Hệ thống SCADA (Tất cả những điều bạn cần biết)

1/ SCADA là gì?

Thuật ngữ SCADA viết tắt của Supervisory Control and Data Acquisition, có nghĩa là Hệ thông điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu.

Một hệ thống SCADA bao gồm một tập hợp cả phần mềm và các thiết bị phần cứng cho phép theo dõi và điều khiển dây chuyền sản xuất, trực tiếp nội bộ hoặc từ xa. SCADA cũng có thể giám sát, thu thập và xử lý dữ liệu theo thời gian thực.

Human Machine Interface (HMI) – phần mềm giao tiếp con người và máy móc, tạo điều kiện cho người điều khiển tương tác với các thiết bị như bơm, van, động cơ, cảm biến,…

hệ thống scada

Lưu ý: Cũng trong phần mềm SCADA này, bạn cũng có thể lưu trữ dữ liệu để phân tích về sau

Cấu trúc của một hệ SCADA tiêu chuẩn bắt đầu với Remote Terminal Units (RTUs) – các thiết bị đầu cuối từ xa, và/hoặc các bộ điều khiển PLC. Như bạn cũng đã biết vè RTUs và PLC là các chip vi xử lý cho phép giao tiếp và tương tác với các thiết bị như van điện từ, bơm và HMIs

Các dữ liệu giao tiếp này được phát từ các bộ xử lý đến hệ thống máy tính SCADA, nơi mà các phần mềm sẽ giải mã và  hiển thị dữ liệu, cho phép người điều khiển phân tích và phản ứng với bất kỳ sự kiện nào trong hệ thống.

1.1/ Các thành phần trong một hệ thống SCADA

  • Remote terminal unit (thường được goi tắt là RTU) : kết nối với cảm biến (sensor) và chuyển các tín hiệu từ các cảm biến này thành tín hiệu số. RTU có thể gửi tín hiệu về hệ thống giám sát trung tâm cũng như nhận các tín hiệu lệnh .
  • Programmable Logic Controller ( thường gọi là PLC, có lẽ đã quá quen thuộc với các bạn sinh viên kỹ thuật) : có khả năng điều khiển cao hơn RTU và trong một số tình huống được sử dụng thay thế cho RTU vì tính linh động, kinh tế và tùy biến cao hơn.
  • Hệ thống viễn thông : dùng để kết nối các thiết bị RTU/PLC về trung tâm điều khiển/giam sát. Ví dụ của hệ thống viễn thông bằng cáp là các đường truyền tín hiệu, các mạch WAN. Ví dụ của hệ thống viễn thông không dây là các vệ tinh, các thiết bị radio…Theo mình biết, ở hệ thống điện lực Việt nam dùng Cáp quang để truyền dữ liệu SCADA.
  • Server thu thập dữ liệu : là phần mềm sử dụng các giao thức công nghiệp để kết nối các dịch vụ phần mềm. Kết nối RTU/PLC . Cho phép các clients truy xuất dữ liệu ở các thiết bị từ xa bằng các giao thức chuẩn.
  • Giao diện người-máy (HMI) : là thiết bị thể hiện dữ liệu xử lý cho người vận hành , và thông qua giao diện này, người vận hành có thể tương tác với hệ thống.
  • Và một số thiết bị khác

các thành phần trong một hệ thống scada

Một trong những vấn đề cần quan tâm nhất trong hệ thống SCADA chính là giao thức giao tiếp giữa các thiết bị. Hiện này, các giao thức phổ thông nhất hiện này là : Modbus RTU, RP-570Profibus và Conite. Ngoại trừ giao thức Modbus RTU được Schneider chuyển thành dạng mở (tương tự mã nguồn mở Android), còn lại các giao thức còn lại đều phụ thuộc vào mỗi nhà sản xuất SCADA nhưng đều được chấp nhận và sử dụng rộng rãi. Các giao thức chuẩn là  IEC 60870-5-101 or 104IEC 61850 và DNP3 là các giao thức được quy định chung và được chấp nhận bởi tất cả các nhà sản xuất. Nhiều giao thức này hiện này đã được mở rộng và vận hành trên TCP/IP.

