Đang tải... (xem toàn văn)
Cung cấp các khái niệm cơ bản về Hệ thống SCADA
1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG SCADA Nội dung I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG SCADA: 2 II. CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI TỪ XA (RTU): 2 A. RTUS DÙNG CHO CÁC TRẠM TRUNG CHUYỂN: 3 B. RTUs DÙNG ĐỂ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI PHÂN PHỐI: 3 C. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH (PLCs): 3 D. CÁC PHẦN TỬ CẢM BIẾN (TRANSDUCERs): 4 E. CÁC BỘ DỒN XUNG (PULSE ACCUMULATORs): 4 III. PHẦN MỀM CÀI ĐẶT CHO RTU (RTU SOFTWARE): 5 IV. CÁC GIAO THỨC CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA PROTOCOLS): 5 V. CÁC TRẠM CHỦ CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA MASTER STATION): . 7 VI. SCADA COMMUNICATIONS: 8 eBook for You 2 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG SCADA: Một hệ thống SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION) luôn bao gồm 1 hay nhiều máy tính, dùng kèm với 1 phần mềm ứng dụng thích hợp. Chúng hình thành các Trạm Chính (MASTER STATIONS) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đường dây hữu tuyến, vô tuyến, đường dây truyền tải, cáp quang, mạng internet,…) kết nối với các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units). Các RTUs được đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển tư xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống điện và thông báo định kì kết quả về máy tính chủ. Hệ thống SCADA dùng trong lưới điện cung cấp có nhiệm vụ phát hiện, nhận dạng và cô lập lỗi sự cố, giúp lưới mau chóng khôi phục trạng thái làm việc, tham gia điều khiển đóng cắt các CB (circuit breaker),điều khiển máy phát hòa mạng vảo lưới điện,. Hệ thống SCADA còn có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp, quản lý lưới tải, điều phối tụ bù để cải thiện hệ số công suất, tự động đo đọc thông số lưới (AMR – Automated Meter Reading), xử lý lưu trữ dữ liệu, điều khiển tự động máy phát (AGC – automatic generation control), điều phối tải, theo dõi và điều chỉnh điện áp, theo dõi nhiệt độ của các MBA phân phối,… II. CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI TỪ XA (RTU): Các RTU (REMOTE TERMINAL UNITS) thực chất là các bộ điều khiển (PLC hay Bộ Vi Điều Khiển), bên trong nó thường chứa sẳn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters) và DAC (Digital Analog Converters). Các Bộ RTUs được thiết kế rất chặc chẽ bao gồm: các ngõ vào ra I/O được bảo vệ nghiêm ngặt để khử nhiễu và chống các xung quá độ điện áp, thể hiện qua thông số SWC (surge withstand capability) được kiểm định theo chuẩn IEEE Std. 472 & chuẩn ANSI Std.C37.90a. Các Bộ RTUs được thiết kế để làm việc trong môi trường có nhiệt độ khắc nghiệt (-40oC -> +85oC), được cấp nguồn hoặc bằng điện AC 120/240V, hoặc bằng điện DC 125/24VDC. Một RTU có thể có nhiều cổng kết nối sao cho 1 RTU có thể được chia sẽ bởi nhiều máy chủ (Master Station). Phân loại RTUs, ta có thể phân ra: eBook for You 3 A. RTUS DÙNG CHO CÁC TRẠM TRUNG CHUYỂN: Ơ đây sẽ xử dụng các RTUs có dung lượng ngõ nhập/xuất rất lớn (lên đến vài ngàn điểm). Chúng