Bộ khoa học và công nghệ
Chơng trình nghiên cứu khoa học
và phát triển công nghệ KC 03
đề tài KC 03.01

Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ
thống SCADA đặc thù, diện rộng
hoạt động trong điều kiện môi
trờng khắc nghiệt Báo cáo tổng hợp 8215
12/01/2010

Hà nội 2005


GS.TSKH. Cao Tiến Huỳnh Viện Tự động hoá KTQS
B. Cán bộ tham gia nghiên cứu
1
KS. Nguyễn Vũ, th kí đề tài Viện Tự động hoá KTQS
2
ThS. Nguyễn Trung Kiên Viện Tự động hoá KTQS
3
KS. Lê Quốc Bình Viện Tự động hoá KTQS
4
ThS. Phạm Tiến Dũng Viện Tự động hoá KTQS
5
ThS. Lê Việt Hồng Viện Tự động hoá KTQS
6
KS. Vũ Minh Khiêm Viện Tự động hoá KTQS
7
KS. Nguyễn Đăng Vĩnh Viện Tự động hoá KTQS
8
KS. Phùng Chí Kiên Viện Tự động hoá KTQS
9
KS. Nguyễn Hữu Quỳnh Viện Tự động hoá KTQS
10
ThS. Phan Quang Hng Viện Tự động hoá KTQS
4
Mục lục
trang
Danh sách cán bộ tham gia đề tài 2
Phần thứ nhất: Những vấn đề tổng quát

Trạm chuyển tiếp và các thiết bị truyền thông. 35
1.1 Chc nng ca trm chuyn tip
35
1.2 S cu trỳc ca trm chuyn tip
35
1.3 La chn cỏc phn t xõy dng thit b:
36
1.3.1 Phần điều khiển 37
1.3.2 Khi thu phỏt:
37
1.3.3 Khi cung cp ngun:
38
1.4 Cỏc thut toỏn v MODUL phn mm cho trm
chuyn tip:
38
1.4.1 Thut toỏn truyn s liu.
38
1.4.2 Thut toỏn iu hnh chung.
38
1.5 Thit b truyn s liu phc v cho h thng SCADA.
40
1.5.1 Chc nng ca thit b truyn s liu:
40
1.5.2 S cu trỳc ca thit b truyn s liu:
40
1.5.3. Cỏc thut toỏn v modul phn mm truyn s liu.
41
1.6 Thiết bị truyền số liệu qua mạng cáp quang
43
1.6.1. Chức năng của thiết bị

3.2.4. Khối xử lí ảnh.
145
Trạm quan sát điều khiển 146
Chức năng
146
Thiết kế, chế tạo các thiết bị. 148
Khối thu thập hình ảnh và truyền số liệu qua đờng cáp
quang.

148
4.2.2. Khối truyền số liệu. 150
4.2.3. Trung tâm xử lý số liệu và điều khiển 151

7
4.2.4. Khối thu thập số liệu
164
Trạm giám sát điều khiển cơ động.

Thiết bị đầu cuối và các cơ cấu chấp hành 230
Thiết bị đầu cuối đa năng. Thiết bị đầu cuối chuyên dụng và các cơ cấu chấp hành. Trạm giám sát điều hành điều khiển tổng hợp.


đối tợng hoặc toàn bộ các bộ đối tợng phục vụ những mục đích chung,
đạt hiệu quả cao nhất cho toàn bộ hệ thống. Giám sát và điều khiển cục bộ,
riêng lẻ từng đối tợng và kiểm soát, giám sát, điều khiển từ trung tâm.
Trong điều kiện nh vậy, độ sống còn của các phân hệ, các hệ thống cục bộ
cho từng đối tợng và quá trình là quan trọng, song độ sống còn của các
mối liên kết để tạo nên hệ thống lớn còn là điều hết sức đáng quan tâm.
Các hệ thống SCADA đặc thù với các yêu cầu đăc biệt cho các lĩnh
vực nêu trên nếu nhập ngoại thì không những phải chịu giá rất đắt (có
những hệ thống phải nhập với giá hàng nhiều triệu USD), mà còn phụ thuộc
nhiều vào nhà cung cấp và còn bị động trong việc bảo trì lâu dài. Việc
nghiên cứu các thành tựu hiện đại của công nghệ tự động hoá, thiết kế chế

