Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện truyền tin (được gọi là "thiết bị kết nối"
và "thiết bị thông minh"), và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu. [5] [6] [7] Năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) đinh nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp," [7] và với mục đích ấy một
"vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông". Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người. Khi IoT được kết hợp với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo-thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như lưới điện thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh. Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu. Các chuyên gia dự báo rằng Internet Vạn Vật sẽ có chừng 30 tỉ thiết bị trước năm 2020. [8]
Về cơ bản, Internet Vạn Vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy-máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các
13
thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh), được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh. [9]
1.4.2 IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT
Kết nối các thiết bị công nghiệp và điều khiển thông qua Internet; là một vấn đề cực kỳ hấp dẫn đối với các ngành kỹ thuật. Các nhà máy tại Việt Nam chúng ta hiện nay, các thiết bị điều khiển hầu hết được kết nối với PLC, DCS hoặc SCADA điều khiển tự động hoặc bán tự động.
Nhưng khi ứng dụng của IoT được áp dụng vào trong nhà máy. Việc quản lý các hệ thống này được thông qua Internet. Người quản lý không cần đến nhà máy cũng biết được; các thông số của máy móc hoạt động ra sao. Và hơn hết chúng ta có thể điều khiển các thiết bị, được kết nối ở bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua Internet.
Như vậy thông qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy, chúng ta sẽ biết được máy móc vận hành ra sao, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu có trong bồn chứa, các nguyên vật liệu trong từng silo,…
Các yếu tố cần thiết để kết nối thiết bị công nghiệp với hệ thống Internet là:
Các cảm biến trong nhà máy phải kết nối được với truyền thông Modbus
Từ truyền thông Modbus phải thông qua bộ chuyển đổi trung gian từ Modbus lên Internet
Để truy cập vào hệ thống của nhà máy. Chúng ta cần thêm Webserver.
Ba yếu tố cơ bản để kết nối các thiết bị lên Internet. Nhưng để các thiết bị cảm biến này hoạt động đúng theo yêu cầu cụ thể của từng khu vực, thì chúng tôi phải lập trình hệ thống theo yêu cầu cụ thể cho từng cảm biến, từng khu vực của nhà máy.
Ngày nay với các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong ngành công nghiệp 4.0 để tránh các rủi ro về độ bảo mật của hệ thống. Để can thiệp vào hệ thống quản lý và điều hành thiết bị của nhà máy phải thông qua các bước bảo mật. Hệ thống truy cập vào phần điều khiển sẽ bị hạn chếđến mức tối đa. Chủ yếu là để theo dõi và quản lý hiệu quả nhất thiết bị.
14
Ứng dụng của IoT trong sản xuất thông minh có thể hình dung đơn giản, máy móc trở nên thông minh hơn nhờ được gắn những cảm biến, được kết nối internet và liên kết với nhau qua một hệ thống để có thể tự nắm bắt toàn bộ quy trình sản xuất rồi đưa ra quyết định . Sản phẩm cũng thông minh hơn nhờ các cảm biến, thông báo cho máy móc biết chúng cần được xử lý như thế nào. Các quy trình sẽ “có quyền tự trị” trong hệ thống module phân cấp. các thiết bị thông minh làm việc với nhau qua mạng không dây hoặc thông qua “đám mây”, các cảm biến, cơ cấu chấp hành và điều khiển cho phép máy móc liên kết với nhau, liên kết đến các hệ thống mạng khác và giao tiếp với co người, các mạng thông minh này sẽ là nền tảng của các “nhà máy thông minh”, “nhà máy số”.
Sản xuất thông minh từng là viễn cảnh nay đã trở thành hiện thực. Điều này được minh chứng khi Siemens ra mắt nhà máy điện tử Amberg Siemens được số hóa hoàn toàn tại Đức, vào năm 2013. Tại đây, quá trình sản xuất hoàn toàn tự động nhờ các dây chuyền sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển hoàn toàn tựđộng đảm bảo nguyên liệu được đưa từ nhà kho đến máy sản xuất trong vòng 15 phút. Nhà máy vận hành 3 ca mỗi ngày, với hơn 3 triệu sản phẩm xuất xưởng mỗi năm. [10]
Lợi ích của ứng dụng của IoT vào trong công nghiệp:
Tận dụng máy móc thiết bị tăng 3% – 5%
Tăng năng suất 10% – 15%
Giảm thời gian ngừng hoạt động 1% – 5%
Giảm giá thành 15% – 30%
Giảm giờ làm thêm của lao động kỹ thuật 20% -25 % 1.4.3 IoT so với SCADA
Dễ cài đặt, giảm chi phí, tăng độ chính xác dữ liệu và kiểm soát và giám sát từ xa trên toàn thế giới là tất cả những điều mà IoT cung cấp cho các ngành công nghiệp sản xuất. Tuy nhiên, vì IoT là một công nghệ tương đối mới liên quan đến SCADA và PLC, nên các khả năng của nó có thể thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại. Điều đó đang được nói, khi SCADA bắt đầu, nó cho phép các hệ thống của các nhà sản xuất hoạt động cùng nhau trong thời gian thực,
15
giống như IoT đang làm. Do đó, rất rõ ràng rằng sức mạnh của các hệ thống SCADA và khả năng công nghệ của nó vẫn có liên quan ngay cả trong công nghiệp 4.0. Tuy nhiên, nơi mà nó thiếu, đang xử lý phần còn lại của một doanh nghiệp để tạo ra một hệ sinh thái thực sự kết nối [11].
