Luận văn nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch tại xí nghiệp nước sạch tích lương

ix THÔNG TIN ĐỀ TÀI Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG  Đặt vấn đề Đối với các doanh nghiệp chuyên sản

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÝ THỊ THU HƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO

HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP

NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN - 2019

ii

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Lý Thị Thu Hường

Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Nơi công tác: Trường Cao đẳng nghề số 1 - Bộ Quốc phòng

Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Quốc Đông và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019

Học viên thực hiện

Lý Thị Thu Hường

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Vũ Quốc Đông, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất

để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp

và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019

Học viên

Lý Thị Thu Hường

iv

MỤC LỤC

THÔNG TIN ĐỀ TÀI ix

LỜI MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA 1

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG SCADA 1

1.1.1 Giai đoạn những năm 1940 1

1.1.2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode những năm 1950 2

1.1.3 Hệ thống SCADA được phát minh năm 1960 2

1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA 3

1.2.1 MTU (Master Terminal Unit) 3

1.2.2 RTU (Remote Terminal Unit) 4

1.2.3 Khối truyền thông 5

1.2.4 Giao diện hệ thống SCADA 6

1.3 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI 7

1.3.1 Cấu trúc hệ thống 8

1.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống 8

1.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy 9

1.3.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA 10

1.4 HỆ THỐNG SCADA TRONG KỶ NGUYÊN IOT 12

1.4.1 Hệ thống IoT 12

1.4.2 IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT 13

1.4.3 IoT so với SCADA 14

1.4.4 Tích hợp SCADA và IoT 16

1.4.5 Tương lai của SCADA và IoT 17

1.5 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH 19

1.5.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống 20

1.5.2 Khái quát quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch 21

1.5.3 Cấu hình hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch 23

1.5.4 Cấu hình mạng SCADA - Biến tần cho các trạm bơm 26

v

1.5.5 Các chức năng của hệ thống SCADA 26

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ SCADA CHO XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG 32

2.1 THÔNG TIN VỀ NHÀ MÁY NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG 32

2.1.1 Khái quát chung về nhà máy nước sạch Tích Lương 32

2.1.2 Yêu cầu đối với Hệ SCADA 35

2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA - IoT 37

2.2.1 Lựa chọn phương án 37

2.2.2 Thực thi phần cứng Hardware 38

2.2.3 Thực thi phần mềm Software 46

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM & KẾT LUẬN 48

3.1 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH 48

3.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49

3.3 KẾT LUẬN 53

3.4 ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các tủ điều khiển trong một hệ thống SCADA 1

Hình 1.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4] 4

Hình 1.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU 5

Hình 1.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy 6

Hình 1.5: Phối hợp IoT và SCADA 17

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống cấp nước dùng nguồn nước sông (nước mặt) [13] 21

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống SCADA cho nhà máy cung cấp nước sạch 23

Hình 1.8: Cấu hình cơ bản mạng SCADA biến tần cho trạm bơm 26

Hình 1.9: Mô phỏng trang màn hình giao diện hệ thống phân phối 27

Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý nước trong Nhà máy nước sạch Tích Lương 33

Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ nhà máy nước sạch Tích Lương 34

Hình 2.3: Động cơ bơm 160KW tại trạm bơm cấp 2 35

Hình 2.4: Mác động cơ bơm 160KW 36

Hình 2.5: Cảm biến áp suất 36

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 37

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý Mô đun MCU 42

Hình 2.8: Sơ đồ mạch in khối MCU 42

Hình 2.9: Hình ảnh thực tế Mô đun MCU 43

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mô đun giáo tiếp phần 1 44

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý Mô đun giao tiếp phần 2 44

Hình 2.12: Sơ đồ mạch in mô đun giao tiếp COMU 45

Hình 2.13: Hình ảnh thực tế mô đun giao tiếp COMU 45

Hình 2.14: Giao diện màn hình chương trình lập trình cho mạch điều khiển 46

Hình 2.15: Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển STM32 47

Hình 3.1: Tủ điều khiển trong hệ SCADA 48

Hình 3.2: Màn hình đăng nhập WEB 49

Hình 3.3: Giao diện màn hình Web sau khi đăng nhập thành công 49

vii

Hình 3.4: Màn hình Web thể hiện kết quả đảm bảo áp suất đặt 3.0 Bar 50

Hình 3.5: Màn hình WEB Điều khiển- Giám sát hệ thống 50

Hình 3.6: Màn hình cài đặt thông số điều khiển cho hệ thống 51

Hình 3.7: Biểu đồ Áp suất đường ống chính của hệ thống 51

Hình 3.8: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo giờ 52

Hình 3.9: Biểu đồ sản lượng tiêu thụ nước theo ngày 52

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

MTU Master Terminal Unit

RTU Remote Terminal Unit

TCP\IP Transmission Control Protocol and Internet Protocol CNTT Công nghệ Thông Tin

IOS Data Input/Output Modules

HMI Human- Machine Interface

HDC Historical for Data Collection Storage

GW Gateway for Inter-LAN Comunication

APPS Aplication Calculation and Processing Module VDU Video Display Unit

GIS Geographic Information System

IoT Internet of Things

IoT-GSI Global Standards Initiative on Internet of Things KPI Key Performance Indicator

