Nghiên cứu điều khiển giám sát các thiết bị trong trạm viễn thông qua mạng truyền thông.

B

Ế VI

ẾT KHUY

ẾN LU

ẬN VĂN TH

ẠC S

Ỹ

KỸ THU

ẬT NGÀNH: K

Ỹ THU

ẬT ĐI

ỆN T

Ử THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ

TRONG TRẠM VIỄN THÔNG QUA MẠNG TRUYỀN THÔNG

BẾ VIẾT KHUYẾN

THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

“Nghiên cứu điều khiển giám sát các thiết bị trong trạm viễn thông qua mạng truyền thông”.

Ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 6052703.04.3898

Học Viên: BẾ VIẾT KHUYẾN

Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN NHƢ HIỂN

THÁI NGUYÊN – 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................... 0

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT………………………………………...……………4

DANH MỤC BẢNG……………………………..…...…………….………….4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................. 5

LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................... 7

Chƣơng 1 ............................................................................................................. 9

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ........................ 9

TRONG TRẠM VIỄN THÔNG ......................................................................... 9

1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH PLC .....................................................9

1.1.1. Định nghĩa về hệ thống điều khiển...................................................................................... 9

1.1.2. Vai trò của bộ điều khiển lập trình PLC.............................................................................10

1.1.2.1. Thiết bị đầu vào...........................................................................................................10

1.1.2.2. Thiết bị đầu ra .............................................................................................................10

1.1.3. Khái niệm về PLC..............................................................................................................10

1.1.3.1. Cấu trúc .......................................................................................................................11

1.1.3.2. Hoạt động của PLC .....................................................................................................11

1.1.4. Sơ lƣợc về lịch sử phát triển...............................................................................................13

1.1.5. Đặc điểm bộ điều khiển lập trình .......................................................................................14

1.1.6. Ƣu điểm của PLC...............................................................................................................15

1.1.6.1. Hệ thống điều khiển cổ điển và những khó khăn của nó.............................................15

1.1.6.2. Bảng điều khiển khả lập trình và những thuận lợi của nó...........................................16

1.1.7. Ứng dụng của PLC.............................................................................................................18

1.2. SƠ LƢỢC VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG VỚI PLC .............................................................21

1.2.1. Định nghĩa về mạng truyền thông công nghiệp .................................................................21

1.2.2. Vai trò ứng dụng của mạng truyền thông...........................................................................22

1.2.3. Mạng ASI...........................................................................................................................23

1.2.3.1. Giao tiếp AS................................................................................................................23

1.2.3.2. Các AS – I master........................................................................................................24

1.2.4. Mạng PROFIBUS ..............................................................................................................26

1.2.4.1. Định nghĩa PROFIBUS...............................................................................................26

1.2.4.2. Các thuận lợi fieldbus..................................................................................................27

1.2.4.3. Truyền thông công nghệp............................................................................................27

1.2.4.4. Đặc tính của PROFIBUS.............................................................................................27

1.2.4.5. Truyền thông với PROFIBUS.....................................................................................28

1.2.5. Mạng ETHERNET công nghiệp ........................................................................................29

1.2.5.1. Khái niệm....................................................................................................................29

1.2.5.2. Truyền thông mạng .....................................................................................................30

1.2.6. Các mạng máy tính thông dụng..........................................................................................30

1.2.6.1. Mạng cục bộ - LAN (Local Area Network)................................................................30

1.2.6.2. Mạng Internet..............................................................................................................36

Chƣơng 2 ........................................................................................................... 38

CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

TRẠM VIỄN THÔNG QUA MẠNG TRUYỀN THÔNG............................... 38

2.1. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ............................................................................38

2.2. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG .............................................................................................39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

2.2.1. Trung tâm giám sát.............................................................................................................39

2.2.2. Các trạm viễn thông (Trạm vệ tinh)...................................................................................40

2.3. CHỨC NĂNG VÀ MỤC TIÊU CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT.............................................41

2.3.1. Thu thập dữ liệu .................................................................................................................41

2.3.2. Cảnh báo.............................................................................................................................42

2.3.2.1. Sự cố cảnh báo ............................................................................................................42

2.3.2.2. Phƣơng tiện cảnh báo ..................................................................................................42

2.3.3. Điều khiển ..........................................................................................................................43

2.3.3.1. Chế độ tự động ............................................................................................................43

2.3.3.2. Chế độ manual.............................................................................................................43

2.3.4. Cấu hình các tham số hệ thống...........................................................................................43

