Khi SCADA không chỉ là 1 Middleware

Chúng ta hãy cùng tìm hiểu cách Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) và  hệ thống kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) có thể cải thiện hoạt động của sản xuất như thế nào trong bài viết này.The Industrial Internet of Things (IIoT) and supervisory control and data acquisition (SCADA) can improve operations. Learn how.

Middleware là phần mềm máy tính với nhiệm vụ kết nối các thành phần phần mềm hoặc các ứng dụng với nhau. Phần mềm loại này bao gồm một tập các dịch vụ cho phép sự tương tác giữa các tiến trình chạy trên một hoặc nhiều máy khác nhau. Công nghệ middleware đã được phát triển để cung cấp khả năng hoạt động tương hỗ, phục vụ cho các kiến trúc phân tán thường được để hỗ trợ và đơn giản hóa các ứng dụng phân tán phức tạp.

Thuật ngữ “hệ thống kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu” (SCADA) dùng để chỉ một bộ ứng dụng phần mềm công nghiệp có thể được cấu hình để hỗ trợ quản lý hầu hết mọi loại sản xuất quy trình hoặc rời rạc. SCADA được tìm thấy bất cứ nơi nào cần thiết để tổng hợp dữ liệu của một quy trình sản xuất được kiểm soát hoặc phối hợp các hoạt động liên quan đến quy trình sản xuất đó.

Câu hỏi đặt ra là vai trò của SCADA sẽ thay đổi hoặc giảm dần trong một thế giới tự động hóa công nghiệp ngày càng bị phá bỏ bởi Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) ?

Câu trả lời là không. Trên thực tế, IIoT ra đời để  cải thiện SCADA ngay cả trước khi SCADA được kết nối với Internet hoặc Cloud. Sử dụng giao thức vận chuyển tin nhắn xếp hàng từ xa (MQTT), kết hợp với các data broker trung gian hướng thông báo (MOM), sẽ giúp “hiện đại hóa” cơ sở hạ tầng SCADA. Với sự sẵn có của các giải pháp kết nối IIoT, thay vì đầu tư nguồn lực vào tái thiết kế, tích hợp lại và tái cấu trúc SCADA dựa trên các giao thức cũ của hơn 35 năm trước chúng ta có thể dành thời gian để phát triển các ứng dụng tận dụng lợi thế của đám mây và phân tích.

Nói cách khác, các công nghệ IIoT có thể “nhảy vọt” về cơ sở hạ tầng kế thừa và cơ sở thiết bị được cài đặt hiện tại với các giải pháp và chiến lược di chuyển kết hợp với chúng. Ngay hôm nay, các thiết bị edge computing được cài đặt các trường cung cấp khả năng kết nối với các PLC, máy phát và các nút khác hiện có và xuất bản các quy trình quản lý thời gian thực bằng MQTT.

MQTT là một phương tiện truyền tải hai chiều, nhẹ, hướng sự kiện, hướng thông điệp, cho phép các thiết bị giao tiếp hiệu quả qua các mạng bị hạn chế với các hệ thống phụ trợ. MQTT loại bỏ cái gọi là giao thức thăm dò / phản hồi và bằng cách tận dụng các công nghệ MOM trưởng thành, SCADA hỗ trợ IIoT giúp dữ liệu thiết bị có thể truy cập được tới nhiều người tiêu dùng thông tin hơn. Các thiết bị không còn kết nối trực tiếp với và được tách rời một cách hiệu quả từ ứng dụng SCADA. SCADA dựa trên các nguyên tắc MOM làm giảm độ trễ của dữ liệu đo lường và kiểm soát tới hạn.

