Hệ thống SCADA là gì: Kiến trúc và hoạt động của nó

Một số lượng lớn các quá trình xảy ra trong các cơ sở công nghiệp lớn. Mọi quy trình, bạn cần giám sát rất phức tạp vì mỗi máy cho kết quả đầu ra khác nhau. Hệ thống SCADA được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị đặt ở các vùng sâu vùng xa. Sau đó, máy tính sẽ xử lý dữ liệu này và trình bày nó ngay lập tức. Hệ thống SCADA thu thập thông tin (giống như rò rỉ trên đường ống đã xảy ra) và chuyển thông tin trở lại hệ thống đồng thời đưa ra cảnh báo rằng rò rỉ đã xảy ra và hiển thị thông tin một cách hợp lý và có tổ chức. Hệ thống SCADA từng chạy trên hệ điều hành DOS và UNIX. Toàn bộ quá trình này được gọi là tự động hóa . Bài viết này thảo luận tổng quan về hệ thống SCADA.

Hệ thống SCADA là gì?

SCADA là viết tắt của điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nó là một loại chương trình ứng dụng phần mềm để kiểm soát quá trình. SCADA là một hệ thống điều khiển trung tâm bao gồm bộ điều khiển giao diện mạng, đầu vào / đầu ra, thiết bị truyền thông và phần mềm. Hệ thống SCADA được sử dụng để giám sát và điều khiển thiết bị trong quá trình công nghiệp bao gồm sản xuất, sản xuất, phát triển và chế tạo. Các quá trình cơ sở hạ tầng bao gồm phân phối khí và dầu, năng lượng điện, phân phối nước. Tiện ích công cộng bao gồm hệ thống giao thông xe buýt, sân bay. Hệ thống SCADA thực hiện việc đọc các đồng hồ đo và kiểm tra trạng thái của các cảm biến trong những khoảng thời gian định kỳ để nó yêu cầu sự can thiệp tối thiểu của con người.

Mạng SCADA chung

Lịch sử của SCADA

Trước đó, việc điều khiển các nhà máy công nghiệp và các tầng sản xuất có thể được thực hiện thủ công với sự trợ giúp của các thiết bị analog và nút nhấn. Khi quy mô của ngành đang phát triển, vì vậy họ đã sử dụng bộ hẹn giờ và rơ le để cung cấp khả năng kiểm soát giám sát ở mức cố định nhằm tự động hóa tối thiểu. Vì vậy, một hệ thống hoàn toàn tự động với một hệ thống hiệu quả hơn là cần thiết cho tất cả các ngành công nghiệp.

Chúng ta biết rằng, với mục đích điều khiển công nghiệp, máy tính đã được triển khai vào năm 1950. Sau đó, khái niệm đo từ xa được triển khai để truyền dữ liệu cũng như ảo. giao tiếp . Vào năm 1970, hệ thống SCADA được phát triển cùng với bộ vi xử lý cũng như PLC.

Vì vậy, những khái niệm này đã được hỗ trợ đầy đủ trong khi phát triển tự động hóa được vận hành trong các ngành công nghiệp từ xa. Các hệ thống SCADA phân tán được triển khai vào năm 2000. Sau đó, các hệ thống SCADA mới đã được phát triển để giám sát và kiểm soát dữ liệu thời gian thực ở bất kỳ đâu trên toàn cầu.

Kiến trúc hệ thống SCADA

Nói chung, hệ thống SCADA là một hệ thống tập trung giám sát và kiểm soát toàn bộ khu vực. Nó là một gói phần mềm thuần túy được đặt trên phần cứng. Hệ thống giám sát thu thập dữ liệu về quy trình và gửi các lệnh điều khiển đến quy trình. SCADA là thiết bị đầu cuối từ xa còn được gọi là RTU.

Hầu hết các hành động điều khiển được thực hiện tự động bởi RTU hoặc PLC. RTU bao gồm bộ chuyển đổi logic có thể lập trình được có thể được đặt theo yêu cầu cụ thể. Ví dụ, trong nhà máy nhiệt điện, lưu lượng nước có thể được đặt thành một giá trị cụ thể hoặc có thể thay đổi tùy theo yêu cầu.

