Đề cương môn Truyền động điện - Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SCADA TRONG HTĐ Khoa Điện PGS. TS. Lê Tiến Dũng KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
 Trong ngành tự động hóa, thuật ngữ SCADA thường được sử dụng khi sự kiểm soát/điều khiển các
quá trình công nghệ trên một khu vực địa lý rộng, ví dụ như hệ thống điện.
 Các hệ thống SCADA được sử dụng rộng rãi bởi nhiều ngành công nghiệp, đang trải qua những
thay đổi mạnh mẽ. Trong đó việc bổ sung các công nghệ và thiết bị mới đặt ra một thách thức lớn đối
với các nhà giáo dục, nhà nghiên cứu và kỹ sư thực hành để bắt kịp những phát triển mới nhất.
 Để tích hợp các công nghệ mới với hệ thống hiện có, các kỹ sư thực hành phải thành thạo với cả
các công nghệ cũ và mới. Tuy nhiên, vì tốc độ phát triển công nghệ rất nhanh với sự ra đời của các
giao thức truyền thông mới, chuyển tiếp IED và các chức năng liên quan nên hầu hết các chuyên gia kỹ
thuật học công nghệ mới chủ yếu dựa trên thực tế công việc.
 Thực tế ngành điện ngày nay cần các kỹ sư được đào tạo bài bản để có thể theo kịp tốc độ mở
rộng nhanh chóng mà ngành điện đang dự tính, để đáp ứng mức tiêu thụ năng lượng dự kiến sẽ tăng
gấp ba vào năm 2050 và đạt mục tiêu tự động hóa hoàn toàn các hệ thống điện. 2 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) được sử dụng rộng
rãi để tự động hóa ngành điện và đại diện cho một xu hướng phát triển, với các sản
phẩm và dịch vụ mới được các hãng công nghệ giới thiệu và bổ sung hàng ngày.
Trong lịch sử, đã có nhiều phương pháp điều khiển từ xa được phát minh bởi
những người tiên phong đầu tiên trong lĩnh vực điều khiển giám sát. Việc điều
khiển bắt nguồn bằng việc người vận hành đọc phép đo và thực hiện một số thao
tác điều khiển cơ học để tác động vào hệ thống dựa trên kết quả của phép đo đó. 3 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Hầu hết các bằng sáng chế ban đầu về điều khiển và giám sát được cấp từ năm 1890
đến năm 1930 tại Mỹ. Các bằng sáng chế này chủ yếu được cấp cho các kỹ sư làm việc
cho các ngành điện thoại và các ngành khác liên quan đến truyền thông.
Hầu hết tất cả các bằng sáng chế liên quan đến điều khiển từ xa đều tuân thủ chặt chẽ
các kỹ thuật của tổng đài điện thoại tự động đầu tiên được lắp đặt vào năm 1892 bởi công
ty Automatic Electric Company (một công ty ở Bắc Mỹ).
Một trong những tiền thân sớm nhất của hệ thống SCADA hiện đại là hệ thống được
thiết kế vào năm 1921 bởi John B. Harlow. Hệ thống của Harlow tự động phát hiện sự thay
đổi trạng thái ở một trạm điều khiển từ xa và báo cáo sự thay đổi này cho trung tâm điều khiển. 4 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Năm 1923, John J. Bellamy và Rodney G. Richardson đã phát triển một hệ thống điều
khiển từ xa sử dụng kỹ thuật “Kiểm tra trước khi vận hành (check-before-operate)” để đảm
bảo tính hợp lệ của điểm điều khiển đã chọn trước khi bắt đầu điều khiển thực tế. Người
vận hành cũng có thể yêu cầu một điểm "kiểm tra" để xác minh trạng thái của nó.
