Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa Hà nội
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
ă
n
nt
t
h
h
ạ
ạ
c
cs
s
ĩ
ĩ
k
k
h
h
o
o
a
x
x
ử
ửl
l
ý
ýt
t
h
h
ô
ô
n
n
g
gt
t
i
i
n
n
g
g X
X
â
â
y
yd
d
ự
ự
n
n
g
gh
h
i
i
ể
ể
n
n
g
g
i
i
á
á
m
ms
s
á
á
t
t
r
u
u
n
n
g
gk
k
i
i
ê
ê
n
n
0
6
62
Lời cam đoan
Tên tôi là Nguyễn Trung Kiên, Học viên lớp Cao học Xử lý thông tin và
truyền thông 2004. Tôi cam đoan những nội dung tôi viết trong luận văn là
nghiên cứu của bản thân tôi dới sự hớng dẫn của T.S Nguyễn Linh Giang và
không có sự sao chép bất hợp pháp từ nghiên cứu của ngời khác. Nếu sai tôi
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2006
Ngời cam đoan: Nguyễn Trung Kiên. 3
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị.........................................................7
Mở đầu.........................................................................................................9
Chơng 1 - Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
1.1. Tổng quan về SCADA.......................................................................... 11
1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTUs (Remote Terminal Units)............... 13
2.3.2. Dịch vụ truyền thông và subnet ..................................................... 57
Chơng 3 Truyền thông với PLC
3.1. Tổng quan về PLC ............................................................................... 60
3.1.1. Định nghĩa...................................................................................... 60
3.1.2. Đặc điểm ........................................................................................ 60
3.1.3. Cấu tạo PLC ................................................................................... 62
3.1.4. Cấu hình cứng PLC ........................................................................ 62
3.1.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 64
3.1.6. Cơ chế hoạt động............................................................................ 64
3.1.7. Phơng pháp xử lý tín hiệu ............................................................ 65
3.2. Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 của Siemens .................. 65
3.2.1. Các thành phần của một hệ PLC S7-200........................................ 65
3.2.2. Phần cứng của PLC S7-200............................................................ 66
3.2.3. Cổng truyền thông.......................................................................... 68
3.2.4. Cấu trúc bộ nhớ .............................................................................. 69
3.2.5. Ngôn ngữ lập trình ......................................................................... 71
3.3. Truyền thông trên PLC ....................................................................... 73
5
3.3.1. Các yếu tố cơ bản về truyền thông................................................. 73
3.3.2. Tham số truyền thông .................................................................... 74
3.3.3. Các cổng truyền thông ................................................................... 74
3.3.4. Khoảng cách truyền thông ............................................................. 75
3.3.5. Điều khiển đờng tín hiệu truyền thông ........................................ 75
3.3.6. Nghi thức truyền thông .................................................................. 76
Chơng 4 Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát
4.1. Phân tích thiết kế hệ thống..................................................................78
4.1.1. Phần mềm điều khiển giám sát ...................................................... 78
13 MTU Master Terminal Unit
14 PLC Programable Logic Control
15 PSN Public Switched Network
16 RTU Remote Terminal Unit
17 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
18 STL Statement List
19 UCA Utility Communication Architecture
20 WAN Wide Area Network 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Thứ tự Tên hình Trang
Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống SCADA 12
Hình 1.2 Một RTU điển hình 13
Hình 1.3 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên 21
Hình 1.4 Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ hai 22
Hình 1.5 Hệ thống SCADA thế hệ thứ ba 24
Hình 1.6 Kiến trúc chung của phần mềm 26
Hình 2.1 MPI - SURNET 33
Hình 2.2 Kiến trúc giao thức của PROFIBUS 36
Hình 2.3 Phơng pháp thâm nhập đờng dẫn trong mạng
PROFIBUS
37
Hình 2.4 Mạng PROFIBUS 38
Hình 2.5 Mạng PROFIBUS -DP 39
Hình 2.6 Industrial Ethernet 41
Hình 2.7 Kết nối điểm tới điểm 43
Hình 2.8 ASI - Subnet 44
Hình 2.9 Bố trí chân của phích cắm RS-232 ở máy tính PC 46
nghiệp có một đặc thù riêng, nên ứng dụng của họ rất khác nhau. Do đó việc
nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
(SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition System) để quản lý,
giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam là công việc rất
thiết thực và cần thiết.