TTĐĐCTY Trung tâm điều độ công ty

PĐĐXN Phòng điều độ xí nghiệp

PĐ ĐNM Phòng điều độ nhà máy

DMA Direct Memory Access

MIS Managerment Information System

GIS Geographic Information System

ix

THÔNG TIN ĐỀ TÀI

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH TẠI XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG

 Đặt vấn đề

Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước,

ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành

và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước…

và trong tương lai quản lý đến tận từng địa chỉ, từng hộ tiêu thụ nước

Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến

có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp

có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn Và một điều hiển nhiên là theo một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch Việc ứng dụng công nghệ SCADA chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách Luận văn nhằm giới thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn những mục tiêu nêu trên

Kết quả của luận văn ngoài việc cung cấp các kết quả về mặt lý thuyết giúp cho việc học tập và nghiên cứu còn có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tế

 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng thành công lý thuyết tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng Cụ thể trong luận văn này tôi thiết kế, thi công cả về phần cứng và phần mềm cho hệ SCADA cho hệ thống cung

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết để giải quyết thành công về mặt lý thuyết cho

hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch từ đó kiểm nghiệm thông qua hệ thống thực

* Phương pháp nghiên cứu:

- Lý thuyết:

+ Tìm hiểu công nghệ, yêu cầu của hệ điều khiển

+ Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống SCADA

+ Nghiên cứu lý thuyết về IoT để ứng dụng nâng cao chất lượng của hệ SCADA thông qua mạng internet tốc độ cao

Chương 1: Tổng quan về về hệ SCADA

Tổng quan về về hệ SCADA nói chung và hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch nói riêng

Chương 2: Thiết kế hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch

xi

Nghiên cứu các yêu cầu của hệ SCADA cho hệ thống cung cấp nước sạch, từ

đó xây dựng phần cứng và viết phần mềm cho hệ thống

Chương 3: Mô phỏng, thực nghiệm, kết luận và kiến nghị

Từ những nghiên cứu về mặt lý thuyết, thực hiên mô phỏng trên mô hình hệ thống (trên phần mềm dùng cho HMI và PLC, chương trình cho Vi điều khiển), sau

đó tiến hành thực nghiệm kiểm nghiệm kết quả

 Các công cụ và thiết bị nghiên cứu

- Máy tính cá nhân có cài đặt phần mềm chuyên dụng, lập trình C

- Tất cả các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho đề tài

xii

LỜI MỞ ĐẦU

Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước,

ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành

và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước…

và trong tương lai quản lý đến tận từng địa chỉ, từng hộ tiêu thụ nước

Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến

có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp

có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn Và một điều hiển nhiên là theo một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch Việc ứng dụng công nghệ SCADA chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách Luận văn nhằm giới thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn những mục tiêu nêu trên

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập

dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết

và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông [1] [2]

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG SCADA

1.1.1 Giai đoạn những năm 1940

Từ những năm 1940, yêu cầu vận hành các thiết bị điện ở các địa điểm khác nhau dẫn đến nhu cầu xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát các thiết bị đó Cách tiếp cận đầu tiên để xây dựng hệ thống này là sử dụng cặp đôi dây hoặc nhiều cặp đôi dây giữa các địa điểm Mỗi cặp đôi dây vận hành một thiết bị duy nhất Điều này làm tăng chi phí Tuy nhiên đây là sự cần thiết để vận hành các thiết bị thường xuyên Đồng thời có khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng nếu xảy ra lỗi

Hình 0.1: Các tủ điều khiển trong một hệ thống SCADA

Để tiết kiệm chi phí hơn, vấn đề cần giải quyết là làm thế nào để chỉ sử dụng một đôi dây mà có thể điều khiển nhiều thiết bị Trong thời gian này, các công ty điện thoại phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm Công nghệ này được đưa vào

2

đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát để tăng tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí, giảm

số lượng đi dây Do sử dụng chung đôi dây và cần thiết điều khiển thiết bị chính xác, một khung làm việc lựa chọn/kiểm tra/thao tác được đưa ra [3]

1.1.2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode những năm 1950

Khi điện thoại kiểu xung phát triển, công ty Westing house liên kết với công ty North Electric đã phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode dựa trên cách đếm

số xung Mã Visicode sử dụng 2 cửa sổ trễ để tạo xung và đếm số xung Cửa sổ ngắn

sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra một thiết bị Cửa số lớn sử dụng cho một lựa chọn/kiểm tra cho một nhóm thiết bị Hàng nghìn thiết bị này đã được sử dụng trong các năm 1950 – 1960

Năm 1960 – 1970, Công ty Westing house phát triển hệ thống giám sát Solid state gọi là REDAC Hệ thống này sử dụng khung dữ liệu cố định Hệ thống này cũng

sử dụng lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác GE cũng phát triển hệ thống tương tự có tên gọi là GETAC

Để giảm bớt sự vất vả trong việc lưu trữ dữ liệu đọc được mỗi giờ của người trực vận hành, hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được đưa ra Phiên bản đầu tiên của hệ thống này có trước cả hệ thống Solid State và hệ thống đo lường xa Tuy nhiên, phải đến khi hệ thống Solid state ra đời và sự phát triển của máy tính thì hệ thống này mới được đưa vào sử dụng

1.1.3 Hệ thống SCADA được phát minh năm 1960

Hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu điều khiển giám sát thực sự phát triển sau khi máy tính trở nên phổ biến Giữa năm 1960, Westing house và GE đã xây dựng bộ

xử lý cho hệ thống này Westing house gọi là PRODAC và GE gọi là GETAC Do yêu cầu phức tạp, đòi hỏi máy chủ máy chủ phải cung cấp tất cả các chức năng của một hệ thống SCADA Chức năng chính của máy chủ là quét dữ liệu, giám sát dữ liệu và các trạng thái Bên cạnh đó là cảnh báo nếu thay đổi, hiển thị dữ liệu, hiển thị

dữ liệu trên màn hình, lưu dữ liệu theo chu kỳ Hầu hết hệ thống SCADA làm việc bằng cách quét liên tục Máy chủ gửi các yêu cầu dữ liệu đến đầu xa và đầu xa trả lời

3

1.2 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập

dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết

và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết

kế để thực hiện các chức năng sau:

* Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

* Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

* Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

* Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy

1.2.1 MTU (Master Terminal Unit)

MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông

Nhiệm vụ của MTU bao gồm:

* Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành

* Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

* Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển

* Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác

4

Hình 0.2: Sơ đồ một hệ thống SCADA [4]

1.2.2 RTU (Remote Terminal Unit)

Thuật ngữ RTU được sử dụng từ những năm 1960 RTU được cung cấp bởi các nhà sản xuất SCADA RTU gồm các khối chức năng, có các card mạch in Nó thường lắp đặt trong một tủ thiết bị, tiện dụng có thể treo tường trong các trạm biến áp xa Hầu hết RTU hoạt động dựa trên nguyên lý quét liên tục Chúng có thể đáp ứng nhanh

để điều khiển theo sự kiện trong một môi trường nhiều tạp âm RTU cũng sử dụng lược đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác được sử dụng trong vận hành điều khiển Trong những năm 1960 -1970, các giao thức truyền thông của RTU được độc quyền bởi các nhà sản xuất RTU

5

Hình 0.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu

và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà không cần định hướng của MTU Cấu trúc cơ bản của RTU gồm có bộ giao tiếp truyền thông, bộ điều khiển trung tâm, hệ thống input/output số Một hệ thống SCADA lớn có thể có hàng trăm RTU

1.2.3 Khối truyền thông

Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng

và phần mềm

 Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các

thiết bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây - wireless), các trạm lặp – Repeater (trong trường hợp truyền đi xa)

6

 Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập

trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau

CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức có thể là giao thức mở như TCP\IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin được tổ chức theo

mô hình 7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác động tại chỗ

1.2.4 Giao diện hệ thống SCADA

Về giao diện, ban đầu hệ thống SCADA sử dụng một bảng điều khiển với các nút bấm để lựa chọn, thao tác các thiết bị Các thông tin giám sát được hiển thị sử dụng các bộ hiển thị số Các cảnh báo được được đưa ra theo một danh sách qua máy

in Từ cuối 1960, màn hình CRT được sử dụng cho giao tiếp người/máy Phiên bản đầu tiên sử dụng các ký tự trắng đen trên CRT Màn hình CRT được sử dụng để hiển thị dữ liệu và trạng thái Chúng được biểu diễn dưới dạng bảng, danh sách cảnh báo, xóa các danh sách cảnh báo Bàn phím được sử dụng thay cho các nút bấm trên bảng điều khiển

Hình 0.4: Màn hình giao diện giao tiếp người/ máy

7

Năm 1970, màn hình CRT màu ra đời Màn hình này có các ký tự đồ họa cho phép biểu diễn sơ đồ một sợi mạch điện với các khóa, chuyển mạch động Các giá trị đo lường như điện áp, dòng điện, công suất có thể biểu diễn trên sơ đồ một sợi và được cập nhật thường xuyên Năm 1980, CRT ảnh màu đầy đủ cho phép vẽ sơ đồ một sợi

ở mức tinh xảo hơn Nó có thể phóng to, thu nhỏ, chi tiết hóa hơn từng chi tiết Trên

sơ đồ này, người vận hành có thể lựa chọn thiết bị, xác nhận lựa chọn thiết bị, thao tác điều khiển thiết bị

1.3 CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET

và cả mạng Internet Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet Mặt khác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA hiện đại cho phép dữ liệu thời gian thực từ nhà máy tới khắp mọi nơi trên thế giới Việc truy cập thông tin thời gian thực này cho phép các chính phủ, doanh nghiệp và cá nhân đưa ra quyết định theo hướng dữ liệu về cách cải thiện quy trình của họ Nếu không có phần mềm SCADA, sẽ vô cùng khó khăn nếu không thể thu thập đủ dữ liệu để có quyết định sáng suốt

Ngoài ra, hầu hết các ứng dụng SCADA hiện đại có khả năng phát triển ứng dụng nhanh (RAD) cho phép người dùng thiết kế ứng dụng tương đối dễ dàng, ngay

cả khi họ không có kiến thức sâu rộng về phát triển phần mềm

Việc đưa các tiêu chuẩn và thực hành Công nghệ Thông Tin (CNTT) hiện đại như SQL và các ứng dụng dựa trên web vào phần mềm SCADA đã cải thiện đáng kể hiệu quả, bảo mật, năng suất và độ tin cậy của các hệ thống SCADA

Dữ liệu lịch sử từ một hệ thống SCADA cũng có thể được ghi vào cơ sở dữ liệu SQL, cho phép phân tích dữ liệu dễ dàng hơn thông qua xu hướng dữ liệu

1.3.1 Cấu trúc hệ thống

Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được xây dựng theo cấu trúc phân

bố, trong đó máy chủ được phân bố trên một số các bộ xử lý được nối với nhau thông qua mạng cục bộ (LAN) Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất định như: thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một số bộ xử lý dùng để

dự phòng

Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client – Server

Với:

* IOS: module các ngõ vào ra dữ liệu (Data Input/Output Modules)

* HMI: module giao tiếp giữa người và máy (Human- Machine Interface)

* HDC: module lưu trữ dữ liệu thu thập được trong quá khứ (Historical for Data Collection Storage)

* GW: cổng giao tiếp cho mạng LAN (Gateway for Inter-LAN Comunication)

* APPS: module tính toán và xử lý ứng dụng (Aplication Calculation and Processing Module)

1.3.2 Các đặc tính chính của hệ thống

Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau:

* Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển

* Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu

* Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System)

* Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP

9

* Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp

* Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác

* Khả năng tích hợp tín hiệu Video động

* Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và Client

1.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy

Về phần giao tiếp giữa người và máy, các hệ thống SCADA ngày nay được trang bị các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit), hiển thị đầy đủ hình ảnh đồ họa của các quá trình Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và bàn phím, các nút điều khiển được thay thế bằng các biểu tượng (Icon) trên màn hình Chúng được tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tượng trên màn hình đối với các màn hình cảm ứng

Các thiết bị đó giúp cho người điều hành có khả năng:

* Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị

* Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được cập nhật

* Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống

* Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng như nhận biết dữ liệu (Ví dụ: các màu khác nhau cho các trạng thái khác nhau)

Ngoài ra các VDU chạy trên môi trường Windows hay Windows-X còn giúp điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, và truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau

Về các RTU, không còn là những thiết bị thụ động nữa mà chúng làm nhiệm vụ thu thập và lưu giữ dữ liệu vùng Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiện tại các RTU

Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết

bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa… Các RTU có thể được kết nối theo kiểu phân bố hoặc kiểu phân cấp Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ

10

Về cơ sở dữ liệu, các dữ liệu được lưu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa được tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng như các cảnh báo Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố Cơ sở

dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin MIS (Managerment Information System) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) Ngoài ra, các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password

 Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí

 Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu

 Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện

Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển trong các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác

Đối với một nhà máy hiện đại, khi xây dựng và đưa vào hoạt động, để có thể tạo ra được sản phẩm đạt yêu cầu về chất lượng, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của thị trường, nhà máy cần được trang bị các máy móc hiện đại, đạt được các tiêu chuẩn về chất lượng và môi trường, độ an toàn, năng suất và tiết kiệm Chính vì thế, việc tích hợp tự động hóa nhà máy là một yêu cầu bức thiết được ra Các hạng mục sản xuất được trang bị máy móc tự động, phần mềm điều khiển hiện đại để tiết kiệm nhiên liệu, điện năng, nhân công và đảm bảo chính xác theo yêu cầu

Thông thường SCADA được chia ra làm 3 cấp:

 Cấp vận hành (Cấp trường):

11

Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi hoạt động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ đặt ra

 Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển):

Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tình trạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI-Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel)

 Cấp giám sát, quản lý:

Có 2 hình thức tương đương nhau:

+ Giám sát tại nhà máy (Tại nhà vận hành):Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số, tình trạng thiết bị và toàn bộ hoạt động của dây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòng điều khiển qua đó có thể nắm được tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kế hoạch sản xuất, truyền tải, v.v

+ Giám sát từ xa (Tại trung tâm): Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại đây có thể theo dõi, giám sát mọi họat động của nhà máy thông qua máy tính được kết nối từ xa qua mạng Từ đó có kế hoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng Tại trung tâm, nhà quản lý không chỉ thu nhận và giám sát các thông tin liên quan đến các nhà máy điện từ xa qua mạng mà còn giám sát và quản lý nhiều hệ thống khác: trung tâm dữ liệu (thu thập toàn bộ các dữ liệu chuyên nghành và tích hợp vào các hệ thống con của tầng dữ liệu, truyền hình hội nghị (tele conference), tổng đài điện thoại (PABX), bán hàng & thương mại điện tử (e-commerce), tư vấn và các dịch

vụ điện tử sử dụng nội bộ và cho thuê, …Tất cả các dịch vụ này đều không chỉ thuần túy về kỹ thuật và còn liên quan đến các vấn đề về thông tin, quản lý, bán hàng, định hướng, phát triển và các dịch vụ giá trị gia tăng

Hệ thống SCADA sẽ xây dựng hoàn toàn có thể tích hợp để giám sát từ xa trên cùng một máy tính tại trung tâm, luồng dữ liệu thu thập từ nhà máy được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu nên hoàn toàn có thể dùng để tạo các báo về các họat động có liên quan Tuy nhiên hệ thống điều khiển giám sát SCADA vẫn hoạt động độc lập mà

và "thiết bị thông minh"), và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện

tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu [5] [6] [7] Năm 2013,

tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) đinh nghĩa IoT

là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp," [7] và với mục đích ấy một

"vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông" Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người Khi IoT được kết hợp với các cảm biến và

cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo-thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như lưới điện thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu Các chuyên gia dự báo rằng Internet Vạn Vật sẽ có chừng 30 tỉ thiết bị trước năm 2020 [8]

Về cơ bản, Internet Vạn Vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy-máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng Kết nối các

13

thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh), được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên

tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh [9]

1.4.2 IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT

Kết nối các thiết bị công nghiệp và điều khiển thông qua Internet; là một vấn đề cực kỳ hấp dẫn đối với các ngành kỹ thuật Các nhà máy tại Việt Nam chúng ta hiện nay, các thiết bị điều khiển hầu hết được kết nối với PLC, DCS hoặc SCADA điều khiển tự động hoặc bán tự động

Nhưng khi ứng dụng của IoT được áp dụng vào trong nhà máy Việc quản lý các hệ thống này được thông qua Internet Người quản lý không cần đến nhà máy cũng biết được; các thông số của máy móc hoạt động ra sao Và hơn hết chúng ta có thể điều khiển các thiết bị, được kết nối ở bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua Internet

Như vậy thông qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy, chúng ta sẽ biết được máy móc vận hành ra sao, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu có trong bồn chứa, các nguyên vật liệu trong từng silo,…

Các yếu tố cần thiết để kết nối thiết bị công nghiệp với hệ thống Internet là:

 Các cảm biến trong nhà máy phải kết nối được với truyền thông Modbus

 Từ truyền thông Modbus phải thông qua bộ chuyển đổi trung gian từ Modbus lên Internet

 Để truy cập vào hệ thống của nhà máy Chúng ta cần thêm Webserver

Ba yếu tố cơ bản để kết nối các thiết bị lên Internet Nhưng để các thiết bị cảm biến này hoạt động đúng theo yêu cầu cụ thể của từng khu vực, thì chúng tôi phải lập trình hệ thống theo yêu cầu cụ thể cho từng cảm biến, từng khu vực của nhà máy Ngày nay với các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong ngành công nghiệp 4.0 để tránh các rủi ro về độ bảo mật của hệ thống Để can thiệp vào hệ thống quản lý và điều hành thiết bị của nhà máy phải thông qua các bước bảo mật Hệ thống truy cập vào phần điều khiển sẽ bị hạn chế đến mức tối đa Chủ yếu là để theo dõi và quản lý hiệu quả nhất thiết bị

14

Ứng dụng của IoT trong sản xuất thông minh có thể hình dung đơn giản, máy móc trở nên thông minh hơn nhờ được gắn những cảm biến, được kết nối internet và liên kết với nhau qua một hệ thống để có thể tự nắm bắt toàn bộ quy trình sản xuất rồi đưa ra quyết định Sản phẩm cũng thông minh hơn nhờ các cảm biến, thông báo cho máy móc biết chúng cần được xử lý như thế nào Các quy trình sẽ “có quyền tự trị” trong hệ thống module phân cấp các thiết bị thông minh làm việc với nhau qua mạng không dây hoặc thông qua “đám mây”, các cảm biến, cơ cấu chấp hành và điều khiển cho phép máy móc liên kết với nhau, liên kết đến các hệ thống mạng khác và giao tiếp với co người, các mạng thông minh này sẽ là nền tảng của các “nhà máy thông minh”, “nhà máy số”

Sản xuất thông minh từng là viễn cảnh nay đã trở thành hiện thực Điều này được minh chứng khi Siemens ra mắt nhà máy điện tử Amberg Siemens được số hóa hoàn toàn tại Đức, vào năm 2013 Tại đây, quá trình sản xuất hoàn toàn tự động nhờ các dây chuyền sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển hoàn toàn tự động đảm bảo nguyên liệu được đưa từ nhà kho đến máy sản xuất trong vòng 15 phút Nhà máy vận hành 3 ca mỗi ngày, với hơn 3 triệu sản phẩm xuất xưởng mỗi năm [10]

Lợi ích của ứng dụng của IoT vào trong công nghiệp:

 Tận dụng máy móc thiết bị tăng 3% – 5%

 Tăng năng suất 10% – 15%

 Giảm thời gian ngừng hoạt động 1% – 5%

 Giảm giá thành 15% – 30%

 Giảm giờ làm thêm của lao động kỹ thuật 20% -25 %

1.4.3 IoT so với SCADA

Dễ cài đặt, giảm chi phí, tăng độ chính xác dữ liệu và kiểm soát và giám sát từ

xa trên toàn thế giới là tất cả những điều mà IoT cung cấp cho các ngành công nghiệp sản xuất Tuy nhiên, vì IoT là một công nghệ tương đối mới liên quan đến SCADA

và PLC, nên các khả năng của nó có thể thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại Điều đó đang được nói, khi SCADA bắt đầu, nó cho phép các hệ thống của các nhà sản xuất hoạt động cùng nhau trong thời gian thực,

15

giống như IoT đang làm Do đó, rất rõ ràng rằng sức mạnh của các hệ thống SCADA

và khả năng công nghệ của nó vẫn có liên quan ngay cả trong công nghiệp 4.0 Tuy nhiên, nơi mà nó thiếu, đang xử lý phần còn lại của một doanh nghiệp để tạo ra một

hệ sinh thái thực sự kết nối [11]

Hiện tại, IoT đang cách mạng hóa SCADA bằng cách cung cấp nhiều tiêu chuẩn hóa và cởi mở hơn IoT cũng đang cung cấp khả năng mở rộng, khả năng tương tác

và bảo mật nâng cao bằng cách giới thiệu khái niệm về nền tảng IoT Về cơ bản, cả hai nền tảng đều được sử dụng để tăng năng suất tổng thể bằng cách tích hợp bảo trì thông minh Cũng như giảm chất thải, tăng hiệu quả, giảm thời gian chết và kéo dài tuổi thọ thiết bị

Thông tin được tạo từ các hệ thống SCADA hoạt động như một trong những nguồn dữ liệu cho IoT Trọng tâm của SCADA là giám sát và kiểm soát Trong khi

đó, IoT tập trung hơn vào việc phân tích dữ liệu máy để cải thiện năng suất và tác động đến dòng sản phẩm hàng đầu của bạn IoT về cơ bản là một đỉnh cao của những tiến bộ trong khả năng kết nối của mạng phần cứng và dữ liệu mà SCADA cung cấp Cũng như điện toán đám mây và xử lý dữ liệu bit Nói tóm lại, IoT bắt đầu khi SCADA và PLC kết thúc

Vì vậy, trong khi thị trường IoT vẫn đang trong giai đoạn đầu sản xuất, nó có thể cùng tồn tại với SCADA IoT đang mang đến một làn sóng các mô hình kinh doanh và công nghệ mới đang thay đổi cục diện của SCADA Tuy nhiên, mô hình SCADA luôn là một mô hình linh hoạt cho sự thay đổi trong ngành

Nếu bạn đã có sẵn hệ thống SCADA, bạn có thể tích hợp giải pháp IoT với hệ thống SCADA của mình và thu thập dữ liệu từ máy Hệ thống thu thập dữ liệu (DAS) Bằng cách tận dụng sức mạnh và khả năng mở rộng của IoT, bạn có thể sử dụng dữ liệu được thu thập để tạo ra một loạt các báo cáo như báo cáo Hiệu quả Thiết bị Tổng thể, Báo cáo Dữ liệu Sản xuất cũng như báo cáo tiện ích (gas, nước, điện)

Trong tương lai, có khả năng các hệ thống SCADA sẽ phát triển thành các hệ thống IoT Thiết bị và PLC sẽ trở nên thông minh hơn và có thể tích hợp các nền tảng

16

đám mây khác nhau Điều này sẽ cho phép các nền tảng bảo mật mới sẽ bảo mật hơn nữa bất kỳ dữ liệu nào được ghi lại Điều này có nghĩa là những cải tiến sẽ tiết kiệm tiền có thể được thực hiện

SCADA là về việc cho phép con người tương tác từ xa với một quy trình Trong khi đó IoT thường được sử dụng như một công cụ giao tiếp giữa máy với máy Thay

vì một cái gì đó tồn tại chủ yếu để trình bày thông tin cho một con người Đó chỉ là một phần nhỏ trong quá trình của nó IoT đảm bảo rằng thông tin được chia sẻ với cả người và máy, thay vì chỉ người Nói tóm lại, nó đảm bảo rằng tất cả mọi người và mọi thứ đều được giữ vùng kết nối mọi lúc

1.4.4 Tích hợp SCADA và IoT

Phải thừa nhận rằng, nền tảng SCADA đang thiếu những đổi mới đặc biệt, nếu không, nhu cầu về IoT sẽ tốt hơn nhiều SCADA hiện đang bị ảnh hưởng bởi các khái niệm và giải pháp IoT đang nhanh chóng được tích hợp vào kiến trúc SCADA Điều này được thực hiện một cách liền mạch đến nỗi chúng ta sẽ không bao giờ nhận thấy

17

Hình 0.5: Phối hợp IoT và SCADA

1.4.5 Tương lai của SCADA và IoT

Cả SCADA và IoT đều liên quan đến cảm biến và thu thập dữ liệu Mặc dù chúng khác nhau về nhiều mặt, cả hai đều có chung một mục tiêu Việc tối ưu hóa việc sử dụng và cuối cùng là kiểm soát tốt hơn một số thiết bị hoặc một quy trình Toàn bộ ý tưởng về lưới điện thông minh dẫn đến tích hợp SCADA và IoT Vì SCADA không phải là một hệ thống điều khiển đầy đủ, thay vào đó là một hệ thống máy tính tập hợp và phân tích dữ liệu thời gian thực, rất hữu ích trong việc giám sát

và kiểm soát nhà máy hoặc thiết bị công nghiệp Nó sẽ thu thập thông tin về một rủi

ro, chuyển nó trở lại một trang web trung tâm và cảnh báo trạm nhà Sau đó, nó sẽ thực hiện bất kỳ phân tích và kiểm soát cần thiết nào và hiển thị thông tin theo cách hợp lý và có tổ chức để con người giải thích và sử dụng theo đó

Internet of Things được tạo thành từ một mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối thông qua nhúng điện tử, thiết lập phần mềm, bộ cảm biến và kết nối mạng, tất cả hoạt động cùng nhau để các đối tượng kết nối và trao đổi dữ liệu IoT cho phép các đối tượng được cảm nhận hoặc điều khiển từ xa trên các cơ sở hạ tầng mạng khác nhau Do đó, nó tạo ra cơ hội tích hợp trực tiếp hơn thế giới vật lý vào các hệ thống

