Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các SCADA phục cho ngành năng lượng thay thế cho nhập ngoại. Phần 3: Xây dựng một hệ SCADA cho một mạng điện nhỏ hạ áp

Héi liªn hiÖp KHKT ViÖt nam

Liªn hiÖp héi kHKT c«ng tr×nh

B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi träng ®iÓm cÊp nhµ n−íc

Kc 03 Tù ®éng hãa

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o c¸c scada

phôc vô cho ngµnh n¨ng l−îng

thay thÕ cho nhËp ngo¹i

M∙ sè kc 03.11

Chñ nhiÖm: PGS NguyÔn träng quÕ

PhÇn 3

x©y dùng hÖ scada

cho mét m¹ng ®iÖn nhá h¹ ¸p

6684-3

28/11/2007

Hµ néi – 2003

ThiÕt kÕ hÖ thèng scada

vµ amr cña l−íi ®iÖn h¹ ¸p

ph−¬ng ¸n 1

MỤC LỤC

Chương 1. Phân tích bài toán ............................................................................5

1.1. Mở đầu........................................................................................................5

1.1.1. Bài toán chung của toàn hệ thống........................................................5

1.1.2. Tóm tắt bài toán ...................................................................................5

1.1.3. Các giải pháp của các nhà phát triển và cung cấp giải pháp trên thế

giới ...............................................................................................................10

1.2. Hướng triển khai thực hiện.......................................................................21

Chương 2. Vấn đề thu thập số liệu..................................................................24

2.1. Mở đầu......................................................................................................24

2.2. Phân loại ...................................................................................................24

Chương 3. Các phương pháp thu thập dữ liệu ..............................................26

3.1. Phân cấp cơ sở dữ liệu và thu thập số liệu ...............................................26

3.1.1. Phân cấp cơ sở dữ liệu .......................................................................28

3.1.2. Mô hình triển khai các cách thu thập số liệu từ các phương pháp thu

thập dữ liệu cơ bản.......................................................................................29

3.2. Phương pháp thu thập số liệu theo chu kỳ ...............................................31

3.3. Phương pháp thu thập số liệu theo yêu cầu của người vận hành và quản lí

.........................................................................................................................34

Chương 4. Các vấn đề cần xử lí trong chương trình thu thập số liệu .........37

4.1. Bài toán xử lí số liệu tập trung .................................................................37

Chương 5. Các yêu cầu của bài toán giao diện người máy...........................40

5.1. Mở đầu......................................................................................................40

5.1.1. Những yêu cầu đối với hệ của người thiết kế ....................................41

5.1.2. Những yêu cầu đối với hệ của người sử dụng ...................................41

5.2. Xác định các yêu cầu cụ thể của bài toán.................................................42

5.2.1. Hiển thị số liệu và thông số đo lường................................................43

5.2.2. Hiển thị các số liệu, tín hiệu phục vụ việc điều khiển .......................45

5.2.3. Nhận lệnh điều khiển từ người vận hành...........................................45

5.2.4. Hiển thị các thông số phục vụ người quản lí khai thác dữ liệu .........46

Chương 6. Triển khai chương trình................................................................48

6.1. Xác định phương pháp thiết kế và triển khai ...........................................48

6.1.1. Mô hình cơ bản được sử dụng ...........................................................50

6.1.2. Hiển thị số liệu thông số đo lường dưới hai dạng là dạng bảng và

dạng đồ hoạ. .................................................................................................53

6.1.3. Nhận lệnh điều khiển .........................................................................54

6.1.4. Giao tiếp với người vận hành và quản lí............................................55

6.2. Một số ví dụ minh hoạ..............................................................................55

Chương 7. Vị trí của chương trình..................................................................57

Chương 8. Cấu trúc và phương pháp thiết kế ...............................................58

Chương 9. Triển khai .......................................................................................59

Chương 10. Yêu cầu của bài toán....................................................................61

10.1. Mở đầu....................................................................................................61

10.2. Đặc điểm của hệ thống ...........................................................................64