Hệ thống SCADA cho phép người vận hành thay đổi điểm đặt cho dòng chảy và kích hoạt các điều kiện cảnh báo trong trường hợp mất dòng và nhiệt độ cao, điều kiện được hiển thị và ghi lại. Hệ thống SCADA giám sát hiệu suất tổng thể của vòng lặp. Hệ thống SCADA là một hệ thống tập trung để giao tiếp bằng cả công nghệ có dây và không dây tới các thiết bị Clint. Các điều khiển hệ thống SCADA có thể chạy hoàn toàn tất cả các loại quy trình công nghiệp.

Ví dụ, nếu có quá nhiều áp suất tích tụ trong đường ống dẫn khí, hệ thống SCADA có thể tự động mở van xả.

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống SCADA nói chung có thể được phân thành hai phần:

• Lớp khách hàng
• Lớp máy chủ dữ liệu

Lớp Clint phục vụ cho sự tương tác giữa người và máy.

Lớp máy chủ dữ liệu xử lý hầu hết quá trình hoạt động dữ liệu.

Trạm SCADA đề cập đến các máy chủ và nó bao gồm một PC duy nhất. Các máy chủ dữ liệu giao tiếp với các thiết bị tại hiện trường thông qua bộ điều khiển quá trình như PLC hoặc RTU. Các PLC được kết nối với máy chủ dữ liệu trực tiếp hoặc qua mạng hoặc bus. Hệ thống SCADA sử dụng mạng WAN và mạng LAN, mạng WAN và mạng LAN bao gồm các giao thức internet được sử dụng để giao tiếp giữa trạm chủ và các thiết bị.

Các thiết bị vật lý như cảm biến được kết nối với PLC hoặc RTU. Các RTU chuyển đổi tín hiệu cảm biến thành dữ liệu kỹ thuật số và gửi dữ liệu kỹ thuật số đến thiết bị chính. Theo phản hồi chính mà RTU nhận được, nó áp dụng tín hiệu điện cho các rơ le. Hầu hết các hoạt động giám sát và điều khiển được thực hiện bởi RTU hoặc PLC như chúng ta có thể thấy trong hình.

Kiến trúc phần cứng hệ thống SCADA

Kiến trúc phần mềm

Hầu hết các máy chủ được sử dụng cho cơ sở dữ liệu đa nhiệm và thời gian thực. Các máy chủ chịu trách nhiệm thu thập và xử lý dữ liệu. Hệ thống SCADA bao gồm một chương trình phần mềm để cung cấp xu hướng, dữ liệu chẩn đoán và quản lý thông tin như quy trình bảo trì theo lịch trình, thông tin hậu cần, sơ đồ chi tiết cho một cảm biến hoặc máy cụ thể và hướng dẫn xử lý sự cố hệ thống của chuyên gia. Điều này có nghĩa là người vận hành có thể nhìn thấy một biểu đồ sơ đồ của nhà máy đang được kiểm soát.

Kiến trúc phần mềm của SCADA

Ví dụ như kiểm tra cảnh báo, tính toán, ghi nhật ký và lưu trữ bộ điều khiển thăm dò trên một tập hợp các tham số, những tham số này thường được kết nối với máy chủ.

Hệ thống SCADA đang hoạt động

Hệ thống SCADA thực hiện các chức năng sau

• Thu thập dữ liệu
• Dữ liệu cộng đồng
• Trình bày thông tin / dữ liệu
• Giám sát / Kiểm soát

Các chức năng này được thực hiện bởi các cảm biến, RTU, bộ điều khiển, một mạng truyền thông. Các cảm biến được sử dụng để thu thập thông tin quan trọng và các RTU được sử dụng để gửi thông tin này đến bộ điều khiển và hiển thị trạng thái của hệ thống. Theo trạng thái của hệ thống, người dùng có thể đưa ra lệnh cho các thành phần hệ thống khác. Hoạt động này được thực hiện bởi mạng truyền thông.

