Hệ thống SCADA là gì? Khi nào bạn cần 1 hệ thống SCADA ?

SCADA là gì?

SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa.

Theo định nghĩa trên thì SCADA là một hệ thống các yếu tố phần mềm và phần cứng cho phép các tổ chức công nghiệp:

• Kiểm soát các quy trình công nghiệp tại địa phương hoặc tại các địa điểm 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 nhiều thứ khác thông qua phần mềm giao diện người-máy (HMI)
• Ghi sự kiện vào một file nhật ký hoặc CSDL.

Các 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 của hệ thống để giúp giảm thiểu thời gian chết.

Kiến trúc SCADA cơ bản bắt đầu bằng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc thiết bị đầu cuối từ xa (RTU). 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 bằng phần mềm SCADA. Phần mềm SCADA xử lý, phân phối và hiển thị dữ liệu, giúp người vận hành và các nhân viên khác phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định quan trọng.

Ví dụ, hệ thống SCADA nhanh chóng thông báo cho nhà điều hành rằng một lô sản phẩm đang có tỷ lệ lỗi cao. Nhà điều hành tạm dừng hoạt động và xem dữ liệu hệ thống SCADA thông qua HMI để xác định nguyên nhân của sự cố. Nhà điều hành xem xét dữ liệu và phát hiện ra rằng Máy 4 bị trục trặc. Khả năng của hệ thống SCADA để thông báo cho người vận hành về một vấn đề giúp anh ta giải quyết vấn đề đó và ngăn ngừa việc mất thêm sản phẩm.

Sơ đồ SCADA cơ bản

Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:

• Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.

• Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị 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.

• Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI (Human Machine Interface).

Cơ chế thu thập dữ liệu

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.

Ai sử dụng SCADA?

Các 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. Các hệ thống SCADA hoạt động tốt trong nhiều loại hình doanh nghiệp khác nhau vì chúng có thể bao gồm từ các cấu hình đơn giản đến các cài đặt lớn, phức tạp. Các hệ thống SCADA là xương sống của nhiều ngành công nghiệp hiện đại, bao gồm:

• Năng lượng
• Đồ ăn và đồ uống
• Chế tạo
• Dầu khí
• Quyền lực
• Tái chế
• Vận chuyển
• Nước và chất thải
• Và nhiều cái khác

• Hầu như bất cứ nơi nào bạn nhìn vào thế giới ngày nay, có một số loại hệ thống SCADA chạy phía sau hậu trường: SCADA quản lý tòa nhà, SCADA quản lý hệ thống làm lạnh tại siêu thị địa phương, đảm bảo sản xuất và an toàn tại nhà máy lọc dầu, đạt tiêu chuẩn chất lượng tại nhà máy xử lý nước thải hoặc thậm chí theo dõi sử dụng năng lượng của bạn ở nhà, để đưa ra một vài ví dụ.
• Các hệ thống SCADA hiệu quả có thể giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc. Nhiều nghiên cứu trường hợp đã được công bố nêu bật những lợi ích và tiết kiệm của việc sử dụng giải pháp phần mềm SCADA hiện đại như WinCC, Win CC OA, Advantech WebAccess, Cimon SCADA

Lợi ích của SCADA

• 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:
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

So sánh SCADA và MES

Hệ thống MES cung cấp các tính năng quản lý hoạt động sản xuất (MOM), tức là, nó kiểm soát các hoạt động sản xuất diễn ra trong nhà máy, hệ thống kiểm soát chất lượng , giải pháp quản lý hàng tồn kho và sản xuất , như OEE, KPI, quản lý phòng thí nghiệm và quản lý công thức.

Với nền tảng MES / MOM , người thu thập dữ liệu trong nhà máy có thể nhận tất cả thông tin về các quy trình và đơn đặt hàng sản xuất được thực hiện trong nhà máy. Nó cho phép nhà điều hành nhà máy đưa ra quyết định thời gian thực trong khi sản xuất đang được tiến hành.

• Tình trạng đặt hàng
• Sử dụng trạng thái tài nguyên
• Sử dụng trạng thái vật liệu
• Lãng phí
• OEE
• KPI

MES quản lý tất cả các vật liệu được thêm vào trong một lô nhất định, cũng như chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Việc ra quyết định rộng rãi như vậy không thể được thực hiện trong SCADA.

Lịch sử và quá trình phát triển của SCADA

Để hiểu nguồn gốc của SCADA, chúng ta phải hiểu các vấn đề mà các tổ chức công nghiệp đang cố gắng giải quyết. Trước khi khái niệm SCADA được giới thiệu vào giữa thế kỷ 20, nhiều sàn sản xuất, nhà máy công nghiệp và các trang web từ xa đã dựa vào nhân viên để điều khiển và giám sát thiết bị bằng tay thông qua nút ấn và mặt số tương tự.

Khi sàn công nghiệp và điều khiển từ xa bắt đầu mở rộng quy mô, các giải pháp là cần thiết 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 phải gửi người đến các địa điểm từ xa để tương tác với từng thiết bị.

