Hiện đại hóa và tự động hóa ngày càng thúc đẩy các công ty đầu tư mạnh mẽ vào hệ thống điều khiển để tăng hiệu quả và giảm rủi ro trong sản xuất công nghiệp. Trong số đó, hệ thống giám sát SCADA đóng vai trò then chốt, trở thành xu hướng ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực này. Bài viết này của Đại Việt sẽ cung cấp thông tin chi tiết về hệ thống SCADA, lợi ích và ứng dụng của nó.
SCADA (viết tắt của “Supervisory Control and Data Acquisition,” nghĩa là “Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu”) là một hệ thống phần mềm dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu từ hệ thống phần cứng.
Hệ thống SCADA được sử dụng rộng rãi trong nhà máy để giám sát, điều khiển các dây chuyền và máy móc sản xuất, và nó được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát trong mô hình kim tự tháp tự động hóa.
Giữa thế kỷ 20,hệ thống giám sát và xử lý dữ liệu SCADA chính thức được giới thiệu. Trước đó, các nhà sản xuất thường dựa vào giám sát và điều khiển thủ công, sử dụng nút bấm và bộ quay số tương tự.
Khi ngành công nghiệp và các trạm điều khiển từ xa phát triển, nhiều nhà sản xuất bắt đầu sử dụng rơ le và bộ hẹn giờ. Điều này cho phép người dùng ở các địa điểm khác nhau thực hiện giám sát mà không cần phải có mặt trực tiếp.
Mặc dù rơ le và bộ hẹn giờ mang lại tự động hóa hiệu quả, chúng vẫn tồn tại hạn chế như khó cấu hình, phát hiện lỗi và tốn diện tích. Do đó, người dùng mong muốn có một hệ thống giám sát tối ưu và hiệu quả hơn.
Đầu những năm 1950, máy tính ra đời và được ứng dụng trong điều khiển sản xuất. Điều này mở đường cho việc giám sát trở nên phổ biến hơn trong các tổ chức công nghiệp. Đến năm 1960, các thiết bị từ xa được phát triển để giám sát và truyền dữ liệu đến các thiết bị giám sát. Năm 1970, thuật ngữ hệ thống SCADA chính thức ra đời và trở nên phổ biến. Điều này mang đến những cải tiến trong giám sát và kiểm soát tự động các quy trình trong doanh nghiệp.
Kim tự tháp tự động hóa, được mô tả trong ISA-95 và IEC 62264-3, là một khái niệm thể hiện cách các hệ thống điều khiển khác nhau tương tác với nhau. Ở đỉnh kim tự tháp chứa dữ liệu hệ thống dùng cho xử lý kinh doanh, lập kế hoạch và hậu cần. Ở đáy, bạn sẽ tìm thấy tất cả các thiết bị hiện trường hoạt động.
Hệ thống SCADA nằm giữa kim tự tháp tự động hóa, nơi giao thoa giữa công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT).
Bên dưới hệ thống SCADA là các thiết bị hoạt động như PLC, cảm biến,… Chức năng của SCADA là điều khiển và giám sát các thiết bị này, đồng thời gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP ở phía trên.
SCADA được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
Hệ thống SCADA là điểm giao thoa và kết nối giữa IT và OT. Khái niệm cơ bản của SCADA là trao đổi thông tin và khả năng kiểm soát (giám sát và điều khiển), đặc biệt là cách hệ thống SCADA thường được sử dụng.
Về mặt vật lý, hệ thống SCADA thường là một hoặc nhiều màn hình, nơi người vận hành có thể điều khiển và giám sát tất cả các thành phần liên quan trong một hệ thống, máy móc hoặc thậm chí toàn bộ nhà máy. Quan trọng nhất là người vận hành hiểu rõ các phần khác nhau của hệ thống điều khiển và giám sát SCADA và xác định nhiệm vụ cần thực hiện là điều khiển hay giám sát.
Các màn hình này về cơ bản là giao diện người-máy (HMI), là cầu nối giữa người và máy. Ban đầu chỉ là các nút nhấn và đèn tín hiệu, HMI hiện nay thường là màn hình cảm ứng đặt tại máy hoặc trong phòng điều khiển.
Trong hệ thống SCADA, các nguyên tắc sau cần được tuân thủ:
Các thiết bị đo đạc hiện trường trong hệ thống SCADA có thể là cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, màn hình năng lượng, cảm biến tiệm cận và nhiều loại khác.
Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu, 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 thực hiện các biện pháp điều chỉnh khi cần thiết.
Bảng điều khiển hiện trường (RTU/PLC) là một thành phần quan trọng của hệ thống SCADA, còn được gọi là “trạm thu thập dữ liệu trung gian.” Nó bao gồm hai loại thiết bị: RTU (Remote Terminal Units – khối thiết bị đầu cuối từ xa) và PLC (Programmable Logic Controllers – khối điều khiển logic khả trình). Cả hai loại thiết bị này sẽ đảm nhận các chức năng quan trọng:
Nhờ RTU và PLC, hệ thống SCADA có thể thu thập dữ liệu hiệu quả từ các cảm biến và điều khiển quy trình sản xuất, đồng thời tạo ra dữ liệu có giá trị để giám sát và điều chỉnh quy trình.
HMI là một phần của SCADA, vì HMI chỉ là màn hình hoặc chính giao diện hiển thị. SCADA là một ứng dụng hoặc toàn bộ hệ thống đứng sau tất cả các màn hình đó.
Một hệ thống điều khiển SCADA có thể có một hoặc nhiều HMI để điều khiển, giám sát các bộ phận khác nhau của nhà máy. Tuy nhiên, SCADA không chỉ có các HMI mà còn là toàn bộ cơ sở hạ tầng của các thiết bị có thể giao tiếp.
