II.1. Định nghĩa
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Lă hệ thống điều khiển giâm sât vă thu thập dữ liệu. Đđy lă phần không thể thiếu trong một hệ thống tự động hoâ hiện đại.
Cấu thănh của một hệ thống SCADA bao gồm 3 phần chính:
Phần cứng: Bao gồm câc mây tính (PC), câc thiết bị đầu cuối (RTU), câc thiết bị giao diện người sử dụng vă câc thiết bị giao diện thông tin...
Phần mềm: Bao gồm câc phần mềm hệ thống, phần mềm trợ giúp, phần mềm ứng dụng...
Phần hỗ trợ: Phần hỗ trợ sử dụng để kiến tạo sơ đồ hệ thống, trợ giúp tình trạng sự cố trong hệ thống. SCADA lă công cụ trợ giúp cho việc điều hănh
Giâm sât điều khiển trung tđm Thiết bị trường Mây tính giâm sât Mây tính điều khiển I/O module Công đoạn 1 .. …. Công đoạn n .. …. Mây tính điều khiển I/O module Công đoạn 1 .. …. Công đoạn n .. ….
kỹ thuật ở câc cấp trực ban, điều hănh của sản xuất công nghiệp từ câc cấp phđn xưởng, xí nghiệp cho tới cấp cao nhất của một công ty.
Hệ SCADA lă phương tiện tiíu biểu để phđn phối câc dữ liệu cơ sở được chứa trong câc nút mạng. Một nút mạng biểu diễn một giâ trị văo ra đơn lẻ được giâm sât vă điều khiển bởi hệ thống. Câc điểm nút năy có thể lă phần cứng hoặc phần mềm. Một điểm phần cứng thể hiện một kết nối văo ra thực trín hệ thống, trong khi đó một điểm mềm thể hiện kết quả logic vă câc thuật toân được ứng dụng đến câc điểm cứng vă mềm. Hệ SCADA được ngầm hiểu như câc mây tính chủ cho phĩp “giâm sât câc hạng mục” được điều khiển. Đa phần câc điểm điều khiển trín thực tế được thực hiện một câch tự động nhờ câc đơn vị điều khiển đầu cuối RTU. Chức năng điều khiển chính hầu như bị giới hạn trín câc vị trí cơ sở hay khả năng giâm sât câc hạng mục của chúng. Dữ liệu ban đầu được tiếp nhận tại RTU bao gồm cả dữ liệu đọc được từ câc dụng cụ đo câc trạng thâi lăm việc của thiết bị giao tiếp khi hệ SCADA có yíu cầu. Dữ liệu sau đó được biín dịch vă định dạng để đến phòng điều khiển vận hănh, sử dụng hệ SCADA có thể lăm cho câc quyết định giâm sât trở nín hợp lý, tức lă câc kết quả có thể thu được trín câc RTU điều khiển thông thường.
II.2 Cấu trúc
II.2.1 Cấu trúc phđn cấp của hệ SCADA
Ngăy nay, kỹ thuật tự động hoâ đê đạt được nhiều tiến bộ cùng với sự phât triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bân dẫn IC, LSI, VLSI... của kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lý cũng như của câc kỹ thuật tính toân vă công nghiệp mây tính, công nghệ mạng vă kỹ thuật quản lý, xử lý thông tin. Mô hình SCADA (hiểu theo nghĩa rộng) được phđn thănh câc cấp như sau:
II.2.1.1. Cấp quản lý hiện trường
Thiết bị giâm sât
Cấp quản lý hiện trường Cấp quản lý quâ trình
Mạng điều khiển Trạm vận hănh
Cơ cấu chấp hănh
Van PLC Động cơ Cấp quản lý xí nghiệp Mạng xí nghiệp Hình 3.3: Mô hình phđn cấp mạng xínghiệp Trạm vận hănh Mạng điều khiển
Trong cấp năy, câc bộ điều khiển nối tiếp với câc loại thiết bị tại hiện trường như câc thiết bị đo lường, câc cơ cấu chấp hănh, câc thiết bị cảnh bâo...Để thực hiện câc chức năng đo lường vă điều khiển. Đồng thời cấp năy cũng được nối cấp quản lý quâ trình để nhận thông tin quản lý vă đồng thời chuyển lín cho cấp quản lý quâ trình câc số liệu về đặc tính của câc thiết bị cũng như số liệu về câc tham số tại hiện trường trong thời gian thực. Hiện nay nhờ xuất hiện câc thiết bị hiện trường mă thông tin về trạng thâi, thông số, cấu hình... của thiết bị có được dễ dăng. Toăn bộ câc thiết bị hiện trường cũng như câc bộ điều khiển kết nối với nhau thănh một mạng câc thiết bị trường. Tất cả câc thông tin từ mạng năy được cung cấp cho người sử dụng cũng như câc chương trình ứng dụng một câch nhất quân.
