Hệ thống SCADA là một hệ thống tự động hóa và giám sát được sử dụng nhằm kiểm soát và quản lý các quy trình công nghiệp hay cơ sở hạ tầng cần sự giám sát liên tục. Vậy bạn có tự tin về kiến thức của bản thân về hệ thống SCADA? SCADA System thực sự là gì? Cách thức hoạt động như thế nào? Bài viết ngay sau đây, Việt Tuấn sẽ chia sẻ đến bạn đọc hệ thống SCADA là gì? Tất tần tật những điều cần biết về hệ thống SCADA.

*Hệ thống SCADA là gì? Tất tần tất những thông tin về SCADA System?*

1. SCADA là gì?

SCADA là từ viết tắt của cụm từ Supervisory Control And Data Acquisition, được hiểu là phần mềm quản lý hệ thống có vai trò giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu từ hệ thống linh kiện phần cứng. Hệ thống SCADA bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển, máy tính trung tâm, màn hình quản lý và các thiết bị cảm biến để thu thập dữ liệu từ các thiết bị khác nhau và truyền thông tin đến người quản lý.

Trong thời đại ngày nay, SCADA đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp. Được đặt trong cấp độ theo dõi và giám sát trong kim tự tháp nhằm giám sát và điều hành các hoạt động của dây chuyền sản xuất bao gồm nhiều loại máy móc công nghiệp, dụng cụ và thiết bị khác nhau.

Để giải thích đơn giản về khái niệm và vai trò của SCADA, bạn đọc có thể tìm hiểu thông về kim tự tháp tự động hóa được xuất bản trong các tiêu chuẩn ISA-95 và IEC 62264-3. Mô hình kim tự tháp này mô tả cách thức mà các hệ thống phần mềm, phần cứng tương tác và hỗ trợ nhau trong quá trình hoạt động.

*SCADA nằm ở tầng thứ 3 trong Mô hình kim tự tháp tự động hóa*

Trong mô hình này, bạn có thể quan sát hệ thống SCADA được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát. Ở phía trên SCADA System, bạn sẽ có tất cả các thông tin dữ liệu về hạ tầng hệ thống để thiết lập kinh doanh, hoạch định kế hoạch và chuẩn bị những thứ cần thiết. Phía dưới hệ thống SCADA là tất cả các hệ thống cảm biến, thiết bị thực thi.

Có thể giải thích ngắn gọn thì hệ thống SCADA là cầu nối giữa hai thành phần chính của công nghiệp hiện nay là IT (information technology – công nghệ thông tin) và OT (operational technology – công nghệ vận hành). SCADA bao gồm tất cả các thiết bị như PLC, RTU, cảm biến, HMI, trạm điều khiển và máy tính hoặc máy chủ. Công việc chính của SCADA là điều khiển và giám sát tất cả các thiết bị này. Nhưng đồng thời cũng gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP phía trên.

2. 6 thành phần chính của hệ thống SCADA là gì?

Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm các phần chính như:

2.1. Control Center

Control Center hay trạm điều khiển giám sát trung tâm là nơi tập trung các thiết bị, hệ thống giám sát và điều khiển quy trình sản xuất. Control Center thường bao gồm một hay nhiều thiết bị Workstation hay máy chủ trung tâm (Central Host Computer Server), màn hình hiển thị, bảng điều khiển và các thiết bị khác. Dựa vào các báo cáo thu được về hiệu suất, các vấn đề xảy ra, nhân viên vận hành sẽ đưa ra các điều chỉnh cài đặt để điều khiển các quá trình hoạt động của cả hệ thống một cách hiệu quả.

Đọc thêm: Máy trạm (Workstation) là gì?

2.2. Hệ thống truyền thông

Hệ thống truyền thông là một thành phần rất quan trọng trong hệ thống SCADA, giúp kết nối các thành phần khác nhau của hệ thống với nhau để truyền tải dữ liệu và lệnh điều khiển. Mạng truyền thông có thể sử dụng công nghệ cáp, không dây hoặc các giao thức truyền thông khác nhau để đảm bảo việc truyền thông tin liên tục và an toàn.

Hệ thống truyền thông đóng vai trò khá quan trọng đảm bảo đường truyền thông suốt giữa các trạm kiểm soát, thu thập dữ liệu. Hệ thống truyền thông bao gồm hệ thống mạng công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển mạch, định tuyến để truyền tải dữ liệu cấp trường đến các khối thiết bị chấp hành và máy chủ quản lý trung tâm.

Toàn bộ các thiết bị được kết nối thông qua hệ thống mạng nội bộ LAN. Hệ thống SCADA sẽ kết nối với các RTU ở các trạm biến áp thông qua giao thức truyền tin IEC 870-5-101 master. Đồng thời kết nối với hệ thống SCADA/EMS của trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia thông qua giao thức ICCP.

2.3. Remote Terminal Unit

Remote Terminal Unit được viết tắt RTU, đây là thiết bị quan trọng trong hệ thống SCADA. RTU đảm nhận trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị đo khác trong môi trường sản xuất sau đó truyền dữ liệu về hệ thống SCADA để giúp quản lý và kiểm soát quy trình sản xuất. RTU thường được lắp đặt ở các điểm chiến lược trong hệ thống để thu thập dữ liệu và truyền tải về trung tâm điều khiển.

Tìm hiểu thêm: Thiết bị đầu cuối là gì?

*Hình ảnh mô phỏng các thành phần chính của hệ thống SCADA*

2.4. Human-Machine Interface

Human-Machine Interface (HMI) là phần mềm hoặc thiết bị vật lý dùng để tạo ra giao diện tương tác giữa người vận hành và máy móc. HMI cho phép người vận hành tương tác với hệ thống SCADA, để có thể hiển thị thông tin, điều khiển quy trình và thực hiện các lệnh điều khiển một cách dễ dàng.

Human-Machine Interface giúp hiển thị dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị cảm biến và thiết bị khác, đồ thị biểu đồ, báo cáo, cảnh báo và điều khiển từ xa. Thông qua HMI, người vận hành có thể theo dõi hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống. Từ đó, người vận hành có thể phát hiện sự cố và thực hiện các biện pháp sửa chữa kịp thời.

HMI được thiết kế với giao diện đồ họa trực quan, linh hoạt và dễ sử dụng để người vận hành có thể theo dõi và tương tác với hệ thống như thay đổi thiết lập, kiểm tra trạng thái hoạt động của thiết bị, can thiệp vào quy trình sản xuất dễ dàng và chính xác.

2.5. Programmable Logic Controller (PLC)

Programmable Logic Controller là thiết bị quan trọng trong hệ thống SCADA, được sử dụng để kiểm soát các quy trình tự động và thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến RTU. PLC đảm nhận nhiệm vụ chính trong việc điều khiển các thiết bị và quy trình trong hệ thống tự động hoá.

Trong hệ thống SCADA thực tế, PLC được sử dụng để đóng/mở van, điều chỉnh tốc độ, kiểm soát nhiệt độ/áp suất và thực hiện các tác vụ tự động khác theo lệnh từ hệ thống SCADA. PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến và thiết bị đo, sau đó xử lý thông tin và thực hiện các lệnh điều khiển để duy trì hay điều chỉnh quy trình sản xuất.

Với khả năng linh hoạt và dễ dàng lập trình, PLC có thể thích ứng với nhiều ứng dụng trong môi trường công nghiệp. Giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống, giảm thiểu sai sót do con người và cung cấp thông tin chính xác. Từ đó hệ thống SCADA có thể giám sát và điều khiển quy trình sản xuất chính xác, hiệu quả hơn.

2.6. Phần mềm SCADA

Phần mềm SCADA giúp giám sát, điều khiển và quản lý các quy trình công nghiệp. Phần mềm SCADA chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến, thiết bị đo và các thiết bị khác trong hệ thống, sau đó hiển thị thông tin này dưới dạng đồ thị, biểu đồ và báo cáo trực quan cho người vận hành thông qua HMI. Từ đó, người vận hành có thể tương tác với hệ thống, theo dõi trạng thái hoạt động, nhận cảnh báo và thực hiện các lệnh điều khiển từ xa. Ngoài ra, phần mềm SCADA cũng cho phép người dùng lập trình, cấu hình và tùy chỉnh hệ thống theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

Phần mềm SCADA được thiết kế để có thể hoạt động ổn định và linh hoạt trong môi trường công nghiệp. Giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống, giảm thiểu thời gian dừng máy và cung cấp thông tin chính xác để hỗ trợ đưa ra các quyết định hay có thể quản lý hiệu quả quy trình sản xuất.

