›
›

Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA - Đỗ Văn Cần

pdf 136 trang Gia Huy 21/05/2022 1981
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA - Đỗ Văn Cần", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_mang_truyen_thong_cong_nghiep_va_scada_do_van_can.pdf

Nội dung text: Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA - Đỗ Văn Cần

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN    BÀI GIẢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ SCADA Giáo viên biên soạn: Đỗ Văn Cần Khoa: Kỹ thuật và Công nghệ Điện Thoại: 093525363 Quy Nhơn, 2019 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  2. MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG xii CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ SCADA 1 1.1 Các khái niệm cơ bản 1 1.1.1 Kỹ thuật điều khiển 1 1.1.2 Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS) 2 1.1.3 Điều khiển quá trình 2 1.1.4 Thông tin 3 1.1.5 Dữ liệu 4 1.1.6 Tín hiệu 4 1.1.7 Giao thức: 5 1.1.8 IEC 5 1.1.9 SCADA 6 1.2 Mô hình phân cấp chức năng 8 1.2.1 Phân loại mạng công nghiệp 9 1.2.2 Hệ thời gian thực 11 1.2.3 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông 11 1.3 Chuẩn đầu ra của chương 1: 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MẠNG CÔNG NGHIỆP 13 2.1 Kiến trúc giao tiếp 13 2.1.1 Kiến trúc Master/Slave 13 2.1.2 Kiến trúc Client/Server 13 2.2 Cấu trúc mạng (network topology) 14 2.2.1 Liên kết (link) 14 2.2.2 Cấu trúc (Topology) 14 2.3 Kiểm soát truy nhập bus 14 2.3.1 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave) 15 2.3.2 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing 16 2.3.3 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster) 17 2.3.4 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 17 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  3. 2.4 Bảo toàn dữ liệu 18 2.4.1 Lỗi dữ liệu 18 2.4.2 Bảo toàn dữ liệu kiểu bit chẵn/lẻ (parity bit) 19 2.4.3 Bảo toàn kiểu mã vòng (CRC) 20 2.4.4 Bảo toàn kiểu nhồi bit (Bit stuffing) 21 2.5 Mã hóa và giải mã bít 21 2.5.1 Phương pháp NRZ và RZ 21 2.5.2 Mã Manchester 22 2.5.3 Mã AFP (Alternate Flanked Pulse) 22 2.5.4 Mã FSK (frequency shift keying) 23 2.6 Chuẩn đầu ra của chương 2: 23 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP 24 3.1 Kỹ thuật truyền dẫn 24 3.1.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu đơn cực 24 3.1.2 Phương thức truyền dẫn tín hiệu đối xứng 24 3.1.3 Phương thức truyền dẫn MBP (IEC 61158-2) 25 3.1.4 Chuẩn truyền thông RS-485 25 3.2 Giao thức mạng 27 3.2.1 Định nghĩa giao thức mạng (network protocol) 27 3.2.2 Mô hình lớp 28 3.2.3 Mô hình qui chiếu ISO/OSI 29 3.2.4 Kiến trúc TCP/IP 31 3.3 Các thành phần trong mạng truyền thông 31 3.3.1 Dây dẫn 31 3.3.2 Vô tuyến: 33 3.3.3 NIC – Network Interface Card 33 3.3.4 Hup 33 3.3.5 Các bộ kết nối mạng 34 3.3.6 Gateway 35 3.4 Phần cứng giao diện mạng 35 3.4.1 Ghép nối thiết bị điều khiển 35 3.5 Phần mềm trong hệ thống mạng 38 3.5.1 Phần mềm (xử lý) giao thức 38 3.5.2 Phần mềm thư viện: 38 3.5.3 Phần mềm giao diện lập trình (API) 38 3.6 Chuẩn đầu ra của chương 3: 39 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  4. CHƯƠNG 4: CÁC MẠNG THÔNG DỤNG 40 4.1 Mạng trường – AS interface 40 4.1.1 Giới thiệu chung 40 4.1.2 Kiến trúc giao thức 41 4.1.3 Cấu trúc mạng & cáp truyền 41 4.1.4 Cơ chế giao tiếp 41 4.1.5 Cấu trúc bức điện 42 4.1.6 Mã hóa bit 42 4.1.7 Bảo toàn dữ liệu 42 4.1.8 Ứng dụng 43 4.2 Mạng Profibus 43 4.2.1 Giới thiệu chung 43 4.2.2 Kiến trúc giao thức 44 4.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn (lớp 1) 44 4.2.4 Truy nhập bus (lớp 2) 46 4.2.5 Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2) 46 4.2.6 Cấu trúc bức điện (lớp 2) 47 4.3 INTERBUS 48 4.3.1 Giới thiệu chung 48 4.3.2 Kiến trúc giao thức 48 4.3.3 Cấu trúc mạng 48 4.3.4 Kỹ thuật truyền dẫn 49 4.3.5 Cơ chế giao tiếp 49 4.3.6 Cấu trúc bức điện 50 4.4 Mạng CAN 50 4.4.1 Giới thiệu chung 50 4.4.2 Kiến trúc giao thức 50 4.4.3 Cấu trúc mạng & KT truyền dẫn 51 4.4.4 Cơ chế giao tiếp 51 4.4.5 Cấu trúc bức điện 52 4.4.6 Bảo toàn dữ liệu 52 4.5 Mạng Ethernet 53 4.5.1 Giới thiệu chung 53 4.5.2 Kiến trúc giao thức 54 4.5.3 Cấu trúc mạng và Kỹ thuật truyền dẫn 55 4.5.4 Cơ chế giao tiếp 55 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  5. 4.5.5 Cấu trúc bức điện 56 4.5.6 Các tiến bộ công nghệ mới 56 4.6 Chuẩn đầu ra của chương 4: 56 CHƯƠNG 5: SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 57 5.1 Tổng quan 57 5.2 Các loại hình SCADA trong hệ thống điện 58 5.2.1 SCADA điều độ cấp quốc gia 58 5.2.2 SCADA trạm 59 5.3 Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA như sau: 60 5.3.1 Thu thập dữ liệu: 60 5.3.2 Điều khiển: 61 5.3.3 Giám sát: 61 5.4 Các thiết bị trong SCADA EVN 61 5.4.1 Các RTU 62 5.4.2 Gateway 64 5.4.3 Server ứng dụng AS 65 5.4.4 Server thu nhận dữ liệu 66 5.4.5 Giao tiếp người máy MMC 66 5.5 Các chức năng SCADA trong hệ thống điện 66 5.5.1 Thu nhận dữ liệu 66 5.5.2 Giao tiếp người máy 66 5.5.3 Quản lý giám sát 67 5.5.4 Điều khiển xa 67 5.5.5 Đo lường xa 68 5.6 Các bộ chuyển đổi trong hệ thống SCADA của hệ thống điện 68 5.6.1 Bộ chuyển đổi - Transducer 68 5.6.2 Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC- Analog Digital Converter) 68 5.7 Ghép nối RTU với hệ thống điện 69 5.7.1 Ghép nối tín hiệu tương tự 69 5.7.2 Ghép nối tín hiệu số 71 5.7.3 Ghép nối tín hiệu đầu ra Analog 71 5.7.4 Ghép nối tín hiệu đầu ra số (DOT) 71 5.8 Các thiết bị phụ trợ cho SCADA hệ thống điện 72 5.8.1 Nguồn UPS. 72 5.8.2 Hệ thống Máy phát điện - Diesel 73 5.8.3 Hệ thống thông tin liên lạc 73 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  6. 5.8.4 Tổng đài điều độ (Lineseizer -LSZ) 73 5.8.5 Thiết bị Ghi âm 74 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ MẠNG CÔNG NGHIỆP VÀ SCADA 76 6.1 Các bước thiết kế mạng công nghiệp 76 6.1.1 Xác định yêu cầu hệ thống 76 6.1.2 Phương án thiết kế lựa chọn cấu hình mạng 76 6.1.3 Xây dựng vào/ra 76 6.1.4 Lựa chọn thiết bị mạng 76 6.1.5 Xây dựng thuật toán 76 6.1.6 Viết chương trình 76 6.1.7 Kiểm tra đánh giá kết quả 76 6.2 Thiết kế mạng MPI 76 6.2.1 Phần mềm thiết kế mạng 76 6.2.2 Thiết lập cấu hình phần cứng cho các trạm 77 6.2.3 Thiết lập giao diện mạng 79 6.2.4 Lập trình cho hệ thống 80 6.3 Mạng Profibus 81 6.3.1 Tạo giao diện truyền thông (ví dụ mạng profibus) 81 6.3.2 Cấu hình truyền thông cho từng trạm PLC 81 6.3.3 Lập trình 86 6.4 Thiết kế mạng truyền thông Ethernet qua Step 7 87 6.4.1 Cấu hình phần cứng 87 6.4.2 Thiết lập cấu hình mạng 88 6.4.3 Chọn card theo cơ chế giao tiếp TCP/IP 90 CHƯƠNG 7: SCADA NHÀ MÁY CÔNG NGHIỆP 91 7.1 Hướng dẫn sử dụng Win CC 91 7.1.1 Tổng quan WinCC 91 7.1.2 Thiết lập thuộc tính 91 7.1.3 Giao tiếp Tag nội 93 7.1.4 Xây dựng dự án tạo giao diện đơn 98 7.1.5 Mô phỏng tag ngoại trong WinCC 101 7.2 Kết nối Win CC với S7-200 101 7.3 Kết nối Win CC với S7-300 106 7.3.1 Tạo liên kết S7-300 ảo với WinCC qua biến (Tag) ngoại 106 7.3.2 Tạo nút nhấn hai tác động trên WinCC 110 7.3.3 Nhập xuất số thực và số nguyên trong WinCC 115 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  7. 7.3.4 Khai thác đối tượng thư viện trong WinCC 117 7.3.5 Tạo thanh trượt trong WinCC 118 7.3.6 Xử lý timer trong WinCC 119 7.3.7 Tạo nút ấn hai tác động 120 7.3.8 Tạo chuyển động thẳng trong WinCC 121 7.3.9 Giao tiếp phần cứng của S7-300 với WinCC 122 Tài liệu tham khảo 123 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  8. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ mạng PCS7 (Siemens) trong công nghiệp [1] 1 Hình 1.2: Một số dạng tín hiệu thông dụng 4 Hình 1.3: Mô tả một hệ thống SCADA điển hình 6 Hình 1.4: Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển [1] 9 Hình 1.5: Sơ đồ đấu nối vào/ra mạng công nghiệp 10 Hình 1.6: Các dạng của thời gian thực 11 Hình 1.7: Nguyên tắc truyền dẫn trong mạng công nghiệp 11 Hình 2.1: Kiến trúc Slave/Master 13 Hình 2.2: Vào ra phân tán thiết bị trường 14 Hình 2.3: Sơ cấu trúc bus liên kết mạng truyền thông công nghiệp 14 Hình 2.4: Truy nhập bus theo phương pháp chủ tớ 15 Hình 2.5: Giao tiếp theo cơ chế chủ/tớ 15 Hình 2.6: Truy nhập bus theo Phương pháp kiển soát phân tán Token Passing 16 Hình 2.7: Truy nhập bus kết hợp 2 phương pháp chủ tớ với Token 17 Hình 2.8: Sơ đồ giả định xảy ra xung đột đường truyền 18 Hình 2.9: Mã hóa bít bằng NRZ và RZ 21 Hình 2.10: Mã hóa bit bằng Manchester 22 Hình 2.11: Mã hóa bit băng AFP 22 Hình 2.12: Mã hóa bit bằng FSK 23 Hình 3.1: Phương thức truyền dẫn dữ liệu không đối xứng 24 Hình 3.2: Phương thức truyền dẫn dữ liệu đối xứng 24 Hình 3.3: Kỹ thuật truyền dẫn MBP 25 Hình 3.4: Mức tín hiệu quy định RS 485 26 Hình 3.5: Sơ đồ ghép nối RS 485 26 Hình 3.6: Tốc độ truyền dẫn RS 485 27 Hình 3.7: Sơ đồ giao thức mạng 28 Hình 3.8: Sơ đồ mô hình lớp cơ bản 28 Hình 3.9: Sơ đồ mô hình quy chiếu 29 Hình 3.10: Sơ đồ mô hình OSI 29 Hình 3.11: Sơ đồ mô hình lớp của giao thức 30 Hình 3.12: Sơ đồ mô hình OSI 30 Hình 3.13: Sơ đồ mô hình OSI và TCP/IP 31 Hình 3.14: Mô hình cáp đồng trục 31 Hình 3.15: Mô hình cáp đôi dây xoắn 32 Hình 3.16: Mô hình cáp quang 32 Hình 3.17: Dãi tần truyền dẫn vô tuyến 33 Hình 3.18: Hình ảnh một số thiết bị trong mạng 34 Hình 3.19: Ghép nối PLC 36 Hình 3.20: Card PCMCIA 37 Hình 3.21: Sơ đồ phần mềm mạng công nghiệp 38 Hình 4.1: Mô hình mạng ASI International 40 Hình 4.2: Sơ đồ mạng AS-INTERFACE 41 Hình 4.3: Cấu trúc bức điện trong mạng AS-i 42 Hình 4.4: Sơ đồ mã hóa bit mạng AS-INTERFACE 42 Hình 4.5: Một ứng dụng kết nối của AT/IO8 43 Hình 4.6: Kiến trúc của mạng profibus 44 Hình 4.7: Mô hình mạng Profibus FMS 45 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  9. Hình 4.8: Mô hình mạng Profibus DP 45 Hình 4.9: Mô hình mạng Profibus PA 46 Hình 4.10: Mô hình truy nhập bus 46 Hình 4.11: Sơ đồ dịch vụ truyền dữ liệu 47 Hình 4.12: Sơ đồ cấu trúc mạng sử dụng dây đôi xoắn 49 Hình 4.13: Giao tiếp theo cơ chế đồng bộ hóa dữ liệu 50 Hình 4.14: Sơ đồ kiến trúc liên kết của cấu trúc dữ liệu 51 Hình 4.15: Sơ đồ cấu trúc bức điện 52 Hình 4.16: Kiến trúc giao thức mạng Ethernet 54 Hình 4.17: Bộ kết nối mạng Ethernet 55 Hình 5.1: Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam cấp miền 59 Hình 5.2: Cấu hình đặc trưng của hệ thống SCADA/EMS 62 Hình 5.3: Hình ảnh một RTU sử dụng trong hệ thống điện 63 Hình 5.4: Một thiết bị Gateway được sử dụng trong hệ thống mạng 65 Hình 5.5: Mô hình truyền dẫn đo lường xa dùng ADC 69 Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý ghép nối P, Q, U, I 69 Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu tần số 70 Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu chỉ thị chuyển nấc MBA 70 Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu chỉ thị trạng thái máy cắt 71 Hình 5.10: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu Điều khiển tương tự 71 Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu điều khiển máy cắt 72 Hình 5.12: Sơ đồ ghép nối LSZ với các kênh liên lạc tại A0 74 Hình 6.1: Thiết lập giao diện cho mạng MPI 77 Hình 6.2: Cấu hình phần cứng cho trạm 78 Hình 6.3: Khai báo phần cứng và cấu hình địa chỉ 78 Hình 6.4: Cấu hình phần cứng cho trạm2 79 Hình 6.5: Cấu hình mạng MPI 79 Hình 6.6: Cửa sổ truyền nhận dữ liệu giữa các CPU 79 Hình 6.7: Thiết lập dữ liệu truyền nhận cho mạng MPI 80 Hình 6.8: Giao diện lập trình cho CPU mạng MPI 80 Hình 6.9: Giao diện cho mạng truyền thông profibus cho 3 trạm S7-300 81 Hình 6.10: Thiết lập cấu hình phần cứng cho trạm slave 2 82 Hình 6.11: Cấu hình giao tiếp I/O của trạm Slave với master 83 Hình 6.12: Kết quả thiết lập cấu hình trạm salave 2 83 Hình 6.13: Kết quả thiết lập cấu hình trạm salave 1 84 Hình 6.14: Cấu hình địa chỉ I/O cho master 84 Hình 6.15: Kết quả thiết lập địa chỉ giao tiếp master với slave 1 85 Hình 6.16: Kết quả thiết lập CPU giao tiếp và các thiết bị mạng 86 Hình 6.17: Chương trình lập trình cho các trạm trong mạng profibus 86 Hình 6.18: Cấu hình địa chỉ IP cho trạm 87 Hình 6.19: Kết quả cấu hình phần cứng cho trạm Ethenet 88 Hình 6.20: Kết quả cấu hình trạm thứ 2 cho mạng Ethernet 88 Hình 6.21: Cấu hình mạng Profibus trên trạm số 2 89 Hình 6.22: Cấu hình I/O cho hệ thống Profibus của trạm số 2 89 Hình 6.23: Kết quả cấu hình mạng Ethernet cho hai trạm S7-300 90 Hình 7.1: Giao diện hệ thống phần mềm SCADA