Trong khi rơle và bộ hẹn giờ giải quyết được nhiều vấn đề bằng cách cung cấp chức năng tự động hóa hạn chế, nhiều vấn đề bắt đầu nảy sinh khi các tổ chức tiếp tục mở rộng quy mô. Rơle và bộ hẹn giờ rất khó để cấu hình lại, tìm lỗi và bảng điều khiển chiếm giá đỡ trên giá đỡ của không gian. Một hệ thống kiểm soát và giám sát hoàn toàn tự động và hiệu quả hơn là cần thiết.

Đầu những năm 1950, máy tính được phát triển và sử dụng đầu tiên cho mục đích kiểm soát công nghiệp. Kiểm soát giám sát bắt đầu trở nên phổ biến trong số các tiện ích chính, đường ống dẫn dầu khí và các thị trường công nghiệp khác tại thời điểm đó. Vào những năm 1960, đo từ xa được thành lập để giám sát, cho phép truyền thông tự động truyền các phép đo và dữ liệu khác từ các trang web từ xa đến thiết bị giám sát. T

huật ngữ SCADA 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 đã tăng khả năng giám sát và kiểm soát các quy trình tự động của doanh nghiệp hơn bao giờ hết.

Sự phát triển của SCADA

Trong những năm 80 và 90, SCADA tiếp tục phát triển nhờ các hệ thống máy tính nhỏ hơn, công nghệ Mạng cục bộ (LAN) và phần mềm HMI dựa trên PC. Các hệ thống SCADA sớm có thể được kết nối với các hệ thống tương tự khác. Nhiều giao thức LAN được sử dụng trong các hệ thống này là độc quyền, điều này cho phép các nhà cung cấp kiểm soát cách tối ưu hóa truyền dữ liệu. Thật không may, các hệ thống này không có khả năng giao tiếp với các hệ thống từ các nhà cung cấp khác. Các hệ thống này được gọi là hệ thống SCADA phân tán.

Trong những năm 1990 và đầu những năm 2000, dựa trên mô hình hệ thống phân tán, SCADA đã áp dụng thay đổi gia tăng bằng cách chấp nhận một kiến ​​trúc hệ thống mở và các giao thức truyền thông không dành riêng cho nhà cung cấp. Sự lặp lại này của SCADA, được gọi là hệ thống SCADA được nối mạng, đã tận dụng các công nghệ truyền thông như Ethernet. Các hệ thống SCADA được nối mạng cho phép các hệ thống từ các nhà cung cấp khác liên lạc với nhau, giảm bớt các hạn chế do các hệ thống SCADA cũ hơn và cho phép các tổ chức kết nối nhiều thiết bị hơn với mạng.

Trong khi các hệ thống SCADA đã trải qua những thay đổi tiến hóa đáng kể, nhiều tổ chức công nghiệp tiếp tục đấu tranh với truy cập dữ liệu công nghiệp từ cấp doanh nghiệp. Vào cuối những năm 1990 đến đầu những năm 2000, một sự bùng nổ công nghệ đã xảy ra và các công nghệ CNTT và điện toán cá nhân đã tăng tốc phát triển. Cơ sở dữ liệu ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL) đã trở thành tiêu chuẩn cho cơ sở dữ liệu CNTT nhưng không được các nhà phát triển SCADA chấp nhận. Điều này dẫn đến sự rạn nứt giữa các lĩnh vực kiểm soát và CNTT và công nghệ SCADA trở nên lỗi thời theo thời gian.Các hệ thống SCADA truyền thống vẫn sử dụng công nghệ độc quyền để xử lý dữ liệu. Cho dù đó là một nhà sử học dữ liệu, kết nối dữ liệu hoặc phương tiện truyền dữ liệu khác, giải pháp này rất lộn xộn và vô cùng tốn kém. Các hệ thống SCADA hiện đại nhằm giải quyết vấn đề này bằng cách tận dụng tốt nhất các điều khiển và công nghệ CNTT.

Hệ thống SCADA hiện đại

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:

Kết hợp hệ điều hành Windows với các hệ thống SCADA

Nền tảng Windows giúp gia tăng sự ổn định, khả năng bảo trì phần cứng và phần mềm cũng như khả năng thay thế cho sản phẩm SCADA sẵn có. Ngoài ra, chi phí của phương thức này lại rất cạnh tranh cho hầu hết các doanh nghiệp.

Giao thức mở

Việc sử dụng các giao thức mở không chỉ là nhu cầu của thị trường, mà đã trở thành xu hướng nhằm làm giảm các chi phí khi tích hợp hệ thống, cho phép thu được các dữ liệu ổn định, và làm giảm thời gian thiết kế các ứng dụng. Tuy nhiên,doanh nghiệp không chỉ cần xem xét khả năng tương thích của các giao thức, mà còn cần tối ưu hóa chúng khi sử dụng trong hệ thống SCADA. Vì thế, đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu giữa các thiết bị và phần mềm được đánh giá là sẽ giúp các doanh nghiệp có nhiều lợi ích hơn từ cấu trúc hệ thống mở.

Tích hợp dữ liệu và cấu trúc 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.

SCADA WebAccess của hãng Advantech

Các hệ thống SCADA hiện đại cho phép dữ liệu thời gian thực từ sàn nhà máy 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 CNTT 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 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.