2.3.4.1. Truyền qua đƣờng E1..................................................................................................43

2.3.4.2. Truyền thông không dây (GPRS, SMS)......................................................................43

2.3.4.3. Truyền qua mạng LAN ...............................................................................................44

2.3.4.4. Truyền qua đƣờng Internet (ADSL)............................................................................44

2.3.5. Khả năng quản trị hệ thống ................................................................................................44

2.3.5.1. Quản trị tập trung tại trung tâm...................................................................................44

2.3.5.2. Lƣu trữ và quản lý thông tin........................................................................................44

2.3.6. Khả năng lƣu trữ ................................................................................................................45

2.3.6.1. Lƣu trữ tại trung tâm ...................................................................................................45

2.3.6.2. Lƣu trữ tại trạm khi mất đƣờng truyền........................................................................45

2.3.7. Khả năng bảo mật...............................................................................................................45

2.3.8. Quản trị hệ thống và phân quyền ngƣời sử dụng ...............................................................45

Chƣơng 3 ........................................................................................................... 46

GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT THỰC HIỆN XÂY DỰNG HỆ THỐNG .................. 46

3.1. TỔNG QUAN THIẾT KẾ ........................................................................................................46

3.2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CHI TIẾT.......................................................................................48

3.2.1. Thiết bị giám sát và điều khiển MCE.................................................................................48

3.2.2. Các cảm biến và thiết bị kết nối với PLC...........................................................................54

3.2.2.1. Tủ ATS (Atomatic Transfer Syster)............................................................................54

3.2.2.2. Thiết bị điều khiển điều hoà........................................................................................57

3.2.2.3. Đầu đo nhiệt độ phòng máy ........................................................................................58

3.2.2.4. Cảm biến khói, cháy....................................................................................................58

3.2.3. Đặc tính kỹ thuật của một số thiết bị chính........................................................................59

3.2.3.1. Tủ điều khiển logic LC................................................................................................59

3.2.3.2. Đầu đo nhiệt độ chính xác...........................................................................................59

3.2.3.3. Đầu báo khói ...............................................................................................................59

3.2.3.4. Đầu báo cháy (nhiệt gia tăng) .....................................................................................60

3.2.3.5. Đồng hồ đo dòng AC ..................................................................................................60

3.2.3.6. Tủ ATS.......................................................................................................................60

3.3. CẤU HÌNH KỸ THUẬT..........................................................................................................61

3.4. CÁC TÍNH NĂNG CƠ BẢN ..................................................................................................62

3.4.1. Giám sát mất đƣờng truyền ................................................................................................62

3.4.2. Giám sát cảnh báo, trạng thái.............................................................................................62

3.4.3. Đo đạc các thông số từ xa ..................................................................................................62

3.4.4. Điều khiển tự động.............................................................................................................62

3.4.5. Điều khiển từ xa .................................................................................................................62

3.4.6. Chức năng tra cứu lý lịch sự kiện.......................................................................................63

3.5. THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN LOGIC .....................................................................................63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

3.5.1. Chọn sử dụng PLC.............................................................................................................63

3.5.1.1. Module CPU...............................................................................................................64

3.5.1.2. Các loại module mở rộng ............................................................................................64

3.5.2. Kết nối PLC và mạng Internet............................................................................................65

3.5.3. Lập trình cho PLC..............................................................................................................66

3.5.3.1. Lập trình báo khói .......................................................................................................66

3.5.3.2. Lập trình báo cháy (nhiệt gia tăng) .............................................................................69

3.5.3.3. Lập trình điều khiển điều hòa nhiệt độ........................................................................73

3.5.3.4. Lập trình điều khiển tủ ATS........................................................................................79

3.6. PHƢƠNG ÁN XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍCH HỢP GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

(SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition)..................................................................89

3.6.1. Cơ sở thiết kế hệ thống.......................................................................................................89

3.6.2. Giải pháp xây dựng phần mềm hệ thống............................................................................90

3.6.3. Một số giao diện của phần mềm giám sát ..........................................................................92

Chƣơng 4 ........................................................................................................... 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................... 95

4.1. KẾT LUẬN...............................................................................................................................95

4.1.1. Lợi ích đem lại từ hệ thống ................................................................................................95

4.1.1. Kết quả đạt đƣợc sau quá trình nghiên cứu và thiết kế ......................................................95

4.2. KIẾN NGHỊ..............................................................................................................................95

4.2.1. Các kiến nghị......................................................................................................................95

4.2.2. Hƣớng phát triển ................................................................................................................96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 97

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

- BTS ( Base Transceiver Station): Trạm Thu phát gốc

- GSM (Global System for Mobile Communications): Hệ thống thông tin di

động toàn cầu

- ATS (Automatic Transfer Switch): Hệ Thống Tự động chuyển mạch

- IMS (Intergrated Monitoring System) : Hệ thống giám sát tích hợp.