10.2.1. Cách chương trình xử lí bài toán .....................................................67

10.3. Thông tin cấu hình của các RTU............................................................70

10.4. Thông tin cấu hình của Concentrator .....................................................70

10.5. Thông tin thành lập hóa đơn...................................................................72

10.6. Nhiệm vụ của gói chương trinh cài đặt mạng ........................................74

10.7. Nhiệm vụ của Concentrator....................................................................74

10.7.1. Thiết lập và thay đổi các thông số tĩnh ............................................74

10.7.2. Đáp ứng các yêu cầu xây dựng mạng ..............................................75

10.7.3. Thực hiện các công việc khởi tạo ban đầu của toàn bộ trạm...........75

10.7.4. Quản lí mạng....................................................................................75

10.7.5. Tạo các hóa đơn ...............................................................................79

10.7.6. Lưu trữ thông tin mất điện...............................................................79

10.7.7. Truyền các số liệu thu thập về máy tính trung tâm .........................79

10.8. Nhiệm vụ của chương trình quản lí trên máy tính trung tâm.................80

10.8.1. Quản lí mạng....................................................................................80

10.8.2. Thu thập số liệu của các RTU từ Concentrator ...............................80

10.8.3. Quản lí cơ sở dữ liệu........................................................................80

10.8.4. Giao diện người máy........................................................................82

10.8.5. Truyền thông với hệ thống...............................................................84

10.9. Nhiệm vụ của các thiết bị cầm tay Handheld.........................................84

10.9.1. Thực hiện việc cài đặt các thông số cho Concentrator ....................84

10.9.2. Thực hiện việc tải các số liệu trên Concentrator vào thiết bị cầm tay

......................................................................................................................84

10.9.3. Thực hiện cài đặt thông số cho từng RTU.......................................85

10.9.4. Đọc các thông số hiện tại trên một RTU xác định...........................85

10.9.5. Thực hiện truyền thông giữa Handheld và máy tính .......................85

10.10. Khung truyền nhận chung ....................................................................86

10.10.1. Khung truyền (TX) ........................................................................86

10.10.2. Khung nhận (RX)...........................................................................87

10.11. Chi tiết các lệnh....................................................................................88

10.11.1. Các lệnh thuộc nhóm lệnh hỏi đáp ................................................88

10.11.2. Các lệnh thuộc nhóm lệnh truyền nhận file...................................97

10.11.3. Nhóm lệnh xây dựng mạng......................................................... 101

phÇn I. Më ®Çu – Tæng quan hÖ thèng

Chương 1. Phân tích bài toán

1.1. Mở đầu

Môc ®Ých cña ch−¬ng tr×nh nµy lµ giíi thiÖu chung vÊn ®Ò vµ h−íng nghiªn cøu

triÓn khai thùc hiÖn bµi to¸n cña chóng t«i. Néi dung cña ch−¬ng nµy gåm c¸c

phÇn sau:

- Bµi to¸n chung tæng qu¸t cña toµn bé hÖ thèng.

- Giíi thiÖu bµi to¸n cña ta vµ tãm t¾t ph¹m vi cña bµi tr×nh bµy nµy.

- Giíi thiÖu c¸c gi¶i ph¸p vµ xu h−íng ph¸t triÓn cña c¸c gi¶i ph¸p cho vÊn

®Ò nµy cña c¸c nhµ ph¸t triÓn vµ cung c¸p gi¶i ph¸p lín trªn thÕ giíi.

- §Ò xuÊt h−íng triÓn khai thùc hiÖn

1.1.1. Bài toán chung của toàn hệ thống

Mét hÖ thèng qu¶n lý ®iÖn n¨ng toµn diÖn bao gåm 3 cÊp: cÊp toµn quèc, cÊp

trung thÕ vµ cÊp cÊp h¹ ¸p. Trong ph¹m vi bµi nµy chóng t«i chØ ®Ò cËp ®Õn c¸c

vÊn ®Ò liªn quan ®Õn l−íi ®iÖn ph©n phèi h¹ ¸p mµ kh«ng quan t©m ®Õn c¸c vÊn

®Ò cña ®iÖn l−íi ®iÖn trung ¸p vµ cao ¸p.

