BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI THỊ THÊM

BÙI THỊ THÊM

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HĨA

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LỊ THỔI
TRONG NHÀ MÁY LUYỆN THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ: 2014B

Hà Nội – Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI THỊ THÊM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI
TRONG NHÀ MÁY LUYỆN THÉP

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VÕ MINH CHÍNH
Hà Nội – Năm 2016



LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Bùi Thị Thêm


MỤC LỤC

MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC BẢNG
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT .... 1
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát........................................... 1
1.1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 1
1.1.2 Mơhì
nh phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát ......... 2
1.1.3 Cấu trúc vàcác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát 4
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA ....................................................... 7
1.2.1 Định nghĩa ............................................................................................. 7

1.2.2 Tính năng của hệ thống SCADA .......................................................... 8
1.2.3 Sơ đồ cấu trúc phần cứng .................................................................... 10
1.2.3.1 Ngƣời vận hành (Operator) ........................................................... 13
1.2.3.2 Human Machine Interface (HMI) ................................................. 13
1.2.3.2 Đơn vị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Termainal Unit).............. 13
1.2.3.3 PLC sử dụng nhƣ RTU ................................................................. 15
1.2.3.4 Đơn vị đầu cuối chủ (MTU - Master Terminal Unit) ................... 16
1.2.3.5 Các thiết bị trƣờng (Field Devices) .............................................. 19
1.2.4 Hệ truyền thông................................................................................... 19
1.2.5 Phần mềm ............................................................................................ 23
Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................... 26
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LÒ THỔI ................................... 27
2.1 Tổng quan về nhàmáy luyện thép. ........................................................... 27
2.2 Phân loại cơng nghệ lịthổi trong cơng nghệ luyện thép. ........................ 28
2.3 Lƣu trình cơng nghệ của NMLT. ............................................................. 29


2.4 Thơng số hệ thống lịthổi ........................................................................ 31
2.4.1 Hệ thống quay lò. ................................................................................ 31
2.4.2 Hệ thống súng oxy. ............................................................................. 34
2.4.3 Hệ thống cấp liệu rời. .......................................................................... 35
2.4.4 Hệ thống lọc bụi Ventury. ................................................................... 36
2.4.5 Hệ thống làm mát khíhóa lịthổi. ...................................................... 36
2.5 Các loại cảm biến vàcác loại van. ............................................................ 37
2.5.1 Cảm biến nhiệt độ .............................................................................. 37
2.5.2 Cảm biến áp suất. ............................................................................... 38
2.5.3 Cảm biến lƣu lƣợng. .......................................................................... 38
2.5.4 Van điện động đóng mở hệ thống làm mát khíhóa lịthổi. ............. 41
2.5.5 Van điều tiết cho hệ thống làm mát khíhóa lịthổi vàsúng oxy. ..... 41
2.5.6 Van đóng mở của hệ thống Ventury. ................................................. 42

2.5.7 Van đóng cắt nhanh cho đƣờng ống khí............................................ 43
2.6 Quy trì
nh vận hành của lịthổi. ................................................................ 43
2.6.1 Trƣớc khi vận hành. ........................................................................... 43
2.6.2 Thao tác vận hành. ............................................................................. 44
Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................... 46
CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI .........47

3.1 Mơhì
nh vànhiệm vụ của hệ thống điều khiển, giám sát lịthổi. ............. 47
3.1.1 Mơhì
nh hệ thống lịthổi..................................................................... 47
3.1.2 Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển vàgiám sát lòthổi. ...................... 47
3.2 Cấu trúc điều khiển giám sát của hệ thống. .............................................. 48
3.3 Thiết kế phần cứng .................................................................................... 50
3.3.1 Số lƣợng tí
n hiệu đo và điều khiển của hệ thống................................ 50
3.3.2 Chọn thiết bị cho các cấp của hệ thống. ............................................. 53
3.3.2.1 Các thiết bị của cấp giám sát. ....................................................... 53
3.3.2.2 Các thiết bị của cấp điều khiển. .................................................... 54


