(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​

TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG

Từ những năm 1940, nhu cầu vận hành thiết bị điện tại nhiều địa điểm đã thúc đẩy việc xây dựng hệ thống điều khiển giám sát Phương pháp ban đầu là sử dụng các cặp dây để kết nối giữa các thiết bị, với mỗi cặp dây phục vụ cho một thiết bị riêng lẻ Mặc dù cách tiếp cận này làm tăng chi phí, nhưng nó cần thiết để đảm bảo hoạt động liên tục và khả năng khôi phục hệ thống nhanh chóng khi có sự cố xảy ra.

Để tiết kiệm chi phí trong hệ thống SCADA, cần giải quyết vấn đề sử dụng một đôi dây để điều khiển nhiều thiết bị Các công ty điện thoại đã phát triển hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm, ứng dụng đầu tiên trong hệ thống điều khiển giám sát nhằm tăng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và giảm số lượng dây nối Việc sử dụng chung đôi dây đòi hỏi phải có một khung làm việc lựa chọn, kiểm tra và thao tác chính xác.

1.1.2 Hệ thống điều khiển giám sát Visicode những năm 1950

Vào những năm 1950 – 1960, công ty Westinghouse đã hợp tác với North Electric để phát triển hệ thống điều khiển giám sát Visicode, dựa trên nguyên lý đếm số xung Mã Visicode sử dụng hai cửa sổ trễ để tạo ra và đếm xung, trong đó cửa sổ ngắn được áp dụng cho việc lựa chọn hoặc kiểm tra một thiết bị, còn cửa sổ lớn dành cho nhóm thiết bị Hệ thống này đã được triển khai rộng rãi trong thời kỳ này.

Trong giai đoạn 1960 – 1970, Công ty Westinghouse đã phát triển hệ thống giám sát Solid State mang tên REDAC, sử dụng khung dữ liệu cố định và lưu đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác Đồng thời, GE cũng giới thiệu hệ thống tương tự gọi là GETAC Để giảm bớt công việc lưu trữ dữ liệu hàng giờ của người vận hành, một hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu đã được ra mắt Mặc dù phiên bản đầu tiên của hệ thống này xuất hiện trước hệ thống Solid State và hệ thống đo lường xa, nhưng chỉ khi hệ thống Solid State ra đời và máy tính phát triển, hệ thống tự động này mới được đưa vào sử dụng.

1.1.3 Hệ thống SCADA được phát minh năm 1960

Hệ thống SCADA, phát triển mạnh mẽ sau sự phổ biến của máy tính vào giữa những năm 1960, đã được Westinghouse và GE xây dựng với các bộ xử lý PRODAC và GETAC Để đáp ứng yêu cầu phức tạp, máy chủ SCADA cần cung cấp đầy đủ chức năng như quét và giám sát dữ liệu, cảnh báo khi có thay đổi, hiển thị dữ liệu trên màn hình và lưu trữ dữ liệu theo chu kỳ Hầu hết các hệ thống SCADA hoạt động bằng cách quét liên tục, với máy chủ gửi yêu cầu dữ liệu đến các đầu xa và nhận phản hồi từ chúng.

CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa, cho phép người vận hành nhận biết và quản lý hoạt động của thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Hệ thống này bao gồm tất cả các máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng giám sát và điều khiển hiệu quả.

* 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

MTU đóng vai trò trung tâm trong hệ thống SCADA, thường được triển khai dưới dạng máy tính công nghiệp Nó thực hiện giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông Bên cạnh đó, MTU còn kết nối với các thiết bị ngoại vi như màn hình và máy in, đồng thời có khả năng 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 thông tin cần thiết về quá trình và trạng thái thiết bị trên màn hình giúp người điều hành dễ dàng giám sát và điều khiển hệ thống.

