SCADA là gì? Hệ thống điều khiển và giám sát toàn diện trong công nghiệp 4.0

Hệ thống SCADA là gì? SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một trong những giải pháp công nghệ trọng yếu, giúp doanh nghiệp giám sát, thu thập và điều khiển các quy trình công nghiệp từ xa. Với khả năng tích hợp và xử lý dữ liệu lớn, SCADA đóng vai trò then chốt trong việc đưa ra các quyết định chiến lược, đảm bảo sự liên tục và an toàn của hệ thống sản xuất. 

Giới thiệu: SCADA là gì? Hệ thống giám sát và điều khiển dữ liệu hàng đầu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, việc quản lý và tối ưu hóa các quy trình sản xuất đòi hỏi những giải pháp công nghệ tiên tiến. SCADA (viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition), tạm dịch là Hệ thống Giám sát, Điều khiển và Thu thập Dữ liệu, chính là một trong những công cụ then chốt đáp ứng yêu cầu này.

SCADA là một hệ thống phần mềm và phần cứng tích hợp, được thiết kế để:

• Giám sát: Thu thập dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị và cảm biến tại hiện trường
• Điều khiển: Gửi lệnh điều khiển từ xa đến các thiết bị công nghiệp
• Thu thập và xử lý dữ liệu: Lưu trữ, phân tích và trình bày dữ liệu hoạt động

Hệ thống SCADA đóng vai trò thiết yếu trong việc tự động hóa, tăng cường hiệu suất và đảm bảo an toàn cho các hoạt động vận hành trong nhiều ngành công nghiệp. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về SCADA, từ cấu trúc, nguyên lý hoạt động đến các ứng dụng thực tiễn và xu hướng phát triển.

Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống SCADA

Để hiểu rõ hơn SCADA là gì, cần phân tích cấu trúc của một hệ thống SCADA điển hình, bao gồm sự phối hợp giữa phần cứng và phần mềm. Cấu trúc hệ thống SCADA được phân cấp như sau:

• Thiết bị trường: Đây là các thiết bị trực tiếp tương tác với quy trình sản xuất. Chúng bao gồm các cảm biến (đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng) để thu thập dữ liệu và các cơ cấu chấp hành (van, động cơ) để thực hiện các lệnh điều khiển.
• Bộ điều khiển cục bộ (RTU/PLC): Là thiết bị thông minh tại hiện trường. RTU (Remote Terminal Unit) và PLC (Programmable Logic Controller) có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các thiết bị trường, thực thi các logic điều khiển đơn giản và truyền dữ liệu về trung tâm.
• Hệ thống truyền thông: Đảm bảo việc truyền tải dữ liệu giữa các thành phần. Hệ thống này có thể sử dụng mạng cáp (cáp quang, cáp đồng) hoặc không dây (radio, 3G/4G) cùng với các giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus, DNP3, OPC.
• Giao diện người-máy HMI: Cung cấp giao diện đồ họa để người vận hành giám sát và điều khiển hệ thống. HMI hiển thị dữ liệu thời gian thực dưới dạng sơ đồ, biểu đồ và cho phép người dùng gửi lệnh điều khiển.
• Máy chủ SCADA: Là trung tâm xử lý dữ liệu của toàn bộ hệ thống. Máy chủ nhận dữ liệu từ các RTU/PLC, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu lịch sử, xử lý, phân tích và quản lý các cảnh báo. Nó cũng đóng vai trò là cầu nối giao tiếp với các hệ thống cấp cao hơn như MES và ERP.

Nguyên lý hoạt động và cơ chế thu thập dữ liệu của SCADA

Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên lý trao đổi thông tin và khả năng kiểm soát giữa các cấp độ khác nhau, đóng vai trò là điểm gặp gỡ và kết nối giữa IT và OT.

Nguyên lý hoạt động cơ bản:

1. Thu thập dữ liệu tại hiện trường: Các cảm biến và thiết bị đo lường (Cấp thiết bị hiện trường) liên tục đo đạc các thông số vật lý của quy trình
2. Xử lý cục bộ: Dữ liệu từ cảm biến được gửi đến các RTU hoặc PLC (Thiết bị điều khiển cục bộ). Các thiết bị này sẽ thực hiện xử lý sơ bộ (chuyển đổi tín hiệu, lọc nhiễu, thực thi các logic điều khiển tại chỗ) và lưu trữ tạm thời
3. Truyền dữ liệu về trung tâm: RTU/PLC sử dụng hệ thống truyền thông (có dây hoặc không dây, qua các giao thức công nghiệp) để gửi dữ liệu đã xử lý về Máy chủ SCADA. Quá trình này có thể diễn ra theo chu kỳ hoặc khi có sự kiện bất thường  
4. Xử lý và hiển thị tại trung tâm: Máy chủ SCADA nhận dữ liệu, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu lịch sử, thực hiện các tính toán, phân tích và hiển thị thông tin trực quan lên HMI.
5. Giám sát và điều khiển bởi người vận hành: Người vận hành theo dõi HMI để nắm bắt tình trạng của hệ thống. Khi cần thiết, người vận hành có thể gửi lệnh điều khiển thông qua HMI
6. Thực thi lệnh điều khiển: Lệnh điều khiển từ HMI được Máy chủ SCADA chuyển tiếp đến RTU/PLC tương ứng. RTU/PLC sau đó sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành tại hiện trường để thực hiện thay đổi trong quy trình

Các chế độ truyền thông phổ biến:

• Truyền thông Master/Slave (Polling): Trạm trung tâm (Master) định kỳ truy vấn các trạm ở xa (Slave – RTU/PLC) để thu thập dữ liệu. Slave chỉ trả lời khi được yêu cầu. Chế độ này đơn giản, tránh xung đột dữ liệu nhưng có thể có độ trễ
• Truyền thông theo sự kiện (Report by Exception – RBE): RTU/PLC chỉ gửi dữ liệu về trung tâm khi có sự thay đổi đáng kể về giá trị hoặc khi xảy ra sự kiện/cảnh báo. Điều này giúp giảm tải băng thông mạng và ưu tiên các thông tin quan trọng
• Truyền thông Peer-to-Peer: Các trạm SCADA hoặc PLC có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhau mà không cần qua trung tâm (ít phổ biến trong SCADA truyền thống)
• Truyền thông với hệ thống khác: SCADA có thể giao tiếp với MES, ERP hoặc các hệ thống khác thông qua các giao diện và giao thức chuẩn (như OPC, XML) để trao đổi dữ liệu ở cấp độ cao hơn

Vị trí của SCADA trong Kim tự tháp tự động hóa công nghiệp

Trong tự động hóa công nghiệp, khái niệm “Kim tự tháp tự động hóa” (Automation Pyramid), được mô tả trong tiêu chuẩn ISA-95 và IEC 62264-3, minh họa mối quan hệ phân cấp giữa các hệ thống điều khiển. SCADA đóng một vai trò quan trọng trong cấu trúc này.

• Cấp 0 (Field Level): Các thiết bị chấp hành (van, động cơ) và cảm biến (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng) trực tiếp tương tác với quy trình vật lý.
• Cấp 1 (Control Level): Các bộ điều khiển như PLC (Programmable Logic Controller) và DCS (Distributed Control System) nhận dữ liệu từ cấp 0 và thực thi các lệnh điều khiển cục bộ.
• Cấp 2 – Cấp giám sát (Supervisory Level): Đây là vị trí của hệ thống SCADA. SCADA thu thập dữ liệu tổng thể từ PLC/RTU ở Cấp 1, xử lý, hiển thị trên giao diện và cho phép người vận hành giám sát, điều khiển toàn bộ hệ thống từ xa. Điều này giúp trả lời câu hỏi hệ thống SCADA là gì một cách rõ ràng: đó là một hệ thống nằm ở trung tâm, kết nối các cấp điều khiển thấp hơn với các hệ thống quản lý cao hơn.
• Cấp 3 (MES – Manufacturing Execution System): Hệ thống MES quản lý và tối ưu hóa các hoạt động sản xuất, sử dụng dữ liệu từ SCADA để lập kế hoạch, điều phối và báo cáo.
• Cấp 4 (ERP – Enterprise Resource Planning): Hệ thống ERP quản lý các quy trình kinh doanh tổng thể của doanh nghiệp, bao gồm tài chính, nhân sự, chuỗi cung ứng, sử dụng dữ liệu tổng hợp từ MES.

Chức năng chính của hệ thống SCADA là gì?

Hệ thống SCADA được thiết kế để thực hiện một loạt các chức năng cốt lõi nhằm tối ưu hóa hoạt động công nghiệp:

• Thu thập dữ liệu: Đây là chức năng nền tảng. SCADA thu thập dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến và thiết bị tại hiện trường (như nhiệt độ, áp suất, trạng thái bật/tắt của máy)
• Giám sát: Dữ liệu thu thập được sẽ được xử lý và hiển thị trực quan trên màn hình HMI. Người vận hành có thể theo dõi trạng thái, biểu đồ và các thông số hoạt động của toàn bộ quy trình, giúp phát hiện nhanh các bất thường
• Điều khiển: Chức năng này cho phép người vận hành gửi lệnh điều khiển từ xa đến các thiết bị tại hiện trường. Điều này bao gồm việc bật/tắt máy móc, điều chỉnh các van, hoặc thay đổi các điểm đặt cho các bộ điều khiển
• Lưu trữ dữ liệu: Tất cả dữ liệu vận hành, sự kiện và cảnh báo đều được ghi lại và lưu trữ. Cơ sở dữ liệu này rất quan trọng để phân tích hiệu suất, đánh giá xu hướng và tạo báo cáo
• Cảnh báo: Khi các thông số vượt quá giới hạn an toàn đã được định cấu hình, hệ thống sẽ tự động phát cảnh báo (trên HMI, qua SMS hoặc email), giúp nhân viên kỹ thuật có thể phản ứng kịp thời để ngăn ngừa sự cố

Ứng dụng của hệ thống SCADA trong công nghiệp

SCADA là một công nghệ đa năng, được ứng dụng rộng rãi để tự động hóa và tối ưu hóa hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vậy các ứng dụng của SCADA là gì?

• Năng lượng & Điện lực: Giám sát các trạm phát điện, trạm biến áp, và mạng lưới phân phối để điều khiển dòng điện, phát hiện sự cố và đảm bảo nguồn cung liên tục
• Sản xuất: Trong các nhà máy thép, dệt may, thực phẩm và hóa chất, SCADA giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dây chuyền và tự động hóa quy trình sản xuất, giúp nâng cao chất lượng và năng suất
• Dầu khí: SCADA được sử dụng để giám sát và điều khiển các đường ống dẫn dầu/khí, trạm bơm, và giếng khoan từ xa, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong khai thác, vận chuyển
• Cấp thoát nước: Hệ thống này giám sát mực nước, áp suất đường ống, và trạng thái của các trạm bơm, cho phép quản lý toàn bộ mạng lưới cung cấp nước và xử lý nước thải
• Giao thông vận tải: SCADA kiểm soát hệ thống đèn giao thông, điều chỉnh nguồn điện cho tàu điện ngầm và giám sát hệ thống đường sắt, đảm bảo sự an toàn và thông suốt
• Quản lý tòa nhà: Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) tích hợp SCADA để giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa không khí (HVAC), chiếu sáng, thang máy và an ninh, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng

Các thế hệ hệ thống SCADA

Công nghệ SCADA đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, tương ứng với bốn thế hệ chính, từ các hệ thống biệt lập đến các giải pháp tích hợp hiện đại.

Thế hệ 1: Hệ thống SCADA nguyên khối (Monolithic)

Những năm 1960-1970, các hệ thống SCADA được xây dựng trên một máy tính mini hoặc mainframe duy nhất. Do không sử dụng mạng, các máy tính này hoạt động độc lập và không thể kết nối hoặc trao đổi dữ liệu với các hệ thống khác. Điều này khiến việc mở rộng hệ thống gặp nhiều khó khăn, và việc chia sẻ dữ liệu gần như không thể.

Thế hệ 2: Hệ thống SCADA phân tán (Distributed)

Vào thập niên 80, SCADA chuyển sang mô hình phân tán, trong đó các chức năng điều khiển và giám sát được chia nhỏ và phân bổ trên nhiều hệ thống con. Các hệ thống này được kết nối với nhau qua mạng nội bộ LAN (Local Area Network), cho phép chia sẻ thông tin theo thời gian thực và giảm tải cho máy tính trung tâm. Tuy nhiên, hạn chế lớn là các giao thức mạng chưa được chuẩn hóa, gây khó khăn cho việc tích hợp.

Thế hệ 3: Hệ thống SCADA nối mạng (Networked)

Từ những năm 90, SCADA đã tận dụng các công nghệ mạng chuẩn như Ethernet và WAN (Wide Area Network). Điều này cho phép hệ thống kết nối linh hoạt và rộng hơn, sử dụng các giao thức công nghiệp phổ biến và tích hợp sâu hơn với PLC. Tuy nhiên, việc sử dụng Internet để truyền thông đã làm nảy sinh các vấn đề mới về an ninh mạng và bảo mật dữ liệu.

