Scada là gì? Tìm hiểu về hệ thống Scada

Scada la gi? Hệ thống Scacada là gì? Cùng với sự phát triển của các hệ thống hiện đại có các thiết bị điện ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn dề quản lý, giám sát, điều khiển, vận hành hệ thống không ngừng phát triển với sự trợ giúp đắc lựuc của các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin và các thiết bị điều khiển từ xa. Một trong những hệ thống phổ biến nhất giúp cho con người giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa đó chính là hệ thống Scada.

Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu Scada ngày càng trở lên gần gữi đối với các kỹ sư, kỹ thuật viên và các sinh viên ngành hệ thống điện. Hiện nay trên thế giớ các hãng đã chế tạo vf lắp đtặ nhiều hệ thống, mônh hình Scada khác nhau đối với hệ thốngd điện, nhà máy điện, lưới điện hạ thế, công ty… để quản lý vận hành các sơ đồ lưới cũng như các thiết bị kỹ thuật ngày nay càng được sử dụng nhiều.

Scada là gì ?

Để tìm hiểu về hệ thống Scada thì trước tiên ta cùng điểm qua về phần khái niệm của chúng.

Khái niệm Scada

Scada (Viết tắt tiếng anh là: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa cơ bản đó 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.

Các hệ thống này thường được sử dụng trong các cơ sở sản xuất và nhà máy công nghiệp. Khi được đưa vào sử dụng, một hệ thống SCADA được thiết kế để giúp kiểm soát và giám sát toàn bộ nhà máy hoặc thiết bị xử lý cụ thể các sự kiện quan trọng và nhạy cảm về thời gian.

Ví dụ, khi rò rỉ xảy ra trong một đường ống, hệ thống SCADA tại chỗ sẽ giúp phát hiện rò rỉ và chuyển thông tin liên quan đến rò rỉ trở lại vị trí trung tâm.

Mặc dù phần mềm này có thể đơn giản nhưng cũng có nhiều tình huống yêu cầu một hệ thống SCADA phức tạp. Một ví dụ về hệ thống SCADA đơn giản là khi nó được sử dụng để giám sát các điều kiện chung bên trong một tòa nhà văn phòng nhỏ. 

Mặt khác, cần có các hệ thống phức tạp hơn để theo dõi thời gian thực hệ thống nước đô thị hoặc nhà máy điện hạt nhân. Mặc dù loại phần mềm này ban đầu được sử dụng vào những năm 1960, nhưng nó đã trở thành một thành phần thiết yếu trong hầu hết các cơ sở sản xuất và nhà máy công nghiệp.

Lịch sử ra đời của Scada

Hệ thống giám sát và xử lý dữ liệu SCADA chính thức ra mắt người dùng vào giữa thế kỷ 20. Trước khi phần mềm hệ thống này xuất hiện, các nhà sản xuất và tổ chức công nghiệp đã nhờ nhân viên giám sát, điều khiển thủ công thông qua nút bấm và analog dials.

Trong giai đoạn công nghiệp và trang web điều khiển từ xa phát triển, nhiều nhà sản xuất bắt đầu ứng dụng giải pháp rơ le và bộ hẹn giờ. Nhờ đó, người dùng tại các địa điểm không cần phải đến tận nơi để thực hiện nhiệm vụ giám sát.

Mặc dù rơ le và bộ hẹn giờ mang đến các chức năng tự động hóa hiệu quả, nhưng chúng vẫn không tránh khỏi một số vấn đề phát sinh. Hạn chế của chúng là khó cấu hình, phát hiện lỗi và chiếm nhiều không gian. Do đó, người dùng mong muốn có một hệ thống giám sát hiệu quả và tối ưu hơn.

Đầu những năm 1950, máy tính phát triển và lần đầu được ứng dụng vào việc kiểm soát quy trình sản xuất. Nhờ đó, những hoạt động giám sát dần trở nên phổ biến đối với nhiều tổ chức công nghiệp. Đến năm 1960, các thiết bị từ xa được tạo ra nhằm theo dõi và truyền tải các phép đo, dữ liệu đến các thiết bị giám sát. Năm 1970, thuật ngữ SCADA chính thức ra đời và trở nên phổ biến. Điều này giúp việc giám sát và kiểm soát quy trình tự động của các doanh nghiệp được tối ưu hơn.

Cấu trúc hệ thống Scada

Nói chung, hệ thống SCADA là một hệ thống tập trung giám sát và điều khiển toàn bộ khu vực. Nó là một gói phần mềm thuần túy được đặt trên phần cứng. Một hệ thống giám sát thu thập dữ liệu về quy trình và gửi các lệnh điều khiển đến quy trình. 

