Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control System, ICS) là tập hợp thiết bị điều khiển, cảm biến, cơ cấu chấp hành, mạng truyền thông và phần mềm dùng để vận hành và tự động hóa quy trình sản xuất. Bài viết đi từ khái niệm hệ thống điều khiển nói chung, cách phân loại vòng hở, vòng kín, logic, đến các dạng ICS phổ biến như SCADA, DCS, PLC, RTU, IED và mười thành phần cấu tạo nên một ICS hoàn chỉnh.
1. Hệ thống điều khiển là gì
Hệ thống điều khiển (control system) là hệ thống được thiết kế để tự điều chỉnh, định hướng và thực hiện các tác vụ cho chính nó hoặc cho các hệ thống khác, nhằm giữ đầu ra ở giá trị mong muốn.
Ví dụ quen thuộc là cơ chế giữ thân nhiệt: khi nhiệt độ cơ thể vượt 37 °C, cơ thể đổ mồ hôi; khi thấp hơn, cơ thể run để sinh nhiệt. Cả hai phản ứng là một hệ thống điều khiển sinh học đưa nhiệt độ về giá trị đặt.
Dạng phổ biến nhất trong công nghiệp là hệ thống điều khiển phản hồi (feedback control). Bộ điều khiển đo đầu ra của quá trình, so với giá trị đặt (setpoint) rồi điều chỉnh tín hiệu điều khiển. Giá trị đặt có thể cố định hoặc thay đổi theo công thức sản xuất.
Rất nhiều quá trình trong nhà máy cần điều khiển liên tục: giữ ổn định nhiệt độ lò, mức chất lỏng trong bồn, áp suất đường ống, tốc độ băng tải. Hệ thống điều khiển không cần người tham gia trực tiếp trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động.
2. Phân loại hệ thống điều khiển
2.1 Hệ thống điều khiển vòng hở
Trong hệ thống vòng hở (open loop), bộ điều khiển tác động lên quá trình theo chương trình định trước, không đo kết quả đầu ra. Ví dụ nồi hơi sưởi ấm được cấp nhiệt trong một khoảng thời gian cố định, không phụ thuộc nhiệt độ thực tế của tòa nhà. Vòng hở đơn giản, rẻ, nhưng không tự sửa sai khi có nhiễu.
2.2 Hệ thống điều khiển vòng kín
Trong hệ thống vòng kín (closed loop), tác động điều khiển phụ thuộc vào chênh lệch giữa giá trị đặt và giá trị đo thực tế. Với nồi hơi, cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ tòa nhà và phản hồi về bộ điều khiển; bộ điều khiển tăng giảm công suất để giữ nhiệt độ ở giá trị đặt. Thuật toán PID (tỷ lệ – tích phân – vi phân) là dạng điều khiển vòng kín dùng nhiều nhất trong công nghiệp.
2.3 Hệ thống điều khiển logic
Hệ thống điều khiển logic xử lý các tín hiệu ON/OFF theo trình tự: cảm biến báo có vật thì băng tải chạy, cửa an toàn mở thì máy dừng. Trước đây hệ thống này được đấu bằng relay theo sơ đồ bậc thang (ladder logic). Ngày nay hầu hết được xây dựng trên bộ điều khiển logic khả trình PLC hoặc vi điều khiển; ngôn ngữ ladder vẫn được giữ làm ngôn ngữ lập trình cho PLC.
2.4 Hệ thống điều khiển on – off
Bộ điều khiển on – off là dạng phản hồi âm đơn giản nhất: khi nhiệt độ thấp hơn giá trị đặt, bộ điều khiển bật lò; khi vượt ngưỡng, tắt lò. Để tránh đóng cắt liên tục, bộ điều khiển thêm khoảng trễ (hysteresis) giữa ngưỡng bật và ngưỡng tắt. Dạng này phù hợp quá trình có quán tính lớn như lò sấy, kho lạnh.
2.5 Hệ thống điều khiển tuyến tính
Hệ thống điều khiển tuyến tính dùng phản hồi âm tuyến tính để tính tín hiệu điều khiển từ sai lệch và các biến khác, giữ quá trình trong dải làm việc chấp nhận được. Điều khiển PID trên biến tần, van điều khiển, bộ điều khiển nhiệt độ thuộc nhóm này.
3. Hệ thống điều khiển công nghiệp ICS là gì?
ICS (Industrial Control System) là thuật ngữ chung chỉ tập hợp các hệ thống điều khiển và công cụ liên quan dùng để vận hành và tự động hóa quy trình công nghiệp. ICS gồm toàn bộ thiết bị, mạng, phần mềm và cơ cấu điều khiển tham gia quản lý hoạt động sản xuất.