3. Cơ chế hoạt động của hệ thống SCADA

Về mặt vật lý, SCADA System sẽ có hình thức giống như một hệ thống màn hình. Để giám sát hệ thống dây chuyền sản xuất đa 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 các thông tin từ phần cứng và phần mềm để người vận hành giám sát, điều khiển và quản lý các quy trình công nghiệp. Cụ thể, quy trình hoạt động của hệ thống SCADA như sau:

Các RTU để thu thập dữ liệu từ máy móc và quy trình trong môi trường sản xuất như nhiệt độ môi trường, áp suất, tốc độ và các thông số yêu cầu.
Gửi dữ liệu đã thu thập về trung tâm điều khiển thông qua hệ thống mạng truyền thông.
Phần mềm SCADA sẽ tiếp nhận dữ liệu sau đó xử lý thông tin rồi hiển thị lên Human-Machine Interface dưới dạng đồ thị, biểu đồ hay báo cáo.
Dựa trên các dữ liệu trên, người vận hành thực hiện các lệnh điều khiển quy trình sản xuất từ xa.
Nếu có bất kỳ lỗi hay sự cố xảy ra trong quá trình thực hiện lệnh điều khiển, hệ thống SCADA sẽ hiển thị cảnh báo ngày trên màn hình để người bận hành có thể nắm rõ thông tin và đưa ra các mệnh lệnh kịp thời.

*Với hệ thống SCADA, quản trị viên sẽ giám sát một hệ thống dây chuyền sản xuất đa thiết bị*

4. Lịch sử phát triển cấu trúc hệ thống SCADA

Để hiểu rõ hơn về hệ thống SCADA, người vận hành nên tìm hiểu lịch sử phát triển của SCADA System từ cấu trúc nguyên khối đơn giản sang hệ thống thông minh dựa trên nền tảng đám mây. Hiện nay, SCADA đã phát triển đến thế hệ thứ 4. Tuy nhiên, những người thường xuyên làm việc với SCADA vẫn nên tìm hiểu và làm quen với các thế hệ cũ hơn. Do nhiều doanh nghiệp đã triển khai từ trước hiện vẫn đang sử dụng hệ thống SCADA thuộc thế hệ thứ 2 hoặc thứ 3. Sau đây là 4 thế hệ của cấu trúc hệ thống SCADA.

4.1. Cấu trúc Monolithic

Monolithic là hệ thống SCADA đầu tiên chỉ có duy nhất một trạm giám sát. Tại thời điểm này, thiết bị PC và mạng viễn thông chưa tồn tại, thay vào đó là các trạm máy tính PC lớn. Chức năng của cấu trúc Monolithic chỉ giới hạn ở việc quản lý các cảm biến giám sát.

*Hình ảnh mô phỏng cấu trúc Monolithic - Hệ thống SCADA đầu tiên với duy nhất 1 trạm giám sát*

4.2 Cấu trúc Distributed

Cấu trúc Distributed được ra đời trong bối cảnh mạng cục bộ LAN đã ra đời và phát triển mạnh mẽ. Với hệ thống mạng cục bộ, quản trị viên có thể kết nối nhiều trạm điều khiển và trạm giám sát để thực hiện các tác vụ liên lạc, giao tiếp và thu thập dữ liệu. Hệ thống SCADA thế hệ thứ hai vẫn tồn tại cho đến ngày nay, tuy nhiên khá hiếm.

Đọc thêm: Mạng LAN là gì? Kết nối, công dụng và ứng dụng của mạng LAN

*Cấu trúc Distributed - Nhờ mạng LAN nên có thể kết nối nhiều trạm điều khiển và trạm giám sát hơn*

4.3 Cấu trúc Networked

Khi công nghệ và giao thức mạng phát triển vượt bậc, khái niệm mạng diện rộng (WAN – Wide Area Networks) trở nên phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống SCADA diện rộng. Các hệ thống SCADA giờ đây không chỉ triển khai tại một nhà máy, xí nghiệp duy nhất mà còn có thể được thiết lập giữa nhiều nhà máy cách xa nhau về mặt địa lý.

Quản trị viên có thể truy cập vào hệ thống ở bất cứ đâu, mọi lúc mọi nơi ngay.

Xem thêm: Sự khác biệt giữa cổng WAN và LAN, những khác biệt cơ bản

*Với sự xuất hiện của WAN - Các hệ thống SCADA có thể triển khai tại nhiều nhà máy dù xa nhau về mặt địa lý*

4.4 Internet of things (IoT)

Thế hệ thứ 4 của hệ thống SCADA và là mô hình phổ biến trong thời đại công nghệ 4.0, IoT mang đến khả năng tự do kết nối, truyền tải dữ liệu linh hoạt trong cấu trúc của hệ thống SCADA.