9
tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng cho các ứng dụng trong các lĩnh
vực của sản xuất và quốc phòng an ninh thực sự là vấn đề cấp thiết.
II. Mục tiêu của đề tài.
Mục tiêu chủ yếu của đề tài là: Nghiên cứu tiếp cận các vấn đề khoa
học công nghệ hiện đại, liên quan đến các hệ thống SCADA diện rộng;
nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng, trong đó
có nhiều đối tợng cần giám sát và điều khiển phân bố trên những vùng
rộng lớn, ở cách xa nhau và cách xa trung tâm, đòi hỏi điều khiển ở chế độ
thời gian thực, hoạt động của các đối tợng, các nhóm đối tợng đòi hỏi có
sự phối hợp nhằm phát huy hiệu quả cao cho toàn hệ thống, trong khi không
có hạ tầng truyền thông hoặc có nhng rất hạn chế; hệ thống hoạt động
trong môi trờng nóng, ẩm, bụi và rung xóc.
Ngoài những yếu tố mang tính đặc thù nêu trên hệ thống còn phải có
tính sống còn cao, phải hoạt động tin cậy trong điều kiện cơ động cho một
số phân hệ thành phần. Thông qua việc thực hiện đề tài nhằm đào tạo, nâng
cao trình độ và kinh nghiệm cho đội ngũ cán bộ KHCN.
III. Nội dung nghiên cứu.

và công cụ của lý thuyết hệ thống để phân tích và tổng hợp cấu trúc của hệ
thống tổng thể và cấu trúc của từng hệ thống thành phần từng phân hệ phù
hợp với các yếu tố đặc thù, đáp ứng đợc các yêu cầu giám sát và điều
khiển, đảm bảo độ sống còn, độ tin cậy trong các điều kiện đặc thù và khắc
nghiệt. Xây dựng mô hình hệ thống theo cấu trúc đó. Xác định yêu cầu đối
với các trạm và các đầu cuối, đối với các thiết bị giao diện, ghép nối chuyên
dùng với các modul giám sát, điều khiển, truyền thông theo chiều dọc và
chiều ngang. Trên cơ sở đó thiết kế chế tạo các thiết bị và xây dựng các
phần mền tơng ứng. Các thiết bị đợc thiết kế chế tạo trên cơ sở các linh
kiện, cấu kiện thuộc các thế hệ kỹ thuật và công nghệ cao nh ASIC,
PC104, Encoder độ phân giải cao v.v

11
Tính mới, tính sáng tạo của đề tài là xây dựng đợc cấu trúc của hệ
thống, trong đó khắc phục đợc ảnh hởng của nhiễu, giảm thiểu đợc ảnh
hởng không tốt của yếu tố trễ; nâng cao đợc khả năng giám sát và điều
khiển các đối tợng phân bố trên phạm vi rộng lớn, khắc phục đợc một số
yếu tố bất định, làm tăng hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Tính độc đáo của đề tài là ở chỗ: Tạo ra hệ thống có khả năng giám
sát và điều khiển số lợng lớn các đối tợng phân tán trên phạm vi rộng
trong điều kiện hạ tầng truyền thông rất hạn chế, hoặc cha có hạ tầng
truyền thông; Các phân hệ, các trạm giám sát và điều khiển đợc liên kết
với nhau không chỉ thông qua trung tâm, mà còn có các liên kết trực tiếp,
đảm bảo sự thống nhất, phối hợp cao, có khả năng điều khiển cục bộ, điều
khiển trực tiếp điều khiển vợt cấp với các khả năng linh hoạt trong điều
hành , chỉ huy và điều khiển. Nhờ vậy hệ thống đạt hiệu quả cao.
4.2. Triển khai thực hiện đề tài.

