Xu hướng phát triển của các hệ thống SCADA

Bức tranh tổng quát về thị trường tự động hóa trong những năm gần đây dựa trên sự thay đổi công nghệ và nghiên cứu sản phẩm của các công ty, đây là các yếu tố giúp tạo động lực phát triển cho thị trường này và phải đầu tư nghiên cứu và phát triển liên tục.

Nói cách khác, luôn có áp lực nhằm giảm các chi phí đối với sản phẩm và dịch vụ. Áp lực này đòi hỏi chúng ta phải tìm ra tỷ lệ tốt nhất giữa chi phí và lợi ích, việc nghiên cứu các công nghệ để đầu tư, nghiên cứu công nghệ nào để kết hợp chúng lại và các nghiên cứu nào chỉ để xem xét, và quyết định sản phẩm nào nành cung cấp dịch vụ sẽ chào hàng để đảm bảo tính cạnh tranh và khả năng thực thi trong phân khúc đó.

Trong trường hợp riêng của các hệ thống giám sát, cần xem xét các yếu tố thực tế:

• Tiếp tục sử dụng các công cụ cũ dựa trên nền tảng Windows được biết là tốt nhất trên thị trường, mặc dù có ít khái niệm cao cấp.
• Tạo ra các công cụ mới đáp ứng nền tảng hệ điều hành Windows, với các khái niệm tốt hơn về tính linh hoạt và hiệu suất vận hành.
• Tìm kiếm các hình thức giám sát mới, như sử dụng các server web cho các PLC chạy trên nên tảng Linux hoặc Java.
• Các giao diện HMI trên nền tảng Windows CE thay thế cho các HMI với các phần cứng chuyên biệt.
• Sử dụng các hệ thống Linux và Unix cho các hệ thống lớn hơn, tùy thuộc vào thói quen văn hóa của người sử dụng với các môi trường hoạt động, người sẵn sàng trả các giá cao hơn với số lượng bản quyền nhỏ hơn đã bán (như các hệ thống quản lý mạng SNMP, hệ thống thông tin).
• Kết hợp với giao thức OPC (OLE for Process Control).
• Bổ sung thêm các tính năng mới cho các hệ thống SCADA, là một yêu cầu của cho kế hoạch mở rộng, ví dụ như tính năng phân tích các quá trình và các hệ thống sản xuất, điều khiển theo mẻ và các tính năng khác.
• Khả năng tích hợp hoàn toàn với web.

Hệ điều hành

Kết luận đầu tiên từ sự phân tích các thực tế này, đó là sự kết hợp hệ điều hành Windows với các hệ thống SCADA. Bởi vì nền tảng này cung cấp một mức độ phù hợp cho việc đào tạo, tính tin cậy, khả năng bảo trì phần cứng và phần mềm, các thay thế có thể cho các sản phẩm sẵn có, và một số yếu tố khác, khi tổng hợp tại mức chi phí cạnh tranh cho hầu hết các ứng dụng và người sử dụng. Lưu ý rằng, mục tiêu là luôn luôn có bảo trì sản xuất và ít hảnh hưởng của giải pháp đưa ra, cho cả hai phía người mua và người bán.

Ngoài ra, chúng ta nhận thấy Linux là một sự thay thế hấp dẫn với các yếu tố tiêu cực cần loại bỏ hoặc trì hoãn, đặc biệt khi đi cùng với đó là yêu cầu các đào tạo và bảo trì chuyên nghiệp. Ví dụ, sử dụng Linux hoặc Java hoạt động như web server với PLC, bởi nó sẽ hạn chế nền tảng cố định. Tuy nhiên, một vài điểm luôn cần nghiên cứu như tính kết nối, sự linh hoạt và hiệu suất hoạt động.

Cấu trúc

Khi xu hướng thị trường được xác định, chúng ta cân nhắc các vấn đề như khả năng sử dụng trong các hệ thống SCADA, và lưu ý thấy các cấu trúc trở nên quan trọng khi chúng ta kết hợp các nhân tố mới với các cấp độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn của độ linh hoạt, mà không ảnh hưởng tới hiệu suất hoạt động hoặc thời gian dành cho việc cấu hình.

