Tổng quan về SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition System)

SCADA là từ viết tắt trong cụm từ tiếng anh: “Supervisory Control and Data Acquisition” được dịch ra tiếng việt là “Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu”.  Vậy, hệ thống SCADA thực sự là gì? Nó hoạt động như thế nào? Tại sao nó được gọi là “Supervisory Control and Data Acquisition”? Trong bài chia sẻ này, chúng tôi sẽ cho bạn biết những điều cơ bản về SCADA.

Hệ thống SCADA là gì?

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đúng như tên gọi của nó, 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.  Nó được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để giám sát và điều khiển các dây chuyền và máy móc sản xuất. Một cách tốt để hiểu hệ thống SCADA là gì và nó có thể được sử dụng ở đâu? thì chúng ta có thể hiểu điều này đơn giản hơn khi tìm hiểu về kim tự tháp tự động hóa.

Hệ thống SCADA được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát trong kim tự tháp tự động hóa. Kim tự tháp tự động hóa là một khái niệm được xuất bản trong ISA-95 và IEC 62264-3, nhằm cố gắng 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. Và ở 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.

Hệ thống SCADA hoạt động như thế nào?

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. Thường sẽ có 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 này có thể dễ được hình dung với ví dụ: một P&ID (sơ đồ đường ống và các thiết bị đo đạc). 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 “giao diện người máy”). Chúng là giao diện giữa người vận hành và máy móc. Quay lại như những ngày sơ khai, một HMI thực sự chỉ là một loạt các nút nhấn và tín hiệu đèn điều khiển. Nhưng bây giờ, với những hệ thống hiện đại, tân tiến; bạn sẽ thấy thường có màn hình cảm ứng ở máy hoặc trong phòng điều khiển.

Nhưng nếu tất cả những màn hình này được gọi là HMI, thì SCADA chính xác là gì?

Cấu trúc hệ thống SCADA

Nói một cách đơn giản HMI là một phần của SCADA. Bởi vì HMI chỉ là màn hình hoặc chính giao diện, 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 nhiều HMI để điều khiển và giám sát các bộ phận khác nhau của nhà máy.

Nếu chúng ta xem xét kỹ hơn cấu ​​trúc của SCADA thì sẽ thấy rõ rằng nó chứa nhiều thứ hơn là chỉ HMI. Nó 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, những 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.

RTU hoặc thiết bị đầu cuối từ xa hơi giống PLC. Bạn có thể kết nối các cảm biến với RTU và nó sẽ chuyển đổi tín hiệu, dữ liệu của chúng sang dữ liệu kỹ thuật số. Dữ liệu kỹ thuật số này sau đó sẽ được đưa vào hệ thống SCADA.

Hệ thống SCADA đã trải qua một số giai đoạn lịch sử phát triển.

1. Monolithic
2. Distributed
3. Networked
4. Internet of things

Lịch sử phát triển cấu trúc hệ thống SCADA

Biết được lịch sử của hệ thống SCADA thực sự giúp bạn có cái nhìn sâu sắc về sự phát triển của nó. SCADA đã phát triển như thế nào từ một cấu ​​trúc nguyên khối đơn giản sang cơ sở hạ tầng dựa trên nền tảng đám mây. Mặc dù thế hệ thứ tư của hệ thống SCADA đã ra đời, nhiều hệ thống hiện có vẫn thuộc thế hệ thứ ba hoặc thậm chí là thứ hai. Đó là lý do tại sao, đối với chúng tôi, những người làm việc với hệ thống SCADA, điều cần thiết là phải làm quen với các hệ thống cũ hơn.

#1 Cấu trúc Monolithic

Các hệ thống SCADA đầu tiên chỉ có một trạm giám sát. Đó là thời điểm khi PC và mạng chưa tồn tại. Thay vì đó các trạm máy tính lớn của PC đã được sử dụng. Chức năng của các hệ thống ban đầu này chỉ giới hạn ở các cảm biến giám sát. Hiện nay, bạn sẽ chỉ tìm thấy những hệ thống này tại trong các viện bảo tàng.

#2 Cấu trúc Distributed

Với việc phát minh ra mạng cục bộ (LAN – Local Area Networks), hệ thống phân tán đã ra đời. Giờ đây, kết nối mạng có nghĩa là bạn có thể kết nối nhiều trạm điều khiển và giám sát. Khi đó bạn có một hệ thống SCADA mà trong đó là một mạng lưới kết nối giữa các trạm điều khiển & giám sát để thực hiện các nhiệm vụ liên lạc và giao tiếp với nhau. Hệ thống SCADA thế hệ thứ hai vẫn tồn tại cho đến ngày nay, tuy nhiên rất hiếm.

#3 Cấu trúc Networked

Khi công nghệ và giao thức mạng phát triển và chúng ta bắt đầu thấy xuất hiện khái niệm mạng diện rộng (WAN – Wide Area Networks), các khả năng kết nối mạng và giao tiếp mới cũng trở nên khả dụng đối với các hệ thống SCADA. Các hệ thống SCADA giờ đây không chỉ có thể được sử dụng trong một nhà máy duy nhất, mà còn có thể sử dụng trên nhiều nhà máy có khoảng cách địa lý cách xa nhau. Với kiến ​​trúc nối mạng diện rộng, việc giám sát có thể truy cập ở bất cứ đâu, ngay cả từ một vị trí địa lý cách xa nhà máy. Hầu hết các hệ thống SCADA hiện nay, trên thực tế vẫn được xây dựng với kiến ​​trúc nối mạng. Mặc dù ngày càng có nhiều người hướng tới IoT, nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước.

#4 Internet of things (IoT)

Thế hệ thứ 4 của hệ thống SCADA là thế hệ chúng ta đang xây dựng hiện nay. Nó là một phần của cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0. Ở đây, cả Internet of Things (IoT) và truyền thông dữ liệu phi tập trung đều quan trọng. Những công nghệ mới này mang lại cho chúng ta sự tự do kết nối và linh hoạt hơn trong cấu ​​trúc của hệ thống SCADA.

Trên thực tế, toàn bộ cấu ​​trúc SCADA được thiết kế để tập trung vào việc điều khiển và giám sát, thu thập dữ liệu. Toàn bộ ý tưởng là có một hệ thống hoặc một ứng dụng. Nhưng với IoT, ý tưởng này đang thay đổi theo hướng cấu ​​trúc phi tập trung, nơi mọi thành phần của hệ thống có thể giao tiếp với nhau.

Mặc dù cấu ​​trúc mới này là tương lai của tự động hóa nhưng vẫn còn nhiều vấn đề về bảo mật. Dữ liệu từ hệ thống SCADA thường có giá trị cao và nhạy cảm, nhất đối với hoạt động kinh doanh và việc đưa chúng lên đám mây yêu cầu một lớp bảo mật thật mạnh mẽ.

Ứng dụng của hệ thống SCADA

SCADA có nhiều ứng dụng khác nhau, từ các đơn vị nhỏ đến các nhà máy lớn và thậm chí cả các doanh nghiệp, tập đoàn có nhiều nhà máy. Giám sát có thể hữu ích trong mọi khía cạnh của tự động hóa vì nó cho phép chúng ta thu thập những dữ liệu hữu ích. Dữ liệu này không chỉ có thể giúp chúng ta giảm chi phí sản xuất mà còn có thể giúp chúng ta cải thiện hiệu quả của quá trình sản xuất và giảm chi phí bảo trì. SCADA cung cấp cho chúng ta dữ liệu để phân tích.

Nhiều ngành công nghiệp đang sử dụng một số loạt ứng dụng của SCADA để giám sát điều khiển các quy trình của họ. Tuy nhiên, mỗi ngành có những yêu cầu khác nhau về những gì cần thiết phải được giám sát và điều khiển.

Hệ thống SCADA dành cho ngành dầu khí có thể hoàn toàn khác với hệ thống SCADA cho hệ thống điện hoặc nhà máy điện.

Mỗi ngành và mỗi công ty riêng lẻ cũng có những yêu cầu khác nhau đối với hệ thống SCADA mà họ đang sử dụng. Một số công ty lớn và có nhiều nhà máy, trong khi những công ty khác chỉ là một nhà máy hoặc thậm chí chỉ một hệ thống chế biến.

Có thể liệt kê một số lĩnh vực, ngành công nghiệp đang sử dụng hệ thống SCADA rất nhiều như:

• Sản xuất
• Nhà máy năng lượng
• Nhà máy xử lý nước, nước thải
• Ngành dược
• Thực phẩm và đồ uống
• Công nghiệp dầu khí
• Tái chế
• .v.v

Lưu ý khi chọn phần mềm SCADA

Bạn sẽ có nhiều yếu tố để xem xét khi lựa chọn phần mềm SCADA phù hợp với nhu cầu của bạn. Cả về khía cạnh kinh doanh và kỹ thuật. Tuy nhiên, có những yếu tố chính sau cần lưu ý:

1. Thời hạn sử dụng

Một điều mà nhiều người thường quên là thời hạn của phần mềm SCADA. Như chúng ta đều biết công nghệ đang phát triển nhanh hơn bất kỳ ngành nào khác. Trên thực tế, công nghệ không chỉ phát triển nhanh mà còn nhanh hơn theo cấp số nhân. Không chỉ công nghệ trở nên nhanh hơn, công nghệ mới cũng phát sinh mọi lúc. Các công nghệ được sử dụng để truyền thông được sử dụng cách đây 5 năm ngày nay được coi là chậm và thường lỗi thời so với các tiêu chuẩn truyền thông mà chúng ta có ngày nay.

