SCADA là gì? Giải đáp tất cả về hệ thống điều khiển giám sát SCADA

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, vận hành kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng, giúp doanh nghiệp điều khiển và giám sát các quy trình công nghiệp thông qua tương tác trực tiếp với thiết bị máy móc sản xuất, đồng thời theo dõi dữ liệu liên quan theo thời gian thực.

Thông qua SCADA, các doanh nghiệp có thể:

• Kiểm soát quy trình vận hành nhà máy hoặc cơ sở hạ tầng sản xuất quan trọng – bất kể tại chỗ hoặc từ xa. 
• Giám sát, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực. 
• Trực tiếp điều khiển các thiết bị như cảm biến, van, bơm, động cơ… qua giao diện HMI. 
• Thống kê nhật ký hoạt động của cơ sở sản xuất.

Ngành & lĩnh vực phổ biến áp dụng hệ thống SCADA 

Hầu như mọi loại hình doanh nghiệp và dịch vụ trong cuộc sống hiện nay đều tồn tại một hệ thống SCADA vận hành phía sau. Nhìn chung, SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu quả, xử lý dữ liệu và giảm thời gian ngừng hoạt động cho nhiều lĩnh vực và ngành công nghiệp đa dạng, trong đó phổ biến bao gồm: 

Ngành dầu khí 

Hệ thống SCADA được sử dụng trong ngành dầu khí để hỗ trợ điều khiển và giám sát từ xa các đường ống, máy bơm, nhà máy lọc dầu, cơ sở hạ tầng và địa điểm khai thác ở những khu vực xa xôi và không lý tưởng để con người vận hành trực tiếp tại chỗ. 

Ngoài ra, khả năng tương tác và kiểm soát dữ liệu thời gian thực của SCADA cũng giúp điều phối thông tin của toàn bộ hoạt động, cho phép đưa ra quyết định sáng suốt hơn và phân bổ nguồn lực hợp lý. 

Ngành giao thông vận tải 

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, SCADA được triển khai rộng rãi để hỗ trợ theo dõi và điều khiển từ xa mạng lưới thiết bị đèn giao thông một cách khoa học, tạo điều kiện cho xe cộ lưu thông dễ dàng và thuận tiện. Cùng lúc đó, hệ thống cũng có thể giúp báo hiệu bất kỳ sự cố hoặc tín hiệu lỗi từ đèn dừng để nhanh chóng hợp tác khắc phục, tránh rủi ro xảy ra tắc đường hoặc tai nạn không đáng có. 

Bên cạnh đó, SCADA còn kết nối với những ứng dụng giao thông công cộng, liên tục xác định vị trí của tàu hỏa, xe bus… để đồng bộ với thông tin cung cấp cho người dùng hoặc khách hàng tham gia di chuyển trên những phương tiện này. 

Ngành quản lý nước và xử lý nước thải 

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA cũng chứng minh được hiệu quả mạnh mẽ cho mục đích quản lý nguồn nước, bao hàm toàn bộ các hạng mục như lưu lượng nước, áp suất đường ống, mức phân phối nước… Ngoài ra, chúng cũng giúp kết nối quản lý các cơ sở xử lý nước thải ở địa điểm xa xôi.  

Ngành quản lý năng lượng 

SCADA có mặt ở nhiều quy mô cơ sở công nghiệp quản lý năng lượng – từ nhà máy năng lượng hạt nhân đến nhà máy điện đốt khí – để hỗ trợ sản xuất, truyền tải và phân phối điện.  

Chẳng hạn, với hệ thống SCADA, doanh nghiệp có thể kiểm soát từ xa các trạng thái cầu dao hoặc điều khiển lưới điện cần hoạt động. Ngoài ra, các hệ thống RTU/PLC/HMI trực thuộc SCADA cũng giúp ích rất nhiều trong việc phát hiện sự cố điện áp hoặc lỗi kỹ thuật đường dây. 

Ngành sản xuất 

Đây là một trong những lĩnh vực nhận được nhiều lợi ích nhất khi triển khai ứng dụng SCADA, giúp theo dõi chặt chẽ các quy trình công nghiệp, đặc biệt là môi trường nguy hiểm cho con người. Những chức năng giám sát và điều khiển theo thời gian thực cũng là mảnh ghép hoàn hảo cho bước tiến áp dụng công nghiệp tự động hóa. 

5 thành phần chính của hệ thống SCADA 

Máy tính giám sát 

Máy tính giám sát là trái tim của toàn bộ hệ thống SCADA, làm nhiệp vụ tổng hợp dữ liệu thu thập được từ các quy trình hoạt động, thực thi lệnh điều khiển đến các thiết bị được kết nối với hệ thống. 

