Mạng SCADA là gì ?

Mến chào tất cả các bạn nhé, trong bài viết này mình và các bạn sẽ cùng nhau tìm hiểu về một chủ đề đó là SCADA là gì ? và các thông tin liên quan. Có lẽ các bạn đang sử dụng hệ thống này thì không có gì phải nói thêm nữa, tuy nhiên thì những bạn lần đầu tìm hiểu sẽ cảm thấy rất khó khăn đấy. Nhưng vì ngày càng có nhiều người sử dụng đến hệ thống này nên nhu cầu tìm hiểu cũng tăng cao, chính vì thế mà nếu bạn là một trong số đó thì bài viết này sẽ dành cho các bạn. Các nội dung bao gồm khái niệm về SCADA ? Những người cần sử dụng đến SCADA ? Các thành phần và cơ chế hoạt động của chúng như thế nào và các thông tin có liên quan khác. Thông qua đó các bạn sẽ có thêm cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống mang tính tương lai này nhé.

SCADA là gì ?

SCADA là gì ? Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory control and data acquisition – SCADA) là một hệ thống phần mềm và phần cứng cho phép các tổ chức công nghiệp có thể thực hiện được các công việc như

Kiểm soát các quy tình công nghiệp tại chỗ hoặc từ xa.
Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực.
Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ và hơn thế nữa thông qua các phần mềm giao diện người – máy (HMI).
Ghi lại sự kiện vào tệp nhật ký (log file).

Hệ thống SCADA rất quan trọng đối với các tổ chức công nghiệp vì chúng giúp duy trì hiệu quả, xử lý dữ liệu cho các quyết định thông minh hơn và truyền đạt các vấn đề hệ thống để giúp giảm thiểu thời gian chết. Kiến trúc SCADA cơ bản bắt đầu bằng các bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc các thiết bị đầu cuối từ xa (RTUs). PLC và RTU là các máy vi tính giao tiếp với một loạt các đối tượng như máy nhà máy, HMI, cảm biến và thiết bị đầu cuối, sau đó định tuyến thông tin từ các đối tượng đó đến máy tính có phần mềm SCADA. Phần mềm SCADA xử lý, phân phối và hiển thị dữ liệu, giúp các nhà khai thác và các nhân viên khác phân tích dữ liệu và đưa ra các quyết định quan trọng.

SCADA là gì ?

Ví dụ, hệ thống SCADA nhanh chóng thông báo cho một điều hành viên rằng một lô sản phẩm đang hiển thị tỷ lệ lỗi cao. Điều hành viên tạm dừng hoạt động và xem dữ liệu hệ thống SCADA qua HMI để xác định nguyên nhân của vấn đề. Họ xem xét dữ liệu và phát hiện ra rằng Máy 4 đã hỏng hóc. Hệ thống SCADA để thông báo cho điều hành viên sự cố giúp anh ta giải quyết vấn đề và ngăn chặn việc mất thêm sản phẩm.

Lịch sử hình thành và phát triển của SCADA:

Khi sàn công nghiệp và trang web điều khiển từ xa bắt đầu mở rộng quy mô, cần có các giải pháp để kiểm soát thiết bị trên một khoảng cách dài. Các tổ chức công nghiệp bắt đầu sử dụng rơle và bộ hẹn giờ để cung cấp một số mức độ kiểm soát giám sát mà không cần phải đưa mọi người đến các địa điểm từ xa để tương tác với từng thiết bị. Trong khi rơle và hẹn giờ giải quyết được nhiều vấn đề bằng cách cung cấp chức năng tự động hóa hạn chế, nhiều vấn đề hơn bắt đầu phát sinh khi các tổ chức tiếp tục mở rộng quy mô. Rơle và bộ định thời rất khó cấu hình lại, tìm lỗi và các bảng điều khiển chiếm các không gian của rack. Cần có một hệ thống kiểm soát và giám sát hiệu quả hơn và hoàn toàn tự động.