- VSE (Video Surveilance Entity) : Thiết bị giám sát hình ảnh.

- MCE (Monitoring & Control Entity) : Thiết bị giám sát và điều khiển.

- ACE (Access Control Entity) : Thiết bị quản lý vào ra (dùng thẻ, vân

tay, ...).

- OEs (Other Equipments) : Các thiết bị khác cần giám sát từ xa qua hệ thống

IMS.

- EA (Ethernet Adapter) : Bộ thích ứng mạng Ethernet để kết nối thiết bị vào

hệ thống IMS (nếu thiết bị chƣa có giao diện Ethernet).

- VS-P (Video Surveilance Protocol) : Giao thức giám sát hình ảnh.

- MC-P (Monitoring & Control Protocol): Giao thức giám sát và điều khiển.

- AC-P (Access Control Protocol) : Giao thức quản lý vào ra.

- OEs-P (Other Equipments Protocols) : Các giao thức quản lý thiết bị

khác(SNMP, Telnet, Serial Console, ...)

- IMS-P (IMS-Protocol) : Giao thức IMS giữa máy trạm quản lý

và máy chủ.

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển…………18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Hệ thống điều khiển bằng PLC………………...…………………….9

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển lập trình………...…….…..……..11

Hình 1.3. Mô tả hoạt động PLC………………..…………….………………..12

Hình 1.4. Chu kỳ vòng quét của PLC……………..………….……………….12

Hình 1.5. Bảng điều khiển bằng PLC………………………...……………….16

Hình 1.6. Hình ảnh ứng dụng của PLC……………………………………......20

Hình 1.7. Phân cấp mạng…………………………………...…………………23

Hình 1.8. Sơ đồ kết nối các thành phần AS – i………………...………….......24

Hình 1.9. ASI Master CP 342-2………………………………...…………......25

Hình 1.10. Truyền thông S7 qua mạng Ethernet………………...……………29

Hình 1.11. Cấu hình mạng LAN………………………………...…………….31

Hình 1.12. Các tầng của TCP/IP so với 7 tầng tƣơng ứng của OSI…………...33

Hình 1.13. Hai mạng Net 1 và Net 2 kết nối thông qua routerR.………...…...36

Hình 1.14. Ba mạng kết nối với nhau thông qua 2 bộ định tuyến……...……..36

Hình 1.15. Kiến trúc tổng thể của Internet…………………………………….37

Hình 2.1. Mô hình tổng thể của hệ thống điều khiển giám sát trạm viễn thông39

Hình 2.2. Mô hình hệ thống điều khiển giám sát qua mạng IP…………...…..41

Hình 3.1. Mô hình thiết kế tổng quan…………………………………...…….46

Hình 3.2. Sơ đồ mô tả thiết bị PLC……………………………………………49

Hình 3.3. Nguyên tắc đấu nối các cổng DI…………………………...……….50

Hình 3.4. Nguyên tắc đấu nối tiếp, song song các cổng DI…………...………50

Hình 3.5. Đặc tuyến chuyển đổi tuyến tính các cổng AI…………...…………51

Hình 3.6. Gửi điện áp điều khiển Vdk đến thiết bị………………………...….51

Hình 3.7. Mô tả giao thức MC-P…………………………………...…………52

Hình 3.8. Vị trí của ATS....................................................................................55

Hình 3.9. Sơ đồ mô tả khả năng dự phòng và chuyển đổi giữa 2 chế độ Auto và

Remote……………………………………………………...…………………55

Hình 3.10. Mặt máy tủ ATS…………………………………...……………...56

Hình 3.11. Đầu đo nhiệt độ Dixell………………………...…………………..58

Hình 3.12. Đầu báo khói, Đầu báo nhiệt gia tăng…………………...………...59

Hình 3.13. Các giao tiếp điện điều khiển ATS……………...………………...60

Hình 3.14. Cấu hình kỹ thuật hệ thống………………………...……………...61

Hình 3.15. PLC S7 - 300………………………………………………………63

Hình 3.16. Module giao tiếp eWON………………………………...………...65

Hình 3.17. Kết nối PLC S7-300 với mạng Internet qua module eWON...…....65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