Bản chất của hệ thống SCADA là một nền tảng quản lý tập trung, được thiết kế để điều khiển và giám sát, thu thập dữ liệu liền mạch giữa các thành phần của hệ thống. Sự liên kết giữa các thành phần chịu ảnh hưởng bởi sự phân chia cấp bậc. Tuy nhiên khi mô hình IoT được ra đời đã thay đổi theo hướng phi tập trung, tức mọi thành phần trong hệ thống đều có thể giao tiếp với nhau.

Tìm hiểu thêm thông tin về IoT tại đây

5. Lợi ích của phần mềm SCADA là gì?

Phần mềm SCADA mang tới rất nhiều lợi ích cho các hệ thống máy móc, dây chuyền sản xuất tự động, bao gồm:

Nâng cao năng suất: nhờ vào các báo cáo dữ liệu về năng suất, tài nguyên tiêu thụ trong quá trình sản xuất, chủ đầu tư hay quản trị viên hoạch có thể hoạch định chiến lược để gia tăng hiệu quả sản xuất và cải tiến kỹ thuật. Bên cạnh đó các hạn chế hay vấn đề phát sinh cũng được phân tích và đưa ra các giải pháp hợp lý để cải thiện chất lượng sản phẩm.
Giảm chi phí vận hành và bảo trì: khi áp dụng hệ thống SCADA, doanh nghiệp sẽ tối ưu được chi phí vận hành, giảm tải số lượng nhân công cần sử dụng và chi phí bảo trì định kỳ
Bảo toàn vốn đầu tư: Hệ thống SCADA là hệ thống đáng để đầu tư lâu dài, được phát triển và cải tiến theo thời gian, khả năng thay đổi linh hoạt tùy vào quy mô sản xuất, tài nguyên hệ thống.

6. Ứng dụng của hệ thống SCADA

SCADA có nhiều ứng dụng khác nhau, từ các đơn vị nhỏ đến các nhà máy lớn và thậm chí cả các doanh nghiệp, tập đoàn có nhiều nhà máy. Những dữ liệu hữu ích về hiệu suất hoạt động, tình trạng thiết bị, sản lượng đầu ra hay các vấn đề phát sinh được thu thập sẽ giúp cải thiện quá trình sản xuất và giảm tải chi phí bảo trì.

Bên cạnh đó SCADA System cũng cung cấp các báo cáo dữ liệu quan trọng để quản trị viên có thể nắm bắt tài nguyên hiện có của hệ thống, qua đó hoạch định chiến lược, phân tích chiến lượng kinh doanh để đạt được hiệu quả sản xuất cao nhất để phân tích.

Việt Tuấn có thể liệt kê một số lĩnh vực, ngành công nghiệp hiện nay đang sử dụng hệ thống SCADA như:

Sản xuất thực phẩm, đồ uống
Nhà máy năng lượng
Nhà máy xử lý nước, nước thải
Ngành sản xuất dược phẩm, hóa chất
Công nghiệp dầu khí
Nhà máy tái chế

*Hệ thống SCADA có thể ứng dụng từ các đơn vị nhỏ đến các nhà máy lớn hoặc các doanh nghiệp, tập đoàn*

7. Tổng hợp các nhà cung cấp dịch vụ SCADA

Dưới đây, bạn có thể tham khảo một số nhà cung cấp hệ thống SCADA lớn nhất trên thị trường hiện nay:

FactoryTalk View của Rockwell Automation
InTouch của Wonderware => Schneider Electric
Citect SCADA của Schneider Electric
Experion SCADA của Honeywell
iFIX của General Electric (GE)
Ignition của Inductive Automation
SIMATIC WinCC của Siemens
MC Works64 của Mitsubishi Electric

8. Tổng kết

Trên đây là toàn bộ thông tin quan trọng bạn cần biết về khái niệm SCADA là gì? Có thể nói Supervisory Control and Data Acquisition là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong bước chuyển mình của nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp sang hướng tự động hóa hoàn toàn. Lợi ích mà SCADA System mang lại bao gồm việc nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thiểu tối đa chi phí đầu tư vận hành, nhân công quản lý. Hi vọng rằng bạn đọc đã có đủ kiến thức về hệ thống scada là gì. Đừng quên theo dõi các bài viết mới nhất của chúng tôi trong thời gian sắp tới! Hứa hẹn sẽ có nhiều kiến thức mạng bổ ích đang chờ đón bạn.