HÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m

s¸t vµ thu thËp d÷ liÖu SCADA

2.1 §Þnh nghÜa SCADA:

SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition lµ

mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t vµ thu thËp d÷ liÖu, nãi

mét c¸ch kh¸c lµ mét hÖ thèng hç trî con ngêi trong viÖc

gi¸m s¸t vµ ®iÒu khiÓn tõ xa, ë cÊp cao h¬n hÖ ®iÒu khiÓn

tù ®éng th«ng thêng. §Ó cã thÓ ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t tõ

xa th× hÖ SCADA ph¶i cã hÖ thèng truy cËp, truyÒn t¶i d÷

liÖu còng nh hÖ giao diÖn ngêi – m¸y (HMI – Human

Machine Interface).

Trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t th× HMI lµ mét

thµnh phÇn quan träng kh«ng chØ ë cÊp ®iÒu khiÓn gi¸m

s¸t mµ ë c¸c cÊp thÊp h¬n ngêi ta còng cÇn giao diÖn ngêi –

m¸y ®Ó phôc vô cho viÖc quan s¸t vµ thao t¸c vËn hµnh ë

cÊp ®iÒu khiÓn côc bé. V× lý do gi¸ thµnh, ®Æc ®iÓm kü

thuËt nªn c¸c mµn h×nh vËn hµnh (OP – Operator Panel),

mµn h×nh sê (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyªn dông

®îc sö dông nhiÒu vµ chiÕm vai trß quan träng h¬n.

NÕu nh×n nhËn SCADA theo quan ®iÓm truyÒn thèng

th× nã lµ mét hÖ thèng m¹ng vµ thiÕt bÞ cã nhiÖm vô thuÇn

tuý lµ thu thËp d÷ liÖu tõ c¸c tr¹m ë xa vµ truyÒn t¶i vÒ khu

trung t©m ®Ó xö lý. Trong c¸c hÖ thèng nh vËy th× hÖ

truyÒn th«ng vµ phÇn cøng ®îc ®Æt lªn hµng ®Çu vµ cÇn

sù quan t©m nhiÒu h¬n. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y sù

tiÕn bé vît bËc cña c«ng nghÖ truyÒn th«ng c«ng nghiÖp vµ

c«ng nghÖ phÇn mÒm trong c«ng nghiÖp ®· ®em l¹i nhiÒu

kh¶ n¨ng vµ gi¶i ph¸p míi nªn träng t©m cña c«ng viÖc thiÕt

kÕ x©y dùng hÖ thèng SCADA lµ lùa chän c«ng cô phÇn

mÒm thiÕt kÕ giao diÖn vµ c¸c gi¶i ph¸p tÝch hîp hÖ thèng.

2.2 Ph©n lo¹i hÖ thèng SCADA:

C¸c hÖ thèng SCADA ®îc ph©n lµm bèn nhãm chÝnh

víi c¸c chøc n¨ng:

- SCADA ®éc lËp / SCADA nèi m¹ng

- SCADA kh«ng cã kh¶ n¨ng ®å ho¹ / SCADA cã kh¶ n¨ng

xö lý ®å ho¹ th«ng tin thêi gian thùc.

Bèn nhãm chÝnh cña hÖ thèng SCADA:

HÖ thèng SCADA mê (Blind): §©y lµ hÖ thèng ®¬n

gi¶n, nã kh«ng cã bé phËn gi¸m s¸t. NhiÖm vô chñ yÕu cña

hÖ thèng nµy thu thËp vµ xö lý d÷ liÖu b»ng ®å thÞ. Do

tÝnh ®¬n gi¶n nªn gi¸ thµnh thÊp.

