồng bộ, mềm dẻo và có giá thành thấp

Trên cơ sở khảo sát thực tế và xác định các thông số KTTV cần thu thập, các tác giả đã đề xuất một mô hình tự động hoá phù hợp với điều kiện phát triển ở Việt Nam kiểu SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống OPTO 22

Hệ thống được thiết kế gồm các phần:

- Các bộ chuyển đổi chuẩn hoá cho phép ghép nối các thiết bị hiện có tại các trạm KTTV

với thiết bị tự động OPTO-22 (Bộ chuyển đổi U-I / TRANS420 cho thiết bị có lối ra là tín

hiệu điện dạng tương tự, như máy phát đo tốc độ gió, điện thế từ cảm biến nhiệt, điện thế

từ pin mặt trời,…; Bộ ghép nối máy đo gió điện WSD-01; Bộ ghép nối máy đo gió đơn giản WD-02; Bộ chuyển đổi tốc độ con quay gió thành tín hiệu điện WS-02; Bộ chuyển đổi đo mưa với vũ kế điện (RF-01); Bộ đo mưa với vũ kế phao (RF-02): Máy đo phông vũ trụ; Bộ điều khiển PSCTRL-01 cấp nguồn cho Trạm từ Trung tâm) Phương pháp này cho phép khai thác tối đa các thiết bị đo lường quy chuẩn đang có trên trạm, cho phép tiết kiệm đầu tư, nâng cao hiệu quả khai thác

- Thiết bị Trạm và Trung tâm trên cơ sở hệ thống OPTO 22

- Phần mềm biên soạn kết nối Trung tâm với các Trạm hoạt động theo kiểu phụ thuộc (master/slave) hoặc ngang bằng (client/server)

Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm hiện trường chứng tỏ hệ thống có tính hợp lý, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam Hệ thống hoạt động tin cậy và có khả năng ứng dụng thực tiễn

ABSTRACT DESIGN OF SUPERSCADA FOR ENVIRONMENT MONITORING

The research results of the setting up SuperSCADA for the environment monitoring using in Vietnam conditions is presented

The system is designed to objectively, timely and exactly acquire, process and control hydro-meteorological data The opened system’s configuration resolves the connection of several of various equipments – modern or old ones that having in the stations – into the overall, flexible and inexpensive system

The system includes the followings

- Standardization transducers for several hydro meteorological equipment such as a temp.meter, a wind speed and direction meter, rain meter, …) This approach allows to reduce the investment and to rise the possibility of the equipment’s employment

- The OPTO-22 based automation system for workstations and center

- Software is prepared by the master/slave or client/server types

The system was experimented and given the reliability results

1 MỞ ĐẦU:

Dữ liệu khí tượng- thuỷ văn (KTTV) và mơi

trường cĩ 1 tầm quan trọng trong dự báo khí

hậu-thiên tai và là yêu cầu cấp thiết cho các ngành

kinh tế đang phát triển, đặc biệt là các ngành khai

thác dầu khí, hàng khơng, kiểm sốt mơi

trường Hiện nay, ở nhiều Trạm KTTV trong

nước, việc quan trắc được thực hiện chủ yếu theo

các loại máy đo riêng rẽ, quan trắc viên định kỳ

đọc số liệu từ máy mĩc, ghi chép và chuyển về

Trung tâm qua vơ tuyến hoặc điện thoại Như

vậy, các số liệu này được thu nhận và xử lý cĩ

thể khơng khách quan và kịp thời, nhất là trong

điều kiện biến động thời tiết cĩ giơng bão Trong

những năm gần đây, hệ thống SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition -

Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) bắt đầu

du nhập vào nước ta và ngày càng đĩng vai trị

quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác

nhau như các hệ thống cấp nước, năng lượng, xử

lý chất thải, sản xuất,

Việc xây dựng một hệ thống SCADA để điều

khiển giám sát và thu thập dữ liệu khí tượng -

thuỷ văn và mơi trường một cách khách quan,

kịp thời, chính xác là một nỗ lực cần thiết nhằm

nâng cao mức tự động hố cho hệ thống cĩ tính

tổng hợp, hoạt động tin cậy, giá thành khơng cao,

cĩ khả năng áp dụng trong điều kiện Việt Nam

Mơ hình ứng dụng cho lĩnh vực khí tượng thuỷ

văn được xây dựng dựa trên các Quy Phạm

94TCN5-90 về quan trắc bức xạ, về quan trắc khí

tượng bề mặt của Tổng cục Khí Tượng Thuỷ

văn và một số tiêu chuẩn về mơi trường của các

Bộ - Ngành liên quan đã ban hành /1,2/

2 THIẾT KẾ HỆ THỒNG:

Các thơng số đo đạc tại trạm khí tượng mặt đất

bao gồm: hướng giĩ, tốc độ giĩ, lượng mưa–diện

tích thu, nhiệt độ đất và khơng khí, cường độ bức

xạ mặt trời, thời gian chiếu sáng, độ ẩm khơng

khí, áp suất khí quyển, cường độ phơng bức xạ

vũ trụ Các thơng số đo đạc tại Trạm thuỷ văn:

mức nước sơng, ao, hồ và tốc độ dịng chảy

2.1 Thiết kế cấu hình:

Hệ thống được xây dựng trên cơ sở khảo sát nhu

cầu thực tế cho đối tượng ứng dụng của hệ thống

là mạng 25 Trạm thuộc các tỉnh phía Nam với

Trung tâm là Đài Khí Tượng Thuỷ văn Khu Vực

Nam Bộ ở thành phố Hồ Chí Minh và khảo sát

các hệ thống SCADA /3/ trong các ứng dụng

Thiết bị tự động của OPTO 22 được lựa chọn để xây dựng mạng kiểm sốt thơng số KTTV Hệ thống OPTO 22 thực hiện đưa máy tính vào thành một trung tâm điều khiển hệ thống, cho phép khai thác tối đa các phần mềm khác đã cĩ, với ưu thế cĩ hệ thống hiển thị mạnh, cĩ tính năng đồ hoạ xử lý thời gian thực Cấu hình lựa chọn được trình bày trên hình 1

TRUNG TÂM KIỂM SOÁT KTTV

Đường Điện thoại

PC/kiểm soát RTU

PC/Data base

OptoControl OptoDisplay

OptoServer Users

Mo-Dem

Mo-Dem

Thu Phát

Thu Phát

G4LC 32ISA

TRẠM KIỂM SOÁT KTTV-1

TRẠM KIỂM SOÁT KTTV-2

TRẠM KIỂM SOÁT KTTV-n

B3000

B3000

B3000

M4RTU

M4RTU

M4RTU

Mo-Dem

Mo-Dem

Mo-Dem

Thu Phát

Thu Phát

Thu Phát

Đường điện thoại

Đường điện thoại

Đường điện thoại

OPTO 22

OPTO 22

OPTO 22

Hình 1 Hệ thống SCADA kiểm sốt KTTV

Hệ thống bao gồm:

• Các bộ chuyển đổi được thiết kế, chế tạo để ghép nối tất cả các máy KTTV hiện cĩ trong nước vào Trạm và mạng OPTO 22 Cách làm này tạo một hệ thống mở, cho phép khai thác các thiết bị hiện cĩ, khơng làm thay đổi đặc trưng đã được kiểm chuẩn của thiết bị KTTV đang sử dụng, cho phép nhanh chĩng và tiết kiệm khi xây dựng mạng

• Hệ SCADA cục bộ, là các hệ con để quản lý các Trạm KTTV

• Thiết bị Trung tâm, quản lý các hệ con để tạo thành hệ thống SCADA tồn cục

• Phần mềm SCADA cho hệ thống

Hệ thống tự động hĩa cơng nghiệp MISTIC trên

cơ sở máy vi tính của OPTO 22 /4/ kết hợp phần mềm phát triển hệ thống năng động, trực quan FactoryFloor chạy trên Microsoft Windows, với phần cứng là các khối chức năng chuyên biệt giao tiếp Vào/Ra thơng minh Hệ thống dễ dàng phân cấp từ một bộ điều khiển đơn chiếc cho tới một hệ thống điều khiển phân tán lớn Nĩ được thiết kế làm việc hồn hảo với hệ điều hành Microsotf Windows NT, các sản phẩm

