Hệ thống SCADA là gì? Cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

SCADA là một hệ thống quan trọng trong ngành sản xuất và hạ tầng. Vậy SCADA là gì và nó hoạt động như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu về các hệ thống ứng dụng SCADA và lý do tại sao chúng được xem là yếu tố thiết yếu trong nhà máy thông minh.

SCADA là gì?

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) có nghĩa là “Giám sát, Điều khiển và Thu thập Dữ liệu”. Đây là một trong những hệ thống giám sát và điều khiển, giúp thu thập, phân tích dữ liệu từ các thiết bị và cảm biến khác nhau. SCADA không chỉ hỗ trợ giám sát mà còn có thể tích hợp các tính năng cảnh báo và bảo mật. Dữ liệu thu thập được hiển thị dưới dạng đồ họa trực quan, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát hoạt động của hệ thống.

Các thành phần chính của SCADA

Thiết bị hiện trường (Field Devices): Gồm cảm biến, bộ truyền động, PLC, RTU, trực tiếp tương tác với quy trình để thu thập dữ liệu và thực hiện lệnh điều khiển.

Hệ thống truyền thông (Communication Network): Mạng lưới và giao thức truyền dữ liệu giữa thiết bị hiện trường và trung tâm điều khiển SCADA.

Trung tâm điều khiển (SCADA Center / Master Station):

• Máy chủ SCADA (SCADA Server): Nơi chạy phần mềm SCADA chính, xử lý dữ liệu và quản lý hệ thống.
• Giao diện người máy (HMI): Cung cấp giao diện trực quan để người vận hành giám sát và điều khiển hệ thống.
• Hệ thống lưu trữ dữ liệu (Historian): Lưu trữ dữ liệu lịch sử của hệ thống để phân tích và báo cáo.

Nguyên lý hoạt động của SCADA

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) xoay quanh việc thu thập dữ liệu từ xa, truyền tải về trung tâm, giám sát và cho phép người vận hành đưa ra các lệnh điều khiển. Dưới đây là các bước chính trong nguyên lý hoạt động của SCADA:

• Thu thập dữ liệu: Thiết bị hiện trường (cảm biến, PLC/RTU) đo lường và thu thập dữ liệu từ quy trình vật lý.
• Truyền thông: Dữ liệu này được truyền qua mạng sử dụng các giao thức công nghiệp đến máy chủ SCADA.
• Giám sát: Phần mềm SCADA xử lý và hiển thị dữ liệu trực quan trên giao diện HMI, đồng thời phát hiện và cảnh báo các sự cố.
• Điều khiển: Người vận hành hoặc hệ thống tự động gửi lệnh điều khiển từ HMI thông qua máy chủ SCADA đến PLC/RTU để tác động lên thiết bị hiện trường.
• Lưu trữ và phân tích: Dữ liệu thu thập được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để phân tích xu hướng, tạo báo cáo và hỗ trợ tối ưu hóa.

Vai trò của SCADA

Vậy SCADA đóng vai trò gì trong toàn bộ cơ sở nhúng?

Nói một cách ngắn gọn, đó là vai trò “trực quan hóa địa điểm và quản lý toàn bộ cơ sở”. Mặc dù điều này có vẻ hiển nhiên và không phải là một tính năng đặc biệt, nhưng chưa bao giờ có một hệ thống nào có thể đồng thời trực quan hóa và quản lý toàn bộ cơ sở. Đã có một hệ thống điều khiển gọi là DCS bao gồm phần cứng chuyên dụng, khác với vai trò của SCADA vì đó là một hệ thống giám sát phân tán được chia theo thiết bị.

Để thực hiện vai trò thu thập và quản lý dữ liệu này, tất cả các thiết bị phải được kết nối để có thể giao tiếp với hệ thống. Do đó, SCADA thường thiết lập mạng và giao tiếp bên ngoài giữa các thiết bị mà nó cấu hình.

Tầm quan trọng của SCADA nằm ở “trực quan hóa thông qua hiển thị dễ hiểu” và “quản lý tập trung toàn bộ cơ sở”. Nó có vai trò tổng hợp dữ liệu nhận được từ mỗi thiết bị và chuyển đến người dùng.