Đầu những năm 1950, máy tính được phát triển và sử dụng lần đầu tiên cho mục đích kiểm soát công nghiệp. Điều khiển giám sát bắt đầu trở nên phổ biến trong số các tiện ích chính, đường ống dẫn dầu và khí đốt, và các thị trường công nghiệp khác tại thời điểm đó. Trong những năm 1960, đo từ xa được thiết lập để theo dõi, cho phép liên lạc tự động để truyền các phép đo và các dữ liệu khác từ các thiết bị điều khiển từ xa đến thiết bị giám sát. Thuật ngữ “SCADA” được đặt ra vào đầu những năm 1970, và sự gia tăng của các bộ vi xử lý và PLC trong thập kỷ đó làm tăng khả năng giám sát và kiểm soát các quy trình tự động của doanh nghiệp hơn bao giờ hết.

Các thành phần của một hệ thống SCADA là gì ?

Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau:

Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server).
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
Giao diện người – máy HMI (Human – Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống.

SCADA là gì ?

Ai sẽ là người cần sử dụng đến SCADA ?

Hầu như bất cứ nơi nào bạn nhìn thấy trong thế giới ngày nay đều có một số loại hệ thống SCADA chạy phía sau, ví dụ như: duy trì hệ thống làm lạnh của siêu thị, đảm bảo an toàn sản xuất tại nhà máy lọc dầu, tiêu chuẩn chất lượng tại nhà máy xử lý nước thải hoặc thậm chí theo dõi sử dụng năng lượng tại nhà của bạn. Các hệ thống SCADA hiệu quả có thể giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc. Nhiều nghiên cứu điển hình đã được công bố nêu bật những lợi ích và tiết kiệm của việc sử dụng giải pháp phần mềm SCADA hiện đại như Radiflow.

Hệ thống SCADA được sử dụng bởi các tổ chức công nghiệp và các công ty trong khu vực công và tư nhân để kiểm soát và duy trì hiệu quả, phân phối dữ liệu cho các quyết định thông minh hơn, và truyền đạt các vấn đề hệ thống để giúp giảm thiểu thời gian chết. Hệ thống SCADA hoạt động tốt ở nhiều loại hình doanh nghiệp khác nhau vì chúng có thể từ các cấu hình đơn giản đến các cài đặt lớn, phức tạp. Hệ thống SCADA là xương sống của nhiều ngành công nghiệp hiện đại, bao gồm:

Energy
Food and beverage
Manufacturing
Oil and gas
Power
Recycling
Transportation
Water and waste water
And many more

Cơ chế thu thập dữ liệu của hệ thống SCADA là gì ?

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ.

Xử lý dữ liệu của hệ thống SCADA là gì ?

Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse). Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA thể hiện chỉ dưới dạng số gọi là trường Dữ liệu (data field). Dữ liệu dạng số này được hình thành từ các dạng tín hiệu logic (on/off), tín hiệu analog dòng/áp, tín hiệu xung tốc độ cao,….

SCADA là gì ?

Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị.

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lý sau:

Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường.
Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…)

Lợi ích khi sử dụng hệ thống SCADA là gì ?

Với cơ chế hoạt động trên, một hệ thống SCADA sẽ cho phép các doanh nghiệp thu thập, quản lý dữ liệu, tương tác và kiểm soát hoạt động của các loại máy móc, thiết bị như van, máy bơm hay các động cơ, cũng như lưu trữ mọi thông tin vào tệp tin máy chủ. Nhờ tính năng ưu việt, hệ thống SCADA đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp hiện đại như năng lượng, thực phẩm, dầu khí, vận tải, xử lý nước và rác thải, v.v. với một số ưu thế nổi bật như:

Cải thiện chất lượng sản phẩm: cũng thông qua việc phân tích các hoạt động, nhà quản lý có thể tìm cách hạn chế, ngăn chặn các sai sót trong quá trình sản xuất.
Bảo toàn vốn đầu tư: khi các chủ nhà máy đầu tư nâng cấp hoạt động sản xuất, họ cần đảm bảo sự nâng cấp đó có tính sử dụng lâu dài. Một hệ thống SCADA được thiết kế mở sẽ cho phép chủ đầu tư chỉnh sửa, thay đổi tùy theo quy mô sản xuất, nhờ đó giúp loại bỏ các hao hụt theo thời gian.
Nâng cao năng suất: nhờ quá trình phân tích các quy trình sản xuất, nhà quản lý có thể dùng các thông tin này để gia tăng hiệu quả sản xuất và cải tiến kỹ thuật.