Ví dụ việc sử dụng hiệu quả các mạng kết nối không dây để xây dựng giao diện người dùng cho các PocketPC với server SCADA phải đủ mạnh để cung cấp các thông tin quản lý về quá trình và cùng một thời gian, chiếm lượng băng thôi nhỏ nhất, và vấn đề bảo mật cần được quan tâm hoặc bỏ qua.

Các giao thức

Việc sử dụng các giao thức mở không chỉ là yêu cầu của thị trưởng, mà trở thành xu hướng nhằm làm giảm các chi phí khi tích hợp, và có được các dữ liệu ổn định, và cũng làm giảm thời gian xây dựng các ứng dụng. Bởi vì chúng ta không chỉ xem xét khả năng tương thích của các giao thức, mà còn tối ưu hóa chúng khi sử dụng trong hệ thống SCADA. Vì thế, cấu hình và đồng bộ hóa các cơ sở dữ liệu giữa các thiết bị và phần mềm sẽ được đánh giá để có được nhiều lợi ích hơn từ cấu trúc hệ thống mở.

Web

Câu hỏi tiếp theo cho cấu trúc hệ thống là việc cung cấp dữ liệu để truy cập thông qua web như thế nào. Có nhiều công nghệ được sử dụng với các sản phẩm, công nghệ chính thường được dựa trên Java hoặc các đối tượng ActiveX. Khả năng mới nhất là sử dụng công nghệ .NET của Microsoft.

Theo qui định, trang web sẽ được người dùng xem bằng trình duyệt Internet, và nó gồm một phần mềm được hiểu là plug-in (nhúng), để xử lý các hình ảnh động và các nhiệm vụ nền khác-ví dụ như các thay đổi về giá trị của các biến-hoạt động đồng thời, không có sự nhắc nhở người sử dụng, với các định dạng siêu văn bản (hypertext) của các trang web như HTML, ASP và PHP, thì không cho phép thực thi khả năng này nếu không sử dụng các thành phần bổ sung.

Vì thế, một số ít chương trình phần mềm SCADA đã sử dụng và thực hiện các chuyển đổi định dạng màn hình và các đối tượng của hệ thống sang tiêu chuẩn khác, có thể hiểu đó như là các thành phần ActiveX hoặc Java trong các trình duyệt, vì không thể thường xuyên dùng cùng một định dạng giống nhau cho các trường hợp. Tuy niên có các vấn đề phát sinh như các đoạn mã (script) bằng VBA (Visual Basic for Applications) không thể chạy trên các trình duyệt hiện có, phải chuyển đổi các màn hình giao diện sang web không phải lúc nào cũng hoạt động như trong định dạng gốc.

Các giải pháp khác nha E3 của Elipse, với giả sử rằng cùng tỉ lệ tương tự có thể được sử dụng SCADA Client trong cả Windows, và trên trình duyệt- tránh việc phải chuyển đổi định dạng, cũng như sử dụng các đoạn mã dựa trên VBScript có thể chạy trên cả hai môi trường này.

Tuy nhiên, Java và ActiveX có một số hạn chế. Java yêu cầu thời gian thực thi, có thể phân tích các mã đang chạy, và đã cài đặt trên máy khách (Client). Yếu tố này gây giảm hiệu suất thực hiện, ví dụ như báo cáo từ vài khác hàng, bởi vi nó đã được phân tích và không cần biên dịch. ActiveX chỉ hoạt động và có hiệu lực trong môi trường Windows và trình duyệt Internet Explorer, đây có thể là vấn đề đối với các khách hàng sử dụng các trình duyệt khác.

Liên quan tới truyền thông, cả Java và ActiveX trao đổi các thông tin thông qua các mô hình như CORBA hoặc DCOM thông qua TCP/IP để có được các giao diện từ các máy chủ (server) và nhận các thông báo về sự thay đổi giá trị. ActiveX có trở nên nặng nề: vì nó dựa trên công nghệ COM (Component Object Model-Mô hình đối tượng thành phần), cũng như biến thể phân tán của nó (DCOM của Microsoft), do đó sẽ có một số vấn đề về truyền thông thông qua Firewall (tường lửa), vì DCOM sử dụng các cổng ngẫu nhiên để trao đổi dữ liệu. Một giải pháp sẽ được sử dụng như giao thức riêng cho mạng trao đổi dữ liệu dựa trên TCP/IP đơn thuần, nó tương đối phức tạp.