Back-Office và các công cụ phần mềm văn phòng để

cung cấp một giải pháp tự động hóa SCADA mở,

hiệu quả cho sự phối hợp giữa hệ thống quản lý

kỹ thuật với hệ thống quản lý hành chính

• OPTO 22 cho phép thực hiện các hệ thống

điều khiển phân tán, liên kết các bộ điều khiển

công nghệ và xử lý dữ liệu nằm rải rác ở nhiều

điểm khác nhau (lên tới 18000 điểm với khoảng

cách giữa chúng không hạn chế) thành một thể

thống nhất Đó là mạng điều khiển nhiều nút

gồm có các Host PC, các WorkStation MMI, các

Mistic Controller, I/O Units, và Mistic RTU,

cũng như SQL Server DataBase thông qua các

đường truyền thông theo các chuẩn 232,

RS-485, ArcNet, Ethernet, ArcNet Fiber Optic, và

các loại Modem cũng như các chuẩn thiết lập

mạng miền rộng hiện nay như FDDI, ATM…

Việc liên kết các Trạm thông qua mạng Ethernet

có thể mở rộng tới vô số Trạm (kiểu như

Internet), số đường truyền ít, chi phí tổ chức

mạng thấp, giảm chi phí lập trình, dễ bảo dưỡng,

sửa chữa

OPTO 22 có phần cứng là các bộ điều khiển

(Mistis Controllers) M4RTU và các module

vào/ra (I/O Bricks) cắm ở trên Controller, có thể

liên kết với các I/O modules mở rộng theo chuẩn

RS-485 hay các phương thức truyền thông khác

Các Controller thực hiện điều hành hệ thống hoạt

động, liên kết với máy vi tính, là nơi lưu trữ và

thực hiện các chương trình điều khiển hệ thống

đã được phát triển (Strategy), tương tác với các

thiết bị ngoài thông qua các I/O Bricks và I/O

Modules Khung mở rộng (SNAP) cho phép lắp

đặt bổ sung các thiết bị vào/ra thông minh Các

máy tính của hệ được liên kết qua mạng máy

tính, ví dụ Ethernet

Thiết bị tại Trung tâm mạng SCADA có bộ điều

khiển G4LC32ISA PROCESSOR và các phần

mềm nguồn Factory Floor, cho phép tổ chức hoạt

động mạng SCADA ở mức cao Phần mềm

nguồn gồm 3 khối là OptoControl phục vụ cho

xây dựng phần mềm điều khiển, OptoDisplay –

phục vụ hiển thị và đồ hoạ và OptoServer – xây

dựng mạng khai thác cơ sở dữ liệu của OPTO 22

Môi trường phần mềm của Factory Floor hỗ trợ

các modem, khả năng liên kết 2 chiều (từ máy

chủ đến M4RTU/DAS, từ M4RTU/ DAS đến

máy chủ) và việc truyền thông ngang hàng Nó

còn hỗ trợ việc nạp các phần mềm điều khiển cơ

sở từ xa đến bộ nhớ Flash EEPROM, nạp các

chương trình từ xa, gỡ rối và nạp dữ liệu từ xa

2.2 Thiết kế các bộ chuyển đổi thông số KTTV:

Khảo sát các thiết bị đo của các Trạm KTTV cho thấy chúng có các mức công nghệ và chủng loại rất khác nhau Để có thể khai thác chúng, phương thức ghép nối lựa chọn như sau:

• Những thiết bị có lối ra điện, có thể ghép trực tiếp với OPTO 22

• Thiết kế các bộ chuyển đổi chuẩn hoá ứng dụng tổng quát như trình bày ở dưới (hình 2):

¾ Bộ chuyển đổi U-I / TRANS420: Dùng cho

các thiết bị đo thông số KTTV có lối ra là tín hiệu điện dạng tương tự, ví dụ, điện thế ra từ máy phát đo tốc độ gió, điện thế từ cảm biến nhiệt, điện thế từ pin mặt trời, …Bộ chuyển đổi TRANS420 được thiết kế để phối hợp khoảng thế đo từ lối ra máy đo và tạo máy phát dòng ra tương ứng tỷ lệ với điện thế vào Đặc trưng: điện thế vào 0÷10V (max tới 40V), dòng ra tương ứng từ 4÷20mA, độ tuyến tính 0.1%

¾ Bộ ghép nối máy đo gió điện WSD-01 với hệ

OPTO-22: Máy đo gió điện thường là con

quay gió có trục gắn với dinamo phát điện và một phong tiêu xác định hướng gió có trục gắn với chuyển mạch quét Phần đo tốc độ gió, điện thế từ máy phát điện được chỉnh lưu, qua biến trở để đưa trực tiếp vào khối đo thế tương

tự của OPTO-22 hoặc nhờ khối TRANS420 để biến thành dòng cho khối đo dòng của OPTO

22 Phần chỉ thị hướng gió, bộ chuyển đổi chứa

1 DAC 8 bit với các giá trị dòng theo bước từ 0.7 đến 10.5mA Tuỳ vị trí chuyển mạch của máy đo gió, dòng tương ứng chảy qua tiếp điểm đóng vào điện trở của mạch OPTO-22, tạo giá trị điện thế tương ứng gửi vào

OPTO-22 để xác định và hiển thị thông số gió

¾ Bộ ghép nối máy đo gió đơn giản WD-02:

Máy đo gió đơn giản gồm phong tiêu chỉ hướng gió và tấm bảng có thể quay nâng để xác định sức gió bằng mắt Bộ chuyển đổi hướng gió có bộ cảm biến vị trí (encoder) gắn với trục quay của phong tiêu để tạo tín hiệu điện tương ứng với vị trí phong tiêu Cảm biến

là 1 đĩa có đục các rãnh cung và các cảm biến hồng ngoại để theo dõi vị trí các rãnh Bằng các phân phối các rãnh, ta có bộ cảm biến 4 bit lối ra, cho phép xác định hướng gió Các mã ra này được đưa tới các lối vào số của OPTO-22