Tổ đề tài và cơ quan chủ trì đề tài đã bám sát mục tiêu yêu cầu của đề
tài, triển khai toàn bộ các nội dung đã đợc Bộ Khoa học và Công nghệ và

(trạm trung gian)
- Truyền số liệu từ các trạm trung gian về trung tâm.
- Lu trữ, xử lí số liệu tại trung tâm.
- Truyền số liệu và các lệnh điều khiển cho các trạm điều khiển
theo cụm.
- Xử lí số liệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành trực tiếp từ
các trạm điều khiển theo cụm hoặc từ trung tâm thông qua các
thiết bị đầu cuối.
- Tăng cờng khoảng cách địa lí giữa các trạm nhờ các trạm
chuyển tiếp.
Với mục tiêu nh vậy, hệ thống chung đợc thiết kế theo sơ đồ cấu
trúc trên hình 1.

13
Trong đó:
I: Trung tâm giám sát, điều hành, điều khiển tổng hợp
II
1
II
n
: Các trạm cụm thu thập số liệu .
III
1
III
n
: Các trạm cụm thu thập số liệu và điều khiển cơ động
IV: Trạm chuyển tiếp.
V: Các thiết bị đầu cuối dạng thu thập số liệu .
VI: Các thiết bị đầu cuối dạng điều khiển.
Ngoài ra, trong từng trạm có thể trang bị những thiết bị đặc thù khác.

V
n
III
n
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống

14
Trong sơ đồ trên, trung tâm thu thập số liệu, điều hành và điều khiển
là thiết bị nhóm một.
Các trạm thu thập số liệu cụm và các trạm điều khiển cụm là thiết bị
nhóm hai.
Các thiết bị thu thập số liệu và thiết bị điều khiển là các thiết bị nhóm
ba.
Đối với hệ thống phân tán, các trạm cụm sẽ phân bổ xa nhau, các
thiết bị đầu cuối của từng trạm cụm phân bố gần các trạm cụm. Vì vậy,các
đờng truyền số liệu từ các thiết bị đầu cuối tới các trạm cụ thẻ là các
đờng hữu tuyến, có thể là mạng hình sao hoặc mạng nối tiếp, hoặc là
đờng truyền vô tuyến với tần số riêng cho từng trạm cụm. Khi sử dụng
đờng truyền vô tuyến, mỗi mạng riêng của các trạm cụm thực sự là một
mạng đồng cấp với mức độ u tiên khác nhau có thể đặt trớc.
Đờng truyền số liệu từ các trạm cụm về trung tâm có thể là các dạng
sautuỳ theo điều kiện thực tế và chức năng của từng trạm.
- Đờng truyền cáp quang: Tất cả các trạm có nhu cầu truyền
ảnh sẽ đợc trạng bị đờng truyền cáp quang. Khi đó các trạm
này sẽ kết nối với trung tâm thành một mạng đồng cấp, toàn bộ
số liệu sẽ đợc trao đổi trên đờng này.
- Đờng truyền hữu tuyến (cáp đồng): Các trạm sẽ kết nối với
trung tâm thành mạng hình sao, để đảm bảo tốt đờng truyền
số liệu sử dụng chuẩn RS422.
- Đờng truyền thoại: Các trạm sẽ kết nối với trung tâm hoặc

chung với mạng cáp quang. Trong các trờng hợp khác, đờng truyền vô
tuyến và đờng truyền hữu tuyến sẽ đợc sử dụng tuỳ điều kiện hạ tầng
thực tế.
Các thiết bị đầu cuối phục vụ mục đích thu thập số liệu hay điều
khiển cũng có những đặc thù khác nhau, có thể là một thiết bị tự động hoàn

16
toàn, hoạt động độc lập và cũng có thể là các thiết bị điều khiển phức tạp,
cần có sự can thiệp của con ngời.
Trung tâm và các trạm trong mạng có thể hoạt động theo chế độ chủ
tớ, hoặc theo chế độ đồng cấp. Việc thiết lập chế độ hoạt động trong mạng
đợc thực hiện từ trung tâm.

