TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA
Khái niệm về hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu dựa trên nền tảng máy tính, phát triển từ mô hình đơn lẻ đến kiến trúc mạng phân tán SCADA cho phép truyền thông nhanh chóng, linh hoạt và chính xác, đồng thời thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diễn, lưu trữ và phân tích, cũng như điều khiển các đối tượng này hiệu quả.
SCADA đã chuyển từ độc quyền sang tiêu chuẩn hóa phần cứng và phần mềm, giúp giảm chi phí nâng cấp, vận hành và bảo trì Sự thay đổi này cung cấp thông tin thời gian thực cho quản lý, hỗ trợ lập kế hoạch, giám sát và ra quyết định Các hệ thống SCADA đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như phát điện, truyền tải và phân phối điện năng, lọc ga, dầu, quản lý đường ống, hệ thống lọc và phân phối nước, sản xuất và xử lý hóa chất, cũng như hệ thống giao thông vận tải.
SCADA không chỉ phổ biến trong các mạng tự động lớn của các công ty tiện ích công cộng mà còn có thể áp dụng cho hầu hết các quy trình điều khiển tự động Các doanh nghiệp như nhà máy đóng chai cũng tận dụng được những lợi ích từ SCADA, cho phép tự động hóa toàn bộ nhà máy, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong sản xuất.
Hệ thống SCADA thường tuân thủ các nguyên tắc như làm việc với thời gian thực, sử dụng lượng thông tin thừa lớn nhờ tần suất cập nhật dữ liệu cao, có cấu trúc mạng linh hoạt, áp dụng nguyên tắc hệ thống và mô-đun mở, cùng với việc trang bị thiết bị dự trữ để duy trì hoạt động trong trạng thái “dự trữ nóng”.
Lịch sử phát triển hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA đã được phát triển từ những năm 1960, nhờ vào sự xuất hiện của máy tính nhỏ như PDP-8 và PDP-11 của Digital Equipment Corporation, cho phép kiểm soát quá trình và sản xuất bằng máy tính Trong thập niên này, thiết bị đo từ xa bằng sóng vô tuyến được sử dụng trong giám sát thời tiết với sự hỗ trợ của khí cầu và tên lửa đẩy, cùng với sự phát triển của hệ thống giám sát từ xa có dây.
Những năm 1970 ra đời máy bộ đàm dùng sóng radio, cùng tiến trình ra đời và phát triển của PLC (Programmable Logic Controlers) cũng được diễn ra song song
Sự phát triển của máy vi tính đã dẫn đến việc lập trình và thu gọn chúng để cạnh tranh với các chức năng và vận hành của PLC Cuộc cạnh tranh này đã hình thành giữa hai lĩnh vực nghiên cứu và vẫn tiếp tục diễn ra cho đến ngày nay.
Hệ thống điều khiển ban đầu chỉ hoạt động cục bộ, kết nối giữa các thiết bị như máy tính mini hoặc PLC với động cơ, bơm, van, công tắc và cảm biến, thường được gọi là hệ thống điều khiển phân bố (DCS) Các hệ thống này thường sử dụng mạng cục bộ (LAN) và phát triển giao thức truyền thông độc quyền Khi công nghệ máy tính và mạng được cải tiến, nhu cầu giám sát và điều khiển từ xa theo thời gian thực gia tăng, đặc biệt với các công ty có chi nhánh ở xa Điều này dẫn đến sự phát triển của hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA), hiện đang mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học khác.
Các thành phần cơ bản của một hệ thống SCADA
Mạng SCADA là sự kết hợp giữa các trạm chủ MTU, trạm tớ RTU và thiết bị trường, tất cả được kết nối qua mạng truyền thông Quá trình điều khiển và logic được thực hiện bởi các máy chủ, trong khi thông tin cần thiết được thu thập từ các bộ điều khiển và cảm biến Các trạm tớ đóng vai trò là giao diện cho người vận hành tương tác với hệ thống.
Các trạm chủ thường được đặt tại nhà máy chính và truyền thông với các bộ điều khiển cục bộ hoặc xa cần giám sát Hệ thống SCADA có thể rộng lớn, bao phủ hàng trăm km, đặc biệt trong các hệ thống tiện ích công cộng nơi các bộ điều khiển được bố trí dọc theo đường điện hoặc ống dẫn dầu Trong các hệ thống này, thường có các trạm chủ phụ SMS đóng vai trò là thiết bị thu thập và điều khiển trung gian Kích thước và độ phức tạp của mạng SCADA phụ thuộc vào quy trình điều khiển, kích thước công trình tiện ích và thương mại sử dụng Một hệ thống cung cấp điện có thể lên đến 50.000 điểm thu thập dữ liệu, trong khi một nhà máy đóng chai chỉ cần một máy chủ và một số PLC nhỏ.
Hình 1.1: Cấu trúc một mạng SCADA đơn giản
Hệ thống này bao gồm một số PLC được điều khiển bởi một máy chủ, với kết nối Ethernet LAN cho phép người vận hành giám sát mạng từ xa qua mạng công ty Kết nối Ethernet liên kết các PLC với PC để chạy ứng dụng SCADA.
Các mạng SCADA trong các công ty lớn thường phức tạp hơn với nhiều kết nối và chức năng đa dạng Hình 1.2 minh họa một mạng SCADA quy mô lớn, điển hình cho việc sử dụng trong các công ty tiện ích công cộng.
Để quản lý và vận hành hiệu quả các hệ thống SCADA phức tạp, phần cứng được chia thành năm cấp độ cơ bản.
Thiết bị đo và thiết bị điều khiển
Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU
Các trạm thu thập dữ liệu SMS (Sub-Master Station)
Hệ thống xử lý dữ liệu MTU
Hình 1.2: Cấu hình một mạng SCADA lớn tiêu biểu 1.3.2 Phần mềm
Phần mềm SCADA được phân loại thành hai loại chính: phần mềm độc quyền và phần mềm mã nguồn mở Phần mềm độc quyền thường được phát triển bởi các nhà cung cấp hệ thống SCADA, chủ yếu phục vụ cho việc giao tiếp với phần cứng của họ, dẫn đến việc người dùng phải hoàn toàn phụ thuộc vào nhà cung cấp Ngược lại, phần mềm mã nguồn mở ngày càng trở nên phổ biến nhờ khả năng tích hợp và hoạt động với nhiều thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau trên cùng một hệ thống, mang lại sự linh hoạt và tự do cho người sử dụng.
Các chức năng chủ yếu của phần mềm SCADA bao gồm:
- Giao tiếp với RTU hoặc PLC
- Có khả năng phát triển thành hệ thống lớn
- Khả năng truy cập dữ liệu từ các server khác
- Khả năng kết nối mạng
- Khả năng chỉ thị lỗi và dự phòng
- Xử lý phân bố theo mô hình chủ/tớ
Truyền thông là một bộ phận thiết yếu trong hệ thống SCADA, ảnh hưởng đến tính ổn định và độ chính xác của toàn bộ hệ thống Để đảm bảo hiệu quả, hệ thống truyền tin cần đáp ứng các tiêu chuẩn như tốc độ truyền, giao thức, cách thức truyền (đồng bộ hoặc dị bộ) và khoảng cách địa lý Việc lựa chọn thiết bị truyền thông phù hợp với các thiết bị trong hệ thống SCADA là rất quan trọng, tùy thuộc vào mô hình và phạm vi của từng hệ thống Dưới đây là một số dạng truyền thông phổ biến thường được sử dụng trong hệ thống SCADA.
Bảng 1.1: Một số kiểu truyền và tiêu chuẩn thường dùng trong SCADA Đối tác truyền thông Kiểu truyền Tiêu chuẩn thường dùng
Máy chủ với IED hiện trường
Không đồng bộ kiểu Multidrop
PLC thu thập với IED hiện trường
Không đồng bộ kiểu Multidrop
Máy chủ với máy dự phòng DMS, EMS và DTS Đồng bộ kiểu Multidrop Ethernet
Máy chủ với SCADA cấp trên
Không đồng bộ kiểu singledrop
RS233 tải ba,modem hay Ratio 450Hz SCADA với các ứng dụng khác
Bản tin qua bộ nhớ DDE (Dynamic Data
Exchange) SCADA với các thư viện Đọc/viết thư viện DLL (Dynamic Link
SCADA với hệ điều hành Quản lý cửa sổ Windows
SCADA sử dụng máy in song song, kết nối RS232 và ASCII để đảm bảo rằng các thực thể có thể giao tiếp hiệu quả bằng cách "nói" cùng một ngôn ngữ (giao thức) Giao thức này định nghĩa định dạng và cách thức trao đổi thông điệp, giúp gửi và nhận dữ liệu cũng như điều khiển thông tin cục bộ và từ xa trong thời gian dự kiến Thời gian dự kiến là khoảng thời gian cần thiết cho một giao dịch khi tất cả các thông số đã rõ ràng Để đáp ứng yêu cầu truyền thông trong các ứng dụng như nhà máy lọc dầu và mạng lưới điện, các nhà sản xuất thiết bị điều khiển như PLC đã phát triển các giao thức và kiến trúc truyền thông bus riêng biệt Bảng 1.2 cung cấp tóm tắt về một số nhà sản xuất thiết bị và giao thức tương ứng.