1.1.2. Tóm tắt bài toán

C¸c vÊn ®Ò ®−îc ®Æt ra cÇn ph¶i gi¶i quyÕt trong bµi to¸n nµy lµ:

- HiÖn ®¹i h¸o qui tr×nh qu¶n lý vËn hµnh.

- HiÖn ®¹i ho¸ qu¸ tr×nh ®äc sè ®iÖn, tÝnh gi¸ ®iÖn.

H×nh 1 miªu t¶ bµi to¸n ë d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt. §Ó dÔ dµng h×nh dung vµ phï hîp

víi xu h−íng ph¸t triÓn cña thÕ giíi (xem phÇn 1.1.3) ta sÏ t¹m thêi miªu t¶ hÖ

thèng theo 4 m«®un c¬ b¶n vµ trªn c¬ së ®ã ta sÏ gi¶i quyÕt bµi to¸n theo tõng

m«®un nµy. C¸c khÝa c¹nh c¬ b¶n cña bµi to¸n lµ:

a) LËp ch−¬ng tr×nhthu thËp sè liÖu: bao gåm viÖc xö lý sè liÖu vµ xö lý cho

nhiÒu thiÕt bÞ ®Çu cuèi RTU. Ta cã thÓ xÐt sù lµm viÖc cña m«®un nµy

nh− hai qu¸ tr×nh: qu¸ tr×nh thu thËp th«ng tin vµ qu¸ tr×nh truyÒn lÖnh tõ

ng−êi qu¶n lý, vËn hµnh ®Õn c¸c thiÕt bÞ Concentrator hoÆc RTU ®Ó thùc

hiÖn xö lý. Hai qu¸ tr×nh nµy cã thÓ ®−îc tãm t¾t nh− sau, chi tiÕt viÖc

triÓn khai thùc hiÖn sÏ ®−îc tr×nh bµy trong phÇn II.

• Qu¸ tr×nh thu thËp th«ng tin tõ c¸c thiÕt bÞ. Th«ng tin t¹i c¸c thiÕt bÞ ®Çu

cuèi sÏ ®−îc truyÒn vÒ tËp kÕt ë thiÕt bÞ qu¶n lý ®iÒu khiÓn mµ cô thÓ lµ

Concentrator. Khi ®· cã ®ñ sè liÖu hoÆc m¸y tÝnh trung t©m yªu cÇu cung

cÊp sè liÖu Concentrator sÏ truyÒn c¸c d÷ liÖu cÇn thiÕt vÒ m¸y tÝnh trung

t©m. M¸y tÝnh trung t©m nhËn ®−îc sè liÖu sÏ l−u vµo c¬ së d÷ liÖu ®Ó

phôc vô cho c¸c bµi to¸n qu¶n lý, vËn hµnh vµ giao diÖn ng−êi m¸y hay

lËp vµ in c¸c b¸o biÓu.

• Qu¸ tr×nh truyÒn lÖnh tõ qu¶n lý, vËn hµnh tõ m¸y tÝnh trung t©m. Ng−êi

vËn hµnh vµ qu¶n lý khi lµm viÖc cã thÓ yªu cÇu hÖ thèng cung cÊp c¸c

th«ng tin vÒ c¸c th«ng sè lµm viÖc, t×nh tr¹ng lµm viÖc cña c¸c

Concentrator hay c¸c tr¹m ®Çu cuèi (RTU). Bªn c¹nh viÖc yªu cÇu cung

cÊp th«ng tin ng−êi vËn hµnh còng cã thÓ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña

Concentrator hoÆc RTU b»ng c¸ch ®iÒu khiÓn trùc tiÕp. Qu¸ tr×nh nµy

®−îc tiÕn hµnh nh− sau: M¸y tÝnh trung t©m nhËn yªu cÇu tõ ng−êi vËn

hµnh, sö lý yªu cÇu, göi yªu cÇu tíi Concentrator, Concentrator thùc hiÖn

kiÓm lçi vµ sö lý lÖnh. NÕu lÖnh yªu cÇu thùc hiÖn c¸c thao t¸c trªn c¸c

RTU th× Concentrator sÏ truyÒn lÖnh ®Õn c¸c RTU vµ sau ®ã chê kÕt qu¶

tr¶ lêi.

