SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một hệ thống quan trọng trong việc giám sát và điều khiển các quy trình công nghiệp và cơ sở hạ tầng quy mô lớn. Với sự phát triển công nghệ, SCADA ngày càng trở nên thông minh và tích hợp nhiều chức năng tiên tiến, đóng vai trò then chốt trong việc quản lý và tối ưu hóa các quy trình sản xuất và dịch vụ. Xem ngay với Mstar Corp để hiểu hơn về hệ thống SCADA nhé.
SCADA là gì?
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition, hay còn gọi là hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu. Đây là một hệ thống tự động hóa được sử dụng để giám sát và điều khiển các quy trình công nghiệp từ xa.
Hệ thống SCADA thu thập dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối (RTU) được đặt tại các vị trí hiện trường, xử lý dữ liệu đó và hiển thị cho người vận hành trên giao diện người-máy (HMI). Người vận hành có thể sử dụng HMI để điều khiển các thiết bị đầu cuối và can thiệp vào quy trình nếu cần thiết.
Lịch sử phát triển cấu trúc của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, mỗi giai đoạn đánh dấu những cải tiến và thay đổi quan trọng trong cấu trúc và chức năng của hệ thống. Dưới đây là bốn cấu trúc phát triển chính của SCADA.
Cấu trúc Monolithic
Đây là giai đoạn đầu tiên trong sự phát triển của hệ thống SCADA, xuất hiện từ những năm 1960 và 1970. Trong cấu trúc này, các hệ thống SCADA hoạt động như các đơn vị độc lập với khả năng xử lý dữ liệu và điều khiển tập trung.
Tất cả các thành phần của hệ thống, bao gồm máy chủ, bộ điều khiển và các thiết bị đầu cuối từ xa (RTU), đều được tích hợp trong một hệ thống duy nhất. Do hạn chế về công nghệ, hệ thống Monolithic thường gặp khó khăn trong việc mở rộng và thiếu tính linh hoạt.
Cấu trúc Distributed
Cấu trúc này bắt đầu được phát triển vào những năm 1980 khi công nghệ máy tính và mạng lưới tiến bộ. Trong cấu trúc này, các thành phần của hệ thống SCADA được phân tán và kết nối với nhau thông qua các mạng nội bộ (LAN).
Điều này cho phép các bộ điều khiển và RTU hoạt động một cách độc lập nhưng vẫn có thể chia sẻ dữ liệu và thông tin với nhau. Cấu trúc Distributed giúp cải thiện tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống, đồng thời nâng cao khả năng dự phòng và tin cậy.
Cấu trúc Networked
Vào những năm 1990, sự phát triển của mạng toàn cầu (Internet) và các giao thức mạng tiên tiến đã dẫn đến sự ra đời của cấu trúc Networked. Trong cấu trúc này, các hệ thống SCADA sử dụng mạng Internet và các mạng diện rộng (WAN) để kết nối các thành phần với nhau.
Điều này giúp tăng cường khả năng giám sát và điều khiển từ xa, giảm chi phí vận hành và bảo trì. Cấu trúc Networked cho phép tích hợp dễ dàng với các hệ thống khác và hỗ trợ khả năng mở rộng toàn cầu.
Cấu trúc IoT
Hiện nay, sự phát triển của Internet of Things (IoT) đã mang lại một bước tiến mới cho hệ thống SCADA. Cấu trúc IoT cho phép kết nối và quản lý hàng tỷ thiết bị thông qua mạng Internet, tạo ra một hệ thống SCADA thông minh và toàn diện.
Các thiết bị IoT có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu một cách liên tục và chính xác, giúp cải thiện hiệu quả giám sát và điều khiển. Cấu trúc IoT cũng mang lại khả năng phân tích dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI) vào hệ thống SCADA, nâng cao khả năng dự đoán và tối ưu hóa quy trình.
Phần mềm SCADA mang lại lợi ích gì cho người dùng?