Phần mềm máy tính SCADA chịu trách nhiệm giao tiếp với các bộ điều khiển lắp đặt tại cơ sở công nghiệp (nhà máy hoặc hiện trường sản xuất), gồc các RTU, PLC, HMI chạy trên các trạm xử lý của từng nhân sự chuyên môn. 

Tùy vào quy mô hệ thống SCADA mà máy tính giám sát có thể chỉ là một trạm máy đơn lẻ, hoặc là tập hợp của trạm máy chính và phụ riêng biệt, đồng bộ với nhiều máy chủ và HMI trên các thiết bị tương tác với hoạt động sản xuất hoặc khách hàng. 

Thông thường, các máy tính giám sát SCADA đều được thiết kế theo mô hình dự phòng chặt chẽ, cho phép điều khiển hệ thống liên tục trong trường hợp một máy chủ bị lỗi hoặc gặp sự cố hư hỏng.  

Đơn vị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Terminal Unit) 

Các thiết bị RTU kết nối với cảm biến và bộ điều khiển thuộc tiến trình nhà máy, đồng bộ dữ liệu với hệ thống máy tính giám sát, được lập trình tích hợp một phần khả năng điều khiển tự động hóa. 

Ở những cơ sở công nghiệp xa xôi với ít nguồn lực con người, thiết bị RTU thường được thiết kế và gia cố bền bỉ hơn để hoạt động độc lập lâu dài, thông qua chức năng sạc pin năng lượng mặt trời, tương tác qua sóng radio hoặc vệ tinh, có thể chống chịu môi trường nóng/lạnh khắc nghiệt. 

Bộ điều khiển logic lập trình (PLC – Programmable Logic Controller)

Giống như RTU, PLC cũng được kết nối với các trạm cảm biến và bộ điều khiển, chuyên giao dữ liệu về hệ thống máy tính giám sát trung tâm. Tuy nhiên, cấu hình hoạt động của PLC thường ở mức hoàn thiện hơn, hỗ trợ điều khiển toàn phần, kết nối tốc độ cao, hoặc kết nối không dây giao tiếp với máy chủ chính.

Cấu hình giao tiếp dữ liệu  

Hạng mục này bao gồm toàn bộ những thiết lập cấu hình liên quan tới khả năng kết nối hệ thống máy tính giám sát với mạng lưới RTU và PLC, thông qua giao thức tiêu chuẩn của ngành hoặc độc quyền theo từng nhà sản xuất. 

Cả RTU và PLC đều có thể vận hành tự động, thực thi lệnh cuối cùng được đưa ra bởi hệ thống giám sát. Do đó, kể cả khi xảy ra sự cố kết nối mạng, quá trình điều khiến vẫn tiếp tục chạy dựa trên lệnh điều khiển gần nhất. Một số hệ thống giao tiếp dữ liệu nâng cao còn được trang bị thêm những tuyến cáp băng thông truyền tải dữ liệu dự phòng kép. 

Giao diện tương tác người-máy (HMI – Human-Machine Interface) 

HMI đóng vai trò là công cụ trung gian nhằm diễn giải thông tin từ hệ thống giám sát cho nhân viên phụ trách điều khiển. Thông tin thu thập từ cơ sử nhà máy được trình bày một cách trực quan dưới dạng sơ đồ mô phỏng, gồm toàn bộ những sự kiện và hành động thực thi. Những sơ đồ mô phỏng này thường được thể hiện theo dạng đồ họa nét và ký hiệu để biểu thị các yếu tố quá trình,tương tác bằng chuột, bàn phím hoặc màn hình cảm ứng. 

Ví dụ, trên giao diện HMI, biểu tượng máy bơm có thể cho biết thiết bị đang chạy và biểu tượng đồng hồ đo sẽ hiển thị kèm lưu lượng nước đang bơm qua đường ống. Người vận hành có thể theo dõi và ra quyết định tắt máy bơm bằng động tác nhấp chuột hoặc chạm màn hình. 

Cách hoạt động của hệ thống SCADA 

Khi vận hành chính thức, hệ thống SCADA sẽ liên tục tổng hợp thông tin từ các cảm biến và thiết bị liên kết với các RTU hoặc PLC, sau đó chuyển thể và xử lý thành định dạng phù hợp để hiển thị trên màn hình HMI. 

Tiếp đến, các nhân sự phụ trách sẽ sử dụng thiết bị HMI để tương tác, nắm bắt thông tin, từ đó điều khiển và quyết định hành động theo sau. Như vậy, RTU và PLC hoạt động như các điểm cục bộ, chuyển tiếp dữ liệu đến HMI và gửi lại lệnh điều khiển đến các máy móc hiện trường. 