1.2/ Trước khi hệ thống SCADA ra đời

Trước khi có SCADA, người chịu trách nhiệm cho dây chuyền sản xuất thường phải giám sát vào điều khiển quá trình thông qua các công tắc, nút nhấn và tinh chỉnh các tín hiệu analog một cách thủ công. Có nghĩa là, anh quản lý phải ở đó trong suốt quá trình sản xuất, để đảm bảo điều khiển được hệ thống này.

Khi nền sản xuất công nghiệp phát triển và các hệ thống sản xuất trở nên tự động hơn nhờ vào các relay và timer, hỗ trợ giám sát và điều khiển quy trình. Đồng nghĩa với việc ít nhân công phải có mặt trực tiếp tại đó.

Công nhận là các bộ relay và timer thúc đẩy tính tự động hóa, các thiết bị này đòi hỏi đáng kể lượng không gian hay việc sửa lỗi có thể coi như một cơn ác mộng, thậm chí là cấu hình lại từ đầu.

Bởi những vấn đề này, nhu cầu phát triển các hệ thống sản xuất quy mô lớn hơn, đã giúp tạo điều kiện cho ra đời khái niệm tự động hóa.

1.3/ Ví dụ về hệ thống SCADA trong thực tế

Một nhà máy có một bồn chứa nước được điều khiển từ xa. Khi bồn chưa đầy, sẽ có hệ thống báo động truyền về trung tâm. Người điều hành tại trung tâm có thể quan sát mực nước, có thể thay đổi mức nước báo động, hoặc ngừng bơm nước vào bồn. Khái niệm “từ xa” ở đây có thể hiểu là khoảng cách tương đương giữa các thành phố, hoặc thậm chí là khoảng cách giữa các quốc gia. Theo mình biết, nếu khoảng cách ở tầm vài trăm mét thì vẫn có những hệ thống tương tự, nhưng người ta không gọi là SCADA

2/ Cần lưu ý gì khi làm việc với hệ thống SCADA

  • Trung tâm điều khiển (master): trung tâm điều khiển sẽ quyết định số lượng thiết bị từ xa mà bạn có thể theo dõi/giám sát. Tùy vào nhà sản xuất mà số lượng thiết bị (station) sẽ thay đổi. Bạn cần tham khảo catalogue nhà sản xuất để có thông tin này.
  • Lựa chọn giao thức truyền thông: bạn mở rộng hệ thống hiện hữu hay lắp đặt mới ? bạn có dự định mở rộng trong tương lai hay không ? bạn cần phải chọn giao thức phù hợp với điều kiện hệ thống hiện tại.
  • Phương tiện truyền thông: có dây hay không dây ? nếu có dây, bạn muốn truyền bằng hình thức nào ? truyền qua modem điện thoại ? qua modem analogue ? qua TCP/IP ? qua sóng vô tuyến ? qua vệ tinh?…

3/ Lịch sử ra đời và phát triển của SCADA

Những năm 1950, việc điều khiển hệ thống bằng các bộ xử lý đã trở thành hiện thực vào những năm 50 của thế kỷ trước. Gas và dầu khí, các tiện ích và ngành sản xuất chính là những ngành tiên phong sử dụng công nghệ mới và điều khiển giám sát.

scada năm 1950

Những năm 1960, khoảng 1 thập kỷ sau, hệ thống đo từ xa đã nâng cấp thêm khả năng điều khiển từ xa, giao tiếp tự động và luân chuyển dữ liệu đến các vị trí đầu mối điều khiển.