3.3.2.3 Các thiết bị cấp trƣờng. ................................................................. 55
3.4. Thiết kế truyền thông . ............................................................................. 56
3.5. Thiết kế phần mềm. .................................................................................. 56
3.5.1. Phần mềm điều khiển trên STEP7. .................................................... 56
3.5.2 Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển trên Wincc 7.0 .................... 60
3.6. Chạy môphỏng vàkết quả ....................................................................... 63
Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................... 71
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 74
PHỤ LỤC 1 : Sơ đồ nguyên lýmạch lực điều khiển động cơ
PHỤ LỤC 2 : Thiết lập cấu hì
nh mạng truyền thơng
PHỤ LỤC 3 : Lƣu đồ thuật tốn và chƣơng trình điều khiển PLC.


DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Asymmetric Digital Subscriber

Đƣờng dây thuêbao số bất đối

Line

xứng

AI

Analog Input

Đầu vào tƣơng tự

AO

Analog Output

Đầu ra tƣơng tự

A/D


Analog/Digital

Tƣơng tự/ Số

CDC

Compact Digital Controller

Thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ

CPU

Central Processing Unit

Khối xử lýtrung tâm

DB

Data Block

Khối dữ liệu

DCS

Distributed control system

Hệ thống điều khiển phân tán

DI


Digital Input

Đầu vào số

DO

Digital Output

Đầu ra số

FB

Function Block

Khối chức năng

FC

Functions

Hàm chức năng

GOT

Graphic Operation Terminal

Màn hì
nh hiển thị đồ họa


HMI

Human Machine Interface

Thiết bị giao tiếp giữa ngƣời và

ADSL

máy
LAN

Local Area Network

Mạng máy tí
nh cục bộ

MMI

Man Machine Interface

Module giao tiếp giữa ngƣời và
máy

MTU

Master Terminal Unit

Đơn vị đầu cuối chủ

OB


Organization Block

Khối tổ chức

PC

Personal Computer

Máy tí
nh cánhân

PID

Proportional Integral Derivative

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

PLC

Programmable Logic Controller

Thiết bị điều khiển logic khả
trì
nh

RTU

Remote Terminal Unit


Đơn vị đầu cuối từ xa


Supervisory Control And Data

Hệ thống điều khiển giám sát và

Acquisition

thu thập dữ liệu

SFB

System Function Block

Khối hàm chức năng hệ thống

SFC

System functions

Hàm chức năng hệ thống

TCP/IP

Transmission Control Protocol/

Giao thức mạng vàvận chuyển

SCADA


Internet Protocol
WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WinCC

Window Control Center

Trung tâm điều khiển chạy trên
nền Windows


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hì
nh 1.1 . Mơhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển vàgiám sát ................2
Hì
nh 1.2. Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát .................................................4
Hì
nh 1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA tiêu biểu ...........................................................6
Hì
nh 1.4. Mơ hình hệ thống SCADA ...........................................................................8
Hì
nh 1.5. Cấu hình một mạng SCADA tiêu biểu .......................................................10
Hì
nh 1.6. Cấu trúc chung của hệ SCADA .................................................................11
Hì

nh 1.7. Các thành phần của hệ SCADA ................................................................12
Hì
nh 1.8. Màn hình HMI ...........................................................................................13
Hì
nh 1.9. Cấu trúc một RTU tiêu biểu ......................................................................14
Hì
nh 1.10. Cấu trúc hệ SCADA với PLC ..................................................................15
Hì
nh 1.11. Cấu hình tiêu biểu của một PLC .............................................................16
Hì
nh 1.12. Kiến trúc một MTU tiêu biểu ..................................................................17
Hì
nh 1.13. Hình minh họa kiến trúc Sub-Master station ..........................................18
Hì
nh 1.14. Các cấp mạng truyền thông trong hệ điều khiển giám sát .....................19
Hì
nh 1.15. Hệ thống SCADA được cấu trúc theo kiểu điểm – điểm .........................21
Hì
nh 1.16. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU nối tiếp .........................................21
Hì
nh 1.17. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU mắc sao – nối tiếp ........................22
Hì
nh 1.18. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu điểm – nhiều điểm ....22
Hì
nh 1.19. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA ...............................................................23
Hì
nh 1.20. Hình minh họa vai trị và hoạt động của SCADA ...................................24
Hình 2.1. Lưu trình cơng nghệ luyện thép ................................................................30
Hì
nh 2.2. Bản vẽ chi tiết lịthổi ...............................................................................31