Chỉ cần có một ngời điều khiển và vận hành hệ thống thông qua một
phần mềm cài đặt trên máy tính đặt tại phòng điều khiển, hệ thống này có thể
ứng dụng để :
- Tự động đóng/ngắt điện khi máy/thiết bị hoạt động/không hoạt động
- Giám sát và tự động điều khiển hoạt động của 1 lò nhiệt
- Giám sát số lợng ngời vào/ra khu vực lò
- Cảnh báo khi có kẻ gian đột nhập
- Giám sát hoạt động của ngời trong phòng/toà nhà thông qua Camera
quan sát
- Điều khiển chuông báo giờ
10
Các tính năng của hệ thống có thể ít/nhiều hơn các tính năng liệt kê ở
trên, tuỳ thuộc vào mong muốn và mục đích của ngời sử dụng, và khi đó giá
thành của hệ thống cũng sẽ giảm/tăng theo.
Chính vì lý do đó tôi đã lựa chọn đề tài: Xây dựng hệ thống điều
khiển giám sát với mục đích nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển
giám sát thông qua một phần mềm cài đặt trên máy tính.
Nội dung của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu và tổng quan về hệ thống.
- Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống.
- Thiết kế các Modul phần cứng của hệ thống.
Đề tài đợc hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy T.S. Nguyễn
Linh Giang, Giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, Trờng ĐH Bách Khoa
Hà Nội cùng tập thể các giảng viên Khoa Điện tử, Trờng ĐH Công nghiệp
của một nhà máy năng lợng hạt nhân. Trớc đây, các hệ thống SCADA sử
dụng mạng chuyển mạch chung (PSN Public Switched Network) để phục vụ
mục đích giám sát. Hiện nay, nhiều hệ thống giám sát sử dụng cơ sở hạ tầng
của LAN/WAN (Local Area Network/Wide Area Network). Kỹ thuật không
dây cũng đang đợc ứng dụng rộng rãi cho mục đích giám sát.
12
Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống SCADA
Nh vậy, hệ thống SCADA bao gồm:
Một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp dữ liệu, thờng là các RTU hoặc PLC.
Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị giao
tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong máy chủ trung
tâm SCADA. Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại, cáp, vệ
tinh. hoặc là sự kết hợp của bất kỳ loại nào ở đây.
Một hoặc nhiều máy tính chủ ở trung tâm (còn đợc gọi là SCADA
Center, Master Station, hoặc Master Terminal Unit MTU).
Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống phần mềm (đôi khi đợc gọi là
phần mềm giao diện ngời máy (HMI Human Machine Interface
hoặc MMI Man Machine Interface)) sử dụng để hỗ trợ cho máy chủ
13
trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ trợ hệ thống
truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu từ xa.
1.1.1. Các đơn vị tải đầu cuối RTU (Remote Terminal Units):
RTU là một thiết bị giao tiếp với các đối tợng trong hệ SCADA bằng
cách truyền dữ liệu của phép đo từ xa tới hệ thống và/hoặc cảnh báo trạng thái
của các đối tợng đã kết nối dựa trên các thông báo điều khiển nhận đợc từ
hệ thống.
nhiều RTU 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) RTU dùng để tự động hoá lới phân phối:
ở đây sẽ sử dụng các RTU có dung lợng ngõ nhập/xuất nhỏ hơn. Các
RTU loại này (gọi là DA RTU DISTRIBUTION AUTOMATION RTU)
thờng là các mạch điều khiển đơn board, có màn hình Monitor, trên đó tích
hợp sẵn các ngõ I/O. Các Card I/O mở rộng kết nối với DA RTU bằng cáp dẹt,
thay cho loại Card cắm trực tiếp. Hớng phát triển mạnh nhất là các DA RTU
tích hợp công (Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số) có khả năng phát
hiện lỗi và xử lý tính toán các đại lợng điện cực nhanh.
c) Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC Programable Logic Control):
Từ nhiều năm, PLC đã đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển trong nhiều
dây chuyền sản xuất và xử lý trong công nghiệp. Gần đây, PLC lại bắt đầu
đợc dùng để điều khiển trong các trạm chính và trạm trung chuyển của hệ
thống phân phối năng lợng. Hệ thống I/O của PLC cũng có thể mở rộng rất
lớn (hàng nghìn đơn vị). Tín hiệu điều khiển các ngõ ra hoặc đợc điều khiển
bằng chơng trình phần mềm nạp sẵn, hoặc thông qua tín hiệu điều khiển phát
từ máy chủ của hệ thống SCADA. Nhờ khai thác các bộ nhớ loại EEPROM và
15
gần đây là FLASHROM, ngời vận hành có thể dễ dàng chỉnh sửa chơng
trình đang nạp cho PLC mà không phải động chạm đến phần cứng. Một u
điểm nữa là hầu hết các PLC đều có cấu trúc I/O và các chức năng chuyên
dùng ở dạng Modul, dễ dàng gắn thêm lên tấm RACK nếu ở gần, hoặc kết nối
bằng cáp đồng trục, cáp quang theo mạng LAN hay đôi dây xoắn. Ngôn ngữ
lập trình thông dụng cho các PLC là ngôn ngữ LADDER (RELAY LADDER
LOGIC RLL), rất đơn giản và hiệu quả, cho phép ngời vận hành chỉnh sửa
chơng trình LADDER với các RTU là các PLC dùng bộ nhớ dạng EEPROM.
Một u thế nữa của các RTU dạng PLC hiện đại là khả năng lập trình hoá cả
các ứng dụng có điều khiển PID vòng kín, tích hợp các chơng trình điều
Trạm chủ trong hệ thống SCADA có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các
RTU. Khả năng tơng tác đồ hoạ ngày càng cao của các máy tính dùng trong
trạm cho phép ngời 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 hoặc
Windows, các chơng trình này đợc viết bởi nhà cung cấp và có thể đợc
ngời sử dụng hiệu chỉnh bổ sung.
Trạm chủ không chỉ giám sát điều khiển các RTU mà còn có thể truy
cập dữ liệu của khách hàng. Khai thác cơ sở dữ liệu cho phép ta viết các
chơng trình thông minh cho phép lọc các sự cố cảnh báo và thực hiện 1 số
hiệu chỉnh mà không cần ngời điều hành can thiệp.
Dựa vào loại thiết bị của trạm chủ, ta có thẻ phân ra:
a) Hệ thống dựa vào máy tính PC (PC Based Systems):
Xu hớng 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 sẻ tài nguyên & cùng khai thác khả năng tơng tác đồ hoạ. Các hệ điều
17
hành hiện nay đều cho phép máy tính vận hành đa nhiệm (MULTI-
TASKING), nghĩa là cứ chạy nhiều chơng trình song song và quản lý cùng
lúc nhiều cửa sổ. Hệ thống LAN phổ biến là ETHERNET .
b) Hệ thống trạm làm việc (Workstation Systems):
Các workstations của các hãng lớn nh SUN, DEC, HP, IBM ,.. thờng
vận hành trên 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 đợc rút gọn
RISC (Reduced Instruction Set). Các trạm làm việc cũng có thể nối 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.
c) Hệ thống dùng máy tính Mini (Minicomputer Systems):
Đợc dùng khi cần đạt tốc độ tính toán cực cao,chẳng hạn lới SCADA
với máy tính PC (gồm cả các ký tự điều khiển không in nh Esc, Ctrl, Del,
Shift, Backspace & Alt). Các byte protocols tơng thích tốt với các RTUs sử
dụng các bộ vi điều khiển 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 nh đờng truyền nối tiếp tiêu chuẩn (STANDARD SERIAL
INTERFACE) của máy tính đều dựa trên bảng mã ASCII và tơng thích với
chúng. Tiêu biểu cho các giao thức nhóm này là PG&E, Harris 5000, Ferranti
5000 & Duke Power SDLC.
c) Hệ thống mở UCA (UCA Open System):
Từ 1991, Viện Nghiên Cứu năng lợng điện EPRI (Electric Power Electric
Institute) triển khai dự án EPRI Project RP2949 nhằm tích hợp các hệ thống
liên lạc. Hai giai đoạn đầu của dự án là UCA (Utility Communication
Architecture) & DAIS (Data Access Integration Services) đã đợc hoàn thành,
cụ thể hoá bằng các đặc tả UCA 1.0 & DAIS 1.0. Nội dung 2 đặc tả có xét đến
sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin cùng công nghệ máy tính,
19
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 đợc 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 hoá các
Protocols nói riêng và các quy định khác nói chung của các tổ chức chính
danh nh IEEE, ISO, IEC trớc sự phát triển vũ bão của công nghiệp và khoa
học kỹ thuật.
