Hệ thống giám sát-điều khiển là gì?

1.Giới thiệu

Các hệ thống giám sát cho phép các thông tin dữ liệu của các quá trình sản xuất hoặc các lắp đặt vật lý được theo dõi và giám sát. Ví dụ, các thông tin được thu thập thông qua các thiết bị thu thập dữ liệu, chúng sẽ xử lý các thông tin, phân tích, và lưu trữ, và sẽ gửi các thông tin này tới người dùng. Các hệ thống này gọi là hệ thống SCADA (Supervisory Controland Data Acquisition).

Các hệ thống SCADA đầu tiên, hệ thống đo xa cơ bản, cho phép thông tin theo chu kỳ các trạng thái hiện thời của quá trình công nghiệp bằng giám sát các tín hiệu đo lường và trạng thái của thiết bị thông qua các bảng lắp bóng đèn chiếu sàng và các bộ chỉ thị, không có các giao diện ứng dụng cho người sử dụng.

Ngày nay, các hệ thống tự động hóa công nghiệp sử dụng máy tính và các công nghệ truyền thông để tự động hóa các quá trình giám sát và điều khiển trong công nghiệp, thu thập dữ liệu trong các môi trường phức tạp (kết hợp với các vị trí địa lý khác nhau) và biểu diễn chúng một cách thân thiện cho người vận hành, với các tài nguyên đồ họa phức tạp (giao diện người-máy) và các nội dung đa phương tiện.

Để thực hiện được các tính năng, các hệ thống SCADA nhận diện các tag thông tin, đó là các biến số hoặc chữ cái liên quan tới các ứng dụng có thể thực hiện bằng các hàm máy tính (toán học, logic, vector, hoặc các chuỗi ký tự) hoặc biểu diễn các điểm vào/ra của quá trình điều khiển. Trong trường hợp này, tương ứng với các biến của quá trình thực tế (ví dụ, nhiệt độ, mức, lưu lượng,…) thể hiện với một kết nối giữa bộ điều khiển và hệ thống. Các thông tin dựa vào các giá trị của các tag đã được thu thập và biểu diễn cho người dùng.

Các hệ thống SCADA cũng có thể kiểm tra các điều kiện cảnh báo, xác định khi nào giá trị tag vượt qua dải hoặc điều kiện đã định trước; chúng ta có thể lập trình ghi nhận lại các giá trị vào cơ sở dữ liệu, kích hoạt các âm thanh, tin nhắn, thay đổi màu sắc, gửi tin nhắn, email….

2.Các thành phần phần cứng (vật lý) của hệ thống giám sát.

Một hệ thống giám sát bao gồm các thành phần phần cứng như sau: các cảm biến và thiết bị chấp hành, mạng truyền thông, và các trạm giám sát trung tâm và từ xa-cấp trường (SCADA computing system-hệ thống máy tính SCADA).

Các thiết bị và các cảm biến được kết nối với các thiết bị được điều khiển và giám sát bởi các hệ thống SCADA để chuyển đổi các thông số vật ý, như tốc độ, mức nhiệt độ và mức nước thành các tín hiệu số và tương tự, có thể đọc được từ các trạm xa trung tâm. Các thiết bị chấp hành là các thiết bị thực thi nhiệm vụ trong hệ thống, thực hiện đóng/cắt các thiết bị.

Quá trình thu thập và điều khiển dữ liệu bắt nguồn từ các trạm ở xa, PLC (Programmable Logic Controllers) và RTU (Remote Terminal Unit), với việc đọc các giá trị hiện tại của các thiết bị đang được kết nối tới bộ thu thập PLC/RTU và được điều khiển tương ứng. PLC và RTU là các thiết bị tính toán riêng, và được sử dụng với các kiểu bố trí để độc các đầu vào, thực hiện tính toán và điều khiển, và đưa tín hiệu ra đầu ra. Sự khác nhau giữa PLC và RTU là ở phần ngôn ngữ lập trình và điều khiển đầu vào/ra mềm dẻo hơn, trong khi cấu trúc phân tán giữa các CPU (Central Process Unit-Thiết bị xử lý trung tâm) và các card vào/ra, độ chính xác hơn và trình tự các sự kiện.

Mạng truyền thông là nên tảng để các thông tin chạy từ các PLC/RTU về hệ thống SCADA; việc xem xét các yêu cầu của hệ thống và khoảng cách hệ thống bao phủ, có thể thực hiện bằng cáp Ethernet, cáp quang, các đường truyền thuê bao hoặc quay số cho dữ liệu, các sóng radio, .v.v.

Các trạm giám sát trung tâm là các thiết bị chính của các hệ thống SCADA, sẽ chịu trách nhiệm tổng hợp thông tin được tạo ra bởi các trạm và hoạt động phù hợp với các sự kiện được thực hiện; chúng có thể được tập trung thành một máy tính duy nhất hoặc phân phối tới mạng máy tính, để cho phép thu thập thông tin được chia sẻ trong mạng.

Hình 1- Hệ thống điều khiển giám sát

3.Các thành phần logic của hệ thống SCADA.

Trong nội bộ, các hệ thống SCADA thường phân chia các nhiệm vụ thành các khối hoặc các module, điều này cho phép hệ thống mềm dẻo và mạnh mẽ trong việc thực thi các các vụ, và nó cũng phù hợp với các giải pháp mong muốn.