Hệ thống SCADA đã và đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện đại như năng lượng, thực phẩm, dầu khí, vận tải, xử lý nước và rác thải… với một số ưu điểm nổi bật như sau:
- Tăng cường năng suất: thông qua việc phân tích quy trình sản xuất, nhà quản lý có thể sử dụng thông tin này để tăng cường hiệu quả sản xuất và cải thiện kỹ thuật.
- Cải thiện chất lượng sản phẩm: bằng cách phân tích hoạt động, nhà quản lý có thể tìm cách giảm thiểu và ngăn chặn các lỗi trong quá trình sản xuất.
- Giảm chi phí vận hành và bảo trì: khi có hệ thống SCADA, doanh nghiệp sẽ không cần nhiều nhân sự để quản lý và giám sát các thiết bị hiện trường ở các vị trí xa. Đồng thời, doanh nghiệp cũng không cần chi trả cho các chuyến đi kiểm tra và bảo trì ở xa, giúp giảm chi phí bảo trì.
- Bảo toàn vốn đầu tư: SCADA được thiết kế mở cho phép chủ đầu tư điều chỉnh và thay đổi theo quy mô sản xuất, giúp loại bỏ các hao hụt theo thời gian và đảm bảo tính sử dụng lâu dài.
SCADA sở hữu những tính năng gì?
Phần mềm SCADA sở hữu nhiều tính năng ưu việt:
- Sử dụng cơ sở dữ liệu để cung cấp dịch vụ điều khiển giám sát hệ thống điện.
- Hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị điện thông qua đồ thị, sự kiện, báo động và báo cáo sản xuất.
- Thực hiện điều khiển từ xa như Đóng/Cắt máy cắt, dao cách ly, tiếp địa và thay đổi giá trị của đầu phân áp máy biến thế, rơle.
- Truyền số liệu từ bên trong hệ thống ra bên ngoài, hỗ trợ đọc viết số liệu trên PLC/RTU và trả lời các yêu cầu về số liệu hoặc thao tác từ cấp trên.
- Kết hợp phần cứng và phần mềm vi tính để tự động hóa việc điều khiển giám sát đối với một đối tượng trong hệ thống điện.
6 thành phần chính của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA bao gồm 6 thành phần chính như sau:
Control Center
Trung tâm điều khiển là trái tim của hệ thống SCADA, nơi tập trung dữ liệu từ các trạm đầu xa và cung cấp giao diện để giám sát và điều khiển các quy trình từ xa. Trung tâm điều khiển thường được trang bị các máy chủ mạnh mẽ, cơ sở dữ liệu lớn và phần mềm chuyên dụng để quản lý toàn bộ hệ thống.
Đây cũng là nơi các kỹ sư và nhân viên vận hành có thể theo dõi tình trạng của hệ thống, nhận cảnh báo và thực hiện các hành động cần thiết để duy trì hoạt động hiệu quả và an toàn.
Hệ thống truyền thông
Hệ thống truyền thông đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thành phần của hệ thống SCADA, bao gồm các trạm đầu xa (RTU) và trung tâm điều khiển. Các phương tiện truyền thông có thể bao gồm cáp quang, mạng không dây, sóng vô tuyến và mạng di động, đảm bảo dữ liệu được truyền tải nhanh chóng và chính xác. Hệ thống này phải đảm bảo tính bảo mật, độ tin cậy và tốc độ truyền tải để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghiệp.
Remote Terminal Unit
RTU là các thiết bị hiện trường được lắp đặt tại các điểm xa xôi để thu thập dữ liệu và gửi về trung tâm điều khiển. Chúng có khả năng giám sát các thông số quan trọng như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, và trạng thái của các thiết bị hiện trường. RTU cũng có thể thực hiện các lệnh điều khiển từ trung tâm, giúp điều chỉnh hoạt động của hệ thống một cách tự động.