Hì
nh 2.3. Bản vẽ phối lắp lịthổi ............................................................................32
Hì
nh 2.4. Hình ảnh thực tế của hệ thống quay lị. ....................................................32
Hì
nh 2.5. Bàn điều khiển chính trong phịng vận hành. ...........................................33
Hình 2.6. Bàn điều khiển ra thép. .............................................................................34
Hì
nh 2.7. Bản vẽ súng chi tiết súng oxy. ...................................................................35


Hì
nh 2.8. Cảm biến nhiệt độ Pt100 ...........................................................................37
Hì
nh 2.9. Cầu đấu bên trong của cảm biến nhiệt độ vàvị trílắp thực tế.................37
Hì
nh 2.10. Hình ảnh màng điện trở và điện trở của màng ngăn áp suất. ................38
Hì
nh 2.11. Cảm biến áp suất sử dụng ở NMLT. .......................................................38
Hì
nh 2.12. Minh họa nguyên lý đo chênh áp. ...........................................................39
Hì
nh 2.13. Cảm biến lưu lượng khísử dụng ở NMLT. .............................................39
Hì
nh 2.14. Minh họa ngun lý đo lưu lượng điện từ. ..............................................40
Hì
nh 2.15. Cảm biến lưu lượng nước sử dụng ở NMLT. ..........................................40
Hì
nh 2.16. Ảnh van điện động. .................................................................................41
Hình 2.17. Van điều khiển 4 – 20 mA khínén. ..........................................................42

Hình 2.18. Van điều khiển 4 – 20 mA điện ...............................................................42
Hình 2.19. Van on/off đóng cắt nhanh. .....................................................................43
Hì
nh 3.1. Mơhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển giám sát lịthổi .........47
Hì
nh 3.2. Sơ đồ khối các thành phần cơ bản của lịthổi. .........................................48
Hì
nh 3.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát lịthổi ..........................................49
Hì
nh 3.4. Các Module của biến tần Sinamic ............................................................55
Hì
nh 3.5. Lập trình cócấu trúc ................................................................................57
Hì
nh 3.6. Chu trình vịng qt chương trình .............................................................58
Hì
nh 3.7. Cấu trúc lập trì
nh của hệ thống lịthổi .....................................................60
Hì
nh 3.8. Các chức năng của giao diện HMI ...........................................................61
Hì
nh 3. 9. Giao diện lịthổi.......................................................................................64
Hì
nh 3.10.Giao diện làm mát khíhóa .......................................................................64
Hì
nh 3.11.Giao diện lọc bụi Ventury ........................................................................65
Hì
nh 3.12.Giao diện hệ thống cấp liệu rời ...............................................................65
Hì
nh 3. 13 Giao diện lịthổi khi thổi luyện ...............................................................66
Hì

nh 3. 14 Giao diện hệ thống lọc bụi khi đang hoạt động ......................................67
Hì
nh 3. 15 Giao diện hệ thống cấp liệu khi đang hoạt động ....................................67
Hì
nh 3.16.Giao diện Trend lưu lượng nước Ventury ................................................68


Hì
nh 3.17.Giao diện Trend làm mát khíhóa ............................................................68
Hì
nh 3.18. Giao diện Trend súng Oxy ......................................................................69
Hì
nh 3.19. Giao diện Trend góc quay lò...................................................................69


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.Các giai đoạn của nhàmáy luyện thép.....................................................28
Bảng 2.2. Thông số điều kiện vận hành ...................................................................44
Bảng 3.1. Số lượng tín hiệu vào ra của hệ thống .....................................................53