.NET

Nền tảng .NET giới thiệu hai loại giải pháp: bằng cách tạo một môi trường pháp triển duy nhất cho cả Windows và Web, thông qua các định dạng Windows và định dạng Web; hoặc bằng cách trao đổi dữ liệu qua một web có nền tảng XML, đây là dạng cấu trúc các định dạng văn bản có thể vượt qua bất kỳ tường lửa (firewall) nào. Ngoài hai yếu tố này, .NET cung cấp một thế giới khả năng mới về khả năng tích hợp các dịch vụ web động, tái sử dụng các thành phần, và tạo ra sự kết hợp các thông tin như máy chủ SharePoint (SharePoint Server), cho phép nó đạt tới mức hội nhập và phát triển chưa từng thấy trước đó, và luôn giữ định hướng tập trung vào  hiệu suất và tổng chi phí sở hữu cho các giải pháp.

Ngoài ra, .NET cho phép vài ngôn ngữ lập trình khác nhau có thể sử dụng trong cùng chương trình (ví dụ: C++, VB, C#, FORTRA…), cho tới hiện nay không thể làm được với các công nghệ khác.

Hình 1- Cấu trúc khung làm việc của .NET

Tuy nhiên, một số người dùng hạn chế sử dụng .NET vì cũng như Java, chúng ta phải cài đặt bộ phân tích (.NET Framework) trên máy khách (Client), để các mã .NET được thực thi. Tuy nhiên, về lâu dài, khi các cài đặt mới Windows đã có .NET Framework mặc định thì đây chỉ là nhân tố nhỏ.

 Tích hợp dữ liệu và cấu trúc OPC UA (OPC Unified Architecture)

Không cần phải nói, nhưng dải các tùy chọn cho tích hợp dữ liệu giữa các hệ thống SCADA và doanh nghiệp như ERP, chuỗi cung cấp –Supply Chain, và các phần khác, ngày càng trở nên quan trọng. Ngoài ra để giữ lại các giải pháp cũ hơn, việc tìm kiếm các cách thức mới cho mô hình và trao đổi dữ liệu là phần quan trong của sự phát triển hệ thống. Truy cập nguồn gốc tới các cơ sở dữ liệu qua SQL, trao đôi dữ liệu qua TCP/IP, I/O driver để thực hiện các giao thức Master/Slave, Các đối tượng COM và ActiveX, trong số nhiều dạng khác nhau, đã sẵn sàng giúp các phát triển quan trọng.

Tuy nhiên, phải lưu ý, không có giải pháp nào là quan trọng và được sử dụng rộng rãi như OPC, nó nổi lên với cố gắng tiêu chuẩn hóa các lớp của bộ điều khiển I/O, và kết hợp một tiêu chuẩn về mô hình lớn, với các tính năng kỹ thuật cho Truy cập dữ liệu-Data Access (DA), các sự kiện và cảnh báo (AE), dữ liệu quá khứ (HAD), Dữ liệu phức tạp, và các vấn đề khác.

Sáng kiến này tập trung vào khả năng tương tác, và cho thấy OPC đang là một tiêu chuẩn toàn cầu cho phép từ bỏ vĩnh viên mô hình các giải pháp riêng để kiếm tìm giá trị được bổ sung mà mỗi giải pháp đề xuất. Phương pháp tiếp cận đã sử dụng trong nghiên cứu đã sử dụng nền tảng .NET như cách thức logic nhất để đạt được kết quả và cung cấp phương tiện phù hợp với các máy chủ OPC và các máy khách hiện hữu, với việc sử dụng các tiêu chuẩn nên có thể áp dụng đối với bất kỳ hệ điều hành nào, và có thể tạo ra các mô hình dữ liệu xa hơn là các hệ thống SCADA, mở rộng hệ thống với các mức độ công ty.

Kết luận

Sau các phân tích trên, kết luận ở đây là công nghệ hầu như không thể đánh giá đâu là “người thắng cuộc”, bởi vì sẽ luôn có các mảng mà mỗi giải pháp có được các lợi ích khi có thể quyết định nếu được so sánh về cạnh tranh công nghệ. Chúng tôi tin rằng .NET như là sự mở rộng các tiêu chuẩn một cách tự nhiên và phổ biến nhất mà chúng ta có thể thấy ngày này, nó xuất hiện như một sự thay thế đầy hứa hẹn, đặc biệt là khi xem xét tới tất cả cá khía cạnh liên quan tới các giải pháp.