WinCC 91 Hình 7.2: Đặt thuốc tính nút bấm 92 Hình 7.3: Cài đặt thuộc tính cho nút bấm 93 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  10. Hình 7.4: Giao diện tạo Tag nội 94 Hình 7.5: Giao diện thiết kế giao diện ON/OFF 94 Hình 7.6: Đặt thuộc tính cho biến nội Den 94 Hình 7.7: Kết quả chạy thử nghiệm Tag nội cho hai tác động ON- OFF lên Tag “Den” 95 Hình 7.8: Thiết lập giao diện vùng hiển thị I/O số nguyên 95 Hình 7.9: Kết nối giữa Tag_interger và giao diện vùng hiển thị I/O 96 Hình 7.10: Lập trình Tag interger 97 Hình 7.11: Giao diện và cài đặt cấu hình Tag nội real 97 Hình 7.12: Kết quả thực hiện ví dụ vè Tag nội dạng số thực 98 Hình 7.13: Giao diện tạo biến nội cho WinCC giao tiếp S7-300 ảo 98 Hình 7.14: Đặt thuộc tính cho các biến 99 Hình 7.15: Đặt thuộc tính cho biến đầu ra/ đầu vào của đối tượng thiết kế giao diện 100 Hình 7.16: Kết quả cài đặt tham số 100 Hình 7.17: Kết quả mô phỏng ảo trên Win CC 101 Hình 7.18: Kết nối chương trình mô phỏng S7-200 Simulator với chương trình ứng dụng 103 Hình 7.19: Khai báo biến và kết nối mô phỏng với PLC 103 Hình 7.20: Giao diện tạo dự án trên WinCC 104 Hình 7.21: Chọn cấu hình OPC trên WinCC 104 Hình 7.22: Khai báo Tag (biến) cho OPC 105 Hình 7.23: Tạo giao diện thiết kế 105 Hình 7.24: Lựa chọn thuộc tính cho đối tượng trong hàm thư viên có sẵn 106 Hình 7.25: Kết nối chương trình ứng dụng PLC S7-200 với PC Access 106 Hình 7.26: Giao diện cấu hình phần S7 với WinCC 107 Hình 7.27: Thiết lập cấu hình kết nối máy tính và S7-300 107 Hình 7.28: Kết nối biến nhớ vào WinCC 108 Hình 7.29: Cấu hình hardware cho S7-300 108 Hình 7.30: Chương trình trên PLC S7-300 với biến (Tag) trên WinCC 109 Hình 7.31: Giao diện mô phỏng cho S7-300 trên PLCSim 109 Hình 7.32: Đặt thuộc tính cho biến 110 Hình 7.33: Kết quả kết nối PLC S7-300 với WinCC [2], [5] 110 Hình 7.34: Thiết lập dự án trên S7-300 cho nut_an và den 111 Hình 7.35: Thiết lập cấu hình giao tiếp MPI cho nut_an 111 Hình 7.36: Thiết lập biến ngoại 111 Hình 7.37: Thiết kế giao diện hệ thống nút ấn hai chế độ 112 Hình 7.38: Kết quả thực hiện giao tiếp WinCC với S7-300 ảo. 113 Hình 7.39: Chương trình S7-300 với số nguyên interger 113 Hình 7.40: Tạo Tag interger cho phép cộng trên WinCC 114 Hình 7.41: Thiết lập thuộc tính của nút CONG và KETQUA 114 Hình 7.42: Kết quả xây dựng Tag số nguyên cho phép cộng 10 114 Hình 7.43: Kết quả thiết kế giao tiếp PLC S7-300 với Tag real 115 Hình 7.44: Thiết kế giao diện nhập xuất giá trị số nguyên và số thực 115 Hình 7.45: Chương trình cho VD4 116 Hình 7.46: Câu hình Tag cho WinCC 116 Hình 7.47: Kết quả thực hiện xuất nhập số nguyên và số thực trên WinCC 117 Hình 7.48: Khai thác thư viện có trong WinCC 117 Hình 7.49: Xây dựng thuộc tính cho đối tượng thư viện 118 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  11. Hình 7.50: Cài đặt thuộc tính màu sắc thanh Bar 118 Hình 7.51: Kết quả sử dụng thanh trượt 119 Hình 7.52: Đặt thuộc tính và kết quả sử dụng đồng hồ trong WinCC 120 Hình 7.53: Kết quả xây dựng một nút hai tác động trên WinCC 121 Hình 7.54: Thiết kế giao diện và Tag cho hệ thống chuyển động lên xuống 121 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  12. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Bảng so sánh giữa 3 loại của mạng profibus 44 Bảng 4.2: Khoảng cách truyền và tốc độ truyền: 45 Bảng 7.1: Bảng sysbol cho chương trình ví dụ 101 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  13. CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Diễn giải ADC Analog Digital Converter CRC Cyclic Redundancy Check DCS Distributed Control System HMI Human - Machine Interface HTĐK Hệ thống điều khiển IEC International Electrotechnical Commission IP Internet Protocol ISO International Organization for Standardization NRZ Non-return to Zero PLC Programmable Logic Controller RTU Remote Terminal Units RZ Return to Zero SCADA Supervisory Control And Data Acquisition TCP Transmission Control Protocol Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  14. 1 CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ SCADA 1.1 Các khái niệm cơ bản Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng ghép nối các thiết bị công nghiệp.Giới thiệu về một số mạng sử dụng trong công nghiệp. Hình 1.1: Sơ đồ mạng PCS7 (Siemens) trong công nghiệp [1] Ngoài ra, có rất nhiều mạng công nghiệp của các tập đoàn trên thế giới như: Mạng PlantScape (Honeywell), DeltaV (Fisher-Rosermount), ProcessLogix (Allen- Bradley) 1.1.1 Kỹ thuật điều khiển Kỹ thuật hệ thống điều khiển là chuyên ngành kỹ thuật mà áp dụng lý thuyết điều khiển để thiết kế hệ thống với các hành vi mong muốn. Việc sử dụng các bộ cảm biến để đo lường tín hiệu đầu ra của thiết bị được điều khiển và những đo đạc này có thể được sử dụng để cung cấp tín hiệu phản hồi cho các cơ cấu chấp hành đầu vào để điều chỉnh tới kết quả mong muốn. Khi một thiết bị được thiết kế để thực hiện mà không cần con người can thiệp để điều chỉnh thì nó được gọi là điều khiển tự động (chẳng hạn như hệ thống điều khiển hành trình để điều chỉnh tốc độ của xe hơi). Với tính chất đa chuyên ngành, các hoạt động của kỹ thuật hệ thống điều khiển tập trung vào thực hiện các hệ thống điều khiển, chủ yếu xuất phát từ mô hình toán học của các hệ thống đa dạng khác nhau. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  15. 2 1.1.2 Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS) DCS là một hệ thống kiểm soát thường của một hệ thống sản xuất, quá trình hoặc bất kỳ loại hệ thống năng động, trong đó các yếu tố điều khiển không phải là trung tâm trong vị trí (như não bộ), chúng được phân tán trên toàn hệ thống với mỗi thành phần tiểu hệ thống điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển. Toàn bộ hệ thống điều khiển được kết nối với mạng lưới giao tiếp và giám sát. DCS là một thuật ngữ được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, để giám sát và kiểm soát thiết bị phân tán [2]. 1.1.3 Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình hoặc có thể sử dụng thông tin phản hồi hoặc nó có thể là vòng lặp hở. Điều khiển cũng có thể liên tục (điều khiển hành trình ô tô) hoặc gây ra một chuỗi các sự kiện rời rạc, chẳng hạn như một bộ định thời trên một máy tưới cỏ (on/off) hoặc điều khiển thang máy (logic tuần tự). Một bộ điều chỉnh nhiệt độ trên bộ gia nhiệt là một ví dụ về điều khiển on/off. Một cảm biến nhiệt độ bật nguồn nhiệt lên nếu nhiệt độ giảm xuống dưới điểm thiết lập và tắt nguồn nhiệt khi điểm thiết lập đã đạt được. Không có đo lường chênh lệch giữa điểm đặt và nhiệt độ đo được (ví dụ không có sai số đo lường) và không điều chỉnh được tốc độ mà tại đó nhiệt được gia tăng như thế nào. Một ví dụ quen thuộc của điều khiển phản hồi là điều khiển hành trình trên xe ô tô. Biến đo lường ở đây là tốc độ. Người lái (trình điều khiển) điều chỉnh đến điểm đặt tốc độ mong muốn (ví dụ như 100 km/giờ) và bộ điều khiển giám sát cảm biến tốc độ và so sánh tốc độ đo với điểm đặt. Bất kỳ sai lệch nào, chẳng hạn như thay đổi trong độ dốc, lực cản, tốc độ gió hoặc thậm chí sử dụng một lớp nhiên liệu khác (ví dụ ethanol pha trộn) được điều chỉnh bởi bộ điều khiển thực hiện một điều chỉnh bù tới vị trí mở của van nhiên liệu, ở đây là biến thao tác. Bộ điều khiển thực hiện điều chỉnh khi có thông tin chỉ khi có sai số (cường độ, tốc độ thay đổi hoặc sai số tích lũy) mặc dù các thiết lập được gọi là điều chỉnh được sử dụng để đạt được kiểm soát ổn định. Hoạt động của bộ điều khiển như vậy là đối tượng của lý thuyết điều khiển tự động. Một thiết bị điều khiển thường được sử dụng được gọi là một bộ điều khiển logic khả lập trình, hoặc một bộ PLC, được sử dụng để đọc một tập hợp các đầu vào kỹ thuật số và analog, áp dụng một tập các câu lệnh logic, và tạo ra một tập hợp các kết quả đầu ra analog và kỹ thuật số. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  16. 3 Ví dụ, nếu một van điều chỉnh được sử dụng để giữ cho mực nước trong bể ở một mức nào đó, các tập lệnh logic sẽ so sánh áp lực tương đương điểm đặt độ sâu với áp lực đọc được của một bộ cảm biến thấp dưới mức bình thường của chất lỏng và xác định xem cần mở van ra hoặc đóng lại để giữ cho mực chất lỏng không đổi. Một đầu ra PLC sau đó sẽ tính toán một độ mở cần thiết của van. Các hệ thống phức tạp lớn hơn có thể được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hoặc hệ thống SCADA. Trong thực tế, các quá trình có thể được mô tả như là một hoặc nhiều các hình thức sau đây: Rời rạc - Tìm thấy trong nhiều ứng dụng sản xuất, chuyển động và đóng gói. Lắp ráp robot, được tìm thấy trong sản xuất ô tô, có thể được mô tả là điều khiển quá trình rời rạc. Hầu hết sản xuất riêng rẽ liên quan đến việc sản xuất các mảnh rời rạc của sản phẩm, như dập kim loại. Hàng loạt - Một số ứng dụng yêu cầu số lượng cụ thể của các nguyên liệu được kết hợp theo những cách cụ thể trong khoảng thời gian cụ thể để tạo ra một kết quả trung gian hay kết quả cuối cùng. Một ví dụ là việc sản xuất chất kết dính và keo dán, thường đòi hỏi sự pha trộn nguyên liệu trong một bình nước nóng trong một khoảng thời gian để tạo thành một lượng sản phẩm cuối cùng. Ví dụ quan trọng khác là sản xuất thực phẩm, đồ uống và thuốc men. Các quá trình hàng loạt thường được sử dụng để sản xuất một số lượng sản phẩm tương đối từ thấp đến trung bình mỗi năm (một vài đến hàng triệu kg). Liên tục - Thông thường, một hệ thống vật lý được biểu diễn thông qua các biến được làm mịn và không bị gián đoạn trong thời gian. Việc điều khiển nhiệt độ nước trong một vỏ lò đốt là một ví dụ về điều khiển quá trình liên tục. Một số quy trình liên tục quan trọng là sản xuất nhiên liệu, hóa chất và nhựa. Quá trình liên tục trong sản xuất được sử dụng để sản xuất với số lượng rất lớn các sản phẩm mỗi năm (hàng triệu đến hàng tỷ kg). 1.1.4 Thông tin Thông tin là một trong những khái niệm cơ sở quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và năng lượng. Các đầu vào cũng như các đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin, như mô tả trên Hình 2.1. Một hệ thống xử lý thông tin hoặc một hệ thống truyền thông là một hệ thống kỹ thuật chỉ quan tâm tới các đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên, đa số Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  17. 4 các hệ thống kỹ thuật khác thường có các đầu vào và đầu ra hỗn hợp (vật chất, năng lượng và thông tin). 1.1.5 Dữ liệu Thông tin là một đại lượng khá trừu tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới một hình thức khác. Khả năng biểu diễn thông tin rất đa dạng, ví dụ qua chữ viết, hình ảnh, cử chỉ, v.v Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng. Đặc biệt, thông tin có thể được mô tả, hay nói cách khác là được “số lượng hoá” bằng dữ liệu để có thể lưu trữ và xử lý trong máy tính. Trong trường hợp đó, ta cũng nói rằng thông tin được số hoá sử dụng hệ đếm nhị phân, hay mã hóa nhị phân. Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy các bit {1, 0}. 1.1.6 Tín hiệu Việc trao đổi thông tin (giữa người và người, giữa người và máy) hay dữ liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu thường dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh. Hình 1.2: Một số dạng tín hiệu thông dụng Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  18. 5 1.1.7 Giao thức: Giao thức giao tiếp hay còn gọi là giao thức truyền thông, giao thức liên mạng, giao thức tương tác, giao thức trao đổi thông tin (tiếng Anh là communication protocol) - trong công nghệ thông tin gọi tắt là giao thức (protocol) Có nhiều giao thức được sử dụng để giao tiếp hoặc truyền đạt thông tin trên Internet, dưới đây là một số các giao thức tiêu biểu: TCP (Transmission Control Protocol): thiết lập kết nối giữa các máy tính để truyền dữ liệu. Nó chia nhỏ dữ liệu ra thành những gói (packet) và đảm bảo việc truyền dữ liệu thành công. IP (Internet Protocol): định tuyến (route) các gói dữ liệu khi chúng được truyền qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận. HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu ở dạng siêu văn bản) qua Internet. FTP (File Transfer Protocol): cho phép trao đổi tập tin qua Internet. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): cho phép gởi các thông điệp thư điện tử (e- mail) qua Internet. POP3 (Post Office Protocol, phiên bản 3): cho phép nhận các thông điệp thư điện tử qua Internet. MIME (Multipurpose Internet Mail Extension): một mở rộng của giao thức SMTP, cho phép gởi kèm các tập tin nhị phân, phim, nhạc, theo thư điện tử. WAP (Wireless Application Protocol): cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị không dây, như điện thoại di động. 1.1.8 IEC Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế hay IEC (viết tắt của tiếng Anh: International Electrotechnical Commission) được thành lập năm 1906. Mục tiêu của IEC là thúc đẩy sự hợp tác quốc tế về tiêu chuẩn hoá trong lĩnh vực điện - điện tử và các vấn đề có liên quan như: chứng nhận sự phù hợp tiêu chuẩn điện và hỗ trợ cho thông hiểu quốc tế.[1] IEC có mối quan hệ hợp tác chặt chẽ với nhiều tổ chức tiêu chuẩn hoá và chuyên môn quốc tế như: ISO, Liên đoàn Viễn thông quốc tế - ITU; Ban Tiêu chuẩn hoá Kỹ thuật điện châu Âu - CENELEC. Đặc biệt, giữa IEC và ISO đã thiết lập một thoả thuận về phạm vi hoạt động của mỗi tổ chức. Theo thoả thuận này, phạm vi hoạt động của IEC bao gồm tiêu chuẩn hoá trong lĩnh vực điện - điện tử. ISO và IEC đã phối hợp Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  19. 6 thành lập một ban kỹ thuật hỗn hợp về công nghệ thông tin được đặt trong cơ cấu các cơ quan kỹ thuật của ISO (ISO/IEC/JTC1). Trụ sở ban đầu của tổ chức này đóng ở Luân Đôn, nay chuyển trụ sở sang đóng tại Genève từ năm 1948. Bộ tiêu chuẩn điện kỹ thuật (chuẩn hoá quốc tế IEC) bao gồm trên 6500 tiêu chuẩn về thiết kế, lắp đặt hệ thống điện. Những tiêu chuẩn của IEC được sắp xếp theo dãy số từ 60000 đến 79999. Ví dụ IEC 60432. Bộ tiêu chuẩn cũ của IEC đưa ra trước năm 1997 được đánh số lại bằng cách cộng số cũ với 60000. Ví dụ tiêu chuẩn cũ số IEC 237 đặt lại là IEC 60237. 1.1.9 SCADA SACDA là viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa. Tuy nhiên, trong thực tế có một số hệ thống vẫn thường được gọi là SCADA, mặc dù những hệ thống này chỉ thực hiện duy nhất một chức năng là thu thập dữ liệu. Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau (Hình 1.3) [3]: Hình 1.3: Mô tả một hệ thống SCADA điển hình - Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server). - Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  20. 7 (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành ). - Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ - Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. 1.1.9.1 . Công nghệ RTU tập trung Thiết bị RTU được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật vi xử lý. Các bộ vi xử lý ngày nay được sử dụng thuộc loại từ 16 bit trở lên. Mỗi RTU có khả năng tiếp nhận hàng trăm lối vào đo lường và trạng thái Trên RTU có nhiều vỉ chức năng: CPU, bộ nhớ, ngoại vi cơ sở, lối vào tương tự (AI-Analog Input), lối vào trạng thái (DI_digital Input) Tuỳ theo dung lượng RTU mà các vỉ AI, DI được sử dụng với số lượng khác nhau. Các thiết bị RTU được tổ chức thành 3 nhóm, mỗi nhóm gồm các thiết bị lắp đặt trong 1 tủ (có thể nhiều hơn). Từ trạm và nhà máy, các tín hiệu được gom vào một tủ gọi là tủ trạm. Từ tủ trạm các tín hiệu được dẫn sang tủ trung gian, tại đây lắp đặt các rơ le trung gian, các Transducer và các thiết bị lẻ khác. Tủ RTU chứa các thiết bị điện tử (CPU, bộ nhớ, ngoại vị, vào ra tương tự, số, ) Thông thường RTU có nhiều cửa vào ra nối tiếp (RS232) phục vụ giao tiếp với CC và giao tiếp với máy tính Laptop khi thay đổi cấu hình RTU. Phần mềm cơ sở dữ liệu cho phép thay đổi thông số trên RTU trong quá trình sử dụng: Số lượng các tín hiệu vào ra; Các thông số của dữ liệu; Cách mã hoá trạng thái (1 hoặc 2 bit) Tốc độ truyền tin; Chọn giao thức truyền tin; Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  21. 8 RTU thường được sử dụng độc lập với các hệ thống đo lường và giám sát các trạm và nhà máy điện. Đó là các trạm và nhà máy điện sử dụng công nghệ cũ. Thông thường tồn tại độ vênh về giá trị (sai số) giữa 2 hệ thống đo lường nói trên. 1.1.9.2 Công nghệ RTU phân tán: Công nghệ này không gom tín hiệu vào tủ trạm, RTU chia nhỏ thành các phần nhỏ lắp đặt phân tán trong trạm và nhà máy, Mỗi phần nhỏ của RTU đảm nhiệm chức năng như của một RTU nhỏ Các phần nhỏ nói trên được liên kết với nhau bằng cáp thông tin và cả hệ thống làm việc thống nhất như trên 1 RTU. Công nghệ RTU phân tán cho phép: Đơn giản hoá thiết kế RTU; Đơn giản hoá thiết kế hệ thống, đặc biệt ở các trạm và nhà máy có các thiết bị lắp đặt quá xa nhau; Đơn giản hoá việc lắp đặt thiết bị; Giảm thiểu khối lượng cáp so với RTU tập trung; Phù hợp xu hướng phát triển công nghệ. 1.1.9.3 Công nghệ GateWay: Các trạm và nhà máy mới hiện nay đều sử dụng các thiết bị công nghệ số. Cũng có thể sử dụng thêm các bộ thu thập dữ liệu, điều khiển giám sát vạn năng (PLC- Programmable Logic Control). Bằng công nghệ mạng, tất cả được tích hợp vào 1 hệ thống gọi là Hệ thống tự động hoá trạm & nhà máy. Như vậy các thiết bị điện và hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát, điều khiển đã được thiết kế trong thể thống nhất. Việc cung cấp thông tin cho các trung tâm điều khiển cấp trên (CC) chỉ là 1 phần nhỏ của hệ thống tự động hoá trạm & nhà máy. Sai số của CC chính là sai số của hệ thống tự động hoá trạm & nhà máy. Để kết nối với CC chỉ cần kênh truyền, thiết bị ghép nối truyền tin phù hợp và thống nhất khai báo dữ liệu trao đổi thông tin. 1.2 Mô hình phân cấp chức năng Một hệ thống mạng được định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể. Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau, với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương tự với số cấp nhiều hoặc Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  22. 9 ít hơn. Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ rang, càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng, càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn. Trên Hình 1.4 là sơ đồ phân cấp trong hệ thống mạng công nghiệp chung. Hình 1.4: Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển [1] 1.2.1 Phân loại mạng công nghiệp Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus. Mạng công nghiệp chia làm hai loại vào/ra tập trung (central I/O) và vào/ra phân tán (distributed I/O) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  23. 10 Hình 1.5: Sơ đồ đấu nối vào/ra mạng công nghiệp Đặc điểm vào ra phân tán: - Ưu điểm nhiều, song vẫn còn nối dây truyền thống. Vào/ra phân tán với bus trường chuẩn - Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt: Từ bộ điều khiển xuống tới các vào/ra phân tán chỉ cần một đường truyền duy nhất. - Cấu trúc đơn giản: Thiết kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn. - Tăng độ tin cậy của hệ thống: - Truyền kỹ thuật số vì vậy hạn chế lỗi - Nếu có lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu của hệ bus. - Tăng độ linh hoạt của hệ thống: - Tự do hơn trong lựa chọn các thiết bị vào/ra - Tự do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống. - Khả năng mở rộng dễ dàng hơn - Vào/ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần tại hiện trường (chỉ lợi dụng ưu điểm cuối cùng) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  24. 11 1.2.2 Hệ thời gian thực Một hệ thời gian thực là một hệ thống mà sự hoạt động tin cậy của nó không chỉ phụ thuộc vào sự chính xác của kết quả, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả để phản ứng với sự kiện bên ngoài. Tính năng thời gian thực = tính chính xác + tính kịp thời Các dạng của “tính kịp thời” Hình 1.6: Các dạng của thời gian thực 1.2.3 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Chế độ truyền tải - điều chế tín hiệu là chế độ thông dụng nhất trong hệ thống truyền thông công nghiệp, với 3 dải truyền như sau: - Truyền tải dải cơ sở: Tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải tần cơ sở - Truyền tải dải mang: Tín hiệu mang một nguồn thông tin duy nhất trên dải sóng mang. - Truyền tải dải rộng: Tín hiệu mang nhiều nguồn thông tin cùng một lúc trên một dải tần rộng. Hình 1.7: Nguyên tắc truyền dẫn trong mạng công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  25. 12 Các thông số đặc trưng cho truyền dẫn Tốc độ truyền và tốc độ bit Thời gian bit/Chu kỳ bit TB= 1/v TB = 1/f.n, n là hệ số môi trường Thời gian lan truyền tín hiệu TS = l/(k*c) l là chiều dài dây dẫn, c là tốc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và k là hệ số giảm tốc độ truyền 1.3 Chuẩn đầu ra của chương 1: Câu 1.1: Tại sao phải nhận biết các định nghĩa, các thuật ngữ sử dụng trong học phần này? Câu 1.2: Có bao nhiêu khái niệm, định nghĩa trong chương này liên quan đến nội dung học phần và từ định nghĩa khái niệm, thuật ngữ nào là quan trọng? Câu 1.3: Làm thế nào để đánh giá đâu là một hệ thống điều khiển hiện đại, tiên tiến? Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  26. 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MẠNG CÔNG NGHIỆP Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm - điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích. Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến 2.1 Kiến trúc giao tiếp 2.1.1 Kiến trúc Master/Slave Một trạm chủ phối hợp hoạt động của nhiều trạm tớ, các trạm tớ có vai trò, nhiệm vụ tương tự như nhau, các trạm tớ có thể giao tiếp trực tiếp, hoặc không. Vai trò chủ động thuộc về Master. Hình 2.1: Kiến trúc Slave/Master 2.1.2 Kiến trúc Client/Server Kiến trúc Client/Server thực hiện các dịch vụ chung, phục vụ các client. Giữa các client không cần thiết có giao tiếp trực tiếp. Vai trò chủ động trong giao tiếp thuộc về client. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  27. 14 Hình 2.2: Vào ra phân tán thiết bị trường 2.2 Cấu trúc mạng (network topology) 2.2.1 Liên kết (link) Các kiểu liên kết: Liên kết điểm - điểm (point-to-point) Liên kết điểm - nhiều điểm (multi-drop) Liên kết nhiều điểm (multipoint) Hình 2.3: Sơ cấu trúc bus liên kết mạng truyền thông công nghiệp 2.2.2 Cấu trúc (Topology) Cấu trúc liên kết của một mạng, tổng hợp của các liên kết. - Cấu trúc bus - Cấu trúc mạch vòng (tích cực) - Cấu trúc hình sao Cấu trúc bus liên quan tới tính năng: + Tính thời gian thực + Đô tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống + Tính đơn giản + Khoảng cách truyền 2.3 Kiểm soát truy nhập bus Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium Access Control): Phân chia thời gian truy nhập đường truyền (gửi tín hiệu đi). Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới: - Độ tin cậy Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  28. 15 - Tính năng thời gian thực - Hiệu suất sử dụng đường truyền 2.3.1 Phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ (Master/Slave) Hình 2.4: Truy nhập bus theo phương pháp chủ tớ Vai trò của trạm chủ: Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc chỉ đóng vai trò phân chia quyền truy nhập bus. Ưu điểm: - Tiền định - Đơn giản, đỡ tốn kém - Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ Hình 2.5: Giao tiếp theo cơ chế chủ/tớ Nhược điểm: - Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất - Hiệu suất trao đổi dữ liệu giữa hai trạm chủ/tớ thấp Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  29. 16 Ứng dụng chủ yếu phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường hay bus thiết bị) trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán. Biểu đồ trình tự giao tiếp 2.3.2 Phương pháp kiểm soát phân tán Token Passing Hình 2.6: Truy nhập bus theo Phương pháp kiển soát phân tán Token Passing Vấn đề kiểm soát Token: Giám sát token: Nếu do một lỗi nào đó mà token bị mất hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và tạo một token mới. Khởi tạo token: Sau khi khởi động một trạm được chỉ định có trách nhiệm tạo một token mới. Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố phải được phát hiện và tách ra khỏi trình tự được nhận token. Bổ sung trạm mới: Một trạm mới được kết nối mạng, một trạm cũ được thay thế hoặc đưa trở lại sử dụng phải được bổ sung vào mạch vòng logic để có quyền nhận token. Ưu điểm: - Tiền định - Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình đẳng - Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau Nhược điểm: - Phức tạp Ứng dụng: chủ yếu ở cấp phía trên (bus điều khiển, bus hệ thống) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  30. 