MỞ ĐẦU
Trong quátrình sản xuất, việc đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru không bị
ngắt quãng làviệc vô cùng quan trọng vìsản phẩm đầu ra có đạt đƣợc chất lƣợng
cao hay không phụ thuộc rất lớn vào việc quá trình đó có tn thủ chặt chẽ theo
cơng nghệ hay không. Đối với sản xuất gang thép cũng phải đạt đƣợc yêu cầu nhƣ
trên bởi nếu một thiết bị nào đó bị hỏng sẽ làm cho tồn bộ qtrình sản xuất cũng
bị dừng lại và điều chắc chắn làsẽ gây ra tổn thất không nhỏ
Một trong những giải pháp cho điều khiển giám sát qtrì

nh cơng nghệ đó là
hệ thống SCADA. Việc thiết kế hệ thống SCADA với đầy đủ các chức năng là rất
cần thiết đảm bảo cho việc dễ dàng bảo trìbảo dƣỡng, giảm sự cố xảy ra do cóchức
năng cảnh báo, hiển thị trực quan cho ngƣời vận hành, tránh đƣợc những hỏng hóc
dẫn đến dừng dây chuyền do chủ quan của ngƣời vận hành. Ngoài ra, chúng ta cịn
cóthể sử dụng thêm các module truyền thơng để cóthể gửi email, tin nhắn qua điện
thoại hoặc quản lýtừ xa qua Ethernet. Khi đó, ngƣời cóthẩm quyền cao hơn có thể
quyết định xử lýkịp thời các lỗi xảy ra giúp qtrì
nh sản xuất khơng bị gián đoạn.
Sản xuất gang thép làngành cơng nghiệp nặng, trong quy trì
nh sản xuất có
những cơng đoạn rất nhiều nguy hiểm cho con ngƣời vàthiết bị. Một trong những
cơng đoạn đó là các lị luyện với nhiệt độ rất cao. Vìvậy giám sát điều khiển tự
động làviệc làm quan trọng trong lĩnh vực sản xuất này.
Luận văn thực hiện việc nghiên cứu hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng
cho lòthổi trong nhàmáy luyện thép với những nội dung chí
nh sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát
Chƣơng 2: Giới thiệu cơng nghệ lịthổi trong nhàmáy luyện thép
Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lịthổi
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo –
PGS.TS Võ Minh Chính, ngƣời đã trực tiếp chỉ bảo và hƣớng dẫn tôi trong suốt quá
trì
nh thực hiện luận văn.


Tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã
động viên, giúp đỡ vàtạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quátrì
nh
học tập vànghiên cứu.

Mặc dù đƣợc sự chỉ bảo sát sao của thầy hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của
bản thân nhƣng do kiến thức còn hạn chế nên luận văn này khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Tơi rất mong nhận đƣợc sự góp ý, bổ sung để luận văn đƣợc hồn thiện
hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

HàNội, ngày 2 tháng 10 năm 2016
Tác giả luận văn

Bùi Thị Thêm


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, khái niệm Tự động hóa qtrì
nh công nghệ không chỉ dừng lại ở
cấp điều khiển hạ tầng mà đƣợc hiểu với chức năng rộng hơn bao gồm cả việc giám
sát và điều hành tồn bộ qtrì
nh sản xuất. Sự chuyển hƣớng trong các giải pháp
điều khiển tự động đƣợc đánh dấu đậm nét bởi các tiến bộ vƣợt bậc của công nghệ
vi điện tử vàcông nghệ thơng tin. Nhu cầu tí
ch hợp hệ thống điều khiển vàgiám sát
cấp cao trong một hệ thống thông tin tổng thể của một xínghiệp sản xuất vàcủa cả
cơng ty ngày càng trở nên quan trọng vàcần thiết.
Khi thiết kế một hệ thống tự động hóa qtrình cơng nghệ, một vấn đề luôn
đặt ra làphải cân nhắc giải pháp hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ hay một hệ