HÖ thèng SCADA xö lý ®å ho¹ th«ng tin thêi gian thùc:

§©y lµ hÖ thèng SCADA cã kh¶ n¨ng gi¸m s¸t vµ thu thËp d÷

liÖu. Nhê tËp tin cÊu h×nh cña m¸y khai b¸o tríc ®Êy mµ hÖ

cã kh¶ n¨ng m« pháng tiÕn tr×nh ho¹t ®éng cña hÖ thèng

s¶n xuÊt. TËp tin cÊu h×nh ghi l¹i tr¹ng th¸i ho¹t ®éng cña

hÖ thèng. Khi x¶y ra sù cè th× hÖ thèng cã thÓ b¸o cho ngêi

vËn hµnh ®Ó xö lý kÞp thêi. Còng cã thÓ hÖ sÏ ph¸t ra tÝn

hiÖu ®iÒu khiÓn dõng ho¹t ®éng cña tÊt c¶ m¸y mãc.

HÖ thèng SCADA ®éc lËp: §©y lµ hÖ cã kh¶ n¨ng gi¸m

s¸t vµ thu thËp d÷ liÖu víi mét bé vi xö lý. HÖ nµy chØ cã

thÓ ®iÒu khiÓn ®îc mét hoÆc hai m¸y mãc. V× vËy hÖ nµy

chØ phï hîp víi nh÷ng s¶n xuÊt nhá, s¶n xuÊt chi tiÕt.

HÖ thèng SCADA m¹ng: §©y lµ hÖ cã kh¶ n¨ng gi¸m s¸t

vµ thu thËp d÷ liÖu víi nhiÒu bé vi xö lý. C¸c m¸y tÝnh gi¸m

s¸t ®îc nèi m¹ng víi nhau. HÖ nµy cã kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn

®îc nhiÒu nhãm m¸y mãc t¹o nªn d©y chuyÒn s¶n xuÊt.

Qua m¹ng truyÒn th«ng, hÖ thèng ®îc kÕt nèi víi phßng

qu¶n lý, phßng ®iÒu khiÓn, cã thÓ nhËn quyÕt ®Þnh ®iÒu

khiÓn trùc tiÕp tõ phßng qu¶n lý hoÆc tõ phßng thiÕt kÕ. Tõ

phßng ®iÒu khiÓn cã thÓ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña c¸c

thiÕt bÞ ë xa.

2.3 Nh÷ng chuÈn ®¸nh gi¸ mét hÖ SCADA:

§Ó ®¸nh gi¸ mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t

SCADA ta cÇn ph¶i ph©n tÝch c¸c ®Æc ®iÓm cña hÖ thèng

theo mét sè c¸c tiªu chuÈn sau: kh¶ n¨ng hç trî cña c«ng cô

phÇn mÒm ®èi víi viÖc thùc hiÖn x©y dùng c¸c mµn h×nh

giao diÖn.

Sè lîng vµ chÊt lîng cña c¸c thµnh phÇn ®å ho¹ cã s½n,

kh¶ n¨ng truy cËp vµ c¸ch kÕt nèi d÷ liÖu tõ c¸c qu¸ tr×nh

kü thuËt (trùc tiÕp tõ c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh, sensor, module

vµo/ra qua PLC hay c¸c hÖ thèng bus trêng).

TÝnh n¨ng më cña hÖ thèng, chuÈn ho¸ c¸c giao diÖn

qu¸ tr×nh, kh¶ n¨ng hç trî x©y dùng c¸c chøc n¨ng trao ®æi

tin tøc (Messaging), xö lý sù kiÖn vµ sù cè (Event and

Alarm), lu tr÷ th«ng tin (Archive and History) vµ lËp b¸o c¸o

(Reporting).

TÝnh n¨ng thêi gian thùc vµ hiÖu suÊt trao ®æi th«ng

tin, ®èi víi nÒn Windows: hç trî sö dông m« h×nh phÇn

mÒm ActiveX-Control vµ OPC, gi¸ thµnh tæng thÓ cña hÖ

thèng.