được đóng gói trong võ bọc dạng tủ đứng (theo chuẩn NEMA), gồm nhiều ngăn gắn CARD cho phép kết nối với nhiều CARDs Vi Xử Lý, CARDs ADC & DAC & các CARDs I/O. Như vậy, 1 RTU chủ lực của trạm trung chuyển có thể kết nối với nhiều RTUs khác trên chính trạm đó. Mỗi RTU này có chức năng chuyên biệt riêng, từ điều khiển vòng kín cho đến chuyên xử lý tính toán. B. RTUs DÙNG ĐỂ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI PHÂN PHỐI: Ở đây sẽ xử dụng các RTUs có dung lượng ngõ nhập/xuất NHỎ HƠN. Chúng được đóng gói trong võ bọc chống thấm ẩm (theo chuẩn NEMA 4), được dùng chủ yếu để điều khiển đóng cắt các ACBs và điều khiển tụ bù công suất phản kháng, Các RTUs loại này (gọi là DA RTUs – DISTRIBUTION AUTOMATION RTUs) thường là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình MONITOR, trên đó tích hợp sẳn các ngõ inputs/outputs. Các CARDs I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt, thay cho loại CARD cắm trực tiếp. Hướng phát triễn mạnh nhất là các DA RTUs tích hợp công nghệ DSP (digital signal processing-xử lý tín hiệu số ) có khả năng phát hiện lỗi và xử lý tính toán các đại lượng điện cực nhanh. C. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH (PLCs): Từ nhiều năm, PLCs đã được xử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp. Gần đây, PLC lại bắt đầu được dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ thống phân phối năng lượng. Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất lớn (hàng ngàn đơn vị). Tín hiệu điều khiển các ngõ OUTPUTs, hoặc được điều khiển bằng chương trình phần mềm nạp sẳn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát từ máy chủ của hệ thống SCADA. Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và gần đây là FLASHROM, người vận hành có thể dễ dàng chỉnh sửa chương trình đang nạp cho PLSs mà không phải động chạm đến phần cứng. Một ưu điểm nữa là hầu hết các PLCs đều có cấu trúc I/O và các chức năng chuyên dùng ở dạng modun, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở gần, hoặc kết nối bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay dây đôi xoắn theo chuẩn EIA-485. Ngôn ngữ lập trình thông dụng cho các PLCs là eBook for You 4 ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER LOGIC – RLL), RẤT đơn giản và hiệu quả, cho phép người vận hành chỉnh sửa chương trình LADDER với các RTUs là PLCs dùng bộ nhớ dạng EEPROM. Một ưu thế nữa của các RTUs dạng PLCs hiện đại là khả năng lập trình hóa cả các ứng dụng có điều khiển PID vòng kín, tích hợp các chương trình điều khiển mờ (FUZZY CONTROLLER) phối hợp với mạng nơrôn. D. CÁC PHẦN TỬ CẢM BIẾN (TRANSDUCERs): Trong công nghệ sản xuất- truyền tải & phân phối điện năng, thuật ngữ cảm biến (TRANSDUCER) muốn nói đến các môđun điện tử dùng chuyển đổi tín hiệu điện từ dạng này sang dạng khác. Các hàm chuyển đổi rất rộng bao gồm WATT, VAR, VA, WATT/VA, WATT/WATTHOUR, VAR/VARHOUR, VOLT-AMP, VOLT-AMPHOUR, PHASE ANGLE (PF – power factor), Các cảm biến phải được chỉnh định tầm (scale), có bộ đệm (buffer) & khả năng cách điện (isolating) để bảo đảm an toàn cho RTU. Thường tín hiệu AC cần chuyển sang tín hiệu DC để cấp cho