thống tích hợp trọn vẹn. Thiết kế hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ yêu cầu
ngƣời thiết kế phải xây dựng cấu hì
nh hệ thống. Ngƣợc lại một hệ thống điều khiển
qtrình tích hợp, một mặt khơng cho phép ngƣời dùng có nhiều sự lựa chọn về
thiết bị cũng nhƣ cơng cụ phần mềm, mặt khác địi hỏi đầu tƣ ban đầu tƣơng đối
lớn. Giải pháp này thích hợp với các ứng dụng cóquy mơvừa vàlớn bởi độ tin cậy
cao vàhỗ trợ rộng rãi các chức năng điều hành sản xuất. Đồng thời cần đảm bảo các
yêu cầu kỹ thuật, độ linh hoạt, mềm dẻo vàcả giáthành khi thiết kế hệ thống
Điều khiển vàgiám sát bao hàm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm
bảo các yêu cầu chức năng của quátrì
nh kỹ thuật nhƣ năng suất, chất lƣợng, an tồn
cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng. Mặc dù điều khiển và giám sát là hai
nhiệm vụ khác nhau nhƣng chúng lại liên hệ mật thiết với nhau. Thực tế, điều khiển
địi hỏi phải cógiám sát vàmột sự giám sát sẽ vô nghĩa nếu nhƣ thiếu điều khiển, vì
thế ngƣời ta hay dùng một khái niệm chung là điều khiển.
Các giải pháp hệ thống cho điều khiển vàgiám sát một qtrì
nh cơng nghệ
hay một dây chuyền lắp ráp khơng chỉ bao hàm ýtự động hóa, tin học hóa các chức

Học viên: Bùi Thị Thêm

1

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

năng của hệ thống điều khiển mà còn bao hàm ý tiện lợi hóa cho ngƣời sử dụng
điều hành. Hơn nữa nói tới điều khiển vàgiám sát ta khơng hạn chế phạm vi ngƣời

sử dụng ở cấp thao tác viên hay ngƣời điều hành xƣởng máy màcịn cóthể mở rộng
lên cấp quản lý sản xuất hay lãnh đạo công ty. Điều này mang nhiều ý nghĩa trong
việc nghiên cứu tích hợp các hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed
Control System), hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition) vàcác hệ thống hoạch định tài ngun
cơng ty ……
1.1.2 Mơhì
nh phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát
Trong trƣờng hợp tổng quát, một hệ thống điều khiển vàgiám sát trong nhà
máy sản xuất cóthể chia thành 5 cấp theo chức năng nhƣ mơ hình sau :

Hình 1.1. Mơhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển vàgiám sát
Với loại mơ hình này các chức năng đƣợc phân thành nhiều cấp khác nhau,
từ dƣới lên trên. Càng ở những cấp dƣới thìcác chức năng càng mang tính chất cơ

Học viên: Bùi Thị Thêm

2

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức
năng ở cấp trên đƣợc thực hiện dựa trên các chức năng ở cấp dƣới nhƣng ngƣợc lại
lƣợng thông tin cần trao đổi vàxử lýlại lớn hơn nhiều
Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn
thiết bị. Tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mơ
hì

nh phân cấp chức năng.
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lƣờng, dẫn động
và chuyển đổi tín hiệu trong trƣờng hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến
hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lƣờng, truyền động
đƣợc chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thơng minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có
thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trƣớc khi đƣa lên cấp trên điều khiển.
Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các
bộ cảm biến, xử lý các thơng tin đó theo một thuật tốn nhất định và truyền đạt lại
kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các cơng cụ đo
lƣờng, tự thực hiện các thao tác nhấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm
xoay… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay đƣợc gọi chung là cấp trƣờng chính vì
các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành đƣợc cài đặt trực tiếp tại hiện trƣờng gần
kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình
kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ ngƣời sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác
theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thƣờng. Ngồi ra trong
một số trƣờng hợp, cấp này cịn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp nhƣ điều
khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các
chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thƣờng khơng địi hỏi phƣơng tiện, thiết bị
phần cứng đặc biệt ngồi máy tí
nh thơng thƣờng
Thông thƣờng ngƣời ta chỉ coi ba cấp dƣới thuộc phạm vi của một hệ thống
điều khiển và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và