2.4 CÊu tróc chung cña hÖ SCADA:

CÊu tróc chung cña hÖ SCADA ®îc minh ho¹ trong

h×nh vÏ sau:

Trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t, c¸c c¶m biÕn vµ

c¬ cÊu chÊp hµnh ®ãng vai trß lµ giao diÖn gi÷a thiÕt bÞ

®iÒu khiÓn víi qu¸ tr×nh kü thuËt. Cßn hÖ thèng ®iÒu

khiÓn gi¸m s¸t ®ãng vai trß lµ giao diÖn gi÷a ngêi vµ m¸y.

C¸c thiÕt bÞ vµ c¸c bé phËn cña hÖ thèng ®îc ghÐp nèi víi

nhau theo kiÓu ®iÓm-®iÓm (Point to Point) hoÆc qua m¹ng

truyÒn th«ng. TÝn hiÖu thu ®îc tõ c¶m biÕn cã thÓ lµ tÝn

hiÖu nhÞ ph©n, tÝn hiÖu sè hoÆc t¬ng tù. Khi xö lý trong

m¸y tÝnh, chóng ph¶i ®îc chuyÓn ®æi cho phï hîp víi c¸c

chuÈn giao diÖn vµo/ra cña m¸y tÝnh.

C¸c thµnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng SCADA bao

gåm:

Giao diÖn qu¸ tr×nh: bao gåm c¸c c¶m biÕn, thiÕt bÞ

®o, thiÕt bÞ chuyÓn ®æi vµ c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh.

ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn tù ®éng: gåm c¸c bé ®iÒu khiÓn

chuyªn dông (PID), c¸c bé ®iÒu khiÓn kh¶ tr×nh PLC

(Programmable Logic Controller), c¸c thiÕt bÞ ®iÒu chØnh

sè ®¬n lÎ CDC (Compact Digital Controller) vµ m¸y tÝnh PC

víi c¸c phÇn mÒm ®iÒu khiÓn t¬ng øng.

HÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t: gåm c¸c phÇn mÒm vµ

giao diÖn ngêi-m¸y HMI, c¸c tr¹m kü thuËt, tr¹m vËn hµnh,

gi¸m s¸t vµ ®iÒu khiÓn cao cÊp.

HÖ thèng truyÒn th«ng: ghÐp nèi ®iÓm-®iÓm, bus

c¶m biÕn/chÊp hµnh, bus trêng, bus hÖ thèng.

HÖ thèng b¶o vÖ, c¬ chÕ thùc hiÖn chøc n¨ng an toµn.

2.5 M« h×nh ph©n cÊp chøc n¨ng:

2.5.1 M« h×nh ph©n cÊp:

Toµn bé hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t ®îc ph©n chia

thµnh c¸c cÊp chøc n¨ng nh h×nh vÏ minh ho¹ díi ®©y:

§Ó s¾p xÕp, ph©n lo¹i c¸c chøc n¨ng tù ®éng ho¸ cña

mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t ngêi ta thêng sö dông

m« h×nh nh trªn. Víi lo¹i m« h×nh nµy c¸c chøc n¨ng ®îc

ph©n thµnh nhiÒu cÊp kh¸c nhau, tõ díi lªn trªn. Cµng ë

nh÷ng cÊp díi th× c¸c chøc n¨ng cµng mang tÝnh chÊt c¬

b¶n h¬n, ®ßi hái yªu cÇu cao h¬n vÒ ®é nhanh nh¹y, thêi

gian ph¶n øng. Mét chøc n¨ng ë cÊp trªn ®îc thùc hiÖn dùa

trªn c¸c chøc n¨ng ë cÊp díi nhng ngîc l¹i lîng th«ng tin cÇn

trao ®æi vµ xö lý l¹i lín h¬n nhiÒu.

ViÖc ph©n cÊp chøc n¨ng sÏ tiÖn lîi cho viÖc thiÕt kÕ

hÖ thèng vµ lùa chän thiÕt bÞ. Tuú thuéc vµo møc ®é tù

®éng ho¸ vµ cÊu tróc hÖ thèng cô thÓ mµ ta cã m« h×nh

ph©n cÊp chøc n¨ng.