Hệ thống ghi nhật ký (data logging system) đầu tiên được thiết kế bởi Harry E. Hersey
vào năm 1927. Hệ thống này theo dõi thông tin từ một vị trí từ xa và in bất kỳ thay đổi nào
về trạng thái của thiết bị cùng với thông tin báo cáo ngày giờ khi thay đổi diễn ra. 5 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
GIAI ĐOẠN BAN ĐẦU: NHỮNG NĂM THẬP NIÊN 1900s
Điều khiển nhà máy từ “Phòng điều khiển” đóng vai trò là trung tâm điều khiển
 Kết nối các dữ liệu bằng dây dẫn trực tiếp
 Các thiết bị đóng cắt bằng tiếp điểm
 Các thiết bị đo bằng cơ điện
 Hiển thị cảnh báo bằng tín hiệu đèn  …. 6 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
GIAI ĐOẠN THẬP NIÊN 1960s – 1970s
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu: Supervisory Control and Data Acquisition
 Cụm từ viết tắt SCADA bắt đầu được sử dụng để đặt tên
 Sử dụng các thiết bị dữ liệu đầu cuối: Remote Data Equipment (RDE)
Các thiết bị dữ liệu đầu cuối: Remote Data Equipment (RDE): • Tiền thân của RTU
• Độc lập, sử dụng riêng lẻ
• Thực hiện thu thập dữ liệu
• Thực hiện chức năng điều khiển
• Tín hiệu điện tử rời rạc, logic bằng phần cứng 7 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng Chức năng Vào/Ra (I/O)
• Thực hiện bằng các card, mạch phần cứng • Kết nối thông qua RDE •
Dùng kỹ thuật tương tự •
Trạng thái DIs thường thực hiện bằng tiếp điểm •
Điều khiển tín hiệu đầu ra DOs qua relay • …. 8 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Truyền thông từ Master đến RDE
• Mục đích để dịch chuyển dữ liệu,
tối ưu băng thông sử dụng, tối
thiểu sử dụng bộ nhớ
• Truyền thông sử dụng sóng radio hoặc microwave
• Hệ thống thường gắn với mạch
phần cứng (không phải chương trình phần mềm) • … 9 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
GIAI ĐOẠN THẬP NIÊN 1980s – 1990s
 Hệ thống sử dụng vi xử lý, vi điều khiển 
Sử dụng RTU (Remote Terminal Unit)
 Xử lý, điều khiển bằng chương trình phần mềm thay cho mạch phần cứng
 Truyền thông đa dạng hơn: cáp quang,
ethernet điện thoại, microwave, radio,…
 Các thiết bị điện tử thông minh (IDEs) như
meters, relays, các bộ điều khiển
 Các chuẩn truyền thông sử dụng: RS232
serial, RS485 serial, ethernet, tín hiệu quang,… 10 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Hệ thống EMS (Energy Management System)
EMS là các chương trinh phần mềm trên máy
tính thực hiện cả các tác vụ tính toán cũng như
các tác vụ ra quyết định để hỗ trợ người vận
hành trong việc vận hành và điều khiển hệ
thống điện theo thời gian thực.
 Tăng số lượng bộ xử lý và bộ nhớ
 Thêm nhiều trạm giám sát từ xa
 Giao diện người dùng (GUI) được hiển thị trên màn hình máy tính 11 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
GIAI ĐOẠN THẬP NIÊN 2010s đến nay
 Sử dụng những Gatewave đa năng
 Hệ thống truyền thông ngày càng phát triển
 Chức năng tính toán nâng cao, thông minh
 Giao diện GUI ngày càng hiện đại
 Ứng dụng công nghệ mới, IoT, cloud,… 12 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 13 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng SCADA là gì?
SCADA là viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Supervisory Control and Data Acquisition
SCADA 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.
Hệ thống SCADA (SCADA system)
Hệ thống SCADA được định nghĩa là một tập hợp gồm cả các thiết bị phần cứng và các chương trình phần
mềm nhằm cung cấp cho người vận hành ở một địa điểm xa có đủ thông tin để xác định trạng thái của thiết bị
cụ thể hoặc một đối tượng/hệ thống/quy trình và có thể thực hiện các hành động/các lệnh từ xa để điều khiển
thiết bị hoặc đối tượng/hệ thống/quy trình đó mà không cần có mặt ở hiện trường.