17 2.3.3 Kết hợp Token với Master/Slave (Multimaster) Hình 2.7: Truy nhập bus kết hợp 2 phương pháp chủ tớ với Token Ưu điểm: - Tiền định, phù hợp với trao đổi dữ liệu tuần hoàn - Có thể đáp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời gian thực - Không cần kiểm soát tập trung Nhược điểm: - Hiệu suất sử dụng đường truyền có thể không cao - Đồng bộ hóa thời gian phức tạp Ứng dụng: Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus H1). Chủ yếu ở cấp trường 2.3.4 Truy nhập nhận biết xung đột CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Đây một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng cùng mạng Ethernet (IEEE 802.3) Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng đường truyền Multiple Access: Đa truy nhập (đương nhiên!) Collision Detection: Nhận biết xung đột Nguyên tắc làm việc Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  31. 18 Hình 2.8: Sơ đồ giả định xảy ra xung đột đường truyền Ưu điểm: - Rất linh hoạt, không cần đặt cấu hình mạng trước; - Được sử dụng rộng rãi. Nhược điểm: - Thiếu tính tiền định; - Thuật toán phức tạp; Ứng dụng: Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet), gần đây được sử dụng ở cấp thấp: Sử dụng công nghệ chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung đột tín hiệu. 2.4 Bảo toàn dữ liệu 2.4.1 Lỗi dữ liệu - Phân loại lỗi + Lỗi phát hiện được, không sửa được + Lỗi phát hiện được nhưng sửa được + Lỗi không phát hiện được. - Giải pháp khắc phục lỗi + Giải pháp phần cứng + Giải pháp phần mềm (xử lý giao thức) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  32. 19 - Tỉ lệ bit lỗi p là thước đo đặc trưng cho độ nhiễu của kênh truyền dẫn, được tính bằng tỉ lệ giữa số bit bị lỗi trên tổng số bit được truyền đi. - Tỉ lệ lỗi còn lại R là thông số đặc trưng cho độ tin cậy dữ liệu của một hệ thống truyền thông, sau khi đã thực hiện các biện pháp bảo toàn (kể cả truyền lại trong trường hợp phát hiện ra lỗi). - Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi TMTBF (MTBF = Mean Time Between Failures): TMTBF = n/(v*R) - Khoảng cách Hamming: thông số đặc trưng cho độ bền vững của một mã dữ liệu chính là khả năng phát hiện lỗi của một phương pháp bảo toàn dữ liệu. 2.4.2 Bảo toàn dữ liệu kiểu bit chẵn/lẻ (parity bit) Bit chẵn lẻ (tiếng Anh: parity bit) là một bit dùng để báo hiệu số lượng bit có giá trị bằng 1trong một nhóm bit cho trước là một số chẵn hay là một số lẻ. Bit chẵn lẻ được sử dụng như là một mã dùng để phát hiện lỗi đơn giản nhất. Có hai loại mã chẵn lẻ: bit chẵn lẻ dùng quy luật số chẵn (even parity bit) và bit chẵn lẻ dùng quy luật số lẻ (odd parity bit). Bit chẵn lẻ dùng quy luật số chẵn có giá trị bằng 1khi số lượng các bit 1, trong một nhóm bit cho trước, là một số lẻ (và khi cộng thêm bit chẵn lẻ vào, tổng số lượng bit có giá trị bằng 1 là một số chẵn). Ngược lại, bit chẵn lẻ dùng quy luật số lẻ có giá trị bằng 1nếu số lượng các bit 1, trong một nhóm bit cho trước, là một số chẵn (và khi cộng thêm bit chẵn lẻ vào, tổng số bit có giá trị bằng 1 là một số lẻ). Bit chẵn lẻ dùng quy luật chẵn là một trường hợp đặc biệt của kỹ thuật kiểm tra độ dư tuần hoàn (cyclic redundancy check - CRC). Trong CRC, bit CRC được kiến tạo bằmg cách dùng đa thức (polynomial) x+1. Dãy bit nguyên bản: 1001101 Dãy bit gửi đi: 10011010 Giả sử nhận được 10111010 vì vậy Lỗi phát hiện được Giả sử nhận được 11111010 vì vậy Lỗi không phát hiện được Ví dụ: Khung UART UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) được sử dụng khá rộng rãi Bit chẵn lẻ hai chiều (bảo toàn khối) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  33. 20 2.4.3 Bảo toàn kiểu mã vòng (CRC) - CRC (Cyclic Redundancy Check): thông tin kiểm lỗi (ở đây được gọi là checksum) phải được tính bằng một thuật toán thích hợp, trong đó giá trị mỗi bit của thông tin nguồn đều được tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán. CRC được sử dụng rộng rãi trong đa số các hệ thống truyền thông công nghiệp. CRC còn được gọi là phương pháp đa thức, bởi nó sử dụng phép chia đa thức (nhị phân): - Đa thức nhị phân: các hệ số là 0 hoặc 1, ví dụ: G = x7 + x6 + x5 + x2 + 1 G = x7 + x6 + x5 + 0x4 + 0x3 + x2 + 0x1 + 1 vậy mã G = {11100101} - Phép chia đa thức nhị phân được qui về các phép so sánh, sao chép và XOR Nguyên tắc thực hiện - Hai bên qui ước một “đa thức phát” G bậc n, ví dụ x3+x+1 tương ứng với dãy bit {1011}. - Dãy bit mang thông tin nguồn I được thêm vào n bit 0 và coi như một đa thức nhị phân P. - Ví dụ thông tin nguồn là {110101} vì vậy P ={110101000} - Lấy P chia cho G ta được kết quả và phần dư R - Phần dư R của phép chia được thay thế vào chỗ của n chữ 0 bổ sung trong P, tức là ta có D = P + R được gọi là checksum và D chính là dãy bit được gửi đi thay cho I. Giả sử dãy bit nhận được là D' không chia hết cho G vì vậy bức điện chắc chắn bị lỗi. Nếu D' chia hết cho G, thì xác suất rất cao là bức điện nhận được không có lỗi. Ví dụ minh họa: Thông tin cần truyền I = 110101, đa thức G = 1011 (tức x3 + x + 1) Thêm 3 bit 0 vào thông tin nguồn I, ta có P = 110101000 Chia đa thức P: G 110101000: 1011 = 1111 dư 010 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  34. 21 Dãy bit được chuyển đi: D = P + R = 110101010 Giả sử dữ liệu nhận được là D' = 110101010 Chia đa thức D': G 110101111: 1011 = 111101 Phần dư 0000 -> Xác suất rất cao là không có lỗi 2.4.4 Bảo toàn kiểu nhồi bit (Bit stuffing) Bên gửi: Nếu trong dữ liệu có n bits 1 đứng liền nhau thì thêm một bit 0 vào ngay sau đó. Như vậy trong dãy bit được chuyển đi không thể xuất hiện n+1 bits 1 đi liền nhau. Bên nhận: Nếu phát hiện thấy n bits 1 liền nhau mà bit tiếp theo là 0 thì được tách ra, còn nếu là bit 1 thì dữ liệu chắc chắn bị lỗi. 2.5 Mã hóa và giải mã bít - Mã hóa đường truyền (Line encoding, signal encoding): Biểu diễn nguồn thông tin cần truyền bằng một tín hiệu thích hợp cho truyền dẫn, có thể bao gồm: + Mã hóa bit (biểu diễn một dãy bit thành một tín hiệu) + Các biện pháp dồn kênh - Mã hóa bit (Bit encoding): trường hợp đặc biệt của mã hóa đường truyền (không có dồn kênh, phân kênh) + Trong truyền thông công nghiệp ta chỉ cần đề cập tới mã hóa bit + Mã hóa bit còn được gọi là điều chế tín hiệu (signal modulation) - Giải mã bit: Khôi phục dãy bit từ một tín hiệu nhận được Các yếu tố kỹ thuật chú ý khi mã hóa và giải mã - Tần số, dải tần tín hiệu: - Tính bền vững với nhiễu, khả năng phát hiện lỗi - Triệt tiêu dòng một chiều/khả năng đồng tải nguồn - Thông tin đồng bộ nhịp trong tín hiệu: 2.5.1 Phương pháp NRZ và RZ Hình 2.9: Mã hóa bít bằng NRZ và RZ Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  35. 22 - NRZ (Non-return to Zero), RZ (Return to Zero) - Các tính chất: + Tần số thấp, dải tần không hẹp + Kém bền vững với nhiễu + Tồn tại dòng một chiều + Không mang thông tin đồng bộ nhịp - Ứng dụng: Phổ biến nhất, Profibus-DP, Interbus 2.5.2 Mã Manchester Hình 2.10: Mã hóa bit bằng Manchester - Các tính chất: + Tần số cao hơn NRZ, dải tần không hẹp + Khá bền vững với nhiễu, không có khả năng phối hợp nhận biết lỗi + Triệt tiêu dòng một chiều, khả năng đồng tải nguồn + Mang thông tin đồng bộ nhịp - Ứng dụng: Khá phổ biến, vd Ethernet, Profibus-PA, Foundation Fieldbus 2.5.3 Mã AFP (Alternate Flanked Pulse) Hình 2.11: Mã hóa bit băng AFP - Các tính chất: + Tần số thấp nhất, dải tần hẹp nhất + Khá bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗi + Tồn tại dòng một chiều + Không mang thông tin đồng bộ nhịp - Ứng dụng: AS-Interface Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  36. 23 2.5.4 Mã FSK (frequency shift keying) Hình 2.12: Mã hóa bit bằng FSK - Các tính chất: + Tần số cao (truyền tải dải mang), dải tần hẹp + Đặc biệt bền vững với nhiễu, có khả năng phối hợp nhận biết lỗi + Triệt tiêu dòng một chiều, có khả năng đồng tải nguồn + Mang thông tin đồng bộ nhịp - Ứng dụng: HART, Powerline Communication 2.6 Chuẩn đầu ra của chương 2: Câu 2.1: Cơ sở kỹ thuật mạng (công nghiệp) là cái gi? Câu 2.2: Yếu tố nào là quan trọng nhất trong cơ sở kỹ thuật mạng? Câu 2.3: Một mạng được đánh giá là tốt thì cần cơ những cơ sở kỹ thuật ra sao? Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  37. 24 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT MẠNG CÔNG NGHIỆP 3.1 Kỹ thuật truyền dẫn 3.1.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu đơn cực - Truyền không đối xứng không đối xứng hay đơn cực (unbalanced mode, single- ended mode): Sử dụng điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Ví dụ: RS-232. Hình 3.1: Phương thức truyền dẫn dữ liệu không đối xứng Ưu nhược điểm của phương thức đơn cực . Tiết kiệm dây dẫn . Khả năng kháng nhiễu kém (nhiễu ngoại, nhiễu xuyên âm - crosstalk, chênh lệch điện áp đất) . Phải sử dụng mức tín hiệu cao . Tốc độ truyền kém . Khoảng cách truyền ngắn 3.1.2 Phương thức truyền dẫn tín hiệu đối xứng - Phương thức truyền chênh lệch đối xứng (balanced differential mode): sử dụng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B (hoặc - và +). Ví dụ: RS-422, RS-485, MBP (IEC-611582). Hình 3.2: Phương thức truyền dẫn dữ liệu đối xứng Ưu nhược điểm của phương thức chênh lệch đối xứng . Không tiết kiệm dây dẫn lắm . Khả năng kháng nhiễu tốt . Có thể sử dụng mức tín hiệu thấp Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  38. 25 . Tốc độ truyền cao . Khoảng cách truyền lớn 3.1.3 Phương thức truyền dẫn MBP (IEC 61158-2) MBP (Manchester Coded, Bus-Powered): Áp dụng trong Foundation Fieldbus, Profibus-PA Hình 3.3: Kỹ thuật truyền dẫn MBP . Ứng dụng chủ yếu trọng công nghiệp chế biến . Khả năng dùng trong môi trường yêu cầu an toàn cháy nổ . Mã Manchester, truyền đồng bộ . Khả năng đồng tải nguồn . Truyền chênh lệch đối xứng, mức tín hiệu chênh lệch 0,75-1V . Tốc độ truyền 31,25kbps (cố định) . Số trạm tối đa 32/đoạn, 126/toàn mạng, tối đa 4 bộ lặp . Khoảng cách truyền tối đa 1900m/₫oạn vì vậy 9500m/toàn mạng . Trở đầu cuối 100Ohm 3.1.4 Chuẩn truyền thông RS-485 Tên chính thức EIA/TIA-485, phiên bản mới nhất là EIA/TIA-485b. Truyền thông theo kiểu chênh lệch đối xứng, vì vậy có nhiều ưu điểm đã nêu trên. Là chuẩn được sử dụng thông dụng nhất trong các hệ thống truyền thông công nghiệp (Profibus FMS/DP, Interbus, AS-Interface và các giao thức riêng khác ) Qui định mức tín hiệu Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  39. 26 Hình 3.4: Mức tín hiệu quy định RS 485 Cấu hình ghép nối hai dây và 4 dây trong chuẩn truyền thông 485 Hình 3.5: Sơ đồ ghép nối RS 485 Một số đặc điểm cơ bản . Phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng . Chế độ truyền chủ yếu là hai chiều gián đoạn . Ghép nối nhiều điểm, số trạm tối đa/đoạn mạng là 32 . Tốc độ truyền cao (có thể tới > 10Mbps) . Khoảng cách truyền lớn (có thể tới 1200m) . Có thể dùng tới 3 bộ lặp (4 đoạn mạng), trong thực tế có thể hơn . Trở đầu cuối: 100 hoặc 120 Ohm Quan hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền (sử dụng đôi dây xoắn AWG 24) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  40. 27 Hình 3.6: Tốc độ truyền dẫn RS 485 Theo qui định chuẩn, một bộ kích thích tín hiệu phải đảm bảo dòng tổng cộng 60mA vừa đủ để cung cấp cho: — Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Ω (120Ω tại mỗi đầu) với điện áp tối thiểu 1,5V vì vậy 25mA — 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua mỗi đơn vị tải (trường hợp xấu nhất) vì vậy 32mA. 3.2 Giao thức mạng Mục đích giao tiếp của hai đối tác (con người, thiết bị): Trao đổi dịch vụ(cung cấp dịch vụ và sử dụng dịch vụ). Chức năng mà một thiết bị truyền thông hỗ trợ. 3.2.1 Định nghĩa giao thức mạng (network protocol) Qui tắc, thủ tục, hình thức giao tiếp giữa các thiết bị mạng: Chúng ta thực hiện một cuộc đàm thoại như thế nào? “Ngôn ngữ”cho việc giao tiếp: . Cú pháp (syntax) . Ngữ nghĩa (semantics) . Định thời (timing) Qui trình thực hiện và diễn giải giao thức vì vậy xử lý giao thức Tồn tại nhiều loại giao thức Nhiều cấp giao thức vì vậy yêu cầu phân loại vàphân cấp giao thức Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  41. 28 Hình 3.7: Sơ đồ giao thức mạng Vídụ: Khung HDLC (High Level Data-link Control) 01111110 8/16 BIT 8bit N bit 16/32 bit 01111110 Flag Address Control Data FCS Flag 3.2.2 Mô hình lớp Mô hình lớp: Phân loại dịch vụ và các giao thức của một hệ thống truyền thông thành các lớp: Dịch vụ cấp cao và Dịch vụ cấp thấp Giao thức cấp cao và Giao thức cấp thấp Xử lý giao thức theo mô hình lớp Hình 3.8: Sơ đồ mô hình lớp cơ bản SDUPDU: Protocol Data Unit –Khối dữ liệu giao thức SDU: Service Data Unit – Khối dữ liệu dịch vụ PCI: Protocol Control Information -Thông tin trong khối giao thức Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  42. 