Hiện đại hóa cùng quá trình tự động hóa ngày càng đòi hỏi các công ty phải đầu tư nhiều hơn vào các hệ thống điều khiển để nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro trong hoạt động sản xuất công nghiệp. Trong số đó, hệ thống giám sát SCADA đóng vai trò đầu não, đang là xu hướng ứng dụng phổ biến nhất trong hệ thống sản xuất công nghiệp hiện nay. Bài viết sau sẽ cung cấp đầy đủ các thông tin về hệ thống SCADA là gì, lợi ích là gì và ứng dụng ra sao.
1. Hệ thống SCADA là gì?
SCADA là tên viết tắt của “Supervisory Control and Data Acquisition”, dịch ra tiếng Việt mang nghĩa “Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu”.
Như tên gọi, SCADA là một phần mềm hệ thống được sử dụng để giám sát, điều khiển và thu thập thông tin dữ liệu của hệ thống phần cứng. Được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để giám sát và điều khiển các dây chuyền và máy móc sản xuất, hệ thống SCADA được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát trong kim tự tháp tự động hóa.
2. Vị trí của hệ thống SCADA trong tự động hóa công nghiệp
Kim tự tháp tự động hóa là một khái niệm được xuất bản trong ISA-95 và IEC 62264-3, mô tả cách các hệ thống khác nhau hoạt động tương hỗ cùng nhau. Ở đỉnh kim tự tháp, bạn sẽ có tất cả các thông tin dữ liệu về hệ thống để xử lý về mặt kinh doanh, lập kế hoạch và hậu cần. Ở đáy dưới cùng, bạn có tất cả các hệ thống, thiết bị hiện trường hoạt động.
Hệ thống SCADA được đặt ngay giữa kim tự tháp tự động hóa. Là nơi IT (information technology – công nghệ thông tin) gặp OT (operational technology – công nghệ vận hành).
Bên dưới hệ thống SCADA là tất cả các thiết bị hoạt động như PLC, cảm biến, v.v. Công việc của SCADA thực sự là điều khiển và giám sát tất cả các thiết bị này. Nhưng đồng thời cũng gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP phía trên.
3. Lĩnh vực ứng dụng và nguyên tắc SCADA
SCADA được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:
- Hệ thống quản lý sản xuất: phát điện, thép, dệt, thuốc, hóa chất …
- Hệ thống giám sát từ xa: trạm bơm, xử lý nước thải …
- Hệ thống giám sát tòa nhà: nhiệt độ-độ ẩm, điều hòa không khí, ánh sáng, điện năng tiêu thụ…
Trong hệ thống SCADA ít nhiều phải tuân theo các nguyên tắc như:
- Làm việc theo thời gian thực
- Sử dụng lượng thông tin dư thừa tương đối lớn (tần suất cập nhật dữ liệu cao)
- Cấu trúc mạng
- Nguyên lý hệ thống và module mở,
- Thiết bị dự phòng để làm việc dưới trạng thái “dự trữ nóng “, ..
4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA
Một lần nữa, hệ thống SCADA là điểm gặp gỡ và kết nối giữa IT và OT. Khái niệm cơ bản thực sự của SCADA là về trao đổi thông tin và khả năng kiểm soát (giám sát và điều khiển). Đặc biệt là cách bạn thường thấy các hệ thống SCADA được sử dụng.
Hệ thống SCADA về mặt vật lý sẽ giống như một màn hình hoặc nhiều màn hình. Trong đó người vận hành có thể vừa điều khiển vừa giám sát tất cả các thành phần liên quan trong một hệ thống, máy móc hoặc thậm chí toàn bộ nhà máy. Điều quan trọng nhất là người vận hành hiểu các phần khác nhau của hệ thống SCADA và những gì họ cần làm là điều khiển hay giám sát.
Tất cả các màn hình này về cơ bản là giao diện HMI (human-machine interfaces), là giao diện giữa người vận hành và máy móc. Từ sơ khai chỉ là một loạt các nút nhấn và tín hiệu đèn điều khiển, hiện nay HMI thường thấy đã là những màn hình cảm ứng ở máy hoặc trong phòng điều khiển.
5. Cấu trúc hệ thống SCADA
HMI là một phần của SCADA, vì HMI chỉ là màn hình hoặc chính giao diện. Còn SCADA là một ứng dụng hoặc toàn bộ hệ thống đằng sau tất cả các màn hình đó.
Một hệ thống SCADA có thể có một hoặc nhiều HMI để điều khiển và giám sát các bộ phận khác nhau của nhà máy. Nhưng nếu xem xét kỹ, SCADA không chỉ có các HMI mà là toàn bộ cơ sở hạ tầng của các thiết bị có thể giao tiếp.
Ứng dụng SCADA thường chạy trên máy chủ, sau đó các thiết bị khách như máy tính để bàn và màn hình HMI kết nối với máy chủ để sử dụng giao diện và cơ sở dữ liệu của hệ thống SCADA. Vì các thiết bị như PLC và RTU cũng được kết nối với máy chủ, nên bây giờ chúng ta có thể sử dụng SCADA để điều khiển và giám sát hoạt động của nó.