ngõ vào analog của RTU. Tùy thiết kế các transducer có thể cần hoặc không cần nguồn nuôi ngoài cung cấp, với lưu ý tín hiệu đầu ra phải tương hợp với biến áp PT (potential transformer) & biến dòng (CT) đo lường. Khi cảm biến dòng & áp được tích hợp sẳn trong RTU, ta nói RTU nhận đầu vào trực tiếp (nghĩa là dòng áp AC có thể đưa trực tiếp vào RTU). E. CÁC BỘ DỒN XUNG (PULSE ACCUMULATORs): Chuyển động quay của động cơ, roto máy phát hay dĩa quay đếm công suất tiêu thụ của điện kế có thông số tốc độ (rad/giây) được đo hoặc bằng cảm biến (dạng tacho) chuyển thành điện áp đưa vào ngõ input analog của RTU để xử lý ; hoặc qua tiếp điểm đóng mở (dạng tiếp xúc hay dạng quang) tạo chuổi xung truyền trực tiếp vào ngõ input digital của RTU để được bộ đếm của phần mềm cài trong RTU xử lý. Máy chủ có thể điều khiển từ xa để kích hoạt cho ngưng hay chạy các bộ đếm này. eBook for You 5 III. PHẦN MỀM CÀI ĐẶT CHO RTU (RTU SOFTWARE): Phần mềm chạy trên RTU được nhà sản xuất cung cấp, thường có dạng ngôn ngữ cấp cao như C & C++, chứa sẳn trình biên dịch các lệnh (polling requests) gởi từ máy chủ. Với RTU có khả năng xử lý đủ mạnh, nó kiêm luôn khả năng điều khiển tại chổ (chẳng hạn chức năng điều khiển đóng cắt tụ để bù công suất phản kháng hoặc chức năng ngắt mạch khi sự cố). Một vài kiểu RTU đời mới cho phép người dùng lập trình để hiệu chỉnh các chức năng điều khiển tại chổ. Ngoài ra, để giúp RTU đạt độ bền bỉ (robust) cần thiết, phần mềm luôn có bộ Timer cảnh giới (WATCH-DOG) ĐỂ sẳn sàng reset RTU để khắc phục tình trạng chương trình thực thi bị đứng do lỗi lập trình hoặc do sự cố. Ta có thể liệt kê 1 số tính năng mà chương trình của RTU vận hành trong hệ thống SCADA hệ thống điện phải có bao gồm: Khả năng chọn lọc thông tin (POLLING REPORT BY EXCEPTION): Máy chủ chỉ sàng lọc các thông tin khác biệt so với nội dung các báo cáo đều đặn trước đó. Khả năng ngắt để báo cáo đột xuất (SPONTANEOUS REPORT BY EXCEPTION): Cho phép RTU ngắt đột xuất chương trình máy chủ để báo có biến đổi trạng thái đột ngột hoặc để cảnh báo giới hạn giá trị analog của 1 biến nào đó bị vi phạm. Khả năng lưu trữ dữ liệu (LOGGING): RTU phải được cấp đủ bộ nhớ để có thể lưu giữ dữ liệu được lấy mẫu theo thời gian. Khi cần có thể xuất ra dưới dạng đồ thị theo thới gian hoặc bằng thông báo (HISTORY CHART & HISTORY REPORT). IV. CÁC GIAO THỨC CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA PROTOCOLS): Các giao thức (PROTOCOLs) hết sức cần thiết để giúp máy chủ của hệ thống SCADA tạo xa lộ trao đổi thông tin với các RTU. Nó giúp thiết lập các chuẩn (standard) của thông số kênh nối, chuẩn (standard) của thông số dữ liệu được trao đổi, Do đó giao thức (PROTOCOLs) có bản chất là 1 khái niệm logic hơn là 1 kết nối vật lý. Ta thường gọi kết nối vật lý là 1 giao eBook for You 6 diện (INTERFACE). Trước đây, mỗi hảng sản xuất tự thiết kế giao thức gắn kết với RTUs mà không hề nghĩ đến việc chuẩn hóa. Hậu quả là RTU của hảng này không thể kết nối được với máy chủ của hảng khác do chúng được cài đặt các giao thức khac hẳn nhau. Hiện nay các nhà thiết kế các hệ thống SCADA cố gắng xây dựng các tiện ích kết nối (như các