CÊp chÊp hµnh: C¸c chøc n¨ng chÝnh cña cÊp chÊp

hµnh lµ ®o lêng, dÉn ®éng vµ chuyÓn ®æi tÝn hiÖu trong

trêng hîp cÇn thiÕt. Thùc tÕ, ®a sè c¸c thiÕt bÞ c¶m biÕn

hay chÊp hµnh còng cã phÇn ®iÒu khiÓn riªng cho viÖc thùc

hiÖn ®o lêng/truyÒn ®éng ®îc chÝnh x¸c vµ nhanh nh¹y.

C¸c thiÕt bÞ th«ng minh (cã bé vi xö lý riªng) còng cã thÓ

®¶m nhËn viÖc xö lý vµ chuÈn bÞ th«ng tin tríc khi ®a lªn

cÊp trªn ®iÒu khiÓn.

CÊp ®iÒu khiÓn: NhiÖm vô chÝnh cña cÊp ®iÒu khiÓn

lµ nhËn th«ng tin tõ c¸c bé c¶m biÕn, xö lý c¸c th«ng tin ®ã

theo mét thuËt to¸n nhÊt ®Þnh vµ truyÒn ®¹t l¹i kÕt qu¶

xuèng c¸c bé chÊp hµnh. M¸y tÝnh ®¶m nhËn viÖc theo dâi

c¸c c«ng cô ®o lêng, tù thùc hiÖn c¸c thao t¸c nh Ên nót

më/®ãng van, ®iÒu chØnh cÇn g¹t, nóm xoay,… §Æc tÝnh

næi bËt cña cÊp ®iÒu khiÓn lµ xö lý th«ng tin. CÊp ®iÒu

khiÓn vµ cÊp chÊp hµnh hay ®îc gäi chung lµ cÊp trêng

(Field level) chÝnh v× c¸c bé ®iÒu khiÓn, c¶m biÕn vµ chÊp

hµnh ®îc cµi ®Æt trùc tiÕp t¹i hiÖn trêng gÇn kÒ víi hÖ

thèng kü thuËt.

CÊp ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t: cã chøc n¨ng gi¸m s¸t vµ vËn

hµnh mét qu¸ tr×nh kü thuËt, cã nhiÖm vô hç trî ngêi sö

dông trong viÖc cµi ®Æt øng dông, thao t¸c theo dâi, gi¸m

s¸t vËn hµnh vµ xö lý nh÷ng t×nh huèng bÊt thêng. Ngoµi ra

trong mét sè trêng hîp, cÊp nµy cßn thùc hiÖn c¸c bµi to¸n

®iÒu khiÓn cao cÊp nh ®iÒu khiÓn phèi hîp, ®iÒu khiÓn

tr×nh tù vµ ®iÒu khiÓn theo c«ng thøc. ViÖc thùc hiÖn c¸c

chøc n¨ng ë cÊp ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t thêng kh«ng ®ßi

hái ph¬ng tiÖn, thiÕt bÞ phÇn cøng ®Æc biÖt ngoµi m¸y

tÝnh th«ng thêng.

Th«ng thêng ngêi ta chØ coi ba cÊp díi thuéc ph¹m vi

cña mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t. Tuy nhiªn biÓu

thÞ hai cÊp trªn cïng (Qu¶n lý c«ng ty vµ §iÒu hµnh s¶n

xuÊt) sÏ gióp ta hiÓu thªm mét m« h×nh lý tëng cho cÊu tróc

chøc n¨ng tæng thÓ cho c¸c c«ng ty s¶n xuÊt c«ng nghiÖp.

GÇn ®©y, do nhu cÇu tù ®éng ho¸ tæng thÓ kÓ c¶ ë c¸c

cÊp ®iÒu hµnh s¶n xuÊt vµ qu¶n lý c«ng ty, viÖc tÝch hîp

hÖ thèng vµ lo¹i bá c¸c cÊp trung gian kh«ng cÇn thiÕt trong

m« h×nh chøc n¨ng trë nªn cÇn thiÕt. Còng v× thÕ, ranh giíi

gi÷a cÊp ®iÒu hµnh s¶n xuÊt nhiÒu khi kh«ng râ rµng,

h×nh thµnh xu híng héi nhËp hai cÊp nµy thµnh mét cÊp duy

nhÊt gäi chung lµ cÊp ®iÒu hµnh.