17
Mạng truyền số liệu trung tâm Trung tâm xử lý số liệu và

f2 sang chuyển tiếpf1
RS422
Mạng
HU
B
Monitor
(hình ảnh,
tần số)
PC1
thu thập
VIDEO
out

Card
quang
PC2
điều khiển
VIDEO
in
Card
quang
Mạng
H
ình 2: Cấu trúc trạm trung tâm theo đờng truyền số liệu18
Tr¹m truyÒn sè liÖu quan s¸t vµ ®iÒu khiÓn
M§
VT
PT
MD
VT
T
P
f1
f3
RS422
PC1
Trén
VIDEO
in
M¹ng
RS422
Sang c¸c tr¹m ph¸t hiÖn
vµ b¸m s¸t
HiÓn thÞ
h×nh ¶nh
Card quang
VI
C¸p ®ång

19
Mạng truyền số liệu trạm cơ động.


RS422
PC1
Đến các thiết bị
đầu cuối
Hiển thị
hình ảnh
Card quang
COM

20
Các thiết bị đầu cuối có thể là thiết bị thu thập, có thể là thiết bị điều
khiển, về mặt truyền số liệu đợc xây dựng theo sơ đồ cấu trúc sau:

Khối truyền
thông
RS232
TP

VT

Các cổng RS422
Hệ Video

Hiển
thị
Video in
H
ình 5: Cấu trúc các thiết bị đầu cuối dạng thu thập số liệu

21
Trạm chuyển tiếp thực hiện các nhiệm vụ chuyển tiếp đờng truyền vô
tuyến nhằm nâng độ rộng về mặt địa lý của hệ SCADA và có sơ đồ cầu trúc nh
hình sau
Nh vậy. hệ thống SCADA nêu trên có hai phần cơ bản: phần đảm bảo
truyền thông và phần xử lí tín hiệu và điều khiển.
Phần đảm bảo truyền thông về nguyên lý đối với các trạm cùng cấp là
tơng đối giống nhau, đợc điều hành thống nhất từ trạm trung tâm.

Các chủng loại kênh thông tin sử dụng trong hệ thống: kênh thoại, kênh
vô tuyến, cáp quang.
Phạm vi hoạt động: Lấy trung tâm (trạm) giám sát-điều hành- điều khiển
tổng hợp làm tâm điểm, hệ thống có thể bao quát các đối tợng trong
phạm vi bán kính 50Km.
Điều kiện môi trờng:
- Đối với các thiết bị phân tán
+ Nhiệt độ: 0 ữ55
0
C.
+ Độ ẩm tơng đối: đến 98%.
+ Rung xóc: Rung 2g, 1KHz- xóc 10g.
- Đối với các trạm trung tâm.
+ Nhiệt độ: 0 ữ40
0
C.
+ Độ ẩm tơng đối: đến 98%.
+ Rung xóc: Rung 2g, 1KHz- xóc 10g.
23
đầu cuối
Trạm
giám sát- bám sát

24
5.1.3. Trạm phát hiện, bám sát.
Chức năng:
- Sục sạo, phát hiện và bám sát mục tiêu
- Đo các tham số góc của mục tiêu.
- Truyền hình ảnh và tham số góc của mục tiêu về trung tâm
- Nhận chỉ thị dẫn đờng của trung tâm để sục sạo phát hiện mục tiêu.
Các đặc tính kỹ thuật:
- Vận tốc góc trong chế độ chuyển hớng: 0-60
0
/s
- Vận tốc góc trong chế độ bám: 0-30
0
/s
- Độ phân giải đo góc tà và góc phơng vị: 0,367 li giác
- Sai số đo góc tối đa: 0,74 li giác.
- Công suất hệ truyền động: 300W
- Nguồn nuôi: AC-220V
- Cổng giao diện: RS232/RS485
- Chế độ điều khiển: tự động / bán tự động
- Hiển thị: hình ảnh và tham số mục tiêu.
- Môi trờng:
+ Nhiệt độ 0 ữ 55
0
C.
+ Độ ẩm: đến 98%.

c tỏch biờn, thc hin xỏc nh c tớnh i tng nh kớch thc,
ng bao, sỏng, im cú sỏng nh.
+ Xỏc nh mc tiờu: trờn c s cỏc i tng ó c xỏc nh thụng
s v phõn loi, tỡm i tng no cú cỏc thụng s gn ỳng nht vi
thụng s mc tiờu ó c xỏc nh t frame tr
c.