bộ emulators, ) giúp dung hợp các giao thức rất khác nhau trên đây, trong khi nhiều công ty lớn vẫn ra sức bảo vệ bản quyền và tìm cách mở rộng ứng dụng cho protocols của họ. Theo trình tự thời gian, với mức phức tạp tăng dần, ta có thể phân loại các nhóm giao thức chính như sau: BIT PROTOCOLS: Cho đến đầu thập niên 80, hầu hết các giao thức thuộc loại định hướng BIT. Mạch phần cứng thường do khách hàng tự ráp, chạy chậm và chi phí đắt. Có thể kể các Bit Protocols đã được đăng kí như ACS, L&N Conitel, Westinghouse REDAC, BBI/CSI, TELEGYR 7500, ROCWELL, Với loại này, trạng thái 1 bit thay đổi kéo theo sự thay đổi trạng thái điều khiển. BYTE PROTOCOLS: Mỗi Byte dùng trong giao thức thường cần 10 bit (1 start, 8 data và 1 stop) thường được dùng để biểu diễn 1 kí tự của bảng Mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Bảng mã ASCII gồm 136 kí tự dữ liệu và kí tự điều khiển, chứa đầy đủ các kí tự của bàn phím chuẩn dùng với máy tính PC (gồm cả các kí tự điều khiển không in ra như Esc, Ctrl, Del, Shift, Backspace & Alt). Các Byte Protocols tương thích tốt với các RTUs sử dụng các Bộ VĐK 8-bit (8-BiT MICROCONTROLLER). Thuận lợi lớn của các giao thức mức BYTE này là các ngôn ngữ lập trình máy tính cấp cao cũng như đường truyền nối tiếp tiêu chuẩn (STANDARD SERIAL INTERFACE) của máy tính đều dựa trên bảng mã ASCII và tương thích với chúng. Tiêu biểu cho các giao thức nhóm này là PG&E, Harris 5000, Ferranti 5000 & Duke Power SDLC. HỆ THỐNG MỞ UCA (UCA OPEN SYSTEMS): Từ 1991, Viện nghiên cứu năng lượng điện EPRI (Electric Power Electric Institute) triễnkhai dự án EPRI Project RP2949 nhằm Tích hợp các hệ thống liên lạc. Hai giai đoạn đầu của dự án là UCA (Utility Communication eBook for You 7 Architecture) & DAIS (Data Access Integration Services) đã được hoàn thành, cụ thể hóa bằng các đặc tả UCA 1.0 & DAIS 1.0. Nội dung 2 đặc tả có xét đến sự phát triễn nhanh chóng của công nghệ thông tin cùng công nghệ máy tính, xét đến các yêu cầu của hệ thống điện. Nội dung của UCA 1.0 cũng phù hợp với mô hình chuẩn tham khảo gồm 7 lớp của ISO (International Standardisation Organisation). Từ đó, năm 1992 đã thông qua được giao thức mở MMS (Manufacturing Message Specification), thuộc lớp ứng dụng (application layer) trong mô hình 7 lớp OSI (Open System Interconnection) dùng để giao tiếp giữa các RTUs dùng cho các trạm điện, cho chức năng Phân Phối Tự Động (Distribution Automation). Qua đó cho thấy sự chậm chạp trong việc chuẩn hóa các protocols nói riêng và các qui định khác nói chung của các Tổ Chức Chính danh như IEEE, như ISO, như IEC trước sự phát triễn vũ bảo của công nghiệp và khoa học kỹ thuật. V. CÁC TRẠM CHỦ CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA MASTER STATION): Trạm chủ trong hệ thống SCADA cung cấp điện có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các RTUs và các khí cụ điện bảo vệ đóng cắt đi kèm. Khả năng tương tác đồ họa ngày càng cao của các PCs dùng trong trạm cho phép người vận hành dễ dàng truy cập theo dõi toàn bộ hệ thống. Trạm chủ chạy các trình ứng dụng SCADA trên nền hệ điều hành (UNIX hay WINDOWS), các chương trình này được viết