1. Hệ thống quản lý, giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA)
1.2. Kết nối truyền thông trong hệ thống SCADA
SCADA được phát triển song song với sự phát triển của công nghệ tính toán hiện đại. Có 3 thế hệ của SCADA bao gồm:
Thế hệ thứ nhất : SCADA nguyên khối . Thế hệ thứ 2 : SCADA phân bố
Thế hệ thứ 3 : SCADA mạng lưới .
1.2.1. Hệ thống SCADA nguyên khối (Monolithic):
Được phát triển đầu tiên, nội dung của tính toán thường tập trung vào hệ thống
“main frame”. Khi đó không tồn tại mạng và mỗi hệ thống thường độc lập. Kết
quả, hệ thống SCADA là hệ thống độc lập và không kết nối với hệ thống nào khác. Mạng WAN được dùng để truyền thông với các RTU ở xa và được thiết kế
chỉ với một mục đích truyền thông với các RTU mà không có mục đích nào khác.
Ngoai ra, các giao thức WAN được sử dụng hiện nay đa số đều không tồn tại ở
14
Các giao thức truyền thông sử dụng trong các mạng SCADA được phát triển bởi các nhà cung cấp thiết bị RTU và thường có đặc tính riêng. Thêm vào đó, các
giao thức này được thiết kế rất sơ sài và không dựa trên yêu cầu điều khiển các
điểm trong thiết bị ởxa. Nó cũng không khả thi khi trộn lẫn các loại lưu lựợng dữ
liệu khác nhau với RTU truyền thông trong mạng.
Hình 1. 3: Hệ thống SCADA nguyên khối (Monolithic)
Việc kết nối với chính trạm chủ SCADA bị hạn chế bởi nhà cung cấp hệ
thống. Việc kết nối trạm chủ đặc thù được thực hiện ở mức bus thông qua một adapter riêng với bộđiều khiển được gắn với mặt phẳng ở phía sau CPU.
Sự dư thừa ở hệ thống thế hệ đầu tiên là việc sử dụng hai hệ thống
mainframe được trang bị giống hệt nhau, một hệ thống chính và một hệ thống dự
phòng, kết nối với nhau ở mức bus. Chức năng cơ bản của hệ thống dự phòng là giám sát hệ thống chính và dự phòng nóng thay thế trong thay thế hệ thông chính
trong trường hợp hệ thống chính có lỗi trong quá trình vận hành.
1.2.2. Hệ thống SCADA phân bố(Distributed):
Tiếp tục được phát triển và cải tiến hệ thống nhỏ, công nghệ mạng LAN
được áp dụng để sắp xếp lại việc xử lý các hệ thống phức tạp. Với các hệ thống tích hợp, mỗi hệ thống với một chức năng riêng biệt, được kết nối với một LAN
15
và chia sẻ thông tin với mỗi hệ thống khác theo thời gian thực. Các hệ thống này
đặc trưng cho loại máy tính mini, nhỏ hơn và giảm giá thành hơn so với thế hệ đầu tiên.
Một số hệ thống phân bố này được dùng như các bộ xử lý truyền thông,
trước hết là truyền thông với các thiết bị khác như là các RTU. Một số khác được
dùng như các giao diện vận hành, cung cấp giao diện người - máy (HMI - Human
Machine Interface) cho người vận hành hệ thống. Một số hệ thống còn lại được
dùng để tính toán các bộ xử lý hoặc các máy chủcơ sở dữ liệu.
Việc phân bố các chức năng của hệ thống SCADA riêng thành nhiều hệ
thống sẽ tạo ra nhiều khả năng xử lý khác nhau cho hệ thống tích hợp hơn là ở
trong một hệ thống riêng. Các mạng kết nối với các hệ thống riêng này thường dựa trên các giao thức mạng LAN và không có khảnăng vượt quá giới hạn của
môi trường cục bộ.
Hình 1. 4: Hệ thống SCADA phân bố (Distributed).
Một số giao thức mạng LAN được sử dụng là của một dạng độc quyền, ở đây
nhà cung cấp đã tạo ra giao thức mạng hoặc phiên bản của riêng mình rồi từ đó xoá bỏ cái đang tồn tại. Điều này cho phép nhà sản xuất tối ưu giao thức LAN
16
của mình cho lưu lượng thời gian thực, nhưng nó chỉ giới hạn (hoặc có hiệu quả)
khi kết nối của mạng từ các nhà cung cấp khác tới LAN SCADA.