Human-Machine Interface
HMI là giao diện trực quan giúp các nhà vận hành tương tác với hệ thống SCADA. Thông qua HMI, người dùng có thể xem và giám sát các thông số của hệ thống, nhận cảnh báo, và thực hiện các lệnh điều khiển. HMI thường được thiết kế thân thiện với người dùng, cung cấp các biểu đồ, đồ thị và hình ảnh trực quan để dễ dàng theo dõi và phân tích dữ liệu.
Programmable Logic Controller – PLC
PLC là bộ điều khiển tự động hóa quan trọng trong hệ thống SCADA. PLC thực hiện các lệnh điều khiển phức tạp dựa trên các chương trình đã được lập trình sẵn. Chúng thường được sử dụng để điều khiển các quy trình sản xuất, xử lý tín hiệu từ các cảm biến, và điều khiển các thiết bị hiện trường như van, động cơ, và bơm.
Phần mềm SCADA
Phần mềm SCADA là nền tảng giúp quản lý toàn bộ hệ thống, từ việc thu thập dữ liệu, giám sát, điều khiển, đến phân tích và báo cáo. Phần mềm này cung cấp các công cụ để tạo giao diện HMI, thiết lập cấu hình hệ thống, và phát triển các ứng dụng giám sát. Phần mềm SCADA cũng hỗ trợ các tính năng nâng cao như bảo mật, tích hợp với các hệ thống khác, và quản lý dữ liệu lịch sử.
5 chế độ truyền thông chính của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA truyền thông tin theo 5 chế độ sau:
Truyền thông giữa các trạm SCADA
Trong hệ thống SCADA, các trạm SCADA (SCADA stations) có thể giao tiếp với nhau để chia sẻ thông tin và phối hợp hoạt động. Truyền thông giữa các trạm SCADA thường được thực hiện thông qua các mạng nội bộ (LAN) hoặc mạng diện rộng (WAN). Việc trao đổi dữ liệu giữa các trạm giúp đảm bảo sự đồng bộ và hiệu quả trong việc giám sát và điều khiển các quy trình công nghiệp.
Truyền thông theo phương pháp polling – Master/Slave
Phương pháp polling là một chế độ truyền thông trong đó một thiết bị trung tâm (Master) liên tục gửi yêu cầu và nhận dữ liệu từ các thiết bị phụ thuộc (Slave). Trong hệ thống SCADA, Master thường là máy chủ SCADA, còn Slave là các thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) hoặc các bộ điều khiển logic lập trình (PLC). Phương pháp này giúp đảm bảo dữ liệu được cập nhật liên tục và chính xác từ các thiết bị hiện trường về trung tâm điều khiển.
Truyền thông thông qua các thiết bị trường
Hệ thống SCADA cần giao tiếp trực tiếp với các thiết bị hiện trường (field devices) như cảm biến, van, động cơ, và các thiết bị khác. Truyền thông với các thiết bị hiện trường có thể được thực hiện qua nhiều giao thức khác nhau, bao gồm Modbus, Profibus, và Ethernet/IP. Việc trao đổi dữ liệu trực tiếp với các thiết bị hiện trường giúp hệ thống SCADA giám sát và điều khiển chính xác các quy trình công nghiệp.
Truyền thông dựa theo cơ sở ngắt phiên
Chế độ truyền thông trên cơ sở ngắt phiên (interrupt-based communication) cho phép các thiết bị hiện trường gửi dữ liệu đến trung tâm điều khiển khi có sự kiện quan trọng xảy ra. Thay vì đợi yêu cầu từ trung tâm điều khiển, các thiết bị này chủ động gửi thông tin ngay lập tức khi phát hiện sự cố hoặc thay đổi trạng thái. Phương thức này giúp tăng cường khả năng phản ứng kịp thời của hệ thống SCADA đối với các tình huống khẩn cấp.