Cảm biến

Dụng cụ hiện trường là một loạt các máy phát, màn hình và cảm biến. Cảm biến là bộ chuyển đổi phát hiện những thay đổi về số lượng vật lý. Những cảm biến này có thể là analog hoặc kỹ thuật số, nhưng cuối cùng mục đích của chúng là như nhau. Cảm biến giúp người dùng đo lường và thu thập dữ liệu từ nhiều địa điểm khác nhau. Hệ thống càng phức tạp, chúng ta càng cần nhiều cảm biến hơn.

Đơn vị chuyển đổi

Các cảm biến chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu, nhưng chúng ta cũng cần một cái gì đó để có thể nhận và giải thích dữ liệu. Đây là nơi đơn vị chuyển đổi xuất hiện. Đơn vị chuyển đổi là đơn vị được vi tính hóa triển khai tại một vị trí cụ thể trong trường. Chúng được kết nối với các cảm biến. Họ chuyển đổi thông tin họ nhận được thành định dạng kỹ thuật số, sau đó được gửi đến hệ thống tập trung để hiển thị. Hai loại đơn vị chuyển đổi phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống SCADA là PLC và RTU. Làm thế nào để chúng tôi xác định đơn vị nào chúng tôi cần? điều đó phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của chúng tôi là gì.

Bộ điều khiển logic lập trình (PLC)

Bộ điều khiển logic khả trình rất tốt cho các tình huống mà chúng ta muốn kiểm soát cục bộ hơn. Bộ điều khiển logic khả trình là một máy tính kỹ thuật số công nghiệp được thiết kế để sắp xếp đầu ra và nhiều đầu vào. PLC đôi khi được sử dụng thay cho các đơn vị chuyển đổi khác do tính linh hoạt, tính linh hoạt, khả năng chi trả và cấu hình của chúng. Tuy nhiên, người ta có thể cần kỹ năng lập trình tốt để tận dụng tối đa nó.

 Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU)

Các thiết bị đầu cuối từ xa là các thiết bị điện tử được điều khiển bằng bộ vi xử lý. Mục tiêu của họ là giao tiếp hệ thống SCADA với cảm biến hoặc bất kỳ đối tượng nào mà RTU được kết nối. Thông thường, chúng truyền thông tin qua giao tiếp không dây. Do đó, chúng được coi là tốt cho các chức năng bao phủ một khu vực rộng lớn về mặt địa lý.

Các đơn vị chuyển đổi trên hỗ trợ như các điểm thu thập cục bộ để thu thập thông tin từ các cảm biến và gửi lệnh tới các rơ le điều khiển và bảo vệ.

Cộng đồng mạng

Hệ thống SCADA không thể tồn tại nếu không có hệ thống mạng truyền thông được thiết kế phù hợp. Tất cả các khía cạnh của hệ thống SCADA chỉ dựa vào mạng truyền thông. Nó cung cấp một kênh cho luồng dữ liệu giữa bộ điều khiển giám sát, các đơn vị thu thập dữ liệu và bất kỳ bộ điều khiển nào được kết nối với hệ thống. Chức năng chính của mạng truyền thông trong hệ thống SCADA là kết nối các thiết bị Chuyển đổi với trạm chủ SCADA. 

Dữ liệu có thể được truyền qua nhiều nền tảng truyền thông khác nhau như ethernet, đường dây điện thoại, đường dây điện, đường dây cáp quang, di động, radio, vệ tinh, Wi-Fi, lò vi sóng hoặc giao thức không dây khác. Hầu hết các cơ sở đều có các bus trường kết nối mạng tích hợp chuyên dụng, có dây hoặc không dây, vì lý do bảo mật.

Đơn vị chính

Các đơn vị chính là các bảng điều khiển máy tính lớn hơn đóng vai trò là trung tâm xử lý trung tâm cho toàn bộ hệ thống SCADA. Thiết bị Master cung cấp giao diện người-máy cho hệ thống và tự động điều chỉnh hệ thống được quản lý dựa trên phản hồi của đầu vào do các cảm biến tạo ra.

Đơn vị chủ được coi là hệ thống máy tính giám sát vì chúng đóng vai trò là đơn vị xử lý tập trung của hệ thống SCADA. Mặc dù bản thân các đơn vị thường là bảng điều khiển máy tính lớn hơn, nhưng có một số thành phần SCADA khác, chẳng hạn như chương trình phần mềm và HMI, cũng có thể được đặt tên theo danh mục này.