¾ Bộ chuyển đổi tốc độ con quay gió thành tín

hiệu điện WS-02: Bộ chuyển đổi WS-02 gồm

một encoder là 1 đĩa từ có 2048 khe, được gắn

vào trục con quay gió Khi con quay gió quay,

đầu đọc của encoder sẽ tạo chuỗi xung cho

phép đếm và tính tần số quay để định tốc độ

gió Để phối hợp với thiết bị OPTO-22, tần số

xung ra cần được suy giảm: gió rất nhẹ ~2m/s

(1 vòng/s) số xung ra là 2048, qua hệ số chia

64, còn lại 32 xung; còn khi gió rất mạnh cấp

12, ~32m/s (32 vòng/s), xung ra là 65536, qua

hệ số chia 64, còn lại 1024 xung

¾ Đo mưa với vũ kế điện (RF-01): Vũ kế điện

thường có cấu tạo kiểu gầu đong nước gắn trên

cầu bập bênh với cảm biến tạo nhịp đong nước

là rơ le từ và nam châm Khi có mưa chảy vào

gầu làm cầu bập bênh đảo chiều, làm đóng rơ

le từ 1 lần Như vậy với một thể tích nước mưa

xác định sẽ tạo 1 xung gửi trực tiếp tới lối vào

số của hệ thống OPTO-22

¾ Đo mưa với vũ kế phao (RF-02): Bộ đo giáng

thuỷ RF-02 được thiết kế là một thùng đo

chuẩn, có cảm biến báo mức cạn và báo mức

tràn Phao được treo qua trục của Encoder với

đối trọng Khi lượng nước trong bình cao hay

thấp, phao sẽ nâng lên hoặc hạ xuống, tương

ứng làm quay trục encoder Encoder là một đĩa

từ có 2048 khe Đĩa từ được gắn với trục quay

phao, khi quay sẽ làm cho đĩa từ quay quanh

đầu đọc Do vậy với mỗi vòng quay, đầu từ sẽ

nhận được 2048 tín hiệu xung Các xung này

được khuếch đại, hình thành, tạo thành xung ra

TTL Kích thước trục encoder D quy định độ

phân giải mức nước trong bình, khi chọn D=

6.7mm, tương ứng độ phân giải 0.01mm

Ngoài ra, hệ thống được bổ sung thêm bộ báo

mưa (kiểu cầu điện trở), tín hiệu điều khiển

nạp - xả từ hệ thống chính, tín hiệu báo đầy

thùng đo Đối với vũ kế Việt Nam, cần bổ sung

thêm hệ thống phao

¾ Đo phông vũ trụ: Thiết bị kiểm tra phông vũ

trụ cho phép xác định sự biến động phông

phóng xạ tự nhiên, là kết quả của các vụ nổ hạt

nhân hoặc các vụ nổ bắt nguồn từ vũ trụ Máy

đo phông bức xạ hạt nhân có thể là các máy đo

liều hiện được sử dụng rộng rãi ở các cơ sở

phóng xạ Khi đó, ta có thể trích tín hiệu xung

hoặc điện thế đo U (tỷ lệ với cường độ bức xạ)

từ mạch đồng hồ đo và nối với lối vào số hoặc

tương tự của OPTO-22 (qua bộ chuyển đổi

TRANS 420) Để tăng độ nhạy phép đo, máy

đo phông bức xạ hạt nhân SCA-02TT được

thiết kế gồm 1 detector nhấp nháy, bộ nguồn

cao thế để nuôi ống nhân quang và tầng

ngưỡng tạo tín hiệu số lối ra và được đưa tới

lối vào số của OPTO-22

cho Trạm từ Trung tâm: Sơ đồ điều

khiển cấp nguồn cho Trạm từ Trung tâm được nuôi bằng pin hoặc ắcquy 9V Ổn áp

7805 tạo thế nuôi Vcc cho sơ đồ Modem được cắm điện trực tiếp vào lưới, còn hệ 22 nuôi qua ổ 220VAC/ For

OPTO-22 POWER Ở trạng thái ngắt điện, relay K2 bị ngắt, điện từ lưới không tới được đường cấp nguồn cho OPTO-22 Khi qua đường điện thoại hoặc vô tuyến, Modem nhận được tín hiệu, qua ICL232 để chuyển

mã RS232 thành mã TTL, gửi qua đường RXD và TXD vào bộ vi điều khiển 89C2051 Tín hiệu được nhận và xử lý, nếu đúng địa chỉ (từ 1: 25) và mã lệnh ON, sẽ điều khiển lối ra P1.5 lên mức cao, đóng relay K2, cấp điện cho OPTO-22 IC 89C2051 cũng điều khiển Q1 và relay K1 báo cho modem dữ liệu đã thu nhận và xử

lý Khi cần điều khiển ngắt điện từ xa, tín hiệu từ Modem được OPTO-22 xử lý Sau khi trữ tất cả các dữ liệu hiện hành,

