SCADA là gì?

SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống 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. Theo định nghĩa trên thì SCADA là một hệ thống các yếu tố phần mềm và phần cứng cho phép các tổ chức công nghiệp:

• Kiểm soát các quy trình công nghiệp tại local hoặc tại các địa điểm từ xa
• Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực
• Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ và nhiều thứ khác thông qua phần mềm giao diện người-máy (HMI)
• Ghi sự kiện vào một file nhật ký hoặc CSDL.

Các hệ thống SCADA rất quan trọng đối với các tổ chức công nghiệp vì chúng giúp duy trì hiệu quả, xử lý dữ liệu cho các quyết định thông minh hơn và truyền đạt các vấn đề của hệ thống để giúp giảm thiểu downtime .

Kiến trúc SCADA cơ bản bắt đầu bằng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc thiết bị đầu cuối từ xa (RTU). PLC và RTU là các máy vi tính giao tiếp với một loạt các đối tượng như máy nhà máy, HMI, cảm biến và thiết bị đầu cuối, sau đó định tuyến thông tin từ các đối tượng đó đến máy tính bằng phần mềm SCADA. Phần mềm SCADA xử lý, phân phối và hiển thị dữ liệu, giúp người vận hành và các nhân viên khác phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định quan trọng.

Ví dụ, hệ thống SCADA nhanh chóng thông báo cho nhà điều hành rằng một lô sản phẩm đang có tỷ lệ lỗi cao. Nhà điều hành tạm dừng hoạt động và xem dữ liệu hệ thống SCADA thông qua HMI để xác định nguyên nhân của sự cố. Nhà điều hành xem xét dữ liệu và phát hiện ra rằng Máy 4 bị trục trặc. Khả năng của hệ thống SCADA để thông báo cho người vận hành về một vấn đề giúp anh ta giải quyết vấn đề đó và ngăn ngừa việc mất thêm sản phẩm.

Kiến trúc SCADA cơ bản

Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:

• Giao diện quá trình hoạt động: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.
• Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành.
• Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
• Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI (Human Machine Interface).

Cơ chế thu thập dữ liệu của SCADA

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong.

Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ.

Ai cần sử dụng hệ thống SCADA?

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

Hầu như bất cứ nơi nào bạn nhìn vào thế giới ngày nay, có một số loại hệ thống SCADA chạy phía sau hậu trường: SCADA quản lý tòa nhà, SCADA quản lý hệ thống làm lạnh tại siêu thị local , đảm bảo sản xuất và an toàn tại nhà máy lọc dầu, đạt tiêu chuẩn chất lượng tại nhà máy xử lý nước thải hoặc thậm chí theo dõi sử dụng năng lượng của bạn ở nhà, để đưa ra một vài ví dụ.

Các hệ thống SCADA hiệu quả có thể giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc. Nhiều nghiên cứu trường hợp đã được công bố nêu bật những lợi ích và tiết kiệm của việc sử dụng giải pháp phần mềm SCADA hiện đại như WinCC, Win CC OA, Advantech WebAccess.

Lợi ích của SCADA

Với cơ chế hoạt động trên, một hệ thống SCADA sẽ cho phép các doanh nghiệp thu thập, quản lý dữ liệu, tương tác và kiểm soát hoạt động của các loại máy móc, thiết bị như van, máy bơm hay các động cơ, cũng như lưu trữ mọi thông tin vào tệp tin máy chủ. Nhờ tính năng ưu việt, hệ thống SCADA đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp hiện đại như năng lượng, thực phẩm, dầu khí, vận tải, xử lý nước và rác thải, v.v. với một số ưu thế nổi bật như:

• Nâng cao năng suất: nhờ quá trình phân tích các quy trình sản xuất, nhà quản lý có thể dùng các thông tin này để gia tăng hiệu quả sản xuất và cải tiến kỹ thuật.
• Cải thiện chất lượng sản phẩm: cũng thông qua việc phân tích các hoạt động, nhà quản lý có thể tìm cách hạn chế, ngăn chặn các sai sót trong quá trình sản xuất.
• Giảm chi phí vận hành và bảo trì: khi một hệ thống SCADA được lắp đặt, doanh nghiệp sẽ không cần quá nhiều nhân sự cho việc quản lý giám sát các thiết bị hiện trường được đặt ở các vị trí xa. Bên cạnh đó, doanh nghiệp cũng không phải chi trả cho các chuyến đi kiểm tra, bảo trì ở xa, thế nên, chi phí bảo trì cũng sẽ được giảm bớt.
• Bảo toàn vốn đầu tư: khi các chủ nhà máy đầu tư nâng cấp hoạt động sản xuất, họ cần đảm bảo sự nâng cấp đó có tính sử dụng lâu dài. Một hệ thống SCADA được thiết kế mở sẽ cho phép chủ đầu tư chỉnh sửa, thay đổi tùy theo quy mô sản xuất, nhờ đó giúp loại bỏ các hao hụt theo thời gian.

Khác nhau giữa SCADA và DCS

DCS là viết tắt của “Hệ thống điều khiển phân tán”. DCS là một hệ thống điều khiển quá trình sử dụng mạng để kết nối các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị đầu cuối của người vận hành và thiết bị truyền động. Một DCS thường chứa một hoặc nhiều máy tính để điều khiển và chủ yếu sử dụng cả giao thức và kết nối độc quyền để liên lạc.

SCADA có thể được gọi là Giao diện Người-Máy (HMI). Hệ thống SCADA được sử dụng để giám sát hoặc kiểm soát các quá trình hóa học, vật lý hoặc vận chuyển.

DCS được định hướng theo quy trình, điều khiển trạng thái quy trình trong khi SCADA được định hướng thu thập dữ liệu, hướng sự kiệnDCS bao gồm một hoặc nhiều bộ điều khiển được sử dụng để thực hiện các kỹ thuật điều khiển quá trình nâng cao & hệ thống SCADA không thể thực hiện các kỹ thuật điều khiển quá trình nâng cao.

Vòng điều khiển phản hồi của DCS được điều khiển trực tiếp bởi PLC, nhưng phần mềm SCADA giám sát hiệu suất tổng thể của vòng lặp.

DCS là thiết bị điều khiển có khả năng cao hơn so với PLC thông thường. Mặt khác, SCADA chủ yếu là một môi trường phần mềm có thể giao tiếp với PLC và có thể là DCS cũng cho vấn đề đó để giám sát chức năng của các thiết bị đó và thực hiện thu thập dữ liệu và ghi dữ liệu vào một nền tảng giám sát.

Khác nhau giữa SCADA và MES

Hệ thống MES cung cấp các tính năng quản lý hoạt động sản xuất (MOM), tức là, nó kiểm soát các hoạt động sản xuất diễn ra trong nhà máy, hệ thống kiểm soát chất lượng , giải pháp quản lý hàng tồn kho và sản xuất , như OEE, KPI, quản lý phòng thí nghiệm và quản lý công thức.Với nền tảng MES / MOM , người thu thập dữ liệu trong nhà máy có thể nhận tất cả thông tin về các quy trình và đơn đặt hàng sản xuất được thực hiện trong nhà máy. Nó cho phép nhà điều hành nhà máy đưa ra quyết định thời gian thực trong khi sản xuất đang được tiến hành.

• Tình trạng đặt hàng
• Sử dụng trạng thái tài nguyên
• Sử dụng trạng thái vật liệu
• Lãng phí
• OEE
• KPI

MES quản lý tất cả các vật liệu được thêm vào trong một lô nhất định, cũng như chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

Việc ra quyết định rộng rãi như vậy không thể được thực hiện trong SCADA vì về cơ bản SCADA chỉ mang tính chất giám sát và thu thập dữ liệu của quá trình vận hành.

Hệ thống SCADA hiện đại

Cho đến nay, SCADA vẫn luôn được cải tiến liên tục và trong những năm gần đây, các chuyên gia dự đoán hệ thống này sẽ phát triển theo các xu hướng chính sau:

Web-Based SCADA

Theo truyền thống SCADA truyền thông là truyền thông nối tiếp điểm-đa điểm qua đường dây thuê bao hoặc hệ thống vô tuyến riêng (ví dụ: RS232, RS485, BEL202). Với sự ra đời của Giao thức Internet (IP), Công nghệ IP đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng SCADA.

