PHẦN I.

Hệ thống ñiều khiển giám sát và thu
thập dữ liệu SCADA
(Supervisory Control and Data Acquisition)
1

CHƯƠNG 1
Tổng quan về hệ thống ñiều khiển giám sát và thu thập
dữ liệu SCADA
1.1. Khái niệm hệ thống ñiều khiển giám sát
ðiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) là một phần không thể thiếu
ñược trong một hệ thống tự ñộng hóa hiện ñại. Từ những năm gần ñây, tiến bộ trong
các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm ñã thực sự ñem lại
nhiều khả năng mới, giải pháp mới.
Giống như nhiều từ viết tắt có tính chất truyền thống khác, khái niệm SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition) cũng ñược hiểu với những ý nghĩa hơi

báo trước ñấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt ñộng của hệ thống sản xuất.
Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt ñộng của hệ thống. Khi xảy ra sự cố thì hệ
thống có thể báo cho người vận hành ñể xử lý kịp thời. Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín
hiệu ñiều khiển dừng hoạt ñộng của tất cả máy móc.
Hệ thống SCADA ñộc lập: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với
một bộ vi xử lý. Hệ này chỉ có thể ñiều khiển ñược một hoặc hai máy móc. Vì vậy hệ
này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết.
Hệ thống SCADA mạng: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với
nhiều bộ vi xử lý. Các máy tính giám sát ñược nối mạng với nhau. Hệ này có khả năng
ñiều khiển ñược nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất. Qua mạng truyền
thông, hệ thống ñược kết nối với phòng quản lý, phòng ñiều khiển, có thể nhận quyết
ñịnh ñiều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phòng ñiều khiển
có thể ñiều khiển hoạt ñộng của các thiết bị ở xa.
1.3. Những chuẩn ñánh giá một hệ SCADA:
ðể ñánh giá một hệ thống ñiều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích
các ñặc ñiểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ của công cụ
phần mềm ñối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện.
Số lượng và chất lượng của các thành phần ñồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và
cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành,
sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).
Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ
xây dựng các chức năng trao ñổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event
and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).
Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao ñổi thông tin, ñối với nền Windows: hỗ
trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá thành tổng thể của hệ
thống.

3

1.4. Cấu trúc chung của một hệ SCADA.

1.5. Các thành phần chức năng cơ bản của một hệ SCADA.
Xét một cách tổng quát, một hệ thống ñiều khiển giám sát và thu thập dữ liệu bao
gồm những thành phần chức năng cơ bản như liệt kê dưới ñây:
1.5.1.Phần cứng:
• Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các ñầu ño
• Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân kênh,
Modem, các bộ thu phát.
• Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC, Workstation), các bộ tập trung dữ
liệu (Data concentrator, PLC, PC)
• Trạm vận hành (Operator Station)
1.5.2. Phần mềm:

Hình 1- 2. Các thành phần phần mềm trong một hệ ñiều khiển
giám sát và thu thập dữ liệu

• Giao diện vào/ra (phần mềm giao diện quá trình), dưới dạng các I/O
Drivers,

5

• I/O-Servers (DDE,OPC, ).
• Giao diện người-máy
• Cơ sở dữ liệu quá trình
• Hệ thống cảnh báo, báo ñộng
• Lập báo cáo tự ñộng
• ðiều khiển cao cấp: ðiều khiển mẻ, ñiều khiển trình tự, ñiều khiển công
thức
1.6. Mô hình phân cấp
.
Theo mô hình phân cấp chức năng càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng

Cấp ñiều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ
thuật. Khi ña số các chức năng như ño lường, ñiều khiển, ñiều chỉnh, bảo toàn hệ
thống ñược các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp ñiều khiển giám sát là hỗ trợ
người sử dụng trong việc cài ñặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử
lý những tình huống bất thường. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực
hiện các bài toán ñiều khiển cao cấp như ñiều khiển phối hợp, ñiều khiển trình tự và
ñiều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các
cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp ñiều khiển giám sát thường không ñòi
hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng ñặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy
tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, ).
Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống
và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một
chút so với trình bày ở ñây, tùy thuộc vào mức ñộ tự ñộng hoá và cấu trúc hệ thống cụ
thể. Trong những trường hợp ứng dụng ñơn giản như ñiều khiển trang thiết bị dân
dụng (máy giặt, máy lạnh, ñiều hòa ñộ ẩm, ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn
không cần thiết. Ngược lại, trong tự ñộng hóa một nhà máy lớn hiện ñại như ñiện
nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng ñể
tiện theo dõi.
1.7. Chức năng nhiệm vụ của từng cấp.
Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường ñược tổ chức phân nhiệm thành nhiều
cấp quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ ño lường, thu thập và ñiều khiển riêng lên những