b) LËp ch−¬ng tr×nh hiÓn thÞ giao diÖn ng−êi - m¸y: M«®un nµy n»m gi÷a hÖ

thèng mµ cô thÓ lµ hÖ c¬ së d÷ liÖu vµ ng−êi sö dông. Môc ®Ých cña m«®un

nµy lµ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi nhÊt cho ng−êi vËn hµnh trong qu¸ tr×nh lµm

viÖc. C¸c c«ng viÖc chÝnh cña m«®un nµy lµ:

• HiÓn thÞ sè liÖu, th«ng sè ®o l−êng víi nhiÒu chÕ ®é giao diÖn cô thÓ lµ

d¹ng b¶ng biÓu, ®å thÞ tæng kÕt, thèng kª. ViÖc hiÓn thÞ nµy cã thÓ diÔn ra

ë nhiÒu h×nh thøc kh¸c nhau, ë nhiÒu cÊp kh¸c nhau.

• HiÓn thÞ víi chÕ ®é më cho phÐp cËp nhËt thªm th«ng sè hiÓn thÞ. Kh¸i

niÖm më sÏ ®−îc chóng t«i ®Ò cËp chi tiÕt trong phÇn 1.1.3.2. HiÓu mét

c¸ch ®¬n gi¶n, tÝnh më cña giao diÖn cho phÐp ng−êi thiÕt kÕ vµ sö dông

thay ®æi c¸ch thøc biÓu diÔn cña c¸c ®èi t−îng cÇn gi¸m s¸t, theo dâi mét

c¸ch dÔ dµng cho dï chóng kh«ng cã trong thiÕt kÕ ban ®Çu.

• NhËn lÖnh ®iÒu khiÓn tõ ng−êi vËn hµnh, sñ lý: HÖ giao diÖn ng−êi- m¸y

hiÖn nay lµ mét hÖ giao tiÕp víi ®Çy ®ñ ý nghÜa cña tõ nµy, nã cho phÐp

ng−êi vËn hµnh kh«ng chØ xem vµ gi¸m s¸t c¸c th«ng sè vµ t×nh tr¹ng lµm

viÖc cña hÖ thèng mµ h¬n thÕ nã cßn lµ ph−¬ng tiÖn ®Ó ng−êi vËn hµnh

gi¸m s¸t t¸c ®éng ng−îc l¹i vµo hÖ thèng, ®iÒu khiÓn hÖ thèng.

c) LËp ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn tõ xa: M«®un nµy nh»m hai môc ®Ých, tiÕn

tíi gi¶m nh©n c«ng trong c«ng viÖc vËn hµnh, hç trî cho xu thÕ tÝch hîp toµn

bé hÖ thèng, qu¶n lý tËp trung. NhiÖm vô chÝnh cña m«®un lµ:

• §iÒu khiÒn chÝnh x¸c thiÕt bÞ Concentrator vµ RTU tõ xa vµ t¹i chç.

• Xö lý, tÝnh to¸n sè liÖu ®iÒu khiÓn, tËp trung.

d) LËp ch−¬ng tr×nh gi¸m s¸t ho¹t ®éng hÖ thèng th«ng sè ®o ®iÒu khiÓn:

§©y lµ m«®un ch−¬ng tr×nh g¾n kÕt chÆt chÏ víi hÖ thèng giao diÖn ng−êi￾m¸y th«ng qua hÖ c¬ së d÷ liÖu chung thèng nhÊt. M«®un ch−¬ng tr×nh nµy

cã c¸c nhiÖm vô chÝnh sau:

• Gi¸m s¸t online c¸c th«ng sè ®iÖn, ho¹t ®éng hÖ thèng. ViÖc cËp nhËt c¸c

th«ng sè cña hÖ thèng ph¶i ®¶m b¶o tÝnh kÞp thêi chÝnh x¸c vµ tin cËy.

• C¶nh b¸o, b¸o ®éng, l−u l¹i lÞch sö c¸c sù cè vµ t×nh tr¹ng sù cè. ViÖc

c¶nh b¸o, b¸o ®éng lµ ®ßi hái kh«ng thÓ thiÕu cña bÊt cø mét hÖ thèng

c«ng nghiÖp quan träng nµo. LÞch sö c¸c sù cè sÏ gióp cho ng−êi vËn

hµnh, c¶i tiÕn vµ kh¾c phôc sù cè ®−îc dÔ dµng h¬n.