Bảng 1.2: Bảng tóm tắt các giao thức của một số nhà sản suất
Nhà sản xuất Giao thức
DeviceNet, ControlNet, DFI, Data Highway+,
Modbus, Modbus Plus, Modbus TCP/IP
Trong những năm 1990, các nhóm công nghiệp và tổ chức tiêu chuẩn đã phát triển các giao thức mở cho hệ thống điều khiển, nhằm tạo ra các giải pháp không độc quyền và không phụ thuộc vào một nhà sản xuất nào Sự phổ biến của Internet đã thúc đẩy các công ty chuyển hướng phát triển dựa trên các giao thức và công cụ mạng như TCP/IP và trình duyệt Internet Đồng thời, các nhà sản xuất và tổ chức tiêu chuẩn mở cũng đã cải tiến công nghệ Ethernet, biến mạng LAN thành một công cụ hiệu quả cho việc thu thập dữ liệu và điều khiển cục bộ.
Các mô hình phân cấp giúp xác định nơi áp dụng giao thức và đóng gói các chức năng cần thiết cho việc gửi và nhận thông điệp Kiến trúc phân lớp đã được công nhận rộng rãi và cho hiệu quả cao, với các thành phần truyền thông được chia thành các lớp và quy định cách giao tiếp giữa chúng Hai mô hình truyền thông theo lớp phổ biến nhất hiện nay là OSI (Open Systems Interconnection) và TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
1.3.4 Những yêu cầu chung về một hệ thống SCADA a) Yêu cầu về phần cứng
Hệ thống SCADA là một hệ thống phức tạp và đắt tiền, với các thành phần được cung cấp từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, dẫn đến nhu cầu cao về chuẩn hóa thiết bị, đặc biệt là giao diện và giao thức Máy tính dùng để thu thập và điều khiển cần có tính phổ thông và khả năng giao tiếp tốt với các thiết bị phần cứng khác nhau Hệ điều hành cần phải đa nhiệm, có khả năng mở rộng và giao tiếp dễ dàng với các phần mềm và phần cứng khác.
Có khả năng tương thích với các giao thức thông dụng
Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết c)Yêu cầu về truyền thông
- Do được trải ra trên không gian địa lý rộng lớn nên cần nhiều dịch vụ viễn thông để kết nối các phân hệ của hệ thống SCADA
Mức độ yêu cầu của hệ thống truyền thông tại trạm là thấp, do đó cần lựa chọn các giao thức đơn giản nhằm tạo thuận lợi cho việc xử lý của các hệ thống.
Trong môi trường công nghiệp có nhiều nhiễu điện từ, khả năng bảo toàn dữ liệu là rất quan trọng Để đảm bảo việc truyền dữ liệu không bị lỗi, cần chọn giao thức có khả năng kiểm soát lỗi hiệu quả, chẳng hạn như phương pháp kiểm tra lỗi CRC.
Chuẩn hóa giao thức truyền thông là cần thiết để đảm bảo việc trao đổi thông tin hiệu quả giữa các thiết bị như IED, RTU, PLC và PC từ các nhà sản xuất khác nhau Việc thiết lập một giao thức truyền thông chung giúp tăng cường khả năng tương tác và tích hợp giữa các hệ thống.
Trong hệ thống SCADA, tốc độ truy cập các thông số từ các thiết bị trường cần được cập nhật gần như đồng thời, đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao Điều này đặt ra yêu cầu khắt khe về dịch vụ, nhằm đáp ứng nhu cầu vận hành hiệu quả.
- Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong một khoảng thời gian đủ dài theo yêu cầu
Sự khác nhau giữa PLC, DCS và SCADA
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC) là máy tính điều khiển chuyên dụng, có khả năng lập trình linh hoạt để thay thế cho mạch điều khiển logic cứng Hiện nay, PLC không chỉ được sử dụng cho điều khiển logic mà còn cho điều khiển quá trình Các PLC trong hệ thống điều khiển phân tán thường có cấu hình mạnh mẽ, hỗ trợ điều khiển trình tự và các phương pháp lập trình hiện đại như SFC.
Trong các ứng dụng quy mô vừa và lớn, hệ thống thường có tính chất phân tán, với dây chuyền sản xuất được chia thành nhiều phân đoạn ở các vị trí khác nhau Mỗi phân đoạn được điều khiển bởi một hoặc nhiều máy tính cục bộ, thường đặt gần quá trình kỹ thuật Các phân đoạn này tương tác với nhau, do đó cần sự phối hợp giữa các máy tính điều khiển để quản lý quá trình tổng hợp Thông thường, các máy tính điều khiển được kết nối với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát trung tâm thông qua bus hệ thống, tạo ra cấu trúc điều khiển phân tán, hay còn gọi là hệ điều khiển phân tán (DCS).
DCS, ra đời sau PLC, đã kế thừa đầy đủ các chức năng điều khiển Logic, nhưng tập trung vào điều khiển quá trình Trong khi PLC chuyên sâu vào điều khiển Logic rời rạc, DCS phục vụ cho các nhà máy lớn, nơi điều khiển tập trung có thể tốn kém về đầu tư và bảo trì Do đó, hệ thống DCS thường sử dụng phương thức điều khiển phân tán để tối ưu hóa chi phí và hiệu quả vận hành.
Trong quá trình phát triển, ranh giới giữa PLC và DCS ngày càng mờ nhạt Các hệ thống PLC lớn như GE Fanuc 9070 và Siemens S7-400 đã tích hợp nhiều tính năng của DCS, bao gồm điều khiển phân tán qua mạng, điều khiển PID và dự phòng nóng.
Như vậy, các đặc điểm chính của 1 hệ thống DCS là:
Điều khiển quá trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward
Điều khiển phân tán qua mạng FieldBUS-Profibus, Device Net, FF
Dự phòng nóng (Redundancy) và có khả năng Hot plug
Nạp chương trình khi hệ thống đang "chạy"
Và nhiều đặc điểm khác
DCS là một thiết bị nổi bật trong số các hệ thống điều khiển phân tán, nhưng không phải là duy nhất Ngoài việc thực hiện điều khiển phân tán, DCS còn tích hợp nhiều chức năng khác, mang lại hiệu quả cao trong quản lý và giám sát quy trình.
Hệ thống SCADA và DCS thường bị nhầm lẫn do cả hai đều có khả năng điều khiển qua mạng, phần mềm HMI và máy chủ dữ liệu Tuy nhiên, chúng là hai hệ thống khác nhau Trong DCS, có hai chức năng chính là điều khiển đối tượng và điều khiển giám sát, với điều khiển đối tượng thực hiện tại các trạm điều khiển và điều khiển giám sát tại trạm vận hành Ngược lại, hệ thống SCADA chỉ tập trung vào điều khiển giám sát, trong khi điều khiển đối tượng có thể tồn tại trong các hệ thống điều khiển khác nhưng không thuộc chức năng của SCADA.
Khi PLC kết hợp với PC mặc dù gần giống như "DCS", nhưng không đúng vậy
Mặc dù PLC và DCS có nhiều điểm tương đồng, nhưng PLC không thể thay thế DCS do thiếu các tính năng chủ đạo và tính năng chưa hoàn thiện Trong hệ thống DCS, PC đảm nhiệm cả vai trò trạm vận hành và trạm thiết kế, kỹ thuật, trong khi PC trong hệ PLC chủ yếu chạy các phần mềm HMI, SCADA, nhưng không thể hoạt động như một trạm vận hành hoàn chỉnh Để xây dựng hệ thống điều khiển phân tán, có thể sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau, bao gồm cả PLC, đặc biệt khi bài toán điều khiển thiên về Logic và ít yêu cầu về điều khiển quá trình Gần đây, xuất hiện nhiều hệ điều khiển lai, kết hợp cả PLC và DCS, hoặc thực hiện chức năng của cả hai hệ thống này.