SCADA có thể được thiết kế và tùy chỉnh linh hoạt theo từng mục đích và quy trình công nghiệp đặc thù, giúp giám sát và quản lý nhiều yếu tố từ xa, thậm chí điều khiển tự động. 

Nguồn gốc ra đời hệ thống SCADA 

Thời điểm ra đời SCADA 

Để hiểu về nguồn gốc của SCADA, chúng ta cần biết gốc gác vấn đề mà doanh nghiệp từng đau đầu tìm cách giải quyết. Trước khi khái niệm SCADA được giới thiệu vào giữa thế kỷ 20, nhiều nhà máy sản xuất và cơ sở công nghiệp đều dựa vào con người để vận hành và giám sát thiết bị thủ công, các bảng điều khiển nút bấm và đồng hồ cơ học.  

Khi quy mô nhà máy sản xuất tăng lên, các cấp lãnh đạo dần quan tâm đến giải pháp quản lý từ xa, khởi đầu là ứng dụng rơ-le điện và đồng hồ hẹn giờ để hỗ trợ điều khiển mà không cần sự tương tác trực tiếp bởi bàn tay con người. 

Tuy ứng dụng trên đã phần nào giải quyết được kha khá vấn đề, nhưng hạn chế về mức độ tự động hóa lại dần kéo theo những bài toán phát sinh phức tạp hơn. Chẳng hạn, thiết kế rơ-le và đồng hồ hẹn giờ khó tái thiết lập cấu hình hay kiểm tra lỗi, còn chiếm nhiều không gian vật lý. Do đó, việc phát minh ra một giải pháp hệ thống hiệu quả hơn là điều hết sức cần thiết. 

Tới đầu thập niên 1950, máy tính lần đầu tiên được phát triển và sử dụng cho mục đích điều khiển công nghiệp. Từ đó, vai trò kiểm soát và giám sát quy trình bằng máy tính bắt đầu trở nên phổ biến hơn. Tới thập niên 1960, hệ thống truyền số liệu được ra đời, cho phép tự động ghi nhận các kết quả đo dữ liệu từ xa, chuyển thông tin về trụ sở đầu não. 

Thuật ngữ “SCADA” được đặt ra vào đầu thập niên 1970, song hành với sự phát triển của bộ vi xử lý và PLC trong cùng giai đoạn, đánh dấu một khởi đầu đột phá cho ứng dụng giám sát và điều khiển các quy trình tự động của doanh nghiệp. 

Bước nâng cấp lên hệ thống SCADA hiện đại 

SCADA ban đầu được vận hành trên các trạm máy tính truyền thống với kích thước rất lớn, hoạt động độc lập, không có khả năng truy cập kết nối vào một mạng lưới tổng thể. Chúng thường sử dụng công nghệ độc quyền, dẫn tới nhiều vấn đề chi phí rất tốn kém và quy trình lộn xộn.

Sau này, những đột phá về công nghệ thông tin và thiết kế máy tính nhỏ gọn đã đem đến một làn gió mới đầy tiềm năng cho SCADA. Nhờ khả năng kết nối mở rộng, hệ thống SCADA hiện đại có thể truy cập dữ liệu thời gian thực từ nhà máy từ bất kỳ đâu trên thế giới.

Về vấn đề phát triển phần mềm khởi chạy cho SCADA, các ứng dụng thiết kế phần mềm hiện nay có độ hoàn thiện khá cao, cho phép tạo ra giải pháp tương đối nhanh và dễ dàng, không yêu cầu quá nhiều kiến thức chuyên sâu về phát triển phần mềm. 

Kết hợp với ngôn ngữ truy cấn SQL và các tiêu chuẩn công nghệ thông tin thực tiễn, các hệ thống SCADA ngay một cải thiện hơn về tính hiệu quả, bảo mật, năng suất và độ tin cậy. Đặc biệt, khả năng tích hợp SCADA vào hệ thống MES và ERP để củng cố luồng quản lý dữ liệu liền mạch của toàn bộ tổ chức đã trở thành một lợi thế cực kỳ lớn so với những thế hệ SCADA đầu tiên.     

Ví dụ về ứng dụng của hệ thống SCADA 

SCADA trong khai thác dầu khí 

Các doanh nghiệp dầu khí sử dụng hệ thống SCADA để tự động hóa quy trình công nghiệp, theo dõi thông tin chi tiết về mức nhiên liệu, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng chảy mà không cần cử kỹ thuật viên đến các địa điểm dầu khí để thu thập thủ công. Những dữ liệu này có thể được tổng hợp liên tục và tự động, nhanh chóng truy cập và lưu trữ khi cần.  

