2.1.1. Khái niệm
SCADA là từ viết tắt trong cụm từ tiếng anh: “Supervisory Control and Data Acquisition” được dịch ra tiếng việt là “Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu”. Vậy, hệ thống SCADA thực sự là gì? hoạt động như thế nào? Tại sao được gọi là “Supervisory Control and Data Acquisition”?
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đúng như tên gọi của , SCADA là một phần mềm hệ thống được sử dụng để giám sát, điều khiển và thu thập thông tin dữ liệu của hệ thống phần cứng. được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để giám sát và điều khiển các dây chuyền và máy móc sản xuất. Một cách tốt để hiểu hệ thống SCADA là gì và có thể được sử dụng ở đâu? thì có thể hiểu điều này đơn giản hơn khi tìm hiểu về kim tự tháp tự động hóa.
Công việc của SCADA thực sự là điều khiển và giám sát tất cả các thiết bị hoạt động như PLC, cảm biến, v.v.
26
2.1.2. Cách thức hoạt động
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA về mặt vật lý sẽ giống như một màn hình. Thường sẽ có nhiều màn hình trong đó người vận hành có thể vừa điều khiển vừa giám sát tất cả các thành phần liên quan trong một hệ thống, máy móc hoặc thậm chí toàn bộ nhà máy. Điều này có thể dễ được hình dung với ví dụ: một P&ID (sơ đồ đường ống và các thiết bị đo đạc). Điều quan trọng nhất là người vận hành hiểu các phần khác nhau của hệ thống SCADA và những gì họ cần làm là điều khiển hay giám sát.
Tất cả các màn hình này về cơ bản là giao diện HMI (human-machine interfaces “giao diện người máy”). Chúng là giao diện giữa người vận hành và máy móc. Quay lại như những ngày sơ khai, một HMI thực sự chỉ là một loạt các nút nhấn và tín hiệu đèn điều khiển. Nhưng bây giờ, với những hệ thống hiện đại, tân tiến; bạn sẽ thấy thường có màn hình cảm ứng ở máy hoặc trong phòng điều khiển.
27
2.1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA
Một cách đơn giản HMI là một phần của SCADA. Bởi vì HMI chỉ là màn hình hoặc chính giao diện, SCADA là một ứng dụng hoặc toàn bộ hệ thống đằng sau tất cả các màn hình đó. Một hệ thống SCADA có thể có nhiều HMI để điều khiển và giám sát các bộ phận khác nhau của nhà máy.
Nếu xem xét kỹ hơn cấu trúc của SCADA thì sẽ thấy rõ rằng chứa nhiều thứ hơn là chỉ HMI. là toàn bộ cơ sở hạ tầng của các thiết bị có thể giao tiếp. Ứng dụng SCADA thường chạy trên máy chủ. Sau đó, những thiết bị khách như máy tính để bàn và màn hình HMI kết nối với máy chủ để sử dụng giao diện và cơ sở dữ liệu của hệ thống SCADA. Vì các thiết bị như PLC và RTU cũng được kết nối với máy chủ, nên bây giờ có thể sử dụng SCADA để điều khiển và giám sát hoạt động của .
RTU hoặc thiết bị đầu cuối từ xa hơi giống PLC. Bạn có thể kết nối các cảm biến với RTU và sẽ chuyển đổi tín hiệu, dữ liệu của chúng sang dữ liệu kỹ thuật số. Dữ liệu kỹ thuật số này sau đó sẽ được đưa vào hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA đã trải qua một số giai đoạn lịch sử phát triển. - Monolithic
- Distributed - Networked
- Internet of things
2.1.4. Lịch sử phát triển cấu trúc hệ thống SCADA.
Biết được lịch sử của hệ thống SCADA thực sự giúp bạn có cái nhìn sâu sắc về sự phát triển của . SCADA đã phát triển như thế nào từ một cấu trúc nguyên khối đơn giản sang cơ sở hạ tầng dựa trên nền tảng đám mây. Mặc dù thế hệ thứ tư của hệ thống SCADA đã ra đời, nhiều hệ thống hiện có vẫn thuộc thế hệ thứ ba hoặc thậm chí là thứ hai. Đó là lý do tại sao, đối với chúng tôi,
28
những người làm việc với hệ thống SCADA, điều cần thiết là phải làm quen với các hệ thống cũ hơn.
- Cấu trúc Monolithic
Các hệ thống SCADA đầu tiên chỉ có một trạm giám sát. Đó là thời điểm khi PC và mạng chưa tồn tại. Thay vì đó các trạm máy tính lớn của PC đã được sử dụng. Chức năng của các hệ thống ban đầu này chỉ giới hạn ở các cảm biến giám sát. Hiện nay, bạn sẽ chỉ tìm thấy những hệ thống này tại trong các viện bảo tàng.