2. RFI

RFI (Request for Information) có thể hiểu đơn giản là sự hỗ trợ của nhà cung cấp trong thời hạn sử dụng phần mềm như: cập nhật, khắc phục lỗi, mở rộng, nâng cấp,..

3. Lưu trữ dữ liệu

Ghi và lưu trữ dữ liệu là rất quan trọng đối với ngành công nghiệp ứng dụng hệ thống SCADA. Một số ngành công nghiệp như thực phẩm hoặc dược phẩm thậm chí còn có các yêu cầu pháp lý (FDA 21 CFR Phần 11) về việc ghi dữ liệu. Tiêu chuẩn kiểm soát ISA-88 là một ví dụ điển hình về cách thực hiện ghi và lưu trữ dữ liệu để theo dõi.

Tất cả các dữ liệu được ghi lại, lưu trữ lại cũng có thể được sử dụng để phân tích. Trên thực tế, dữ liệu có giá trị rất lớn đối với một công ty, vì việc phân tích nó thường xuyên có thể giúp chúng ta có kế hoạch bảo trì tốt hơn và tối ưu hóa sản xuất.

4. Cơ sở dữ liệu

Nơi lưu trữ tất cả dữ liệu thu thập được thường là cơ sở dữ liệu. Cũng chính từ cơ sở dữ liệu, sau này bạn có thể truy cập những dữ liệu đó cho các báo cáo và phân tích. Bạn có thể đã nghe nói về cơ sở dữ liệu SQL trước đây và SQL cũng là công nghệ cơ sở dữ liệu chính được sử dụng bởi các hệ thống SCADA.

SQL là viết tắt của “Structured Query Language” và là một ngôn ngữ lập trình dùng để quản lý dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Bạn có thể sử dụng nó để chèn, xóa, chỉnh sửa và nhập hoặc xuất dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. Trên thực tế, hệ thống SCADA đang sử dụng các lệnh SQL để quản lý cơ sở dữ liệu.

Bạn có thể tìm thấy các ngôn ngữ truy vấn khác nhưng SQL được sử dụng nhiều nhất hiện nay, không chỉ bởi phần mềm SCADA mà còn để quản lý cơ sở dữ liệu nói chung. Cơ sở dữ liệu SQL có thể được lưu trữ trên máy chủ của riêng của bạn hoặc dưới dạng đám mây.

5. OPC và OPC UA

Tất nhiên, khả năng tương thích với nền tảng PLC và RTU bạn đang sử dụng là rất quan trọng. Bạn cần một số cách để hệ thống SCADA truy cập dữ liệu từ các thiết bị hiện trường này. Một trong những công nghệ chính cho việc này là OPC.

OPC là viết tắt của “OLE for process control” và là một tiêu chuẩn để truy cập dữ liệu trong các thiết bị hiện trường như PLC hoặc RTU. Hệ thống SCADA thường sử dụng công nghệ máy chủ và máy khách OPC để giao tiếp với PLC. Nói chính xác hơn, phần OPC được sử dụng được gọi là OPC DA (data access “truy cập dữ liệu”).

PLC được thiết lập để trở thành một máy chủ OPC sau đó sẽ dịch dữ liệu để phù hợp với giao thức OPC. Mặt khác, trong hệ thống SCADA của bạn, bạn sẽ có một máy khách OPC có thể truy cập những dữ liệu đó thông qua giao thức OPC.

Với giao thức OPC thì hầu hết các PLC hiện đại đều hỗ trợ nó. Điều này có nghĩa là bạn không phải mua hệ thống SCADA từ cùng một nhà cung cấp mặc định nào đó với loại PLC bạn đang sử dụng.

6. Cảnh báo

Hầu hết tất cả các hệ thống SCADA đều có cảnh báo, báo động. Xử lý các cảnh báo này được gọi là quản lý báo động và là tất cả mọi thứ từ cài đặt và đặt lại báo động đến quản lý mức độ ưu tiên của báo động.