7

ñối tượng trong hệ thống. Các ñối tượng máy móc thường lắp ñặt trong ñịa phương
của cấp quản lý phân xưởng xí nghiệp cấp dưới ñồng thời cũng có một ñặc ñiểm nữa là
một ñối tượng tuy thuộc giám sát-ñiều khiển của cấp trên về mặt sản xuất nhưng cũng
thuộc sự giám sát-ñiều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn ñoán và bảo dưỡng
của các cấp khác thấp hơn. Những ñiều này là cơ sở chỉ ñạo cho việc tổ chức các cấp
SCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay. Những nguyên tắc chính sau:

số những nhiệm vụ tự ñộng hoá như: thu thập giám sát từ xa về ñối tượng, ñiều khiển
ñóng cắt từ xa lên ñối tượng, ñiều chỉnh tự ñộng từ xa với các ñối tượng và các cấp
quản lý.

8

Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống
thương mại có cấp ñộ cao hơn, cho phép ñọc viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn như Oracle,
Access, Microsoft SQL …
1.8. Phần mềm ñiều khiển giám sát
Trong giải pháp ñiều khiển giám sát, hệ thống truyền thông ở các cấp dưới (bus
trường, bus chấp hành-cảm biến) ñã có sẵn. Nếu như mạng máy tính của một công ty
cũng ñã ñược trang bị (chủ yếu dùng Ethernet), thì cơ sở hạ tầng cho việc truyền thông
không còn là vấn ñề lớn phải giải quyết. Chính vì vậy, trọng tâm của việc xây dựng
các giải pháp SCADA trong thời ñiểm hiện nay là vấn ñề lựa chọn công cụ phần mềm
thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống.
1.8.1. Cấu trúc chung của các phần mềm ñiều khiển giám sát:

Hình 1- 4. Cấu trúc chung của phần mềm ñiều khiển giám sát
1.8.1.1. Cơ sở dữ liệu quá trình
Chức năng:
Cơ sở dữ liệu quá trình thực hiện chức năng quản lý, lưu trữ những dữ liệu, thông
tin về quá trình, về hệ thống bao gồm:
• Dữ liệu quá trình
• Dữ liệu tình trạng hệ thống
• Dữ liệu quá khứ
• Dữ liệu cảnh báo
• Dữ liệu vận hành

9

• Phạm vi hệ thống
• Trạm ñược quyền can thiệp

10

• Mức ưu tiên, tính cấp thiết
• Lưu trữ dữ liệu cảnh báo/báo ñộng
• Hiển thị cảnh báo/báo ñộng:
• Sắp xếp theo mức ưu tiên, tính cấp thiết
• Sắp xếp theo thời gian xảy ra
• Sắp xếp theo loại cảnh báo/báo ñộng
• Sử dụng màu sắc và hiệu ứng nhấp nháy
• Xác nhận cảnh báo/báo ñộng
• Quyền người sử dụng
• Xác nhận theo nhóm hoặc xác nhận theo từng thông báo.
• Xóa cảnh báo/báo ñộng
1.8.2. Phát triển phần mềm ñiều khiển giám sát
1.8.2.1. Một số hướng phát triển phần mềm
Trong hệ thống ñiều khiển giám sát, giao diện người – máy(HMI) là một thành
phần quan trọng không chỉ ở cấp ñiều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta
cũng cần giao diện người – máy ñể phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở
cấp ñiều khiển cục bộ. Ở các cấp thấp hơn trong một hệ thống ñiều khiển, do ñặc ñiểm
kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – O
perator Panel), màn hình sờ (TP – Touch
Panel), Multi Panel … chuyên dụng ñược sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng
hơn. Tuy nhiên, các màn hình HMI chuyên dụng này thường ñược thiết kế chuyên cho
một thiết bị ñiều khiển logic khả trình nhất ñịnh. Chẳng hạn, hãng Siemen có các màn
hình OP3, OP73, TD7… hỗ trợ ñiều khiển giám sát cho các sản phẩm PLC của hãng.
Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kỹ thuật máy tính PC, ñặc biệt là sự
chiếm lĩnh thị trường của hệ ñiều hành Windows NT cùng với các công nghệ của

