1. GIỚI THIỆU

Với sự linh hoạt của hệ thống, hệ thống SCADA (giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu) có thể được sử dụng trong các quá trình hoạt động khác nhau, bao gồm các ứng dụngsử dụng như công cụ để phân tích hoạt động, tùy thuộc vào điều kiện quá trình, nhưng chủ yếu để thu thập dữ liệu và giám sát. Thông thường, các hệ thống SCADA được sử dụng hiệu quả khi hệ thống có số lượng lớn các biến số (thông tin) được thu thập trong cáckhoảng thời gian tương đối nhỏ (thông thường cỡ giây).

Đối với một số ứng dụng, chẳng hạn như các hệ thống rung, bạn phải có thiết bị và phần mềm riêng biệt để đạt hiệu quả hoạt động cao hơn, với số lượng biến ít và tốc độ xử lýnhỏ (mili giây). Tuy nhiên, các thời gian nhỏ không cản trở phần mềm SCADA kết nối tới bất kỳ loại hệ thống (bao gồm các hệ thống giám sát nhanh), miễn là nó tập trung vào các thông tin ở cấp độ hoạt động và quản lý. Ví dụ, việc thu thập những bản ghi sự cố từ các rơle bảo vệ, thông tin thu thập dưới dạng các tập tin COMTRADE. Các tập tin này có chứa một bản chụp sự cố theo chu kì thời gian khi hệ thống đang được giám sát. Mặc dù phần mềm biểu diễn dữ liệu với độ phân giải mili giây, hệ thống SCADA vẫn có thể để chụp các tập tin sau khi xảy ra sự cố, và dùng để phân tích trong một giao diện điều khiển riêng của hệ thống.

2. CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG THƯỜNG GẶP HIỆN NAY

Trong các hệ thống SCADA hiện nay, với các khái niệm về các máy chủ và các giao diện điều khiển vận hành, việc phân tán hệ thống theo chuỗi chu trình sẽ có các kiến trúc rất linh hoạt, có khả năng phân bổ việc sự giám sát công việc và giám sát chính trên cùng một máy tính, hoặc phân chia các hoạt động chính vào một máy tính, và các lựa chọn dự phòng nằm riêng trong một máy tính khác. Ví dụ cấu trúc hệ thống này như trong hình 1.

Hình 1-Cấu trúc hệ thống SCADA với gói phần mềm E3 của Elipse Software

Việc thu thập dữ liệu có thể thực hiện bằng bất kỳ máy chủ OPC, hoặc thông qua bộ điều khiển I/O riêng, cho phép tối ưu hóa trong truyền thông và cấu hình linh hoạt, ngay cả khi hệ thống đang vận hành (trực tuyến). Các máy chủ có thể được chỉ định để  thực hiện các quá trình này, báo cáo thay đổi về dữ liệu với máy khác thông qua OPC hoặc các giao thức khác trên nền TCP/IP. Các giao thức này làm việc ở chế độ loại trừ, báo cáo dữ liệu theo tiêu chuẩn VQT (giá trị, chất lượng, và thời gian sự kiện xảy ra).

3. LÝ DO SỬ DỤNG TÍNH NĂNG DỰ PHÒNG

Khi các hệ thống SCADA sử dụng các khái niệm về thin clients (máy tính người  dùng có cấu hình tối thiểun, và cấu hình ngược lại là các kiến trúc rich client truyền thống (mỗi trạm SCADA phải có một bản sao không đồng bộ của toàn bộ cơ sở dữ liệu), một số nhà kỹ thuật bắt đầu chỉ trích quan điểm mới của việc tập trung các hoạt động chính của hệ thống trên một máy chủ duy nhất, vì như vậy tạo ra một điểm yếu trong hệ thống.

Hình 2- Cấu trúc hệ thống kiểu thin Client và rich Client truyền thống

Giải pháp cho vấn đề này là tạo ra một cơ chế dự phòng riêng cho các máy chủ, nênđó là chuyển đổi dự phòng (chuyển mạch máy chủ), các trạm client (thin clients) tự động chuyển hướng truy cập đến máy chủ mới đang hoạt động (máy chủ dự phòng). Như kiến trúc hệ thống trong hình 1, ta có thể thấy một ví dụ về dự phòng các máy chủ giúp củng cố và phân phối dữ liệu trong hệ thống.

Dự phòng đối với các thiết bị thu thập cũng được yêu cầu và sử dụng. Vì vậy, các bộ điều khiển I/O có thể chuyển sang các thiết bị dự phòng khi có sự cố được phát hiện, không chỉ là do sự cố trong việc trao đổi dữ liệu.

Hình 3- Phân tán các hoạt động theo các cặp dự phòng

Đi sâu vào các chi tiết của các giải pháp, với việc sử dụng các kỹ thuật đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu và tập tin, có thể phân tán các phần nhiệm vụ từ một hệ thống phức tạp cho các máy chủ khác nhau, với các lựa chọn về dự phòng theo cặp. Bằng cách này, chúng ta có thể đảm bảo những lợi ích của kiến trúc cũ, chẳng hạn như tính đồng bộ màn hình tự động trong tất cả giao diện điều khiển vận hành, cũng như các hoạt động bảo trì khác.