Điều này phù hợp với vai trò cần thiết cho việc thông minh hóa các nhà máy, vốn đang phát triển trong lĩnh vực sản xuất của các quốc gia trong những năm gần đây. Trong các nhà máy thông minh, lý tưởng nhất là tất cả các cảm biến và thiết bị được kết nối với mạng và dữ liệu thu được từ chúng được trực quan hóa và quản lý tập trung. SCADA là một hệ thống đóng vai trò này, vì vậy nếu nó được kết hợp vào một nhà máy thông minh, nó sẽ có một vai trò rất quan trọng.

Hệ Thống Tích Hợp SCADA

SCADA là một hệ thống thu thập dữ liệu với mục đích chính là phân tích và hiển thị dữ liệu thu được. Nó không có khả năng điều khiển thiết bị. Do đó, để điều khiển dựa trên dữ liệu thu được, cần phải sử dụng nó phối hợp với một thiết bị hoặc hệ thống điều khiển khác. Ví dụ, trong lĩnh vực sản xuất và cơ sở hạ tầng, một mô hình năm tầng có thể được xây dựng:

Năm Tầng Làm Việc Với SCADA

• Thiết bị vận hành: Đây là tầng trực tiếp thực hiện quy trình vật lý và có thể được coi là đầu ngón tay của toàn bộ thiết bị. Bao gồm các thiết bị như động cơ và máy bơm.
• Cảm biến/Điều khiển: Đây là tầng thực hiện cảm biến và điều khiển. Trong các hệ thống điều khiển thông thường, điều khiển được thực hiện ở đây và được giám sát bằng mắt người. Các thiết bị như cảm biến, PLC (bộ điều khiển logic khả trình) và RTU (đơn vị đầu cuối từ xa) thuộc tầng này.
• Giám sát và thu thập dữ liệu: Tầng này giám sát và thu thập dữ liệu về trạng thái vận hành và điều khiển của thiết bị. SCADA nằm ở đây.
• Quản lý trạng thái vận hành: Tầng này quản lý trạng thái vận hành của dây chuyền sản xuất và thiết bị. Đây là một phần cần được liên kết với kiểm soát sản xuất, kiểm soát quy trình, nguyên liệu đầu vào, xuất sản phẩm, v.v. Bao gồm MES (Hệ thống điều hành sản xuất) và MOM (Quản lý hoạt động sản xuất).
• Kế hoạch quản lý: Và tầng kế hoạch quản lý này nằm ở trên cùng. ERP (Hoạch định nguồn lực doanh nghiệp) tương ứng với phần này.

SCADA Kết Nối Trung Gian Giữa Phía Hiện Trường và Phía Quản Lý

Bằng cách này, SCADA nằm ở điểm giữa nơi thông tin từ thiết bị và cảm biến được vận hành trực tiếp tại hiện trường được nhận và kết nối với các tầng quản lý và thực hiện nó.

Nếu bạn coi toàn bộ cơ sở là một tổ chức giống như một công ty, có thể nói rằng bạn đang phụ trách tuyến đầu của hiện trường. SCADA hoạt động giống như một giám sát viên hiện trường trên một hệ thống.

SCADA, IIoT và Điện Toán Biên

Với hệ thống thu thập dữ liệu của SCADA ở tuyến đầu hiện trường, nó có thể hoạt động như một nền tảng phần mềm IoT (IIoT) trong lĩnh vực công nghiệp. Đặc biệt, có một mối liên hệ với điện toán biên.

Điều gì sẽ thay đổi và phát triển khi kết nối SCADA với điện toán biên?

Tăng Tốc Độ Cho Các Hệ Thống Tích Hợp SCADA

Điện toán biên cải thiện tốc độ phản hồi của thiết bị bằng cách xử lý dữ liệu ở tuyến đầu hiện trường.

Mặt khác, SCADA đóng vai trò trích xuất và xử lý dữ liệu từ thiết bị và cảm biến. Điều này có nghĩa là bạn đã có khả năng xử lý dữ liệu ở phía biên. Sau đó, chỉ cần kết nối SCADA với đám mây, SCADA có thể hoạt động như điện toán biên.

Bằng cách này, SCADA là một hệ thống có thể đạt được lợi ích và phát huy sức mạnh hơn nữa bằng cách liên kết nó với điện toán biên.