Hiện tại, IoT đang cách mạng hóa SCADA bằng cách cung cấp nhiều tiêu chuẩn hóa và cởi mở hơn. IoT cũng đang cung cấp khả năng mở rộng, khả năng tương tác và bảo mật nâng cao bằng cách giới thiệu khái niệm về nền tảng IoT. Về cơ bản, cả hai nền tảng đều được sử dụng để tăng năng suất tổng thể bằng cách tích hợp bảo trì thông minh. Cũng như giảm chất thải, tăng hiệu quả, giảm thời gian chết và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Thông tin được tạo từ các hệ thống SCADA hoạt động như một trong những nguồn dữ liệu cho IoT. Trọng tâm của SCADA là giám sát và kiểm soát. Trong khi đó, IoT tập trung hơn vào việc phân tích dữ liệu máy để cải thiện năng suất và tác động đến dòng sản phẩm hàng đầu của bạn. IoT vềcơ bản là một đỉnh cao của những tiến bộ trong khả năng kết nối của mạng phần cứng và dữ liệu mà SCADA cung cấp.
Cũng như điện toán đám mây và xử lý dữ liệu bit. Nói tóm lại, IoT bắt đầu khi SCADA và PLC kết thúc.
Vì vậy, trong khi thị trường IoT vẫn đang trong giai đoạn đầu sản xuất, nó có thể cùng tồn tại với SCADA. IoT đang mang đến một làn sóng các mô hình kinh doanh và công nghệ mới đang thay đổi cục diện của SCADA. Tuy nhiên, mô hình SCADA luôn là một mô hình linh hoạt cho sự thay đổi trong ngành.
Nếu bạn đã có sẵn hệ thống SCADA, bạn có thể tích hợp giải pháp IoT với hệ thống SCADA của mình và thu thập dữ liệu từ máy Hệ thống thu thập dữ liệu (DAS).
Bằng cách tận dụng sức mạnh và khả năng mở rộng của IoT, bạn có thể sử dụng dữ liệu được thu thập để tạo ra một loạt các báo cáo như báo cáo Hiệu quả Thiết bị Tổng thể, Báo cáo Dữ liệu Sản xuất cũng như báo cáo tiện ích (gas, nước, điện).
Trong tương lai, có khả năng các hệ thống SCADA sẽ phát triển thành các hệ thống IoT. Thiết bị và PLC sẽ trởnên thông minh hơn và có thể tích hợp các nền tảng
16
đám mây khác nhau. Điều này sẽ cho phép các nền tảng bảo mật mới sẽ bảo mật hơn nữa bất kỳ dữ liệu nào được ghi lại. Điều này có nghĩa là những cải tiến sẽ tiết kiệm tiền có thể được thực hiện.
SCADA là về việc cho phép con người tương tác từ xa với một quy trình. Trong khi đó IoT thường được sử dụng như một công cụ giao tiếp giữa máy với máy. Thay vì một cái gì đó tồn tại chủ yếu để trình bày thông tin cho một con người. Đó chỉ là một phần nhỏ trong quá trình của nó. IoT đảm bảo rằng thông tin được chia sẻ với cả người và máy, thay vì chỉ người. Nói tóm lại, nó đảm bảo rằng tất cả mọi người và mọi thứ đều được giữ vùng kết nối mọi lúc.
1.4.4 Tích hợp SCADA và IoT
Phải thừa nhận rằng, nền tảng SCADA đang thiếu những đổi mới đặc biệt, nếu không, nhu cầu về IoT sẽ tốt hơn nhiều. SCADA hiện đang bị ảnh hưởng bởi các khái niệm và giải pháp IoT đang nhanh chóng được tích hợp vào kiến trúc SCADA. Điều này được thực hiện một cách liền mạch đến nỗi chúng ta sẽ không bao giờ nhận thấy sự khác biệt.
Tuy nhiên, SCADA hiện vẫn giới hạn ở khu vực nhà máy. Dữ liệu được lấy từ các thiết bị của nhà máy chỉ được xem bên trong nhà máy. Trong khi đó IoT lấy dữ liệu đó, cung cấp thông tin chi tiết cho người dùng và cung cấp dữ liệu đó ở mọi nơi, mọi lúc. Điều này, đến lượt nó, cho phép các mô hình kinh doanh mới được tạo ra nhờ khả năng làm việc thời gian thực và có thể truy cập ở mọi nơi của nó.