Tóm lại hai hệ thống SCADA và DCS cơ bản khác nhau ở một số điểm như bảng 1.3
Bảng 1.3: So sánh SCADA và DCS Đặc điểm SCADA DCS
Cơ sở dữ liệu quá trình Thuộc riêng hệ SCADA Chung, thống nhất toàn cục
Cơ sở dữ liệu cấu hình Độc lập từng phần Chung, thống nhất toàn cục
Phương pháp phát triển ứng dụng
Riêng rẽ từng phần, không liên quan tới nhau
Tích hợp toàn bộ, liên quan chặt chẽ tới nhau
I/O-Drivers, I/O-Servers Cần thiết cho từng loại
PLC và từng công cụ SCADA
Tích hợp trong hệ thống phần mềm, không cần quan tâm
Cơ chế giao tiếp cấp điều khiển giám sát
Chủ yếu là Polling Linh hoạt, có thể polling hoặc publisher/subsriber
Hệ thống cảnh báo Cấp điều khiển giám sát thực hiện hoàn toàn
Tạo cảnh báo dưới cấp điều khiển, quản lý cảnh báo ở cấp điều khiển giám sát Điều khiển cao cấp Chỉ ở cấp điều khiển giám sát
Có thể ở cả hai cấp
Khả năng lựa chọn công cụ Có nhiều Không có
Các chức năng cơ bản của hệ thống SCADA
Người dùng được phân vào các nhóm, và mỗi nhóm được xác định các quyền truy cập đọc/ghi cho các thông số của quá trình điều khiển trong hệ thống.
Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng, …
Các sản phẩm SCADA đều hổ trợ tiện ích lập biểu đồ, tính năng lập biểu đồ thông thường bao gồm:
Thông số được ghi ở một biểu đồ cụ thể được định nghĩa trước hoặc được định nghĩa trực tiếp
Lập biểu đồ thời gian thực và lưu lại cho việc tra cứu về sau
-Điều khiển báo động (Alarm Handling)
Báo động được thiết lập dựa trên việc kiểm tra giới hạn và trạng thái trên các máy chủ, cho phép quản lý tập trung Thông tin báo động chỉ tồn tại ở một vị trí, giúp tất cả người dùng cùng thấy một trạng thái nhất quán Hệ thống hỗ trợ nhiều mức ưu tiên cho các loại báo động khác nhau.
Chúng ta có thể tổ chức các báo động thành các nhóm và xem chúng như một thực thể duy nhất Khi truy cập bảng ghi báo động, người dùng có thể sắp xếp theo độ ưu tiên, thời gian hoặc theo nhóm Ngoài ra, hệ thống cho phép gửi email tự động hoặc thực hiện các phản ứng tự động dựa trên từng điều kiện báo động.
- Ghi sự kiện và lưu trữ (Logging/Archiving)
Ghi sự kiện và lưu trữ là hai khái niệm thường được liên kết với nhau trong việc quản lý dữ liệu Ghi sự kiện có thể được xem như một phương pháp lưu trữ dữ liệu tạm thời cho các chiến lược ngắn hạn hoặc trung bình, trong khi lưu trữ phục vụ cho các chiến lược dài hạn trên đĩa hoặc thiết bị lưu trữ cố định khác Thông thường, ghi sự kiện diễn ra theo chu kỳ; khi dung lượng dữ liệu hoặc thời gian đạt đến giới hạn nhất định, dữ liệu cũ sẽ bị ghi đè bởi dữ liệu mới.
Sự kiện có thể được ghi lại theo tần số xác định trước, khởi tạo khi có sự thay đổi, hoặc khi một sự kiện cụ thể xảy ra Dữ liệu của các sự kiện sẽ được chuyển vào lưu trữ khi bảng ghi đã đầy Mỗi sự kiện đều có dấu thời gian và có thể được lọc theo thời gian xảy ra khi người dùng quan sát.
- Xuất báo cáo (Report Generation)
Báo cáo có thể được xuất dưới dạng truy vấn SQL, lưu trữ file, bảng ghi sự kiện dạng text, hoặc file sự kiện dạng HTML Ngoài ra, báo cáo cũng hỗ trợ tính năng xuất, in và lưu trữ tự động.
Tính năng nổi bật của hệ thống SCADA là khả năng kích hoạt tự động các hành động dựa trên sự kiện Hệ thống cung cấp ngôn ngữ script cho phép định nghĩa trước các hành động như hiển thị cửa sổ, gửi email, chạy ứng dụng hoặc ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu Ngoài ra, SCADA hỗ trợ điều khiển tuần tự, cho phép thực hiện một chuỗi phức tạp các sự kiện trên một hoặc nhiều thiết bị, đồng thời có khả năng phản hồi các sự kiện bên ngoài.
Một số ứng dụng của SCADA
Hệ thống SCADA ứng dụng hiệu quả nhất trong vấn đề tự động hoá điều khiển quá trình liên tục và phân bố bao gồm các lĩnh vực
- Công nghiệp chế tạo và lắp ráp
- Điều khiển sản xuất, chuyển tải và phân phối năng lượng điện
- Cung cấp nước, làm sạch nước và phân phối nước
- Điều khiển những đối tượng vũ trụ;
- Điều khiển trong giao thông (tất cả các dạng giao thông: hàng không, đường sắt, đường bộ, đường thuỷ, tàu điện ngầm)
Câu hỏi ôn tập chương 1
1 Trình bày khái niệm, thành phần cấu trúc cơ bản và các nguyên tắc thực hiện của một hệ thống SCADA
2 Trình bày khái niệm về DCS, phân biệt sự khác nhau giữa PLC, DCS và hệ thống SCADA
3 Trình bày các chức năng cơ bản của hệ thống SCADA
4 Hãy cho biết những ứng dụng của SCADA và trình bày một ứng dụng cụ thể?
CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG SCADA
Các thiết bị trường
Thiết bị trường là tập hợp các thiết bị được sử dụng trong quá trình điều khiển, bao gồm cảm biến, van, công tắc và động cơ Những thiết bị này có khả năng được khởi động, dừng, đóng, mở hoặc chuyển đổi trạng thái ON/OFF thông qua PLC hoặc RTU.
Thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices)
Các IED bao gồm các thiết bị như rơ le kỹ thuật số DR, đồng hồ kỹ thuật đa chức năng DMM, công tơ điện tử nhiều biểu giá và các bộ biến đổi T Những thiết bị này có nhiệm vụ quan trọng trong hệ thống điện, giúp giám sát và quản lý hiệu quả.
- Bảo vệ tác động khi xảy ra sự cố
- Biểu thị trạng thái của các phần tử đóng cắt, ví dụ như trạng thái đóng mở của máy cắt, vị trí nấc phân áp của máy biến áp
- Điều khiển các thiết bị
- Ghi lại sự cố sự kiện xảy ra
- Kiểm tra hoạt động của bản thân chúng
Hiện nay, các IDE hiện đại được trang bị cổng truyền tin nối tiếp và cổng truyền thông tin quang, cho phép kết nối tới hệ thống trạm chủ Qua các đường truyền này, dữ liệu được kiểm soát và xử lý hiệu quả.