Đưa Nhà Máy Thông Minh Tiến Lên Một Bước

Các nhà máy thông minh có thể được coi là ngành sản xuất thế hệ tiếp theo được hiện thực hóa bởi sự phát triển của đám mây và IIoT (Internet vạn vật công nghiệp, IoT cho lĩnh vực công nghiệp).

Trong một nhà máy thông minh điển hình, dữ liệu được thu thập từ các cảm biến được lắp đặt trong các thiết bị khác nhau và gửi đến đám mây, điều này giúp có thể kiểm tra trạng thái vận hành từ bất kỳ đâu. Đây là một trong những ưu điểm lớn của nhà máy thông minh. SCADA là một hệ thống phù hợp để thu thập, điều khiển và giám sát dữ liệu đó.

Tuy nhiên, khi số lượng nhà máy thông minh thực sự hoạt động tăng lên, một vấn đề nhất định đã xuất hiện. Đó là tốc độ xử lý dữ liệu. Khi gửi và nhận một lượng lớn dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào đến đám mây trên mạng và xử lý nó, các vấn đề về lưu lượng truy cập sẽ phát sinh.

Khi dữ liệu được gửi qua lại từ địa điểm đến đám mây và từ đám mây đến địa điểm, có một độ trễ thời gian từ hàng trăm mili giây đến vài giây. Độ trễ thời gian này là một thách thức đối với các nhà máy thông minh.

Ở tuyến đầu của ngành sản xuất, các nhà máy thông minh thường được trang bị thiết bị hiệu suất cao để cho phép vận hành chính xác và tốc độ cao. Mặc dù có sự tồn tại của các thiết bị tinh vi như vậy, nếu có độ trễ thời gian trong truyền/nhận và xử lý dữ liệu, hiệu suất của thiết bị không thể được sử dụng đầy đủ. Ngay cả với độ trễ thời gian nhỏ, nếu nó tích lũy, nó sẽ gây lãng phí do giảm chu kỳ.

Điện toán biên là giải pháp cho những thách thức này. Thay vì gửi và nhận tất cả dữ liệu đến đám mây, nó xử lý dữ liệu gần thời gian thực gần địa điểm, cải thiện hiệu suất thiết bị. SCADA cũng có thể đóng vai trò phi tập trung bằng cách liên kết với điện toán biên trong khi thu thập dữ liệu.

Bằng cách này, bằng cách vận hành kết hợp IIoT, SCADA và điện toán biên, các nhà máy thông minh có thể phát triển lên cấp độ tiếp theo.

Ứng dụng của SCADA

SCADA có vô số ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm:

• Ngành Điện lực: Giám sát và điều khiển lưới điện (trạm biến áp, đường dây truyền tải và phân phối).
• Ngành Dầu khí: Quản lý và điều khiển các hoạt động khai thác, vận chuyển (đường ống), chế biến (nhà máy lọc dầu, hóa chất).
• Ngành Nước và Xử lý nước thải: Giám sát và điều khiển hệ thống cấp nước, xử lý nước thải, quản lý hồ chứa và đập.
• Ngành Giao thông vận tải: Điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông, giám sát và quản lý đường sắt, đường cao tốc, sân bay.
• Ngành Sản xuất: Tự động hóa và giám sát dây chuyền sản xuất, quản lý robot công nghiệp, kiểm soát chất lượng.
• Ngành Hóa chất: Giám sát và điều khiển các quy trình hóa học phức tạp, đảm bảo an toàn và hiệu quả.
• Ngành Thực phẩm và Đồ uống: Quản lý các quy trình sản xuất, đảm bảo vệ sinh và chất lượng sản phẩm.
• Tòa nhà thông minh và Cơ sở hạ tầng: Điều khiển hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), chiếu sáng, an ninh, quản lý năng lượng.
• Năng lượng tái tạo: Giám sát và điều khiển các trang trại gió, nhà máy điện mặt trời.