Học viên: Bùi Thị Thêm

3

Lớp: 14B ĐKTĐH



Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

điều hành sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mơ hình lý tƣởng cho cấu trúc chức
năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp.
1.1.3 Cấu trúc vàcác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát
- Cấu trúc chung của hệ điều khiển và giám sát đƣợc minh họa trong hì
nh vẽ
sau:

Hình 1.2. Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng
vai trị là giao diện giữa thiết bị điều khiển với q trình kỹ thuật. Cịn hệ thống điều
khiển giám sát đóng vai trị là giao diện giữa ngƣời và máy. Các thiết bị và các bộ
phận của hệ thống đƣợc ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point)
hoặc qua mạng truyền thơng. Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến có thể là tín hiệu số
hoặc tƣơng tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải đƣợc chuyển đổi cho phù hợp
với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Các thành phần chính của hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm:
Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi
vàcác cơ cấu chấp hành.

Học viên: Bùi Thị Thêm

4

Lớp: 14B ĐKTĐH



Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các
bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều
chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần
mềm điều khiển tƣơng ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện ngƣời-máy
HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus
trƣờng, bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn
Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các ứng dụng điều
khiển có thể đƣợc phân chia thành ba loại sau:
-

Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control)

-

Điều khiển điều chỉnh (regulatory control)

-

Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA)
Tùy theo tính chất của q trình các yêu cầu về các ứng dụng này có thể khác

nhau. Có qtrình gồm chủ yếu là ứng dụng điều khiển logic nhƣ trong các phân
xƣởng lắp ráp nhƣng cũng có quá trình gồm chủ yếu là các ứng dụng điều khiển
điều chỉnh nhƣ trong các nhà máy hóa chất nơi quá trình sản xuất là liên tục. Riêng
yêu cầu về giám sát - vận hành là tồn tại trong hầu hết trong các hệ thống

Các hệ thống điều khiển đƣợc xây dựng trong thực tế phải đáp ứng yêu cầu
của q trình sản xuất hay thiết bị sử dụng nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu
của cả ba loại ứng dụng điều khiển nêu trên. Từ nhu cầu thực tế, trong thế giới tự
động hóa ngày nay tồn tại nhiều loại hệ thống đƣợc thiết kế cho các chức năng đặc
biệt nhƣ DCS, SCADA….
SCADA là viết tắt của điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory
Control and Data Acquisition). Hệ SCADA là hệ các thiết bị hỗ trợ cho việc thực
hiện chức năng giám sát và vận hành hệ thống công nghệ. Các thiết bị này kết hợp
với nhau để thực hiện điều khiển từ xa và thu thập dữ liệu. Một hệ thống SCADA
thu thập các thông tin, truyền tải thông tin về trung tâm, sau đó cảnh báo trạm vận

Học viên: Bùi Thị Thêm

5

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

hành về sự cố, thực hiện các phân tích và điều khiển cần thiết, nhƣ là xác định xem
sự cố có nghiêm trọng khơng và hiển thị các thơng tin theo một cách logic và có tổ
chức. Trƣớc đây, các hệ thống SCADA sử dụng mạng chuyển mạch công cộng cho
mục đích giám sát. Ngày nay, nhiều hệ thống đƣợc giám sát sử dụng hạ tầng mạng
cục bộ LAN hoặc mạng diện rộng WAN. Công nghệ truyền thông không dây hiện
nay cũng đang đƣợc triển khai rộng rãi cho mục đích giám sát.

Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA tiêu biểu
DCS là viết tắt của hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control
System). DCS là hệ thống chuyên dụng đƣợc dùng để điều khiển các quá trình sản

xuất liên tục hoặc theo mẻ, một quá trình hoặc bất cứ một hệ thống động học nào,
trong đó các bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà đƣợc phân tán trên toàn
hệ thống với mỗi hệ thống con đƣợc điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển.
Toàn bộ hệ thống các bộ điều khiển đƣợc nối mạng với nhau để có thể truyền thơng
vàgiám sát.
Cấu trúc của hệ thống DCS tƣơng tự với hệ thống SCADA, cũng bao gồm
các thiết bị giao diện dữ liệu trƣờng, hệ thống truyền thông, các máy chủ trung tâm
và tập hợp các phần mềm. Tuy nhiên, các chức năng chính và các yêu cầu đối với
các phần cũng khác nhau. Trong hệ thống DCS, chức năng chính của các thiết bị