2.2.2 Rơ le kỹ thuật số
Cấu trúc chung của một rơ le kỹ thuật số thể hiện dạng các khối như hình vẽ
Biến đổi đại lượng đầu vào
Biến đổi đầu vào tương tự số A/D
Khối xử lý tín hiệu μP
BI L ưu tr ữ và g ia o ti ếp v ới th iế t b ị C ác p hầ n tử th ực h iệ n: R ơ le đ ầu r a, đ èn le d cả nh b áo
Hình 2.1: Cấu trúc rơ le kỹ thuật số
Chức năng của từng khối như sau:
1) Đầu vào: Dòng điện và điện áp được lấy từ cuộn dây thứ cấp của biến áp dòng điện và biến áp điện áp
2) Khối biến đổi đại lượng đầu vào: Dòng điện và điện áp của thứ cấp của biến áp còn quá lớn so với thông số đầu vào của linh kiện rơ le, do đó cần phải giảm tín hiệu vào chuẩn hóa xuống cỡ vài mA và khoảng 10V
3) Khối lọc tương tự: Lọc nhiễu, hài bậc cao và các thành phần không mong muốn trong các đại lượng đầu vào
4) Khối biến đổi tương tự - số A/D (Analog/Digital): Biến đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
5) Khối xử lý tín hiệu số μP: Khối này có chức năng xử lý các tín hiệu đầu vào, sử dụng các bộ vi xử lý 16 bit hoặc 32 bit Đối với các rơ le phức tạp như rơ le khoảng cách, rơ le so lệch bảo vệ máy phát điện, máy biến áp, đường dây siêu cao áp, hệ thống thanh cái thì sử dụng 2 đến 3 bộ vi xử lý và mỗi bộ vi xử lý thực hiện các chức năng nhiệm vụ sau:
- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ chính
- Vi xử lý thực hiện chức năng bảo vệ dự phòng
Vi xử lý thực hiện chức năng điều khiển bằng cách sử dụng phần mềm tính toán trong các chế độ vận hành bình thường và khi có sự cố Nó giao tiếp với các thiết bị và hệ thống bên ngoài, đồng thời xác định sự cố thông qua các đại lượng đầu vào Vi xử lý so sánh mối quan hệ logic giữa các đại lượng và đưa ra các quyết định như cảnh báo và cắt sự cố để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Hình 2.2: Rơ le kỹ thuật số Mikro
6) Lưu trữ số liệu và giao tiếp với thiết bị
Khối này có các nhiệm vụ:
- Lưu trữ dữ liệu ở chế độ vận hành bình thường và chế độ sự cố
- Cổng giao tiếp trao đổi dữ liệu, cung cấp tín hiệu cho phần mềm phân tích sự cố
- Kết nối thông tin với các đối tượng khác, hệ thống thông tin và điều độ
- Các rơ le thừa hành thực hiện công việc đóng cắt máy cắt điện, đưa ra cảnh báo bằng đèn, còi, chuông,…
Các tín hiệu led thông báo về trạng thái của rơ le: sẵn sàng, lỗi, phần cứng, phần mềm, hoạt động của các chức năng
Tín hiệu nhị phân BI (Binary Input) là khối nhận tín hiệu nhị phân từ thiết bị điều khiển hoặc từ các phần tử khác, nhằm thực hiện phối hợp liên động trong hoạt động của hệ thống.
9) Nguồn cấp: Biến đổi nguồn điện lưới thành các mức điện áp một chiều phù hợp (12V, 24V, 48V) cung cấp cho các mạch điện hoạt động
2.2.3 Công tơ điện tử nhiều biểu giá
Cấu trúc chung của công tơ điện tử nhiều biểu giá có dạng như hình vẽ sau:
Lập lịch Chuyển mạch thời gian
Các đầu vào điều khiển
Dữ liệu cho hóa đơn Tín hiệu đo
Các đầu vào ra board mở rộng RCR
Giao tiếp quang Đầu ra kiểm tra quang
Giao tiếp RS485, RS232 hoặc CS
Hình 2.3: Sơ đồ khối công tơ điện tử nhiều biểu giá
1) Đầu vào (In put) Những tín hiệu đầu vào chủ yếu là:
Điện áp các pha (U1, U2, U3) và trung tính (UN), cùng với dòng các pha (I1, I2, I3), đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu cho hệ thống đo lường Những đại lượng này không chỉ hỗ trợ cung cấp nguồn nuôi cho công tơ mà còn giúp giám sát điện áp hiệu quả.
Điện áp điều khiển Us có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh giá trị điện năng và nhu cầu biểu giá Nó cho phép cài đặt lại các thông số, hạn chế nhu cầu sử dụng và đồng bộ hóa các thông số liên quan.
- Các nút màn hình để lật trang màn hình, cài đặt thông số cho công tơ và xóa giá trị điện năng
2) Đầu ra (Output) bao gồm:
Màn hình LCD và các phím bấm cho phép người dùng dễ dàng đọc các thông số quan trọng như giá trị điện năng, điện áp, dòng điện, góc pha, tần số và công suất ngay tại chỗ.
Tín hiệu quang được sử dụng trong thí nghiệm công tơ thông qua các đèn LED, với tần suất phát tín hiệu tỷ lệ thuận với giá trị điện năng mà công tơ đo được trong một khoảng thời gian nhất định.
- Các rơ le tĩnh sử dụng cho việc cảnh báo tín hiệu mà công tơ xác định như mất điện áp, quá dòng điện, ngược chiều công suất,…
- Giao diện quang sử dụng cho việc thu thập dữ liệu tại chỗ bằng thiết bị cầm tay HHU (Hand Help Unit) phù hợp
Giao diện thông tin RS232, RS485, Optical,…
Tín hiệu điện áp và dòng điện từ cuộn dây thứ cấp của biến dòng TI và biến áp
TU chuyển đổi dòng điện và điện áp đầu vào thành dòng điện và điện áp định mức (mA và mV) thông qua các shunt dòng điện và điện trở phân áp Sau đó, tín hiệu dòng và điện áp được gửi đến các bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D), nơi tín hiệu đầu vào được biến đổi thành tín hiệu số tức thời Quá trình này được thực hiện thông qua các mức tiêu chuẩn trước khi tín hiệu được chuyển tới bộ xử lý tín hiệu số.
4) Xử lý tín hiệu Bộ xử lý tín hiệu xác định số lượng giá trị đo từ giá trị số tức thời đầu vào như sau:
- Công suất tác dụng và công suất phản kháng của từng pha
- Điện áp và dòng điện từng pha
- Tần số góc lệch pha
5) Các giá trị đo Đối với các tín hiệu sử dụng ở trên các thanh ghi bộ vi xử lý sẽ quét liên tục số lượng các giá trị đã đo theo từng giây để xác định các giá trị đo sau:
- Điện năng hữu công và vô công (tổng ba pha và từng pha riêng biệt) của các biểu giá mà ta đã xác định cho từng thời điểm
- Công suất, điện áp, dòng điện, hệ số công suất,…
6) Thay đổi biểu giá Sự thay đổi biểu giá có thể thực hiện bằng các cách sau:
- Thay đổi bằng tín hiệu điều khiển bên ngoài thông qua các điều khiển đầu vào
“Input Control” trên bản mạch mở rộng
- Chuyển lịch thời gian và cài đặt trong công tơ
7) Dữ liệu in hóa đơn Các thanh ghi sau đây sẽ được sử dụng cho việc xác định các giá trị đo để kết xuất thành các hóa đơn:
- Điện năng cho từng biểu giá
- Nhu cầu công suất theo biểu giá
- Hệ số công suất, điện áp, dòng điện, tần số,…
8) Bộ nhớ Một bộ nhớ phục vụ cho việc ghi lại và lưu giữ biểu đồ phụ tải, bao gồm: cấu hình, các thông số của công tơ và bảo vệ các dữ liệu của hóa đơn không bị mất khi mất điện
9) Nguồn nuôi Nguồn nuôi cung cấp cho công tơ điện tử là nguồn được lấy từ nguồn ba pha của lưới, nhờ đó điện áp pha có thể thay đổi vượt quá dải điện áp mà không cần có sự điều chỉnh điện áp nguồn nuôi
10) Giao diện truyền tin Công tơ có các cổng truyền thông tin theo các chuẩn
RS232, RS485, cáp quang,…Nhờ đó có thể đọc được số liệu từ xa hoặc cài đặt các thông số từ xa
Hình 2.4: Công tơ điện tử nhiều biểu giá
Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Termainal Unit)
RTU (Remote Terminal Unit) là một thiết bị độc lập sử dụng vi xử lý để thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa Nó có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các thiết bị tiến trình như cảm biến, bơm, và PLC tại vị trí cục bộ, sau đó chuyển dữ liệu về trạm trung tâm (MTU hoặc Sub-MTU) Ngoài ra, RTU còn hỗ trợ việc cấu hình và lập trình điều khiển tự động tải từ các trạm trung tâm.
Một RTU (Remote Terminal Unit) bao gồm các khối phần cứng quan trọng như: đơn vị điều khiển trung tâm (CPU), khối ngõ vào và ngõ ra tương tự, khối đếm vào, khối ngõ vào và ngõ ra số, giao tiếp truyền thông, bộ nguồn, khối nguồn, đế cắm RTU và các phụ kiện cần thiết.
Hình 2.5: Cấu trúc một RTU tiêu biểu 2.3.1 Đơn vị điều khiển trung tâm (CPU - Central Control Unit)
Vi xử lý thường được sử dụng trong các hệ thống RTU là loại 16 hoặc 32 bít, chẳng hạn như 68302 hoặc 80386 Các CPU này thường tích hợp bộ xử lý toán học để thực hiện các phép tính phức tạp Ngoài ra, cổng truyền thông của CPU thường bao gồm hai hoặc ba cổng RS-232/RS-422 hoặc RS-485 để phục vụ cho các ứng dụng truyền dữ liệu.
