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 (viết tắt của “Supervisory Control and Data Acquisition”, mang nghĩa “Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu”) 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. Lịch sử ra đời của SCADA
Vào giữa thế kỷ 20, hệ thống giám sát và xử lý dữ liệu SCADA chính thức ra mắt người dùng. Trước đó, các nhà sản xuất và tổ chức công nghiệp phải dựa vào nhân viên giám sát và điều khiển thủ công bằng cách sử dụng nút bấm và quay số tương tự.
Khi công nghiệp và trang web điều khiển từ xa phát triển, nhiều nhà sản xuất đã bắt đầu áp dụng giải pháp rơ le và bộ hẹn giờ. Điều này cho phép người dùng tại các địa điểm khác nhau không cần phải có mặt trực tiếp để thực hiện nhiệm vụ giám sát.
Tuy rơ le và bộ hẹn giờ mang lại các chức năng tự động hóa hiệu quả, nhưng chúng vẫn gặp một số vấn đề. Chúng có hạn chế trong việc cấu hình khó khăn, phát hiện lỗi và chiếm nhiều không gian. Do đó, người dùng mong muốn có một hệ thống giám sát hiệu quả và tối ưu hơn.
Vào đầu những năm 1950, máy tính phát triển và được áp dụng lần đầu trong quá trình kiểm soát sản xuất. Điều này dẫn đến việc hoạt động giám sát trở nên phổ biến trong nhiều tổ chức công nghiệp. Đến năm 1960, các thiết bị từ xa được phát triển để giám sát và truyền tải các phép đo và dữ liệu đến các thiết bị giám sát. Năm 1970, thuật ngữ SCADA được chính thức đặt ra và trở nên phổ biến. Điều này đã cung cấp cải tiến trong việc giám sát và kiểm soát tự động các quy trình của các doanh nghiệp.
3. 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 điều khiển 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, 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.
4. 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…
5. 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 điều khiển và giám sát SCADA và những gì họ cần làm là điều khiển hay giám sát.
Tất cả các màn hình này về cơ bản là 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.
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 “, .
6. Cấu trúc hệ thống SCADA
6.1 Các thiết bị đo đạc hiện trường
Các loại thiết bị đo đạc hiện trường trong hệ thống SCADA có thể bao gồm máy cảm biến nhiệt độ, áp suất, màn hình năng lượng, máy cảm biến tiệm cận và nhiều loại khác. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và cung cấp thông tin chi tiết về các thông số và trạng thái của quy trình sản xuất, giúp người dùng nhận biết và phân tích các biến đổi quan trọng và tiến hành các biện pháp điều chỉnh khi cần thiết.
6.2 Bảng điều khiển hiện trường (RTU/PLC)
Là một thành phần quan trọng trong hệ thống SCADA. Thành phần này còn được gọi là “trạm thu thập dữ liệu trung gian” và bao gồm hai loại thiết bị: RTU (Remote Terminal Units – các khối thiết bị đầu cuối từ xa) và PLC (Programmable Logic Controllers – các khối điều khiển logic khả trình). Cả hai loại thiết bị này đảm nhận các chức năng quan trọng trong quá trình hoạt động của hệ thống SCADA:
1. RTU: RTU chuyển đổi dữ liệu thu thập từ các cảm biến thành dữ liệu sử dụng được và gửi cho trung tâm giám sát. Quá trình này được thực hiện thông qua bộ vi xử lý của RTU, giúp thu thập và truyền tải dữ liệu đến hệ thống SCADA chính.
2. PLC: PLC giúp người dùng “giao tiếp” với các cảm biến và thực hiện các thay đổi cần thiết trong quy trình sản xuất. PLC không ảnh hưởng đến hệ thống SCADA chính và đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và điều chỉnh các thiết bị và quy trình sản xuất.
Nhờ vào RTU và PLC, hệ thống SCADA có khả năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển quy trình sản xuất một cách hiệu quả, đồng thời tạo ra dữ liệu có giá trị để giám sát và điều chỉnh quy trình.
6.3 Giao diện người-máy (HMI)
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 điều khiển 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.