OPTO-22 sẽ tạo lệnh FROM CONTROLLER qua

bộ liện kết quang, điều khiển IC 89C2051

để ngắt relay K2, ngắt điện cho hệ thống OPTO-22

Bộ ĐK nguồn từ xa PSCTRL-1

Bộ chuyển đổi U-I TRANS420

Bộ chuyển đổi tốc độ gió WD-02

Bộ chuyển đổi hướng gió WS-02

Bộ chuyển đổi lượng mưa RF-02

Máy đo phông vũ trụ SCA-02TT Hình 2 Các bộ chuyển đổi chuẩn hoá

2.3 Thiết kế thiết bị Trạm - mạng SCADA cục

bộ

Hệ thống thiết bị Trạm (hình 1,2,3) gồm :

• Các bộ chuyển đổi thiết kế ở trên (hình 2) gắn tương ứng với thiết bị hiện có

• Khung mở rộng cho phép lắp đặt bổ sung nhánh từ xa của Trạm, bao gồm:

- Bộ vi xử lý SNAP-B3000 cho hệ thiết bị vào ra thông minh

- Khung gắn các khối vào/ra thông minh SNAPB8MC

- 4 khối tương tự 2 lối vào độc lập SNAP-AIMA cho phép đo dòng vào (0-20mA), phân giải 0.8 μA, độ chính xác 0.04%

Sử dụng để đo dòng từ các cảm biến bức

xạ mặt trời, độ ẩm không khí, áp suất khí quyển…

- Khối tương tự 2 lối vào độc lập SNAP-AICTD cho phép đo trực tiếp nhiệt độ

từ cảm biến bán dẫn (khoảng đo -40 - +100 oC)

- Khối logic 4 lối vào SNAP-IDC5 : Các giải tầm DC và AC khác nhau, tần số cao, tín hiệu cầu phương Được sử dụng

để thực hiện đo hướng gió, tốc độ gió, đo mưa và cường độ phông bức xạ hạt nhân

- Khối logic 4 lối ra SNAP-ODC5 : Các giải tầm DC và AC khác nhau, Rơ-le cơ khí Dùng để thực hiện việc đóng xả bình

đo mưa, cũng như tạo xung chuẩn để điều khiển việc đọc hướng gió

Khối giao diện M4SSER

SN B3

Khối điều khiển và xử lý SNAP-MODULE AIMA Khối tương tự 2 lối vào (4 khối)

ANALOG BRICK Khối tương tự

2 lối vào

Khối tương tự 2 lối vào đo nhiệt độ

SNAP-MODULE AICTD:

SNAP-G4 OD MODULE : Khối LOGIC 4 lối ra

SNAP-G4 ID MODULE : Khối LOGIC 4 lối vào )

SNAP-G4 ID MODULE : Khối LOGIC 4 lối vào )

G4 DIGITAL IN BRICK Khối LOGIC 4 lối vào

G4 DIGITAL OUT BRICK Khối LOGIC 4 lối ra

Khung gắn 8 module có khối điều khiển B3000SNAP 8 MODULE RACK WITH SNAP BRAIN M4PS12D -Khối nguồn nuôiIM4RTUM - Khối điều khiển trung tâmI/0 MODULES

A

D D D D D D D D

Trực xạ kế

Thụ xạ kế Nhiệt xạ kế

Nhật quangï kế

0

2

4

5

6

7

Độ ẩm Khí áp Hướng gió /WD-01

Tốc độ gió /WS-01

/Trans420 /Trans420 /Trans420 /Trans420 /Trans420 /Trans420

Nhiệt độ đất

Nhiệt độ không khí

0

1

0

0

0

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

Bức xạ vũ trụ / SCA-02TT

Gốc hướng gió /WS-01

Đo mưa /RF-01

Đo mưa /RF-02

Van xả mưa /RF-02

Van nhận mưa /RF-02

Đo tốc độ gió /WS-02

Đo hướng gió /WS-02

Đọc hướng gió /WS-02

ON-OFF nguồn/PSCTRL-1

Báo mưa-thời gian mưa /RF-02

Dự phòng

Dự phòng

Hình 3 Cấu hình Trạm KTTV

• Bộ điều khiển M4RTU chứa 2 bộ vi xử lý:

Một bộ 32 bit G4LC32SX 32/ 68020μP cho

chương trình điều khiển và truyền số liệu và bộ

vi xử lý 16 bit - 80C196μP cho điều khiển giao

diện I/O Khối I/O bao gồm bộ I/O G4D16L (8

modul số G4 I/O) và một bộ I/O analog G4AL (4

modul tương tự G4 I/O) dùng để thực hiện điều

khiển ON-OFF nguồn, và chứa các kênh dự

phịng của hệ thống

• Modem (nối với M4RTU Controller) và máy

thu phát:

Mọi dữ liệu mà hệ thống thu thập được lưu trữ

trong bộ nhớ M4RTU Controller và được trao

đổi với Trung tâm theo chương trình của Trung

tâm

Với phần cứng của thiết bị đã được cài đặt, phần

mềm OptoControl được dùng để xây dựng cấu

hình truyền thơng giữa PC và M4RTU/DAS, cấu

hình các bộ (I/O Units) và các điểm (I/O Points),

để phát triển và chạy các chiến lược điều khiển

Chương trình hoạt động thu thập dữ liệu cho

Trạm dựa trên chương trình cơ sở của OPTO 22:

- Thu thập các thơng số khí tượng từ dụng cụ

đo

- Lưu trữ các mẫu dữ liệu định kỳ (cứ vài phút

một lần)

- Lưu trữ các mẫu dữ liệu quan trắc theo thời

điểm quan trắc

- Xử lý sơ bộ kết quả Trao đổi dữ liệu với

Trung tâm

Phần mềm OptoDisplay được dùng đề hiển thị đồ

hoạ kết quả

Trên hình 4 giới thiệu một vài giao diện tại Trạm KTTV

Hình 4 Một vài giao diện tại Trạm KTTV

2.4 Thiết kế thiết bị Trung tâm - mạng SCADA tồn cục

Trên cơ sở cấu hình thiết bị Trung tâm (hình 1), việc tổ chức mạng SCADA mở rộng cho hệ thống nhiều Trạm trong lĩnh vực KTTV sử dụng thiết bị OPTO 22 bao gồm:

- Xây dựng hệ thống truyền số liệu KTTV giữa các Trạm và Trung tâm

- Viết chương trình điều hành mạng SCADA của nhiều Trạm KTTV

- Viết chương trình quản lý số liệu, lưu trữ và

vẽ đồ thị sự thăng giáng của các thơng số KTTV trong ngày, trong tuần, trong tháng và trong năm để phục vụ cho cơng tác KTTV

Hệ thống SCADA cho KTTV như vậy cĩ hai mạng quản lý:

- Các Trạm khơng cĩ máy tính thực hiện liên kết với máy tính Trung tâm/ kiểm sốt MRTU theo dạng Master/Slave

- Các Trạm cĩ máy tính – là các hệ SCADA cục bộ, liên kết với máy tính Trung tâm theo dạng Client/Server

2.4.1 Giao tiếp giữa Trung tâm và các Trạm

kiểu phụ thuộc Master/ Slave

Giao tiếp kiểu phụ thuộc của Trung tâm và các Trạm (Master/Slave) được thực hiện thơng qua mạng Polling (giao thức mạng gọi vịng) của thiết bị Trung tâm (Master) đến các thiết bị Trạm (Slave) để lấy thơng tin Trong đĩ chỉ cĩ Trung tâm khởi xướng sự giao tiếp Các thiết bị Slave khơng thể khởi đầu sự giao tiếp; chúng chỉ cĩ thể đáp ứng các yêu cầu từ máy chủ Những gì xảy

ra sau đĩ là máy chủ đều đặn lấy thơng tin từ các thiết bị Slave, hoặc gởi thơng tin đến các thiết bị Slave

Do việc ghép nối mạng giữa Master và các Trạm slave từ xa nên hệ thống sử dụng cáp truyền nối tiếp ( thơng qua đường điện thoại hoặc hệ thống modem thu phát) để giao tiếp với nhau

Trạm Slave: Mỗi Trạm gồm một thiết bị thu thập

và xử lý dữ liệu (Opto Slave) Máy tính PC có

thể có tại Trạm sử dụng để theo dõi và điều khiển

hoạt động của Trạm cũng như lưu trữ số liệu

Sau khi thực hiện nhiệm vụ thu thập, lưu trữ và

xử lý dữ liệu thu thập được, Trạm Slave sẽ kiểm

tra tín hiệu trên đường truyền để thực hiện việc:

- Chuyển các mẫu dữ liệu định kì và các mẫu

dữ liệu tại kỳ quan trắc về Trạm Trung tâm

khi có yêu cầu

- Thực hiện chức năng ONLINE (từ Trạm

Trung tâm có thể xem các thông số khí tượng

tức thời của Trạm Slave) khi có yêu cầu từ

Trạm Trung tâm

Lưu đồ tổng quát của Slave được thiết kế gồm

các bước Wait_for_connect (chờ kết nối) được

khởi động bởi biểu đồ “Main_Ctr” và có chức

năng chờ bộ điều khiển Master kết nối với nó

Chương trình Slave_Communication_Cxf được

sử dụng để gởi hoặc nhận bảng

Master: gồm một OptoMaster ghép nối với một

máy tính PC thông qua đường điện thoại, kết nối

với các Trạm slave để thu nhận dữ liệu, lưu trữ

trên hard disk Máy tính Master có nhiệm vụ:

- Kết nối lần lượt với Trạm Slave tại mỗi thời

điểm quan trắc (thời điểm quan trắc này

được đặt bởi các nhân viên của Trung tâm)