bởi nhà cung cấp & có thể được người sử dụng hiệu chỉnh bổ sung. Cơ chế trao đổi dữ liệu động (DDE – Dynamic Data Exchange) của hệ điều hành cho phép máy tính liên kết CƠ SỞ DỮ LIỆU (DATABASE) rất thoáng theo kiểu AM/FM (Automated Mapping/Facilities Management) với Hệ thống SCADA. Trạm chủ (MASTER STATION) không chỉ giám sát điều khiển các RTUs mà còn có thể truy cập dữ liệu của khách hàng. Khai thác cơ sở dữ liệu cho phép ta viết các chương trình thông minh cho phép lọc các sự cố cảnh báo và thực hiện 1 số hiệu chỉnh mà không cần người điều hành can thiệp. eBook for You 8 Dựa theo loại thiết bị dùng trong trạm chủ, ta có thể phân ra: Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC Based Systems): Xu hướng chính hiện nay là dùng máy tính cho các trạm chủ chạy trên hệ điều hành WINDOWS, UNIX hay OS-2. Các máy tính có thể nối mạng để chia xẽ tài nguyên & cùng khai thác khả năng tương tác đồ họa. Các hệ điều hành hiện nay đều cho phép máy tính vận hành đa nhiệm (MULTI- TASKING), nghĩa là chạy nhiều chương trình song song và quản lý cùng lúc nhiều cửa sổ. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET. Hệ thống Trạm làm việc (Workstation Systems): Các workstations của các hảng lớn như SUN, DEC, HP, IBM, thường vận hành trên nền hệ điều hành UNIX, có thể đạt mức độ điều khiển tinh xảo hơn so với loại trên (dựa trên PC). Chúng rất mạnh, dựa trên tập lệnh được rút gọn RISC (Reduced Instruction Set). Các trạm làm việc cũng có thểnối mạng với cấu trúc quen thuộc là 1 trạm chủ có ổ cứng dùng làm server trong khi các Trạm còn lại là vệ tinh kết nối. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET. Hệ thống dùng máy tính mini (Minicomputer Systems): Được dùng khi cần đạt tốc độ tính toán cực cao, chẳng hạn lưới SCADA dùng trong các hệ thống AGC (Automatic Generation Control) & EMS. Do năng lực của 2 hệ thống loại trên ngày 1 nâng cao, nên hệ thống thứ 3 này ngày 1 ít được dùng. VI. SCADA COMMUNICATIONS: Để kết nối vật lý giữa máy chủ với các đầu cuối RTUs, thường cần 1 mạng LAN (Local Area Network) hay WAN (Wide Area Network). Ở khoảng cách xa (hàng trăm Km trở lên), đường truyền tải điện được dùng hổ trợ để truyền dữ liệu kèm theo đường điện thoại cùng các trạm thu phát vô tuyến. Từ những năm 80s lại đây mới bổ sung thêm đường cáp quang truyền tải thông tin đường dài. Hiện tại, ta có thể khai thác các phương tiện truyền tải sau để thực hiện kết nối liên lạc cho các hệ thống SCADA nói chung: eBook for You . THỐNG SCADA (SCADA PROTOCOLS): 5 V. CÁC TRẠM CHỦ CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA MASTER STATION): . 7 VI. SCADA COMMUNICATIONS: 8 eBook for You 2 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG SCADA: Một hệ thống SCADA. lấy mẫu theo thời gian. Khi cần có thể xuất ra dưới dạng đồ thị theo thới gian hoặc bằng thông báo (HISTORY CHART & HISTORY REPORT). IV. CÁC GIAO THỨC CỦA HỆ THỐNG SCADA (SCADA PROTOCOLS): Các. Điều Khiển), bên trong nó thường chứa sẳn các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converters) và DAC (Digital Analog Converters). Các Bộ RTUs được thiết kế rất chặc chẽ bao gồm: các ngõ vào ra I/O