SCADA và DCS - Góc nhìn từ thực tế

Gần đây có rất nhiều thắc mắc từ các kỹ sư và sinh viên trong ngành Tự động hóa về việc phân biệt hai khái niệm SCADA và DCS.

Bài viết sẽ đi vào phân tích hai khái niệm này từ gốc nhìn của tác giả qua thực tế công nghiệp.

1. Phân tích từ quan niệm cổ điển

Những người mới bắt đầu nghiên cứu hay tham gia công việc liên quan đến SCADA đều muốn biết SCADA được viết tắt bởi những từ nào. Trong sách giáo khoa, bài giảng hay thuyết minh thiết kế về SCADA sẽ viết: SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition. Cụm từ này được dịch ra tiếng Việt như sau: SCADA là thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát.

Muốn hiểu sâu về khái niệm này trước hết chúng ta đi vào phân tích cụm từ Supervisory Control. Lấy một ví dụ đơn giản là chúng ta muốn điều khiển tự động tốc độ động cơ duy trì ở tốc độ là 1500 vòng/phút. Như vậy, chúng ta sẽ dùng PLC để dùng vào mục đích này. Trong chương PLC chúng ta sẽ dùng khối điều khiển PID với tốc độ đặt (Set Speed) là 1500 vòng/phút. Ngoài ra PLC này được nối với một tủ điện trên đó có 2 nút nhấn Start/Stop động cơ (Hình 1)

Hình 1: Điều khiển tự động tốc độ động cơ dùng PID

Như vậy, việc điều khiển này chính là điều khiển tự động, tiếng Anh là Automatic Control. Nếu lấy PLC này nối với một máy tính. Trên đó chúng ta có thể dùng các công cụ lập trình như Visual Studio .NET C# hay C++, Intouch, Citect, WinCC để tạo ra ứng dụng, trên đó có giao diện kiểu như hình 2

Hình 2: Điều khiển giám sát tốc độ động cơ

Như vậy, bây giờ, động cơ có thể được Start/Stop từ máy tính. Tốc độ đặt có thể được thay đổi một cách mềm dẻo từ máy tính bằng một thanh trượt trên giao diện. Nếu người điều hành hệ thống muốn thay đổi tốc độ đặt thì họ chỉ thay đổi ở thanh kéo. Kiểu điều khiển này gọi là điều khiển giám sát (Supervisory Control). Còn khi PLC nhận được tốc độ mới thì nhiệm vụ của PLC phải làm sao đó để đạt được tốc độ đặt trên. Như vậy PLC đóng vai trò là bộ điều khiển tự động.

Một hệ thống mà có các thành phần, chức năng như ví dụ nêu trên gọi là hệ thống SCADA. Tuy nhiên SCADA không chỉ dừng ở đó mà được mở rộng ra thêm nhiều chức năng để đáp ứng các yêu cầu từ thực tế sản xuất và quản lý. Vì vậy để hiểu được SCADA thì cần nắm được các từ khóa sau đây: PLC, thời gian thực, giao diện đồ họa, trend, lưu lược sử, sự kiện, báo động và lập báo cáo. Những từ khóa trên được đưa vào trong một hệ thống tự động hóa nhằm nâng cao giá trị thặng dư mà hệ thống SCADA mang lại cho doanh nghiệp - đơn vị sử dụng.

Từ việc mở rộng chức năng SCADA, cụm từ cổ điển Supervisory Control And Data Acquisition đã không còn hợp thời nữa. Sau này SCADA được sửa lại là: Supervision, Control And Data Acquisition, ít nhiều cũng có hàm ý rộng hơn cụm từ cổ điển.

Có một số hãng chuyên phát triển những công cụ phần mềm để tạo ra ứng dụng SCADA. Đối với họ, SCADA là phần mềm. Như Intouch của Wonderware, Citect của Schneider Electric, WinCC của Siemens,... chính là những phần mềm SCADA. Sản phẩm tạo ra từ các công cụ nói trên gọi là ứng dụng SCADA. Tuy nhiên, để tạo ra được các ứng dụng này không nhất thiết phải sử dụng các phần mềm SCADA của các hãng mà chúng ta có thể dùng những công cụ lập trình khác như Visual Studio .NET C#, C++.