II.2.1.2 Cấp quản lý quâ trình
Cấp năy bao gồm câc trạm quản lý như trạm thao tâc, trạm giâm sât. Cấp năy có nhiệm vụ tự động thu thập, tổng hợp thông tin về hiện trường từ câc trạm ở cấp quản lý hiện trường, hiển thị tập trung vă thay đổi câc tham số điều khiển.
II.2.1.3 Cấp quản lý kinh doanh
Cấp năy có trong câc hệ SCADA mở rộng vă thực hiện câc nhiệm vụ như: Tích hợp câc thông tin thu thập được từ cấp dưới văo hệ thống quản lý kinh doanh của doanh nghiệp, phđn tích vă thống kí đặt hăng lập kế hoạch sản xuất. Doanh nghiệp có thể tích hợp hệ SCADA với câc cơ sở dữ liệu vă bảng tính sẵn có tạo ra một hệ thống đâp ứng được câc yíu cầu cụ thể.
II.2.2 Cấu trúc phần cứng
Một dấu hiệu đặc trưng của hai tầng cơ sở trong hệ SCADA lă tầng Client lăm giao diện giữa người vă mây vă tầng Data Server bao gồm hầu hết câc kính điều khiển của quâ trình hoạt động điều khiển dữ liệu. Điều khiển câc quâ trình như của PLC, được kết nối đến câc Data Server một câch trực tiếp qua câc Network hay Fieldbus do câc hêng chế tạo độc quyền (ví dụ như Siemens) hay không độc quyền (như Profibus). Câc Data Server được kết nối đến câc trạm Client qua mạng cục bộ Ethernet LAN.
II.2.3 Cấu trúc phần mềm
Bao gồm câc sản phẩm thực hiện nhiều thao tâc trín cơ sở dữ liệu thời gian thực RTDB (Real Time DataBase) được định vị trong một hay nhiều Server. Câc Server chịu trâch nhiệm thu thập dữ liệu vă điều khiển câc phần như kiểm soât việc điều khiển, kiểm tra bâo động, câc quâ trình tính toân, xuất vă lưu trữ dữ liệu trín một tập hợp câc thông số điển hình mă chúng liín kết. Tuy nhiín có thể thực hiện thiết kế câc Server thực hiện câc nhiệm vụ đặc biệt như ghi nhật ký, tải dữ liệu lín, điều khiển bâo động.
II.3. Chức năng
II.3.1. Giâm sât
Chức năng năy cho phĩp người điều hănh giâm sât liín tục câc hoạt động trong hệ thống để điều khiển quâ trình. Hiển thị bâo câo tổng kết về quâ trình sản xuất, chỉ thị giâ trị đo lường... dưới dạng câc trang măn hình, trang đồ thị, trang
sự kiện, trang bâo câo sản xuất...Từ đó có thể điều khiển từ xa câc đối tượng từ câc trạm vận hănh trong hệ thống.
II.3.2. Điều khiển
Chức năng năy cho phĩp người điều hănh điều khiển câc thiết bị vă giâm sât mệnh lệnh điều khiển.
II.3.3. Thu thập dữ liệu
Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quâ trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ số liệu như số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tâc, sự cố... dưới dạng trang ghi chĩp hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định. Tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng vă theo thời gian mă SCADA được hiểu theo những ý nghĩa khâc nhau. Theo yíu cầu cụ thể của quâ trình tự động hoâ, một hệ SCADA thường phải có đầy đủ câc thănh phần sau:
Trạm điều khiển trung tđm: Có nhiệm vụ thu thập, lưu giữ, xử lý số liệu vă đưa ra câc lệnh điều khiển xuống câc trạm cơ sở.
Mạng lưới truyền tin: Được xđy dựng trín cơ sở mạng mây tính vă mạng truyền thông công nghiệp có chức năng đảm bảo thông tin hai chiều giữa trạm trung tđm vă câc trạm cơ sở.
Giao diện người - mây (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tâc...)
Cơ sở dữ liệu quâ trình: Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp hay câc thiết bị phục vụ cho việc truyền thông.
Phần mềm kết nối với câc nguồn dữ liệu (những bộ phận điều khiển cho câc PLC, câc module văo/ra cho câc hệ thống bus trường).
Câc chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức vă xử lý sự cố, hỗ trợ cho việc lập bâo câo.
II.3.4 Điều khiển truy cập
Được dùng để cấp cho câc nhóm đọc/ghi có quyền truy cập đến câc tham số của quâ trình trong hệ thống vă đến câc thiết bị với những chức năng riíng biệt.