Internet SCADA hoặc SCADA dựa trên web (Web-base SCADA) sử dụng công nghệ IP trong SCADA và có thể bao gồm từ các IP Tunel, rơle khung, cáp, radio để liên kết các mạng SCADA với văn phòng trung tâm đến các thiết bị địa chỉ IP riêng lẻ hoặc sử dụng các thiết bị hỗ trợ IP hoặc dựa trên web.

Ưu điểm của INTERNET & WEB-BASED SCADA

• Kết nối diện rộng
• Định tuyến
• Phạm vi địa chỉ lớn
• Tích hợp CNTT vào mạng tự động và giám sát
• Tiêu chuẩn hóa tốt

Nhược điểm của INTERNET & WEB-BASED SCADA

• Chi phí về hiệu suất của chuẩn IP
• Bảo vệ an toàn thông tin phức tạp, dễ bị tấn công

So sánh SCADA và IoT Công nghiệp

Mặc dù hệ thống SCADA cung cấp các tính năng thiết yếu không thể thiếu cho nhiều ngành công nghiệp được đề cập ở trên, nhưng nó thiếu phát triển các đổi mới công nghệ và có vấn đề về khả năng thích ứng. Các giải pháp để khắc phục những vấn đề này là các giải pháp IoT có thể được tích hợp vào kiến ​​trúc SCADA rất nhanh chóng.

Vấn đề quan trọng nhất để tích hợp các hệ thống IoT là giải pháp của SCADA vẫn còn giới hạn ở tầng nhà máy. Dữ liệu từ các máy khác nhau trong nhà máy chỉ có thể được giám sát tại chỗ bằng hệ thống SCADA. Mặt khác, IoT có thể trình bày dữ liệu từ các máy sâu hơn hoặc các cơ sở hạ tầng khác nhau theo cách có thể được sử dụng và giám sát bất cứ lúc nào, bất cứ nơi đâu.

Có thể tóm tắt điểm chung của cả hai giải pháp SCADA và IoT là thu thập dữ liệu từ nhiều loại cơ sở hạ tầng, ngay cả khi chúng sử dụng các cách khác nhau (chẳng hạn như giao tiếp có dây / không dây, tốc độ truyền dữ liệu). Mặc dù chúng khác nhau về nhiều mặt nhưng việc thu thập dữ liệu này hành động vì mục tiêu chung: tối ưu hóa việc sử dụng, kiểm soát tốt hơn một số máy móc hoặc quy trình và cuối cùng là cải thiện năng suất.

SCADA không phải là một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, nhưng nó là một hệ thống máy tính thu thập và phân tích dữ liệu trong thời gian thực và hữu ích cho việc giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp. Nó thu thập thông tin về vấn đề, gửi về vị trí trung tâm và cảnh báo trung tâm. Sau đó, nó thực hiện các phân tích và kiểm tra cần thiết và hiển thị thông tin một cách hợp lý và có tổ chức cho các nhóm, sau đó giải thích và sử dụng nó cho phù hợp.

Các giải pháp IoT cũng chịu trách nhiệm thu thập, phân tích và hiển thị dữ liệu từ máy móc hoặc các cơ sở hạ tầng khác nhau. Mặc dù nó có vẻ hoạt động tương tự như SCADA, nhưng ưu điểm lớn nhất là nó có thể cung cấp các giải pháp không dây với tính linh hoạt mà SCADA không thể cung cấp.

Hãy xem kịch bản này, tổng mức tiêu thụ năng lượng trong một cơ sở sản xuất có thể được kiểm soát bởi SCADA. Tuy nhiên, nếu bạn cần một dữ liệu sâu hơn để quản lý vận hành tốt hơn, giám sát tiêu thụ năng lượng dựa trên máy móc và thiết bị sẽ là một dự án phức tạp, lâu dài và rất tốn kém để hoàn thành với hệ thống SCADA.