Ngoài ra, SCADA cũng được dùng để ngăn ngừa các trường hợp khẩn cấp trong ngành dầu khí. Ví dụ: Một cảm biến báo hiệu áp suất trong một giếng khoan đang đạt mức nguy hiểm. Khi đó, cảnh báo sẽ được tự động gửi đi hoặc lệnh tắt hệ thống sẽ tự động được thực hiện, giúp giữ an toàn cho mọi người và tránh mọi rủi ro hư hỏng gây tốn kém. 

SCADA cho thành phố thông minh 

Các thành phố thông minh áp dụng SCADA để xử lý nước thải, quản lý lưới điện và nhiều tính năng đa dạng khác. Các hệ thống điều khiển SCADA bổ trợ vai trò quản lý cơ sở tiện ích hạ tầng và tài nguyên, từ ngưỡng tiêu thụ điện công cộng đến mạng lưới đèn giao thông.

Trong trường hợp có sự gia tăng đột biến về mức tiêu tốn tài nguyên, các nhà quản lý sẽ ngay lập tức được thông báo để nhanh chóng tìm hiểu vấn đề.

SCADA cho sản xuất tinh gọn & thông minh 

SCADA đóng vai trò cốt lõi trong các nhà máy thuộc trường phái cải tiến thông minh và sản xuất tinh gọn. Những cảm biến tích hợp sẽ ngay lập tức phản hổi thông tin về máy móc khi có sự cố, thông báo kịp thời cho nhân sự quản lý. Những rủi ro về an toàn sản xuất sẽ được giảm thiểu, đồng thời tăng cường mức độ ổn định của quy trình tổng thể.  

Cùng lúc đó, hệ thống SCADA cũng cung cấp dữ liệu vận hành và hiệu suất đầu ra của mọi thiết bị được kết nối, tất cả được ghi nhận theo thời gian thực. Không chỉ giúp ích cho nhiệm vụ quản lý tài nguyên, chức năng này còn củng cố hiệu quả tạo lập kế hoạch bảo trì sản xuất, phát huy và kéo dài tuổi thọ thiết bị, hạn chế tỷ lệ gây ngưng trệ sản xuất và hao hụt doanh thu. 

Ưu điểm & lợi ích của SCADA 

• Khắc phục sự cố từ xa: SCADA cho phép người dùng xác định và khắc phục các vấn đề về thiết bị từ bất kỳ đâu, bất kỳ lúc nào. 
• Điều khiển từ xa: Với SCADA, các thiết bị tích hợp trong hệ thống có thể được điều khiển và tự động hóa lệnh thực thi mà không cần sự có mặt của con người trên hiện trường. 
• Tăng thời gian hoạt động: Trạng thái hoạt động của máy móc được giám sát và cập nhật liên tục, củng cố khả năng giải quyết sự cố trước khi dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng hơn. 
• Giảm chi phí năng lượng: Mức tiêu thụ năng lượng từ hệ thống máy móc được ghi nhận cụ thể, biểu thị bằng dữ liệu chi tiết để phục vụ phân tích và rút ra phương án cải thiện. 
• Cải tiến quy trình: Tổng kết dữ liệu thu thập từ SCADA sẽ phục vụ công tác phân tích và rút ra chiến lược cải thiện quy trình hoạt động, phát huy thế mạnh đường dài. 
• Phản ứng nhanh hơn: Bất kỳ dấu hiệu bất thường trong hệ thống sẽ được SCADA cảnh báo tự động ở mọi lúc, mọi nơi. 

Thách thức & hạn chế của SCADA 

SCADA không gặp quá nhiều hạn chế, nhưng vẫn chịu rủi ro từ một vấn đề cố hữu: An ninh thông tin. Các tội phạm công nghệ cao vẫn thường xuyên nhắm tới hệ thống SCADA của các doanh nghiệp lớn, tìm cách xâm nhập để truy cập vào cơ sở hạ tầng thông tin quan trọng. 

Ngoài ra, tính tương thích và khả năng mở rộng phần mềm cũng là thách thức lớn đối với hệ thống SCADA. Trong quá trình vận hành và phát triển, doanh nghiệp cần tìm cách bổ sung thêm tính năng và tùy chỉnh sao cho phù hợp với hoạt động đặc thù của tổ chức. Tuy nhiên, việc áp dụng điều đó cho SCADA có thể kéo theo nhiều chi phí và thời gian. 

Cuối cùng, SCADA cũng có thể hoạt động không hiệu quả nếu doanh nghiệp chưa biết cách triển khai và tích hợp đúng theo tiêu chuẩn. Khi đó, bộ dữ liệu ghi nhận từ máy móc và cảm biến sẽ không được thu thập đủ, thiếu cơ sở hỗ trợ cho kế hoạch chiến lược theo sau.