2.5.2 Chøc n¨ng nhiÖm vô cña tõng cÊp:

Mét hÖ thèng s¶n xuÊt c«ng nghiÖp thêng ®îc tæ chøc

ph©n nhiÖm thµnh nhiÒu cÊp qu¶n lý. Mçi cÊp cã nhiÖm vô

®o lêng, thu thËp vµ ®iÒu khiÓn riªng lªn nh÷ng ®èi tîng

trong hÖ thèng. C¸c ®èi tîng m¸y mãc thêng l¾p ®Æt trong

®Þa ph¬ng cña cÊp qu¶n lý ph©n xëng xÝ nghiÖp cÊp díi

®ång thêi còng cã mét ®Æc ®iÓm n÷a lµ mét ®èi tîng tuy

thuéc gi¸m s¸t-®iÒu khiÓn cña cÊp trªn vÒ mÆt s¶n xuÊt

nhng còng thuéc sù gi¸m s¸t-®iÒu khiÓn vËt lý cô thÓ vÒ

mÆt vËn hµnh chuÈn ®o¸n vµ b¶o dìng cña c¸c cÊp kh¸c

thÊp h¬n. Nh÷ng ®iÒu nµy lµ c¬ së chØ ®¹o cho viÖc tæ

chøc c¸c cÊp SCADA qu¶n lý hÖ thèng s¶n xuÊt ngµy nay.

Nh÷ng nguyªn t¾c chÝnh sau:

Th«ng thêng vÒ tæ chøc kÕt cÊu cña mçi cÊp qu¶n lý

®îc trî gióp tù ®éng ho¸ b»ng mét hÖ SCADA cña cÊp Êy.

CÊp SCADA ph©n xëng ë cÊp díi thÊp sÏ thùc hiÖn viÖc thu

thËp sè liÖu trªn m¸y mãc ph©n xëng cã sù ph©n lo¹i râ

m¸y mãc thiÕt bÞ nµo ®îc qu¶n lý vÒ s¶n xuÊt bëi cÊp

SCADA nµo. C¸c sè liÖu ph©n lo¹i nµy sÏ ®îc c¸c SCADA

truyÒn tin b¸o c¸o tõ cÊp díi lªn cÊp trªn theo nhÞp gäi cña

c¸c SCADA cÊp cao h¬n mét cÊp cho ®Õn cÊp cÇn thu thËp

d÷ liÖu, hiÓn thÞ, in Ên, sö dông cho ®iÒu khiÓn s¶n xuÊt ë

c¸c cÊp.

Mçi cÊp sÏ thùc hiÖn bµi to¸n ph©n tÝch, tÝnh to¸n ®îc

giao vµ tÝnh ®a ra c¸c lÖnh thao t¸c thay ®æi t¨ng hay

gi¶m chØ tiªu ®ãng c¾t c¸c ®èi tîng cña m×nh, qua hÖ

truyÒn tin göi lÖnh ®ã ®Õn cÊp SCADA cã liªn quan ®Ó

thùc hiÖn. §Ó gi¶i quyÕt nh÷ng bµi to¸n ®iÒu khiÓn ph©n

tÝch riªng nµy cña m×nh th× SCADA mçi cÊp thêng ®îc

trang bÞ thªm nh÷ng phÇn cøng m¸y tÝnh, phÇn mÒm

ph©n tÝch chuyªn dông. Nh÷ng thiÕt bÞ nµy lÊy sè liÖu

hiÖn hµnh tõ SCADA cung cÊp ®Ó gi¶i bµi to¸n ®ã vµ xuÊt

ra kÕt qu¶ cho ngêi vËn hµnh vµ cho hÖ SCADA.