Các kỹ sư, chuyên gia trong lĩnh vực thủy lợi hay điện lực, vì đặc thù riêng của lĩnh vực mình, họ thường quan niệm SCADA là một hệ thống trong đó có các trạm RTU và trung tâm giám sát, điều độ.

Vậy DCS là gì? Nếu theo cụm từ DCS - Distributed Control System, chúng ta hiểu rằng DCS là hệ thống điều khiển phân tán. Như vậy, cũng không có gì đặc thù ở đây. Bởi vì SCADA cũng bao gồm các PLC điều khiển phân tán ở bên dưới, mỗi PLC đảm nhận việc điều khiển cụm riêng của mình.

Nếu nói một cách sách vở: “Một hệ thống DCS tiêu biểu gồm có bộ vi xử lý được thiết kế tùy biến như các bộ điều khiển, kết nối vật lý và giao thức giao tiếp riêng. Module đầu vào và đầu ra tạo nên các thành phần của DCS. Bộ vi xử lý nhận thông tin từ module đầu vào và gửi thông tin đến module đầu ra” (trích dẫn “DCS và SIS Khái niệm và Thực tiễn”, số 124, tháng 3/2011, Tạp chí Tự động hóa ngày nay), thì một hệ thống SCADA cũng có những thành phần đó. Vậy cái đặc thù DCS là ở đâu? Tại sao lại có hai khái niệm này?

DCS là một hệ thống có chức năng giống như SCADA nhưng thông thường được bán và lắp đặt ra thị trường một hệ thống hoàn chỉnh, trong đó cả phần cứng và phần mềm, công nghệ, truyền thông đều xuất xứ từ một hãng. Rất khó nâng cấp và thêm các bộ phận khi có nhu cầu. Công cụ DCS là một công thức cho trước, kiến trúc cho trước. Các hàm chức năng để phát triển dự án đã được kiểm chứng. Có thể tưởng tượng, phát triển một ứng dụng SCADA giống như soạn một hồ sơ trên file MS Word bắt đầu bằng cách tạo một một file trống rỗng. Còn phát triển ứng dụng DCS thì hồ sơ này được tạo bằng cách mở một template có sẵn trong MS Word. DCS thông thường được ứng dụng trong điều khiển quá trình phức tạp như trong công nghiệp lọc dầu, hóa dầu, nhiệt điện mà ở đó tín hiệu analog nhiều hơn tín hiệu rời rạc. DCS cho một hệ thống máy móc rời rạc ít gặp hơn.

Người ta thường nghĩ DCS là một hệ thống có nhiều mặt “khó” hơn hệ thống SCADA. Có vài nguyên nhân sau đây:

• Hệ thống DCS được chào hàng một cách hoàn thiện từ thiết bị, phần mềm, công nghệ và giải pháp. Để phát triển được những dự án như nhiệt điện, lọc dầu, hóa dầu nhà cung cấp DCS phải có kinh nghiệm về công nghệ, điều khiển quá trình mà khách hàng yêu cầu. Đôi lúc các nhà tích hợp hệ thống có thể xây dựng được những hệ thống SCADA áp dụng cho các lĩnh vực này về những năng lực, kinh nghiệm về quá trình và công nghệ họ lại không có.

• Các hệ thống DCS là các hệ thống khó thay đổi khi có yêu cầu thay đổi, ví dụ như thêm PLC, thêm trạm hoặc liên kết phần mềm với PLC của hãng khác.

• Phần mềm DCS của các hãng không phổ biến ra thị trường bởi lý do thương mại và bí quyết công nghệ nên được ít người biết đến. Ở Việt Nam thông thường khi khi áp dụng DCS khách hàng phụ thuộc hoàn toàn vào các hãng cung cấp nước ngoài từ khâu thiết kế, lắp đặt, vận hành, bảo trì và bảo dưỡng. Khi có sự cố thì khách hàng thuê chuyên gia của hãng từ nước ngoài để giải quyết sự cố.