1.8.2.2. Một số nguyên tắc thiết kế cơ bản
a) Màu sắc
Sử dụng các màu trung tính như màu xám cho các nút/biểu tượng trên màn hình.
Và dùng các màu có ñộ tương phản cao như vàng, xanh, ñỏ cho các nút/ biểu tượng
cần chú ý. Màu trung tính có tác dụng không làm phân tán sự tập trung của vận hành
viên trong khi làm việc. Màu sang nâng cao mức ñộ tập trung của vận hành viên, ñặc
biệt trong những trường hợp khẩn cấp.
Cần rất lưu ý khi sử dụng màu sắc trong thiết kế các HMI:
• Chỉ dùng màu sắc khi thật cần thiết.
• Nền: màu tối, ví dụ xám sẫm hoặc xanh lam ñậm.
• Máy móc, thiết bị: Sử dụng hình phẳng, màu và ñộ sáng khác ít so với
nền, cố gắng tránh 3D, tránh các mẫu hoa văn.
• Hình tĩnh (ñường ống, máy móc): tránh các màu tươi, chói.
• Tín hiệu trạng thái, hình ñộng: Chọn các màu tươi, chói.
b) Chữ viết
• Hạn chế số font chữ, kiểu chữ, chênh lệch ñộ lớn.
• Chân phương, tránh các hiệu ứng ñặc biệt (3D, lượn sóng, ñường viền).

12

c) Các hình ảnh
• Hầu hết chúng ta sử dụng thị giác nhiều hơn hẳn so với các giác quan
khác, do vậy việc sử dụng hình ảnh, biểu tượng mô tả sẽ là cách tốt nhất
mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng. Khi sử dụng các hình ảnh cần
ñảm bảo:
• Hỗ trợ phân biệt trạng thái, ví dụ nhấp nháy.
• Nhất quán trong tất cả các màn hình.
• Các số nên chỉnh căn phải, các biến liên quan trực tiếp ñể gần nhau và
cùng cách biểu diễn.
• Biểu diễn các ñơn vị vật lý với giá trị số và ñơn vị.

sau:
• Công cụ phát triển (Development Tool):
o Công cụ cấu hình cơ sở dữ liệu (Database Configuration Tool).
o Trình soạn thảo ñồ họa (Graphics Editor)
o Thư viện các ñối tượng ñồ họa chuẩn + Hỗ trợ nhúng ActiveX-
Controls
o Công cụ phát triển/cài ñặt trình ñiều khiển I/O
o Ngôn ngữ script
o Giao diện với các ngôn ngữ bậc cao (C/C++, VB, )
o Giao diện ODBC (Open Database Connection), DDE
o
(Dynamic Data Exchange), OPC (OLE for Process Control)

• Phần mềm chạy (Runtime Engine)
Việc xây dựng các ứng dụng dựa trên các phần mềm hệ thống về cơ bản là sự tạo,
cấu hình (configurating) và kết nối các ñối tượng với nhau. Bản thân phần mềm thiết
kế và các dịch vụ của nó sẽ ñảm nhận việc kết nối giữa máy tính và các PLC khác
nhau, hay các bộ ñiều khiển khác; cũng như ñảm bảo kết nối giữa máy tính và các bộ
cảm biến, hoặc giữa máy tính này và máy tính khác, giữa máy tính và cơ sở dữ liệu
chung của phần mềm.