Giao tiếp với các thiết bị kiểm tra lỗi;
Giao tiếp với các Trạm vận hành;
Kết nối truyền thông với Trung tâm điều khiển
CPU được trang bị hệ thống đèn LED báo lỗi nhằm thông báo về các sự cố liên quan đến CPU cũng như các thiết bị vào ra (I/O).
Bộ định thời là một thành phần quan trọng của CPU, cung cấp thời gian thực để đảm bảo các sự kiện được thông báo một cách chính xác tuyệt đối.
2.3.2 Khối vào tương tự (Analog Input Modules)
Có 5 thành phần cơ bản tạo nên một khối vào tương tự: Bộ ghép kênh vào (Input Multiplexer), khuếch đại tín hiệu vào(Input Amplifier), mạch lấy mẫu và giữ (Sample and Hold Circuit), biến đổi A/D và bộ giao tiếp (Bus Interface)
2.3.3 Khối ra tương tự (Analog Output Mudules)
Khối đầu ra tương tự thực hiện chức năng đối ngược với khối nhập tương tự, chuyển tín hiệu số từ PLC sang tín hiệu tương tự
Hình 2.6: Sơ đồ khối ra tương tự
Các mô-đun đầu ra tương tự có đặc điểm sau:
- Hoạt động ở chế độ 8 hoặc 12 bit;
- Tốc độ chuyển đổi dữ liệu từ 10 ms đến 30 ms;
- Dải đầu ra thường là: 4-20 mA, hoặc +-10V, hoặc từ 0 đến +10V
2.3.4 Khối vào số (Digital Input Modules)
Sử dụng cho nhập các các loại tín hiệu ON/OFF (0/1) từ các thiết bị như cảm biến, công tắc, …
- Có hệ thống đèn hiển thị LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu
Hình 2.7: Hình minh họa cấu trúc khối vào số
Theo chuẩn, các tiếp điểm thường đóng hoặc thường mở được sử dụng để làm tín hiệu cảnh báo (Alarm)
2.3.5 Khối ra số (Digital Output Modules) Đặc điểm của một mô-đun đầu ra số
- Điện áp đầu ra thường là 240V AC hoặc 24V DC;
- Có hệ thống đèn LED để hiển thị trạng thái của từng tín hiệu;
- Có cách ly để bảo vệ tín hiệu
Hình 2.8: Sơ đồ khối ra số
2.3.6 Khối giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces)
Các RTU hiện đại được thiết kế linh hoạt, đủ để xử lý các phương tiện truyền thông nhiều như:
- Dialup telephone lines/dedicated landlines;
- Radio via trunked/VHF/UHF/900 MHz
2.3.7 Bộ đếm số (Digital Counters)
Bộ đếm số thông thường được dùng cho đếm xung, như đếm sản phẩm, và truyền giá trị bộ đếm về RTU
R 1 Bộ đệm Thanh ghi bộ đếm
Giao tiếp Bus Nguồn offset
Hình 2.9: Hình minh họa cấu trúc khối bộ đếm
Hình 2.10: Một số loại RTU
Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC
Hình 2.11: Cấu hình tiêu biểu của một PLC
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là một máy tính dựa trên trạng thái thống nhất, được sử dụng để điều khiển thiết bị công nghiệp và quy trình Ban đầu, PLC được thiết kế để thực hiện các chức năng logic thay thế cho rơ-le, công tắc và các bộ định thời, bộ đếm cơ khí Hiện nay, điều khiển tương tự chủ yếu đã trở thành tiêu chuẩn hóa trong các loại PLC.
PLC có nhiều lợi thế so với các RTU trên thị trường, bao gồm khả năng thực hiện nhiều vai trò khác nhau và dễ dàng cài đặt cho nhiều chức năng Ngoài ra, PLC có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian so với các giải pháp khác Tuy nhiên, PLC có thể không phù hợp cho các yêu cầu đặc biệt, chẳng hạn như ứng dụng đo lường từ xa bằng công nghệ vô tuyến.
Các PLC cỡ vừa và lớn thường bao gồm các khối (module) được lắp trên đế cắm CPU hoặc đế cắm mở rộng cho I/O Cấu trúc này giúp tối ưu hóa hiệu suất và linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống Hình ảnh minh họa bên dưới thể hiện cấu trúc điển hình của một PLC.
Với sự phát triển nhanh chóng của PLC, các nhà cung cấp hiện nay đã sản xuất nhiều loại khối mở rộng như khối vào/ra cơ bản, khối vào/ra đặc biệt và khối truyền thông Dưới đây là những khối chức năng tiêu biểu trong hệ thống PLC.
2.4.1 Khối vào/ra cơ bản (Basic I/O Unit):
- Khối vào/ra tương tự (Analog Input/Output Unit)
- Khối vào/ra số (Digital Input/Output Unit)
- Khối đếm vào (Input Counter Unit)
- Khối ngắt vào (Interrupt Input Unit)
Khi ngõ vào của khối vào ngắt ON, khối CPU ngay lập tức phát hiện, chương trình chính bị ngắt và chương trình ngắt được thực hiện
Hình 2.12: Hình minh họa hoạt động của khối vào ngắt
2.4.2 Bộ định thời tương tự (Analog Timer Unit)
Các bộ định thời trong PLC có thể được điều chỉnh một cách dễ dàng thông qua bản điều chỉnh hoặc biến trở Khi đạt đến giá trị đã đặt, bộ định thời sẽ tự động ngắt CPU.
Hình 2.11: Hình minh họa khối định thì 2.4.3 Khối vào/ra đặc biệt (Special I/O Unit):
- Khối cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor Unit)
- Khối đếm tốc độ cao (High-speed Counter Unit)
- Khối điều khiển vị trí (Position Control Unit)
Các khối điều khiển vị trí hỗ trợ điều khiển vòng hở với xung ở ngõ ra, được sử dụng cho servomotor hoặc động cơ bước, cho phép điều khiển theo hình thanh hoặc hình cong chữ S.
Hình 2.13: Hình minh họa khối xuất nhập đặc biệt
2.4.4 Khối điều khiển PID (PID Control Unit)
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là thiết bị phổ biến trong công nghiệp, được sử dụng để điều chỉnh các yếu tố như tốc độ, nhiệt độ, dòng chảy, áp suất và nhiều biến quá trình khác.
Hình 2.14: Hình minh họa khối PID 2.4.5 Khối truyền thông (Communication Unit):
- Khối truyền thông nối tiếp (Serial Communication Unit)
Khối truyền thông nối tiếp hỗ trợ tăng số lượng kết nối nối tiếp như RS-232, RS-422 và RS-485, phục vụ cho các mục đích thông thường như kết nối máy tính chủ, thiết bị lập trình và màn hình hiển thị.
Khối Ethernet cho phép PLC kết nối với mạng Ethernet nhà máy hoặc công ty, truyền dữ liệu theo giao thức TCP/IP hoặc UDP/IP
Hình 2.15: Hình minh họa khối truyền thông
Trạm chủ MS (MTU - Master Terminal Unit)
MTU, tương tự như khối chủ trong kiến trúc Chủ/Tớ, cung cấp dữ liệu cho người vận hành qua HMI, đồng thời thu thập thông tin và truyền tín hiệu điều khiển đến các thiết bị và nhà máy từ xa.
Hình 2.16: Kiến trúc một MTU tiêu biểu
Một khối chủ phụ (Sub-Master Station) có thể là cần thiết cho sự vận hành ở các đầu cuối từ xa
KHỐI CHỦ PHỤ (SUB-MASTER STATION)
Hình 2.17: Hình minh họa kiến trúc Sub-Master station
Chức năng của Sub-Station như sau:
Thu thập dữ liệu từ các RTU cục bộ
Ghi và hiển thị dữ liệu tại trạm vận hành cục bộ
Chuyển dữ liệu về MTU
Chuyền lệnh điều khiển từ MTU đến RTU cục bộ
Chức năng cơ bản của MTU như sau:
Thiết lập truyền thông là quá trình quan trọng, bao gồm việc cấu hình từng RTU, khởi tạo RTU với các thông số vào/ra, tải chương trình điều khiển và thu thập dữ liệu từ các RTU.