Băng thông được yêu cầu trước đây cho cuộc thăm dò / phản hồi được giảm tới 85%. Điều đó làm cho thông tin thường bị mắc kẹt trong các thiết bị có thể truy cập. Ngoài ra, nó cung cấp một điểm quản lý bảo mật duy nhất cho các thiết bị và ứng dụng thực tế, đơn giản hóa cấu trúc liên kết cơ sở hạ tầng để dự phòng, sẵn có và khả năng mở rộng và loại bỏ sự “đóng kín” đáng sợ từ phiên bản SCADA này sang phiên bản SCADA khác. Cuối cùng, nó cung cấp việc tách rời thiết bị cần thiết để hỗ trợ thêm IIoT.

Triển khai SCADA thế hệ mới

Cài đặt SCADA thường bao gồm máy trạm, bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và thiết bị cho đầu vào và đầu ra hệ thống (IO). Một yếu tố khác của cài đặt SCADA là cơ sở dữ liệu phân tán và các yếu tố dữ liệu thẻ tag hoặc điểm data (data point). Mỗi thẻ đại diện cho một giá trị đầu vào hoặc đầu ra hệ thống.

Vòng phản hồi quá trình đi qua PLC, trong khi SCADA theo dõi hiệu suất của vòng lặp. Nghĩa là, PLC giả định điều khiển tham số, các nhà khai thác giám sát kết quả ví dụ, thay đổi điểm thiết lập. giao tiếp ngang hàng giữa các bộ điều khiển có thể thiếu.

Hệ thống SCADA về cơ bản vẫn không thay đổi trong 40 năm qua. Phần cứng và hệ điều hành được cải thiện theo Định luật Moore, nhưng cơ sở hạ tầng và cách thông tin được đưa vào từ thiết bị và cảm biến vẫn không thay đổi nhiều. Hầu hết các hệ thống SCADA vẫn đặt hệ thống máy chủ thẳng hàng với bất kỳ thiết bị hiện trường (field devices) sử dụng các giao thức thăm dò / phản hồi. Các trình điều khiển giao thức thăm dò / phản hồi này cho rằng các thiết bị được kết nối trực tiếp với ứng dụng máy chủ SCADA.

Từ quan điểm “hoạt động”, các hệ thống này đã được chứng minh là khả thi. Mặt khác, các thách thức phát sinh bất cứ khi nào các chức năng kinh doanh muốn truy cập vào dữ liệu mà các thiết bị và cảm biến thông minh cung cấp. Để truy cập nó, các cuộc thăm dò bổ sung phải được đặt vào các bảng máy chủ SCADA. Các ứng dụng bổ sung là cần thiết để truy cập dữ liệu. Các tham số bảo mật và kiểm soát truy cập cần được đặt đúng chỗ. Hoạt động phải quản lý các cuộc thăm dò bổ sung và tránh bất kỳ tác động tiêu cực đến tỷ lệ cập nhật.

Ngay cả khi SCADA hiện đang thu thập dữ liệu mà nó không cần chỉ để chuyển sang các ứng dụng khác. Theo thời gian và chủ yếu là phương tiện để phối hợp hoạt động, SCADA hoạt động ngày càng giống như phần mềm trung gian (middle) hướng thông điệp, mặc dù điều đó không bao giờ có nghĩa là làm như vậy. Và khi ứng dụng máy chủ SCADA phát triển, nó trở nên dễ ngừng và khó quản lý. Những nỗ lực để hưởng lợi từ thông tin bổ sung được thu thập từ các thiết bị hiện trường bị đình trệ.

Các thực tiễn trước đây về kết nối trực tiếp với SCADA bằng các giao thức thăm dò / phản hồi cũng cản trở việc áp dụng công nghệ. Khi một giao thức được triển khai, người dùng sẽ phải đối mặt với tình trạng khó khăn khi công nghệ mới hơn có sẵn. Các thiết bị sáng tạo có thể có các giao thức không được SCADA hỗ trợ. Máy chủ SCADA thay thế không thể được đánh giá song song với máy chủ SCADA hiện tại trên hệ thống trực tiếp. Kết nối thiết bị với các ứng dụng bằng giao thức thăm dò / phản hồi khiến các giải pháp theo thời gian khó cập nhật.