29 3.2.3 Mô hình qui chiếu ISO/OSI . Open System Interconnection-Reference Model . Chuẩn hóa ISO 7498 . Một mô hình qui chiếu, cơ sở cho:  So sánh, đối chiếu các hệ thống truyền thông với nhau  Tìm hiểu một hệ thống truyền thông  Liên kết giữa các thiết bị/hệ thống với nhau  Phát triển một hệ thống truyền thông mới . Không phải là một chuẩn giao thức, một chuẩn dịch vụ, chỉ là một mô hình! . Không đảm bảo, mà chỉ tạo điều kiện cho việc tương tác giữa các hệ thống . Vấn đề: N hệ thống truyền thông Hình 3.9: Sơ đồ mô hình quy chiếu Trả lời: N trường hợp so sánh, nếu ta có một hệ qui chiếu. Ví dụ giao tiếp theo mô hình OSI Hình 3.10: Sơ đồ mô hình OSI Mô hình OSI không phải là . Chuẩn dịch vụ (không qui định các dịch vụ phải thực hiện) . Chuẩn giao thức (không qui định thực hiện các dịch vụ như thế nào) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  43. 30 . Chuẩn đảm bảo tương tác giữa các hệ thống . Mô hình về cấu trúc mạng Hình 3.11: Sơ đồ mô hình lớp của giao thức Ví dụ giao tiếp theo mô hình OSI Hình 3.12: Sơ đồ mô hình OSI Mô hình OSI không phải là: . Chuẩn dịch vụ (không qui định các dịch vụ phải thực hiện) . Chuẩn giao thức (không qui định thực hiện các dịch vụ như thế nào) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  44. 31 . Chuẩn đảm bảo tương tác giữa các hệ thống . Mô hình về cấu trúc mạng 3.2.4 Kiến trúc TCP/IP TCP: Transmission Control Protocol IP: Internet Protocol TCP/IP: — Kiến trúc giao thức dựa trên nền tảng của TCP/IP — Tập các giao thức (protocol stack) TCP, IP, FTP, TELNET, So sánh TCP/IP và OSI Hình 3.13: Sơ đồ mô hình OSI và TCP/IP 3.3 Các thành phần trong mạng truyền thông 3.3.1 Dây dẫn - Cáp đồng trục, Đôi dây xoắn, Cáp trơn, cáp quang Hình 3.14: Mô hình cáp đồng trục - Đôi dây xoắn (Twisted Pair -TP) Phát minh của A. Grahm Bell,1881 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  45. 32 Hình 3.15: Mô hình cáp đôi dây xoắn Hai loại: Shielded TP, Unshielded TP: Chất lượng phụ thuộc vào tiết diện và kiểu bọc lót, che chắn. Hạng chất lượng 1-5 hoặc D-A (IEC 61158-2), hạng 5 có thể cho tốc độ truyền 100Mbit/s (Fast Ethernet 100BASE-TX). . Tốc độ truyền tối đa: 1-2 Gbit/s . Chất lượng cao . Lắp đặt phức tạp . Sử dụng chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet, ControlNet) So sánh độ suy giảm trên đường truyền Cáp quang Hình 3.16: Mô hình cáp quang - Các loại sợi quang + Sợi thủy tinh có hai loại: Sợi đa chế độ (Multimode Fiber, MMF): tín hiệu là các tia laser có tần số không thuần nhất. Khả năng truyền hạn chế trong phạm vi Gbit/s * km. Sợi đơn chế độ (Single-Mode Fiber, SMF): tín hiệu là các tia laser có tần số thuần nhất. Tốc độ truyền có thể đạt tới hàng trăm Gbit/s * km. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  46. 33 - Sợi chất dẻo: Truyền với tốc độ thấp (khoảng vài chục tới vài trăm Mbit/s), khoảng cách truyền ngắn (tối đa 80m), giá thành thấp và lắp đặt dễ dàng hơn nhiều. 3.3.2 Vô tuyến: Sóng truyền hình (TV), Sóng truyền thanh (radio AM, FM), Tia hồng ngoại (UV), Phương tiện truyền dẫn, Dải tần Shannon: Tốc độbit tối đa (bits/s) = Hlog2 (1+S/N) Hình 3.17: Dãi tần truyền dẫn vô tuyến 3.3.3 NIC – Network Interface Card - Là thiết bị phổ dụng nhất đối với máy tính. Trong NIC có bộ thu phát (Tranceiver) hoạt động như một Transmitter và một Receiver. Transmitter chuyển đổi các tín hiệu bên trong máy tính thành tín hiệu có thể truyền đi được qua đường mạng. Receiver làm ngược lại. 3.3.4 Hup HUB bị động (HUB – Passive): Không chứa các lịnh kiện điện tử các xử lý tín hiệu, chỉ có chức năng tổ hợp các tin hiệu từ một số các đoạn mạng. Khoảng cách lớn nhất giữa một máy tính với hub không thể lớn hơn một nửa khoảng cách cho phép giữa 2 máy tính. HUB chủ động (HUB – Active): Có các linh kiện điện tử có thể khuyếch đại và xử ý tín hiệu. Cho phép khoảng cách giữa các thiết bị tăng lên. HUB thông minh (Intelligent Hub): Là hub chủ động nhưng có thêm các chức năng mới sau: – Quản trị hub: được bổ sung các giao thức quản trị mạng, cho phép hub gửi các thông tin về trạm điều khiển mạng trung tâm. Và cho phép trạm trung tâm quản lý hub. – Chuyển mạch: chứa các vi mạch cho phép chọn đường nhanh cho các tín hiệu giữa các cổng trên hub. Thay vì chuyển gói tin cho toàn bộ các cổng của hub, chúng đang thay thế dần cho các bridge và router. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  47. 34 3.3.5 Các bộ kết nối mạng - Repeater (Bộ chuyển tiếp) Có chức năng tiếp nhận và chuyển tiếp các tín hiệu dữ liệu, thường được dùng nối 2 đoạn cáp. - Bridge (Cầu) Là một thiết bị mềm dẻo hơn repeater. Một repeater chuyển đi tất cả các tín hiệu mà nó nhận được. Nhưng Bridge có chọn lọc và chỉ chuyển đi các tín hiệu có đích ở phần mạng phía bên kia mạng Ethernet để mở rộng mạng. Có khả năng khuếch đại và tái sinh tín hiệu. Multiplexor (bộ dồn kênh) Là thiết bị có chức năng tổ hợp một số tín hiệu để chúng có thể truyền được với nhau và sao đó khi nhận, lại được tách ra trở lại các tín hiệu gốc. Modem (Modulation/Demodulation): Là thiết bị có chức năng chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu tương tự và ngược lại, để kết nối các máy tính qua đường điện thoại. Cho phép trao đổi thư điện tử, truyền tệp, truyền fax và trao đổi dữ liệu theo yêu cầu. Router (Bộ chọn đường): Là thiết bị thông minh Bridge vì có còn thực hiện các giải thuật chọn đường đi tối ưu cho các gói tin. Bridge hoạt động ở hai tầng Physical và Datalink, trong khi router có thể hoạt động lên tới tầng 3 (Network). Cho phép kết nối nhiều mạng với nhau tạo thành liên mạng. Hình 3.18: Hình ảnh một số thiết bị trong mạng Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  48. 35 3.3.6 Gateway Là thiết bị dùng nối ghép hai loại giao thức với nhau. Ví dụ: mạng của bạn sử dụng giao thức IP và mạng của ai đó sử dụng giao thức IPX, Novell, DECnet, SNA hoặc một giao thức nào đó thì Gateway sẽ chuyển đổi từ loại giao thức này sang loại khác 3.4 Phần cứng giao diện mạng 3.4.1 Ghép nối thiết bị điều khiển PLC (Programmable Logic Controller): Thiết bị điều khiển logic khả trình, cấu trúc module hoặc cấu trúc gọn DCS (Distributed Control System): Hệ thống điều khiển phân tán tích hợp: cấu trúc module Compact Digital Controller: Cấu trúc gọn, không lập trình được PC công nghiệp Ghép nối PLC (Programmable Logic Controller) Ghép nối PC và PC công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  49. 36 Hình 3.19: Ghép nối PLC PC công nghiệp cũng có thể có cấu trúc module (VD PC-104) vì vậy cách ghép nối tương tự như PLC Card giao diện mạng cho các khe cắm ISA, PCI, Compact-PCI, Bo mạch chủ tích hợp giao diện mạng (ví dụ Ethernet, CAN) Bộ thích ứng mạng qua các cổng nối tiếp (RS-232, USB) Card PCMCIA Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  50. 37 Hình 3.20: Card PCMCIA 3.4.1.1 Ghép nối thiết bị trường Thiết bị chấp hành: . Biến tần (inverter) . Bộkhởi động động cơ (motor starter) . Van điều khiển (control valve) Thiết bị đo: . Encoder . Cân định lượng . Thiết bị đo nhiệt độ (temperature transmitter) . Thiết bị đo áp suất (pressure transmitter) Thiết bị giao diện người-máy tại chỗ Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  51. 38 3.5 Phần mềm trong hệ thống mạng Hình 3.21: Sơ đồ phần mềm mạng công nghiệp 3.5.1 Phần mềm (xử lý) giao thức Firmware: . Đổ cứng trong ROM hoặc “downloadable” . Nhanh hơn, hiệu suất cao Thành phần của hệ điều hành: . Tích hợp sẵn trong hệ điều hành (ví dụ cho PLC) . Có thể lựa chọn cài đặt (ví dụ các giao thức phổ thông như TCP/IP, NetBUI) 3.5.2 Phần mềm thư viện: . Thường dưới dạng mã nguồn hoặc mã đích C/C++ . Được liên kết với chương trình ứng dụng . Tiện lợi cho xây dựng giải pháp nhúng 3.5.3 Phần mềm giao diện lập trình (API) Thư viện lập trình phổ thông (C,C++, VB) . Sử dụng cho một loại card mạng nhất định . Khác nhau lớn giữa nhiều thư viện . Tiện lợi trên PC và các giải pháp nhúng Thư viện hàm hoặc khối chức năng chuyên dụng: . Giải pháp trong các hệ PLC hoặc DCS (ví dụ theo chuẩn IEC 61131-5) . Không sửdụng được từ bên ngoài Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  52. 39 Công nghệ đối tượng thành phần (component object technology), vídụ COM, ActiveX, OPC . Sử dụng khá thống nhất cho nhiều loại card mạng . Hầu như chỉ hỗ trợ trên nền Windows 3.6 Chuẩn đầu ra của chương 3: Câu 3.1: Vai trò của truyền dẫn trong hệ thống mạng? Câu 3.2: Trong giao thức mạng cái nào quan trọng nhất, vì sao? Câu 3.3: Yêu cầu cơ bản cho một hệ thống mạng công nghiệp được ứng dụng (bao gồm các bài học trước)? Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  53. 40 CHƯƠNG 4: CÁC MẠNG THÔNG DỤNG 4.1 Mạng trường – AS interface 4.1.1 Giới thiệu chung AS Interface là kết quả phát triển hợp tác của 11 hãng sản xuất các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành của châu Âu (Siemens, Schneider Electric, Moeller, Festo, Bürkert, Pepperl & Fuchs ). Chuyên dùng cho ghép nối bộ điều khiển trực tiếp với các thiết bị logic (rơ-le đóng cắt, van on/off, cảm biến chuyển mạch) bằng một đường cáp duy nhất. Chuẩn EN 50295, IEC 62026-2. Hiệp hội ASI - International Association hỗ trợ phát triển và ứng dụng Hình 4.1: Mô hình mạng ASI International Yêu cầu & đặc điểm chung: . Yêu cầu lưu lượng dữ liệu thấp, tính thời gian thực ngặt nghèo . Đơn giản, tiện dụng, giá cả hợp lý . Khả năng đồng tải nguồn cho toàn bộ các cảm biến và một phần lớn các cơ cấu chấp hành. . Bền vững trong môi trường công nghiệp nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền . Cấu trúc mạng tương đối linh hoạt: đường thẳng, cây, hình sao . Thực tế của phương pháp nối dây truyền thống: 36% mọi sự cố nhà máy, máy móc là do lỗi lắp đặt, đi dây (số liệu 1997, TU München) ASI giúp tiết kiệm tới 25% chi phí cáp truyền và 30% chi phí tổng thể Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  54. 41 4.1.2 Kiến trúc giao thức Đặc điểm hạn chế ở việc trao đổi dữ liệu thuần túy và lượng dữ liệu trao đổi rất nhỏ. Toàn bộ việc xử lý giao thức được gói gọn chỉ trong lớp 1 (lớp vật lý) theo mô hình OSI. Phương pháp mã hóa bit hoàn toàn mới để thích hợp với đường truyền 2 dây đồng tải nguồn và không dựa vào chuẩn truyền dẫn RS-485 thông dụng ở các hệ thống bus khác. 4.1.3 Cấu trúc mạng & cáp truyền . Cấu trúc đường thẳng, cây, hình sao . Không yêu cầu trở đầu cuối . Chiều dài tổng cộng của cáp truyền cho phép tối đa là100 mét. . Số trạm tớ tối đa trong một mạng là 31, tương ứng với tối đa 124 thiết bị (mỗi trạm tớ ghép nối được tối đa 4 thiết bị). . Version 2: Tối đa 64 trạm/mạng . Tốc độ truyền 167 kbit/s, tương đương với thời gian bit là 6 μs. Hình 4.2: Sơ đồ mạng AS-INTERFACE 4.1.4 Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp của mạng AS-interface là chủ/tớ, phương pháp hỏi đáp tuần tự (polling), tuần hoàn. Chủ yếu là dữ liệu logic (tối đa 4 bit dữ liệu vào/ra trong một bức điện). Thời gian một chu kỳ bus tối đa được đảm bảo không lớn hơn 5 ms (với 31 trạm tớ), Version 2.0: Cho phép truyền dữ liệu tương tự (7 chu kỳ bus x 5 = 35 giây). Trạm chủ cũng có thể gửi kèm các thông báo khác mà không gây ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chu kỳ bus. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  55. 42 4.1.5 Cấu trúc bức điện Các bước thực hiện: Đặt tham số, đặt địa chỉ, reset trạm tớ, xóa địa chỉ mặc định, đọc cấu hình vào ra, đọc mã căn cước, đọc trạng thái, xóa trạng thái. Hình 4.3: Cấu trúc bức điện trong mạng AS-i 4.1.6 Mã hóa bit APM (Alternate Pulse Modulation): kết hợp giữa AFP và mã Manchester Hình 4.4: Sơ đồ mã hóa bit mạng AS-INTERFACE 4.1.7 Bảo toàn dữ liệu Lớp 1 chịu trách nhiệm hoàn toàn trong việc kiểm tra lỗi, dựa vào bit chẵn/lẻ kết hợp với phương pháp mã hóa bit hợp lý. Trong một chu kỳ bit (6 μs) tín hiệu trên đường truyền được bộ thu lấy mẫu 16 lần vì vậy Nhận biết dạng tín hiệu theo mã APM. Mỗi bức điện đều có chiều dài cố định, có bit đầu, bit cuối, ngăn cách bằng một thời gian nghỉ, kiểm tra bằng một bit chẵn lẻ. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  56. 43 4.1.8 Ứng dụng AT-IO8 là một mô-đun IO mở rộng thoải mái. Nó phù hợp cho các ứng dụng SCADA. AT-IO8 được sử dụng để thu thập Đầu vào kỹ thuật số, Đầu vào tương tự, tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm hoặc để điều khiển Đầu ra kỹ thuật số mà không cần lập trình. AT-IO8 kết nối trực tiếp với PC chạy phần mềm SCADA hoặc PLC bằng giao thức modbus RTU trên mạng rs485 hoặc mạng Lora không dây tầm xa (tùy chọn). Hình 4.5: Một ứng dụng kết nối của AT/IO8 4.2 Mạng Profibus 4.2.1 Giới thiệu chung PROFIBUS (Process Field Bus) được phát triển tại Đức từ năm 1987, ban đầu là các chuẩn DIN 19245, EN 50 170 ngày nay là IEC 61158, IEC 61784. PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn được coi là một công nghệ tự động hóa. Một hệ thống bus trường hàng đầu hiện nay, cũng được sử dụng rất rộng rãi tại Việt Nam Hỗ trợ bởi PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO), từ năm 1995 nằm trong PROFIBUS International (PI) với hơn 1.100 thành viên trên toàn thế giới. Ba loại giao thức: . PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) . PROFIBUS-DP (Decentral Peripheral) . PROFIBUS-PA Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  57. 44 Bảng 4.1: Bảng so sánh giữa 3 loại của mạng profibus Đặc điểm Profibus - FMS Profibus - DP Profibus - PA Application Cell level Field level Field level Standard EN 50 170 EN 50 170 IEC 1158-2 Connectable devices PLC, PG/PC, field PLC, PG/PC, Field devices for devices binary and analog areas subject to field devices, drives explosion hazards valves, OPs Resp. times < 60ms 1 – 5 ms <60ms Network size <= 100 km <=100 km Max 1.9km Transmission rates 9.6 kbit/s – 9.6 kbit/s – 31.25 kbit/s 12Mbit/s 12Mbit/s 4.2.2 Kiến trúc giao thức Kiến trúc của profibus cũng như kiến trúc chung có 7 lớp. Các lớp dịch vụ và giao thức, lớp ứng dụng của FMS bao gồm hai lớp con, lớp liên kết dữ liệu FDL (Fieldbus Data Link), lớp vật lý. Cấu trúc các lớp xem trên hình 4.5 Hình 4.6: Kiến trúc của mạng profibus 4.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn (lớp 1) Sử dụng chuẩn truyền dẫn với RS-485, tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12 MBit/s. Nếu sử dụng cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh (trunk- line/drop-line) hoặc daisy-chain thì tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầu cấu trúc daisy-chain. Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP). Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A. Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing ) với các điện trở lần lượt là 390Ω-220Ω - 390Ω. Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn. Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của một đoạn mạng được tóm tắt trong bảng 4.1. Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32. Có thể dùng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng. Tổng số trạm tối Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  58. 45 đa trong một mạng là 126. Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời. Phương pháp mã hóa bit NRZ. Bảng 4.2: Khoảng cách truyền và tốc độ truyền: Tốc độ 9.6/19.2/45.45/93.75 187.5 500 1500 3000/6000/12000 kbit/s Chiều dài 1200 1000 400 200 100 m Ngoài ra mạng còn truyền dẫn với RS-485IS (IS : Intrinsically Safe) dùng phát triển để có thể phù hợp với môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ. Truyền dẫn với cáp quang: thích hợp đặc biệt trong các lĩnh vực có môi trường làm việc nhiễu mạnh hoặc đòi hỏi phạm vi phủ mạng lớn. Cấu hình FMS tiêu biểu Hình 4.7: Mô hình mạng Profibus FMS Cấu hình DP tiêu biểu Hình 4.8: Mô hình mạng Profibus DP Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  59. 46 Cấu hình PA tiêu biểu Hình 4.9: Mô hình mạng Profibus PA 4.2.4 Truy nhập bus (lớp 2) Hình 4.10: Mô hình truy nhập bus 4.2.5 Dịch vụ truyền dữ liệu (lớp 2) - Dịch vụ không tuần hoàn: + SDN (Send Data with No Acknowledge): Gửi dữ liệu không xác nhận + SDA (Send Data with Acknowledge): Gửi dữ liệu với xác nhận + SRD (Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu - Dịch vụ tuần hoàn: CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply): Gửi và yêu cầu dữ liệu tuần hoàn. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  60. 47 Hình 4.11: Sơ đồ dịch vụ truyền dữ liệu 4.2.6 Cấu trúc bức điện (lớp 2) Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu: SD1 DA SA FC FCS ED Khung với chiều dài thông tin cố định, mang 8 byte dữ liệu: SD3 DA SA FC DU FCS ED Khung với chiều dài thông tin khác nhau, 1-246 byte dữ liệu: SD2 LE LEr SD2 DA SA FC DU FCS ED Token: SD4 DA SA . Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  61. 48 Khung UART (FMS,DP) 4.3 INTERBUS 4.3.1 Giới thiệu chung INTERBUS là một phát triển riêng của hãng Phoenix Contact. Chuẩn hóa quốc tế IEC 61158-2, khả năng kết nối nhiều loại thiết bị khác nhau được sử dụng xuyên suốt trong hệ thống (bus trường, bus điều khiển, bus chấp hành-cảm biến). Ứng dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp và sản xuất vật liệu xây dựng. Số lượng thiết bị ghép nối: #1 trên thế giới. Được sử dụng trong nhiều nhà máy gạch, sứ - thủy tinh ở VN. 4.3.2 Kiến trúc giao thức Ba lớp theo mô hình OSI: — Lớp vật lý qui định phương pháp mã hóa bit, kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu và giao diện giữa một thiết bị mạng với môi trường truyền, — Lớp liên kết dữ liệu có vai trò đảm bảo việc truyền dữ liệu tin cậy, chính xác, hỗ trợ cả dữ liệu quá trình (tuần hoàn) và các dữ liệu tham số (không tuần hoàn). — Lớp ứng dụng: PMS (Peripheral Message Specification) là một tập con của MMS, về cơ bản tương thích với các dịch vụ của PROFIBUS-FMS. Hỗ trợ tối đa việc trao đổi dữ liệu giữa một bộ điều khiển trung tâm với các vào/ra phân tán, các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành. 4.3.3 Cấu trúc mạng Nổi tiếng với cấu trúc mạch vòng tích cực Có thể sử dụng mạch vòng phân cấp Phương pháp truy nhập bus kết hợp giữa Master/Slave và TDMA Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  62. 49 Hình 4.12: Sơ đồ cấu trúc mạng sử dụng dây đôi xoắn Ưu điểm: Phạm vi phủ mạng rất lớn, dễ dàng sử dụng cáp quang, được thiết kế để dễ lắp đặt, dễ chẩn đoán, truyền hai chiều đồng thời, định địa chỉ tự động dựa theo vị trí vật lý của một trạm trên mạch vòng. Việc bảo dưỡng, sửa chữa, mở rộng hệ thống đơn giản hơn. 4.3.4 Kỹ thuật truyền dẫn Cho phép sử dụng nhiều loại đường truyền khác nhau, ví dụ cáp đôi dây xoắn, cáp quang, hồng ngoại, v.v Đôi dây xoắn + RS-485 được sử dụng rộng rãi nhất (5 dây giữa hai thiết bị). Tốc độ truyền là 500 kbit/s vì vậy khoảng cách tối đa giữa hai thiết bị là 400 m. Chiều dài tổng cộng max. 13 km. Tổng số trạm max. 256. Mã hóa bit NRZ, INTERBUS-Loop sử dụng mã Manchester cho môi trường dễ cháy nổ. 4.3.5 Cơ chế giao tiếp Truy nhập bus: Chủ-tớ kết hợp TDMA, theo kiểu xe đẩy xoay vòng (bức điện tổng) vì vậy rất hiệu quả. Tính năng thời gian thực rất tốt, chu kỳ bus: Đảm bảo vài milligiây, có cơ chế đồng bộ hóa dữ liệu. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  63. 50 Hình 4.13: Giao tiếp theo cơ chế đồng bộ hóa dữ liệu 4.3.6 Cấu trúc bức điện Lớp 2 Lớp 1 4.4 Mạng CAN 4.4.1 Giới thiệu chung CAN (Controller Area Network) xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel. Lúc đầu được sử dụng trong công nghiệp ôtô, công nghệ này cũng đã thâm nhập được vào một số lĩnh vực tự động hóa quá trình công nghiệp. Chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898 4.4.2 Kiến trúc giao thức Phần chính của lớp vật lý: — truyền tín hiệu, phương thức định thời, tạo nhịp bit (bit timing), phương pháp mã hóa bit và đồng bộ hóa. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  64. 51 — không qui định các đặc tính của các bộ thu phát, với mục đích cho phép lựa chọn môi trường truyền cũng như mức tín hiệu thích hợp cho từng lĩnh vực ứng dụng. Lớp liên kết dữ liệu: — Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) là phần cốt lõi trong kiến trúc giao thức CAN. Lớp MAC có trách nhiệm tạo khung thông báo, điều khiển truy nhập môi trường, xác nhận thông báo và kiểm soát lỗi. — Lớp điều khiển liên kết logic (LLC) đề cập tới các dịch vụ gửi dữ liệu và yêu cầu dữ liệu từ xa, thanh lọc thông báo, báo cáo tình trạng quá tải và hồi phục trạng thái Hình 4.14: Sơ đồ kiến trúc liên kết của cấu trúc dữ liệu 4.4.3 Cấu trúc mạng & KT truyền dẫn CAN không qui định cụ thể về chuẩn truyền dẫn cũng như môi trường truyền thong. Cáp đôi dây xoắn kết hợp với chuẩn RS-485 được sử dụng rộng rãi nhất (cấu trúc mạng thích hợp nhất là đường trục/đường nhánh, chiều dài đường nhánh <0.3m). Phương pháp truy nhập bus CSMA/CA, tốc độ truyền tối đa là 1Mbit/s ở khoảng cách 40m và 50kbit/s ở khoảng cách 1000m. Hai trạng thái logic của tín hiệu là mức trội (dominant) và mức lặn (recessive). Nhồi bit (bit 0 sau 5 bit 1) + NRZ 4.4.4 Cơ chế giao tiếp Truy nhập bus: CSMA/CA, đặc trưng của CAN là phương pháp định địa chỉ và giao tiếp hướng đối tượng. Tự do, linh hoạt theo kiểu yêu cầu - đáp ứng. Một trạm gửi dữ liệu bằng khung REMOTE FRAME. Trạm có khả năng cung cấp nội dung thông tin Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  65. 52 đó sẽ gửi trả lại một khung dữ liệu DATA FRAME có cùng mã căn cước với khung yêu cầu. 4.4.5 Cấu trúc bức điện Mỗi thông báo được coi là một đối tượng, có một căn cước riêng biệt (IDENTIFIER, 11/29 bit) Có 4 kiểu bức điện: Khung dữ liệu (DATA FRAME) mang dữ liệu từ một trạm gửi tới các trạm nhận. Khung yêu cầu dữ liệu (REMOTE FRAME) được gửi từ một trạm yêu cầu truyền khung dữ liệu. Khung lỗi (ERROR FRAME) được gửi từ bất kỳ trạm nào phát hiện lỗi bus. Khung quá tải (OVERLOAD FRAME) tạo một khoảng cách thời gian bổ sung giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu trong trường hợp một trạm bị quá tải. Giữa hai khung ít nhất 3 bit lặn (INTERSPACE), khung dữ liệu/yêu cầu dữ liệu Hình 4.15: Sơ đồ cấu trúc bức điện 4.4.6 Bảo toàn dữ liệu Theo dõi mức tín hiệu của mỗi bit truyền đi và so sánh với với tín hiệu nhận được trên bus. Kiểm soát qua mã CRC, thực hiện nhồi bit (nhồi một bit nghịch đảo sau năm bit giống nhau). Kiểm soát khung thông báo. Khả năng phát hiện lỗi: Phát hiện được tất cả các lỗi toàn cục Phát hiện được tất cả các lỗi cục bộ tại bộ phát Phát hiện được tới 5 bit lỗi phân bố ngẫu nhiên trong một bức điện Phát hiện được các lỗi đột ngột có chiều dài nhỏ hơn 15 bit trong một thông báo Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  66. 53 Phát hiện được các lỗi có số bit lỗi là chẵn Tỉ lệ lỗi còn lại (xác suất một thông báo còn bị lỗi không phát hiện) nhỏ hơn 4.7*10-11 4.5 Mạng Ethernet 4.5.1 Giới thiệu chung Kỹ thuật cũ - ClassfulIP Addressing (kế tiếp), Giá trị octet đầu tiên xác định phần địa chỉ mạng và phần địa chỉ trạm. Được sử dụng với những giao thức định tuyến theo lớp, ví dụ như RIPv1. Cấu trúc bảng định tuyến của Cisco cũng có cấu trúc theo kiểu phân lớp. Kỹ thuật mới - Classless IP Addressing (phần sau): Mặt nạ mạng con xác định phần địa chỉ mạng và địa chỉ trạm. Giá trị của octet đầu tiên không có ý nghĩa quyết định (như là trong classfulIP addressing) Định tuyến liên vùng không phân lớp-Classless Inter-Domain Routing (CIDR). Địa chỉ IP không phân lớp được sử dụng trên Internet và trong phần lớn các mạng nội bộ. CP/IP: Transmission Control Protocol / Internet Protocol TCP (Transmission Control Protocol): Chuyên việc nối các hosts lại và bảo đảm việc giao hàng (messages) v. nó vừa dùng sự xác nhận hàng đến (Acknowledgement) giống như thư bảo đảm, vừa kiểm xem kiện hàng có bị hư hại không bằng cách dùng. Địa chỉ lớp D Một địa chỉ lớp D bắt đầu với các bits 1110 trong octet đầu tiên. Giá trị octet đầu tiên nằm trong khoảng từ 224 đến 239. Địa chỉ lớp D được sử dụng để đại diện cho một nhóm các trạm được gọi là a host group, or multicast group. Địa chỉ lớp E Octet đầu tiên của địa chỉ IP bắt đầu với các bits 1111. Các địa chỉ lớp E được dành riêng cho mục đích thí nghiệm và không nên dùng đánh địa chỉ cho các trạm hay các nhóm. 1. 192.168.1.3 Class C Default Mask: 255.255.255.0 Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  67. 54 Network: 192.168.1.0 Broadcast: 192.168.1.255 Hosts: 192.168.1.1 through 192.168.1.254 2. 1.12.100.31 Class A Default Mask: 255.0.0.0 Network: 1.0.0.0 Broadcast: 1.255.255.255 Hosts: 1.0.0.1 through 1.255.255.254 3. 