Nói chung, Giao diện người máy (HMI) là giao diện người dùng hoặc bảng điều khiển kết nối một người với máy, hệ thống hoặc thiết bị. Trong một hệ thống SCADA, nó cho phép người vận hành xem và tương tác với dữ liệu được thu thập và xử lý. Giao diện này thường được sử dụng để thực hiện các tác vụ như thu thập dữ liệu, tạo bản đồ, sơ đồ, gửi thông báo và tạo báo cáo.

Máy chủ liên lạc từ xa (RCS)

Sau khi xử lý và phân tích dữ liệu được thu thập trong hệ thống SCADA, người ta cần một nơi an toàn về mặt kỹ thuật số và vật lý để lưu trữ cơ sở dữ liệu rộng lớn này. Giao diện người-máy tính (HCI) hoặc HMI thường yêu cầu dữ liệu từ máy chủ chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu, một thành phần của phần cứng được sử dụng để kết nối các dịch vụ phần mềm với các đơn vị chuyển đổi ngoài hiện trường. Máy chủ có thể thu thập dữ liệu từ các thiết bị cục bộ này.

4 loại hệ thống Scada

Có nhiều loại hệ thống SCADA khác nhau có thể được coi là kiến ​​trúc SCADA của bốn thế hệ khác nhau:

• Thế hệ đầu tiên: Các hệ thống SCADA nguyên khối hoặc sơ khai
• Thế hệ thứ hai: Hệ thống SCADA phân tán,
• Thế hệ thứ ba: Hệ thống SCADA nối mạng và
• Thế hệ thứ tư: Công nghệ Internet vạn vật, hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA nguyên khối hoặc sơ khai

Máy tính mini được sử dụng sớm hơn để tính toán các hệ thống SCADA. Trước đó, trong thời gian của thế hệ đầu tiên, các hệ thống SCADA nguyên khối đã được phát triển trong đó các dịch vụ mạng chung không khả dụng. Do đó, đây là những hệ thống độc lập mà không có bất kỳ kết nối nào với các hệ thống khác.

Tất cả các vị trí thiết bị đầu cuối từ xa sẽ kết nối với hệ thống máy tính lớn dự phòng để đạt được dự phòng hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên, được sử dụng trong trường hợp hệ thống máy tính lớn chính bị lỗi. Các chức năng của hệ thống SCADA nguyên khối trong thế hệ đầu tiên bị giới hạn trong việc giám sát các cảm biến trong hệ thống và gắn cờ cho bất kỳ hoạt động nào trong trường hợp vượt qua các mức báo động được lập trình.

Hệ thống Scada phân tán

Ở thế hệ thứ hai, việc chia sẻ các chức năng điều khiển được phân phối trên nhiều hệ thống được kết nối với nhau bằng Mạng cục bộ (LAN). Do đó, chúng được gọi là hệ thống SCADA phân tán. Các trạm riêng lẻ này được sử dụng để chia sẻ thông tin thời gian thực và xử lý lệnh để thực hiện các tác vụ điều khiển nhằm ngắt các mức báo động của các sự cố có thể xảy ra.

Chi phí và kích thước của trạm đã giảm so với hệ thống thế hệ đầu tiên, vì mỗi hệ thống của thế hệ thứ hai chịu trách nhiệm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể với kích thước và chi phí giảm. Nhưng ngay cả trong các hệ thống thế hệ thứ hai, các giao thức mạng cũng không được tiêu chuẩn hóa. Tính bảo mật của cài đặt SCADA được xác định bởi rất ít người ngoài các nhà phát triển, vì các giao thức là độc quyền. Nhưng nói chung, tính bảo mật của việc cài đặt SCADA đã bị bỏ qua.

Hệ thống Scada nối mạng

Các hệ thống SCADA hiện tại thường được nối mạng và giao tiếp bằng Hệ thống Mạng diện rộng (WAN) qua đường dây dữ liệu hoặc điện thoại. Các hệ thống này sử dụng Kết nối Ethernet hoặc Sợi quang để truyền dữ liệu thường xuyên giữa các nút. Các hệ thống SCADA thế hệ thứ ba này sử dụng Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) để giám sát và điều chỉnh người vận hành gắn cờ định kỳ chỉ trong trường hợp có yêu cầu quyết định quan trọng.

Các hệ thống SCADA thế hệ thứ nhất và thứ hai được giới hạn trong các mạng đơn vị hoặc tòa nhà đơn lẻ được gọi là hệ thống kín. Trong các hệ thống này, chúng ta không thể có bất kỳ rủi ro nào so với hệ thống SCADA thế hệ thứ ba được kết nối với internet gây ra các rủi ro về bảo mật. Sẽ có một số hệ thống SCADA phân tán hoạt động song song dưới một người giám sát duy nhất trong kiến ​​trúc mạng.