ICS có mặt trong sản xuất chế tạo, điện lực, dầu khí, hóa chất, xử lý nước, giao thông. Tùy quy mô và tính chất quá trình, ICS được triển khai dưới dạng SCADA, DCS hoặc hệ thống dựa trên PLC, thường kết hợp cả ba.
Bảo mật cho hệ thống điều khiển công nghiệp
Khi ICS nối với mạng văn phòng và Internet để lấy dữ liệu, bề mặt tấn công mở rộng theo. Tài liệu NIST SP 800-82 hướng dẫn phân vùng mạng, kiểm soát truy cập từ xa và giám sát sự kiện cho môi trường OT. Ở mức tối thiểu, nhà máy cần tách mạng điều khiển khỏi mạng văn phòng bằng tường lửa, đổi mật khẩu mặc định của PLC, HMI và cập nhật firmware theo lịch.
4. Các hệ thống điều khiển công nghiệp phổ biến hiện nay
Bảng dưới so sánh nhanh các dạng ICS trước khi đi vào từng loại.
| Hệ thống | Vai trò chính | Phạm vi | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|---|
| SCADA | Giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển mức giám sát | Nhiều địa điểm phân tán | Điện lực, cấp thoát nước, đường ống |
| DCS | Điều khiển quá trình liên tục, phân tán bộ điều khiển | Một nhà máy | Hóa chất, lọc dầu, nhiệt điện |
| PLC | Điều khiển logic, tuần tự, vòng kín tại máy | Một máy hoặc một dây chuyền | Lắp ráp, đóng gói, xử lý nước thải |
| RTU | Thu tín hiệu hiện trường, gửi về trung tâm | Trạm xa | Trạm bơm, trạm biến áp, giếng dầu |
| IED | Đo, bảo vệ, điều khiển thiết bị điện | Tủ điện, trạm điện | Rơ le bảo vệ, bộ điều khiển ngăn lộ |
| HMI | Giao diện vận hành cho người | Tại máy, phòng điều khiển | Mọi hệ thống trên |
4.1 SCADA – Hệ thống kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu
Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) không điều khiển trực tiếp từng vòng mà cho người vận hành quyền kiểm soát ở mức giám sát: xem trạng thái, đặt giá trị, ra lệnh chạy dừng.
SCADA gồm PLC, RTU và mô-đun phần cứng đặt ở nhiều vị trí, thu thập dữ liệu rồi truyền về máy chủ trung tâm qua mạng. Màn hình HMI tích hợp cho phép người vận hành theo dõi đầu vào, đầu ra của quy trình từ một chỗ.
4.2 DCS – Hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) quản lý quá trình sản xuất của một nhà máy từ một nền tảng chung. DCS gửi giá trị đặt tới các bộ điều khiển cục bộ; mỗi bộ điều khiển điều chỉnh van, bộ truyền động để giữ biến quá trình ở giá trị đó.
Mỗi bộ điều khiển DCS phụ trách một cụm thiết bị; lớp giám sát tập trung phối hợp các bộ điều khiển. Nhờ phân tán, sự cố ở một bộ điều khiển không làm dừng toàn bộ nhà máy. DCS cũng cung cấp dữ liệu sản xuất và vận hành để phân tích.
4.3 IED – Thiết bị điện tử thông minh
IED (Intelligent Electronic Device) là thiết bị có bộ xử lý dùng cho truyền thông, đo lường, giám sát và điều khiển điện năng, ví dụ rơ le bảo vệ số, bộ điều khiển máy cắt, bộ điều chỉnh điện áp. IED được tích hợp vào ICS để tự động hóa hệ thống điện. Chúng giao tiếp qua Ethernet thời gian thực hoặc fieldbus (bus trường) và có mặt trong cả DCS lẫn SCADA.
4.4 Bộ điều khiển tự động hóa có thể lập trình PLC
PLC là bộ điều khiển dạng rắn với các chức năng tiêu biểu: điều khiển vào/ra, điều khiển PID, phép toán số học, đếm, định thời và điều khiển tuần tự.
PLC được thiết kế chịu nhiệt độ cao hoặc thấp, độ ẩm cao, nhiễu điện và rung mạnh. Chúng giám sát và điều khiển cảm biến, bộ truyền động trong quá trình sản xuất. So với máy tính thông thường, PLC quản lý được số lượng lớn thiết bị vào/ra và có môi trường lập trình trực quan. Điểm khác biệt giữa hai loại thiết bị này được phân tích trong bài so sánh máy tính công nghiệp và PLC.