để thu nhận các bảng dữ liệu định kì và bảng

dữ liệu quan trắc

- Cho phép xem các thông số khí tượng tại bất

kì Trạm slave nào một cách tức thời

- Thực hiện được việc đóng mở nguồn điện

(ON_OFF_POWER) cung cấp cho các Trạm

Slave

- Tự động tổng hợp tất cả các số liệu quan trắc

trên các Trạm để cho ra một bản tin khí

tượng tổng hợp

- Cung cấp thêm các công cụ cho phép tìm

kiếm nhanh một mẫu tin khí tượng theo

ngày, tháng và năm Công cụ này cũng cho

phép thành lập các giản đồ thể hiện sự biến

thiên của một thông số khí tượng nào đó theo

thời gian trên màn hình PC và trên giấy (độ

dài của trục thời gian trong các giản đồ này

đúng bằng khoảng thời gian giữa hai lần quan trắc kế tiếp nhau)

Thuật giải máy chủ ngoài các biểu đồ “Powerup”

và “Interrupt” có sẵn trong tất cả các thuật giải,

nó còn chứa sáu biểu đồ khác (6 chart):

Biểu đồ “Powerup”: khởi động các biểu đồ

”Polling_Control”, “Sub_Chart” và cũng làm biểu đồ “Interrupt” dừng lại

”Polling_Control” Là chương trình chính của

Master, chương trình này thực hiện các chức năng: - Kiểm tra liên tục thời gian quan trắc của Trạm và thời gian thực của hệ thống - Khi đến thời điểm quan trắc, thực hiện việc khởi tạo chart

Receive Data_Period để cập nhật và lưu trữ các

số liệu khí tượng - Khởi tạo chart

Receive_Data_Online cho phép xem các thông

số khí tượng tại Trạm slave một cách tức thời (ONLINE) khi có yêu cầu - Thực hiện việc khởi tạo chart đóng mở nguồn “Start_Power” của Trạm slave

“Receive_Data_Online“ và “Receive

Data_Period” liên quan đến việc lấy các bảng

dữ liệu định kì và bảng dữ liệu quan trắc từ các Trạm slave, khi đuợc chart Polling_Control gọi

“Start_Power” có nhiệm vụ điều khiển việc

đóng mở nguồn cho hệ thống slave

“Sub_Chart” được người sử dụng khởi động

nhằm cung cấp thêm các công cụ cho phép tìm kiếm nhanh một mẫu tin khí tượng theo ngày, tháng và năm Công cụ này cũng cho phép thành lập các giản đồ thể hiện sự biến thiên của một thông số khí tượng nào đó theo thời gian trên màn hình PC và in ấn các thông số khí tượng tại Trạm slave bất kì

”Data_Display” là chương trình tự động tổng

hợp tất cả các số liệu quan trắc trên 25 Trạm tại thời điểm quan trắc để cho ra một bản thông tin khí tượng tổng hợp

Ngoài ra còn có thư mục con chứa tám chương trình con, gồm:

- Khởi động Modem (Start Modem)

- Quay số Modem (Modem Dial)

- Gác Modem (Disconnect Modem)

- Di chuyển bảng số thực đến bảng số thực (Move Float Table to Float Table)

- Di chuyển bảng số nguyên sang bảng số nguyên (Move Integer Table to Interger Table)

- Gởi đi bảng số thực (Send Float Table)

- Gởi đi bảng số nguyên (Send Iteger Table)

- Gởi đi bảng chuỗi (Send String Table)

2.4.2 Giao tiếp giữa Trung tâm và các Trạm

kiểu Client/Server

Trong quá trình phát triển của hệ thống, khi mỗi

Trạm đều có máy tính, mạng kiểm soát kiểu phụ

thuộc Master/Slave sẽ dần dần bị loại bỏ Mạng

thay thế MisticNet sẽ là kiểu ngang bằng

Client/Server Mạng này thực hiện theo 2 cách:

- Ghép nối máy tính Trạm với máy tính chính

ở Trung tâm qua đường Modem qua cổng

COM1

- Ghép nối máy tính kiểm soát MRTU ở Trung

tâm với máy tính chính qua cổng COM2

Trong đó, cả 2 cách ghép đều có thể thực hiện

theo cùng 1 kiểu Client/Server và ứng dụng phần

mềm cơ sở OptoServer Khi đó, máy tính chính ở

Trung tâm sẽ đóng vai trò Data Server, quản lý

trường dữ liệu thu thập từ các Trạm và phân phối

dữ liệu và điều khiển theo kế hoạch hoặc đòi hỏi

phục vụ Việc cài đặt đồng thời các phần mềm cơ

sở OptoControl, OptoDisplay và OptoServer trên

cùng một máy tính cho mỗi nhánh mạng cho

phép thực hiện các chức năng tương ứng

Đối với máy tính mạng khai thác ở Trung tâm

(Users), chỉ cần cài đặt OptoServer và

OptoDisplay Như vậy trên máy tính khai thác sẽ

có một thiết kế OptoDisplay chạy theo Data

Server Trên máy mạng có thể triển khai các

chương trình máy tính Việc cài đặt OptoServer

theo kiểu hộp thoại chung với OptoControl và

OptoDisplay khá dễ dàng OptoServer không can

thiệp vào các phần mềm điều khiển và hiển thị đã

được thiết kế trước đây mà nó chỉ là công cụ hỗ

trợ mạng sử dụng OPTO 22

Trên hình 5 giới thiệu một số giao diện thiết kế

trên hệ thống Trung tâm

Bảng điều khiển chính

Bảng biểu diễn kết nối

Bảng hiển thị thông số đo

Bảng kết quả đo Hình 5 Một vài giao diện tại hệ thống Trung tâm

3 KẾT LUẬN:

Trên cơ sở nghiên cứu các yêu cầu thực tiễn

và các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực SCADA, sau khi lựa chọn phương pháp và thiết bị, mô hình SCADA cho khí tượng thuỷ văn (KTTV) trên cơ sở sử dụng các thiết bị của OPTO—22 kiểu Slave/Master được xây dựng ở trên đã thu được những kết quả sau:

• Khảo sát mạng KTTV khu vực Nam Bộ

và thiết kế mô hình SCADA mở rộng cho

hệ thống kiểm soát KTTV cho nhiều

trạm, với mỗi Trạm được xây dựng như 1

hệ SCADA cục bộ

• Nâng cao mức điều khiển tự động

SCADA cho thiết bị trạm

- Hoàn thiện và bổ sung các thiết bị

chuyển đổi, ghép nối với các loại máy ở

trạm KTTV, đặc biệt là các máy đo gió,

mưa, điều khiển nguồn từ xa Phương

pháp này cho phép khai thác tối đa các

thiết bị đo lường quy chuẩn đang có trên

trạm, cho phép tiết kiệm đầu tư, nâng cao

hiệu quả khai thác

- Thiết kế, chế tạo thiết bị điều khiển trên

trạm để đo tự động mức giáng thuỷ và đo

cường độ bức xạ phóng xạ vũ trụ

• Tổ chức mạng SCADA mở rộng ghép

nối nhiều trạm

- Xây dựng lại phần mềm Master/Slave ở

chế độ quét các trạm hoặc một số trạm

chỉ định

- Xây dựng phần mềm Client/Master cho

mạng SCADA

- Tổ chức lập trình hoạt động cho toàn hệ

thống trên cơ sở phần mềm OPTO 22/

Factory Floor

- Viết chương trình biểu diễn và quản lý số

liệu

Các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên cho

thấy mô hình SCADA mở rộng cho hệ thống

kiểm soát KTTV với mỗi Trạm là hệ

SCADA cục bộ trên cơ sở OPTO-22, với cấu

hình mở (cho phép ghép nối các thiết bị các

loại hiện có ), làm việc với 2 kiểu: phụ thuộc

Master/Slave và ngang bằng Client/Master

có tính hợp lý, giá thành thấp

Các kết quả thử nghiệm hiện trường /5/ khi

ghép nối với 1 Trạm KTTV và kết nối Trung

tâm cho thấy hệ thống hoạt động tin cậy và

có khả năng ứng dụng thực tiễn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Quy Phạm 94TCN5-90 về quan trắc bức xạ

(ngày 27.08.1990) của Tổng cục Khí Tượng

Thuỷ văn và Quy Phạm 94TCN6-90 về quan trắc

khí tượng bề mặt (ngày 10.09.1990) của Tổng

cục Khí Tượng Thuỷ văn

2 Một số tiêu chuẩn tạm thời về môi trường của

Bộ Khoa Học Công Nghệ và Môi Trường

(1993)

3 SCADA System:

- Water Treatment and Distribution, City of Leipzig, 1997

- Steven A Walker, Brush Wellman Engineered Metals: Automated Boiler Control & Water Treatment System Keeps Mill On Line, 1998

- Richland County, SC, Department of Publicwirks: Remote Waste Water Management, 1998

4 OPTO-22 PRODUCT SUPPORT SERVICES

- Remote Automation System M4RTU, User’s Guide, 5 1997

- PC BUS-based Controller G4LC32ISA-LT , User’s Guide, Form 735, 7 1996

- Brain Boards, Form 787, OPTO 22, 1997

- I/O modules User’s Guide, 5 1997

- OptoControl – Command Reference, Form

725, 5.1996

- OptoDisplay – Command Reference, Form

725, 5.1996

- OptoServer – Command Reference, Form 722-0515, 5.1996

5 Nguyễn Ngọc Lâm Báo cáo đề tài nhà nước mã số KHCN-04-07-02 về “Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm SCADA trong quản lý và cải tạo môi trường” 5/1999.