18

dựa trên máy tính Điều này dẫn đến cải thiện hiệu quả, độ chính xác và lợi ích kinh

tế và cũng cắt giảm sự can thiệp của con người

Cả hai nền tảng đều cung cấp rất nhiều lợi thế, cũng như một số lỗ hổng Dự đoán đến năm 2020, 50 tỷ thiết bị hoặc đồ vật sẽ được kết nối với internet Do đó, sự năng động của một hệ thống kiểm soát dựa trên Internet đang trở thành hiện thực sống động Công nghiệp 4.0 là một kỷ nguyên trong đó xu hướng trao đổi dữ liệu trong các công nghệ sản xuất đang cho phép chuyển từ hệ thống SCADA truyền thống sang

hệ IoT Với SCADA, các hệ thống vật lý không gian mạng, Internet vạn vật, điện toán đám mây và điện toán nhận thức, Công nghiệp 4.0 là thời đại sẽ thay đổi động lực của toàn bộ ngành công nghiệp tự động hóa

Mặc dù mỗi phân khúc thị trường có thể khác nhau, có những nhu cầu khác nhau, nhưng về tổng thể, SCADA và IoT là ý tưởng để tập trung hóa dữ liệu và trực quan hóa để có thể giám sát và điều khiển từ xa Điều này sẽ cung cấp các cải tiến hoạt động thông qua khả năng hiển thị và tiêu chuẩn hóa toàn doanh nghiệp, đây là cách phổ biến để xem dữ liệu vận hành về tính nhất quán của chất lượng, quy trình sản xuất và Key Performance Indicator (KPI) – chỉ số đánh giá thực hiện công việc Như vậy những hiệu quả của việc đầu tư hệ thống SCADA-IoT có thể thấy rõ ràng:

 Cải thiện hiệu quả kỹ thuật – giảm chi phí kỹ thuật và độ phức tạp cần thiết

để xây dựng và duy trì hệ thống vì có một số module chức năng đã tự động làm thay con người những việc phức tạp 24/7

 Quản lý vòng đời tài sản nâng cao – giảm chi phí nâng cấp và bảo trì vì hệ thống đã có sự cảnh báo và ghi nhận dữ liệu thời gian thực

 Trao quyền cho các hoạt động – tăng hiệu quả hoạt động từ thông tin mạnh

mẽ hơn và đơn giản hóa khả năng sử dụng

 Luôn có thông tin chính xác về những gì đang diễn ra – giúp bạn phản ứng nhanh với những thay đổi hay sự cố trong sản xuất và kinh doanh

 Tăng khả năng hiển thị trên toàn mạng lưới sản xuất

19

 Cải thiện sự tuân thủ quy định trong sản xuất – an toàn trong nhà máy và chất lượng sản phẩm do hệ thống đã tự động cảnh báo khi có vấn đề xảy ra

 Chuẩn hóa các hoạt động của doanh nghiệp theo đúng những gì đã cam kết –

hệ thống thu thập và giám sát tự động SCADA IoT sẽ đảm bảo mọi luồng công việc hoạt động đúng và theo sát các KPI cần thiết theo thời gian thực [11]

1.5 HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH

Vấn đề cung cấp nước sạch cho sinh hoạt cũng như các hoạt động khác là rất quan trọng đối với con người, và điều này đặt ra yêu cầu phải biết các thông tin liên quan đến mức tiêu thụ, các nguồn cung cấp nước thô và hoạt động sản xuất nước sạch Điều này liên quan đến việc giám sát liên tục quá trình cấp nước để cho phép mọi vấn đề có thể được giải quyết, đồng thời, duy trì các thông số hoạt động bình thường Vấn đề này đặt ra yêu cầu thực hiện các giải pháp liên quan đến tự động hóa

và giám sát bao gồm: hệ thống giám sát và điều khiển theo thời gian thực, bộ điều khiển logic lập trình PLC với các chức năng cơ bản như các thư viện (giao tiếp, điều khiển, đo lường, v.v…), hệ thống truyền thông, giao diện tiêu chuẩn hoặc cảm biến chuyên dụng, các yếu tố về điện, thiết bị đo lường, v.v… Các hệ thống công nghệ thông tin có khả năng ngăn ngừa một số hiện tượng, bằng cách phân tích và xử lý dữ liệu, dẫn đến khả năng tối ưu các bài toán kinh tế - kỹ thuật Theo hướng này, luận văn sẽ trình bày một hệ thống SCADA để theo dõi và kiểm soát các thông số công nghệ trong các trạm phân phối nước, cho phép hoạt động tối ưu của hệ thống bơm, khả năng mở rộng cũng như đảm bảo khai thác bền vững thiết bị, và nhờ đó có thể sử dụng năng lượng hiệu quả và quản lý tối ưu hệ thống cung cấp nước sạch

Đối với các doanh nghiệp chuyên sản xuất và cung cấp nước sạch, vấn đề nâng cao hiệu quả trong vận hành các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống cung cấp nước sạch là một đòi hỏi cấp bách nhằm đến các mục tiêu: ổn định chất lượng nước,

ổn định áp lực nước, quản lý lượng nước khai thác và lượng nước tiêu thụ, vận hành

và quản lý hệ thống máy móc thiết bị, quản lý hệ thống đường ống cung cấp nước, v.v… Luận văn giới thiệu những vấn đề cơ bản nhất của việc ứng dụng công nghệ

20

SCADA nhằm nâng cao năng lực quản lý, điều hành sản xuất và cung cấp nước sạch nhằm thỏa mãn những mục tiêu nêu trên [12]