Các nhiệm vụ mà hệ thống có thể thực thi được phân chia:

• Phần lõi xử lý của hệ thống.
• Truyền thông với các PLC/RTU
• Quản lý các cảnh báo.
• Cơ sở dữ liệu quá khứ và cấu hình hệ thống.
• Logic lập trình nội bộ (các mã lệnh) và các điều khiển
• Giao diện đồ họa
• Các báo cáo trong hệ thống
• Truyền thông với các trạm SCADA khác
• Truyền thông với các hệ thống bên ngoài/nội bộ
• Các nhiệm vụ khác

Vận hành bình thường của hệ thống SCADA bắt đầu các quá trình xử lý truyền thông với các thiết bị cấp trường, toàn bộ các dữ liệu được gửi tới lõi chính của phần mềm. Phần lõi này chịu trách nhiệm cho việc phân phối và phối hợp lưu lượng các dữ liệu với các module khác, cho đến khi chúng lấy được các định dạng mong muốn theo yêu cầu của người vận hành hệ thống, thể hiện trên giao diện đồ họa hay giao diện vận hành của quá trình, thông thường là các biểu đồ, hình ảnh động, các báo cáo,.v.v. diễn biến các trạng thái của các thiết bị và các quá trình điều khiển sẽ được hiển thị, cho phép tạo các báo cáo khi bất thường, các hành vi hoặc các phản ứng tự động.

Các công nghệ tính toán được sử dụng để phát triển các hệ thống SCADA, đã được áp dụng trong các năm vừa qua, do đó tạo sự tin cậy, linh hoạt và khả năng kết nối được cải tiến liên tục, ngoài ra còn có thêm các công cụ mới cho phép giảm thời gian thiết lập và triển khai hệ thống khi có nhu cầu lắp đặt.

4.Các chế độ truyền thông

Chức năng chính của bất kỳ hệ thống SCADA nào cũng là việc trao đổi dữ liệu/thông tin, có thể là các kiểu:

• Truyền thông với PLC/RTU
• Truyền thông với các trạm SCADA khác
• Truyền thông với các hệ thống khác.

Truyền thông với các thiết bị trường, được thực hiện thông qua việc chia sẻ giao thức với các phương pháp có thể là domain công cộng hoặc hạn chế, có thể thường xảy ra khi polling hoặc bị gián đoạn, và theo các chỉ định thông thường với cơ chế báo cáo loại trừ. (Report by Exception).

Truyền thông theo phương pháp polling (Master/Slave) diễn ra khi trạm trung tâm (Master) có quyền điều khiển toàn bộ qua truyền thông, truy vấn các trạm ở xa (Slave) theo trình tự; Các trạm ở xa chỉ trả lời trạm trung tâm sau khi nhận được yêu cầu từ trạm trung tâm; ví dụ, theo cơ chế half duplex. Điều này giúp thu thập dữ liệu đơn giản, không có sự xung đột về truyền dữ liệu trên mạng, và không cần trạm thông minh ở xa. Nói cách khác, có thể tạo ra khả năng truyền thông từ trạm trung tâm tới các trạm ở xa.

Truyền thông trên cơ sở ngắt phiên, hay nói cách khác, thực hiện khi PLC hoặc RTU giám sát các giá trị đầu vào của nó và, khi kiểm tra các thay đổi kỹ thuật hoặc các giá trị vượt qua các giới hạn đặt trước, khi đó PLC/RTU sẽ gửi thông tin/dữ liệu về trạm trung tâm. Điều này giúp tránh được việc truyền các dữ liệu không cần thiết (vì nó sẽ làm tăng sự chiếm dụng băng thông mạng); và điều này cũng cho phép kiểm tra nhanh các thông tin quan trọng, cũng như việc truyền dữ liệu gữa các trạm ở xa (Slave-to-Slave).

Truyền thông giữa các trạm SCADA có thể thực hiện với các giao thức được phát triển bởi các nhà sản xuất hệ thống SCADA, hoặc thậm chí bằng các giao thức đã được biết đến thông qua các mạng Ethernet TCP/IP, các dường thuê bao riêng hoặc quay số (modem).

Internet đã được sử dụng ngày càng phổ biến như một các thức truyền thông trong các hệ thống SCADA. Cùng với công nghệ web, và các tiêu chuẩn như Ethernet, TCP/IP, HTTP, và HTML, có thể thực hiện việc truy cập, chia sẻ dữ liệu trong các khu vực sản xuất cũng như các khu vực giám sát-điều khiển khác nhau trong các nhà máy. Thông qua các trình duyệt web (Internet Browser), chúng ta có thể điều khiển các máy móc được bố trí bất kỳ đâu trên thế giới theo thời gian thực. Trình duyệt sẽ trao đổi các webserver thông qua giao thức http, và sau khi có các yêu cầu liên quan tới các hoạt động dự kiến đã được gửi tới các máy chấp hành, các thiết bị sẽ phản hồi và thể hiện trên các trang HTML.

Một số ưu thế khi sử dụng Internet và trình duyệt web với vai trò là giao diện mô phỏng của hệ thống SCADA với cơ chế tương tác đơn giản, nhiều người có thể sử dụng, hệ thống yêu cầu bảo trì thấp, và chỉ phải can thiệp ở mức server (máy chủ).

Truyền thông với hệ thống khác, ví dụ trình tự phối hợp, hoặc các bộ thu thập dữ liệu hoặc các nhà cung cấp, có thể thực hiện với các module riêng, thông qua các cơ sở dữ liệu hoặc các công nghệ khác như XML và OPC.