Ứng dụng SCADA thường sẽ chạy trên máy chủ, sau đó các thiết bị khách – như máy tính để bàn và màn hình HMI – kết nối đến 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 chúng ta có thể sử dụng SCADA để điều khiển và giám sát hoạt động của chúng.
Hệ thống truyền thông trong hệ thống SCADA đảm bảo duy trì kết nối mạng tích hợp trong suốt quá trình hoạt động, bao gồm:
Hệ thống truyền thông trong SCADA sẽ 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 RTU và hệ thống SCADA trung tâm tại trạm biến áp. Giao thức ICCP cũng được dùng để kết nối với hệ thống SCADA/ESM, tạo điều kiện cho việc truyền tải dữ liệu giữa các thành phần trong hệ thống.
Chức năng chính của bất kỳ hệ thống điều khiển và giám sát SCADA nào là trao đổi dữ liệu/thông tin (truyền thông).
Chế độ này có thể sử dụng các giao thức do các nhà sản xuất hệ thống SCADA phát triển, hoặc các giao thức đã được biết đến.
Chúng được thực hiện thông qua đường thuê bao riêng, mạng Ethernet TCP/IP hoặc quay số (modem).
Chế độ này diễn ra tại trạm trung tâm (Master), nơi kiểm soát toàn bộ hệ thống và truy vấn các trạm ở xa (Slave) theo trình tự. Các trạm ở xa chỉ trả lời sau khi nhận được yêu cầu từ trạm trung tâm.
Điều này giúp tránh xung đột dữ liệu trên mạng và đơn giản hóa việc thu thập dữ liệu. Chế độ này có khả năng truyền thông từ trạm trung tâm tới các trạm ở xa.
Chế độ này được thực hiện bằng cách chia sẻ giao thức với các phương pháp công khai hoặc hạn chế.
Chế độ này thường hoạt động khi polling hoặc có gián đoạn, tuân theo các chỉ định thông thường với cơ chế báo cáo loại trừ (Report by Exception).
Chế độ này thường được thực hiện khi PLC hoặc RTU giám sát các giá trị đầu vào hoặc 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 truyền các dữ liệu không cần thiết, giảm thiểu việc chiếm dụng băng thông mạng và cho phép kiểm tra nhanh các thông tin quan trọng, cũng như truyền dữ liệu giữa các trạm ở xa (Slave-to-Slave).
Ví dụ như trình tự phối hợp, bộ thu thập dữ liệu hoặc các nhà cung cấp, có thể thực hiện với các module riêng, thông qua cơ sở dữ liệu hoặc các công nghệ khác, chẳng hạn như XML và OPC.
Là cấp độ mà các kỹ sư, công nhân vận hành và theo dõi hoạt động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ.
Là cấp độ mà các kỹ sư điều khiển tự động giám sát, điều khiển các thông số, tình trạng của các thiết bị và toàn bộ dây chuyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng cách 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).
Có 2 hình thức tương đương nhau:
Áp dụng hệ thống SCADA, doanh nghiệp có thể giảm chi phí vận hành, bảo trì nhờ tính năng giám sát từ xa, giảm nhân sự quản lý và giám sát dây chuyền, đồng thời cắt giảm thiết bị hiện trường phức tạp.
Hệ thống SCADA tích hợp các tính năng ưu việt và tự động hóa trong quá trình kiểm soát, phân tích dữ liệu, giúp nhà sản xuất quản lý hiệu quả hơn, phát hiện và khắc phục sai sót trong quá trình hoạt động.
SCADA cung cấp thông tin chuẩn xác cho các tổ chức công nghiệp, sử dụng các tiêu chuẩn CNTT như ứng dụng dựa trên trang web và SQL, 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 giúp việc kiểm soát quy trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn.
SCADA thường có thiết kế mở hiện đại, cho phép người dùng tự do chỉnh sửa và nâng cấp thiết bị, bảo toàn vốn đầu tư và đáp ứng mong muốn về tính sử dụng lâu dài. Người dùng có thể cải tiến và nâng cấp theo quy mô sản xuất, giúp giảm thiểu hao hụt theo thời gian.
Mặc dù hệ thống SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa cũng như giám sát các quy trình, nhưng chỉ một hệ thống SCADA đơn lẻ không đủ để chuyển đổi nhà máy thành một “Nhà máy thông minh” – mục tiêu hướng đến của ngành sản xuất trong bối cảnh công nghiệp 4.0.
Một nhà máy thông minh là một hệ thống phức tạp, đòi hỏi sự tích hợp của nhiều công nghệ hiện đại, các hệ thống dữ liệu, cùng với các khả năng phân tích, học máy và IoT để đạt tới mức độ tự động hóa cũng như tối ưu hóa một cách toàn diện.
Vậy, vì sao một hệ thống SCADA dù lớn mạnh và hiện đại lại chưa đủ sức để biến nhà máy trở thành “Nhà máy thông minh”? Dưới đây là một phân tích chi tiết về vấn đề này:
Hệ thống SCADA sẽ là một công cụ thiết yếu trong việc giám sát và điều khiển các quy trình công nghiệp phức tạp, cung cấp khả năng về thu thập dữ liệu thời gian thực, giúp doanh nghiệp theo dõi và kiểm soát hiệu quả các hoạt động sản xuất, cải thiện năng suất và giảm thiểu rủi ro.
Với hệ thống SCADA, nhà quản lý có thể đưa ra quyết định kịp thời, chính xác, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và năng lượng. Hy vọng qua bài viết trên của Đại Việt, quý độc giả đã có thêm kiến thức hữu ích rồi nhé.