II.3.5 Giao tiếp người - mây (HMI)
Câc sản phẩm hỗ trợ cho nhiều măn hình bao gồm sự kết hợp giữa câc biểu đồ khâi quât với văn bản. Đồng thời cũng hỗ trợ cho khâi niệm của câc đối tượng đồ họa, kết nối đến câc biến quâ trình. Câc đối tượng năy có thể lă một ô nhỏ với chức năng có trong thư viện bao gồm cả biểu đồ tổng quât.
Hầu hết câc nhă sản xuất hệ SCADA đều đê đânh giâ phđn tích câc quâ trình trong câc tham số nhỏ như dòng cung cấp năng lượng với giâ trị lớn nhất, câc trạng thâi on/off.v.v.. đến một Tag-name đê được kết nối. Câc Tag-name được dùng để liín kết câc đối tượng đồ họa đến câc thiết bị có thể được sắp xếp theo yíu cầu. Câc sản phẩm bao gồm cả một thư viện với câc biểu tượng đồ họa chuẩn. Tuy nhiín không được ứng dụng nhiều trong việc thí nghiệm vật lý.
II.3.6 Trending
Câc sản phẩm được cung ứng một câch dễ dăng vă có thể tóm tắt một câch thông thường như sau:
Câc tham số được gửi văo trong một biểu đồ tóm tắt có thể được định trước hoặc định nghĩa trực tiếp.
Một biểu đồ có thể chứa nhiều hơn 8 tham số hay một số lượng lớn câc biểu đồ có thể được hiển thị.
Thời gian thực vă historical trending có thể tồn tại, mặc dù không giống như câc biểu đồ.
Historical trending có thể tồn tại lưu trữ cho nhiều thông số.
Câc chức năng zooming vă scrolling được cung cấp.
Giâ trị câc thông số tại mỗi vị trí con chạy có thể được hiển thị.
Tính năng bộ định hướng được cung cấp như một module riíng biệt hay như một đối tượng đồ họa (ActiveX) mă sau đó có thể tóm tắt hiển thị một câch tổng quât.
II.3.6 Điều khiển bâo động
Điều khiển bâo động trín câc giới hạn cơ sở, kiểm tra câc trạng thâi vă được thực thi trín câc Data Server. Nhiều phức tạp, rắc rối có thể được diễn đạt (dùng số học vă lôgic) bằng câc thông số khởi đầu trín câc trạng thâi hay thực thi kiểm tra giới hạn. Câc bâo động được mô tả một câch lôgic, thông tin chỉ tồn tại trín một vị trí vă người sử dụng có thể thấy rõ câc trạng thâi, câc vùng bâo động ưu tiín đều được hỗ trợ.
II.4 Câc thănh phần trong hệ thống
Có 3 thănh phần chính trong hệ SCADA:
• Câc đơn vị điều khiển đầu cuối RTU.
• Phòng điều khiển trung tđm CCR với câc mây tính chủ.
• Câc thiết bị giao tiếp.
II.4.1. Câc đơn vị điều khiển đầu cuối RTU
RTU kết nối câc thiết bị vật lý vă đọc câc trạng thâi dữ liệu như đóng mở câc khóa vă van, đọc câc kết quả đo âp suất, lưu lượng, điện âp hay dòng điện. Bằng câch gửi tín hiệu đến câc thiết bị RTU có thể điều khiển chúng, như mở đóng một khóa, một van, đặt tốc độ bơm. RTU có thể đọc dữ liệu số hay đo câc dữ liệu tương tự vă gửi ra câc tín hiệu số vă tương tự.
Một thănh phần quan trọng trong hầu hết hệ thống SCADA lă sự hoạt động của hệ thống bâo động. Một bâo động lă một điểm trạng thâi được số hóa câc giâ trị NORMAL hoặc ALARM. Câc bâo động có thể tạo thănh một quêng dăi khi chúng có câc yíu cầu cần đâp ứng khi bị kích hoạt. Ví dụ như một bâo động về lượng nhiín liệu trong bình chứa cho chiếu sâng của xe. Điểm chú ý trong vận hănh hệ SCADA lă câc thănh phần trong hệ thống cần được quan tđm bởi hệ
thống bâo động. Thư điện tử vă câc tin nhắn cần được thường xuyín gửi đến cùng với việc quản lý sự kích hoạt câc bâo động trong vận hănh hệ SCADA.