Internet vạn vật

Ở thế hệ thứ tư, chi phí cơ sở hạ tầng của các hệ thống SCADA được giảm bằng cách áp dụng công nghệ internet vạn vật với điện toán đám mây có sẵn trên thị trường. Việc bảo trì và tích hợp cũng rất dễ dàng đối với thế hệ thứ tư; so với các hệ thống SCADA trước đó.

Các hệ thống SCADA này có thể báo cáo trạng thái theo thời gian thực bằng cách sử dụng tỷ lệ ngang từ cơ sở điện toán đám mây; do đó, các thuật toán điều khiển phức tạp hơn có thể được triển khai; đủ thực tế để triển khai trên các PLC truyền thống.

Rủi ro bảo mật trong trường hợp triển khai SCADA phi tập trung; chẳng hạn như hỗn hợp không đồng nhất của các giao thức mạng độc quyền; có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các giao thức mạng mở như TLS vốn có trong internet vạn vật; sẽ cung cấp ranh giới bảo mật dễ hiểu và quản lý được. 

Ứng dụng của hệ thống Scada

Trong các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm và đồ uống, dược phẩm, công nghệ sinh học, quản lý nước/nước thải, quản lý năng lượng, điện lạnh, HVAC & quản lý tòa nhà, truyền tải và phân phối điện, v.v., việc ứng dụng SCADA trong ngành là phổ biến

Công nghiệp dầu khí

Hoạt động của ngành dầu khí rất phức tạp và những sai lầm rất tốn kém; vì vậy điều quan trọng là các tổ chức hoạt động trong lĩnh vực này; phải đưa ra các quyết định thông minh và hiệu quả. Các hệ thống SCADA được người vận hành sử dụng để thực hiện ba chức năng quan trọng:

• Theo dõi; các điều kiện vật lý tại các vị trí mỏ dầu và cung cấp dữ liệu thời gian thực trên các thiết bị như áp suất đầu giếng, mức bể chứa và tốc độ dòng chảy.
• Kiểm soát; các quy trình như thay đổi điểm cài đặt vận hành, điều chỉnh điều khiển van hoặc thậm chí thực hiện tắt máy điện tử từ xa.
• Báo cáo; số liệu hiệu suất, xu hướng lịch sử và báo động quan trọng.

Hoạt động mỏ dầu thường trải rộng trên các khu vực rộng lớn; đôi khi trên toàn bộ các quận hoặc tiểu bang. Các thông tin liên lạc cần thiết có thể liên quan đến sự kết hợp của các kết nối có dây; mạng vô tuyến; di động và vệ tinh. Thiết bị được giám sát có thể rất đa dạng; được sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất với các giao thức truyền thông khác nhau.

Các thiết bị cũ, cũ hơn thường xuyên gặp phải; đòi hỏi kinh nghiệm “chuyên sâu” để tích hợp vào hệ thống lưu trữ SCADA. Việc điều chỉnh các giải pháp có mục đích chung sẽ tạo thêm một lớp phức tạp khác; cho người vận hành. Tuy nhiên, các giải pháp SCADA dành riêng cho mỏ dầu giúp triển khai dễ dàng hơn.

Ngành vận tải

Trong các ngành công nghiệp, cách nghĩ về nó là một hệ thống của các hệ thống. Giao thông vận tải là một ví dụ hoàn hảo. Vì vậy; bạn có đội tàu; đó có thể là đường sắt hoặc xe buýt; nhưng đường sắt là một ví dụ hoàn hảo. Nó bao gồm chuyển mạch; điều khiển ánh sáng và các dấu hiệu cảnh báo hoạt động; cùng nhau như một hệ thống của các hệ thống khác nhau.

SCADA để kiểm soát và chuyển đổi đường ray hoàn toàn tách biệt với việc sử dụng SCADA; để theo dõi tình trạng và độ ổn định của tài sản, chẳng hạn như động cơ ô tô. Để xem xét tình trạng của động cơ ô tô; nhiệt độ và nguồn cung cấp năng lượng cần được theo dõi riêng biệt; và hoàn toàn độc lập với việc theo dõi đường đua. Từ đó có thể xác định xem đường đua có cần bảo trì hay không. Ví dụ: đường đua có thể bị rung nhiều hơn khi ô tô chạy qua hơn bình thường; và điều này sẽ thể hiện ở những thay đổi nhỏ về hành vi trong tình trạng vật lý của hệ thống.

Giám sát mức nước

Hệ thống Scada còn được ứng dụng rộng rãi trong việc giám sát điều khiển mưucj nước. Hệ thống sẽ cho phép các bạn theo giõi liên tực mực nước tại các bồn; các bể chứa; thùng dầu; trạm xăng; bể nước thải; ao; hồ; thuỷ điện… Chúng sẽ dựa vào các loại cảm biến như Siêu âm; rada; thuỷ tĩnh để thựuc hiện đo đạc tại nươi cần giám sát. Và cảm biến sẽ gửi thông tin về các RTU, PLC, HMI để thực hiện truyền thông.

Nhờ đó mà các bạn theo dõi được mực nước cũng như có thể điều khiển bơm; van xả một cách tực động từ xa mà không cần phải tiếp xúc với hệ thống điện.

Ngoài giám sát mức nước ra; thì chúng ta có thể tích hợp thêm các cảm biến đo chất lượng của mực nước. Nhờ đó mà hệ thống sẽ theo dõi được thành phần bên trong nước bao gồm nhừng gì. Đây là ứng dụng thường thấy trong các nahf máy xử lý nước thải hiện đại. 

Giám sát năng lượng

 Hệ thống thu thập dữ liệu và kiểm soát giám sát; là một hệ thống trong đó thông báo hoặc lệnh riêng lẻ được gửi ra thế giới bên ngoài. Cung cấp chức năng điều khiển máy chủ để người giám sát kiểm soát và xác định cài đặt. Các nguồn tự nhiên cơ bản như Than; khí đốt; Diesel; nguyên tử, v.v. Chỉ có thể sử dụng một lần do đó số lượng của các nguồn này giảm dần từng ngày. Khí thải của các loại nhiên liệu này cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm không khí. Mặt khác, nếu chúng ta sử dụng năng lượng nước và năng lượng mặt trời để tạo ra điện. Chúng ta có thể giảm ô nhiễm cũng như chi phí sản xuất năng lượng. 

Lượng nước ở các sông thay đổi theo mùa; và cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi theo giờ trong ngày. Vì vậy phát triển một hệ thống trong đó người tiêu dùng; được kết nối với các loại nhà máy điện khác nhau thông qua lưới điện. Phụ tải lưới điện và các nhà máy được giám sát và điều khiển bởi hệ thống SCADA. Điều này cung cấp nguồn điện liên tục với chi phí phát điện tối thiểu. Phụ tải lưới điện và các nhà máy được giám sát và điều khiển bởi hệ thống SCADA. Điều này cung cấp nguồn điện liên tục với chi phí phát điện tối thiểu. Phụ tải lưới điện và các nhà máy được giám sát và điều khiển bởi hệ thống SCADA. Điều này cung cấp nguồn điện liên tục với chi phí phát điện tối thiểu.

Công nghiệp sản xuất

Các nhà sản xuất công nghiệp hàng đầu yêu cầu các giải pháp HMI / SCADA đáng tin cậy; linh hoạt và mạnh mẽ. Thời gian là tiền bạc trong ngành sản xuất; các nhà sản xuất toàn cầu có rất ít thời gian; cũng như sự kiên nhẫn đối với việc ngừng sản xuất. 

Do đó, các nhà sản xuất công nghiệp dựa vào VTScada vì độ tin cậy; tính ổn định và các tính năng mạnh mẽ của nó như lịch sử tích hợp; trình tạo báo cáo tích hợp; hỗ trợ cho các ứng dụng quy mô lớn 64 bit, kiểm soát phiên bản ứng dụng; và thư viện trình điều khiển thiết bị tiêu chuẩn rộng lớn.

Ngành công nghiệp SCADA sản xuất cũng tận dụng việc sử dụng hiệu quả PC; và tài nguyên mạng của VTScada. Lưu lượng mạng và mức sử dụng CPU thấp hơn nhiều so với các sản phẩm cạnh tranh; vì các máy chủ dự phòng không giao tiếp với các thiết bị I/O; cho đến khi các máy chủ VTScada chính không khả dụng.

Các ứng dụng tiêu biểu

• kiểm soát quá trình
• Tích hợp cơ sở dữ liệu của bên thứ ba
• quản lý tiện ích

kết luận

Như vậy qua bài viết chúng ta có thể thấy Scada; là một hệ thống giúp cho con người có thể giám sát và điều khiển từ xa. Chúng đáp ứng được nhiều yêu cầu cao trong các nhà máy sản xuất. Scada là một trong những hệ thống tiền đề giúp các ngành tự động hoá; trong công nghiệp trở lên phát triển mạnh mẽ qua đó đời sống và công nghệ; của con người cũng ngày càng một nang cao.

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết của Trọng. Chúc các bạn thành công.

Bài Viết Tham Khảo: Modbus là gì ?