Học viên: Bùi Thị Thêm

6

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

giao diện dữ liệu trƣờng là các bộ điều khiển mà ở đó các thuật tốn điều khiển q
trình đƣợc thực thi. Thêm vào đó, hệ thống truyền thơng của DCS phải đảm bảo
việc trao đổi dữ liệu giữa các đơn vị điều khiển là theo thời gian thực nhƣng một hệ
thống SCADA là một hệ thống phối hợp, chứ khơng điều khiển các q trình theo
thời gian thực.
Để tóm tắt lại có thể phân biệt như sau:
- DCS hƣớng q trình cơng nghệ, trong khi SCADA là hƣớng thu thập dữ liệu.
- DCS là điều khiển theo quá trình cơng nghệ, trong khi SCADA là điều khiển
theo sự kiện.
Hệ thống điều khiển phân tán là nhằm thực hiện các ứng dụng điều khiển điều
chỉnh và điều khiển logic. Các hệ thống điều khiển phân tán thƣơng phẩm thƣờng

có cấu trúc giống với hệ SCADA là do hệ thống điều khiển tích hợp đó có thực hiện
chức năng SCADA. Trong hệ thống điều khiển phân tán thƣơng phẩm ứng dụng
điều khiển logic và điều khiển điều chỉnh có thể thiết lập theo phƣơng thức điều
khiển phân tán còn SCADA chỉ là một chức năng của hệ thống. Hệ SCADA khơng
phải làhệ điều khiển đầy đủ mànótập trung vào mức giám - sát vận hành.
Trong đề tài luận văn này tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu về hệ điều khiển giám sát
và thu thập dữ liệu SCADA.
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA
1.2.1 Định nghĩa
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory
Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con ngƣời trong việc giám sát và điều
khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thơng thƣờng. Để có thể điều
khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu
cũng nhƣ hệ giao diện ngƣời – máy (HMI – Human MachineInterface).
Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng
không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn ngƣời ta cũng cần giao

Học viên: Bùi Thị Thêm

7

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

diện ngƣời – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều
khiển cục bộ.


Hình 1.4. Mơ hình hệ thống SCADA
Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống
mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và
truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống nhƣ vậy thì hệ truyền
thơng và phần cứng đƣợc đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong
những năm gần đây sự tiến bộ vƣợt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và
công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp
mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn
công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống.
1.2.2 Tính năng của hệ thống SCADA
- Kiểm soát truy cập
Ngƣời dùng đƣợc chỉ định vào các nhóm, mỗi nhóm đƣợc định nghĩa các
quyền truy cập đọc/ghi các thơng số của q trình điều khiển trong hệ thống.
- MMI (Man Machine Interface)
Biểu thị dữ liệu cho ngƣời vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua
nhiều dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng…
- Lập biểu đồ (Trending)
Các sản phẩm SCADA đều hỗ trợ tiện ích lập biểu đồ, tính năng lập biểu đồ
thông thƣờng bao gồm:

Học viên: Bùi Thị Thêm

8

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

Thông số đƣợc ghi ở một biểu đồ cụ thể đƣợc định nghĩa trƣớc hoặc đƣợc

định nghĩa trực tiếp. Lập biểu đồ thời gian thực và lƣu lại cho việc tra cứu về sau.
- Điều khiển báo động (Alarm Handling)
Báo động đƣợc dựa trên kiểm tra giới hạn, trạng thái và đƣợc thực hiện trên
các máy chủ. Sự báo động đƣợc thực hiện tập trung, thông tin chỉ tồn tại ở một vị trí
và tất cả ngƣời dùng thấy cùng một trạng thái, báo động với nhiều mức ƣu tiên đƣợc
hỗ trợ.
Ta có thể nhóm các báo động, chọn lựa các báo động vào các trang khác
nhau hoặc khi xem bảng ghi báo động (alarm log) ta có thể xem theo độ ƣu tiên,
thời gian và theo nhóm. E-mails có thể tự động đƣợc gửi hoặc tự động thực thi các
đáp ứng tùy thuộc vào mỗi điều kiện báo động.
-