172.30.77.5 Class B Default Mask: 255.255.0.0 Network: 172.30.0.0 Broadcast: 172.30.255.255 Hosts: 172.30.0.1. through 172.30.255.254 Chuyển các địa chỉ và mặt nạ mạng dưới đây về dạng nhị phân 192.168.1.0 11000000.10101000.00000001.00000000 255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000 192.168.1.255 11000000.10101000.00000001.11111111 192.168.0.0 11000000.10101000.00000000.00000000 255.255.0.0 11111111.11111111.00000000.00000000 192.168.255.255 11000000.10101000.11111111.11111111 192.168.0.0 11000000.10101000.00000000.00000000 255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000 192.168.0.255 11000000.10101000.00000000.11111111 Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) lần đầu tiên do hãng Xerox phát triển, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu chuẩn hóa IEEE 802.3 Các phiên bản sau: Fast Ethernet (IEEE 802.3u), Wireless Ethernet (IEEE 802.11), Gigabit Ethernet, Các dạng mở rộng, sử dụng trong công nghiệp: High-Speed Ethernet, Ethernet/IP, Industrial Ethernet 4.5.2 Kiến trúc giao thức Hình 4.16: Kiến trúc giao thức mạng Ethernet Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  68. 55 4.5.3 Cấu trúc mạng và Kỹ thuật truyền dẫn Logic: Cấu trúc bus Vật lý: Đường thẳng hoặc hình sao Mã hóa Manchester, truyền chênh lệch đối xứng (±0,85V) Phương tiện truyền dẫn: . Cáp đồng trục: 10BASE2 (cáp mỏng), 10BASE5 (cáp dầy) . Đôi dây xoắn: 10BASE-T, 100BASE-T4, 100BASE-TX . Cáp quang: 10BASE-F, 100BASE-FX, Hình 4.17: Bộ kết nối mạng Ethernet 4.5.4 Cơ chế giao tiếp Truy nhập bus: CSMA/CD Cơ chế giao tiếp chủ yếu: Tay đôi (peer-to-peer), tự do, không cần đặt cấu hình trước (giao thức cấp trên có thể yêu cầu đặt cấu hình) Hỗ trợ gửi đồng loạt (broadcast) và gửi theo nhóm (multicast): . Bit đầu tiên của địa chỉ nhận = 1: gửi đồng lọat hoặc gửi theo nhóm . Tất cả các bit = 1: gửi đồng loạt Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  69. 56 Địa chỉ MAC: 48 bit, bit 46 phân biệt giữa địa chỉ toàn cục và địa chỉ cục bộ vì vậy bao nhiêu địa chỉ có thể dùng được? 4.5.5 Cấu trúc bức điện Đa thức phát cho mã CRC:G(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1 4.5.6 Các tiến bộ công nghệ mới Tốc độ truyền cao: 100Mbit/s, Gbit/s Switching Ethernet Bổ sung giao thức cấp trên phù hợp với ứng dụng công nghiệp Linh kiện, thiết bị mạng phù hợp với yêu cầu trong công nghiệp. 4.6 Chuẩn đầu ra của chương 4: Câu 4.1: Mỗi mạng công nghiệp cần quan tâm đặc điểm yếu tố nào? Câu 4.2: So sánh ưu nhược điểm mạng công nghiệp? Câu 4.3: Áp dụng thiết kế cơ sở nền tảng một mạng công nghiệp vào cơ quan hoặc trường học mình? Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  70. 57 CHƯƠNG 5: SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 5.1 Tổng quan Hệ thống SCADA của ngành điện Việt Nam hiện nay được chia thành ba cấp: cấp quốc gia, cấp Bắc Trung Nam và cấp tỉnh. Khi hệ thống trở thành phức tạp hơn, có thể sẽ có cấp huyện. Trung tâm điều độ quốc gia theo dõi và điều khiển các nhà máy phát điện, các đường dây/trạm 500kV và các đường dây/trạm 220kV lớn. Ba trung tâm điều độ miền theo dõi và điều khiển các đường dây/trạm 220kV và các đường dây/trạm 110kV lớn trong khu vực mình. Các trung tâm điều độ cấp tỉnh theo dõi và điều khiển hệ thống phân phối điện trong khu vực của mình. Các hệ thống SCADA dùng RTU ngày càng được thay thế bởi PLC, trong hệ SCADA cho hệ thống điều độ điện cấp quốc gia hay miền cũng đang ngày càng đi theo xu thế này. Việc xây dựng các hệ thống SCADA dùng PLC sẽ đem lại các lợi thế sau: . Kinh phí sẽ thấp hơn nhiều. . Các hệ điều khiển cũ có nhiều tủ, bảng, khoá, nút ấn Do đó chúng rất cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích. Ngoài ra còn rất khó khăn trong việc lắp đặt, kiểm định, vận hành, giám sát, bảo dưỡng. Tuy nhiên công việc này sẽ rất đơn giản nếu chúng ta sử dụng hệ SCADA dùng PLC. . Các kỹ sư Việt Nam dễ tiếp cận với công nghệ PLC hơn và do đó khả năng thiết kế, nâng cấp và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn. . Mua thiết bị dễ dàng hơn. . Dễ bảo dưỡng và thay thế các thiết bị. . Đặc biệt với hệ SCADA thì việc thu thập, lưu trữ, báo cáo, thống kê, phân tích hệ thống rất dễ dàng. . Các hệ thống SCADA sẽ trở nên đơn giản hơn và phổ biến hơn trong tương lai bởi lẽ các thiết bị trong lĩnh vực tự động hoá đang ngay càng phát triển mạnh. Trong việc quản lý và điều hành hệ thống điện, hệ thống SCADA/EMS đóng vai trò rất quan trọng, giúp cho kỹ sư điều hành HTĐ (hệ thống điện) nắm bắt và sử lý chính xác, theo sát mọi diễn biến trong hệ thống điện. Mục đích của việc SCADA cho các trạm điện trong hệ thống điện lực Việt Nam trước tiên nhằm đáp ứng nhu cầu về tự động hoá và số hoá hệ thống điện Việt Nam. Nó phản ánh một bước đi tất yếu của việc hiện đại hoá hệ thống điện, đồng thời nó cũng phản ánh trình độ về kinh tế-kỹ thuật của lưới điện Việt Nam. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  71. 58 Bảng 5.1: Bảng dưới đây tóm tắt sơ lược những cấp quản lý Cấp quản lý Nội dung quản lý chính Phát và truyền tải điện - Phương án phân phát P, Q trên toàn lãnh thổ quốc gia. lực siêu cao áp 500kV - Quản lý tần số, dự phòng ổn định tĩnh, động của hệ thống xuyên quốc gia điện quốc gia. - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán, bảo dưỡng các thiết bị cao áp. Phát và truyền tải điện - Phương án phân bố P, Q trên các khu vực cụ thể. đến các trạm trong mạng - Phân bố điện áp 220kV ở các trọng tâm tải và dự phòng cao áp 220kV khu vực bảo vệ nguồn. - Thu thập số liệu, thao tác, bảo vệ rơle, chẩn đoán hỏng hóc và bảo dưỡng thiết bị. Phân phối và truyền tải Phát bù công suất phản kháng Q, phân bổ điện áp trên địa điện trong địa bàn các bàn.Thu thập các số liệu, thao tác, bảo vệ, chẩn đoán và mạng 110kV bảo dưỡng thiết bị. Phân phối điện xuống Phát bù công suất phản kháng Q. Điều khiển điện áp trung mạng 35kV trở xuống áp và xa thải tải theo yêu cầu.Thu thập số liệu, bảo vệ và bảo dưỡng hệ thống. Cung cấp điện lực hạ áp Tiến hành các thao tác đóng cắt, bảo vệ và bảo dưỡng hệ khu dân cư và xí nghiệp nhỏ. 5.2 Các loại hình SCADA trong hệ thống điện Dựa vào các phân tích bên trên ta đề ra hai loại hình SCADA sau: - SCADA điều độ - SCADA trạm 5.2.1 SCADA điều độ cấp quốc gia Đây là một trung tâm mang tính điều độ cấp cao, mang tính huyết mạch của hệ thống điện Việt Nam. Nó làm nhiệm vụ điều tiết toàn bộ điện năng trên lưới. SCADA điều độ quốc gia giúp cho việc phân bổ điện năng thông suốt trên khắp ba miền. SCADA điều độ quốc gia đảm đương các nhiệm vụ sau: - Thu thập các số đo, các trạng thái, tình hình phụ tải từ các trung tâm điều độ miền đưa lên. - Trên cơ sở các số liệu thu được tiến hành phân tích, nhận dạng, đánh giá và đưa ra các điều khiển tối ưu cho hệ thống về phân bổ công suất cũng như ổn định dự phòng trong lưới. Thực chất trung tâm SCADA điều độ quốc gia không trực tiếp làm nhiệm vụ thu thập số liệu về hệ thống và cũng không điều khiển trực tiếp lên hệ thống mà chỉ Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  72. 59 thông qua các trạm phía dưới để thu thập dữ liệu và điều khiền hệ thống thông qua các lệnh dưới dạng các bản tin. Hình 5.1: Sơ đồ về cấp SCADA trong hệ thống điện Việt Nam cấp miền Tại các trung tâm điều độ miền, các dữ liệu về hệ thống được các trạm gửi lên, với những phân tích và đánh giá của mình các trung tâm này đưa ra các quyết định điều khiển tác động lên lưới nhằm một mục tiêu nhất định là ổn định hệ thống. SCADA điều độ miền là cấp trung gian giữa SCADA điều độ quốc gia và SCADA trạm nên nó có một số nhiệm vụ đặc trưng sau: - Thu thập số liệu từ các SCADA trạm. - Phân tích biểu đồ phụ tải thu được, tiến hành đánh giá và đưa ra các phương án điều độ và phân chia phụ tải và ổn định lưới. Các trung tâm điều độ miền đóng vai trò quan trọng và định hướng cho các SCADA trạm trong việc điều tiết công suất tải và điều khiển hệ thống. 5.2.2 SCADA trạm Đây là một trung tâm máy tính điều khiển mà tác động trực tiếp đến chất lượng trong lưới điện vì đây là một nơi mà các tác động điều khiển trực tiếp tác động vào hệ thống điện. Lưới điện có thể ổn định và bền vững hay không phụ thuộc rất nhiều các trung tâm SCADA trạm này. Vậy nhiệm vụ của SCADA trạm là phải trực tiếp: - Thao tác điều khiển lên các thiết bị của hệ thống, các máy biến áp - Thu thập và giám sát các thông số về hệ thống. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  73. 60 - Điều khiển đóng/cắt nhằm bảo vệ hệ thống trong trường hợp lưới gặp sự cố như quá tải, chạm chập - Đưa các dữ liệu về báo cáo với SCADA cấp trên phục vụ cho việc phân tích, đánh giá hệ thống khi cần khắc phục sự cố hay nâng cấp hệ thống. Mạch thu thập số liệu và điều khiển được thiết kế bằng: - Một PLC và các module AI/AO, DI/DO. - Một bộ RTU với các transmitter analog. - Một bộ các transmitter số thông minh. SCADA trạm được thiết kế còn có các bus truyền tin phục vụ cho các tác vụ truyền thông sau: - Một bus truyền số liệu, truyền lệnh hiện trường kiểu RS-485 nối các PLC, các RTU và các transmitter số thông minh với trung tâm điều khiển là các máy tính PC. - Một bus truyền tin theo kiểu RS-323 để giao tiếp truyền thông với SCADA điều độ cấp trên. Trung tâm điều khiển là các máy tính PC, tuỳ theo quy mô của trạm mà số lượng máy có thể là nhiều hay ít. Với mỗi trạm tuỳ vào mức độ đòi hỏi về độ tin cậy của việc điều khiển mà ta có thể lắp các máy dự phòng. Các trạm với quy mô nhỏ ta có thể chỉ cần dùng một máy tính PC tốc độ cao, khả năng xử lý nhanh và có dung lượng bộ nhớ lớn là có thể đảm nhận việc của một trung tâm điều khiển và giám sát. Còn đối với các trạm lớn và đòi hỏi tính an toàn cao thì ta nên dùng một máy chuyên làm nhiệm vụ điều khiển, một máy PC khác thì làm nhiệm vụ thu thập và giám sát nếu cần thiết có thể dùng thêm một máy chuyên thực hiện các tác vụ về truyền thông. 5.3 Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA như sau: 5.3.1 Thu thập dữ liệu: Dữ liệu từ các trạm biến áp và các nhà máy điện được chia làm ba loại chính: . Dữ liệu trạng thái: trạng thái các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, trạng thái vị trí các khoá điều khiển từ xa/ tại chỗ v.v Cảnh báo của các bảo vệ . . Dữ liệu tương tự: Công suất tác dụng MW, phản kháng MVAr, điện áp V dòng điện A, vị trí nấc biến áp, tần số v.v . Dữ liệu tích luỹ theo thời gian: Điện năng kWh, kVArh v.v Các dữ liệu trạng thái (Digital) từ các rơ le trung gian được đưa vào các đầu vào số của RTU. Các dữ liệu tương tự (Analog) từ cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện và điện áp được đưa vào các bộ biến đổi (Transducer). Đầu ra của bộ biến đổi được đưa Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  74. 61 vào các vỉ đầu vào tương tự của RTU. Tại RTU dữ liệu được số hoá và thông qua kênh truyền (giao thức) gửi về trung tâm điều độ. 5.3.2 Điều khiển: Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm điều độ thông qua kênh truyền gửi đến RTU (hoặc SAS), các lệnh điều khiển có thể là: . Lệnh đóng cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa (open/close). . Lệnh điều khiển tăng giảm (Raise/Lower) . Lệnh điều khiển thay đổi giá trị đặt (Set point) 5.3.3 Giám sát: Dữ liệu thu thập từ các trạm về trung tâm điều khiển sẽ được máy tính xử lý: . Hiển thị trên các sơ đồ, bảng biểu và các dạng đồ thị xu hướng. . Đối với dữ liệu trạng thái (máy cắt, dao cách ly, cảnh báo v.v ) khi phát hiện ra có sự thay đổi trạng thái hệ thống SCADA sẽ phát cảnh báo bằng âm thanh và dòng thông báo để lôi kéo sự chú ý của người vận hành. . Đối với dữ liệu giá trị đo xa, dữ liệu nhận được sẽ được kiểm tra so sánh với các ngưỡng dưới và ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành. 5.4 Các thiết bị trong SCADA EVN Hệ thống bao gồm nhiều khối cho phép tuỳ biến trong hệ thống khi bảo trì các bộ phận hợp thành. Bất cứ phần tử nào của hệ thống cũng có thể đặt cấu hình được. Hình 5.2 là sơ đồ chung của toàn bộ cấu hình hệ thống. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  75. 