Phương pháp tiếp cận thực tế chuyển đổi hệ thống SCADA thành IIoT

• 12/09/2020

Trong thế giới tự động hóa công nghiệp, nhiều bài viết xoay quanh “internet vạn vật công nghiệp” (IIoT). Với các từ thông dụng như “Industry 4.0”, “IoT”, “digital twin”, “cloud computing”, “Artificial Intelligence”, “machine learning” và “deep learning”, rất khó để các kỹ sư tự động hóa, IT và quản lý doanh nghiệp xác định cách để triển khai các công nghệ mới này.

Mục đích của bài viết này là xác định một cách tiếp cận thực tế để sử dụng các thiết bị “internet vạn vật” (IoT) để kết nối và hỗ trợ các hệ thống SCADA cũ trong quá trình chuyển đổi sang IIoT. Trọng tâm sẽ là các hệ thống tự động hóa từ xa, tại hiện trường, nơi có thêm những thách thức về thông tin liên lạc, nguồn điện, an ninh và cách ly. Các hệ thống này được triển khai trên khắp thế giới trong các ngành công nghiệp điện, viễn thông, dầu khí thượng nguồn và trung nguồn, và các ngành công nghiệp cấp nước, Utility.

Lịch sử của hệ thống SCADA

Hệ thống kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) đã có hơn 50 năm. Chúng đã phát triển để rất hiệu quả cho công việc mà chúng được thiết kế: giám sát, kiểm soát và thu thập dữ liệu từ thiết bị công nghiệp. Bộ não của hệ thống SCADA là thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) và bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Các máy vi tính này thường được kết nối cứng với các cảm biến, bộ truyền động và công tắc sử dụng logic đơn giản để điều khiển quy trình công nghiệp. 

Các hệ thống SCADA cũ bị hạn chế về sức mạnh tính toán và không có khả năng trí tuệ nhân tạo, do đó chúng được coi là hệ thống “ngu ngốc”. Giao diện người máy (HMI) cung cấp thông tin cho những người chịu trách nhiệm quản lý hệ thống. Các hệ thống này giao tiếp bằng ngôn ngữ riêng của chúng, chủ yếu là độc quyền, chẳng hạn như Modbus, DNP3, Profibus và Profinet. Dữ liệu từ các thành phần của hệ thống thường được ghi lại và lưu trữ trên hệ thống. Các hệ thống này thường là một hệ thống vòng kín, được kiểm soát ở cấp địa phương và được tùy chỉnh nhiều lần cho các quy trình công nghiệp mà nó kiểm soát.

Mặt khác, các hệ thống công nghệ thông tin (IT ) đã phát triển trên một con đường riêng, bắt đầu từ các máy tính lớn cách đây hơn 50 năm cho đến các hệ thống dựa trên máy khách / máy chủ / bộ định tuyến ngày nay. Sự liên kết giữa các hệ thống này được chúng ta gọi là “internet”. Internet sử dụng một ngôn ngữ giao tiếp tiêu chuẩn được gọi là Giao thức Điều khiển Truyền / Giao thức Internet (TCP / IP). Tất cả phần mềm kinh doanh có liên quan, trang web, email, cơ sở dữ liệu, v.v. đều chạy trên các nền tảng này. Do được sử dụng rộng rãi, các hệ thống IT đã phát triển với tốc độ cấp số nhân và hiện bao gồm các hệ thống “điện toán cloud ” trong đó nhiều thiết bị điện toán hoạt động cùng nhau để tăng tốc độ và sức mạnh tính toán. Những đột phá trong trí tuệ nhân tạo (AI) cho phép các hệ thống học hỏi bằng cách tính toán lượng dữ liệu khổng lồ, xác định xu hướng và đưa ra kết luận.