14

2.2. Phần mềm Lookout
Lookout là một phần mềm giao diện người máy HMI ( Human Machine Interface)
và là một gói phần mềm SCADA. Lookout chạy trên nền Windows và giao tiếp vào/ra
với các thiết bị trường thông qua các phần cứng ñiều khiển. Các ứng dụng Lookout
ñiển hình là giám sát một quá trình liên tục và ñiều khiển giám sát, các quá trình sản
xuất riêng lẻ, các ứng dụng ñiều khiển mẻ và các hệ thống truyền thông tin từ xa.
Yêu cầu về cấu hình phần cứng và phần mềm

(select) hay phủ ñịnh lựa chọn Edit mode trong mục Edit trên thanh trình ñơn menu.
Thanh trạng thái sẽ có màu vàng khi chuyển sang chế ñộ Edit mode.
2.2.1.1. Lookout Workspace
Workspace là vùng ñể ta quan sát và thao tác trên các panel ñiều khiển. Vùng
workspace nhìn thấy trên màn hình chỉ là một cửa sổ trong môi trường Lookout . Khi
các panel ñiều khiển lớn hơn vùng nhìn thấy thì Lookout sẽ tự sinh ra các thanh cuộn
theo chiều ngang và chiều dọc.
2.2.1.2. Object Explorer
Object Explorer là một công cụ hữu ích cho phép tìm , lựa chọn và thay ñổi các
chương trình Lookout.
ðể sử dụng chức năng này phải chắc chắn có 1 chương trình Lookout ñang mở và
ñang ở chế ñộ Edit . Chọn Object >> Object Explorer.

16

Kích phải chuột vào một ñối tượng hoặc một chương trình (process) trong vùng
hiển thị Object Explorer, một pop-up menu sẽ hiển thị như ở hình, cho phép thay ñổi
tên thư mục, ñặt lại vị trí các ñối tượng

Hình 2-2. Pop – up menu
2.2.1.3. Các Panel ñiều khiển
Các panel ñiều khiển cung cấp một vùng hiển thị cho các khóa chuyển mạch, núm
xoay, ñồ thị, các hiển thị số và các thành phần ñối tượng khác ñược sử dụng ñể giám
sát và ñiều khiển các qui trình hoạt ñộng.
2.2.1.4 Connection Browser
Sử dụng Connection Browser ñể ñăng ký các máy tính trên mạng, liên kết các ñối
tượng, giám sát các giá trị, nhận dạng các ñối tượng chưa biết và tổ chức các ñối tượng
trong 1 process.
ðể sử dụng Connection Browser, chọn Object >> Connection Browser từ thanh
trình ñơn menu. ðể duyệt các kết nối trong các process của Lookout, Lookout phải ở

ñây là các thành phần phần mềm thể hiện cho một khóa chuyển mạch, timer,
PLC Mỗi ñối tượng có chức năng và các tham số, thành phần dữ liệu riêng rẽ.
2.2.2.3. Các ñối tượng ActiveX
Một kiểu ñối tượng ñặc biệt khác cũng ñược sử dụng trong Lookout ñó là các ñối
tượng ActiveX.
2.2.2.4. Các tham số (parameter)
Các tham số ñịnh nghĩa các ñặc tính và giới hạn của các chức năng của ñối tượng.
Các tham số sẽ xuất hiện trong các hộp thoại khi tạo hoặc thay ñổi thuộc tính một ñối
tượng. Chẳng hạn như tốc ñộ baud, parity, số bit dừng khi thiết ñặt tham số cho
driver của ñối tượng.
2.2.2.5. Các thành phần dữ liệu (Data members)
ðối tượng Data members bao gồm các thông tin về trạng thái hiện thời của các ñối
tượng như giá trị, ñang hiển thị hay ñang ẩn, Các thành phần dữ liệu của ñối tượng
Driver ñưa ra các giá trị của các ñầu ra I/O của thiết bị phần cứng ñiều khiển.
Các ñối tượng driver chẳng hạn driver cho PLC, có ñến hàng trăm thành phần dữ
liệu trong khi ñối tượng Switch chỉ có ít hơn 10 thành phần dữ liệu. Mỗi thành phần
dữ liệu có một giá trị riêng, có thể là một trong ba dạng dữ liệu : dạng số, dạng logic
và dạng văn bản.
• Các thành phần dữ liệu dạng logic : ñó là các giá trị nhị phân hoặc trạng
thái On/off. Lookout chấp nhận các kiểu hằng logic sau:
• Trạng thái On : yes, true,on

19

• Trạng thái Off: no, false, off
• Các thành phần dữ liệu dạng số : ñó là các số dấu phẩy ñộng, là giá trị
của các tín hiệu tương tự như mức của nước trong thùng chứa, nhiệt ñộ,
ñiện áp, hay là các giá trị thời gian, ngày, tháng, năm. Các số này có giá
trị nằm trong khoảng –1.7 x 10
275

