Hệ thống SCADA là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu [1]. Hệ thống SCADA trên tàu thuỷ để điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của tất cả các hệ thống máy móc thiết bị, tình trạng của các két, các khoang trên tàu và dự báo cháy ở tất cả các boong, các phòng trên tàu. Do tính chất đặc thù của tàu thuỷ là làm việc độc lập trên biển và chịu môi trường làm việc khắc nghiệt như độ rung lắc, độ ẩm, nước mặt và sự thay đổi thường xuyên của nhiệt độ và áp suất. Vì vậy, ngoài những đặc điểm chung của một hệ SCADA thông thường thì để sử dụng trên tàu thuỷ bắt buộc hệ thống phải có thêm một số tính chất khác đó là: Hệ thống phải có tính dự phòng (redundant), có hệ thống an toàn (safety) và sự cố (emergency) với thời gian tác động nhanh, hệ thống phải vận hành được ở nhiều vị trí tại chỗ và từ xa, có chế độ bằng tay và tự động.

Cấu trúc cơ bản hệ thống SCADA trên tàu thuỷ

Với những yêu cầu như trên thì nguyên tắc chung để cấu trúc lên một hệ SCADA trên tàu thuỷ gồm có ba cấp và hai hệ thống mạng. Các cấp của hệ thống là: Cấp trạm điều hành (control station level), cấp vận hành (operating level) và cấp điều khiển và xử lý (process level). Các hệ thống mạng là mạng hệ thống và bus trường.

Cấp trạm vận hành là cấp cao nhất trong hệ thống, nó thực hiện nhiệm vụ điều khiển và giám sát các quá trình trên tàu qua hệ thống máy tính với phần mềm điều khiển giám sát như Intouch, WinCC… nó điều khiển và quản lý máy in các báo cáo, lưu trữ các giá trị thông tin quá trình và ghi nhật ký máy. Ngoài ra, cấp này còn thực hiện công việc trao đổi thông tin giữa hệ SCADA với các hệ thống khác trên tàu như dịch vụ inmasat-C để trao đổi dữ liệu với công ty.

Cấp vận hành hay còn gọi là giao diện giữa người và máy, cho phép con người can thiệp vào các quá trình hoạt động của các thiết bị máy móc trên tàu thông qua các phím, nút bấm, các đồng hồ chỉ thị và các tham số quá trình trên các panel hiển thị. Ngoài ra, để vận hành an toàn và giải quyết sự cố nhanh chóng, các hệ thống ở cấp này có các nút ấn, công tắc được nối trực tiếp từ nơi vận hành xuống thiết bị thực hiện mà không thông qua hệ thống mạng bus trường.

Cấp điều khiển và xử lý có nhiệm vụ thu thập xử lý dữ liệu và điều khiển sự hoạt động của đối tượng. Cấp này gồm có các bộ điều khiển khả trình (PLC) với các vào/ra tập trung và các vào/ra phân tán mà nó được nối với các PLC qua mạng bus trường. Từ các đầu vào/ra này được nối tới các sensor và các actuator.

Mạng (bus) hệ thống thực hiện liên kết các bộ điều khiển PLC cấp điều khiển và xử lý với các máy tính ở cấp trạm vận hành. Bus trường thực hiện liên kết các bộ điều khiển PLC với các vào/ra phân tán và các panel vận hành.

Việc truyền thông của hai hệ thống mạng trên dựa trên cơ sở của mô hình mở OSI gồm bảy lớp (giao thức) cho các hệ thống tự động. Tuy nhiên, thực tế hai hệ thống mạng trên đây không thể hiện đầy đủ bảy lớp mà chỉ thể hiện rõ lớp một (lớp vật lý), lớp hai (lớp liên kết dữ liệu) và lớp bảy (lớp ứng dụng) mà thôi. Mạng hệ thống thường là mạng ethernet, MPI còn bus trường là CAN hay profibus-DP hoặc AS-i. Mạng ethernet có dung lượng truyền lớn, truyền bit nối tiếp với tốc độ đến 10Mbit/s và sử dụng cáp xoắn đôi có bọc chống nhiễu. Bus trường có dung lượng truyền nhỏ, truyền bit nối tiếp với tốc độ thấp, khoảng 250Kbit/s và sử dụng cáp xoắn đôi có điện trở cuối khoảng 120W, khoảng cách truyền lên tới 1km. Hai hệ thống mạng trên đều được dự phòng gồm hai đường cáp mạng đi song song ở hai mạng của tàu. Khi hệ thống làm việc bình thường thì một đường cáp mạng mặc định được sử dụng, còn đường kia ở chế độ standby. Nếu xảy ra hỏng hóc hệ thống sẽ có thuật toán chẩn đoán và kịp thời khởi động đường cáp mạng dự phòng.