Thế hệ 4: Hệ thống SCADA 4.0 (Cloud & IoT)

Thế hệ hiện đại nhất của SCADA tích hợp công nghệ IoT (Internet of Things) và Điện toán đám mây. Dữ liệu từ các thiết bị thông minh được truyền lên đám mây để xử lý và phân tích, giúp giảm chi phí hạ tầng và cho phép truy cập, điều khiển từ bất cứ đâu. Ngoài ra, SCADA thế hệ này còn được ứng dụng công nghệ học máy (Machine Learning) và phân tích dữ liệu lớn (Big Data) để cung cấp các phân tích chuyên sâu, dự đoán lỗi và tăng cường bảo mật. Đây là xu hướng phát triển chính trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0.

Những lưu ý khi đầu tư hệ thống SCADA là gì?

Để quyết định đầu tư vào một hệ thống SCADA hiệu quả, doanh nghiệp cần cân nhắc các yếu tố quan trọng sau, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ đang phát triển nhanh chóng.

• Khả năng kết nối cơ sở dữ liệu: Hệ thống cần có khả năng tích hợp linh hoạt với các cơ sở dữ liệu hiện có như SQL Server, Oracle và hỗ trợ nhiều kết nối đồng thời. Điều này giúp việc thu thập và quản lý dữ liệu hiệu quả hơn
• Chi phí triển khai và vận hành: Bên cạnh chi phí ban đầu, cần đánh giá tốc độ cài đặt, khả năng quản lý tập trung và mô hình triển khai (ví dụ: giải pháp web-based). Một hệ thống cho phép triển khai client không cần cài đặt sẽ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí
• Mô hình cấp phép (License): Chi phí license là một yếu tố then chốt. Hãy tìm hiểu kỹ mô hình cấp phép: theo máy chủ, theo số lượng điểm dữ liệu (tag), hay theo gói tính năng. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tổng chi phí sở hữu (TCO) khi mở rộng hệ thống trong tương lai
• Khả năng mở rộng và bảo mật: Một hệ thống SCADA hiện đại cần có kiến trúc mở để dễ dàng tích hợp với các công nghệ mới như IIoT và điện toán đám mây. Đồng thời, hệ thống phải được trang bị các tính năng bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ dữ liệu và chống lại các mối đe dọa từ mạng. Đây là yếu tố quan trọng giúp đảm bảo tính bền vững của đầu tư vào SCADA là gì trong kỷ nguyên 4.0 

DACO – Đơn vị triển khai hệ thống SCADA tận tâm uy tín

DACO tự hào là một trong những đơn vị hàng đầu tại Việt Nam chuyên sâu trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế và triển khai các giải pháp Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) toàn diện. Chúng tôi không chỉ cung cấp các giải pháp phần cứng và phần mềm tiêu chuẩn mà còn tối ưu hóa hệ thống để phù hợp với quy trình sản xuất và vận hành đặc thù của từng doanh nghiệp.

Với đội ngũ kỹ sư chuyên môn cao và kinh nghiệm triển khai thành công nhiều dự án lớn nhỏ trong các ngành công nghiệp (điện lực, nước, dầu khí, sản xuất…), DACO cam kết mang đến một hệ thống SCADA ổn định, bảo mật và hiệu quả, giúp doanh nghiệp:

• Giám sát theo thời gian thực: Đảm bảo dữ liệu chính xác và liên tục.
• Tối ưu hóa vận hành: Giảm thiểu sự cố và chi phí nhân công.
• Nâng cao năng lực phân tích: Hỗ trợ ra quyết định dựa trên dữ liệu lịch sử và xu hướng.

Hãy liên hệ với chúng tôi để tìm hiểu thêm về các giải pháp SCADA tùy chỉnh mà DACO có thể cung cấp cho doanh nghiệp của bạn!

>>>Xem thêm: Một số dự án tiêu biểu của chúng tôi

• Hệ thống SCADA cho nhà máy bia
• Hệ thống SCADA lò dầu tải nhiệt: Giám sát, điều khiển toàn diện
• Triển khai SCADA qua mạng không dây: Giải pháp tối ưu chi phí

LIÊN HỆ VỚI CHÚNG TÔI

Địa chỉ: Số 146, Đường Cầu Bươu, Xã Tân Triều, Huyện Thanh Trì, Thành Phố Hà Nội

Hotline: 0904.675.995

Email: kinhdoanh@dacovn.com