II.4.2. Phòng điều khiển trung tđm CCR
Giao diện HMI/SCADA thường sử dụng câc thông tin hiện có trong câc lớp một câch khĩo lĩo. Điều năy có nghĩa lă việc vận hănh có thể được miíu tả bằng câch điều khiển nhă mây. Ví dụ, một câi bơm được kết nối với câc đường ống mă ta có thể thấy bơm chạy như thế năo vă lượng chất lỏng chảy trong nó ra sao. Khi lăm việc một thời gian thì câc khóa van tự động đóng cắt. Giao diện HMI/SCADA sẽ hiển thị lưu lượng dòng chảy của chất lưu trong ống giảm dần theo thời gian thực. Giao diện HMI thực hiện đóng gói cho một hệ SCADA điển hình bao gồm chương trình thiết kế đồ họa vận hănh, người sử dụng hệ thống có thể thay đổi được đường đi đến câc điểm vận hănh bằng câch thực thi trín giao diện.Việc miíu tả năy có thể được trình băy một câch đơn giản nhờ câc đỉn mău trín măn hình lă câc trạng thâi lăm việc của câc thiết bị trín thực tế, ngoăi ra còn miíu tả câc bộ phận phức tạp khâc nữa như hệ thống gầu nđng, thang mây trín những tòa nhă cao chọc trời hay lă hệ thống đường ray băng chuyền tải trong nhă mây.Giao diện thường được sử dụng lă 2D, giao thức X11, mặc dầu một văi thiết bị tự động sử dụng giao diện 3D vă chạy trín nền Win32 GDI/DrectDraw. Câc mây tính chủ trong hệ SCADA chạy trín một hệ thống vận hănh khâc như câc biến thể của UNIX hay HP Open VMS, mặc dầu có nhiều hêng sử dụng chọn lựa câc sản phẩm của Microsoft Windows. Ban đầu có nhiều cơ sở mở rộng như Linux đê không được sử dụng rộng rêi trong môi trường động lực học bởi vì một hệ SCADA bất kỳ đều có thể tạo ra câc thiết bị vă phần cứng thường được điều khiển trín UNIX hay Open VMS. Tuy nhiín trong những năm gần đđy tất cả câc hêng SCADA đều sử dụng hình thâi ngôn ngữ Windows vă một văi hêng sử dụng Linux.
II.4.3. Xử lý, vận hănh hệ thống
Thay vì phải dựa văo sự can thiệp tự động của câc trạm chủ văo vận hănh,
câc RTU có thể lập tức tự vận hănh trín chúng vă thực hiện câc công việc một câch an toăn vă tin cậy. Phần mềm trạm chủ được yíu cầu để phđn tích câc dữ liệu trước khi đưa văo vận hănh bao gồm việc phđn tích câc thủ tục có liín quan. Phần mềm ứng dụng trong hệ thống phải đảm bảo an toăn, tin cậy theo một số tiíu chuẩn nghiím ngặt trín thị trường. Chi phí cho sự lắp đặt hệ thống lă rất cao. Phần cứng cho câc hệ thống SCADA nói chung có khả năng chịu được nhiệt độ vă điện âp cao nhưng để nđng cao độ tin cậy cần phải tăng độ tin cậy của câc phần cứng dự phòng vă câc kính giao tiếp. Một phần lỗi có thể được nhận ra một câch nhanh chóng còn câc chức năng tự động của nó thì bị nắm giữ bởi câc phần cứng. Phần lỗi năy thường bị thay thế khi không có ngắt quâ trình. Độ tin cậy cho hệ thống vă câc trạng thâi thời gian không phù hợp có nghĩa lă thời gian giữa câc lần lỗi có thể được thống kí trước nếu giả dụ thời gian hệ thống hoạt động đâng tin cậy nhất lă trong khoảng 100 năm. Câc giải phâp cho hệ SCADA thường cũng có trong câc thănh phần của hệ DCS. Việc sử dụng sự linh hoạt của câc RTU hay PLC có khả năng tự xử lý một câch đơn giản câc quâ trình logic cùng với mây tính chủ ngăy căng gia tăng.
Ngôn ngữ lập trình theo câc khối chức năng,chuẩn giao tiếp IEC 61131-3 thường xuyín được sử dụng để tạo nín câc chương trình chạy trín câc RTU vă PLC. Không giống như một ngôn ngữ mang tính thủ tục như lập trình C, IEC 61131-3 có yíu cầu ít về thủ tục. Điều năy cho phĩp hệ thống SCADA thực hiện câc thiết kế bổ sung cho câc chương trình chạy trín RTU hay PLC.
II.5. Giao tiếp (Interface)
II.5.1. Giao diện người – mây HMI
Giao diện công nghiệp HMI/SCADA về bản chất lă tạo môi trường giao tiếp dễ dăng cho người sử dụng với câc PLC. Khi một PLC vận hănh tự động theo một quâ trình đê lập trình sẵn, chúng có thể phđn phối thông tin trong nhă mây, sẽ khó khăn hơn nếu dữ liệu được thu lượm một câch thủ công. Thím văo