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

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

Thuật ngữ RTU, xuất hiện từ những năm 1960, được cung cấp bởi các nhà sản xuất SCADA và bao gồm nhiều khối chức năng cùng với các card mạch in RTU thường được lắp đặt trong tủ thiết bị, tiện lợi cho việc treo tường tại các trạm biến áp xa Hầu hết RTU hoạt động theo nguyên lý quét liên tục, cho phép phản ứng nhanh chóng với các sự kiện trong môi trường nhiều tạp âm Chúng cũng áp dụng lược đồ lựa chọn/kiểm tra/thao tác trong vận hành điều khiển Trong giai đoạn 1960-1970, các giao thức truyền thông của RTU chủ yếu được độc quyền bởi các nhà sản xuất.

Hình 0.3: Tủ lắp đặt thiết bị RTU

RTU (Remote Terminal Unit) thu thập thông tin từ xa, thường được lắp đặt tại nơi làm việc để nhận dữ liệu từ các thiết bị hiện trường như van, cảm biến và đồng hồ đo Thông tin này sau đó được gửi đến MTU (Master Terminal Unit) để xử lý và thông báo cho người điều hành về trạng thái hoạt động của các thiết bị Đồng thời, RTU cũng nhận lệnh từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu.

RTU thường lưu trữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ và chờ yêu cầu từ MTU để truyền dữ liệu Tuy nhiên, các RTU hiện đại ngày nay được trang bị máy tính và PLC, cho phép thực hiện điều khiển trực tiếp từ xa mà không cần sự can thiệp của MTU Cấu trúc cơ bản của RTU bao gồm bộ giao tiếp truyền thông, bộ điều khiển trung tâm và hệ thống input/output số Trong một hệ thống SCADA lớn, có thể có hàng trăm RTU hoạt động đồng thời.

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

Phần cứng trong hệ thống mạng bao gồm các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và thiết bị thu phát vô tuyến cho hệ thống không dây Ngoài ra, các trạm lặp (Repeater) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu đi xa.

 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 tiếp nhận luồng dữ liệu nhị phân thông qua các giao thức truyền thông, có thể là giao thức mở như TCP/IP hoặc giao thức riêng Các luồng thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI, giúp tiêu chuẩn hóa cách thức trao đổi thông tin RTU nhận dữ liệu nhờ vào việc nhận diện mã trong thông tin truyền, sau đó dữ liệu này được biên dịch và CPU sẽ điều khiển các tác động tại chỗ một cách thích hợp.

1.2.4 Giao diện hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA ban đầu sử dụng bảng điều khiển với các nút bấm để thao tác thiết bị và hiển thị thông tin giám sát qua bộ hiển thị số, trong khi các cảnh báo được in ra theo danh sách Từ cuối thập niên 1960, màn hình CRT đã được áp dụng cho giao tiếp người/máy, với phiên bản đầu tiên hiển thị ký tự trắng đen Màn hình CRT không chỉ hiển thị dữ liệu và trạng thái mà còn trình bày dưới dạng bảng và danh sách cảnh báo, trong khi bàn phím thay thế cho các nút bấm trên bảng điều khiển.

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

Vào năm 1970, màn hình CRT màu được giới thiệu, cho phép hiển thị các ký tự đồ họa và biểu diễn sơ đồ một sợi mạch điện với các khóa và chuyển mạch động Các giá trị đo lường như điện áp, dòng điện và công suất có thể được cập nhật liên tục trên sơ đồ này Đến năm 1980, màn hình CRT ảnh màu đầy đủ ra đời, mang đến khả năng vẽ sơ đồ một sợi với độ tinh xảo cao hơn, cho phép phóng to, thu nhỏ và chi tiết hóa các phần tử Người vận hành có thể dễ dàng lựa chọn và xác nhận thiết bị cũng như thao tác điều khiển thiết bị trên sơ đồ.

CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG SCADA HIỆN ĐẠI

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin, các hệ thống SCADA hiện nay có khả năng thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên quy mô rộng lớn, lên đến hàng ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và mạng truyền thông như PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET và Internet Hầu hết phần mềm SCADA hiện đại hỗ trợ kết nối Internet, trong khi các PLC trong hệ thống SCADA có khả năng giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ, tuy nhiên, MTU vẫn giữ vai trò quan trọng không thể thiếu trong hệ thống này.