Việc thực thi của một hệ thống SCADA sẽ bao gồm hai hoạt động chính: Thu thập dữ liệu (Data Acquisition)
của của thiết bị cụ thể hoặc đối tượng/hệ thống/quy trình và Điều khiển giám sát (Supervisory Control) thiết bị
hoặc đối tượng/hệ thống/quy trình đó, do đó dẫn đến đối tượng/hệ thống/quy trình hệ thống có thể được tự
động hóa hoàn toàn. Việc tự động hóa hoàn toàn của một đối tượng/hệ thống/quy trình có thể đạt được bằng
cách tự động hóa việc giám sát (monitoring) và các hoạt động điều khiển (control actions). 14 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Hoạt động giám sát (monitoring)
Thực hiện bằng người vận hành trong phòng điều khiển (control room), có thể thấy được quy trình điều khiển từ
xa trên bảng điều khiển hoặc giao diện HMI, với tất cả các thông tin cần thiết được hiển thị và tự động cập nhật
theo các khoảng thời gian thích hợp. Để phục vụ việc giám sát, hệ thống sẽ thực hiện các bước cơ bản sau:
 Thu thập dữ liệu từ cấp thiết bị trường.
 Chuyển đổi dữ liệu thành dạng truyền được.
 Gói dữ liệu thành các gói.
 Truyền các gói dữ liệu qua các phương tiện truyền thông.
 Nhận dữ liệu tại trung tâm điều khiển.  Giải mã dữ liệu.
 Hiển thị dữ liệu tại các điểm thích hợp trên màn hình hiển thị của người vận hành. 15 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Hoạt động điều khiển (Control)
Đảm bảo rằng lệnh điều khiển do người vận hành hệ thống đưa ra được chuyển thành các hoạt động
thích hợp của thiết bị cấp trường và bao gồm các bước cơ bản sau:
 Người vận hành khởi tạo lệnh điều khiển.
 Lệnh điều khiển được đóng gói dưới dạng gói dữ liệu.
 Truyền gói dữ liệu qua phương tiện truyền thông.
 Thiết bị trường nhận và giải mã lệnh điều khiển.
 Hành động điều khiển được thực thi ở cấp trường (field) bằng cách sử dụng thiết bị truyền động thích hợp. 16 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Sơ đồ của các thành phần trong hệ thống
phục vụ cho việc giám sát (monitoring)
và điều khiển (control) 17 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Hệ thống SCADA cho ngành điện thường thực hiện các chức năng chính sau:
+ Thu thập, giám sát trạng thái làm việc của các thiết bị: Máy cắt, dao cách ly, dao
tiếp địa, trạng thái chạy/dừng của các động cơ, van,…
+ Thu thập, giám sát thông tin trạng thái vận hành của hệ thống điện: Các cảnh báo
(alarm), sự kiện (event), trạng thái sự cố,…
+ Thu thập, giám sát các thông tin đo lường: U, I, P, Q, cos, tần số, góc pha,…
+ Điều khiển thiết bị từ xa
+ Cài đặt thông số từ xa
+ Quản lý và lưu trữ dữ liệu
+ Hỗ trợ người vận hành tính toán, phân tích, đưa ra các quyết định,… 18 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN THEO CÁC THẾ HỆ SCADA (GENERATION)
a) Thế hệ 1: Monolithic SCADA systems with Remote Terminal Units (RTUs)
b) Thế hệ 2: Distributed SCADA systems
c) Thế hệ 3: Networked SCADA systems
d) Thế hệ 4: IOT-Cloud based SCADA systems 19 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
a) Thế hệ 1: Monolithic SCADA systems with Remote Terminal Units (RTUs)
Khái niệm kiến trúc đầu tiên của SCADA dựa trên các hệ thống
máy tính lớn, trong đó các hệ thống điều khiển là các hệ thống độc
lập (stand alone) và không kết nối với bất kỳ hệ thống nào khác.
Trong giai đoạn này, mặc dù mạng diện rộng (WAN) được sử
dụng nhưng mục đích duy nhất của “mạng” này là kết nối với các
RTU khác nhau và trao đổi dữ liệu với máy chủ (Master). Ngoài ra,
vào thời điểm đó, các giao thức mà chúng ta sử dụng ngày nay
cho mạng WAN chưa tồn tại.
Các giao thức truyền thông ở giai đoạn này được phát triển bởi
các nhà cung cấp RTU khác nhau và chúng chỉ có thể sử dụng
được với các máy tính chủ độc quyền của cùng một nhà cung cấp. 20