Thế giới IoT phát triển khi các thiết bị bên ngoài máy tính có thể kết nối và tương tác trên internet. Điện thoại thông minh có lẽ là thiết bị IoT phổ biến nhất. Trong 10 năm qua, các thiết bị khác như camera giám sát, chuông cửa, điều khiển bể bơi, bộ điều nhiệt tòa nhà và hệ thống báo động đều trở thành thiết bị internet. IIoT đề cập đến các thiết bị IoT được thiết kế để thu thập dữ liệu và kiểm soát các quy trình công nghiệp.

Hệ thống SCADA và IT là một phần phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta và kiểm soát thế giới của chúng ta. Hệ thống SCADA kiểm soát quá trình sản xuất và cơ sở hạ tầng của chúng ta , chẳng hạn như tiện ích, đèn giao thông, nhà máy, đường ống, đập, v.v. Hệ thống IT chạy internet, hệ thống tài chính, hệ thống kinh doanh, truyền thông, máy tính cá nhân, v.v.

Những vấn đề đối với doanh nghiệp hiện tại

Công nghiệp 4.0 đề cập đến “cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4” nơi các hệ thống cơ sở hạ tầng, công nghiệp, sản xuất và con người được tích hợp và giám sát bởi các thiết bị internet. Bằng cách sử dụng internet để kết nối các hệ thống này, doanh nghiệp có thể thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, giám sát và kiểm soát các quy trình từ bất cứ đâu. 

Sử dụng điện toán cloud và AI, các nhà khoa học dữ liệu có thể phân tích xu hướng của các quy trình và giúp các doanh nghiệp đưa ra quyết định sáng suốt hơn liên quan đến hiệu quả, an toàn, bảo trì và các yếu tố chính khác ảnh hưởng đến lợi nhuận của họ. Ngoài ra, tính liên kết giữa các hệ thống phức tạp cho phép nhiều lĩnh vực khác nhau của doanh nghiệp hoạt động cùng nhau để đạt được hiệu quả. Ví dụ, chuỗi cung ứng, sản xuất, vận chuyển, thanh toán, hệ thống kế toán, tất cả đều giao tiếp trên cùng một nền tảng giúp tăng hiệu quả trong các quy trình.

Nếu xem Công nghiệp 4.0 là mục tiêu, làm thế nào để các doanh nghiệp chuyển đổi từ nền tảng SCADA sang các hệ thống dựa trên internet? Vì hệ thống SCADA kiểm soát rất nhiều hệ thống cơ sở hạ tầng quan trọng, nên việc thay thế hoàn toàn là không khả thi và cũng không kinh tế. Hệ thống SCADA có một ngôn ngữ khác với các hệ thống IT và do đó không thể giao tiếp với nhau. Do hệ thống SCADA luôn là hệ thống đóng bởi các nhà cung cấp cũ, không có các biện pháp bảo vệ an ninh như tường lửa, mã hóa, v.v. để bảo vệ chống lại các cuộc tấn công mạng. Vì hai lý do này, việc tích hợp hệ thống SCADA trực tiếp với internet cũng không khả thi.

Giải pháp là gì ?

Như đã nói trước đó, bài viết này sẽ tập trung vào các hệ thống từ xa, nơi mà thông tin liên lạc và nguồn điện đôi khi là vấn đề với các hệ thống tự động hóa tại hiện trường, chẳng hạn như truyền tải điện, đường ống, địa điểm giếng dầu và khí đốt, kiểm soát lũ lụt, hệ thống kênh tưới tiêu, tiện ích nước và hoạt động khai thác .Mỗi tình huống là duy nhất và phải được đánh giá riêng. Trong nhiều trường hợp, các công ty hợp nhất hoặc bị mua lại và có thể có các hệ thống SCADA thuộc các loại khác nhau trong lĩnh vực này, gây ra tình trạng hỗn loạn tích hợp. Không có một giải pháp tốt nhất duy nhất cho tất cả các vấn đề, nhưng đây là một chiến lược tổng thể để tiến tới hội nhập công nghiệp 4.0.

Bước 1: Xây dựng mạng thiết bị dựa trên IIoT thu thập dữ liệu quan trọng từ hệ thống SCADA. Các hệ thống IIoT này không can thiệp hoặc kiểm soát hệ thống SCADA, nhưng giám sát các hoạt động của SCADA và báo cáo dữ liệu trực tiếp lên cloud .