6. Các chế độ truyền thông của hệ thống SCADA
Chức năng chính của bất kỳ hệ thống điều khiển SCADA nào cũng là: Việc trao đổi dữ liệu/thông tin (truyền thông).
6.1. Truyền thông giữa các trạm SCADA
Chế độ này có thể thực hiện với các giao thức được phát triển bởi các nhà sản xuất hệ thống SCADA, hoặc thậm chí bằng các giao thức đã được biết đến.
Chúng được thực hiện thông qua các đường thuê bao riêng, các mạng Ethernet TCP/IP hoặc quay số (modem).
6.2. Truyền thông theo phương pháp polling (Master/Slave)
Chế độ này diễn ra tại trạm trung tâm (Master). Nó có quyền điều khiển toàn bộ hệ thống trạm, truy vấn các trạm ở xa (Slave) theo trình tự. Các trạm ở xa chỉ trả lời trạm trung tâm sau khi nhận được yêu cầu từ trạm này.
Điều này giúp không có sự xung đột về truyền dữ liệu trên mạng, giúp việc thu thập dữ liệu trở nên đơn giản hơn. Đặc biệt, chế độ này có khả năng truyền thông từ trạm trung tâm tới các trạm ở xa.
6.3. Truyền thông với các thiết bị trường
Chế độ này được thực hiện bằng cách chia sẻ giao thức với các phương pháp có thể là domain công cộng hoặc hạn chế.
Chế độ này thường hoạt động khi polling hoặc bị gián đoạn, theo các chỉ định thông thường với cơ chế báo cáo loại trừ (Report by Exception).
6.4. Truyền thông trên cơ sở ngắt phiên
Chế độ này được thực hiện khi PLC hoặc RTU giám sát các giá trị đầu vào của nó. Ngoài ra, còn khi kiểm tra các thay đổi kỹ thuật hoặc các giá trị vượt qua các giới hạn đặt trước. Khi đó PLC/RTU sẽ gửi thông tin/dữ liệu về trạm trung tâm.
Điều này giúp tránh được việc truyền các dữ liệu không cần thiết. (Vì nó sẽ làm tăng sự chiếm dụng băng thông mạng). Hơn nữa, nó cũng cho phép kiểm tra nhanh các thông tin quan trọng, cũng như việc truyền dữ liệu gữa các trạm ở xa (Slave-to-Slave).
6.5. Truyền thông với hệ thống khác
Ví dụ như trình tự phối hợp, hoặc các bộ thu thập dữ liệu hoặc các nhà cung cấp, có thể thực hiện với các module riêng, thông qua các cơ sở dữ liệu hoặc các công nghệ khác. Ví dụ như XML và OPC.
7. Các cấp phổ biến của hệ điều khiển hệ thống SCADA
7.1. Cấp vận hành (Cấp trường)
Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi hoạt động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ đặt ra.
7.2. Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển)
Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tình trạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI-Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel).
7.3. Cấp giám sát, quản lý
Có 2 hình thức tương đương nhau:
- Giám sát tại nhà máy (Tại nhà vận hành): Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số, tình trạng thiết bị và toàn bộ hoạt động của dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòng điều khiển qua đó có thể nắm được tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kế hoạch sản xuất ,truyền tải,…
- Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại đây có thể theo dõi, giám sát mọi họat động của nhà máy thông qua máy tính được kết nối từ xa qua mạng. Từ đó có kế hoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng.
8. Hệ thống giám sát SCADA tối ưu hóa hiệu quả công việc
- Tăng năng suất: Bằng cách phân tích quá trình sản xuất, các nhà quản lý có thể sử dụng thông tin này để tăng hiệu quả sản xuất và cải tiến kỹ thuật.
- Nâng cao chất lượng sản phẩm: Cũng thông qua việc phân tích các hoạt động, nhà quản lý có thể tìm ra cách hạn chế và ngăn ngừa những sai sót trong quá trình sản xuất.
- Giảm chi phí vận hành và bảo trì: Sau khi lắp đặt hệ thống giám sát SCADA, công ty sẽ không cần quá nhiều nhân sự để quản lý và giám sát các thiết bị hiện trường đặt ở các vị trí xa. Ngoài ra, các công ty không cần phải trả chi phí đi lại để kiểm tra và bảo dưỡng từ xa, do đó chi phí bảo trì cũng sẽ được giảm bớt.
- Bảo toàn vốn đầu tư: Chủ nhà xưởng khi đầu tư nâng cấp sản xuất cần đảm bảo sản phẩm nâng cấp có giá trị sử dụng lâu dài. Hệ thống giám sát SCADA thiết kế mở cho phép chủ sở hữu chỉnh sửa và thay đổi theo quy mô sản xuất, nhờ đó loại bỏ những tổn thất lâu dài.