Hệ thống SCADA hiện đại cung cấp dữ liệu thời gian thực từ nhà máy tới mọi nơi trên thế giới, cho phép chính phủ, doanh nghiệp và cá nhân ra quyết định dựa trên thông tin này để cải thiện quy trình của họ Thiếu phần mềm SCADA, việc thu thập dữ liệu đầy đủ để đưa ra quyết định sáng suốt sẽ trở nên rất khó khăn.

Hầu hết các ứng dụng SCADA hiện đại đều tích hợp khả năng phát triển ứng dụng nhanh (RAD), giúp người dùng dễ dàng thiết kế ứng dụng mà không cần kiến thức chuyên sâu về phát triển phần mềm.

Việc tích hợp các tiêu chuẩn và thực hành Công nghệ Thông Tin hiện đại như SQL và ứng dụng web vào phần mềm SCADA đã nâng cao hiệu quả, bảo mật, năng suất và độ tin cậy của hệ thống SCADA một cách đáng kể.

Phần mềm SCADA hiện đại, với sức mạnh từ cơ sở dữ liệu SQL, mang lại nhiều lợi thế vượt trội so với các hệ thống SCADA truyền thống Việc tích hợp cơ sở dữ liệu SQL vào hệ thống SCADA không chỉ đơn giản hóa quá trình kết nối với các hệ thống MES và ERP hiện có, mà còn đảm bảo dòng dữ liệu liên tục và hiệu quả trong toàn bộ tổ chức.

Dữ liệu lịch sử từ hệ thống SCADA có thể được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SQL, giúp việc phân tích và theo dõi xu hướng dữ liệu trở nên dễ dàng hơn.

Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được thiết kế theo cấu trúc phân bố, với máy chủ được phân tán trên nhiều bộ xử lý kết nối qua mạng cục bộ (LAN) Mỗi bộ xử lý đảm nhiệm nhiệm vụ cụ thể như thu thập và xử lý dữ liệu, xây dựng giao diện hiển thị, và tạo báo cáo, trong khi một số bộ xử lý khác được sử dụng cho mục đích dự phòng.

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

* 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

* 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

Hệ thống SCADA hiện đại tích hợp các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit), cho phép hiển thị đồ họa chi tiết của các quá trình Người dùng có thể tương tác thông qua các thiết bị như chuột, trackball, joystick và bàn phím, với các nút điều khiển được thay thế bằng biểu tượng (Icon) trên màn hình Đặc biệt, màn hình cảm ứng cho phép người dùng chỉ tay trực tiếp lên các biểu tượng để thực hiện các thao tác.

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

Các hiệu ứng đặc biệt, như việc sử dụng màu sắc khác nhau cho từng trạng thái, giúp dễ dàng phân biệt và nhận biết dữ liệu một cách trực quan.

Các VDU hoạt động trên môi trường Windows hoặc Windows-X cho phép điều hành viên xem nhiều mảng thông tin trên cùng một màn hình, đồng thời truy cập dữ liệu phân tán theo địa lý hoặc từ các cơ sở dữ liệu khác nhau.

Các RTU hiện nay đã chuyển từ vai trò thiết bị thụ động sang chức năng chủ động trong việc thu thập và lưu trữ dữ liệu vùng Chúng không chỉ thực hiện nhiệm vụ ghi nhận thông tin mà còn đảm nhận nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển, góp phần nâng cao hiệu quả trong quản lý hệ thống.

Các RTU có khả năng kết nối với nhiều thiết bị như PLC, máy đo lưu lượng, và thiết bị lấy mẫu trong các bồn chứa Chúng có thể được cấu hình theo kiểu phân bố hoặc phân cấp Dữ liệu thu thập từ các RTU sẽ được xử lý tại trạm chủ.