Khả năng của SCADA cùng MQTT

Sử dụng các thiết bị field network thực thi giao thức MQTT nguyên bản, SCADA dựa trên MOM có thể được nhận ra, như trong Hình dưới. Các thành phần của cơ sở hạ tầng thăm dò / phản hồi kế thừa được duy trì. Thay đổi chính đối với cấu trúc liên kết là sự có mặt của Máy chủ MQTT.

Hình 2: Khi doanh nghiệp yêu cầu các ứng dụng bổ sung từ một quy trình, các cuộc thăm dò bổ sung là cần thiết, cũng như các bước bao gồm 1) tạo ra một ứng dụng mới; 2) xác định sơ đồ giao diện / dữ liệu giữa các ứng dụng mới và tính toán luồngCác thiết bị kế thừa trong trường có thể được kích hoạt MQTT bằng cách sử dụng các thiết bị edge network có sẵn tích hợp giao thức thăm dò / phản hồi gốc và sau đó chuyển đổi thông tin  đăng ký / xử lý thành thông báo MQTT được xuất bản trong thời gian thực trên các báo cáo – cơ sở ngoại lệ.

Các thiết bị SCADA có sẵn ngày hôm nay đã triển khai MQTT nguyên bản và có thể được thêm vào cơ sở hạ tầng ngay lập tức. Sử dụng MOM (Message Oriented Middleware) có nghĩa là các thiết bị cuối xuất bản tất cả dữ liệu hoạt động theo thời gian thực, để SCADA và các chức năng kinh doanh khác sử dụng. Một lần nữa, cho dù siêu dữ liệu, thông tin tài sản, chẩn đoán, cấu hình hoặc các số liệu khác, tất cả đều có sẵn trong thời gian thực.

Máy chủ SCADA hiện được tách rời khỏi các thiết bị trường từ xa. Hệ thống không bị giới hạn bởi việc triển khai giao thức thăm dò / phản hồi được chỉ định hoặc ứng dụng máy chủ SCADA. Hiện tại có một mối quan hệ một-nhiều giữa dữ liệu thiết bị hiện trường được công bố và các ứng dụng quan tâm đến việc đăng ký thông tin đó. Máy chủ SCADA có thể tập trung 100% vào việc trở thành máy chủ SCADA thay vì hoạt động như một thành phần phần mềm trung gian dễ bị phá vỡ. Tất cả các kết nối từ các trang web từ xa đến Brokers MQTT đều có nguồn gốc từ phía khách hàng và tất cả các site hoạt động bình thường từ xa đều được kết nối đồng thời.Các thiết bị hiện trường trở nên thông minh hơn trong thập kỷ qua, nhưng hầu hết trí thông minh bổ sung đó bị bỏ lại! Cấu trúc liên kết được biểu thị trong Hình dưới là biểu thị của SCADA hiện đại với giảm vấn đề về băng thông và cho phép tập hợp dữ liệu lớn hơn.

Hình 3: Sử dụng các kiến ​​trúc SCADA tập trung vào MOM cho phép các thiết bị xuất bản theo thời gian thực lên máy chủ MOM, với SCADA tham gia với tư cách là người đăng ký và nhà xuất bản. Các yếu tố bao gồm 1) truyền tải thông điệp MQTT; 2) MQTT và vận chuyển tin nhắn khác; 3) Một

Một khởi đầu mới cho SCADA

MQTT được phát hành lần đầu tiên vào năm 1999 dưới dạng truyền tải thông điệp tập trung vào SCADA nhưng vẫn chưa được biết đến nhiều ở các thị trường rộng lớn hơn. Nhưng trong 4 năm qua, việc sử dụng nó trong các giải pháp tập trung vào IoT đã đạt được sự chấp nhận đáng kể. Gần như mọi sản phẩm phần mềm trung gian hướng thông điệp (MOM) trên thị trường hiện nay đều hỗ trợ MQTT nguyên bản. Các công cụ nguồn mở có sẵn cho MQTT, cũng như các hướng dẫn và thông tin kỹ thuật. Trong 18 tháng qua, các nhà sản xuất thiết bị SCADA, nhà cung cấp nền tảng phát triển và nhà cung cấp giải pháp cuối đã công bố một số mức hỗ trợ cho MQTT.

