Hệ thống SCADA là gì?

Một hệ thống SCADA đề cập đến một hệ thống bao gồm một số thiết bị đầu cuối từ xa (hoặc RTU) thu thập dữ liệu kết nối với một trạm máy chủ thông qua một hệ thống thông tin liên lạc.
Trạm máy chủ hiển thị dữ liệu thu được và cũng cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điều khiển từ xa. Dữ liệu chính xác và kịp thời (thường là thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động của nhà máy và quy trình.
Một lợi ích nữa là hoạt động hiệu quả hơn, đáng tin cậy và quan trọng nhất là an toàn hơn. Tất cả điều này dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn so với các hệ thống không tự động trước đó. Việc cài đặt SCADA thành công phụ thuộc vào việc sử dụng công nghệ đã được chứng minh và đáng tin cậy, với sự đào tạo đầy đủ và toàn diện của tất cả nhân viên trong việc vận hành hệ thống.

Có một số hệ thống SCADA không thành công – các yếu tố góp phần vào các hệ thống này bao gồm tích hợp không đầy đủ các thành phần khác nhau của hệ thống, sự phức tạp không cần thiết trong hệ thống, phần cứng không đáng tin cậy và phần mềm chưa được chứng minh.
Ngày nay, độ tin cậy của phần cứng không còn là vấn đề nữa, nhưng sự phức tạp ngày càng tăng của phần mềm đang tạo ra những thách thức mới. Cần lưu ý rằng nhiều nhà khai thác đánh giá một hệ thống SCADA không chỉ bằng hiệu suất trơn tru của các RTU, các liên kết truyền thông và trạm chủ (tất cả đều thuộc hệ thống SCADA) mà còn cả các thiết bị hiện trường (cả đầu dò và thiết bị điều khiển ). Tuy nhiên, các thiết bị hiện trường nằm ngoài phạm vi của SCADA trong sách hướng dẫn này và sẽ không được thảo luận thêm.
RTU cung cấp một giao diện cho các tín hiệu tương tự và kỹ thuật số hiện trường ở mỗi điểm từ xa. Hệ thống thông tin liên lạc cung cấp con đường liên lạc giữa trạm chính và các điểm từ xa. Hệ thống liên lạc này có thể là radio, đường dây điện thoại, lò vi sóng và thậm chí có thể là vệ tinh.
Các giao thức cụ thể và phát hiện lỗi được sử dụng để truyền dữ liệu hiệu quả và tối ưu. Trạm chính (và trạm phụ) thu thập dữ liệu từ các RTU khác nhau và thường cung cấp giao diện người vận hành để hiển thị thông tin và kiểm soát các trang web từ xa. Trong các hệ thống đo từ xa lớn, các vị trí phụ thu thập thông tin từ các vị trí ở xa và hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp trở lại trạm chính điều khiển.
LƯU Ý: Ngày xưa, chúng tôi gọi hệ thống SCADA là hệ thống điều khiển hoàn chỉnh với phần cứng và phần mềm để giám sát và điều khiển thiết bị trong các ngành công nghiệp. trong khi trong thời hiện đại, chúng ta có các hệ thống tiên tiến riêng lẻ như PLC, DCS làm hệ thống điều khiển và sử dụng SCADA cho giao diện người vận hành hoặc được gọi là Giao diện người máy (HMI) hoặc đơn giản là giao diện người dùng đồ họa. vì vậy đừng nhầm lẫn giữa thuật ngữ “SCADA” giữa ngày xưa và ngày nay. Dưới đây chúng tôi thảo luận về các hệ thống SCADA trong điều kiện ngày xưa, tức là hệ thống điều khiển hoàn chỉnh.
Công nghệ SCADA đã tồn tại từ đầu những năm sáu mươi và hiện nay có thể có hai cách tiếp cận cạnh tranh khác – hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Ngoài ra, ngày càng có xu hướng sử dụng các thiết bị thông minh như một thành phần chính trong tất cả các hệ thống này.
Hệ thống điều khiển phân tán (DCS), là một biến thể khác của SCADA trong đó các chức năng điều khiển và thu thập dữ liệu được thực hiện bởi một số đơn vị dựa trên bộ vi xử lý phân tán nằm gần thiết bị đang được điều khiển hoặc thiết bị thu thập dữ liệu từ đó. Hệ thống DCS đã phát triển thành hệ thống cung cấp có khả năng điều khiển tương tự (ví dụ: vòng lặp) rất tinh vi. Một bộ giao diện người vận hành được tích hợp chặt chẽ (hoặc giao diện người máy) được cung cấp để cho phép dễ dàng cấu hình hệ thống và kiểm soát người vận hành. Đường truyền dữ liệu thường có tốc độ khá cao.
Một biến thể khác của các thành phần SCADA được sử dụng rộng rãi là Bộ lập trình điều khiển Logic (PLC). PLC đã thay thế các rơ le có dây cứng bằng sự kết hợp của phần mềm logic bậc thang và các mô-đun đầu vào và đầu ra điện tử. Chúng thường được sử dụng trong việc triển khai SCADA RTU vì chúng cung cấp một giải pháp phần cứng tiêu chuẩn, có giá rất kinh tế.