Một số ít các nhà sản xuất có thiết bị kết nối với SCADA RTU và thu thập dữ liệu đã ghi từ hệ thống SCADA và truyền dữ liệu này lên cloud . Về cơ bản, thiết bị này hoạt động giống như một phiên dịch có thể giao tiếp giữa các giao thức khác nhau. Connexa là một trong những nhà sản xuất có Mô-đun Di động IIoT được chứng nhận. Mô-đun này kết hợp với Giao diện Chương trình Ứng dụng REST (API) là một hệ thống bất khả tri có thể giao tiếp với tất cả các giao thức SCADA chính và truyền dữ liệu, sử dụng băng thông thấp, tới các hệ thống cloud .

Luồng dữ liệu hoàn toàn là một chiều và bảo mật máy tính hiện đại là hiện tại. Ngay cả các báo động quan trọng cũng có thể được truyền qua các thiết bị này. Khi hệ thống SCADA có khiếm khuyết, các thiết bị IoT bổ sung có thể được lắp đặt để thu thập dữ liệu (ví dụ: giám sát năng lượng điện, tốc độ dòng chảy trong đường ống hoặc dữ liệu thời tiết). Các thiết bị IIoT mới hơn này có thể nối mạng trong một khu vực cục bộ (LAN) hoặc kết nối dây trực tiếp với modem di động và dữ liệu có thể được truyền qua mạng riêng ảo (VPN). 

Những thay đổi gần đây trong mạng di động mang đến dịch vụ 4G LTE nâng cao chất lượng cho hầu hết các khu vực có Mạng vô tuyến băng tần công dân (CBRS) 5G và 3,5 GHz trên đường chân trời gần. 5G sẽ cho tốc độ dữ liệu nhanh hơn và CBRS sẽ cho phép các công ty thiết lập mạng LTE riêng của họ mà không cần thông qua nhà cung cấp dịch vụ di động. Nếu dịch vụ di động không có sẵn, có sẵn các mạng liên lạc vi ba và vệ tinh đắt tiền hơn.

Các hệ thống IIoT / SCADA kết hợp này sẽ có thể được triển khai nhanh chóng và không tốn kém, cho phép doanh nghiệp truy cập rộng rãi vào dữ liệu thực địa. Các quy trình kinh doanh có thể sử dụng dữ liệu này trong điện toán cloud để phân tích hiệu suất hệ thống, dự báo chi phí và đưa ra quyết định kinh doanh tốt hơn.

Bước 2 : Bắt đầu xây dựng mạng tự động hóa dựa trên IIoT. Mục tiêu của tự động hóa IIoT là tạo ra một phiên bản kỹ thuật số của các quy trình trong hiện trường, về cơ bản là một “cặp song sinh kỹ thuật số” của thế giới thực. Với cặp song sinh kỹ thuật số này, các máy tính cloud mạnh mẽ với AI có thể tạo ra các mô hình mô phỏng để kiểm tra các điều kiện chạy và dự đoán kết quả. Khi các sản phẩm mới ra thị trường, các thành phần tự động hóa dựa trên hệ điều hành IT tiêu chuẩn, giao thức mạng và khả năng tương thích phần mềm sẽ có sẵn. 

Các hệ thống này có thể thay thế các hệ thống SCADA cũ cũ một cách có tổ chức, theo lịch trình và ngân sách. Sử dụng Industrial edge computing tại chỗ dựa trên kiến ​​trúc máy khách / máy chủ, mạng không dây cục bộ, bộ định tuyến / modem di động không dây, cảm biến và thiết bị IIoT có thể tạo ra các hệ thống tự động hóa tương tự như mạng công ty và mạng gia đình.