Thu thập dữ liệu

Hệ thống thời gian thực bao gồm hàng nghìn thành phần và cảm biến. Điều rất quan trọng là phải biết trạng thái của các thành phần và cảm biến cụ thể. Ví dụ, một số cảm biến đo lưu lượng nước từ bể chứa đến bể chứa nước và một số cảm biến đo áp suất giá trị khi nước được xả ra khỏi bể chứa.

Dữ liệu cộng đồng

Hệ thống SCADA sử dụng mạng có dây để giao tiếp giữa người dùng và thiết bị. Các ứng dụng thời gian thực sử dụng rất nhiều cảm biến và thành phần nên được điều khiển từ xa. Hệ thống SCADA sử dụng truyền thông internet. Tất cả thông tin được truyền qua internet bằng các giao thức cụ thể. Cảm biến và rơ le không thể giao tiếp với các giao thức mạng vì vậy RTU được sử dụng để giao tiếp cảm biến và giao diện mạng.

Trình bày Thông tin / Dữ liệu

Mạng mạch bình thường có một số chỉ báo có thể nhìn thấy để điều khiển nhưng trong hệ thống SCADA thời gian thực, có hàng nghìn cảm biến và cảnh báo không thể xử lý đồng thời. Hệ thống SCADA sử dụng giao diện người-máy (HMI) để cung cấp tất cả thông tin thu thập được từ các cảm biến khác nhau .

Giám sát / Kiểm soát

Hệ thống SCADA sử dụng các công tắc khác nhau để vận hành từng thiết bị và hiển thị trạng thái của vùng điều khiển. Bất kỳ phần nào của quá trình đều có thể được BẬT / TẮT từ trạm điều khiển bằng các công tắc này. Hệ thống SCADA được thực hiện để làm việc tự động mà không cần sự can thiệp của con người nhưng trong những tình huống quan trọng, nó được xử lý bởi nhân lực.

Thành phần SCADA

Các thành phần hệ thống SCADA bao gồm những điều sau đây.

Hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát hoạt động giống như một máy chủ giao tiếp giữa phần mềm giao diện người-máy trong phòng điều khiển của các máy trạm cũng như các thiết bị của nó như RTU, Cảm biến, PLC, v.v. Các hệ thống SCADA nhỏ hơn chỉ bao gồm một máy tính cá nhân duy nhất để phục vụ như một máy chủ hệ thống giám sát khác trong khi đó, các hệ thống SCADA lớn bao gồm nhiều máy chủ, trang web phục hồi thảm kịch cũng như các ứng dụng phần mềm phân tán. Các máy chủ được kết nối giống như hình thức chờ nóng nếu không có dự phòng kép để theo dõi lỗi máy chủ liên tục.

RTU (Đơn vị đầu cuối từ xa)

RTU hoặc thiết bị đầu cuối từ xa là một thiết bị điện tử và nó còn được gọi là thiết bị đo từ xa. Hệ thống này bao gồm các đối tượng vật lý được giao tiếp thông qua RTU.

Việc điều khiển các thiết bị này có thể được thực hiện thông qua bộ vi xử lý. Ở đây, bộ vi xử lý được sử dụng để điều khiển RTU được sử dụng để truyền dữ liệu đã ghi về hệ thống giám sát. Dữ liệu có thể được nhận từ hệ thống chủ để điều khiển các đối tượng được kết nối.

PLC (Bộ điều khiển logic có thể lập trình)

Thuật ngữ PLC là viết tắt của các bộ điều khiển logic có thể lập trình được sử dụng trong các hệ thống SCADA với sự trợ giúp của các cảm biến. Các bộ điều khiển này được kết nối với các cảm biến để chuyển đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến thành dữ liệu số. So với RTU, chúng được sử dụng do tính linh hoạt, cấu hình, tính linh hoạt và khả năng chi trả của chúng.

Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc

Trong hệ thống SCADA, kết hợp giữa radio và kết nối có dây trực tiếp được sử dụng. Tuy nhiên, SONET hoặc SDH cũng có thể được sử dụng cho các hệ thống cao cấp như trạm điện & đường sắt. Một số ít giao thức được chuẩn hóa 7 được công nhận được sử dụng giữa các giao thức SCADA nhỏ gọn để cung cấp thông tin một cách đơn giản sau khi các RTU được thăm dò ý kiến ​​thông qua trạm giám sát.