Sự phát triển của SCADA
• Điều khiển từ xa và theo dõi từ xa 1890
• Tivi giám sát và điều khiển của năm 1920
• Hệ thống kiểm tra trước khi vận hành (CEO) năm 1930, dựa trên công nghệ cơ điện
• Hệ thống điều khiển giám sát của năm 1960 (Điều khiển từ xa & thông báo trạng thái)
• Mức độ phổ biến của Thu thập dữ liệu (DAS) năm 1960 SCADA ra đời.
• Trung tâm cân đối và kiểm soát tải trọng năm 1980
• Trung tâm kiểm soát năng lượng năm 1990
• Hệ thống quản lý năng lượng của năm 2000

Mục tiêu của SCADA
Các mục tiêu quan trọng của SCADA được liệt kê dưới đây:
1. Giám sát: Giám sát liên tục các thông số về điện áp, dòng điện, v.v.
2. Đo lường: Đo các giá trị để xử lý.
3. Thu thập dữ liệu: Thường xuyên thu thập dữ liệu từ RTU và Bộ ghi dữ liệu / Bộ tập trung dữ liệu Phasor (PDC).
4. Truyền dữ liệu: Truyền và nhận một lượng lớn dữ liệu từ nơi làm việc đến trung tâm điều khiển.
5. Kiểm soát: Kiểm soát thời gian thực trực tuyến cho các quy trình vòng kín và vòng hở.
6. Tự động hóa :: Các nhiệm vụ tự động chuyển đổi đường truyền, CB, v.v.

Lợi ích của SCADA
Các lợi ích quan trọng có thể được thể hiện qua các chức năng sau:
1. Giám sát liên tục quá trình.
2. Kiểm soát thời gian thực.
3. Tự động hóa và an toàn.
4. Điều khiển và vận hành từ xa.
Các yếu tố của hệ thống
Cấu trúc của một hệ thống SCADA có các thành phần cơ bản sau (Hình 1):
Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hoặc nhiều Server trung tâm (hoặc máy tính).
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối đầu vào của thiết bị đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc khối điều khiển lập trình PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) có chức năng chuyển tiếp với cơ cấu chấp hành (cảm biến mức trường, thiết bị đóng cắt và van truyền động…).
Hệ thống thông tin liên lạc: bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông và thiết bị chuyển mạch ghép kênh có chức năng truyền dữ liệu mức trường đến các đơn vị điều khiển và máy chủ
Giao diện người – máy HMI (Human – Machine Interface): là thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống.

Trong hệ thống SCADA , quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện đầu tiên trong quá trình quét thông tin RTU thu được từ các thiết bị gắn với chúng. Thời gian thực hiện tác vụ này được gọi là thời gian quét nội bộ. Máy chủ quét RTU để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu đến các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp đến các thiết bị thực thi.
Dữ liệu được truyền trong hệ thống SCADA có thể là liên tục ( analog ), số ( digital ) hoặc xung (pulse ).
Dữ liệu truyền trong hệ thống SCADA chỉ được thể hiện dưới dạng số được gọi là trường dữ liệu. Dữ liệu số này được hình thành từ các tín hiệu logic (bật / tắt), tín hiệu tương tự / dòng điện, tín hiệu xung tốc độ cao,….
Giao diện cơ bản để vận hành tại thiết bị đầu cuối là màn hình GUI ( G raphical U ser I nterface ) được sử dụng để hiển thị toàn bộ hệ thống giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiển thị dưới dạng ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi, hình ảnh cũng thay đổi theo.

Trong trường hợp dữ liệu hệ thống thay đổi liên tục theo thời gian, hệ thống SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị.
Một ưu điểm lớn của hệ thống SCADA là khả năng xử lý lỗi rất tốt khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ thống SCADA có thể chọn một trong các cách sau:
Sử dụng dữ liệu lưu trong các RTU: Trong hệ thống SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống bị lỗi, các RTU sẽ tạm thời sử dụng dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động bình thường trở lại.
Sử dụng phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ thống SCADA được thiết kế với các phụ tùng thay thế, chẳng hạn như hệ thống giao tiếp hai chiều, RTU kép hoặc hai máy chủ… do đó, những phụ tùng này sẽ được sử dụng khi hệ thống SCADA gặp sự cố hoặc hoạt động ngoại tuyến (có thể để bảo trì, sửa chữa, thử nghiệm, v.v.).