Báo động có thể là báo động do hệ thống xác định hoặc báo động do người dùng xác định. Trong trường hợp các cảnh báo do hệ thống xác định có liên quan đến trạng thái của chính phần cứng hoặc hệ thống, các cảnh báo do người dùng xác định sẽ được người dùng xác định và lập trình.

Báo động do người dùng chỉ định bao gồm cảnh báo rời rạc hoặc tương tự. Các cảnh báo rời rạc được kích hoạt bởi trạng thái số của một bit. Trong khi cảnh báo tương tự được kích hoạt bởi các giá trị tương tự vượt quá giới hạn xác định.

Trong nhiều hệ thống SCADA, việc đặt lại các cảnh báo bị hạn chế. Một báo động được kích hoạt thường có nghĩa là đã xảy ra sự cố và cần phải có hành động khắc phục. Thường bởi một người có trình độ, nghĩa là chỉ có anh ta mới được phép đặt lại báo động.

7. Dữ liệu trực quan

Khi hầu hết mọi người nghĩ về hệ thống SCADA, họ nghĩ về một hoặc một số màn hình nơi quá trình hoặc một phần quá trình của nó được hiển thị. Chính sự trực quan đó mang lại cho người vận hành khả năng kiểm soát và xem dữ liệu từ hệ thống.

Trực quan hóa dữ liệu có thể là bất kỳ loại trực quan hóa nào của một luồng dữ liệu nhất định. Đồ thị và biểu đồ thường được sử dụng để trực quan hóa quá trình thay đổi của một giá trị trong khi bảng và màu sắc thường được sử dụng để biểu thị trạng thái của một biến rời rạc. Màu sắc đã được sử dụng khá nhiều trong hệ thống SCADA để dễ hình dung, nhưng với các tiêu chuẩn mới như ISA-101 và ISA-112, thuật ngữ “màu xám là tốt” và HMI hiệu suất cao đã được đề cập đến.

8. Phân tích dữ liệu

Ngoài việc trực quan hóa dữ liệu, một phần công việc ngày càng đòi hỏi cần đáp ứng của hệ thống SCADA là phân tích những dữ liệu đó. Phân tích dữ liệu và máy tự học không chỉ là những từ ngữ thông dụng. Chúng là một phần của cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0 và cùng với nó hệ thống SCADA của bạn sẽ trở nên thông minh hơn.

Bạn có thể lập luận rằng phân tích dữ liệu đã được thực hiện trong suốt lịch sử phát triển hệ thống SCADA. Hầu hết các hệ thống SCADA cung cấp một hệ thống báo cáo, nơi các báo cáo với dữ liệu sản xuất, quá trình và hệ thống được trình bày. Tuy nhiên, những dữ liệu này thường được con người phân tích để tối ưu hóa sản xuất hoặc bảo trì.

Công nghệ mới ở đây là máy học và thuật toán. Với công nghệ máy học mới nổi hiện nay máy tính có thể phân tích dữ liệu. Các thuật toán thông minh không chỉ có thể phân tích dữ liệu mà còn có thể học hỏi từ dữ liệu và tìm ra các khả năng tối ưu hóa trong dữ liệu. Những khả năng mà gần như không thể tìm thấy ở con người.

Nhà cung cấp hệ thống SCADA

Dưới đây, bạn có thể tham khảo một số nhà cung cấp hệ thống SCADA lớn nhất trên thị trường. Chúng tương thích với hầu hết các hệ thống điều khiển, các loại PLC và sử dụng các tiêu chuẩn truyền thông mới nhất và được sử dụng nhiều nhất.

Chọn một hệ thống SCADA từ một nhà cung cấp được sử dụng rộng rãi thường là giải pháp tốt nhất, vì họ thường có sự hỗ trợ tốt hơn, nhiều nhà phát triển hơn, ổn định hơn.

1. FactoryTalk View của Rockwell Automation
2. InTouch của Wonderware => Schneider Electric
3. Citect SCADA của Schneider Electric
4. Experion SCADA của Honeywell
5. iFIX của General Electric (GE)
6. Ignition của Inductive Automation
7. SIMATIC WinCC của Siemens
8. MC Works64 của Mitsubishi Electric
9. SCADA Cimon

Trên đây, MC&TT đã tổng hợp và cung cấp cho bạn những kiến thức cơ bản nhất về hệ thống SCADA. Chúng tôi, hy vọng với bài chia sẻ này bạn sẽ có một cái nhìn tổng quan và có thể khái quát được hệ thống kiến thức SCADA của bạn, nhằm có thể giúp bạn có định hướng rõ ràng hơn, tìm hiểu sâu hơn và chi tiết hơn về hệ thống SCADA.