Vận hành các kết nối truyền thông bao gồm việc quản lý vòng dữ liệu RTU và chuyển dữ liệu xuống RTU theo cấu trúc chủ/tớ Hệ thống ghi lại các báo động và sự kiện vào ổ cứng để người vận hành có thể xem khi cần thiết, đồng thời tự động liên kết các ngõ vào và ra giữa các RTU khác nhau.
Chuẩn đoán là quá trình xác định chính xác thông tin lỗi của RTU và các vấn đề có thể xảy ra, đồng thời phát hiện các vấn đề tiềm ẩn như tràn dữ liệu.
Thiết bị giao tiếp người và máy HMI
Hiển thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng, …
HMI có thể là màn hình GOT (Graphic Operation Terminal) của Mitsubishi, màn hình NT của Omron, hoặc một PC chạy phần mềm SoftGOT của Mitsubishi, …
Hình 2.18: Hình minh họa các thành phần của màn hình HMI
Các chức năng cơ bản của HMI như sau:
Chức năng Recipe (Recipe Function)
Một số loại dữ liệu, bao gồm thông số pha trộn chất liệu và điều kiện chế biến, có thể được lưu trữ trên thiết bị HMI, trong khi dữ liệu cần thiết có thể được chuyển qua PLC mà không cần chương trình trao đổi dữ liệu.
Dữ liệu từ PLC có thể được lưu trữ dưới dạng file trên HMI, cho phép sử dụng và quản lý dễ dàng bởi các HMI khác và trên máy tính thông qua phần mềm bảng tính như EXCEL Các giá trị trong file này có thể được điều chỉnh trực tiếp bằng phần mềm bảng tính.
PC Giá trị sửa đổi có thể được chuyển đến PLC và lưu trữ ngược lại HMI
Hình 2.19: Hình minh họa chức năng Recipe
Nâng cấp hệ điều hành (OS Upgrate)
Chức năng và quy trình vận hành của HMI có thể được cải thiện một cách dễ dàng thông qua việc cài đặt hệ điều hành mới, mà không cần thay thế phần cứng.
Hình 2.20: Hình minh họa tính năng nâng cấp OS
Chức năng chạy đoạn mã Script
Sự điều chỉnh trình bày của HMI có thể thực hiện thông qua lập trình Script, giúp loại bỏ nhu cầu điều chỉnh hiển thị từ chương trình trên PLC Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất hoạt động của PLC mà còn tối ưu hóa thiết kế và đơn giản hóa quá trình bảo trì.
Hình 2.21: Hình minh họa tính năng Script
Chức năng thư viện các phần tử
Thư viện các phần tử HMI giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế sơ đồ, cho phép người dùng dễ dàng sắp xếp các đối tượng cần thiết lên bản vẽ.
Câu hỏi ôn tập chương 2
1 Trình bày cấu trúc phần cứng của RTU trong hệ thống SCADA
2 Kể tên và cho biết thông số cơ bản của một loại RTU
3 Trình bày cấu trúc phần cứng của MTU trong hệ thống SCADA
4 Kể tên và cho biết thông số về một loại MTU Cho một ví dụ về lập trình và ứng dụng loại MTU đó
5 Trình bày các chức năng cơ bản của HMI
6 Trình bày cấu trúc của thiết bị điều khiển lập trình (PLC).
TRUYỀN THÔNG
Tổng quan về mạng
Mạng là sự kết hợp của các giao thức và thiết bị kết nối với nhau qua phương tiện truyền dẫn, nhằm mục đích chia sẻ thông tin, tài nguyên và cơ sở hạ tầng truyền thông chung.
Các thành phần của mạng bao gồm:
- Các hệ thống đầu cuối (end system) kết nối với nhau: máy tính, máy in, máy fax, điện thoại, PDA, …
- Môi trường truyền dẫn (media): các loại dây dẫn (truyền có dây), sóng điện từ (truyền không dây)
- Giao thức truyền thông (protocol): là qui tắc qui định cách thức trao đổi dữ liệu giữa các thực thể
3.1.2 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?
Mạng công nghiệp, hay còn gọi là mạng truyền thông công nghiệp, là hệ thống mạng truyền thông số dùng để kết nối các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp Những hệ thống này cho phép liên kết mạng ở nhiều cấp độ khác nhau, từ các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành ở cấp trường đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát và máy tính cấp trên quản lý xí nghiệp.
Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa, việc áp dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường, thay thế cho phương pháp nối điểm - điểm truyền thống giữa các thiết bị công nghiệp mang lại nhiều lợi ích đáng kể.
- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp
- Giám đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống
- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống
- Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp cao
- Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị
- Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các giao diện chuẩn
Hệ thống mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới, bao gồm các ứng dụng điều khiển phân tán, giám sát và chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet.
- Các hệ thống bus trường cũng đã dần thay thế các mạch dòng tương tự
- Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế
Ứng dụng của mạng công nghiệp rất đa dạng, bao gồm các lĩnh vực như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp và điều khiển giao thông Để phân biệt mạng công nghiệp với các hệ thống mạng khác, chúng ta có thể sử dụng bảng so sánh.
Bảng 3.1: So sánh mạng công nghiệp và các mạng khác
Mạng công nghiệp Các hệ thống mạng khác
- Phạm vi địa lý hẹp
- Đối tượng là các thiết bị công nghiệp
- Dạng thông tin là số liệu
- Kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp
- Phạm vi địa lý rộng, số lượng thành viên tham gia lớn
- Đối tượng là cả con người và thiết bị trong đó con người là chủ yếu
- Dạng thông tin bao gồm tiếng nói, hình ảnh, văn bản
Mạng công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường dựa trên những điểm tương đồng và khác biệt giữa chúng.
- Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai hệ thống mạng
- Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính được sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp
Mạng công nghiệp yêu cầu tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi mạng máy tính thường cần chế độ bảo mật cao hơn.
Mạng máy tính có thể có quy mô rất đa dạng, từ mạng LAN nhỏ gọn phục vụ cho một nhóm máy tính đến mạng Internet rộng lớn kết nối hàng triệu thiết bị trên toàn cầu.
Mạng máy tính có khả năng truyền dữ liệu qua mạng truyền thông, trong khi mạng công nghiệp thường hoạt động độc lập với phạm vi hạn chế hơn.
3.2 Các cấp mạng truyền thông trong hệ thống SCADA Để sắp xếp phân loại và phân tích đặc trưng của các hệ thống mạng công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Với mô hình này các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau được mô tả trong hình vẽ sau:
Hình 3.1: Mô hình phân cấp chức năng và mạng truyền thông công nghiệp
Cấp dưới trong hệ thống tự động hóa có chức năng cơ bản và yêu cầu cao về độ nhạy và thời gian phản ứng Ngược lại, chức năng ở cấp trên, mặc dù không cần thời gian phản ứng nhanh, lại yêu cầu xử lý và trao đổi lượng thông tin lớn hơn Điều này tạo thành mô hình phân cấp chức năng cho hệ thống tự động hóa và hệ thống truyền thông của công ty.
Hệ thống truyền thông được chia thành bốn cấp tương ứng với năm cấp chức năng, trong đó thuật ngữ "bus" thường được sử dụng thay thế cho các cấp từ điều khiển giám sát trở xuống.
"mạng" với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic theo kiểu bus
Mô hình phân cấp chức năng hỗ trợ hiệu quả trong thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Tuy nhiên, trong thực tế, sự phân cấp này có thể thay đổi tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và cấu trúc cụ thể của hệ thống Đối với các ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, điều hòa ), việc phân chia nhiều cấp có thể không cần thiết Ngược lại, trong tự động hóa nhà máy hiện đại như điện nguyên tử, xi măng hay lọc dầu, việc chia nhỏ các cấp chức năng sẽ giúp dễ dàng theo dõi và quản lý hơn.
3.2.1 Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật truyền tin số, kết nối các thiết bị điều khiển như PC và PLC với các thiết bị chấp hành và cảm biến trong ngành công nghiệp chế biến Chức năng chính của các thiết bị chấp hành bao gồm đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Các thiết bị có khả năng kết nối mạng bao gồm bộ vào/ra phân tán, cảm biến, truyền động và các thiết bị chấp hành tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ phù hợp cho việc kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành với bộ điều khiển, được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công và lắp ráp, khái niệm bus thiết bị ngày càng trở nên phổ biến Bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do đặc thù riêng của từng ngành, một số tính năng của chúng cũng khác biệt Tuy nhiên, sự khác nhau này đang dần mờ nhạt khi phạm vi ứng dụng của cả hai loại ngày càng mở rộng và giao thoa với nhau Thực tế cho thấy, khái niệm bus trường thường được sử dụng chung cho cả hai.
Các chuẩn giao tiếp
3.3.1 Các phương thức truyền dẫn a)Truyền dẫn không đối xứng
Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của dây dẫn so với đất để biểu thị trạng thái logic 1 và 0 trong tín hiệu số Phương thức này có ưu điểm là chỉ cần một dây dẫn đất chung cho nhiều kênh tín hiệu, giúp tiết kiệm số lượng dây dẫn và linh kiện ghép nối.
Phương pháp này có nhược điểm chính là khả năng chống nhiễu kém, do ảnh hưởng từ môi trường xung quanh hoặc sự chênh lệch điện áp đất giữa các đối tác truyền thông.
Hình 3.2: Mô hình truyền dẫn không đối xứng b) Truyền dẫn chênh lệch đối xứng
Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn để biểu diễn trạng thái logic 1 và 0, không phụ thuộc vào đất Khái niệm này chỉ sự cân xứng về điện áp của hai dây so với đất trong điều kiện bình thường Khi có nhiễu bên ngoài, điện áp ở cả hai dây tăng hoặc giảm tương đương, giúp tín hiệu ít bị sai lệch Sự khác biệt về điện áp đất giữa các thiết bị không ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị logic của tín hiệu Phương thức này được áp dụng trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao và phạm vi rộng.
Hình 3.3: Mô hình truyền dẫn không đối xứng 3.3.2 Giao tiếp RS -232
RS-232, hay còn gọi theo chuẩn châu Âu là CCITT V.24, là chuẩn truyền nối tiếp điểm - điểm, sử dụng phương thức truyền dẫn không đối xứng với các chế độ làm việc như một chiều, hai chiều hoặc hai chiều toàn phần (full-duplex) Chuẩn này được phát triển chủ yếu để kết nối giữa hai thiết bị đầu cuối, như máy tính và máy in, hoặc giữa các thiết bị truyền dữ liệu Hiện nay, nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 để phục vụ lập trình, tham số hóa và đo lường Trong máy tính, cổng RS-232 thường được gọi là cổng Com.
RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất
Mức điện áp logic được định nghĩa từ -3V đến -15V mức logic "1" và từ +3V đến +15V mức logic "0" Khoảng từ -3V đến 3V không xác định được mức logic
Trong phạm vi từ -3V đến 3V, không có định nghĩa rõ ràng, do đó, khi thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0, tín hiệu cần vượt qua khoảng quá độ trong thời gian hợp lý Tiêu chuẩn DIN 66259 phần 2 quy định rằng độ dốc tối thiểu của tín hiệu phải đạt 6V/ms hoặc 3% chu kỳ xung nhịp, tùy theo giá trị nào nhỏ hơn Điều này yêu cầu phải hạn chế điện dung của các thiết bị và đường truyền liên quan.
Hình 3.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232
Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2 kbps
Truyền số liệu Full-duplex sử dụng 3 dây: TxD, RxD, GND
Các tín hiệu điều khiển dùng để bắt tay (Handshaking) phần cứng là: RTS, CTS, DSR, DTR Mức logic:+3V đến +15V -> "1" và 0V-> "0"
Truyền không đồng bộ sử dụng một khung truyền bao gồm 1 bit start, 7-8 bit dữ liệu, 1-0 bit parity và 1-1,5-2 bit stop Gần đây, sự tiến bộ trong vi mạch đã nâng cao tốc độ cổng RS-232, cho phép đạt tốc độ lên đến 460kbd và hơn nữa, mặc dù tốc độ thực tế thường khó vượt quá 115,2 kBd trong các hệ thống làm việc dựa trên ngắt.
Chuẩn RS-232 có ưu điểm nổi bật là cho phép sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ vào trở kháng đầu vào được hạn chế trong khoảng từ 3-7 kΩ Dưới đây là bảng tóm tắt một số thông số điện học quan trọng của RS-232.
Bảng 3.2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS232
+ Giao diện cơ học: Chuẩn RS-232 qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9, DB-25 và ALT-A, trong đó hai loại đầu được sử dụng rộng rãi hơn
GND DTR TxD RxD DCD
Pin 2 Receive Data Pin 3 Transmit Data Pin 4 Data Terminal Ready Pin 5 Signal Ground Pin 6 Data Set Ready Pin 7 Requet to Send Pin 8 Clear to Send Pin 9 Ring Indicator
C GND TxD RxD RTS CTS DSR GND DCD
Pin 1 Chassic Ground: Vỏ nối đất Pin 2 Transmit Data: Truyền dữ liệu Pin 3 Receive Data: Nhận dữ liệu Pin 4 Request to Send: Yêu cầu gửi
Pin 5 Clear to Send: Xóa việc gửi Pin 6 Data Set Ready: Dữ liệu sẵn sàng Pin 7 Signal Ground: Mas
Pin 8 Carrier Detect: Phát hiện sóng mang Pin 11 Receiver Clock Out
Pin 15 Transmit Clock In Pin 17 Receiver Clock In
Pin 21 Remote Loopback Pin 20 Data Terminal Ready: Đầu cuối TB sẵn sàng Pin 18 Local Loopback
Pin 24 Transmit Clock Out Pin 25 Tesst Mode
Hình 3.5: Sơ đồ chân Jack RS-232 Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:
- RXD (receive Data): Đường nhận dữ liệu ÿ TXD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu
DTR (Data Terminal Ready) là tín hiệu cho biết thiết bị đầu cuối (DTE) đã sẵn sàng để thiết lập kênh truyền thông Khi chân DTR ở trạng thái ON, thiết bị có thể tự động quay số hoặc tự động trả lời Ngược lại, DTR sẽ ở trạng thái OFF khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE chấp nhận cuộc gọi từ xa.
- DSR (Data Set Ready): Báo DCE sẵn sàng, ở chế độ trả lời, 1 tone trả lời và DSR ON sau 2 giây khi Modem nhấc máy
- DCD (Data Carrier Detect): Tín hiệu này tích cực khi Modem nhận được tín hiệu từ trạm từ xa và nó duy trì trong suốt quá trình liên kết
RTS (Request To Send) is a control signal that manages the direction of data transmission When a station needs to send data, it activates the RTS signal to indicate to its modem that it is ready to transmit.
- CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, Modem xác nhận là DTE có thể truyền số liệu Quá trình ngược lại nếu đổi chiều truyền số liệu
Khi modem nhận tín hiệu chuông, chỉ báo RI (Ring Indicator) sẽ chuyển ON/OFF theo chu kỳ của chuông điện thoại, nhằm thông báo cho trạm đầu cuối Tín hiệu này cho biết rằng một modem từ xa đang yêu cầu thiết lập liên kết dial-up.
Hệ thống RS-232 hoạt động theo chế độ hai chiều toàn phần (full-duplex), cho phép hai thiết bị cùng lúc thu và phát tín hiệu Để thực hiện truyền thông, cần tối thiểu 3 dây dẫn: hai dây tín hiệu nối chéo giữa các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo an toàn truyền dẫn tín hiệu phụ thuộc vào phần mềm.
Hình 3.6: Một số ví dụ ghép nối với RS-232
Hình ảnh minh họa một ví dụ về kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị trong chế độ bắt tay mà không cần modem Việc sử dụng dây DTR và DSR giúp đảm bảo an toàn trong giao tiếp Trong cấu hình này, chân RTS và CTS được nối ngắn Cần lưu ý rằng, khi truyền thông qua modem, cấu hình kết nối sẽ có một số điểm khác biệt.
Khác với RS-232, RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B, giúp giảm nhiễu và cho phép chiều dài dây dẫn lên tới 1200 mét mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0, trong khi điện áp âm ứng với trạng thái logic 1 Điện áp chênh lệch ở đầu vào bên nhận có thể xuống tới 200mV Một số thông số quan trọng của RS-422 được tóm tắt trong bảng dưới đây.
Bảng 3.3: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-422
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch ± 10V Điện áp đầu ra khi có tải RT0 ±2V
Dòng ra ngắn mạch ±150mA
Thời gian quá độ đầu ra RT0 đạt 10% TB, trong khi điện áp chế độ chung đầu ra VOC RT0 là ±3V Độ nhạy cảm đầu vào nằm trong khoảng -7V đến 7V với giá trị ±200mV Điện áp chế độ chung VCM cũng dao động từ -7V đến 7V.
