Trong thời đại công nghệ ngày nay, nguồn dữ liệu đóng một vai trò cực kỳ quan trọng đối với doanh nghiệp trong hoạt động sản xuất. Do đó, yêu cầu về một giải pháp thu thập và quản lý các nguồn dữ liệu quan trọng một cách hiệu quả đang dần được các nhà sản xuất coi trọng. Trong đó, SCADA được xem là giải pháp tối ưu nhất, không chỉ giải quyết các yêu cầu trên mà còn hỗ trợ hiệu quả việc vận hành hệ thống sản xuất.

1. SCADA là gì?

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát, thu thập và phân tích các dữ liệu trong thời gian thực, thường được sử dụng trong các cơ sở sản xuất và nhà máy công nghiệp.

Hệ thống SCADA được thiết kế để giúp kiểm soát và giám sát toàn bộ dữ liệu hoạt động của nhà máy hoặc thiết bị sản xuất cụ thể. Mặc dù ban đầu được sử dụng vào những năm 1960 trong các hệ thống nước và nhà máy điện, nhưng từ đó dần dần, SCADA đã trở thành một hệ thống thiết yếu trong hầu hết các cơ sở sản xuất và nhà máy công nghiệp. 

Hiểu đơn giản, SCADA là một hệ thống dùng để:

✅ Giám sát: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến hoặc máy móc (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…).
✅ Điều khiển: Gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị (ví dụ: bật/tắt máy bơm, điều chỉnh van…).
✅ Thu thập và lưu trữ dữ liệu: Lưu trữ dữ liệu để phân tích, báo cáo, hoặc dùng cho các mục đích quản lý sau này.
✅ Hiển thị trực quan: Cung cấp giao diện đồ họa trực quan (gọi là HMI – Human-Machine Interface), giúp người vận hành dễ dàng quan sát tình trạng hệ thống.

Phần mềm HMI (giao diện người-máy) cũng cho phép nhân viên hoặc người quản lý trong nhà máy tương tác trực tiếp với nhiều loại thiết bị, bao gồm van, cảm biến, động cơ và máy bơm. Bất kỳ sự kiện nào xảy ra đều có thể được hệ thống ghi lại thành tệp nhật ký và có thể được sử dụng ngay lập tức.

2. Cấu tạo các thành phần của một hệ thống SCADA

Một cách cơ bản, một SCADA thường có 5 thành phần chính như sau:

• Giao diện giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị (HMI); HMI xử lý dữ liệu từ mỗi thẻ (tag) và gửi cho nhân viên vận hành giám sát hoặc điều khiển hệ thống.
• Hệ thống giám sát: Hệ thống giám sát thu thập dữ liệu được gửi từ mỗi thẻ và gửi các lệnh hoặc yêu cầu cho các quy trình hoạt động.
• Thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa (RTU): Các RTU kết nối các cảm biến và chuyển đổi tín hiệu đó sang dữ liệu kỹ thuật số và gửi nó đến hệ thống giám sát để được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu phân tán.
• Bộ điều khiển logic có thể lập trình (PLC): PLC được sử dụng làm thiết bị hiện trường vì tính linh hoạt và tiết kiệm hơn nhiều so với RTU dành riêng cho quy trình.
• Cơ sở hạ tầng giao tiếp: Cuối cùng, cơ sở hạ tầng giao tiếp cung cấp kết nối tới hệ thống giám sát và sau đó tới RTU và PLC để người dùng ra lệnh yêu cầu. 

Thông tin liên lạc là liên kết quan trọng nhất để hệ thống SCADA hoạt động tốt; tuy nhiên, hệ thống quản lý giao tiếp từ HMI đến RTU và PLC về cơ bản sẽ quyết định mức độ thành công của hệ thống SCADA. 

Dưới đây là hình ảnh của một hệ thống SCADA cơ bản với một cơ sở hạ tầng nhất định. 

Như vậy có thể nói SCADA chính là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Hệ thống SCADA bao gồm các thành phần phần cứng và phần mềm khác nhau được điều chỉnh cho phù hợp với các yêu cầu, mục đích cụ thể.

Với SCADA, các công ty có thể kiểm soát các quy trình công nghiệp tại chỗ hoặc từ xa, qua đó tương tác với các thành phần như động cơ, máy bơm hoặc cảm biến. Tùy thuộc vào mục tiêu ứng dụng, hệ thống SCADA có thể bao gồm các cấu hình tương đối đơn giản hoặc phức tạp và thích hợp để sử dụng trong nhiều các ngành công nghiệp khác nhau. Mặt khác, hệ thống cũng rất linh hoạt và có khả năng thích ứng cao và hoạt động trên nhiều hệ điều hành khác nhau từ Windows NT đến UNIX hoặc Linux.

3. Cơ chế thu thập dữ liệu của hệ thống SCADA System

Cơ chế thu thập dữ liệu của hệ thống SCADA hoạt động theo một quy trình khá chặt chẽ, gồm nhiều lớp và thiết bị khác nhau. VTI Solutions giải thích rõ từng bước để bạn dễ hình dung:

Cảm biến & thiết bị đo lường

• Đây là lớp đầu tiên, tiếp xúc trực tiếp với môi trường thực (nhiệt độ, áp suất, mức nước, dòng điện, tốc độ…).

• Cảm biến sẽ biến đổi tín hiệu vật lý (analog) thành tín hiệu điện hoặc tín hiệu số.

Thiết bị điều khiển địa phương: PLC hoặc RTU

• PLC (Programmable Logic Controller) hoặc RTU (Remote Terminal Unit) nhận tín hiệu từ cảm biến.

• PLC/RTU xử lý sơ bộ dữ liệu (lọc nhiễu, chuyển đổi tín hiệu) và lưu trữ tạm thời.

• Ngoài ra, PLC/RTU có thể thực hiện các lệnh điều khiển tự động tại chỗ (ví dụ: bật/tắt bơm khi mực nước đạt mức cao).

Gửi dữ liệu lên trung tâm SCADA

• Sau khi xử lý, PLC hoặc RTU gửi dữ liệu qua mạng truyền thông (Ethernet, radio, mạng di động, cáp quang…) về trung tâm điều khiển.

• Giao thức truyền thông thường dùng: Modbus, DNP3, IEC 60870-5-104, v.v.

Máy chủ SCADA (SCADA Master Station)

• Đây là “trái tim” của hệ thống, nhận dữ liệu từ hàng loạt PLC/RTU.

• Lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu lịch sử (historian database) để phân tích, báo cáo, và cảnh báo.

• Xử lý, tổng hợp và gửi lệnh điều khiển ngược lại cho PLC/RTU khi cần.

Hiển thị trên giao diện HMI

• Các dữ liệu thời gian thực và lịch sử được hiển thị dưới dạng đồ họa, biểu đồ, bảng số liệu trên HMI (Human-Machine Interface).

• Người vận hành giám sát, ra quyết định và điều khiển hệ thống thông qua HMI.

4. Chức năng của hệ thống SCADA

4.1. Thu thập dữ liệu

Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) là chức năng đầu tiên và quan trọng nhất của SCADA. Hệ thống sẽ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, thiết bị đo lường lắp đặt tại hiện trường, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức chất lỏng hoặc trạng thái đóng/mở của các van. Dữ liệu này có thể ở dạng analog (liên tục) hoặc digital (rời rạc), giúp trung tâm điều khiển nắm bắt chính xác và kịp thời tình trạng thực tế của toàn bộ hệ thống.

4.2. Giám sát

Tiếp theo là chức năng giám sát (Monitoring). Các dữ liệu thu thập được sẽ được hiển thị trên giao diện trực quan (HMI) dưới dạng sơ đồ, biểu đồ hoặc bảng số liệu. Nhờ đó, người vận hành có thể quan sát, theo dõi mọi thông số của hệ thống theo thời gian thực, kịp thời phát hiện những biến động bất thường hoặc các sự cố để có biện pháp xử lý ngay.