Những lưu ý khi sử dụng SCADA

Việc triển khai và sử dụng hệ thống SCADA đòi hỏi sự chú ý đến nhiều yếu tố để đảm bảo hiệu quả, an toàn và độ tin cậy. Dưới đây là một số lưu ý quan trọng:

• Bảo mật: Đây là yếu tố hàng đầu. Hệ thống SCADA thường điều khiển các cơ sở hạ tầng quan trọng, do đó cần có các biện pháp bảo mật mạnh mẽ để chống lại các cuộc tấn công mạng.
• Khả năng mở rộng: Hệ thống nên có khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai về số lượng điểm dữ liệu, thiết bị và chức năng.
• Tính tương thích: Đảm bảo hệ thống SCADA có thể giao tiếp với các thiết bị và hệ thống khác (PLC, RTU từ nhiều nhà sản xuất, MES, ERP) thông qua các giao thức tiêu chuẩn.
• Hiệu suất thời gian thực: Hệ thống cần thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu một cách nhanh chóng để người vận hành có thể đưa ra quyết định kịp thời.
• Giao diện người máy (HMI) thân thiện: HMI cần được thiết kế trực quan, dễ sử dụng và cung cấp thông tin rõ ràng cho người vận hành.
• Lưu trữ và phân tích dữ liệu: Khả năng lưu trữ dữ liệu lịch sử đầy đủ và cung cấp các công cụ phân tích mạnh mẽ là rất quan trọng cho việc theo dõi hiệu suất, phát hiện xu hướng và tối ưu hóa quy trình.

Top các thương hiệu SCADA nổi tiếng

Có rất nhiều nhà cung cấp phần mềm và hệ thống SCADA uy tín trên thị trường toàn cầu. Dưới đây là một số thương hiệu nổi tiếng:

Rockwell Automation

FactoryTalk View của Rockwell Automation là một trong những nền tảng SCADA mạnh mẽ, đặc biệt phù hợp với hệ thống điều khiển Allen-Bradley. Phần mềm này hỗ trợ thu thập và phân tích dữ liệu chi tiết, cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Với tính năng trực quan hóa cao, FactoryTalk View giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình vận hành và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Siemens

Siemens là một trong những nhà cung cấp giải pháp SCADA hàng đầu với phần mềm WinCC. Hệ thống này có khả năng giám sát và điều khiển quy trình sản xuất theo thời gian thực, tích hợp tốt với PLC của Siemens (S7-1200, S7-1500…). WinCC hỗ trợ giao diện trực quan, khả năng mở rộng linh hoạt từ cấp độ trạm đơn lẻ đến hệ thống SCADA quy mô lớn, phù hợp cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Schneider Electric

Schneider Electric cung cấp Wonderware InTouch – một phần mềm SCADA nổi tiếng với giao diện đồ họa thân thiện, khả năng kết nối mạnh mẽ với nhiều loại thiết bị khác nhau. Ngoài ra, nền tảng EcoStruxure SCADA của Schneider hỗ trợ giám sát hệ thống năng lượng, nước, dầu khí và nhiều ngành công nghiệp khác.

AVEVA (Wonderware):

AVEVA là công ty phát triển Wonderware System Platform, một nền tảng SCADA mạnh mẽ cho phép giám sát và điều khiển hệ thống quy mô lớn. Với khả năng tích hợp AI và Big Data, AVEVA SCADA giúp doanh nghiệp tối ưu hóa vận hành, phân tích dữ liệu chuyên sâu để cải thiện hiệu suất sản xuất.

Mitsubishi Electric:

Hệ thống SCADA của Mitsubishi Electric là một giải pháp giám sát và thu thập dữ liệu toàn diện, kết hợp với các thiết bị lập trình PLC để quản lý tự động hóa hiệu quả. Đây là phần mềm điều khiển và giám sát tiên tiến, giúp tối ưu hóa hoạt động của trung tâm dữ liệu và nâng cao hiệu suất vận hành.

Servo Dynamics – Nhà phân phối chính thức của Rockwell Automation tại Việt Nam

Servo Dynamics là nhà phân phối chính thức các giải pháp tự động hóa của Rockwell Automation tại Việt Nam. Với kinh nghiệm dày dặn và đội ngũ kỹ thuật chuyên môn cao, Servo cam kết mang đến cho khách hàng các hệ thống SCADA tiên tiến, mạnh mẽ từ Rockwell Automation, giúp các doanh nghiệp tại Việt Nam tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả hoạt động và đạt được những bước tiến vượt bậc trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0.