H×nh 1: Minh ho¹ bµi to¸n

S¬ §å Khèi HÖ Thèng SCADA §IÖN Dùa Trªn C«ng NghÖ PLC

-C«ng t¬ ®iÖn tö 1 pha: 01

-C«ng t¬ ®iÖn tö 3 pha: 02

-Tranducer ®o ®iÖn ¸p : 01

-Tranducer ®o dßng ®iÖn: 01

-Tranducer ®o tÇn sè : 01

-Tranducer ®o Cos phi : 01

-Tranducer ®o c«ng suÊt: 01

-C«ng t¬ c¬ 1 pha : 02

Lµ mét trong c¸c thiÕt bÞ

Ghi chó:

T

A-RTU No.x : RTU cu¶ m¹ng PLC.

A-RTU No.1 A-RTU No.2 A-RTU No.3

3f 3f 1f

Modem processing - V IEW TR EN D P R IN T N O T E S Z O O M O P T IO NS C A NC E L HE L P F IT 10 01 F IT 10 02 FIT 2 001 FI T2 00 2 F IT3 00 1 F IT 300 2 F IT 30 03 F IT 30 04 NE W 1007 5 5 0 2 5 850 950 1050 1150 1250 1350 1450

PEN PLO T

(V IE W T R E N .W PG )

A-RTU No.4 A-RTU No.5 A-RTU No.6

V A f

A-RTU No.7 A-RTU No.8 A-RTU No.9

C P 1fC

Modem processing

A-RTU No.10

1fC

MÁY TÍNH PHÒNG ĐIỀU KHIỂN

TRUNG TÂM

MODEM

MODEM

THIẾT BỊ QUẢN LÝ, ĐIỀU KHIỂN

MẠNG CONCENTRATOR

LƯỚI ĐIỆN HẠ ÁP 1 PHA 220VAC/3 PHA 380V MẠNG ĐIỀU KHIỂN PLC

PHÒNG

Đ

I

ỀU

KHI

ỂN TRUNG TÂM

VÙNG LÝ

ỚI

Đ

I

ỆN H

Ạ ÁP -

M

ẠNG

Đ

I

ỀU KHI

ỂN PLC

1.1.3. Các giải pháp của các nhà phát triển và cung cấp giải pháp trên thế giới

Trong phần 1.1.2 chúng ta đã xét tóm tắt các vấn đề mà bài toán của ta đặt ra,

trong phần này chúng tôi sẽ nêu tóm tắt một số giải pháp cùng xu hướng phát triển

của các giải pháp hiện nay mà các nhà phát triển và cung cấp giải pháp để xúât để

giải quyết cho bài toán tương tự. Các giải pháp được tham khảo chính trong phần

này được lấy từ tài liệu của Siemens và Yokogawa. Chúng ta sẽ lần lượt điểm qua

các vấn đề sau:

- Vấn đề hợp nhất các môđun chương trình.

- Vấn đề hệ thống mở.

- Vấn đề giao diện người máy.

Qua việc tìm hiểu các vấn đề này chúng tôi muốn giải thích lí do cùng phương

pháp luận trong việc giải quyết bài toán của chúng ta theo các môđun chương trình

mà chúng tôi đã đề cập ở phần 1.1.2.

1.1.3.1. Hướng hợp nhất các môđun trong toàn bộ hệ thống

Hiện nay xu thế tích hợp toàn bộ hệ thống thành một thể thống nhất đang phát

triển rất mạnh trên thế giới và theo các nhà nghiên cứu trên thế giới nó sẽ trở thành

nền tảng cho các hệ thống công nghiệp trong tương lai. Trong phần này chúng tôi

sẽ giới thiệu một cách sơ lược nhất khái niệm và các ưu điểm của việc tích hợp hệ

thống. Phần này sẽ được trình bày như sau:

- Đặt vấn đề: định nghĩa và lịch sử phát triển của vấn đề hợp nhất toàn bộ hệ

thống cùng các cách tiếp cận vấn đề (tích hợp hệ thống theo chiều ngang,

tích hợp hệ thống theo chiều dọc).