Lập trình SCADA

Trong HMI, nếu không thì chương trình tổng thể, lập trình SCADA chủ yếu được sử dụng để tạo bản đồ, sơ đồ nhằm cung cấp thông tin rất quan trọng trong suốt quá trình nếu không xảy ra sự cố. Hầu hết các hệ thống SCADA thương mại sử dụng các giao diện nhất quán trong ngôn ngữ lập trình C, nếu không ngôn ngữ lập trình dẫn xuất cũng có thể được sử dụng.

Giao diện người máy

Hệ thống SCADA sử dụng giao diện người-máy. Thông tin được hiển thị và giám sát để xử lý bởi con người. HMI cung cấp quyền truy cập vào nhiều đơn vị điều khiển có thể là PLC và RTU. HMI cung cấp bản trình bày đồ họa của hệ thống.

Ví dụ, nó cung cấp một hình ảnh đồ họa của máy bơm được kết nối với bể chứa. Người sử dụng có thể nhìn thấy lưu lượng của nước và áp suất của nước. Phần quan trọng của HMI là hệ thống cảnh báo được kích hoạt theo các giá trị được xác định trước.

Giao diện người máy

Ví dụ , báo động mực nước bể được đặt giá trị 60% và 70%. Nếu mực nước đạt trên 60%, báo động đưa ra cảnh báo bình thường và nếu mực nước đạt trên 70%, báo động sẽ đưa ra cảnh báo quan trọng.

Các loại hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA được phân thành bốn loại bao gồm các loại sau.

• Hệ thống SCADA nguyên khối
• Hệ thống SCADA phân tán
• Hệ thống SCADA nối mạng
• Hệ thống SCADA IoT

Hệ thống SCADA nguyên khối

Hệ thống SCADA nguyên khối được gọi là hệ thống đầu tiên hoặc thế hệ đầu tiên. Trong các loại hệ thống này, máy tính mini được sử dụng. Việc phát triển các hệ thống này có thể được thực hiện khi các dịch vụ mạng chung không khả dụng. Việc thiết kế các hệ thống này có thể được thực hiện giống như các hệ thống độc lập mà không có bất kỳ mối liên hệ nào với các hệ thống khác.

Dữ liệu có thể được thu thập từ tất cả các RTU bằng cách sử dụng máy tính lớn dự phòng. Các chức năng chính của các hệ thống thế hệ đầu tiên này bị hạn chế để gắn cờ các quy trình trong các trường hợp khủng hoảng và giám sát các cảm biến.

Hệ thống SCADA phân tán

Hệ thống SCADA phân tán được gọi là hệ thống thế hệ thứ hai. Việc phân phối các chức năng điều khiển có thể được thực hiện trên nhiều hệ thống bằng cách kết nối với mạng cục bộ. Các hoạt động điều khiển có thể được thực hiện bằng cách chia sẻ dữ liệu thời gian thực và xử lý lệnh.

Trong các loại hệ thống này, kích thước và chi phí của mỗi trạm được giảm xuống tuy nhiên không có giao thức mạng nhất quán. Vì các giao thức là độc quyền, ít người hiểu hơn về bảo mật hệ thống SCADA trong khi cài đặt và yếu tố này bị bỏ qua phần lớn.

Hệ thống SCADA nối mạng

Hệ thống SCADA nối mạng còn được gọi là hệ thống thế hệ thứ ba. Việc kết nối mạng và giao tiếp của các hệ thống SCADA hiện tại có thể được thực hiện bằng hệ thống WAN thông qua đường dữ liệu hoặc điện thoại. Việc truyền dữ liệu giữa hai nút có thể được thực hiện với sự trợ giúp của kết nối Ethernet hoặc cáp quang.

Loại hệ thống SCADA này sử dụng PLC để điều chỉnh và giám sát các hoạt động gắn cờ một cách đơn giản khi cần thiết cho các lựa chọn chính.