Cơ sở dữ liệu trong hệ thống SCADA không chỉ lưu trữ dữ liệu đo đạc từ xa mà còn bao gồm các thông số bảo vệ, sự kiện, mẫu tin và cảnh báo Do tính chất phân bố của SCADA, cơ sở dữ liệu cũng được tổ chức phân tán Nó có khả năng liên kết với hệ thống quản trị thông tin MIS và hệ thống thông tin địa lý GIS Hơn nữa, các dữ liệu trong cơ sở dữ liệu có thể được bảo mật bằng cách sử dụng mật khẩu.

1.3.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA

Ngày nay hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:

 Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát

 Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân bay, bến cảng

 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

Hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển các nhà máy hạt nhân, ngành hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực công nghệ cao khác Để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng và đáp ứng yêu cầu thị trường, các nhà máy hiện đại cần được trang bị máy móc tiên tiến, tuân thủ các tiêu chuẩn về chất lượng, môi trường và an toàn Việc tích hợp tự động hóa vào quy trình sản xuất là cần thiết để tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu và nhân công, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong hoạt động sản xuất.

Thông thường SCADA được chia ra làm 3 cấp:

 Cấp vận hành (Cấp trường):

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):

Kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát và điều chỉnh các thông số cũng như tình trạng của thiết bị và dây chuyền sản xuất theo quy trình đã định Họ thực hiện công việc này thông qua việc theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị, và điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI - Human Machine Interface) hoặc bàn điều khiển (Operator Panel).

 Cấp giám sát, quản lý:

Có 2 hình thức tương đương nhau:

HỆ THỐNG SCADA TRONG KỶ NGUYÊN IOT

Internet Vạn Vật (IoT) là một mạng lưới trong đó các thiết bị, phương tiện truyền tin và trang thiết bị khác được trang bị điện tử, phần mềm và cảm biến, cho phép thu thập và truyền tải dữ liệu qua mạng máy tính Theo định nghĩa của tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) vào năm 2013, IoT được coi 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 việc kết nối các vật thể thực và ảo nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện có.

"Vật" là một thực thể trong thế giới thực hoặc thế giới thông tin, có thể được nhận dạng và tích hợp vào mạng lưới truyền thông Hệ thống IoT cho phép các vật được cảm nhận và điều khiển từ xa, giúp tích hợp thế giới thực vào hệ thống điện toán, nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và lợi ích kinh tế, đồng thời giảm thiểu sự can thiệp của con người Khi IoT kết hợp với cảm biến và cơ cấu chấp hành, nó trở thành một hệ thống ảo-thực với tính tổng quát cao, bao gồm các 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 trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp trong hạ tầng Internet hiện có Dự báo cho thấy Internet Vạn Vật sẽ có khoảng 30 tỷ thiết bị trước năm 2020.

Internet Vạn Vật (IoT) cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị và hệ thống, mang lại hiệu quả vượt trội so với truyền tải máy-máy (M2M) Nó hỗ trợ đa dạng giao thức và ứng dụng, kết nối các thiết bị nhúng và vật dụng thông minh Sự phát triển này kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong nhiều ngành, từ điện lưới thông minh đến các lĩnh vực như thành phố thông minh.

1.4.2 IoT trong ngành công nghiệp – Industrial IoT - IIoT

Kết nối thiết bị công nghiệp và điều khiển qua Internet đang trở thành xu hướng hấp dẫn trong ngành kỹ thuật Tại Việt Nam, hầu hết các nhà máy hiện nay sử dụng PLC, DCS hoặc SCADA để thực hiện điều khiển tự động hoặc bán tự động cho các thiết bị của mình.

Khi ứng dụng IoT được triển khai trong nhà máy, việc quản lý hệ thống trở nên dễ dàng hơn thông qua Internet Người quản lý có thể theo dõi các thông số hoạt động của máy móc mà không cần có mặt tại nhà máy Hơn nữa, chúng ta có khả năng điều khiển các thiết bị kết nối từ bất kỳ đâu trên thế giới nhờ vào Internet.