4. CẤU TRÚC DỰ PHÒNG BA LẦN

Đối với hệ thống có vấn đề chính là không chính xác về kích thước của ứng dụng, nhưng cần thiết cho vận hành 24×7 với MTBF (Thời gian giữa 2 lần lỗi) trong nhiều năm, ví dụ, với yêu cầu tính ổn định ở mức cao hơn, một số người dùng có thể lựa chọn một kiến trúc dự phòng ba lần cho các máy chủ.

Tuy nhiên, lý do thực tế chỉ sử dụng kiến trúc dự phòng 3 lần này trong các điều kiện máy chủ SCADA có thể xảy ra lỗi đối với một máy chủ bất cứ khi nào trong thực tế (và trong khi máy chủ sẽ được sửa chữa), các hoạt động sẽ được tập trung vào một máy chủ, và một máy thứ ba sẽ hoặt động các chức năng chế độ chờ.

Nói cách khác, sự cố dừng hệ thống rất khó xảy ra, vì khi đó có những giải pháp về mặt thương mại cho phép thực hiện theo cấu hình vì chi phí không quá cao. Câu hỏi đặt ra là nếu, với một số lý do, MTTR (Thời gian giữa 2 lần sửa chữa) là cao, thì việc có thêm một máy chủ ở chế độ chờ là cần thiết.

Một trong những cấu trúc hệ thống khả thi trong trường hợp này là một máy chủ chính-Hot Server, một máy chủ dự phòng được hoạt động hay kích hoạt (có hoặc không có bộ điều khiển I/O hoạt động thường trực)-Standby Server, và một máy chủ thứ ba không hoạt động hay chưa kích hoạt-Cold Server. Như vậy, trong trường hợp máy chủ chính không hoạt động (không sẵn sàng)-Hot Server, máy chủ dự phòng (Standby Server) đóng vai trò máy chủ chính và máy chủ không hoạt động (Cold Server) sẽ trở thành máy chủ dự phòng chủ động (Standby Server), trong trường hợp xảy ra sự cố tại máy chủ đầu tiên thì quá trình này sẽ được áp dụng.

Hình 4- Ví dụ về thiết lập một hệ thống dự phòng với 3 máy chủ

Tuy nhiên, chúng ta nên chú ý thông số MTBF của các máy chủ dự phòng đã đủ cao đáp ứng cho hầu hết các ứng dụng của hệ thống, khi thông số này được tính bằng giá trị bình phương MTBF của mỗi máy chủ:

Cặp dự phòng MTBF = (MTBF riêng lẻ)^2

5. THU THẬP CÁC DỮ LIỆU QUAN TRỌNG

Thiết lập mức ưu tiên thu thập có thể phụ thuộc rất nhiều vào mạng và giao thức được sử dụng. Đối với các giao thức hỗ trợ một hệ thống ngoại lệ đó là, các giao thức chỉ truyềncác thay đổi dữ liệu, mức ưu tiên đã được xác định theo thứ tự của các thay đổi xảy ra. Mặt khác, đối với các giao thức làm việc với một hệ thống polling, chúng ta có thể xác định tốc độ cập nhật riêng lẻ hoặc hoặc theo nhóm thấp hơn cho các biến quan trọng, và các biến khác có tốc độ cao hơn.

Cuối cùng, sự cần thiết để có các hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý tự động hóa dễ dàng hơn, chúng ta thấy có sự phát các mạng mới và các giao thức để cho phép tương tácrộng hơn, tin cậy hơn với các thiết bị trong nhà máy.

Ví dụ, giao thức truyền thống dựa trên cơ chế polling như Modbus, kỹ sư hoặc kỹ thuật viên chịu trách nhiệm cho việc thiết lập hệ thống phải biết tất cả các bảng địa chỉ bộ nhớ Modbus của các thiết bị hiện trường. Mỗi địa chỉ phải được xác định cùng với kiểu biến (số nguyên, thực, văn bản,.v.v.), và xác định tốc độ quét polling hoặc riêng lẻ trong hệ thống SCADA. Điều này xảy ra bởi vì các chức năng được cung cấp bởi Modbus là rất hạn chế, mặc dù giao thức này được sử dụng phổ biến và dễ thực hiện.

Nhưng đối với các giao thức và các mạng mới, chẳng hạn như IEC 61850, Fieldbus HSE, và SNMP (được sử dụng cho giám sát các mạng Ethernet), hoặc một số giao thức ít biết đến, các dịch vụ mới có sẵn trong số những lợi ích khác, các thông tin quan trọng sẽ được ưu tiên về lưu lượng khi truyền thông, kể việc các thông tin không được yêu cầu,(trường hợp) khi thiết bị tự động gửi các dữ liệu quan trọng mà không có yêu cầu từ máy chủ.

Ngoài ra, một phương pháp nhận dạng tự động các cơ sở dữ liệu của thiết bị, hoặc thiết bị duyệt web, cho phép tiết kiệm rất nhiều thời gian phát triển ứng dụng, và cũng có thểtránh các lỗi khi đánh máy và cài đặt ứng dụng.

Tuy nhiên, điều này không hạn chế đối với việc tối ưu khi thực hiện với các giao thứcpolling truyền thống. Một tối ưu hóa có thể nhóm các biến ở các vị trí gần nhau theo yêu cầuđể tạo khối giao tiếp ảo, nhằm giảm số lượng yêu cầu cho các thiết bị. Điều này làm giảm lưu lượng mạng và cho phép cập nhật nhiều biến mỗi đơn vị thời gian.

6. CẬP NHẬT DỮ LIỆU TRONG GIAO DIỆN VẬN HÀNH

Đối với giao diện đồ họa người dùng cho người vận hành, các thông tin có thể được xem trên bất kỳ máy tính hoặc trên một số hệ thống, các thiết bị di động không dây như PDAcó thể hiện các giao diện đồ họa (màn hình) cũng như các biến quá trình từ các máy chủ chính.

Cần lưu ý quan trọng khi gửi thông tin đã được thu bởi các bộ điều khiển I/O, các dữ liệu sau khi được xử lý bởi các máy chủ ứng dụng, thông qua giao diện đồ họa của người vận hành, phải tối ưu nhất có thể trong xử lý, để giảm sự chậm trễ giữa việc các dữ liệu đi tới máy chủ truyền thông và cập nhật chúng trên các giao diện điều khiển phải gần như cùng lúc.

Giải pháp cho kiểu truyền thông này được dựa trên khái niệm về Gửi-Thu Thập (Publish-Subscribe). Trong kỹ thuật này, máy chủ có một chức năng và một kênh truyền thông riêng cho tất cả các trạm điều khiển. Tại giao diện điều khiển, bằng cách mở một hoặc nhiều màn hình giám sát, sẽ tạo chữ ký cho các biến được cập nhật trên máy chủ.

Các máy chủ lưu trữ một danh sách các chữ ký nội bộ cho mọi giao diện điều khiển để đăng nhập. Khi một biến được thay đổi trong máy chủ, các quá trình nội bộ sẽ tự động kiểm tra nếu có giao diện điều khiển đã đã ký thay đổi tại thời điểm đó. Nếu xác thực, thông báo này được đưa vào một chuỗi thông báo sẽ được gửi đến tất cả các giao diện điều khiển trong hệ thống.

Tùy thuộc vào việc thiết lập hệ thống, có thể xác định liệu chuỗi chờ thông báo sẽ chỉđược gửi sau khi đạt đến một kích thước nhất định hoặc một thời hạn nhất định, hoặc sau đó làm rỗng ngay lập tức.

Hệ thống thông báo này vẫn có thể chuyển tới một quá trình xử lý khác (mã hóa và nén), trong đó có hai mục đích: ngăn chặn tin tặc phá hoại hệ thống và duy trì an toàn hoạt động của thiết bị, đồng thời làm giảm kích thước của tin nhắn và thời gian trao đổi, chủ yếu là trong mạng có băng thông nhỏ.

Tuy vậy, công việc này có những vấn đề đòi hỏi nhiều máy xử lý quá trình hơn (client và server) trong khi nén và giải nén, vì vậy trong một số trường hợp nó có thể làm chậm các đáp ứng-mặc dù nâng cao hiệu quả về an ninh.

7. TIÊN PHONG TRONG LĨNH VỰC MỚI

Ngày nay, các mạng lưới và các giao thức mới cho phép thiết lập các phương pháp trao đổi dữ liệu thực sự hiệu quả, mối quan tâm ngày nay được tập trung vào yếu tố con người trong các hệ thống, trường hợp giải thích các dữ liệu quan trọng phải được thực hiện bởi người vận hành. Và vấn đề này làm tăng mối số lượng các bản tin sự kiện (hoặc cảnh báo) cho cùng người vận hành.

Mối quan tâm chính trong thực tế đó là phần lớn của DCS (Hệ thống điều khiển số-thuộc hệ thống SCADA và DCSD) không có các công cụ thích hợp để giải quyết với số lượng lớn các cảnh báo. Khi đó, những người hành hệ thống, là con người, có một giới hạn về xử lý thông báo trong mỗi khoảng thời gian. Trong tình huống căng thẳng liên tục, hoặc thậm chí lụt thông tin, các tình trạng quá tải bản tin được tạo ra có thể làm cho các ngườivận hành không để ý đến chúng.

Như vậy, chúng ta hiểu rằng hệ thống SCADA nên cung cấp nhiều công cụ có thể giúp các người vận hành trên những thời điểm này, ví dụ, cần phân biệt các hành động theo sự tính chất quan trọng và do đó phải có phản ứng phù hơp ngay lập tứcđối với những thông tin cảnh báo có độ ưu tiên thấp hơn, bởi vì trong hệ thống sẽ có  những sự kiện khác xuất hiện liên tục.

SCADA: Supervisory, Control and Data Acquisition

MTBF    : Mean Time Between Failures

MTTR    : Mean Time To Repair

VQT       : Value, Quality, and Timestamp

DCS       : Digital Controlling Systems