Hình 3.18. Phân cấp hệ SCADA………………………………………………89

Hình 3.19. Mô hình IMS Client - Server………………………...……………90

Hình 3.20. Giao diện giám sát tổng thể…………………………...…………..92

Hình 3.21. Quản lý ngƣỡng các loại cảnh báo ………………………………..92

Hình 3.22. Giám sát cảnh báo qua màu sắc trên sơ đồ mặt bằng………...…...93

Hình 3.23. Giao diện giám sát và điều khiển cho từng thiết bị………………..93

Hình 3.24. Giao diện giám sát và điều khiển trên sơ đồ mặt máy của PLC... ..94

Hình 3.25. Các lƣu đồ điều khiển tự động cho 1 trạm……………...…………94

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay đa số ở các đơn vị cung cấp và khai thác dịch vụ viễn thông vẫn

tồn tại phƣơng pháp quản lý, khai thác dịch vụ truyền thống thủ công và không

đồng bộ. Chƣa thực sự tự động hoá đƣợc các khâu quản lý, giám sát điều hành

và đánh giá chất lƣợng mạng và dịch vụ cho toàn hệ thống gây ra sự tốn kém

rất nhiều về nhân lực và vật lực; chậm trễ trong thông tin báo cáo giải quyết sự

cố và hỗ trợ khách hàng, thông tin báo cáo hỗ trợ các cấp lãnh đạo ra quyết

định chỉ đạo điều hành. Chính vì vậy cần phải có một hệ thống điều khiển giám

sát các thiết bị trong trạm viễn thông nhằm khắc phục đƣợc những tồn tại nói

trên.

Trong thời gian vừa qua, ngành công nghệ thông tin truyền thông nói

chung và ngành viễn thông nói riêng đã có những bƣớc phát triển vô cùng

mạnh mẽ. Đã có rất nhiều trạm viễn thông, BTS đƣợc xây dựng với các trang

thiết bị hiện đại đắt tiền nhằm phục vụ cho nhu cầu không ngừng tăng cao của

các khách hàng. Sự tốn kém, phức tạp trong việc giải quyết hậu quả cũng nhƣ

những chi phí, mất mát không lƣờng trƣớc đƣợc có thể xảy ra mỗi khi các thiết

bị nhà trạm viễn thông xảy ra sự cố dẫn đến nhu cầu phải có sự giám sát nhà

trạm viễn thông một cách liên tục, tin cậy và hiệu quả.

Tuy nhiên, hiện nay tại hầu hết các trạm viễn thông, đều mới chỉ có một số

rất ít các cảnh báo giản đơn cho một số ít thiết bị. Hơn nữa việc sử dụng các hệ

thống điều hoà, thông gió,… liên tục mà không quan tâm tới nhiệt độ nhà trạm

đã gây ra một sự thất thoát lớn về điện năng. Do đó một hệ thống giám sát mới

đƣợc trang bị đầy đủ các thiết bị với khả năng cảnh báo, giám sát toàn bộ trạm

viễn thông theo thời gian thực và có phƣơng án sử dụng điện năng một cách

hiệu quả cần phải đƣợc xây dựng.

Số lƣợng không ngừng tăng lên của các trạm viễn thông đòi hỏi sự giám

sát đó phải đƣợc thực hiện theo hƣớng tập trung, tiện lợi và an toàn. Trong

tƣơng lai, tất cả các trạm viễn thông hoạt động hoàn toàn tự động, các nhân

viên kỹ thuật có thể xử lý, giám sát các hoạt động của trạm từ xa. Chỉ trong

những trƣờng hợp có sự cố nghiêm trọng thì các nhân viên kỹ thuật mới phải

đến tận nơi để xử lý.

Để nâng cao chất lƣợng dịch vụ và tối ƣu hoá chi phí quản lý, tăng cƣờng

việc kiểm soát an ninh đối với các nhà trạm thiết bị, còn phải có một giải pháp

giám sát quản lý nhà trạm tập trung từ xa, tự động hoá toàn bộ hoạt động của

các thiết bị phụ trợ để tăng tuổi thọ các thiết bị chính, giảm bớt nhân tố con

ngƣời trông coi, qua đó giảm đƣợc rất nhiều chi phí quản lý, và tận dụng đƣợc