- Các lợi ích của việc tích hợp hệ thống. Các lợi ích được xem xét trên hai

phương diện, lợi ích cho người sử dụng và lợi ích cho người thiết kế, xây

dựng và triển khai hệ thống.

(a) Vấn đề hợp nhất hoá toàn bộ hệ thống

Một hệ thống công nghiệp đầy đủ bao giờ cũng bao gồm ba hệ thống cơ bản đó là:

hệ thống quản lý thông tin (MIS), hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và hệ thống

vào ra phân tán và các thiết bị trường (như PLC, cảm biến, ...) mà trong phần này

ta sẽ gọi chung là PLC. Việc tích hợp hệ thống là kết hợp các hệ thống con này lại

với nhau thành một chỉnh thể thống nhất. Việc tích hợp này được tiến hành đồng

thời theo hai cách tiếp cận là: Tích hợp theo chiều ngang và tích hợp theo chiều

dọc. Ta sẽ lần lượt xét các cách tiếp cận này ở các phần (b) và 1.1.3.

(b)Tích hợp theo chiều ngang.

Quá trình phát triển của việc tích hợp hệ thống theo chiều ngang có thể được tóm

tắt qua ba giai đoạn:

- Giai đoạn cổ điển: là giai đoạn mà các hệ thống con còn nằm rời rạc thụ

dộng chờ công việc.

- Giai đoạn hiện nay: là giai đoạn hiện nay khi mà các hệ thống không còn

đứng rời rạc mà đang tiến dần đến xu thế hợp nhất. Các hệ thống con đã bắt

đầu thực hiện các giao tiếp với nhau nhưng tính chất của các giao tiếp này

còn mang nhiều yếu tố đơn lẽ, thông thường.

MIS

PLC DCS PLC

- Giai đoạn tương lai: khi đó các hệ thống con hoàn toàn sát nhập làm một.

Lúc này các hệ thống sẽ “giao tiếp” với nhau chứ không còn phải bắt tay

nhau nữa. Đây cũng chính là mục tiêu và xu hướng phát triển chung của các

nhà phát triển chung của các nhà phát triẻn lớn trên thế giới.

MIS

PLC

PLC DCS

Tích hợp toàn bộ hệ thống

(c) Tích hợp theo chiều dọc

Đây là xu hướng của các hệ thống công nghiệp trong tương lai nơi mà các hệ

thống con của hệ công nghiệp được tích hợp theo chiều dọc. Hình 2 trình bày

một hệ thống tích hợp theo chiều dọc.

Hình 2: Tích hợp hệ thống theo chiều dọc

Như ta thấy ở Hình 2, các hệ thống điều khiển quá trình, giao diện người máy,

điều khiển, vào ra phân tán và thiết bị trường đều được gắn kết bằng các thành

phần liên kết theo chiều dọc thống nhất trên tấ cả các cấp từ cao xuống thấp.

Việc liên kết được thực hiện bằng ba thành phần liên kết xuyên suốt từ trên

xuống dưới là: hệ cơ sở dữ liệu, hệ truyền thông và phần mềm vận hành, khai

thác, quản lý. Ta sẽ xem xét một cách tóm tắt hoạt động của các hệ này và các

ưu điểm của chúng qua các phần (i), (ii), (iii).

(i) Cơ sở dữ liệu thống nhất.

Thành phần liên kết bằng cơ sở dữ liệu thực chất chính là một hệ thống cơ sở

dữ liệu thống nhất lưu trữ tất cả các cơ sở dữ liệu của hệ thống chẳng hạn:

thông tin cấu hình, thông tin vận hành, cùng với việc hỗ trợ truy vấn thông tin

thống nhất thông suốt trên tất cả các cấp. Việc truy vấn này có thể chie là truy

Điều khiển quá trình

Giao diện người máy

Điều khiển

Vào ra phân tán

Thiết bị trường

C

ơ sở

dữ li

ệ

u

Truy

ề

n th

ông

Ph

ầ

n

m

ề

m