Việc kết nối các thiết bị trong nhà máy cho phép chúng ta theo dõi hoạt động của máy móc, điều khiển thiết bị từ xa và kiểm soát mức nhiên liệu trong bồn chứa cũng như 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

Để kết nối các thiết bị lên Internet, cần lập trình hệ thống theo yêu cầu cụ thể của từng cảm biến và khu vực trong nhà máy Với sự tiến bộ trong ngành công nghiệp 4.0, việc bảo mật hệ thống trở nên quan trọng, yêu cầu các bước bảo mật nghiêm ngặt trước khi can thiệp vào quản lý thiết bị Ứng dụng IoT trong sản xuất thông minh giúp máy móc trở nên thông minh hơn nhờ cảm biến và kết nối Internet, cho phép tự động nắm bắt quy trình sản xuất và đưa ra quyết định Sản phẩm cũng trở nên thông minh hơn nhờ cảm biến thông báo cho máy móc cách xử lý Các quy trình có khả năng tự trị trong hệ thống phân cấp, với thiết bị thông minh làm việc qua mạng không dây hoặc “đám mây”, cho phép giao tiếp với nhau và với con người, tạo nền tảng cho “nhà máy thông minh” và “nhà máy số”.

Sản xuất thông minh đã trở thành hiện thực, điển hình là nhà máy điện tử Amberg của Siemens tại Đức, được ra mắt vào năm 2013 Tại đây, quy trình sản xuất hoàn toàn tự động nhờ vào dây chuyền sản xuất thông minh và hệ thống vận chuyển tự động, giúp nguyên liệu được chuyển từ kho đến máy sản xuất trong vòng 15 phút Nhà máy hoạt động 3 ca mỗi ngày và sản xuất hơn 3 triệu sản phẩm mỗi năm.

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

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

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

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

IoT mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp sản xuất như dễ cài đặt, giảm chi phí, tăng độ chính xác dữ liệu và khả năng kiểm soát từ xa toàn cầu Mặc dù IoT là công nghệ mới liên quan đến SCADA và PLC, nhưng khả năng của nó có thể dễ dàng thích ứng với nhu cầu của ngành hiện đại SCADA đã cho phép các hệ thống sản xuất hoạt động cùng nhau trong thời gian thực, tương tự như IoT hiện nay Điều này cho thấy sức mạnh của SCADA vẫn còn phù hợp trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0 Tuy nhiên, SCADA còn thiếu khả năng kết nối toàn diện với các phần khác của doanh nghiệp để tạo ra một hệ sinh thái thực sự tích hợp.

Hiện nay, IoT đang cách mạng hóa hệ thống SCADA bằng cách cung cấp tiêu chuẩn hóa và tính cởi mở cao hơn Công nghệ IoT không chỉ mang lại khả năng mở rộng và tương tác tốt hơn mà còn nâng cao bảo mật thông qua việc giới thiệu nền tảng IoT Cả hai nền tảng này đều nhằm mục tiêu tăng năng suất tổng thể bằng cách tích hợp bảo trì thông minh, giảm thiểu lãng phí, nâng cao hiệu quả, giảm thời gian chết và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Thông tin từ hệ thống SCADA là nguồn dữ liệu quan trọng cho IoT, với trọng tâm chính là giám sát và kiểm soát Trong khi đó, IoT chú trọng vào phân tích dữ liệu máy để nâng cao năng suất và cải thiện dòng sản phẩm IoT có thể được xem là sự phát triển cao hơn của khả năng kết nối mà SCADA cung cấp, cùng với điện toán đám mây và xử lý dữ liệu Tóm lại, IoT bắt đầu khi SCADA và PLC kết thúc.

Thị trường IoT đang trong giai đoạn đầu nhưng có thể cùng tồn tại với SCADA, mang đến làn sóng các mô hình kinh doanh và công nghệ mới Sự phát triển của IoT đang làm thay đổi cục diện của SCADA, tuy nhiên, mô hình SCADA vẫn giữ được tính linh hoạt để thích ứng với những thay đổi trong ngành.