17
Hình 0.5: Phối hợp IoT và SCADA
1.4.5 Tương lai của SCADA và IoT
Cả SCADA và IoT đều liên quan đến cảm biến và thu thập dữ liệu. Mặc dù chúng khác nhau về nhiều mặt, cả hai đều có chung một mục tiêu. Việc tối ưu hóa việc sử dụng và cuối cùng là kiểm soát tốt hơn một số thiết bị hoặc một quy trình.
Toàn bộ ý tưởng về lưới điện thông minh dẫn đến tích hợp SCADA và IoT. Vì SCADA không phải là một hệ thống điều khiển đầy đủ, thay vào đó là một hệ thống máy tính tập hợp và phân tích dữ liệu thời gian thực, rất hữu ích trong việc giám sát và kiểm soát nhà máy hoặc thiết bị công nghiệp. Nó sẽ thu thập thông tin về một rủi ro, chuyển nó trở lại một trang web trung tâm và cảnh báo trạm nhà. Sau đó, nó sẽ thực hiện bất kỳ phân tích và kiểm soát cần thiết nào và hiển thị thông tin theo cách hợp lý và có tổ chức để con người giải thích và sử dụng theo đó.
Internet of Things được tạo thành từ một mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối thông qua nhúng điện tử, thiết lập phần mềm, bộ cảm biến và kết nối mạng, tất cả hoạt động cùng nhau để các đối tượng kết nối và trao đổi dữ liệu. IoT cho phép các đối tượng được cảm nhận hoặc điều khiển từ xa trên các cơ sở hạ tầng mạng khác nhau. Do đó, nó tạo ra cơ hội tích hợp trực tiếp hơn thế giới vật lý vào các hệ thống
18
dựa trên máy tính. Điều này dẫn đến cải thiện hiệu quả, độ chính xác và lợi ích kinh tế và cũng cắt giảm sự can thiệp của con người.
Cả hai nền tảng đều cung cấp rất nhiều lợi thế, cũng như một số lỗ hổng. Dự đoán đến năm 2020, 50 tỷ thiết bị hoặc đồ vật sẽ được kết nối với internet. Do đó, sự năng động của một hệ thống kiểm soát dựa trên Internet đang trở thành hiện thực sống động. Công nghiệp 4.0 là một kỷ nguyên trong đó xu hướng trao đổi dữ liệu trong các công nghệ sản xuất đang cho phép chuyển từ hệ thống SCADA truyền thống sang hệ IoT. Với SCADA, các hệ thống vật lý không gian mạng, Internet vạn vật, điện toán đám mây và điện toán nhận thức, Công nghiệp 4.0 là thời đại sẽ thay đổi động lực của toàn bộ ngành công nghiệp tự động hóa.
Mặc dù mỗi phân khúc thị trường có thể khác nhau, có những nhu cầu khác nhau, nhưng về tổng thể, SCADA và IoT là ý tưởng để tập trung hóa dữ liệu và trực quan hóa để có thể giám sát và điều khiển từ xa. Điều này sẽ cung cấp các cải tiến hoạt động thông qua khảnăng hiển thị và tiêu chuẩn hóa toàn doanh nghiệp, đây là cách phổ biến để xem dữ liệu vận hành về tính nhất quán của chất lượng, quy trình sản xuất và Key Performance Indicator (KPI) – chỉ số đánh giá thực hiện công việc.
Như vậy những hiệu quả của việc đầu tư hệ thống SCADA-IoT có thể thấy rõ ràng:
Cải thiện hiệu quả kỹ thuật – giảm chi phí kỹ thuật và độ phức tạp cần thiết để xây dựng và duy trì hệ thống vì có một số module chức năng đã tự động làm thay con người những việc phức tạp 24/7.
Quản lý vòng đời tài sản nâng cao – giảm chi phí nâng cấp và bảo trì vì hệ thống đã có sự cảnh báo và ghi nhận dữ liệu thời gian thực.
Trao quyền cho các hoạt động – tăng hiệu quả hoạt động từ thông tin mạnh mẽ hơn và đơn giản hóa khả năng sử dụng
Luôn có thông tin chính xác về những gì đang diễn ra – giúp bạn phản ứng nhanh với những thay đổi hay sự cố trong sản xuất và kinh doanh.
Tăng khảnăng hiển thị trên toàn mạng lưới sản xuất
19
Cải thiện sự tuân thủ quy định trong sản xuất – an toàn trong nhà máy và chất lượng sản phẩm do hệ thống đã tự động cảnh báo khi có vấn đề xảy ra
Chuẩn hóa các hoạt động của doanh nghiệp theo đúng những gì đã cam kết – hệ thống thu thập và giám sát tự động SCADA IoT sẽ đảm bảo mọi luồng công việc hoạt động đúng và theo sát các KPI cần thiết theo thời gian thực. [11]