Việc phân bố các chức năng hệ thống thành các hệ thống có nối mạng không những dùng để tăng khảnăng tính toán mà còn để cải thiện việc dư thừa và độ tin cậy của hệ thống tích hợp. Hơn nữa, việc dựphòng hư hỏng ởđây đơn giản hơn so
với trong nhiều hệ thống đầu tiên, kiến trúc phân bốthường giữ tất cả các hệ thống trên LAN trong trạng thái trực tuyến ở mọi thời điểm. Ví dụ, nếu một hệ thống HMI bị hỏng, hệ thống HMI khác có thểđược sử dụng để điều khiển hệ thống mà không cần đợi để chuyển quyền từ hệ thống thứ nhất sang hệ thống thứ hai.
Mạng WAN sử dụng để truyền thông với các thiết bị trong phạm vi này không
thay đổi nhiều so với sự phát triển của LAN kết nối giữa các trạm cục bộ của SCADA master. Các mạng truyền thông mở rộng này vẫn bị giới hạn với các giao thức RTU và không sẵn sàng cho các loại lưu lượng mạng khác. Cũng giống như
trong hệ thống SCADA ở thế hệ đầu tiên, thế hệ thứ hai của hệ thống SCADA
cũng bị giới hạn bởi phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi là những thành phần được cung cấp hoặc lựa chọn tuỳ theo nhà cung cấp.
1.2.3. Hệ thống SCADA nối mạng (Networked):
Hiện nay của kiến trúc SCADA master gần giống với thế hệ thứ hai, với khác biệt cơ bản là kiến trúc hệ thống mở hơn so với môi trường riêng, được kiểm soát bởi nhà cung cấp như ở thế hệ thứ hai. Ởđây vẫn tồn tại hệ thống mạng tích hợp, có sự chia sẻ các chức năng của trạm chính. Các RTU sử dụng các giao thức riêng của nhà cung cấp. Cải tiến chính trong thế hệ thứ ba này là việc mở kiến trúc hệ
thống, sử dụng các chuẩn mở và các giao thức cho phép phân chia các chức năng
của SCADA trên mạng WAN chứ không chỉở mạng LAN.
Các chuẩn mởđã loại bỏ một số giới hạn của các thế hệtrước đó của hệ thống SCADA. Việc sử dụng hệ thống mở làm cho nó dễ dụng hơn đối với người sử
dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi thứ ba (như màn hình, máy in, ổ đĩa…) với hệ
17
Cùng với việc sử dụng hệ thống mở, các nhà cung cấp cũng từ bỏ dần việc chỉ phát triển kinh doanh phần cứng. Các nhà cung cấp này đã mong đợi các nhà cung cấp hệ thống như Compacq, Hewlett-Packard và Sun Microsystems dành trí tuệ của họ trong việc phát triển phần mềm điều hành hệ thống. Điều này cho phép các nhà cung cấp SCADA tập trung sự phát triển của họ vào một lĩnh vực mà tại đây họ có thể thêm những tính năng nhất định vào phần mềm của hệ thống SCADA master. Cải tiến chính trong các hệ thống SCADA thế hệ thứ 3 là việc sử dụng các giao thức WAN như giao thức Internet (IP) cho truyền thông giữa trạm chính và thiết bị truyền thông. Điều này cho phép phân chia trạm chính - trạm có nhiệm vụ truyền thông với các thiết bị thành các trạm riêng qua một WAN. Hiện nay các nhà cung cấp đã sản xuất các RTU có thể truyền thông với trạm chính sử dụng một kết nối Ethernet.
Hình 1. 5: Hệ thống SCADA Nối mạng (Networked).
Một ưu điểm khác của việc phân chia chức năng hệ thống SCADA qua một WAN là khả năng tránh các thảm hoạ. Việc phân chia SCADA xử lý qua một LAN trong hệ thống thứhai đã cải thiện đáng kể, nhưng trong trường hợp hư hỏng toàn bộ các thiết bị của SCADA master, thì toàn bộ hệ thống có thể bị tê liệt. Bằng
18
cách phân chia xử lý thành cục bộ, có thể xây dựng một hệ thống SCADA vẫn có khả năng hoạt động khi hư hỏng toàn bộ một trạm cục bộnào đó trong hệ thống. Với tính năng này, một số tổ chức đã coi SCADA như là hệ thống có chức năng
siêu giới hạn.