• Virtual Keyboard Pops Up On : lựa chọn bàn phím ảo bằng chuột trái
hay phải.
• Show panel navigation arrows in status bar : sử dụng hiển thị mũi tên
trong thanh ghi trạng thái ñể chuyển qua lại giữa các panel khi thao tác.
• Computer Name : trường thông tin này sẽ hiển thị tên của máy tính
ñang làm việc trên mạng.
• Citadel Database : lựa chọn ñịa chỉ thư mục ñể lưu dữ liệu quá khứ.
2.2.4. Phát triển một ứng dụng với Lookout
2.2.4.1.Thiết kế một ứng dụng kiến trúc Client/Server
Một ứng dụng Lookout có thể bao gồm một hay nhiều server process kết nối với
một hay nhiều client process. Ta có thể lập trình chúng ñồng thời trên cùng một máy
tính, nhưng các chương trình Client và Server có những vai trò rất khác biệt.

21

• Các chương trình Server :
• Kết nối trực tiếp với các phần cứng ñiều khiển và thiết bị
• Lưu giữ dữ liệu, thực hiện các ñiều khiển logic, ñịnh nghĩa các cảnh báo,
thực hiện chế ñộ dự phòng và bảo mật hệ thống.
• Không thể di chuyển sang máy khác.
• Có thể làm mọi thứ mà một chương trình Client có thể làm, có thể bao
gồm một màn hình giao diện vận hành với một chế ñộ bảo mật về ñiều
khiển, thông thường là cho mục ñích chẩn ñoán sự cố.
• Các chương trình Client :
• Kết nối trực tiếp với chương trình Server, không kết nối với phần cứng.
• Cung cấp một giao diện vận hành cho việc hiển thị và ñiều khiển các
trạng thái của hệ thống.
• Hiển thị các thông tin cảnh báo của server, lưu giữ sự kiện, thực hiện
ñiều khiển và bảo mật hệ thống.
• Kết nối với chương trình Server sử dụng liên kết Symbolic ñể có thể di

2.3. Phần mềm WinCC
WinCC là một hệ thống HMI mạnh mẽ sử dụng trên nền hệ ñiều hành Microsoft
Windows 2000 và Windows XP. HMI là từ viết tắt của “ Human Machine Interface” –
giao diện người máy, ñó là giao diện giữa người (ñiều hành) và máy móc (các quá
trình). Tiến trình tự ñộng (AS= Automation Process) duy trì ñiều khiển thực tế qua các
quá trình.Truyền thông một mặt ñược thực hiện giữa WinCC và người vận hành, mặt
khác ñược thực hiện giữa WinCC và các hệ thống tự ñộng.
WinCC ñược sử dụng ñể trực quan hóa các quá trình ñiều khiển và phát triển giao
diện người dùng ñồ họa cho người ñiều khiển.

23

• WinCC cho phép người ñiều khiển có thể quan sát, theo dõi các tiến
trình. Các tiến trình ñược hiển thị sinh ñộng trên màn hình ñiều khiển.
Màn hình hiển thị ñược cập nhật mỗi khi có một sự thay ñổi nào ñó
trong trạng thái của tiến trình.

Hình 2-8. Phần mềm SCADA/HMI WinCC
• WinCC cho phép người ñiều khiển có thể ñiều khiển ñược các quá trình.
Ví dụ, người ñiều khiển có thể thiết lập một “setpoint” hoặc mở một van
từ giao diện người dùng trực quan.
• Một Alarm (báo ñộng) sẽ tự ñộng báo vào các thời ñiểm tiến trình ñạt
các trạng thái tới hạn. Nếu một giá trịnh giới hạn ñịnh trước bị vượt quá,
một message sẽ xuât hiện trên màn hình.
• Khi làm việc với WinCC, các giá trị tiến trình có thể hoặc là ñược in ra
hoặc là ñược lưu trữ bằng ñiện tử. ðiều này tao thuận lợi cho việc biên
tập tài liệu của các tiến trình và cho phép truy nhập dữ liệu tới các dữ
liệu sản xuất ñã qua.
2.3.1. Các ñặc ñiểm ñặc trưng của WinCC
WinCC có thể ñược tích hợp một cách tối ưu vào trong các giải pháp tự ñộng và