Nếu bạn đã có hệ thống SCADA, bạn có thể tích hợp giải pháp IoT để thu thập dữ liệu từ hệ thống thu thập dữ liệu (DAS) Việc tận dụng sức mạnh và khả năng mở rộng của IoT cho phép bạn sử dụng dữ liệu này để tạo ra nhiều báo cáo, bao gồm báo cáo Hiệu quả Thiết bị Tổng thể, Báo cáo Dữ liệu Sản xuất và báo cáo tiện ích như gas, nước và điện.

Trong tương lai, hệ thống SCADA có khả năng chuyển mình thành các nền tảng đám mây, tạo điều kiện cho sự phát triển của các giải pháp bảo mật mới, giúp bảo vệ dữ liệu ghi lại một cách hiệu quả hơn Những cải tiến này không chỉ nâng cao tính bảo mật mà còn mang lại tiết kiệm chi phí đáng kể.

SCADA cho phép con người tương tác từ xa với quy trình, trong khi IoT hoạt động như một công cụ giao tiếp giữa máy với máy IoT không chỉ đơn thuần là công cụ trình bày thông tin cho con người mà còn đảm bảo rằng thông tin được chia sẻ với cả người và máy Điều này giúp duy trì kết nối liên tục giữa mọi người và mọi thứ, tạo ra một hệ thống thông minh và hiệu quả hơn.

1.4.4 Tích hợp SCADA và IoT

HỆ SCADA CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH

Cung cấp nước sạch cho sinh hoạt và các hoạt động khác là vô cùng quan trọng, đòi hỏi giám sát liên tục mức tiêu thụ và nguồn cung cấp nước thô Việc này cần thực hiện các giải pháp tự động hóa và giám sát, bao gồm hệ thống giám sát và điều khiển thời gian thực, bộ điều khiển logic lập trình (PLC) với các chức năng cơ bản như giao tiếp, điều khiển và đo lường Hệ thống công nghệ thông tin có thể phân tích và xử lý dữ liệu, giúp tối ưu hóa các vấn đề kinh tế - kỹ thuật Luận văn sẽ trình bày hệ thống SCADA để theo dõi và kiểm soát các thông số công nghệ tại các trạm phân phối nước, đảm bảo hoạt động tối ưu của hệ thống bơm và khai thác bền vững thiết bị Đối với doanh nghiệp cung cấp nước sạch, việc nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy và hệ thống cung cấp nước là cần thiết để ổn định chất lượng nước, áp lực nước, và quản lý lượng nước khai thác cũng như tiêu thụ.

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, các cảm biến gửi tín hiệu đo đến modul vào/ra và PLC Thông tin tại PLC được xử lý sơ bộ và truyền lên máy tính chủ, cho phép người thao tác can thiệp vào bất kỳ điểm nào trên hiện trường thông qua các cơ cấu chấp hành Hệ thống SCADA đảm bảo hoạt động hiệu quả và liên tục của dây chuyền sản xuất và hệ thống đường ống.

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

Giám sát tự động liên tục toàn bộ quy trình sản xuất tại doanh nghiệp cấp nước, bao gồm quá trình sản xuất của nhà máy và mạng lưới đường ống cung cấp nước sạch, là giải pháp hiệu quả nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu suất hoạt động Việc áp dụng công nghệ giám sát giúp phát hiện kịp thời các sự cố, tối ưu hóa quy trình và nâng cao độ tin cậy trong cung cấp nước sạch cho cộng đồng.

Thông báo đầy đủ thông tin về lỗi và trạng thái hoạt động của thiết bị, máy móc trong doanh nghiệp cấp nước, đặc biệt là các bơm, van và biến tần, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất làm việc và giảm thiểu sự cố.

Việc thu thập và lưu trữ dữ liệu là rất quan trọng trong quản lý và điều hành doanh nghiệp cấp nước Những thông tin cần thiết bao gồm mức nước trong bể chứa, áp lực, lưu lượng, điện năng tiêu thụ và chất lượng nước Những dữ liệu này giúp đảm bảo hiệu quả hoạt động và nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp cho người tiêu dùng.