Thông số kỹ thuật có sẵn công khai tại một trang web Github cùng với mã triển khai tham chiếu đơn giản bằng C, Java, JavaScript và Python. Các ví dụ được cung cấp để sử dụng công cụ nối dây trực quan Node-RED phổ biến. Sử dụng Sparkplug để nhắn tin MQTT hiệu quả và quản lý trạng thái cho phép các nhà cung cấp giải pháp máy chủ SCADA và nhà sản xuất thiết bị đầu cuối tương tác liền mạch trong các giải pháp SCADA thời gian thực. Các ứng dụng có thể “tham gia” cơ sở hạ tầng để nhanh chóng truy cập thông tin theo thời gian thực.

Các ứng dụng triển khai tham chiếu Sparkplug có thể được thực thi trên nền tảng phần cứng Raspberry Pi được kết nối với bất kỳ máy chủ MQTT nguồn mở nào. Cơ sở hạ tầng chất lượng sản xuất có thể được xây dựng bằng các giải pháp đã triển khai đặc điểm kỹ thuật Sparkplug bao gồm các giải pháp từ Tự động hóa quy nạp, Node-RED, Eclech, Elecsys, Hilscher, Magnetrol, Moxa, Opto 22 và Tyrion.

Hình 4: Việc tách rời máy chủ SCADA khỏi kết nối trực tiếp đến các thiết bị hiện trường có nghĩa là mối quan hệ một-nhiều được thiết lập giữa dữ liệu được công bố và các ứng dụng quan tâm. Máy chủ SCADA chỉ hoạt động như vậy, máy chủ SCADA. Lịch sự: Cirrus Link SolutioVới hệ thống sinh thái mới nổi này, các nhà sản xuất thiết bị, nhà phát triển SCADA, nhà tích hợp và người dùng cuối giờ đây có thể xây dựng cơ sở hạ tầng hỗ trợ MQTT làm cơ sở để di chuyển khỏi các hệ thống phụ thuộc vào phản ứng / thăm dò kế thừa. MOM là một công nghệ được thử nghiệm, triển khai và được chấp nhận trong thế giới CNTT ngày nay. Áp dụng nó cho các hệ thống SCADA sử dụng MQTT dẫn đến việc triển khai hiện đại và hiện đại, sử dụng các thành phần tiêu chuẩn hơn, sẵn có hơn và yêu cầu tích hợp ứng dụng và tùy biến ít hơn xung quanh ứng dụng máy chủ SCADA. Trí thông minh thiết bị trường bổ sung có thể được truy cập và đưa vào các ứng dụng kinh doanh trực tuyến mà không ảnh hưởng hoặc sửa đổi ứng dụng máy chủ SCADA.

Vì sao lại là MQTT (Message Oriented Middleware) ?

Được sử dụng trong lĩnh vực công nghệ thông tin trong hơn một thập kỷ, phần mềm trung gian hướng thông điệp (MOM) tách các ứng dụng. Các hệ thống công nghệ thông tin kế thừa hoạt động giống như các giao thức thăm dò / phản hồi của SCADA hiện nay. Các ứng dụng được kết hợp chặt chẽ, sử dụng định nghĩa giao thức để xác định cách ứng dụng A nói chuyện với ứng dụng B. Là một giải pháp tại thời điểm, những ứng dụng này hoạt động tốt. Nhưng theo thời gian, việc kết hợp chặt chẽ và định nghĩa chặt chẽ đã gây khó khăn, nếu không nói là không thể, để cập nhật các ứng dụng CNTT kế thừa.