1.5.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống

Từ hiện trường (nơi đặt các thiết bị, máy móc của dây chuyền sản xuất và hệ thống đường ống, trong tương lai là toàn bộ các địa chỉ và hộ tiêu dùng nước) các cảm biến(S) đưa tín hiệu đo: Đến modul vào/ra (I/O) và đến PLC Thông tin tại PLC được xử lý sơ bộ và truyền lên máy tính chủ, người thao tác có thể tác động đến bất

kỳ điểm nào trên hiện trường thông qua các cơ cấu chấp hành Hoạt động của hệ SCADA sẽ đảm bảo:

 Điều khiển tự động các thiết bị, máy móc rời rạc và các thiết bị, máy móc quá trình liên tục

 Giám sát tự dộng liên tục toàn bộ quy trình sản xuất (ở doanh nghiệp cấp nước

là quá trình sản xuất của nhà máy và mạng đường ống cung cấp nước sạch)

 Thông báo thông tin đầy đủ về lỗi và trạng thái làm việc của thiết bị, máy móc (ở doanh nghiệp cấp nước chủ yếu là các bơm, van, biến tần)

 Thu thập và lưu trữ dữ liệu những thông tin phục vụ quản lý và điều hành (ở doanh nghiệp cấp nước là những thông tin chính, mức nước bể chứa, áp lực, lưu lượng, điện năng tiêu thụ, chất lượng nước

 In ấn báo cáo kết quả các dữ liệu giám sát

Như vậy, có thể dễ thấy rằng: để đảm bảo can thiệp (tức điều khiển) quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch thì các cơ cấu chấp hành phải đảm bảo có tính năng nhận và chấp hành tín hiệu điều khiển Ví dụ: các van trên đường ống phải là van điện, các động cơ điện phải có các khí cụ hoặc thiết bị cấp nguồn có khả năng nhận tín hiệu điều khiển để đóng, cắt nguồn hoặc thay đổi giá trị (có thể là tần số) nguồn cấp để đảm bảo khởi động- dừng hoặc thay đổi tốc độ Một thực trạng ở đa phần các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống đường ống là các van chủ yếu là van cơ, các động cơ điện chủ yếu được cấp điện từ khởi động từ Chính vì vậy, để khai thác tính năng điều khiển của hệ SCADA thì phải nâng cấp các thiết bị, máy móc tại hiện

21

trường, nhưng điều này đòi hỏi nguồn vốn lớn Đây thực sự là một vấn đề khó cho các doanh nghiệp Nhưng không vì thế mà không ứng dụng công nghệ SCADA, mà xét về nhiều mặt có thể khẳng định: nên ứng dụng công nghệ SCADA vào quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch trước để nâng cao hiệu quả điều hành, quản lý và sau

đó sẽ nâng cấp dần thiết bị- máy móc tại hiện trường Và đây có thể coi (một cách thận trọng) là một phương pháp đi tắt đón đầu, có tác dụng thúc đẩy và thay đổi nhận thức của toàn thể cán bộ kỹ thuật, quản lý trong doanh nghiệp, đẩy nhanh công cuộc hiện đại hóa quá trình sản xuất

1.5.2 Khái quát quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch

Hình 0.6: Sơ đồ hệ thống cấp nước dùng nguồn nước sông (nước mặt) [13]

Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến

có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc điểm:

22

các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công ty… cách

xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn Và một điều hiển nhiên là theo một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch Việc ứng dụng công nghệ SCADA chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách

Trong đó, cần chú ý: hệ thống đường ống là một mạng gồm nhiều đường ống

có kích thước khác nahu và mạng này luôn phát triển cùng với mức phát triển các địa chỉ và hộ tiêu dùng nước sạch

Với quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch một cách đơn giản này, cũng dễ nhận thấy ngay rằng: để nâng cao hiệu quả điều hành quá trình này, cần phải trực quan giám sát liên tục các thông số kỹ thuật sau:

 Lượng nước thô khai thác: thông số này liên quan đến phí phải trả về khai thác tài nguyên và là một thông số liên quan đến đánh giá tổn thất nước

 Các thông số đo lường cần giám sát/ lưu trữ của quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, gồm: mức nước trong bể nước thô/ nước sạch/các bể thuộc các công đoạn của quá trình xử lý nước/hàm lượng clo dư/ các áp lực nước trên các đường ống(

cả trong nhà máy và các điểm cần thiết trên mạng đường ống cung cấp nước sạch)/độ PH/độ đục/độ lắng cặn

 Lượng nước sạch cung cấp: tại đầu ra của nhà máy tổng lượng nước sạch tại các hố và địa chỉ tiêu dùng nước Thông số này liên quan đến thu tiền nước và việc đánh giá tổn thất nước cũng như hiệu quả sản xuất kinh doanh

 Tình trạng kỹ thuật của các thiết bị, máy móc trong nhà máy, gồm: thông báo trạng thái tức thời chất lượng kỹ thuật, lượng điện năng tiêu thụ…

Như vậy, tất cả các thông tin trên cần phải được thể hiện trực quan sinh động trên các màn hình đặt tại các phòng chức năng liên quan đến điều khiển/ giám sát/ và thu thập dữ liệu Điều này hoàn toàn được thỏa mãn bởi hệ SCADA với phần mềm chuyên dụng cho ngành nước cũng những thiết bị phần cứng tương thích