Với tốc độ truyền thông mạng di động ngày nay, độ trễ là một vấn đề khi yêu cầu kiểm soát, tính toán và thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Có máy tính và ra quyết định ở cấp địa phương, thông tin liên lạc và mất điện trở thành vấn đề ít hơn đối với các hoạt động quan trọng. Mạng không dây cục bộ có thể dễ dàng mở rộng và cung cấp sự linh hoạt trong việc di chuyển thiết bị xung quanh mà không cần phải quấn lại thiết bị.

Điện toán cloud và AI sẽ thực hiện công việc nặng nhọc đối với tính toán hệ thống phức tạp. Cập nhật phần mềm và các bản vá bảo mật có thể được thực hiện từ xa, như được thực hiện trên các hệ thống IT . Hiện tại, các hệ thống SCADA không có khả năng này, khiến ai đó phải cập nhật hệ thống tại chỗ. Ngoài ra, RTU và PLC chỉ thực hiện các hoạt động logic đơn giản trong hệ thống SCADA, hạn chế khả năng của chúng. Với máy tính tiên tiến và điện toán cloud mạnh mẽ, các hệ thống sẽ có thể thích ứng và thay đổi theo các điều kiện trong hệ thống hiện trường. Các hệ thống “thông minh” này sẽ có thể dự đoán những thay đổi về nhu cầu đối với thiết bị và thực hiện các điều chỉnh để tối ưu hóa hoạt động, giảm hao mòn, tăng tuổi thọ của thiết bị và giảm chi phí vận hành.

Bước 3: Các thiết bị IIoT trong tương lai có thể được tích hợp modem di động cho phép giao tiếp trực tiếp với cloud. Khi giao tiếp 5G phát triển, có thể tất cả việc kiểm soát và ra quyết định đều được thực hiện trên cloud . Có một cuộc tranh luận trong giới IT rằng liệu điện toán cloud tập trung, mạnh mẽ, điện toán cloud hay điện toán biên phân tán có phải là con đường tốt nhất để đi hay không. Đây cũng là cuộc tranh luận đã diễn ra kể từ khi chúng ta đi từ máy tính lớn (tập trung) sang máy khách / máy chủ (phân tán) đến các trung tâm dữ liệu cloud (tập trung). Kịch bản có thể xảy ra nhất là sẽ có sự kết hợp của cả hai tùy thuộc vào nhu cầu trong thế giới thực.

Kết luận

Hệ thống SCADA và IT phát triển riêng biệt, với các mục đích cũng như phần cứng, phần mềm và giao thức truyền thông khác nhau. Việc tích hợp hai nền tảng rất khác nhau này là điều cần thiết để tạo ra bước tiếp theo về năng suất và lợi nhuận. Theo thời gian, các thiết bị IIoT sẽ thay thế các thiết bị và hệ thống SCADA kế thừa, tạo ra một thế giới mạng và thông minh thực sự. Điện toán cloud mạnh mẽ và trí tuệ nhân tạo sẽ có thể tối ưu hóa hiệu suất và năng suất của máy móc / hệ thống / con người.

Đối với các công ty vận hành hệ thống tự động hóa ở các địa điểm xa xôi, lợi ích là rất nhiều:

• Ít nhân lực hơn để kiểm tra thiết bị hiện trường và ghi lại dữ liệu
• Cảnh báo thời gian thực khi hệ thống cần chú ý
• Chia sẻ dữ liệu toàn doanh nghiệp
• Truy cập Internet từ mọi nơi
• Bảo trì dự đoán
• Tối ưu hóa hệ thống và thiết bị
• Phân tích xu hướng
• Tuổi thọ thiết bị dài hơn
• Dự đoán tốt hơn về lợi tức đầu tư, thời gian chết và các chỉ số hiệu suất chính khác
• Lợi nhuận lớn hơn

Tác giả : Steve Bullard Giám đốc tiếp thị cho Connexa, công ty hàng đầu trong ngành đã từng đoạt giải thưởng về hệ thống điện và tự động hóa từ xa, tích hợp IIoT / SCADA, chế tạo bảng điều khiển công nghiệp và hệ thống phân phối điện từ xa.