Mặt khác, với MOM, các ứng dụng xuất bản dữ liệu mà không cần quan tâm đến việc ai đăng ký vào nó. Các nhà phát triển tập trung vào việc tạo các ứng dụng giá trị gia tăng xuất bản và đăng ký trong cơ sở hạ tầng MOM. Ngoài ra, với MOM, tải trọng của thông tin được xuất bản được xác định theo chủ đề tin nhắn chứ không phải bởi một giao thức, nghĩa là, tải trọng của tin nhắn MOM là không xác định. Nó có thể là một tệp JPEG nhị phân hoặc nó có thể là một tài liệu XML. Vận chuyển thư cho phép các nhà phát triển xuất bản ở định dạng có ý nghĩa nhất đối với giải pháp, không bị ràng buộc bởi bất kỳ định nghĩa giao thức nào.

Cơ sở hạ tầng tương tự này cần được sử dụng cho SCADA hỗ trợ IIoT. Kiến trúc SCADA tập trung vào MOM cho phép các thiết bị xuất bản dữ liệu thời gian thực lên máy chủ MOM trung tâm. Ứng dụng máy chủ SCADA tham gia với tư cách là người đăng ký các biến quy trình thời gian thực và nhà xuất bản các lệnh thiết bị. Nó cũng phá vỡ vòng luẩn quẩn của phát triển giao thức và hỗ trợ vì các chủ đề thông báo bổ sung có thể được tạo theo yêu cầu để phát triển các yêu cầu giải pháp.

Một số lưu ý về MQTT

MQTT được sử dụng lần đầu tiên vào những năm 1990 trong SCADA thời gian thực, quan trọng trong ngành dầu khí. Đối với hầu hết các hệ thống này, công nghệ VSAT là mạng truyền thông chính và do đó băng thông là tối thiểu. MQTT tỏ ra hấp dẫn khi sử dụng trong SCADA vì đó là:

  • Được xây dựng tự nhiên trên đỉnh TCP / IP, với sự hỗ trợ phiên TCP / IP phía client
  • Băng thông hiệu quả
  • Bất khả tri
  • Đơn giản để hiểu và thực hiện.

Nếu bạn loại bỏ HTTP dưới dạng vận chuyển khả thi cho SCADA vì đây là vận chuyển không trạng thái và băng thông nặng, MQTT nổi lên như một vận chuyển khả thi trong lĩnh vực ứng dụng IIoT rộng lớn. Ngoài ra, MQTT ban đầu được thiết kế cho cơ sở hạ tầng VSAT SCADA. Nó cho phép các phân đoạn không gian VSAT có giá trị được tối ưu hóa cho số lượng các trang web từ xa trong phân đoạn không gian đó. Do đó, khi client MQTT được thiết lập, tổng chi phí siêu dữ liệu cho tin nhắn chỉ là ba byte. MQTT cũng tận dụng tối đa lợi thế của vận chuyển TCP / IP cơ bản. Điều đó có nghĩa là MQTT cực kỳ nhẹ và tiết kiệm băng thông, đặc biệt là đối với các cấu trúc liên kết mạng di động và VSAT. Đối với SCADA sàn nhà máy, điều này có thể có nghĩa là các lệnh giảm cường độ trong lưu lượng mạng.

MQTT hiện là một tiêu chuẩn toàn cầu được hỗ trợ bởi một số cơ quan tiêu chuẩn hàng đầu bao gồm OASIS, ISO và IEC.

Bài viết bởi Arlen Nipper là chủ tịch và giám đốc công nghệ tại Cirrus Link Solutions.

Đăng ký để nhận ebook
Đăng ký để nhận ebook "Ứng dụng IoT" từ chúng tôi.
Đăng ký để được nhận ebook "The Technical Foundations of IoT" và "Building Arduino Projects for the Internet of Things ".