Có một vài ý kiến cho rằng DCS lớn hơn SCADA. Điều này không thể kết luận được là hệ thống nào lớn hơn, bởi vì lớn hay nhỏ thì tùy thuộc vào ứng dụng mà nó đang vận hành. Ở nhà máy lọc dầu Dung Quất hệ thống giám sát và điều khiển quá trình gọi là DCS. Hệ thống DCS sẽ điều khiển các cụm thiết bị thông qua mạng các PLC. Các PLC này được giám sát và điều khiển bởi các hệ thống cục bộ gọi là SCADA.

2. Theo góc nhìn phương pháp lập trình và thực thi hệ thống

Phần này sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về sự khác nhau giữa SCADA và DCS qua phương pháp lập trình và thực thi hệ thống. Trước hết là mô tả các bước trong lập trình cho một hệ thống SCADA:

• Từ sơ đồ công nghệ (P&ID) các kỹ sư lập trình lập bảng ánh xạ giữa các biến trong PLC với phần mềm SCADA (Hình 3).

• Sau đó kỹ sư lập trình tiến hành lập trình điều khiển cho PLC dựa vào bảng nguyên lý điều khiển đã thiết kế (Hình 4). Chủng loại PLC được lựa chọn dựa vào nhiều tiêu chí của dự án.

• Các kỹ sư sẽ tiến hành cấu hình và lập trình cho các Remote I/O (Hình 5).

• Nhóm các kỹ sư khác tiến hành cấu hình cho các thiết bị trường (Hình 6).

• Nhóm kỹ sư SCADA tiến hành lập trình ứng dụng SCADA (Hình 7) sử dụng các công cụ đã được lựa chọn dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau của dự án.

• Cuối cùng tất cả các nhóm cùng nhau kiểm tra lại kết nối giữa các quan hệ SCADA - PLC - Remote I/O - Thiết bị trường (Hình 8).

Đối với hệ thống DCS thì cách làm sẽ gọn hơn:

• Hệ thống được thiết lập bởi một DCS server và nhiều máy kỹ thuật (Hình 9 - phần khung màu xanh).

• Hệ thống DCS này từ phần cứng và phần mềm, công nghệ, truyền thông đều xuất xứ từ một hãng cung cấp.

• Các kỹ sư sẽ tạo một dự án thống nhất trong đó gồm chương trình PLC và chương trình SCADA được nối kết một cách chặt chẽ.

• Khi dự án đã lập trình xong, bước tiếp theo là thực thi dự án (Hình 10): Chương trình điều khiển sẽ được tải vào PLC; chương trình SCADA sẽ được chạy trên các máy tính SCADA; phần cấu hình và chương trình của Remote I/O, thiết bị trường sẽ được tải xuống các thiết bị này.

Trong quá trình vận hành hệ thống đã thực thi này, nếu cần sửa đổi kỹ thuật, kỹ sư nếu có đầy đủ thẩm quyền có thể truy cập được đến đối tượng này trong chương trình điều khiển ở PLC. Ví dụ một bơm nào đó trên giao diện SCADA (Hình 11). Kỹ sư có thể click chuột vào bơm này và đoạn chương trình điều khiển từ PLC liên quan đến bơm này sẽ được tải lên và hiện lên trên màn hình máy tính.

Hình 3: Ánh xạ biến PLC - SCADA

Hình 4: Lập trình điều khiển

Hình 5: Cấu hình Remote I/O

Hình 6: Cấu hình thiết bị trường

Hình 7: Lập trình SCADA

Hình 8: Thực thi trong SCADA

Hình 9: Lập trình DCS

Hình 10: Thực thi trong DCS

Hình 11: Xử lý kỹ thuật chương trình điều khiển từ giao diện SCADA

3. Kết luận

Qua phân tích trong hai mục ở trên. Tác giả mong rằng sẽ mang đến cho bạn đọc hiểu và phân biệt được hai từ SCADA và DCS một cách thực tế. SCADA và DCS hiện được sử dụng như hai từ và đã xuất hiện trong từ điển. Không nhất thiết phải diễn giải là viết từ những từ nào. Cũng từ những phân tích trên, hy vọng bạn đọc sẽ có cách tiếp cận đúng với hệ thống mà mình đang làm việc hay xây dựng và có quyết định tối ưu trong việc lựa chọn các thành phần trong hệ thống tự động hóa.