Giảm chi phí vận hành và bảo trì: khi một hệ thống SCADA được lắp đặt, doanh nghiệp sẽ không cần quá nhiều nhân sự cho việc quản lý giám sát các thiết bị hiện trường được đặt ở các vị trí xa. Bên cạnh đó, doanh nghiệp cũng không phải chi trả cho các chuyến đi kiểm tra, bảo trì ở xa, thế nên, chi phí bảo trì cũng sẽ được giảm bớt.

Xu hướng phát triển của SCADA ngày nay là gì ?

Xu hướng phát triển của các PLC và phần mềm HMI/SCADA là ngày càng trở nên “mix and match” (tạm dịch là lựa chọn và kết nối khác nhau nhưng đều hỗ trợ cho nhau để tạo thành một chỉnh thể thống nhất). Vào những giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, do sử dụng các thiết bị vào/ra (I/O) thu thập dữ liệu cũ, nên khi kết nối sẽ ưu tiên sử dụng các chuẩn kết nối phù hợp với khoảng cách truyền dẫn như RS-485, tuy nhiên điều này lại hạn chế việc lựa chọn thiết bị khi yêu cấu thay đổi.

Do nhược điểm nêu trên mà đến cuối những năm 90, xu hướng dịch chuyển sang sử dụng các chuẩn truyền thông mở như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0 đã ngày càng phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như các nhà cung cấp giải pháp cho các hệ SCADA. Đến năm 2000 thì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng loạt chuyển sang giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP.

Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông. Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các chuẩn cũ hơn. Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa và thông tin phần mềm Wonderware và công ty tự động hóa Rockwell thế hệ tiếp theo có thể là chuẩn OPC-UA, do có nhiêu ưu điểm từ việc hỗ trợ của công nghệ thông tin do sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup Language), các dịch vụ web và các công nghệ web hiện đại khác.

Hệ thống SCADA hiện đại như thế nào ?

Cho đến nay, SCADA vẫn luôn được cải tiến liên tục và trong những năm gần đây, các chuyên gia dự đoán hệ thống này sẽ phát triển theo các xu hướng chính sau:

Web-Based SCADA:

Theo truyền thống SCADA truyền thông là truyền thông nối tiếp điểm-đa điểm qua đường dây thuê bao hoặc hệ thống vô tuyến riêng (ví dụ: RS232, RS485, BEL202). Với sự ra đời của Giao thức Internet (IP), Công nghệ IP đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng SCADA. Internet SCADA hoặc SCADA dựa trên web (Web-base SCADA) sử dụng công nghệ IP trong SCADA và có thể bao gồm từ các IP Tunel, rơle khung, cáp, radio để liên kết các mạng SCADA với văn phòng trung tâm đến các thiết bị địa chỉ IP riêng lẻ hoặc sử dụng các thiết bị hỗ trợ IP hoặc dựa trên web.

Ưu điểm:

Kết nối diện rộng
Định tuyến
Phạm vi địa chỉ lớn
Tích hợp CNTT vào mạng tự động và giám sát
Tiêu chuẩn hóa tốt

Nhược điểm:

Chi phí về hiệu suất của chuẩn IP
Bảo vệ an toàn thông tin phức tạp, dễ bị tấn công

Giao thức mở OPC UA (OPC Unified Architecture):

Việc tích hợp dữ liệu giữa SCADA và các hệ thống khác trong doanh nghiệp như hệ thống hoạch định tài nguyên doanh nghiệp (ERP), chuỗi cung cấp –Supply Chain, và các hệ thống khác, ngày càng trở nên quan trọng. OPC nổi lên như là một nỗ lực tiêu chuẩn hóa các lớp của bộ điều khiển I/O, truy cập dữ liệu – (DA), các sự kiện và cảnh báo (AE), dữ liệu quá khứ (HAD) và các tính năng khác.