Truyền thông với hệ thống khác
Hệ thống SCADA thường cần giao tiếp với các hệ thống khác trong môi trường công nghiệp, bao gồm hệ thống quản lý năng lượng (EMS), hệ thống quản lý tòa nhà (BMS), và các hệ thống quản lý doanh nghiệp (ERP). Truyền thông với các hệ thống khác thường sử dụng các giao thức tiêu chuẩn như OPC (OLE for Process Control), BACnet, và DNP3. Sự tích hợp này giúp đảm bảo sự liên kết và đồng bộ giữa các hệ thống khác nhau, nâng cao hiệu quả và tính toàn diện trong quản lý và điều hành.
Hệ thống SCADA hoạt động như thế nào?
Về mặt vật lý, hệ thống SCADA có cấu trúc giống như một hệ thống màn hình. Để giám sát dây chuyền sản xuất với nhiều thiết bị, người vận hành sẽ phải theo dõi và tương tác trên nhiều màn hình.
Cơ chế hoạt động của hệ thống SCADA là tổng hợp thông tin từ phần cứng và phần mềm để bạn dễ dàng giám sát, điều khiển và quản lý các quy trình công nghiệp. Quy trình hoạt động của hệ thống SCADA bao gồm:
- Các RTU thu thập dữ liệu từ máy móc và quy trình sản xuất như nhiệt độ, áp suất, tốc độ và các thông số khác.
- Gửi dữ liệu thu thập về trung tâm điều khiển thông qua hệ thống mạng truyền thông.
- Phần mềm SCADA tiếp nhận và xử lý dữ liệu, sau đó hiển thị lên giao diện người-máy dưới dạng đồ thị, biểu đồ hoặc báo cáo.
- Dựa trên dữ liệu này, người vận hành thực hiện các lệnh điều khiển quy trình sản xuất từ xa.
- Trường hợp có lỗi hoặc sự cố xảy ra trong quá trình điều khiển, hệ thống SCADA sẽ hiển thị cảnh báo trên màn hình để người vận hành có thể nắm rõ thông tin và đưa ra các mệnh lệnh kịp thời.
Ứng dụng của hệ thống SCADA là gì?
SCADA đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống quản lý sản xuất như sản xuất điện, thép, dệt may, dược phẩm, hóa chất; hệ thống quan trắc từ xa như trạm bơm, xử lý nước thải; và hệ thống giám sát tòa nhà như nhiệt độ – độ ẩm, điều hòa không khí, chiếu sáng, điện năng tiêu thụ.
Tổng hợp danh sách các nhà cung cấp dịch vụ SCADA
- Experion SCADA của Honeywell
- iFIX của General Electric (GE)
- FactoryTalk View của Rockwell Automation
- Ignition của Inductive Automation
- SIMATIC WinCC của Siemens
- MC Works64 của Mitsubishi Electric
- InTouch của Wonderware (nay là của Schneider Electric)
- Citect SCADA của Schneider Electric
Hệ thống SCADA hiện đại là gì?
SCADA hiện đại ngày nay vẫn tiếp tục được cải tiến và trong những năm gần đây, các chuyên gia dự đoán rằng hệ thống này sẽ phát triển theo những xu hướng chính sau:
- SCADA dựa trên web: Truyền thống của SCADA là truyền thông nối tiếp điểm-đa điểm qua đường dây thuê bao hoặc hệ thống vô tuyến riêng (ví dụ: RS232, RS485, BEL202).
- Tuy nhiên, 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
- Trong đó sẽ bao gồm các IP Tunel, rơle khung, cáp, radio để liên kết các mạng SCADA đến văn phòng trung tâm đến các thiết bị địa chỉ IP riêng lẻ hoặc sử dụng những thiết bị hỗ trợ IP hoặc dựa trên web.
Có thể thấy hệ thống SCADA sử dụng nhiều chế độ truyền thông khác nhau để đảm bảo việc thu thập, xử lý và phân phối thông tin hiệu quả trong môi trường công nghiệp. Từ việc giao tiếp giữa các trạm SCADA, truyền thông theo phương pháp polling, kết nối với các thiết bị hiện trường, truyền thông ngắt phiên cho đến việc tích hợp với các hệ thống khác, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống SCADA hoạt động ổn định, tin cậy và hiệu quả.