Hệ SCADA trên tàu thuỷ

Để thuận tiện cho việc quản lý, theo dõi và giám sát hoạt động của con tàu thì tất cả các thiết bị máy móc trên tàu được chia ra làm bốn vùng [2]. Đó là các vùng sau: Vùng máy diesel chính lai chân vịt, hộp số; vùng các tổ hợp diesel máy phát, bảng điện chính; Vùng các máy phụ như nồi hơi, máy lọc dầu, máy phân ly, hệ thống lái, neo và làm hàng… Vùng gồm các két, khoang và dự báo cháy nổ xảy ra trên các boong.

Cấp trạm điều hành thường có 2 máy tính, 2 máy in một đặt ở buồng lái, một đặt ở buồng điều khiển máy. Giao diện đồ hoạ trên máy tính cũng được chia ra bốn vùng như trên, tuy nhiên có thể chuyển đổi việc theo dõi giám sát các vùng một cách linh hoạt nhờ các phím chức năng. Chương trình đồ hoạ hiển thị một cách sinh động trạng thái và sự hoạt động của tất cả các thiết bị máy móc. Trên mỗi trang màn hình giám sát đều có các tiện ích như các phím bấm, hộp đánh dấu, con trượt,… cho phép can thiệp một cách trực tiếp tới quá trình. Mặt khác, các thông tin quá trình còn được tự động lưu vào một cơ sở dữ liệu SQL theo các tình huống như sự kiện, theo chu kỳ hoặc do người vận hành quy định. Từ cơ sở dữ liệu này số liệu được đưa vào các mẫu báo cáo và có thể được in ra giấy.

Do tính chất vạn năng trên tàu thuỷ nên mỗi thiết bị đều có thể được điều khiển bằng tay hoặc tự động, từ xa tại buồng lái, buồng điều khiển máy, buồng ở hoặc tại chỗ tại buồng máy thông qua các panel được đặt tại các vị trí tương ứng và được nối bằng mạng bus trường tới các bộ điều khiển khả trình PLC. Các PLC được trang bị cho từng thiết bị, đối với các thiết bị chiếm vị trí không gian rộng lớn như diesel lai chân vịt, hệ thống lái, làm hàng, hệ thống kiểm tra mức két, khoang, hệ thống báo cháy và hệ thống chỉ báo từ xa.. thì ngoài bộ điều khiển PLC với các đầu ra tập trung còn trang bị thêm các vào/ra phân tán đặt tại hiện trường gần thiết bị, ở xa bộ điều khiển và được nối với bộ điều khiển qua mạng bus trường.

Kết luận

Hệ SCADA trên tàu thuỷ đã tích hợp toàn diện hệ thống tự động trên tàu và thống nhất quá trình điều khiển. Từ giao diện đồ hoạ trên màn hình máy tính tại cấp trạm vận hành một thuyền viên bất kỳ đều có thể thấy được toàn cảnh tình trạng hoạt động của các thiết bị máy móc và các hệ thống trên tàu đồng thời qua một cơ sở dữ liệu lưu trữ có thể đảm bảo đầy đủ thông tin để định kỳ bảo dưỡng máy, in nhật ký kèm theo. Do đó hệ SCADA trên tàu thuỷ không những làm tăng tính an toàn, tin cậy cho những người công tác trên biển mà còn tăng được hiệu quả sản xuất, vận chuyển hàng hoá của con tàu trên đại dương.

Tài liệu tham khảo

[1] TS. Thân Ngọc Hoàn, Tự động hoá quá trình công nghệ, ĐHHH, 2000

[2] MTU, PCS5 intruction manual, Catalog, 2000

Theo tạp chí Tự  Động Hoá