Sáng kiến này tập trung vào khả năng tương tác của các hệ thống, và tìm kiếm một tiêu chuẩn chung cho các mô hình riêng lẻ. Với việc sử dụng một tiêu chuẩn chung, phương pháp này có thể áp dụng với bất kỳ hệ điều hành nào, từ đó giúp tạo ra các mô hình dữ liệu lớn hơn trong các hệ thống SCADA, và giúp mở rộng hệ thống tùy theo sự phát triển quy mô doanh nghiệp. Các hệ thống SCADA hiện đại cho phép dữ liệu thời gian thực từ khu vực sản xuất được truy cập từ bất cứ đâu trên thế giới. Việc truy cập thông tin theo thời gian thực này cho phép chính phủ, doanh nghiệp và cá nhân đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu về cách cải thiện quy trình của họ.

Nếu không có phần mềm SCADA, sẽ vô cùng khó khăn nếu không thể thu thập đủ dữ liệu cho các quyết định được thông tin đầy đủ. Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng thiết kế SCADA hiện đại đều có khả năng phát triển ứng dụng (RAD) nhanh chóng cho phép người dùng thiết kế ứng dụng tương đối dễ dàng, ngay cả khi họ không có kiến thức sâu rộng về phát triển phần mềm. Việc đưa các tiêu chuẩn và thực hành IT hiện đại như SQL và các ứng dụng dựa trên web vào phần mềm SCADA đã cải thiện đáng kể hiệu quả, bảo mật, năng suất và độ tin cậy của các hệ thống SCADA. Phần mềm SCADA sử dụng sức mạnh của cơ sở dữ liệu SQL cung cấp những lợi thế rất lớn so với phần mềm SCADA cổ.

Một lợi thế lớn của việc sử dụng cơ sở dữ liệu SQL với hệ thống SCADA là nó giúp tích hợp dễ dàng hơn vào các hệ thống thực thi sản xuất – MES và ERP hiện có, cho phép dữ liệu chảy liên tục trong toàn bộ tổ chức. Dữ liệu lịch sử từ hệ thống SCADA cũng có thể được ghi vào cơ sở dữ liệu SQL, cho phép phân tích dữ liệu dễ dàng hơn thông qua xu hướng dữ liệu.

Kết nối SCADA – IoT như thế nào ?

Internet of Things là một đỉnh cao của những tiến bộ trong phần cứng kết nối, mạng dữ liệu, điện toán đám mây và xử lý dữ liệu lớn. IoT bắt đầu khi cần kết nối SCADA, DCS và Historical Data vào điện toán đám mây. Một nhà máy điển hình là một môi trường cực kỳ không đồng nhất, đã phát triển tự nhiên trong vài năm và trong một số trường hợp trong nhiều thập kỷ. Một số thách thức được nhìn thấy là:

Các máy có các loại PLC và RTU khác nhau hỗ trợ các giao thức kết nối khác nhau.
Nhiều hệ thống SCADA từ các nhà cung cấp khác nhau, mỗi hệ thống kiểm soát một dòng cụ thể hoặc một tập hợp các dòng PLC. Dữ liệu máy có sẵn nhưng là các silo dữ liệu. Các hệ thống SCADA cũng lưu trữ một lượng dữ liệu hữu hạn để dữ liệu lịch sử không được lưu giữ để phân tích sâu hơn.
Các máy kế thừa không được kết nối vì chúng thiếu loại thiết bị phù hợp.
Các tài sản như Đồng hồ năng lượng chưa bao giờ được kết nối do chi phí chung. Tuy nhiên, thông tin mà họ đưa ra là rất quan trọng.
Các Historical data hiện có có thể là một nguồn dữ liệu.

Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về SCADA là gì ? và các thông tin liên quan. Hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu, vì là kiến thức cá nhân và thu thập được trên các trang mạng nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp của các bạn để bài viết được hoàn hảo hơn.