SCADA System : Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát tự động nhà máy, tổ hợp nhà cao tầng, điều khiển thông minh,.. nhằm hỗ trợ con người giám sát và điều khiển từ xa hệ thống,...
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition - là tên gọi chung cho Hệ thống Thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát.
Vai trò, nhiệm vụ của hệ thống SCADA trong nhà máy nói chung
Như tên gọi, hệ thống SCADA có 2 nhiệm vụ chính là thu thập số liệu và ra lệnh điều khiển.
Dữ liệu thể hiện các thông tin về đối tượng công nghệ cần phải điều khiển được thu thập bằng các thiết bị cảm biến đặt tại hiện trường phân xưởng của nhà máy và được truyền về máy chủ đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Tại đây, các số liệu này được quản lý bằng các công cụ quản lý cơ sở dữ liệu từ đó đưa ra thông tin cho người quản lý dưới dạng các báo cáo, đồ thị hoặc hình ảnh.
Dựa vào các số liệu đưa về, hệ thống tự động phân tích nhờ các chương trình được lập trình sẵn sau đó đưa ra tác động điều khiển truyền đến các cơ cấu chấp hành (động cơ, van đóng mở...) tại hiện trường phân xưởng nhà máy để thực hiện việc điều khiển. Tác động điều khiển có thể được đưa ra tự động hoặc có thể từ việc nhận lệnh từ người quản lý thông qua giao diện người – máy HMI.
Trên thực tế, thu thập dữ liệu nhằm mục đích giám sát và quản lý tập trung là chức năng nổi trội của hệ thống SCADA. Theo cách thức cũ, để thực hiện việc thu thập dữ liệu, các phân xưởng vận hành cần phải phân công cán bộ kỹ thuật đến điểm đặt thiết bị đo để ghi chép số liệu định kỳ (giống như việc đi đọc công tơ nước và công tơ điện hiện nay); còn việc giám sát hoạt động của thiết bị phải có các nhân viên trực máy tại chỗ. Cách làm thủ công này không chỉ gây tốn kém về nhân công mà còn hạn chế khả năng cập nhật dữ liệu và quản lý dữ liệu tập trung tại trung tâm điều khiển của nhà máy. Cách thức sử dụng nhân công để thu thập dữ liệu và giám sát thiết bị trở nên đặc biệt bất cập trong các trường hợp hiện trường phân xưởng nhà máy là một địa bàn trải rộng và điểm cần thu thập dữ liệu và giám sát ở cách xa nhau như với ngành điện, ngành nước, ngành xi măng, ngành mỏ, ngành dầu khí… Chưa kể đến thời gian trễ do việc thu thập và tổng hợp dữ liệu một cách thủ công có thể dẫn đến dữ liệu không còn phản ánh đúng hiện trạng của đối tượng và tác động điều khiển đưa ra dựa trên các số liệu này không còn hợp lý. Nghiêm trọng hơn, khi một thiết bị đang vận hành gặp một trục trặc nhỏ, việc nhận biết và đưa ra xử lý chậm không những không ngăn chặn được sự cố lớn hơn mà còn có thể gây ra hậu quả khôn lường về an toàn vận hành và kinh tế.
Hệ thống SCADA giúp khắc phục tất cả các nhược điểm trên với khả năng thu thập dữ liệu tự động, truyền tin khoảng cách xa, quản lý dữ liệu tập trung và đặc biệt đưa ra các cảnh báo kịp thời cho người vận hành với giao diện đồ họa thân thiện.
Cấu trúc hệ thống SCADA nói chung và hệ thống SCADA cho ngành điện nói riêng
Một hệ thống SCADA nói chung bao gồm 3 phân cấp:
Phân cấp hiện trường Bao gồm các thiết bị đo lường như cảm biến (sensor), bộ chuyển đổi tín hiệu đo lường (transducer), bộ truyền tín hiệu đo (transmiter)… và các thiết bị chấp hành như động cơ, biến tần và các bộ điều khiển động cơ ( motor, inverter, motor controller… ), van và các bộ điều khiển van (valve, valve controller)…
Các thiết bị này có nhiệm vụ đo đếm các đại lượng vật lý của đối tượng công nghệ cần điều khiển và ra tác động điều khiển trực tiếp đến các đối tượng này.
Với vai trò là một thành phần của hệ thống SCADA, các thiết bị này đều có khả năng truyền tín hiệu ở cự ly gần thông qua hệ thống truyền thông hiện trường.
Phân cấp điều khiển Bao gồm các thiết bị như Thiết bị trạm đầu xa RTU (Remote Terminal Unit), hoặc Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controller).
Các thiết bị này đóng vai trò kết nối máy chủ tại trung tâm điều khiển với các thiết bị thuộc cấp hiện trường . Thiết bị này nhận tín hiệu từ các thiết bị đo, lưu trữ tạm và truyền về trung tâm điều khiển đồng thời và nhận lệnh từ trung tâm điều khiển để ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành.
Thiết bị này thường được đặt ở phòng vận hành của phân xưởng hoặc ngay tại gian máy.
Phân cấp điều khiển giám sát Bao gồm hệ thống các máy chủ, màn hình giao diện HMI (Human- Machine Interface), các máy trạm vận hành và các máy tính văn phòng dùng để khai thác thông tin từ máy chủ thông qua hệ thống mạng LAN văn phòng:
Cấu trúc hệ thống SCADA
Ngoài 3 phân cấp này, còn có hệ thống truyền tín hiệu liên lạc giữa các thiết bị.
Hệ thống SCADA của ngành điện vừa mang đặc điểm của hệ thống SCADA nói chung, vừa mang đặc thù của một ngành có địa bàn hiện trường trải rộng. Nói đến khái niệm hệ thống SCADA của ngành điện có 2 khái niệm khác nhau: một là hệ thống SCADA/EMS của Tập đoàn điện lực Việt nam và hệ thống SCADA của một trạm biến áp.
Hệ thống SCADA/EMS (Energy Management System) của Tập đoàn điện lực Việt Nam bao gồm Hệ thống máy chủ giám sát điều khiển, hệ thống SCADA của các trạm biến áp và hệ thống thông tin viễn thông.
Hệ thống máy chủ bao gồm 4 hệ thống con được đặt tại 4 trung tâm điều độ là Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (còn gọi là A0) tại số 18 Trần Nguyên Hãn, và 3 Trung tâm điều độ miền: Trung tâm điều độ Hệ thống điện miền Bắc (còn gọi là A1), Trung tâm điều độ Hệ thống điện miền Nam (còn gọi là A2 ) và Trung tâm điều độ Hệ thống điện miền Trung (còn gọi là A3).
Hệ thống SCADA tại trạm biến áp bao gồm màn hình giao diện tại trạm, thiết bị RTU và các thiết bị cấp hiện trường như transducer, rơle… Thiết bị RTU chính là trung tâm của một hệ thống SCADA tại trạm biến áp. Thiết bị này có chức năng thu thập các tín hiệu trạng thái của các thiết bị đóng cắt như máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa… các tín hiệu đo lường như dòng điện, điện áp, công suất vô công, công suất hữu công, tần số… tại các điểm đo để truyền về máy chủ phụ trách tại trung tâm điều độ. Tùy theo phân cấp quản lý, tín hiệu SCADA của một trạm biến áp sẽ phải được truyền về 1 hoặc 2 trung tâm điều độ nào đó. Ví dụ các trạm biến áp cấp 110kV đều phải truyền về trung tâm điều độ miền tương ứng (A1, A2 hoặc A3), trạm biến áp 220kV và các nhà máy nhiệt điện, thủy điện lớn đều phải truyền về trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia A0.
Hệ thống RTU thông thường có cấu hình có thể tùy biến để phù hợp với ứng dụng: có thể là một hệ thống lớn trong những yêu cầu thu thập tín hiệu tại các trạm biến áp lớn như như các trạm 500kV, các trạm nút 220kV hoặc cũng có thể chỉ là một hệ thống nhỏ ở các trạm 110kV hoặc 35kV. Trong một số trường hợp, thiết bị RTU chỉ đảm nhận chức năng chuyển đổi giao thức để truyền tín hiệu về trung tâm điều độ nên có thể được gọi là một gateway trong dự án đầu tư.
Ngoài đặc thù yêu cầu cao về an toàn dẫn đến yêu cầu cao về mức độ tin cậy của hệ thống SCADA, ngành điện còn có một đặc thù là các trạm biến áp ở rải rác rất xa đối với trung tâm điều khiển. Điều này dẫn đến yêu cầu phải có một giao thức phù hợp việc truyền tin xa và một hệ thống thông tin viễn thông đủ mạnh giúp truyền thông tin từ hệ thống SCADA tại trạm đến trung tâm điều độ. Giao thức được chọn để truyền thông giữa RTU và trung tâm điều độ là IEC-60870-5-101 và hệ thống SCADA của các trạm biến áp luôn được đầu tư đi kèm với một hệ thống viễn thông cáp quang.
Hệ thống thông tin cho mạng Scada thông thường bao gồm các thiết bị ghép kênh SDH STM-1/4/16 để truyền dẫn thông tin qua mạng cáp quang từ nhà máy hoặc trạm biến áp tới các trung tâm điều khiển, các thiết bị ghép kênh PCM-30 để ghép các kênh thông tin và dữ liệu (FXO/FXS, 2W/4W E&M, Hotline, G.703, V.24/V.35 ...) giữa các đơn vị với nhau. Hệ thống thông tin này ngoài việc đảm nhiệm chức năng truyền dẫn trung gian giữa thiết bị RTU tại trạm biến áp và máy chủ đặt tại trung tâm điều độ còn cung cấp kênh truyền cho liên lạc thông qua điện thoại trực thông phục vụ công tác điều độ vận hành trạm và kênh truyền phục vụ việc truyền tín hiệu phối hợp đóng cắt của các thiết bị rơle bảo vệ khoảng cách và thiết bị rơle bảo vệ so lệch (Thiết bị Teleprotections).
Công ty Cổ phần Công nghiệp Phương Nam là nhà cung cấp các thiết bị hệ thống thông tin cho mạng Scada. Với kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực viễn thông cùng với nhiều giải pháp thiết bị phù hợp cho từng khách hàng, chúng tôi cam kết cung cấp tới khách hàng các giải pháp và thiết bị thông tin chất lượng và dịch vụ tốt nhất.
Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau (hình 1):
·Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server).
·Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
·Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ
·Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống.
Cơ chế thu thập dữ liệu
Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này.
Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ.
Xử lí dữ liệu
Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse).
Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo.
Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện 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 SCADA là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau:
• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường.
• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).
Xu hướng phát triển của SCADA
Xu hướng phát triển của các PLC và phần mềm HMI/SCADA là ngày càng trở nên "mix and match" (tạm dịch là lựa chọn và kết nối khác nhau nhưng đều hỗ trợ cho nhau để tạo thành một chỉnh thể thống nhất).
Vào những giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, do sử dụng các thiết bị vào/ra (I/O) thu thập dữ liệu cũ, nên khi kết nối sẽ ưu tiên sử dụng các chuẩn kết nối phù hợp với khoảng cách truyền dẫn như RS-485, tuy nhiên điều này lại hạn chế việc lựa chọn thiết bị khi yêu cấu thay đổi.
Do nhược điểm nêu trên mà đến cuối những năm 90, xu hướng dịch chuyển sang sử dụng các chuẩn truyền thông mở như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0 đã ngày càng phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như các nhà cung cấp giải pháp cho các hệ SCADA.
Đến năm 2000 thì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng loạt chuyển sang giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP.
Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông. Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các chuẩn cũ hơn.
Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa và thông tin phần mêm Wonderware và công ty tự động hóa Rockwell thế hệ tiếp theo có thể là chuẩn OPC-UA, do có nhiêu ưu điểm từ việc hỗ trợ của công nghệ thông tin do sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup Language), các dịch vụ web và các công nghệ web hiện đại khác.
TCVN - Tiêu chuẩn hệ thống chữa cháy sprinkler tự động