Những năm 1970, SCADA đã được sử dụng để mô tả các hệ thống sử dụng PLC và vi xử lý để giám sát và điều khiển những quy mô sản xuất lớn hơn trước đó nhiều lần. Chúng là những cỗ máy khổng lồ, máy tính lớn thực sự, và vì mạng lưới chưa được hình thành, chúng là vẫn là những mảnh ghép độc lập.

scada năm 1970

Những năm 1990, 2 thập kỷ trôi qua, hệ thống máy tính nhỏ gọn hơn, sự xuất hiện của hệ thống mạng nội bộ LAN, phần mềm HMI, các hệ thống SCADA đã có khả năng kết nối các hệ thống lại với nhau thành 1 thể thống nhất. Tuy nhiên, dữ liệu vẫn là nội bộ, không thể kết nối ra bên ngoài. Trong thời điểm này, đây gọi là hệ thống SCADA phân tán

scada năm 1990

Đến những năm 2000, SCADA bắt đầu có khả năng mở hơn với các giao thức kết nối không chỉ 1 nhà cung cấp mà là một số lượng lớn. Bởi lí do này, SCADA lúc này được gọi là mạng lưới hệ thống SCADA.

Một hệ thống SCADA mới mẻ, tiến hóa nhiều lần, tuy nhiên lại không kéo dài lâu. Với việc ngành công nghệ máy tính phát triển chóng mặt, hệ thống công nghệ thông tin nhanh chóng nắm toàn bộ lưu lượng thông tin. Cơ sở dữ liệu của hệ thống IT trở thành cơ sở dữ liệu SQL (ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc)

Đối với những nhà phát triển SCADA, họ không thể ứng dụng các tiêu chuẩn cơ sở dữ liệu này, vì thế mà SCADA dần trở nên lỗi thời trong khi các công nghệ khác phát triển với tốc độ rất nhanh.

4/ SCADA ngày nay như thế nào?

Các hệ thống SCADA hiện này dần thích nghi với các công nghệ thay đổi và có lợi thế lớn so với các hệ thống SCADA cũ. Bằng cách thích ứng với các tiêu chuẩn IT hiện đại như SQL hay các ứng dụng trên web, SCADA cho phép thông tin hệ thống thời gian thực có thể được truy cập từ bất cứ đâu trên thế giới.

Tất cả dữ liệu đều hiện ra chỉ bằng vài cú chạm tay tạo điều kiện cho cải tiến vận hành các nhà máy, cho phép phản hồi liên tục dựa trên dữ liệu thu thập và phân tích. Loại phương thức giao tiếp này có thể từ một chiếc máy tính, nằm trong một văn phòng nào đó, tại bất cứ đâu.

Có thể nói, công nghệ tiên tiến thực sự đã làm cho thế giới dường như trở thành một nơi rất nhỏ. Và bởi vì hệ thống SCADA đã có thể tương thích với các cơ sở dữ liệu SQL, lịch sử dữ liệu được thu thập lại và được sử dụng nhằm cải tiến hoặc truy cứu lại sau này.

scada ứng dụng ngày nay

Về bản chất: SCADA là một hệ bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm. Hệ tổng thể này được lấy dữ liệu theo thời gian thực từ chính các thiết bị tham gia vào quy trình sản xuất như bơm, van, các bộ phận chuyển động. Các thiết bị trên không nhất thiết phải xuất phát từ cùng một nhà cung cấp, chúng chỉ cần có một giao thức kết nối để bộ xử lý có thể tối ưu hóa toàn bộ quy trình.

Dữ liệu thu thập từ các thiết bị trên đều được đưa đến các bộ xử lý trung tâm như PLC. Từ đây, dữ liệu được phân tán đến một hệ thống mạng lưới các thiết bị khác, chúng có thể là HMI, máy tính đầu cuối hay máy chủ server. Trên thiết bị HMI và máy tính đầu cuối quản lý, các hoạt động như chạy bơm dầu hay mở van, khóa van được thể hiện sinh động. Loại dữ liệu này cũng có thể được phân tích để tối ưu hóa quy trình sản xuất và xử lý các vấn đề

♦ Xem thêm

Bài viết liên quan