6.4 Hệ thống truyền thông
Hệ thống truyền thông trong hệ thống SCADA đảm bảo việc duy trì kết nối mạng tích hợp trong suốt quá trình hoạt động. Thành phần này bao gồm các phần sau:
1. Mạng truyền thông công nghiệp: Đây là mạng đặc biệt được thiết kế để truyền tải dữ liệu trong môi trường công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp đảm bảo độ tin cậy và khả năng chống nhiễu cao, giúp truyền tải dữ liệu một cách ổn định và chính xác.
2. Thiết bị chuyển đổi dồn kênh: Đây là các thiết bị trung gian giữa các thành phần trong hệ thống SCADA, giúp chuyển đổi và định tuyến dữ liệu truyền qua mạng. Thiết bị chuyển đổi dồn kênh có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả và tin cậy.
3. Thiết bị viễn thông: Đây là các thiết bị sử dụng công nghệ viễn thông để truyền tải dữ liệu qua khoảng cách xa. Thiết bị viễn thông có khả năng kết nối các điểm xa nhau trong mạng SCADA và đảm bảo việc truyền tải dữ liệu đáng tin cậy.
Hệ thống truyền thông trong SCADA sử dụng các giao thức truyền tin để thiết lập kết nối và truyền tải dữ liệu. Ví dụ, giao thức truyền tin IEC 870-5-101 được sử dụng để kết nối các RTU và hệ thống SCADA trung tâm tại trạm biến áp. Ngoài ra, giao thức ICCP cũng được sử dụng để kết nối với hệ thống SCADA/ESM, tạo điều kiện cho việc truyền tải dữ liệu và tương予予予联 bôi cầu giữa các thành phần trong hệ thống SCADA.
7. Các chế độ truyền thông của hệ thống SCADA
Chức năng chính của bất kỳ hệ thống điều khiển và giám sát SCADA nào cũng là: Việc trao đổi dữ liệu/thông tin (truyền thông).
7.1. 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).
7.2. 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.
7.3. 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).
7.4. 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).
7.5. 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.
8. Các cấp phổ biến của hệ điều khiển hệ thống SCADA
8.1. 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.
8.2. 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).
8.3. 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.
9. Lợi ích của hệ thống giám sát SCADA đối với sản xuất
9.1 Tiết kiệm chi phí
Áp dụng hệ thống SCADA, doanh nghiệp có thể giảm chi phí vận hành và bảo trì. Tính năng giám sát từ xa giúp giảm nhân sự cần thiết cho quản lý và giám sát sản xuất. Đồng thời, các thiết bị hiện trường phức tạp cũng được cắt giảm hiệu quả.
Bên cạnh đó, bảo trì SCADA đơn giản, giúp giảm chi phí cho các kiểm tra và bảo trì từ xa.
9.2 Nâng cao chất lượng sản phẩm
Hệ thống SCADA tích hợp các tính năng ưu việt và tự động hóa trong quá trình kiểm soát và phân tích dữ liệu. Phần mềm hệ thống này giúp nhà sản xuất quản lý hiệu quả hơn, phát hiện và khắc phục sai sót trong quá trình hoạt động.
9.3 Thúc đẩy năng suất
SCADA cung cấp thông tin chuẩn xác và có giá trị cho các tổ chức công nghiệp. Sử dụng các tiêu chuẩn CNTT như ứng dụng dựa trên trang web và SQL, SCADA cho phép truy cập thông tin từ các nhà máy, xí nghiệp theo thời gian thực.
Khi nhà sản xuất có dữ liệu trong tay, họ có thể dễ dàng vận hành mọi hoạt động của nhà máy. Khả năng làm việc từ xa cũng làm cho việc kiểm soát quy trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn.
9.4 Dễ nâng cấp, chỉnh sửa
SCADA có thiết kế mở hiện đại, cho phép người dùng tự do chỉnh sửa và nâng cấp thiết bị. Điều này giúp bảo toàn vốn đầu từ và khi nhà sản xuất đầu tư vào nâng cấp hoạt động sản xuất, họ mong muốn thiết bị có tính sử dụng lâu dài.
Và tất nhiên SCADA đã thực hiện điều đó. Người dùng có thể cải tiến và nâng cấp phần mềm hệ thống này theo quy mô sản xuất của mình, giúp giảm thiểu hao hụt theo thời gian.