Chøc n¨ng cña mçi cÊp SCADA cung cÊp nh÷ng

dÞch vô sau:

Thø nhÊt lµ thu thËp tõ xa (qua ®êng truyÒn sè liÖu)

c¸c sè liÖu vÒ s¶n xuÊt vµ tæ chøc viÖc lu gi÷ trong nhiÒu

lo¹i c¬ së d÷ liÖu (sè liÖu lÞch sö vÒ s¶n xuÊt, sù kiÖn thao

t¸c, b¸o ®éng …)

Thø hai lµ dïng c¸c d÷ liÖu trªn ®Ó cung cÊp c¸c dÞch

vô vÒ ®iÒu khiÓn, gi¸m s¸t hÖ s¶n xuÊt.

Thø ba lµ hiÓn thÞ b¸o c¸o tæng kÕt vÒ qu¸ tr×nh s¶n

xuÊt (trang mµn h×nh, trang ®å thÞ, trang sù kiÖn, trang

b¸o ®éng, trang b¸o c¸o s¶n xuÊt…)

Thø t lµ ®iÒu khiÓn tõ xa qu¸ tr×nh s¶n xuÊt (®ãng

c¾t c¸c m¸y mãc thiÕt bÞ, t¨ng gi¶m nÊc ph©n ¸p …)

Thø n¨m lµ thùc hiÖn c¸c dÞch vô vÒ truyÒn sè liÖu

trong hÖ vµ ra ngoµi (®äc viÕt sè liÖu PLC/RTU (Remote

Teminal Unit), göi tr¶ lêi c¸c b¶n tin yªu cÇu cña cÊp trªn vÒ

sè liÖu, vÒ thao t¸c hÖ)

Nh×n chung SCADA lµ mét hÖ kÕt hîp phÇn cøng vµ

phÇn mÒm ®Ó tù ®éng ho¸ viÖc qu¶n lý gi¸m s¸t ®iÒu

khiÓn cho mét ®èi tîng s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. Tuú theo yªu

cÇu cô thÓ cô thÓ cña bµi to¸n tù ®éng ho¸ ta cã thÓ x©y

dùng hÖ SCADA thùc hiÖn mét sè nh÷ng nhiÖm vô tù ®éng

ho¸ nh: thu thËp gi¸m s¸t tõ xa vÒ ®èi tîng, ®iÒu khiÓn

®ãng c¾t tõ xa lªn ®èi tîng, ®iÒu chØnh tù ®éng tõ xa víi

c¸c ®èi tîng vµ c¸c cÊp qu¶n lý.

C¸c chøc n¨ng ®ã mçi thø ®Òu cã nh÷ng yªu cÇu ®Æc

biÖt ®èi víi c¸c bé phËn phÇn cøng, phÇn mÒm, phÇn

chuyªn tr¸ch cña SCADA. Cô thÓ lµ phÇn ®o, gi¸m s¸t tõ xa

cÇn b¶o ®¶m thu thËp d÷ liÖu hiÓn thÞ in Ên ®ñ nh÷ng sè

liÖu cÇn cho qu¶n lý kü thuËt. PhÇn ®iÒu khiÓn thao t¸c xa

ph¶i ®¶m b¶o ®îc viÖc kiÓm tra ®ãng c¾t an toµn, ®óng

®¾n. PhÇn truyÒn tin xa ph¶i quy ®Þnh râ c¸c nhiÖm vô

truyÒn sè liÖu hiÖn trêng, ®Æc biÖt lµ thñ tôc truyÒn víi c¸c

SCADA cÊp trªn.

Ngµy nay, hÇu hÕt c¸c hÖ SCADA cßn cã kh¶ n¨ng liªn

kÕt víi c¸c hÖ thèng th¬ng m¹i cã cÊp ®é cao h¬n, cho

phÐp ®äc viÕt theo c¬ së d÷ liÖu chuÈn nh Oracle, Access,

Microsoft SQL …