Hệ thống SCADA IoT

Hệ thống IoT SCADA là hệ thống thế hệ thứ tư. Trong các hệ thống này, chi phí cơ sở hạ tầng của hệ thống được giảm thiểu bằng cách triển khai IoT thông qua điện toán đám mây . Việc duy trì cũng như tích hợp các hệ thống này rất dễ dàng so với các hệ thống khác.

Trong thời gian thực, tình trạng của các hệ thống này có thể được báo cáo thông qua điện toán đám mây. Do đó, việc thực hiện các thuật toán như điều khiển phức tạp có thể được thực hiện thường được sử dụng trên các PLC thông thường.

SCADA Security

Hiện tại, mạng SCADA được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hiện nay để kiểm tra & kiểm tra dữ liệu thời gian thực, các quy trình công nghiệp có thể được điều khiển, giao tiếp với các thiết bị. Vì vậy hệ thống SCADA rất cần thiết cho các tổ chức công nghiệp vì các hệ thống này bao gồm phần cứng & phần mềm. Vì vậy, bảo mật SCADA cũng rất cần thiết trong các ngành công nghiệp.

Thuật ngữ bảo mật SCADA được sử dụng để bảo vệ các mạng SCADA được chế tạo bằng phần cứng máy tính. Mạng SCADA được một số hệ thống sử dụng là điện lực , khí đốt tự nhiên, vv Các tổ chức tư nhân và chính phủ đã thực hiện các biện pháp của các mạng lưới này vì vai trò quý giá để đảm bảo an ninh của hệ thống SCADA.

Ví dụ về SCADA Security

Các mối đe dọa xảy ra trong hệ thống SCADA bao gồm những điều sau đây.

• Tin tặc
• Khủng bố
• Phần mềm độc hại
• Lỗi bên trong

Sự yếu kém của bảo mật SCADA chủ yếu xảy ra vì những lý do sau.

• Đào tạo kém
• Sơ hở phát triển ứng dụng
• Các vấn đề khi theo dõi
• Bảo trì ít hơn

Hệ thống SCADA có thể được bảo vệ bằng cách ánh xạ tất cả các hệ thống hiện tại, giám sát và phát hiện viện, và tạo các quy trình để bảo mật mạng.

Sự khác biệt giữa PLC và SCADA

Sự khác biệt giữa PLC và SCADA bao gồm những điều sau đây.

SCDA cho nhà máy công nghiệp từ xa

Trong các cơ sở công nghiệp lớn, nhiều quá trình xảy ra đồng thời và mỗi quá trình cần được giám sát, đây là một nhiệm vụ phức tạp. Hệ thống SCADA được sử dụng để giám sát và điều khiển thiết bị trong các quy trình công nghiệp, bao gồm phân phối nước, phân phối dầu và phân phối điện. Mục tiêu chính của dự án này là xử lý dữ liệu thời gian thực và kiểm soát môi trường công nghiệp từ xa quy mô lớn. Trong kịch bản thời gian thực, một hệ thống ghi nhiệt độ cho hoạt động của nhà máy từ xa được thực hiện.

Sơ đồ khối của nhà máy công nghiệp kiểm soát nhiệt độ

Các cảm biến nhiệt độ được kết nối với bộ vi điều khiển, được kết nối với PC ở giao diện người dùng và phần mềm được tải trên máy tính. Dữ liệu được thu thập từ các cảm biến nhiệt độ. Các cảm biến nhiệt độ liên tục gửi tín hiệu đến bộ vi điều khiển để hiển thị các giá trị này trên bảng điều khiển phía trước của nó.

Người ta có thể thiết lập các thông số như giới hạn thấp và giới hạn cao trên màn hình máy tính. Khi nhiệt độ của cảm biến vượt quá điểm cài đặt, bộ vi điều khiển sẽ gửi lệnh đến rơ le tương ứng. Máy sưởi được kết nối qua các tiếp điểm rơ le được TẮT và BẬT.