4.3. Điều khiển

Một chức năng quan trọng khác của SCADA chính là điều khiển (Control). Hệ thống không chỉ giám sát mà còn cho phép gửi tín hiệu điều khiển từ trung tâm xuống các thiết bị ngoài hiện trường. Ví dụ, người vận hành có thể bật/tắt máy bơm, điều chỉnh tốc độ động cơ, đóng/mở van… Việc điều khiển này có thể thực hiện tự động dựa trên các kịch bản lập trình sẵn (qua PLC/RTU), hoặc bán tự động khi có sự can thiệp trực tiếp của con người.

4.4. Lưu trữ dữ liệu

Ngoài ra, SCADA còn đảm nhận chức năng lưu trữ dữ liệu (Data Logging & Archiving). Tất cả thông tin thu thập sẽ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu lịch sử, giúp phục vụ phân tích xu hướng, đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống, đồng thời hỗ trợ điều tra nguyên nhân khi xảy ra sự cố. Từ dữ liệu này, người quản lý có thể tạo ra các báo cáo vận hành, báo cáo sự kiện hoặc các thống kê chi tiết theo từng khoảng thời gian.

4.5. Cảnh báo và bảo vệ

Cuối cùng, không thể thiếu chức năng cảnh báo và bảo vệ (Alarm & Event Handling). SCADA được trang bị hệ thống cảnh báo để phát hiện kịp thời các sự cố hoặc khi thông số vượt quá giới hạn an toàn, chẳng hạn như quá nhiệt, quá áp, mực chất lỏng quá cao hoặc quá thấp. Khi phát hiện bất thường, hệ thống sẽ phát ra tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh, hình ảnh hoặc thậm chí gửi thông báo qua SMS, email để kỹ thuật viên có thể xử lý nhanh chóng. Đồng thời, toàn bộ sự kiện và cảnh báo này cũng được ghi lại để phục vụ công tác kiểm tra, đánh giá sau này.

5. Ưu điểm của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA cung cấp cho các doanh nghiệp nhiều lợi thế để tối ưu hóa các quy trình hoạt động sản xuất và thu thập dữ liệu minh bạch trong các cơ sở tự động:

• Dễ sử dụng: Nhờ giao diện HMI, SCADA có thể được điều khiển một cách nhanh chóng, dễ dàng và an toàn. Điều này cho phép truy cập từ xa hoặc quản lý đồng thời nhiều thiết bị máy móc trong nhà máy.
• Giảm thiểu rủi ro: Với việc phát hiện lỗi kịp thời, hệ thống SCADA có thể thông báo cho người giám sát các vấn đề phát sinh ngay lập tức. Ngoài ra, một hệ thống được hỗ trợ bởi phân tích dự đoán cũng chỉ ra những rủi ro có thể xảy ra trước sai sót và hỏng hóc gây ảnh hưởng đến sản xuất. Bằng cách này, hiệu quả tổng thể của thiết bị (OEE) có thể được cải thiện và giảm bớt nỗ lực bảo trì hoặc khắc phục sự cố.
• Tiêu chuẩn hóa: Tất cả dữ liệu quy trình có liên quan được thực hiện trên một nền tảng thống nhất, giúp người dùng có thể dễ dàng có được cái nhìn tổng quan. Bằng cách sử dụng các công cụ khác nhau trong nền tảng trung tâm, toàn bộ tiềm năng của hệ thống SCADA có thể được khai thác một cách hiệu quả.
• Nâng cao hiệu quả quản lý dữ liệu: SCADA tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập, quản lý, truy xuất và phân tích dữ liệu hoạt động sản xuất. Bản ghi sẽ tự động được lưu ở vị trí trung tâm. Ngoài ra, nó hỗ trợ truyền dữ liệu đến các hệ thống MES hoặc ERP được kết nối. 
• Tính minh bạch: Việc thu thập dữ liệu thời gian thực và quản lý qua giao diện HMI đảm bảo cải thiện khả năng hiển thị của các luồng quy trình. Ngoài ra, hệ thống SCADA bao gồm các công cụ để đánh giá dữ liệu được thu thập và tạo báo cáo. Điều này có nghĩa là người dùng có quyền truy cập thông tin sản xuất tại chỗ và từ xa bất kỳ lúc nào.
• Nâng cao hiệu quả tổng thể: Với sự trợ giúp của hệ thống tự động hóa, các công cụ thân thiện với người dùng và khả năng quản lý dữ liệu minh bạch, hệ thống SCADA hỗ trợ tối ưu hóa các quy trình qua đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm chi phí liên quan.

6. Bốn loại hệ thống SCADA

SCADA có nhiều loại hệ thống khác nhau và cũng có thể được coi là các kiến ​​trúc SCADA. Khi công nghệ phát triển, các hệ thống này cũng liên tục được cải tiến.

6.1. Thế hệ đầu tiên: Hệ thống SCADA nguyên khối (Monolithic SCADA Systems)

Ngày trước, các nhà sản xuất đã biết sử dụng máy tính mini để tối ưu hóa quy trình và thiết bị của mình.

Vào thời điểm đó, các hệ thống SCADA Monolithic rất phổ biến nhưng không sử dụng các dịch vụ mạng chung. Do đó, chúng hoạt động độc lập, có nghĩa là một máy tính không thể kết nối với các hệ thống khác. Các trang web từ xa được kết nối thông qua một hệ thống máy tính lớn dự phòng (backup).

Điều này đảm bảo tính dự phòng của hệ thống SCADA thế hệ đầu tiên. Khái niệm nguyên khối chủ yếu được sử dụng trong trường hợp hệ thống máy tính lớn chính bị lỗi. Việc sử dụng hệ thống SCADA dạng cũ hạn chế trong việc giám sát các cảm biến của hệ thống cũng như cảnh báo bất kỳ hoạt động nào nếu vượt quá mức cảnh báo được lập trình.

6.2. Thế hệ thứ hai: hệ thống SCADA phân tán (Distributed SCADA Systems)

Đối với thế hệ thứ hai của hệ thống SCADA, việc chia sẻ các chức năng điều khiển được phân phối giữa một số hệ thống được kết nối với nhau thông qua mạng cục bộ (LAN). Do đó chúng được gọi là hệ thống SCADA phân tán.

Các trạm riêng lẻ được sử dụng để chia sẻ thông tin thời gian thực, xử lý đơn đặt hàng và thực hiện các nhiệm vụ giám sát để kích hoạt mức báo động trong trường hợp có sự cố. Điều khác biệt giữa chúng với các hệ thống cũ là chi phí và kích thước của máy tính lớn chính nhỏ hơn.

Tuy nhiên, các giao thức mạng không được chuẩn hóa và chỉ có rất ít người khác ngoài các nhà phát triển mới có thể xác định được tính bảo mật của các cài đặt. Nói cách khác, tính bảo mật của cài đặt SCADA thế hệ thứ hai không được bảo đảm.

6.3. Thế hệ thứ ba: hệ thống SCADA nối mạng (Networked SCADA Systems)

Các hệ thống SCADA ngày nay đã được nối mạng và có thể giao tiếp thông qua Mạng diện rộng (WAN) qua đường dữ liệu hoặc qua điện thoại.

Các hệ thống này thường sử dụng kết nối Ethernet hoặc cáp quang để truyền dữ liệu giữa các nút mạng (nodes). SCADA cũng sử dụng Bộ điều khiển logic có thể lập trình (PLC) để giám sát hoặc điều chỉnh hệ thống báo hiệu thường xuyên cho các quyết định quan trọng.

Trong khi các hệ thống SCADA thế hệ thứ nhất và thứ hai bị giới hạn trong các mạng hoặc đơn vị đơn lẻ, thì SCADA thế hệ thứ ba sử dụng Internet không giới hạn, tuy nhiên mối quan tâm về bảo mật vẫn chưa được bảo đảm.

6.4. Thế hệ thứ tư: Hệ thống SCADA 4.0 dựa trên Internet of Things (IoT)

Sự xuất hiện của thế hệ thứ tư của hệ thống SCADA đã làm giảm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng thông qua việc áp dụng công nghệ IoT và điện toán đám mây (cloud computing).

Do đó, việc tích hợp và bảo trì hệ thống rất dễ dàng so với các hệ thống trước đây. Những tiến bộ công nghệ mới nhất trong hệ thống SCADA cho phép tạo ra các báo cáo trạng thái thời gian thực, sử dụng các thuật toán điều khiển phức tạp hơn và tăng cường bảo mật thông tin nhạy cảm trong các công ty lớn.

Ngoài ra, các hệ thống này có thể hoạt động với các dữ liệu trên PLC truyền thống.

7. SCADA có thể được sử dụng trong những lĩnh vực nào?

Trên toàn thế giới, hệ thống SCADA được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau và trong tất cả các ngành công nghiệp.

Sản xuất, vận chuyển, phân phối khí đốt và điện

Trong các lĩnh vực khác nhau này, các tiện ích sử dụng, ví dụ, hệ thống SCADA để phát hiện dòng điện và điện áp đường dây, để giám sát hoạt động của bộ ngắt mạch, v.v.

Các công cụ này cũng có thể giúp giám sát và kiểm soát các đường ống, điều khiển từ xa các điểm lưu trữ, bơm hoặc nhà máy lọc dầu hoặc kiểm soát việc phân phối năng lượng điện từ các nguồn năng lượng khác nhau như than đá, hạt nhân hoặc khí đốt.

Chế tạo

Trong các ngành sản xuất, hệ thống SCADA được sử dụng để quản lý danh sách các bộ phận sản xuất, tối ưu hóa tự động hóa công nghiệp và giám sát các hệ thống và quy trình kiểm soát chất lượng.

Xây dựng

Các doanh nghiệp quản lý chung cư thường sử dụng hệ thống SCADA để điều khiển hệ thống sưởi, điều hòa không khí, thiết bị làm lạnh và đèn chiếu sáng.

Phương tiện giao thông công cộng

Các dịch vụ giao thông công cộng có thể sử dụng hệ thống SCADA để điều chỉnh điện của tàu điện ngầm, xe điện và xe đẩy. Trong các trường hợp khác, nó được sử dụng để tự động hóa đèn giao thông trong hệ thống đường sắt, theo dõi và xác định vị trí xe buýt và xe lửa, kiểm soát các rào cản tại các điểm giao cắt đường sắt hoặc để kiểm soát luồng giao thông, chẳng hạn như phát hiện các mạng lưới giao thông không theo trật tự. .

Mạng lưới cấp nước và vệ sinh

Ít ai biết rằng, các hệ thống SCADA thực sự được sử dụng trong lĩnh vực vệ sinh.

Nhà nước và các thành phố có thể sử dụng các hệ thống này để giám sát và kiểm soát các trung tâm xử lý nước, các cơ sở thu gom và xử lý nước đã qua xử lý trong điều kiện tốt nhất.

Tất nhiên, còn rất nhiều các ngành công nghiệp khác sử dụng loại phần mềm này, chẳng hạn như những ngành liên quan đến nông nghiệp và thủy lợi, sản xuất dược phẩm và viễn thông,…

Kết luận

Như vậy có thể thấy, với sự phát triển vượt bậc của tự động hóa trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, các hệ thống SCADA ngày càng trở nên phổ biến. Với việc thu thập dữ liệu, phân tích và xử lý đang ngày càng đòi hỏi mức độ tự động hóa cao hơn bao giờ hết. Do đó SCADA trở thành giải pháp tối ưu giúp hỗ trợ vận hành hệ thống một cách hiệu quả, nâng cao năng suất trong nhà máy và giảm cho phí liên quan, qua đó giúp doanh nghiệp tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

5432105/5 - (9 bình chọn)