4 điểm khác biệt chính giữa SCADA và Industrial IoT

Khả năng tương tác của thiết bị

Khi sử dụng hệ thống SCADA, việc tích hợp các thiết bị do các nhà sản xuất khác nhau tạo ra là không dễ dàng. Đôi khi, ngay cả khi các thiết bị của cùng một nhà sản xuất, sẽ là một thách thức khi sử dụng chúng thay thế cho nhau nếu phiên bản của chúng khác nhau. Hệ thống SCADA thiếu khả năng tương tác cần thiết, đó là nhiệm vụ phát triển khả năng lập trình liền mạch cho các thiết bị và cảm biến. Ngoài ra, chúng yêu cầu một nền tảng ngang có thể hoạt động trên nhiều thiết bị khác nhau bất kể nhà cung cấp hoặc phiên bản của chúng.
Mặt khác, hệ sinh thái IoT chủ yếu dựa vào khái niệm khả năng tương tác. Trọng tâm chính của IoT công nghiệp là cho phép giao tiếp trên nhiều loại thiết bị, bất kể kiểu máy hoặc nhà sản xuất của chúng. IoT sử dụng các giao thức như MQTT để có thể giao tiếp giữa các thiết bị khác nhau trong toàn bộ hệ thống.

Chi phí sở hữu hệ thống

Với hệ thống SCADA, doanh nghiệp chỉ có thể lưu trữ dữ liệu ở một mức độ nhất định, sau đó dữ liệu đó sẽ bị ghi đè bởi dữ liệu mới hơn. Điều này ngụ ý rằng để lưu trữ nhiều dữ liệu hơn, các công ty cần đầu tư thêm máy chủ với dung lượng cao hơn. Ngoài ra, khi cần license phần mềm hoặc nhận các tính năng bổ sung, người dùng SCADA phải mua các giấy phép riêng biệt cho các dịch vụ bổ sung và phải thường xuyên trả tiền để nâng cấp hệ thống.

Industrial IoT có thể làm giảm đáng kể chi phí phần cứng và sở hữu hệ thống cho các công ty, trong khi cũng loại bỏ nhu cầu cấp phép phần mềm và nâng cấp bằng cách sử dụng các dịch vụ đám mây.

Thông tin chi tiết từ dữ liệu

Trong khi làm việc với các hệ thống SCADA, các công ty có những hạn chế trong việc phân tích dữ liệu lịch sử và sau đó hiểu nó ra. Nó không tập trung vào việc thu thập hoặc phân tích dữ liệu mà các doanh nghiệp đang tạo ra hàng ngày. Dữ liệu trong SCADA không mang lại nhiều giá trị cho công ty hoặc không cung cấp bất kỳ trợ giúp nào cho những người ra quyết định của doanh nghiệp, vì dữ liệu này không tiết lộ thông tin ngữ cảnh của bộ dữ liệu, khiến nó khó hiểu hơn.

Khi nói đến phân tích dữ liệu, IoT tỏa sáng hơn nhiều so với SCADA. Internet of Things công nghiệp thu thập và lưu trữ dữ liệu từ mọi quy trình kinh doanh, sau đó áp dụng các thuật toán xử lý dữ liệu lớn và máy học để dự đoán hiệu quả và kết quả tiềm năng. Với thông tin chi tiết dễ hiểu từ IoT, các công ty có khả năng giảm thiểu sự cố thiết bị đột ngột, dự đoán nhu cầu bảo trì và thu được kết quả cao hơn từ tài sản hiện có của họ.

Khả năng mở rộng

Hệ thống SCADA có thể để lại thông tin quan trọng từ các thiết bị khác nhau, vì hệ thống không lưu trữ hoặc phân tích dữ liệu. Lý do đằng sau việc không kết nối các thiết bị là hiệu suất và bảo mật của hệ thống, khi số lượng người dùng tăng lên, băng thông cần thiết để hoạt động cũng tăng, do đó làm tăng chi phí chung cho công ty.

Trên hết, với các hệ thống SCADA, rất khó để có được các báo cáo dễ hiểu từ một hệ thống tập trung cho các thiết bị được đặt ở các vị trí xa. Trong một hệ sinh thái IoT, tất cả dữ liệu được lưu trữ trên đám mây và có thể dễ dàng truy cập từ mọi nơi. Ngoài ra, khả năng kết nối các thiết bị phụ cung cấp quyền truy cập vào tất cả dữ liệu có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình ra quyết định cho doanh nghiệp.