Ghi sự kiện và lƣu trữ (Logging/Archiving)

Ghi sự kiện và lƣu trữ thƣờng đƣợc sử dụng để miêu tả một tiện ích. Tuy
nhiên, ghi sự kiện có thể đƣợc nghĩ là lƣu trữ dữ liệu lên đĩa cho chiến lƣợc ngắn
hạn hoặc trung bình, trong khi đó lƣu trữ đƣợc sử dụng cho chiến lƣợc lâu dài trên
đĩa hoặc các thiết bị lƣu trữ thƣờng trực khác. Ghi sự kiện tiêu biểu đƣợc thực hiện
theo chu kỳ, khi dung lƣợng dữ liệu hoặc khoảng thời gian đạt đến giới hạn thì dữ
liệu cũ sẽ đƣợc ghi đè bởi dữ liệu mới.
Sự kiện có thể đƣợc ghi theo một tần số đặt trƣớc, hoặc khởi tạo khi có sự
thay đổi, hoặc một sự kiện đƣợc chỉ định trƣớc xảy ra. Dữ liệu của sự kiện có thể
đƣợc chuyển qua lƣu trữ khi bảng ghi sự kiện đã đầy. Các sự kiện đƣợc đánh dấu
thời gian và có thể đƣợc lọc theo thời gian xảy ra sự kiện khi đƣợc quan sát bởi
ngƣời dùng.
- Xuất báo cáo (Report Generation)
Báo cáo có thể xuất dƣới dạng truy vấn SQL cho lƣu trữ file, bảng ghi sự
kiện dạng text, file sự kiện dạng html … Báo cáo có thể đƣợc xuất, in và lƣu trữ tự
động.


Học viên: Bùi Thị Thêm

9

Lớp: 14B ĐKTĐH


Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát

- Tự động hố(Automation)
Tính năng quan trọng nhất của SCADA là cho phép các hành động đƣợc kích
hoạt tự động bởi các sự kiện. Một ngôn ngữ Script đƣợc cung cấp bởi các hệ thống
SCADA cho phép các hành động đƣợc định nghĩa trƣớc. Ví dụ nhƣ hiện một cửa sổ
cụ thể, gửi một E-mail, chạy một ứng dụng, đoạn mã hoặc ghi vào cơ sở dữ liệu.
Điều khiển tuần tự đƣợc hỗ trợ, nhờ đó có thể thực hiện một tuần tự phức tạp
các sự kiện ở một hoặc nhiều thiết bị. Điều khiển tuần tự cịn có thể có tác động
ngƣợc lại với các sự kiện bên ngoài.
1.2.3 Sơ đồ cấu trúc phần cứng
Một mạng SCADA về bản chất làsự kết hợp của các máy chủ, máy tớ vàcác
thiết bị trƣờng đƣợc kết nối bởi mạng truyền thơng. Điều khiển tiến trì
nh vàlogic
đƣợc điều khiển bởi các máy chủ. Thông tin sử dụng của các máy chủ đƣợc thu thập
bởi các bộ điều khiển/cảm biến. Các máy tớ làcác giao tiếp đƣợc sử dụng bởi ngƣời
vận hành để tƣơng tác với hệ thống.
MTU

`

`


Trạm vận hành

`

`

Trạm lập trình ,
bảo dƣỡng

Ethernet

RTU/PLC

Profibus

Cảm biến/ Cơ
cấu chấp hành
E-1

Hình 1.5. Cấu hình một mạng SCADA tiêu biểu
Các máy chủ thông thƣờng đƣợc đặt ở nhà máy chí
nh/trạm chí
nh. Chúng
truyền thơng với các bộ điều khiển cục bộ hoặc ở các vị tríxa, các bộ điều khiển
cần đƣợc giám sát hoặc điều khiển. Kí
ch cỡ và độ phức tạp của một mạng SCADA

Học viên: Bùi Thị Thêm

10


Lớp: 14B ĐKTĐH