Cấu hình ghép nối tối thiểu cho RS-422 yêu cầu một cặp dây để truyền tín hiệu (A và B) Trong cấu hình này, chỉ có thể sử dụng phương pháp truyền một chiều (simplex) hoặc hai chiều gián đoạn (half-duplex), tức là tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu được truyền Để thực hiện truyền hai chiều toàn phần (full-duplex), cần sử dụng hai cặp dây.
Các hệ thống bus tiêu biểu
AS-i (Actuator Sensor Interface) là một sản phẩm hợp tác của 11 nhà sản xuất thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành hàng đầu như Siemens AG, Festo KG, và Pepperl & Fuchs GmbH Mục đích chính của AS-i là kết nối các thiết bị cảm biến và chấp hành số với cấp điều khiển Hơn 80% cảm biến và cơ cấu chấp hành trong hệ thống máy móc hoạt động với các biến logic, do đó, việc kết nối mạng cần đáp ứng yêu cầu về chi phí cũng như đơn giản trong lắp đặt, vận hành và bảo trì Các tính năng kỹ thuật được đặt ra nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính khả thi của hệ thống.
Khả năng đồng tải nguồn cho phép truyền tải dữ liệu và dòng nuôi cho tất cả các cảm biến cùng với nhiều cơ cấu chấp hành qua một cáp hai dây duy nhất.
Phương pháp truyền phải thật bền vững trong môi trường công nghiệp nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền
Cho phép thực hiện cấu trúc mạng đường thẳng cũng như hình cây
Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá cả rất thấp
Các bộ nối phải nhỏ, gọn, đơn giản và giá cả rất hợp lý
Hệ thống bus hiện tại chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu, tạo động lực cho việc phát triển hệ bus mới AS - i AS - i nổi bật với thiết kế đơn giản, dễ lắp đặt và bảo trì, cùng với chi phí thấp nhờ vào phương pháp truyền thông đặc biệt và công nghệ điện, cơ tiên tiến.
Hình 3.12 minh họa mạng thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành sử dụng AS-i, so sánh với các phương pháp khác Bên trái là cách nối dây điểm - điểm cổ điển, trong đó PLC đóng vai trò là nút trung tâm trong cấu trúc hình sao Hệ thống bus có thể thay thế cách ghép nối cổ điển này để thực hiện hai phương pháp sau.
Sử dụng bus trường nối PLC với các thiết bị vào/ra phân tán (b)
Sử dụng một hệ thống bus như AS - i nối PLC trực tiếp với các cảm biến và cơ cấu chấp hành (a)
Hình 3.12: Ghép nối cảm biến và cơ cấu chấp hành số với AS-i
Kiến trúc giao thức của AS-i thể hiện đặc điểm của giao tiếp giữa bộ điều khiển và các thiết bị cảm biến, cũng như cơ cấu chấp hành, với việc trao đổi dữ liệu hạn chế và khối lượng dữ liệu nhỏ Để cải thiện hiệu suất và đơn giản hóa thực hiện các vi mạch, toàn bộ quy trình xử lý giao thức được tích hợp trong lớp 1 (lớp vật lý) theo mô hình OSI.
Trong lớp vật lý, AS-i giới thiệu một phương pháp mã hoá bit mới, phù hợp với đường truyền 2 dây đồng tải nguồn, không dựa vào chuẩn RS-485 như các hệ thống bus khác Bên cạnh quy định giao diện vật lý của các thành phần mạng, lớp 1 cũng thực hiện chức năng điều khiển truy cập bus và bảo toàn dữ liệu Giống như một số hệ thống bus cấp thấp khác, AS-i áp dụng phương pháp chủ/tớ thuần tuý để điều khiển truy cập bus, trong khi chức năng bảo toàn dữ liệu được thực hiện thông qua phương pháp bit chẵn lẻ kết hợp với mã hoá bit.
Cấu trúc mạng và cáp truyền
Cấu trúc mạng AS-i có tính linh hoạt cao, cho phép lựa chọn theo yêu cầu kỹ thuật và đặc điểm vị trí, giúp thiết kế và thực hiện dự án trở nên dễ dàng Người dùng có thể chọn giữa cấu trúc đường thẳng như daisy-chain hoặc trunk-line/drop-line, hoặc cấu trúc cây tương tự như mạng cung cấp điện thông thường Các thành viên trong mạng có thể được phân bố đều hoặc sắp xếp theo nhóm, kết nối qua đường trục hoặc đường nhánh Đặc biệt, khác với các hệ thống bus, AS-i không yêu cầu sử dụng trở đầu cuối.
Hình 3.13: Nguyên tắc ghép nối thiết bị trong một hệ AS-i
Trong mạng AS-i, có một trạm chủ duy nhất kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp, như hình 3.13 minh họa Trạm chủ này có thể là máy tính điều khiển như PLC, PC, CNC hoặc bộ nối bus trường (fieldbus coupler) Nếu trạm chủ là bộ nối bus trường, nó sẽ chuyển đổi giao thức giữa bus trường (ví dụ PROFIBUS-DP) và mạng AS-i Các trạm tớ còn lại có thể là module tích cực kết nối với tối đa.
Bốn bộ cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành thông thường, hoặc một cảm biến/cơ cấu thấp tích hợp giao diện AS-i (trạm tớ), có thể được kết nối trực tiếp hoặc thông qua một bộ chia với đường truyền.
Chiều dài tối đa của cáp truyền là 100 mét, và khi khoảng cách vượt quá giới hạn này, cần sử dụng bộ lặp hoặc bộ mở rộng Mạng có thể hỗ trợ tối đa 31 trạm, tương đương với 124 thiết bị, vì mỗi trạm có thể kết nối tối đa 4 thiết bị Điều này cho phép một trạm quản lý 124 kênh vào số và 124 kênh ra số Tốc độ truyền dữ liệu đạt 167 kbit/s, với thời gian bit là 6μs.
Cáp truyền AS - i được phân loại thành hai loại: cáp dẫn điện thông thường (cáp tròn) và cáp AS - i đặc biệt (cáp dẹt) Cáp tròn dễ tìm và có giá thành thấp, trong khi cáp dẹt lại có ưu điểm vượt trội về khả năng lắp đặt dễ dàng Để đảm bảo cung cấp dòng một chiều tối thiểu 2A (24V DC), đường kính lõi dây cần đạt 1.5mm.
AS-i hoạt động theo cơ chế giao tiếp chủ - tớ, trong đó trạm chủ thực hiện trao đổi với từng trạm tớ qua phương pháp hỏi tuần tự (polling) trong mỗi chu kỳ bus Trạm chủ gửi bức điện dài 14 bit, bao gồm 5 bit địa chỉ trạm tớ và 5 bit thông tin, yêu cầu trạm tớ phản hồi trong thời gian quy định Bức điện trả lời từ các trạm tớ dài 7 bit, chứa 4 bit thông tin về dữ liệu đầu vào hoặc kết quả thực hiện hàm Mặc dù tốc độ truyền cố định là 167 kbit/s và khoảng cách truyền dẫn nhỏ, thời gian một chu kỳ bus phụ thuộc vào số lượng trạm tớ kết nối, nhưng không vượt quá 5 ms với tối đa 31 trạm tớ.
Cơ chế giao tiếp chủ - tớ của AS-i giúp thực hiện vi mạch ghép nối cho các trạm tớ một cách đơn giản và tiết kiệm chi phí Hệ thống này cũng mang lại độ linh hoạt cao, cho phép trạm chủ gửi lại từng bức điện mà không nhận được phản hồi trong trường hợp có sự cố tạm thời trên bus, mà không cần phải chờ lặp lại toàn bộ chu trình.
Trạm chủ không chỉ gửi điện dữ liệu định kỳ mà còn có thể kèm theo các thông báo khác mà không làm ảnh hưởng lớn đến thời gian chu kỳ bus Tổng cộng có 9 loại thông báo, trong đó có 2 loại phục vụ cho việc truyền dữ liệu và tham số, 2 loại dùng để đặt địa chỉ cho trạm tớ, và 5 loại được sử dụng để nhận dạng và xác định trạng thái của các trạm tớ.
Các bức điện của AS - i được thiết kế đơn giản, tối ưu hóa hiệu suất đường truyền bằng cách giảm thiểu thông tin bổ sung Mỗi bức điện gửi từ trạm chủ (gọi là lời gọi) có độ dài cố định 14 bit, trong khi các bức điện đáp ứng từ trạm tớ (gọi là trả lời) có độ dài cố định 7 bit Cấu trúc chi tiết của chúng được thể hiện trong hình 3.14.
Hình 3.14: Cấu trúc bức điện AS-i