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

Để đảm bảo can thiệp hiệu quả trong quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, các thiết bị chấp hành cần có khả năng nhận và thực hiện tín hiệu điều khiển, như van điện và động cơ điện được trang bị thiết bị cấp nguồn thích hợp Tuy nhiên, nhiều nhà máy hiện vẫn sử dụng van cơ và khởi động từ cho động cơ, gây khó khăn trong việc khai thác tính năng điều khiển của hệ thống SCADA mà không cần nâng cấp ngay lập tức thiết bị Do đó, việc ứng dụng công nghệ SCADA trong sản xuất nước sạch là cần thiết để nâng cao hiệu quả quản lý, đồng thời tạo động lực cho việc hiện đại hóa thiết bị trong tương lai Đây có thể coi là một giải pháp đột phá, thúc đẩy sự thay đổi nhận thức trong đội ngũ kỹ thuật và quản lý, từ đó cải tiến quy 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]

Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thường bao gồm nhiều xí nghiệp, mỗi xí nghiệp có một hoặc hai nhà máy sản xuất nước Các hệ thống đường ống và phòng chức năng của xí nghiệp và công ty thường trải rộng trên một địa bàn lớn, với khoảng cách giữa các thành phần có thể lên đến vài chục km Để đảm bảo sự liên kết và tổ chức hiệu quả trong sản xuất và cung cấp nước sạch, việc ứng dụng công nghệ SCADA là rất cần thiết, giúp hiện đại hóa sự kết nối và "xóa nhòa" khoảng cách giữa các thiết bị và máy móc.

Hệ thống đường ống nước sạch là một mạng lưới phức tạp bao gồm nhiều đường ống với kích thước khác nhau, và nó luôn phát triển để đáp ứng nhu cầu của các địa chỉ và hộ tiêu dùng nước sạch.

Để nâng cao hiệu quả trong quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch, cần thiết phải giám sát liên tục các thông số kỹ thuật một cách trực quan.

Lượng nước thô khai thác là một thông số quan trọng, liên quan đến phí khai thác tài nguyên và đánh giá tổn thất nước Việc theo dõi và quản lý lượng nước thô không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí mà còn đảm bảo sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững.

Trong quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, cần giám sát và lưu trữ các thông số quan trọng như mức nước trong bể nước thô và nước sạch, hàm lượng clo dư, áp lực nước trên các đường ống cả trong nhà máy và tại các điểm cần thiết trong mạng lưới cung cấp nước, cũng như độ pH, độ đục và độ lắng cặn.

Tổng lượng nước sạch cung cấp từ nhà máy được đo lường tại các hố và địa chỉ tiêu dùng nước, đóng vai trò quan trọng trong việc thu tiền nước và đánh giá tổn thất nước Thông số này cũng phản ánh hiệu quả sản xuất kinh doanh của nhà máy.

 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…

Tất cả thông tin cần được trình bày trực quan trên các màn hình trong các phòng chức năng liên quan đến điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Hệ thống SCADA với phần mềm chuyên dụng cho ngành nước cùng các thiết bị phần cứng tương thích hoàn toàn đáp ứng yêu cầu này.

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

Hiện nay, doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch đang cần thiết lập mạng SCADA - Biến tần để nâng cao năng lực quản lý và tiết kiệm năng lượng điện Tuy nhiên, việc hoàn thiện và khai thác tối đa các tính năng của mạng này yêu cầu đầu tư nâng cấp thiết bị và máy móc tại hiện trường Do đó, các doanh nghiệp cần cân nhắc thực trạng thiết bị hiện tại và nguồn vốn để lập kế hoạch đầu tư phù hợp nhằm đáp ứng các tiêu chí của hệ thống SCADA.

Hình 0.7: Sơ đồ khối hệ thống SCADA cho nhà máy cung cấp nước sạch

Cấu hình mạng SCADA cơ bản cho một nhánh doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch được thiết kế theo các đặc điểm tổ chức đã nêu, với tổng thể mô hình như Hình 0.7.

THIẾT KẾ HỆ SCADA CHO XÍ NGHIỆP NƯỚC SẠCH TÍCH LƯƠNG

MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM & KẾT LUẬN