1.1.4. Truyền thông trong SCADA:
Các giao thức truyền thông sử dụng trong các mạng SCADA đợc phát
triển bởi các nhà cung cấp thiết bị RTU và thờng có đặc tính riêng. Thêm vào
đó, các giao thức này đợc thiết kế rất sơ sài và không dựa trên yêu cầu điều
khiển các điểm trong thiết bị ở xa. Nó cũng không khả thi khi trộn lẫn các loại
lu lợng dữ liệu khác nhau với RTU truyền thông trong mạng.
21
Hình 1.3: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên
Việc kết nối với chính trạm chủ SCADA là rất hạn chế bởi nhà cung cấp
hệ thống. Việc kết nối trạm chủ đặc thù đợc thực hiện ở mức bus thông qua
một adapter riêng bộ điều khiển đợc gắn với mặt phẳng ở phía sau CPU.
Sự d thừa ở hệ thống thế hệ đầu tiên là việc đợc hoàn thành bằng cách
sử dụng 2 hệ thống mainframe đợc trang bị giống hệt nhau, một hệ thống
chính và một hệ thống dự phòng, kết nối ở mức bus. Chức năng cơ bản của hệ
thống dự phòng là để giám sát hệ thống chính là thay thế trong trờng hợp có
lỗi xảy ra.
1.2.2. Hệ SCADA phân bố:
Thế hệ tiếp theo của hệ thống SCADA tiếp tục phát triển và cải tiến hệ
thống nhỏ, công nghệ mạng LAN để sắp xếp lại việc xử lý các hệ thống phức
tạp. Với các hệ thống tích hợp, mỗi hệ thống với một chức năng riêng biệt,
đợc kết nối với một LAN và chia sẻ thông tin với mỗi hệ thống khác theo
thời gian thực. Các hệ thống này đặc trng cho loại máy tính mini, nhỏ hơn và
giảm giá thành hơn so với thế hệ đầu tiên.
22
Hình 1.4: Kiến trúc của hệ thống SCADA thế hệ thứ 2
Một số hệ thống phân bố này đợc dùng nh các bộ xử lý truyền thông,
trớc hết là truyền thông với các thiết bị khác nh là các RTU. Một số khác
vi là những thành phần đợc cung cấp hoặc lựa chọn tuỳ theo nhà cung cấp.
1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng:
Thế hệ hiện nay của kiến trúc hệ thống SCADA master gần giống với thế
hệ thứ 2, với khác biệt cơ bản là kiến trúc hệ thống mở hơn so với môi trờng
riêng, đợc kiểm soát bởi nhà cung cấp nh ở thế hệ thứ 2. ở đây vẫn tồn tại
hệ thống mạng tích hợp, có sự chia sẻ các chức năng của trạm chính. ở đây
vẫn có các RTU sử dụng các giao thức riêng của nhà cung cấp. Cải tiến chính
trong thế hệ thứ 3 này là việc mở kiến trúc hệ thống, sử dụng các chuẩn mở và
các giao thức cho phép phân chia các chức năng của SCADA trên mạng
WAN chứ không chỉ ở mạng LAN.
24
Hình 1.5: Hệ thống SCADA thế hệ thứ 3
Các chuẩn mở đã loại bỏ một số giới hạn của các thế hệ trớc đó của hệ
thống SCADA. Việc sử dụng hệ thống mở làm cho nó dễ dàng hơn đối với
ngời sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi thứ 3 (nh màn hình, máy in, ở
đĩa) với hệ thống và/hoặc mạng.
Cùng với việc sử dụng hệ thống mở, các nhà cung cấp cũng từ bỏ dần
việc chỉ phát triển kinh doanh phần cứng. Các nhà cung cấp này đã mong đợi
các nhà cung cấp hệ thống nh Compacq, Hewlett-Packard và Sun
Microsystems dành trí tuệ của họ trong việc phát triển phần mềm điều hành hệ
thống. Điều này cho phép các nhà cung cấp SCADA tập trung sự phát triển
của họ vào một lĩnh vực mà tại đây họ có thể thêm những tính năng nhất định
vào phần mềm của hệ thống SCADA master.
Cải tiến chính trong các hệ thống SCADA thế hệ thứ 3 là việc sử dụng
các giao thức WAN nh giao thức Internet (IP) cho truyền thông giữa trạm
25
Copyright: Tài liệu đại học ©