62 Hình 5.2: Cấu hình đặc trưng của hệ thống SCADA/EMS 5.4.1 Các RTU Các thiết bị RTU có cấu trúc mô-đun khá linh hoạt, thuận lợi cho mở rộng trạm, tăng số lượng tín hiệu nối đến RTU, mỗi mođun có khối xử lý và các khối tín hiệu vào/ra, mỗi khối xử lý có hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực cho phép có thể làm việc độc lập, nên các mođun có thể bố trí phân tán tại các tủ thiết bị trong trạm hoặc nhiều môđun có thể được liên kết với nhau để tích hợp thành 1 RTU tập trung. Ở mỗi trạm, RTU chỉ là một thiết bị giao tiếp giữa hệ thống quản lý mạng và các thiết bị đóng cắt. RTU bao gồm nhiều đầu vào/ra, gần như nó không thực hiện các chức năng tại chỗ mà chỉ thông tin đến các trung tâm điều khiển ở xa. RTU và các trung tâm điều khiển tạo nên hệ thống SCADA, để giám sát, điều khiển và quản lý hệ thống điện từ xa bởi sự can thiệp của con người. Nó cung cấp thông tin theo thời gian thực (thông tin tín hiệu tương tự và tín hiệu số) cũng như các thông tin quá khứ cho người vận hành và hỗ trợ người vận hành quyết định việc điều khiển giám sát hiệu quả. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  76. 63 Hình 5.3: Hình ảnh một RTU sử dụng trong hệ thống điện Một vài đặc điểm của RTU XCELL Scalable, Flexible, Architecture. Exceptionally High Reliability. SCADA Protocol Support (Serial & IP Protocol). IED Integration. IEC 61131 PLC programming. IEC 61850 Integration (Client & Server). DLMS Smart Meter Support. High Density Plant Interface. Redundant I/O Processors. Web server. Việc cài đặt cấu hình của RTU có thể thực hiện bằng công cụ chạy trên môi trường Windows. RTU có chức năng kết nối với các sạng tín hiệu sau đây: - Các tín hiệu trạng thái: Các tín hiệu của máy cắt, dao cách ly các lộ đường dây và máy biến áp, các tín hiệu của dao nối đất, các tín hiệu cảnh báo, các tín hiệu của rơle bảo vệ các lộ đường dây, máy biến áp, các tín hiệu tác động của hệ thống rơle bảo vệ Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  77. 64 các tổ máy phát. Tất cả đều được role trung gian chuyển về trạng thái số trước khi đến RTU. - Tín hiệu đo lường: Đối với máy biến áp: Công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVAR), điện áp (KV), cường độ dòng điện (A) ở các cấp điện áp khác nhau của máy biến áp, nấc của máy biến áp. Đối với lộ đường dây: Công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVAR), điện áp (KV), cường độ dòng điện (A). Đối với tổ máy: Công suất tác dụng (MW), công suất phản kháng (MVAR), điện áp đầu cực (KV), tổng công suất tác dụng của nhà máy (MW), tổng công suất phản kháng của nhà máy (MVAR). Đối với thanh cái: điện áp (KV). Tín hiệu đo lường tần số Giá trị luỹ kế: sản lượng trao đổi (MWH, MVARH) - Tín hiệu của điều khiển: Điều khiển tổ máy (AGC) + Phương thức điều khiển RAISE/LOWER hay SETPOINT. + Giới hạn điều chỉnh cao của tổ máy + Giới hạn điều chỉnh thấp của tổ máy + Auto control + Startup + Shutdown Điều khiển nấc máy biến áp, máy cắt, dao cách ly 5.4.2 Gateway Chức năng của Gateway trong hệ thống mạng IP [01/06/2015] Gateway là một phần tử không nhất thiết phải có trong một giao tiếp H.323. Nó đóng vai trò làm phần tử cầu nối và chỉ tham gia vào một cuộc gọi khi có sự chuyển tiếp từ mạng H.323 (ví dụ như mạng LAN hay mạng Internet) sang mạng phi H.323 (ví dụ mạng chuyển kênh hay PSTN). Một Gateway có thể kết nối vật lý với một hay nhiều mạng IP hay với một hay nhiều mạng chuyển mạch kênh. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  78. 65 Hình 5.4: Một thiết bị Gateway được sử dụng trong hệ thống mạng Một Gateway có thể bao gồm: Gateway báo hiệu, Gateway truyền tải kênh thoại, Gateway điều khiển truyền tải kênh thoại. Một hay nhiều chức năng này có thể thực hiện trong một Gatekeeper hay một Gateway khác. Gateway báo hiệu SGW: cung cấp kênh báo hiệu giữa mạng IP và mạng chuyển mạch kênh. Gateway báo hiệu là phần tử trung gian chuyển đổi giữa báo hiệu trong mạng IP (ví dụ H.323) và báo hiệu trong mạng chuyển mạch kênh (ví dụ R2, CCS7). Gateway báo hiệu có các chức năng sau: Chức năng kết nối các giao thức điều khiển cuộc gọi. Chức năng kết cuối báo hiệu từ mạng chuyển mạch kênh: phối hợp hoạt động với các chức năng báo hiệu của Gateway điều khiển truyền tải kênh thoại. Chức năng báo hiệu: chuyển đổi báo hiệu giữa mạng IP với báo hiệu mạng chuyển mạch kênh phi phối hợp hoạt động với Gateway điều khiển truyền tải kênh thoại. Chức năng giao diện mạng chuyển mạch gói: kết cuối mạng chuyển mạch gói. Chức năng bảo mật kênh báo hiệu: đảm bảo tính bảo mật của kênh báo hiệu nối với thiết bị đầu cuối. Chức năng quản lý: giao tiếp với hệ thống quản lý mạng. Chức năng ghi các bản tin sử dụng: xác định hoặc ghi lại các thông tin về sự kiện (truy nhập, cảnh báo) và tài nguyên. Chức năng báo cáo các bản tin sử dụng: báo các các bản tin đã được sử dụng ra thiết bị ngoại vi. 5.4.3 Server ứng dụng AS Applications Server (AS) là trái tim của hệ thống. Nó hỗ trợ các ứng dụng mạng và các chức năng SCADA, quản lý các trung tâm xử lý phân tán và duy trì cơ sở dữ liệu quan hệ. AS có thể hoạt động trong cấu hình "failsafe" với cơ sở dữ liệu cấu hình kép đảm bảo không bị mất dữ liệu trong trường hợp sự cố. AS trao đổi với các thành phần khác của hệ thống qua TCP/IP. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  79. 66 5.4.4 Server thu nhận dữ liệu Có nhiệm vụ như bộ tiền xử lý cung cấp giao diện vật lý, tập hợp và kiểm tra các dữ liệu nhận được từ đầu cuối rồi xử lý sơ bộ để AS sử dụng. Ngoài ra còn truyền các lệnh giám sát và nhận các phản hồi, theo dõi và điều khiển đường truyền giữa EMS và các đầu cuối. 5.4.5 Giao tiếp người máy MMC MMC là trạm làm việc dựa cùng với màn hình màu đồ hoạ. Mỗi MMC có thể có đến 3 màn hình hiển thị, mỗi MMC là một hệ thống máy tính đầy đủ với hệ điều hành, hệ thống nhớ, các cổng truyền tin, đĩa cứng và card giao tiếp mạng. Điều độ viên đưa ra các lệnh thông qua bàn phím, chuột, và dựa trên menu trên màn hình. 5.5 Các chức năng SCADA trong hệ thống điện Các phần mềm được nhóm vào 4 nhóm: Thu nhận dữ liệu, Giao tiếp người máy, Quản lý SCADA và ứng dụng SCADA. 5.5.1 Thu nhận dữ liệu Hệ thống thu nhận dữ liệu tập hợp dữ liệu gửi lệnh điều khiển và duy trì các đường kết nối tới RTU và các hệ SCADA khác. Thu nhận dữ liệu RTU - RTU Data Acquisition (RDA) Thu nhận dữ liệu từ hệ thống khác- Computer-to-Computer Remote (CCR) Giám sát điều khiển - Supervisory Control (SCS) Tính toán - Calculations (CAL) 5.5.2 Giao tiếp người máy Hệ thống giao tiếp người máy cung cấp các thao tác hệ thống cùng với thể hiện dữ liệu và điều khiển các thiết bị. Các giao tiếp thực hiện qua màn hình, bàn phím và các thiết bị in. Hệ thống này cũng cung cấp console để cấu hình và bảo trì hệ thống. Giao tiếp Console - Console Interface (CIS) Hiển thị - Display Retrieval and Update (DRU) Dữ liệu vào - Data Entry (DES) Ghi - Logging (LOG) Biểu đồ xu thế - Trending (TRN) Chuyển đổi Console - Console Switching (CCS) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  80. 67 5.5.3 Quản lý giám sát Hệ thống quản lý SCADA bao gồm một số hệ thống con hỗn hợp dùng bởi các hệ thống khác. Đó là khởi động, khởi động lại, cảnh báo, kiểm soát lỗi, và các chức năng quản lý khác. Startup/Restart Initialization (INI) Cảnh báo - Alarms (ALL) Hệ thống tính toán lỗi - System Error Accounting (SEA) Quản lý - Executive (EXC) 5.5.4 Điều khiển xa Điều khiển từ xa hiện nay được triển khai trên cơ sở công nghệ truyền số liệu. Dưới góc độ truyền số liệu bản chất điều khiển từ xa là truyền 2 loại dữ liệu: Dữ liệu về nội dung điều khiển (điều khiển cái gì) Dữ liệu về bản thân lệnh điều khiển (hành động điều khiển) Nếu coi điều khiển gồm 2 bước: bước 1 là dự lệnh và bước 2 là lệnh, ta có thể hiểu "điều khiển cái gì" là bước 1 và "hành động điều khiển" là bước 2. Bản thân cơ cấu nhận lệnh điều khiển từ xa của thiết bị đã được thiết kế theo triết lý điều khiển nói trên. Giao thức truyền tin đã cho phép các loại dữ liệu được truyền đi an toàn và chính xác giữa 2 thiết bị. Giao diện người máy của các lệnh điều khiển được thiết kế thân thiện và đảm bảo an toàn về kỹ thuật và về trách nhiệm pháp lý của người điều khiển (mật khẩu, nội dung lệnh và lệnh, ) - Điều khiển đóng/mở (on/off): Điều khiển đóng/mở áp dụng cho các thiết bị có 2 trạng thái như máy cắt và dao cách ly. - Điều khiển tăng/ giảm: Điều khiển tăng/giảm áp dụng cho các thiết bị có nhiều trạng thái như thiết bị chuyển đổi nấc biến áp, tăng giảm công suất tổ máy Để điều khiển tăng giảm giá trị nào đó của thiết bị thì bản thân thiết bị cũng đã được thiết kế để tăng giảm giá trị từng bước (step by step) mà phương pháp điều khiển số yêu cầu. Hệ thống các ứng dụng SCADA bao gồm các hàm thực hiện trình bày dữ liệu ở mức cao: Tính toán thời gian thực - RAS Real-Time Calculations (RTC) Mapboard (MBD) Load Shed Restore (LSR) Meter Error Monitor (MEM) Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  81. 68 5.5.5 Đo lường xa Các giá trị đo lường trong HTĐ bao gồm các đại lượng vật lý như điện áp, dòng điện, công suất hữu công, vô công, điện năng tiêu thụ, nấc máy biến áp, Tín hiệu trạng thái trong HTĐ cho biết trạng thái đóng hoặc mở của các thiết bị như máy cắt, dao cách ly và các cảnh báo. Đo lường xa các thông số HTĐ là tổ chức hệ thống thu thập dữ liệu HTĐ tại các thiết bị đầu cuối (RTU-Remote Terminal Unit) và gửi về trung tâm điều khiển (CC- Control Centre). Các kênh viễn thông khác nhau đảm bảo liên kết giữa các RTU và CC. Biến dòng và biến áp (CT và VT) CT và VT được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Chúng cho phép biến đổi dòng điện và điện áp nhất thứ sang dòng điện và điện áp nhị thứ, phục vụ công tác đo lường. Hệ số biến đổi của CT và VT được thiết kế và chuẩn hoá theo cấp điện áp và dòng điện. CT và VT cho phép cách ly nhất thứ và nhị thứ bằng 2 cuộn dây độc lập. 5.6 Các bộ chuyển đổi trong hệ thống SCADA của hệ thống điện 5.6.1 Bộ chuyển đổi - Transducer Transducer là các thiết bị chuyển đổi các đại lượng ở lối ra CT và VT sang dòng điện có thang chuẩn hóa: 0 -10mA, -5mA - 5mA tương ứng với đại lượng cần đo. Tồn tại các Transducer dòng, áp, công suất vô công, hữu công Các dòng điện ở lối ra các Transducer được dẫn tới lối vào đo lường của RTU với tổng trở dây dẫn từ 0-vài kΩ tuỳ theo nhà chế tạo. Việc sử dụng nguồn dòng cho phép nối lối ra Transducer với lối vào đo lường RTU với độ dài cáp khác nhau mà vẫn không ảnh hưởng tới độ chính xác. Việc sử dụng nguồn dòng cũng làm tăng khả năng chống nhiễu. 5.6.2 Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC- Analog Digital Converter) ADC cho phép số hoá các điện áp vào thành các giá trị nhị phân Việc tạo ra điện áp ở lối vào ADC từ lối ra dòng điện của Transducer được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp với 1 điện trở, Giá trị của điện trở này được tính trên thang dòng của lối ra Transducer và thanh áp vào của ADC. Xem hình vẽ. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  82. 69 Ví dụ: Dòng ra của Transducer biến thiên từ 0-10mA, ứng với điện áp vào của ADC biến thiên từ 0-5V. Ta có: Hình 5.5: Mô hình truyền dẫn đo lường xa dùng ADC 5.7 Ghép nối RTU với hệ thống điện 5.7.1 Ghép nối tín hiệu tương tự Đối với tín hiệu P, Q, U, I. sử dụng BBĐ để biến các tín hiệu dòng điện, điện áp, Cos(φ) thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ tương ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý ghép nối P, Q, U, I Đối với tín hiệu tần số, sử dụng bộ biến đổi để biến f (Hz) thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ tương ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  83. 70 Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu tần số Đối với tín hiệu chỉ thị nấc MBA, sử dụng BBĐ để biến R(Ω) thành tín hiệu dòng điện tỷ lệ tương ứng. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu chỉ thị chuyển nấc MBA Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần
  84. 71 5.7.2 Ghép nối tín hiệu số Đối với tín hiệu số, sử dụng rơle trung gian để ghép nối HTĐ với RTU. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu chỉ thị trạng thái máy cắt 5.7.3 Ghép nối tín hiệu đầu ra Analog Đối với tín hiệu ra Analog, tín hiệu ra được nối trực tiếp vào cơ cấu chấp hành của hệ thống điều khiển. Hình 5.10: Sơ đồ nguyên lý ghép nối tín hiệu Điều khiển tương tự 5.7.4 Ghép nối tín hiệu đầu ra số (DOT) Đối với tín hiệu số, sử dụng rơle trung gian để ghép nối HTĐ với RTU. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ. Mạng truyền thông công nghiệp và SCADA Biên soạn: Đỗ Văn Cần