- Cấu trúc Distributed
Với việc phát minh ra mạng cục bộ (LAN – Local Area Networks), hệ thống phân tán đã ra đời. Giờ đây, kết nối mạng có nghĩa là bạn có thể kết nối nhiều trạm điều khiển và giám sát. Khi đó bạn có một hệ thống SCADA mà trong đó là một mạng lưới kết nối giữa các trạm điều khiển & giám sát để thực hiện các nhiệm vụ liên lạc và giao tiếp với nhau. Hệ thống SCADA thế hệ thứ hai vẫn tồn tại cho đến ngày nay, tuy nhiên rất hiếm.
- Cấu trúc Networked
Khi công nghệ và giao thức mạng phát triển và bắt đầu thấy xuất hiện khái niệm mạng diện rộng (WAN – Wide Area Networks), các khả năng kết nối mạng và giao tiếp mới cũng trở nên khả dụng đối với các hệ thống SCADA. Các hệ thống SCADA giờ đây không chỉ có thể được sử dụng trong một nhà máy duy nhất, mà còn có thể sử dụng trên nhiều nhà máy có khoảng cách địa lý cách xa nhau. Với kiến trúc nối mạng diện rộng, việc giám sát có thể truy cập ở bất cứ đâu, ngay cả từ một vị trí địa lý cách xa nhà máy. Hầu hết các hệ thống SCADA hiện nay, trên thực tế vẫn được xây dựng với kiến trúc nối mạng. Mặc dù ngày càng có nhiều người hướng tới IoT, nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước.
29 - Internet of things (IoT)
Thế hệ thứ 4 của hệ thống SCADA là thế hệ đang xây dựng hiện nay. là một phần của cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0. Ở đây, cả Internet of Things (IoT) và truyền thông dữ liệu phi tập trung đều quan trọng. Những công nghệ mới này mang lại cho sự tự do kết nối và linh hoạt hơn trong cấu trúc của hệ thống SCADA.
Trên thực tế, toàn bộ cấu trúc SCADA được thiết kế để tập trung vào việc điều khiển và giám sát, thu thập dữ liệu. Toàn bộ ý tưởng là có một hệ thống hoặc một ứng dụng. Nhưng với IoT, ý tưởng này đang thay đổi theo hướng cấu trúc phi tập trung, nơi mọi thành phần của hệ thống có thể giao tiếp với nhau.
Mặc dù cấu trúc mới này là tương lai của tự động hóa nhưng vẫn còn nhiều vấn đề về bảo mật. Dữ liệu từ hệ thống SCADA thường có giá trị cao và nhạy cảm, nhất đối với hoạt động kinh doanh và việc đưa chúng lên đám mây yêu cầu một lớp bảo mật thật mạnh mẽ.
2.1.5. Ứng dụng
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. Giám sát có thể hữu ích trong mọi khía cạnh của tự động hóa vì cho phép thu thập những dữ liệu hữu ích. Dữ liệu này không chỉ có thể giúp giảm chi phí sản xuất mà còn có thể giúp cải thiện hiệu quả của quá trình sản xuất và giảm chi phí bảo trì. SCADA cung cấp cho dữ liệu để phân tích.
Nhiều ngành công nghiệp đang sử dụng một số loạt ứng dụng của SCADA để giám sát điều khiển các quy trình của họ. Tuy nhiên, mỗi ngành có những yêu cầu khác nhau về những gì cần thiết phải được giám sát và điều khiển.
Hệ thống SCADA dành cho ngành dầu khí có thể hoàn toàn khác với hệ thống SCADA cho hệ thống điện hoặc nhà máy điện.
30
Mỗi ngành và mỗi công ty riêng lẻ cũng có những yêu cầu khác nhau đối với hệ thống SCADA mà họ đang sử dụng. Một số công ty lớn và có nhiều nhà máy, trong khi những công ty khác chỉ là một nhà máy hoặc thậm chí chỉ một hệ thống chế biến.
Có thể liệt kê một số lĩnh vực, ngành công nghiệp đang sử dụng hệ thống SCADA rất nhiều như:
- Sản xuất
- Nhà máy năng lượng
- Nhà máy xử lý nước, nước thải - Ngành dược
- Thực phẩm và đồ uống - Công nghiệp dầu khí - Tái chế
31
2.1.6. Khái quát chung về PLC. Lịch sử hình thành.
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968. Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, công ty Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã đưa ra trình bày đầu tiên. Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller, viết tắt là PC, sau này khi máy tính cá nhân PC (Personal Computer) trở nên phổ biến từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn.
PLC – S7 1200.
• Cấu trúc.
32
S7 – 1200 là một dòng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm cho có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7 – 1200.
S7 – 1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển.
S7 – 1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.
Phần mềm dùng để lập trình cho S7 – 1200 là Step 7 Basic. Step 7 basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau.