Sự ra đời của SCADA

Để hiểu được nguồn gốc của SCADA, chúng ta phải hiểu những 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 tầng sản xuất, nhà máy công nghiệp và các trang web từ xa dựa vào nhân sự để điều khiển và giám sát bằng tay thông qua các nút bấm và analog dials.

Khi sàn công nghiệp và trang web điều khiển từ xa bắt đầu mở rộng quy mô, cần có các giải pháp 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 cần phải đưa mọi người đến các địa điểm từ xa để tương tác với từng thiết bị. Trong khi rơle và hẹn giờ giải quyết được nhiều vấn đề bằng cách cung cấp chức năng tự động hóa hạn chế, nhiều vấn đề hơn bắt đầu phát sinh khi các tổ chức tiếp tục mở rộng quy mô. Rơle và bộ định thời rất khó cấu hình lại, tìm lỗi và các bảng điều khiển chiếm các không gian của rack. Cần có một hệ thống kiểm soát và giám sát hiệu quả hơn và hoàn toàn tự động.

Đầu những năm 1950, máy tính được phát triển và sử dụng lần đầu tiên cho mục đích kiểm soát công nghiệp. Điều khiển giám sát bắt đầu trở nên phổ biến trong số các tiện ích chính, đường ống dẫn dầu và khí đốt, và các thị trường công nghiệp khác tại thời điểm đó. Trong những năm 1960, đo từ xa được thiết lập để theo dõi, cho phép liên lạc tự động để truyền các phép đo và các dữ liệu khác từ các thiết bị điều khiển từ xa đến thiết bị giám sát. Thuật ngữ “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 làm 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

Phiên đầu tiên của SCADA bắt đầu với máy tính lớn. Các mạng như chúng ta biết ngày nay là không có và mỗi hệ thống SCADA tự đứng  riêng. Những hệ thống này giờ đây được gọi là hệ thống SCADA nguyên khối.

Trong thập niên 80 và 90, SCADA tiếp tục phát triển nhờ các hệ thống máy tính nhỏ hơn, công nghệ mạng 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, 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 được phân phối.

Trong những năm 1990 và đầu những năm 2000, xây dựng dựa trên mô hình hệ thống phân tán, SCADA đã có một sự thay đổi gia tăng bằng cách sử dụng một kiến trúc hệ thống mở và các giao thức truyền thông không phải là nhà cung cấp cụ thể. Việc lặp lại SCADA này, được gọi là hệ thống SCADA được nối mạng, 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 giao tiếp với nhau, giảm bớt các hạn chế áp đặt bởi 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 vẫn 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 máy tính cá nhân và công nghệ IT tăng tốc trong phát triển. Cơ sở dữ liệu ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL) trở thành tiêu chuẩn cho cơ sở dữ liệu CNTT nhưng không được các nhà phát triển SCADA chấp nhận. Điều này dẫn đến một sự rạn nứt giữa các lĩnh vực điều khiển và CNTT, và công nghệ SCADA đã trở thành 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 sử gia dữ liệu, một kết nối dữ liệu, hoặc các phương tiện truyền dữ liệu khác, giải pháp này là lộn xộn và cực kỳ tốn kém. Hệ thống SCADA hiện đại nhằm mục đích giải quyết vấn đề này bằng cách tận dụng tốt nhất các công cụ điều khiển và công nghệ thông tin.

Hệ thống SCADA hiện đại

Hệ thống SCADA hiện đại cho phép dữ liệu thời gian thực từ nhà máy  tới khắp mọi nơi trên thế giới. Việc truy cập thông tin thời gian thực này cho phép các chính phủ, doanh nghiệp và cá nhân đưa ra quyết định theo hướng 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 để có quyết định sáng suốt.

Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng SCADA hiện đại có khả năng phát triển ứng dụng nhanh (RAD) 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 xưa. Một lợi thế lớn của việc sử dụng cơ sở dữ liệu SQL với một hệ thống SCADA là nó làm cho nó dễ dàng hơn để tích hợp vào hệ thống MES và ERP hiện có, cho phép dữ liệu lưu thông liên tục thông qua toàn bộ tổ chức.

Dữ liệu lịch sử từ một 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.

Ai sẽ là người cần đến SCADA?

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.

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

• Energy
• Food and beverage
• Manufacturing
• Oil and gas
• Power
• Recycling
• Transportation
• Water and waste water
• And many more

Hầu như bất cứ nơi nào bạn nhìn thấy trong thế giới ngày nay đều có một số loại hệ thống SCADA chạy phía sau, ví dụ như: duy trì hệ thống làm lạnh của siêu thị, đảm bảo an toàn sản xuất tại nhà máy lọc dầu, tiêu chuẩn chất lượng tại nhà máy xử lý nước thải hoặc thậm chí theo dõi sử dụng năng lượng tại nhà của bạn.

Các hệ thống SCADA hiệu quả có thể giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc. Nhiều nghiên cứu điển hình đã được công bố nêu bật những lợi ích và tiết kiệm của việc sử dụng giải pháp phần mềm SCADA hiện đại như Radiflow.

Chức năng của hệ thống SCADA

Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông. SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

• Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến.
• Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được.
• Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý.
• Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy.
• Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác.
• mô hình điều khiển scada

Các ứng dụng của SCADA

Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các ứng dụng điều khiển có thể được phân chia thành ba loại sau:

– Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control)

– Điều khiển điều chỉnh (regulatory control)

– Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA)

Các hệ thống điều khiển được xây dựng trong thực tế phải đáp ứng yêu cầu của quá trình sản xuất hay thiết bị sử dụng nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu của về cả ba loại ứng dụng điều khiển nêu trên.

Có hai cách để thực hiện các ứng dụng

– Thực hiện mỗi ứng dụng này bằng một hệ thống riêng biệt. Theo đó ứng dụng điều khiển logic sẽ được thực hiện bằng các PLC. Ứng dụng điều khiển điều chỉnh sẽ được thực hiện bởi các controller. Ứng dụng SCADA sẽ được thực hiện bởi một hệ SCADA riêng biệt. Nhiều nhà máy cỡ nhỏ và vừa đã được xây dựng theo cách thức này.

– Sử dụng một hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp thực hiện cả ba ứng dụng này. Mỗi một ứng dụng sẽ như một chức năng của hệ thống điều khiển. Các hệ thống điều khiển sản xuất hiện đại đều được xây dựng theo cách này. Người ta gọi hệ thống như vậy là “Hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp (Integrated Control and Monitoring System – ICMS)”.

Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy

Về phần giao tiếp giữa người và máy, các hệ thống SCADA ngày nay được trang bị các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit). VDU hiển thị đầy đủ hình ảnh đồ họa của các quá trình. Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và bàn phím, các nút điều khiển được thay thế bằng các biểu tượng (Icon) trên màn hình. Chúng được tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tượng trên màn hình đối với các màn hình cảm ứng.

Các thiết bị đó giúp cho người điều hành có khả năng

* Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị.

* Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được cập nhật.

* Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống.

* Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng như nhận biết dữ liệu.

Ngoài ra các VDU chạy trên môi trường Windows hay Windows-X còn giúp điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, và truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau.

Thiết bị đầu cuối hiện trường RTU

RTU không còn là những thiết bị thụ động nữa mà chúng làm nhiệm vụ thu thập và lưu giữ dữ liệu vùng. Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiện tại các RTU.

Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa… Các RTU có thể được kết nối theo kiểu phân bố hoặc kiểu phân cấp. Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ.

Cơ sở dữ liệu

Các dữ liệu được lưu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa được tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng như các cảnh báo. Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố. Cơ sở dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin (Managerment Information System) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System). Ngoài ra, các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password.