4.5 Giao diện người – máy (HMI)
Giao diện HMI là phương tiện trao đổi thông tin giữa người vận hành và máy móc hoặc hệ thống máy tính, gồm phần cứng màn hình và phần mềm giao diện. Qua HMI, người vận hành xem trạng thái, nhận cảnh báo, đặt tham số và ra lệnh cho thiết bị.
4.6 Hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp (IACS)
IACS (Industrial Automation and Control System) là thuật ngữ dùng trong bộ tiêu chuẩn IEC 62443 để chỉ toàn bộ hệ thống điều khiển và giám sát quá trình sản xuất, gồm thiết bị điện tử, phần mềm, cảm biến, thiết bị đo và mạng truyền thông giữa chúng. IACS được thiết kế để nâng hiệu suất và độ chính xác của quy trình, giảm sự cố và tăng an toàn.
4.7 Đơn vị đầu cuối từ xa (RTU)
RTU (Remote Terminal Unit) là thiết bị dựa trên vi xử lý, đặt tại trạm xa để nối phần cứng hiện trường với SCADA hoặc DCS. RTU thu dữ liệu từ cảm biến qua các ngõ vào/ra, truyền về trung tâm và nhận lệnh ngược lại. RTU thường có nguồn dự phòng, cổng truyền thông không dây hoặc cáp quang và chịu được môi trường ngoài trời.
5. Thành phần cấu tạo nên Hệ thống điều khiển công nghiệp - ICS
Ba lớp của một ICS
Một ICS hoàn chỉnh gồm mười thành phần, chia thành ba lớp: lớp hiện trường (cảm biến, bộ truyền động, IED, RTU), lớp điều khiển (PLC, vòng điều khiển, máy chủ điều khiển) và lớp giám sát (HMI, máy chủ SCADA, lịch sử dữ liệu, chẩn đoán từ xa).
5.1 Thiết bị CNTT và công nghệ vận hành (OT)
OT (Operational Technology) gồm phần cứng và phần mềm giám sát, điều khiển thiết bị vật lý tại hiện trường, ví dụ cảm biến theo dõi nhiệt độ trong xưởng. Hội tụ CNTT/OT giúp doanh nghiệp thấy toàn bộ chuỗi sản xuất, nhưng cũng mở đường cho tấn công mạng từ mạng văn phòng sang thiết bị điều khiển nếu không phân vùng mạng.
5.2 PLC
PLC là phần cứng điều khiển trong cả DCS và SCADA. Người dùng quản lý quy trình tại chỗ hoặc qua HMI; PLC nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý và điều khiển bộ truyền động.
5.3 Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU)
RTU nhận lệnh từ và gửi dữ liệu về thiết bị đầu cuối chủ (MTU – Master Terminal Unit). MTU có thể là máy chủ ICS hoặc bộ điều khiển giám sát.
5.4 Vòng điều khiển
Vòng điều khiển gồm cảm biến, bộ điều khiển (PLC) và bộ truyền động. Cảm biến đo biến quá trình, bộ điều khiển so với giá trị đặt và ra lệnh, bộ truyền động như van, động cơ, cầu dao thực hiện. Một nhà máy có hàng trăm vòng điều khiển chạy song song.
5.5 HMI
HMI là ứng dụng giao diện đồ họa cho phép người vận hành tương tác với phần cứng điều khiển, xem trạng thái và dữ liệu lịch sử, đặt giá trị đặt, chỉnh tham số thuật toán điều khiển.
5.6 Hệ thống chẩn đoán và bảo trì từ xa
Hệ thống này phát hiện hoạt động bất thường, sự cố trong ICS và hỗ trợ kỹ sư can thiệp từ xa. Dữ liệu rung, nhiệt độ, dòng điện của thiết bị được phân tích để bảo trì theo tình trạng thay vì theo lịch cố định.
5.7 Máy chủ điều khiển
Máy chủ điều khiển chạy phần mềm điều khiển và giám sát của DCS hoặc phần mềm PLC mềm, giao tiếp với các thiết bị điều khiển cấp thấp hơn qua mạng truyền thông công nghiệp.
5.8 Máy chủ SCADA, MTU hoặc bộ điều khiển giám sát
Thiết bị này đưa ra lệnh cho RTU và PLC tại hiện trường, gom dữ liệu về một điểm và cung cấp cho HMI, cơ sở dữ liệu lịch sử.
5.9 Thiết bị điện tử thông minh (IED)
IED thu thập dữ liệu, giao tiếp với thiết bị khác và tự xử lý, điều khiển cục bộ. Dùng IED trong SCADA và DCS cho phép tự động hóa ngay tại cấp thiết bị mà không chờ lệnh từ trung tâm.