Chức năng của SCADA
Các chức năng quan trọng của SCADA được liệt kê dưới đây.
1. Thu thập dữ liệu
2. Hiển thị thông tin
3. Kiểm soát cấp cao
4. Xử lý báo động
5. Lưu trữ thông tin và báo cáo
6. Xử lý liên tục các sự kiện
7. Tính toán dữ liệu
8. Xử lý / điều khiển RTU đặc biệt
Sử dụng SCADA
SCADA có thể được sử dụng để quản lý bất kỳ loại thiết bị nào. Thông thường, các hệ thống SCADA được sử dụng để tự động hóa các quy trình công nghiệp phức tạp mà sự kiểm soát của con người là khó khăn.

Ví dụ trong các hệ thống có nhiều yếu tố kiểm soát hơn mà người vận hành trong trung tâm kiểm soát không thể quản lý được.
Hệ thống SCADA được sử dụng rộng rãi để điều khiển trong các lĩnh vực sau
1. Sản xuất, truyền tải và phân phối điện : Các công ty điện lực sử dụng hệ thống SCADA để phát hiện dòng điện và điện áp đường dây, giám sát hoạt động của máy cắt, và lấy các phần của lưới điện trực tuyến hoặc ngoại tuyến.
2. Nước và nước thải: Các công ty cấp nước của quận và thành phố sử dụng SCADA để giám sát và điều chỉnh lưu lượng nước, mực nước hồ chứa, áp lực đường ống và các yếu tố khác.
3. Tòa nhà, cơ sở và môi trường: Người quản lý cơ sở sử dụng SCADA để điều khiển HVAC, các đơn vị làm lạnh, hệ thống chiếu sáng và lối vào.
4. Sản xuất: Hệ thống SCADA quản lý tồn kho để sản xuất đúng lúc, điều chỉnh tự động hóa công nghiệp và rô bốt, đồng thời giám sát quá trình và kiểm soát chất lượng.
5. Vận tải công cộng: Cơ quan quản lý giao thông sử dụng SCADA để điều chỉnh điện cho tàu điện ngầm, xe điện và xe buýt; tự động hóa tín hiệu giao thông cho hệ thống đường sắt; để theo dõi và định vị xe lửa và xe buýt; và kiểm soát các cổng giao nhau với đường sắt.
6. Tín hiệu giao thông: SCADA điều chỉnh đèn giao thông, kiểm soát luồng giao thông và phát hiện các tín hiệu không theo trật tự.

Giám sát và kiểm soát thời gian thực sử dụng SCADA

Sau đây là các tính năng quan trọng của SCADA theo quan điểm điều khiển. SCADA có khả năng làm những việc sau
1. Nhận các phép đo định lượng ngay lập tức và theo thời gian
2. Phát hiện, chẩn đoán và khắc phục sự cố ngay khi chúng phát sinh
3. Đo lường theo thời gian và chuẩn bị các báo cáo và biểu đồ
4. Khám phá và loại bỏ các trở ngại theo thời gian và nâng cao hiệu quả
5. Khả năng Kiểm soát các quy trình lớn và phức tạp với ít nhân viên vận hành.
SCADA cung cấp cơ sở để tinh chỉnh kiến thức kinh nghiệm của người vận hành trong hệ thống. Các cảm biến có thể được đặt ở mọi điểm quan trọng trong quá trình được quản lý và kiểm soát. Khi công nghệ SCADA được cải thiện, nhiều cảm biến hơn có thể được đặt để nâng cao hiệu quả.
SCADA có khả năng xem hoạt động của quá trình công suất lớn trong thời gian thực thông qua phần mềm. GIS (Hệ thống thông tin địa lý) là một trong những phần mềm được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện. Với khả năng đó có thể chuẩn đoán và sửa lỗi.
Vì vậy, ngay cả đối với các quy trình sản xuất rất phức tạp, các nhà máy điện lớn, v.v., bạn có thể có cái nhìn trực quan về mọi sự kiện khi nó đang diễn ra – và điều đó có nghĩa là bạn có một nền tảng kiến thức để sửa lỗi và nâng cao hiệu quả. Với SCADA, bạn có thể làm được nhiều việc hơn, với chi phí thấp hơn, trực tiếp tăng lợi nhuận.

 

What is SCADA System?