Đây là một hệ thống ghi nhiệt độ. Tại đây 8 cảm biến nhiệt độ ở chế độ ghép kênh được kết nối với vi điều khiển thông qua ADC 0808. Sau đó giá trị của tất cả các cảm biến được vi điều khiển gửi tuần tự thông qua Max 32 đến cổng com của PC. Phần mềm “Hệ thống DAQ” được tải trên PC sẽ lấy các giá trị này và hiển thị chúng trên bảng điều khiển phía trước của nó, đồng thời ghi chúng vào cơ sở dữ liệu “daq.mdb”.

Người ta có thể đặt bằng cách tương tác một số thông số như điểm đặt, giới hạn thấp và giới hạn cao trên màn hình máy tính. Khi nhiệt độ của một số cảm biến tăng vượt quá điểm đặt, vi điều khiển sẽ gửi lệnh đến IC điều khiển rơle. Các máy sưởi được kết nối qua các tiếp điểm rơ le (cụ thể cho cảm biến đó) được TẮT (hoặc BẬT trong trường hợp ngược lại). Giới hạn cao và giới hạn thấp là để báo động. Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn cao hoặc dưới giới hạn thấp, cảnh báo sẽ được bật.

SCADA cho nhà máy công nghiệp từ xa

Ưu điểm

Những ưu điểm của hệ thống SCADA bao gồm những điều sau đây.

• Chất lượng dịch vụ có thể được cải thiện
• Độ tin cậy có thể được cải thiện
• Chi phí bảo trì ít hơn
• Hoạt động có thể được giảm
• Các thông số hệ thống lớn có thể được giám sát
• Nhân lực có thể giảm
• Thời gian sửa chữa có thể được giảm bớt
• Phát hiện lỗi và bản địa hóa lỗi
• Nó lưu trữ một lượng lớn dữ liệu
• Theo yêu cầu của người dùng, nó hiển thị dữ liệu ở nhiều định dạng khác nhau.
• Hàng nghìn cảm biến có thể được giao tiếp với SCADA để điều khiển và giám sát
• Các mô phỏng dữ liệu thực có thể được thu thập bởi các nhà khai thác
• Cho phản hồi nhanh
• Nó linh hoạt cũng như có thể mở rộng trong khi bổ sung thêm tài nguyên.
• Hệ thống SCADA cung cấp thông tin cơ học và đồ họa tích hợp
• Hệ thống SCADA có thể dễ dàng mở rộng. Chúng tôi có thể thêm một bộ điều khiển và cảm biến theo yêu cầu.
• Hệ thống SCADA có thể hoạt động trong các tình huống quan trọng.

Nhược điểm

Những nhược điểm của hệ thống SCADA bao gồm những điều sau đây.

• Nó phức tạp về các mô-đun và đơn vị phần cứng phụ thuộc.
• Nó cần các nhà phân tích, lập trình và vận hành có kỹ năng để duy trì
• Chi phí lắp đặt cao
• Tỷ lệ thất nghiệp có thể tăng lên
• Hệ thống này hỗ trợ các thiết bị phần cứng và phần mềm bị hạn chế

Các ứng dụng

Các ứng dụng của hệ thống SCADA bao gồm những điều sau đây.

• Sản xuất và phân phối điện
• Phương tiện giao thông công cộng
• Hệ thống nước thải
• Chế tạo
• Ngành & Tòa nhà
• Mạng truyền thông
• Ngành Dầu khí
• Sản xuất, truyền tải và phân phối điện
• Hệ thống phân phối nước và hồ chứa
• Các tòa nhà công cộng như hệ thống sưởi và làm mát bằng điện.
• Máy phát điện và tuabin
• Hệ thống điều khiển đèn giao thông

Vì vậy, đây là tất cả về tổng quan về hệ thống SCADA (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Hệ thống này được điều khiển bằng máy tính, dùng để điều khiển cũng như giám sát các quá trình khác nhau trong thực vật. Hệ thống này sử dụng GUI (giao diện người dùng đồ họa), truyền thông dữ liệu và quản lý mở rộng cho các hệ thống giám sát. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, PLC là gì?

Tín dụng hình ảnh:

• Mạng SCADA chung của mycpanel