5.10 Lịch sử dữ liệu
Cơ sở dữ liệu lịch sử (historian) ghi lại thông tin quy trình của ICS theo thời gian. Dữ liệu được xuất sang hệ thống thông tin doanh nghiệp để phân tích quy trình, kiểm soát thống kê và lập kế hoạch sản xuất.
6. Máy tính công nghiệp trong hệ thống điều khiển
Trong ICS, máy tính công nghiệp đảm nhận các vai trò cần năng lực tính toán và lưu trữ lớn hơn PLC: máy chủ SCADA, trạm vận hành HMI, máy chủ lịch sử dữ liệu, gateway chuyển đổi giao thức và bộ điều khiển biên chạy phần mềm PLC mềm (soft PLC). Khác máy tính văn phòng, máy tính công nghiệp không quạt, chịu nhiệt từ −20 °C, chịu rung, có nhiều cổng COM, LAN và ngõ vào/ra số để nối trực tiếp thiết bị hiện trường.
Ở trạm xa, máy tính công nghiệp cỡ nhỏ có thể thay RTU truyền thống: đọc cảm biến qua mô-đun vào/ra, xử lý tại chỗ và gửi dữ liệu về trung tâm qua 4G hoặc cáp quang.
Chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển công nghiệp
Kỹ sư IPC247 khuyến nghị ba tiêu chí khi chọn máy tính công nghiệp cho lớp giám sát và điều khiển:
- Số cổng RS-232/422/485 và LAN đủ để nối PLC, biến tần, đồng hồ đo theo Modbus RTU/TCP; có ngõ vào/ra số cách ly nếu cần đọc tín hiệu trực tiếp.
- Thiết kế không quạt, dải nhiệt hoạt động rộng, nguồn vào 9–36 V DC để đặt trong tủ điều khiển.
- Bộ xử lý và bộ nhớ đủ cho phần mềm SCADA, cơ sở dữ liệu lịch sử; có TPM cho bảo mật nếu máy nối ra mạng doanh nghiệp.
Advantech UNO-2484G là máy tính không quạt Intel Core i3/i5/i7 với 4 cổng LAN, 4 cổng RS-232/422/485, 4 cổng USB 3.0, chip TPM 2.0 và mở rộng iDoor cho ngõ vào/ra số cách ly hoặc giao thức fieldbus, phù hợp làm máy chủ SCADA cỡ vừa. Với trạm vận hành cần màn hình, Advantech TPC-1251T là Panel PC 12,1 inch không quạt, mặt trước IP66, dải nhiệt −20…60 °C. Xem thêm danh mục máy tính công nghiệp không quạt, Panel PC bảng điều khiển hoặc dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt để lọc theo số cổng, nhiệt độ và nguồn cấp.
Câu hỏi thường gặp về hệ thống điều khiển công nghiệp
Hệ thống điều khiển công nghiệp là gì?
Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control System, ICS) là tập hợp thiết bị điều khiển, cảm biến, cơ cấu chấp hành, mạng truyền thông và phần mềm dùng để vận hành và tự động hóa quy trình sản xuất. Các dạng phổ biến là SCADA, DCS và hệ thống dựa trên PLC.
Hệ thống điều khiển vòng hở và vòng kín khác nhau thế nào?
Vòng hở tác động theo chương trình định trước, không đo kết quả đầu ra, ví dụ hẹn giờ bật lò sưởi. Vòng kín đo đầu ra bằng cảm biến, so với giá trị đặt rồi hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển, ví dụ điều khiển nhiệt độ lò bằng bộ điều khiển PID. Hầu hết quá trình công nghiệp dùng vòng kín.
SCADA, DCS và PLC khác nhau ở điểm nào?
PLC là bộ điều khiển đặt tại máy, chạy chương trình logic và vòng điều khiển. DCS là hệ thống điều khiển phân tán cho quá trình liên tục như hóa chất, điện, với nhiều bộ điều khiển nối chung một nền tảng. SCADA là lớp giám sát và thu thập dữ liệu phía trên, kết nối PLC, RTU ở nhiều địa điểm về một trung tâm.
Máy tính công nghiệp đóng vai trò gì trong hệ thống điều khiển?
Máy tính công nghiệp làm máy chủ SCADA, trạm vận hành HMI, máy chủ lưu lịch sử dữ liệu hoặc bộ điều khiển biên chạy phần mềm PLC mềm. Máy được thiết kế không quạt, chịu nhiệt và rung, có nhiều cổng COM, LAN và ngõ vào/ra số để nối trực tiếp thiết bị hiện trường.