01/09/2022 
Hệ thống điều khiển công nghiệp ICS cùng kết nối internet vạn vật IoT và hệ thống quản lý doanh nghiệp,… sẽ tạo nên một hệ thống cho phép doanh nghiệp tối ưu hiệu suất điều khiển sản xuất, tăng độ chính xác điều khiển, tăng sự quản lý, kiểm soát dây chuyền sản xuấtCùng tìm hiểu về khái niệm ICS – hệ thống điều khiển công nghiệp, cùng những thông tin liên quan lĩnh vực này qua bài viết dưới đây.
Hệ thống điều khiển công nghiệp là gì?
Hệ thống điều khiển, gọi tắt là ICS (Industrial Control System) là hệ thống, tổ hợp gồm các thiết bị, phương tiện kỹ thuật, cùng chương trình, phần mềm quản lý để thực hiện công việc điều hành, kiểm soát, điều khiển các chương trình sản xuất, vận hành, quy trình công nghệ sản xuất tại nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất công nghiệp.
Cho đến nay, hệ thống điều khiển công nghiệp ICS đã tồn tại khá lâu rồi, có thể thấy nhiều mô hình sản xuất công nghiệp ứng dụng ICS phổ biến nhất là trong các lĩnh vực như: năng lượng, dầu khí, kho bãi, sản xuất công nghệ điện tử, giao thông vận tải, xử lý nước, … nhưng với nhiều doanh nghiệp, cơ sở sản xuất công nghiệp Việt Nam thì nó còn khá mới lạ.
Vì hệ thống điều khiển công nghiệp là các hệ thống được liên kết với nhau và phải vận hành liên tục, nên với ngành công nghiệp sản xuất, nó có vai trò vô cùng quan trọng, giúp toàn bộ máy móc, thiết bị,… của nhà máy đảm bảo luôn vận hành dưới sự kiểm soát, điều khiển liên tục, nhanh chóng khắc phục các sự cố xảy ra, để quá trình sản xuất tiếp tục được diễn ra thuận lợi, không bị ngưng trệ gây ảnh hưởng đến năng suất sản xuất, đảm nhiệm nhiệm vụ vừa kết nối, truyền tải dữ liệu, vừa điều hành và cho phép các thiết bị đầu cuối trong hệ thống ICS giao tiếp với nhau hiệu quả.
Vì vậy, mọi doanh nghiệp, cơ sở sản xuất hiện nay rất cần ứng dụng công nghệ này vào mô hình sản xuất công nghiệp của mình, đặc biệt trong thời đại khoa học kỹ thuật 4.0 và tự động hóa phát triển mạnh mẽ như ngày nay.
Với mô hình sản xuất tuân theo hệ thống công nghệ thông tin, chỉ tập trung vào 3 thuộc tính là: vẹn toàn – tính bí mật – tính sẵn sàng, thì hệ thống điều khiển công nghiệp đặt thuộc tính “sẵn sàng” và liên tục lên hàng đầu.
Thành phần cấu tạo trong một hệ thống điều khiển công nghiệp ICS sẽ bao gồm nhiều thành phần phức tạp. Tùy quy mô hệ thống sản xuất mà ICS sẽ có thể bao gồm các biến thể như:
- Hệ thống điều khiển phân tán DCS có cấu trúc tương đối phức tạp.
- Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA có cấu trúc ít phức tạp hơn nên được sử dụng rất phổ biến.
- Hệ thống điều khiển logic lập trình với PLC hay màn hình điều khiển giao diện người máy HMI – hệ thống khá đơn giản.
Hệ thống điều khiển công nghiệp ICS sẽ bao gồm 4 lớp có thành phần cơ bản như sau:
- Lớp 0 – field device: Hệ thống thiết bị trường, bao gồm các thiết bị đo lường, thiết bị giám sát, thiết bị thu thập dữ liệu thông minh.
- Lớp 1 – control field: Hệ thống các thiết bị điều khiển và phần mềm. Bao gồm: truyền thông công nghiệp, thiết bị đầu cuối RTU, PLC – lập trình điều khiển logic, thiết bị điều khiển thông minh, màn hình HMI.
- Lớp 2: Hệ thống thiết bị vận hành. Bao gồm các thiết bị thực thi, vận hành sản xuất trong phạm vi nhà máy.
- Lớp 3: Hệ thống thiết bị và phần mềm giám sát. Bao gồm các giải pháp giám sát, quản lý, điều khiển theo quy mô doanh nghiệp.
Hệ thống điều khiển công nghiệp ICS sẽ thông qua 3 giao thức giao tiếp phổ biến sau đây để thực thi:
- Giao thức giao tiếp RS232, RS485… chủ yếu dùng cho lớp 0 và lớp 1.
- Giao thức giao tiếp TCP/IP sử dụng cổng RJ45, ứng dụng với nhiều lớp, bao trùm cả hệ thống.
- Giao thức giao tiếp không dây như: Wireless và Microwave, chủ yếu dùng trong lớp 3.
Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp
Hiện nay có các loại hệ thống điều khiển công nghiệp khác nhau được dùng trong công nghiệp sản xuất như dưới đây:
SCADA – Hệ thống kiểm soát giám sát và thu nhập dữ liệu
Hệ thống điều khiển công nghiệp này không hướng tới cung cấp người dùng quyền quản lý, kiểm soát, mà nó tập trung vào quyền cho phép người dùng kiểm soát hệ thống dưới chức danh riêng cấp giám sát.
Hệ thống điều khiển SCADA hiện là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp sản xuất hiện nay, nó bao gồm nhiều thiết bị khác nhau:
- Bộ điều khiển logic có thể lập trình (PLC)
- Các mô-đun phần cứng thương mại được phân phối ở nhiều vị trí.
Hệ thống điều khiển này có thể thu nhận và truyền dữ liệu hay có sẵn các giao diện người – máy (HMI) để cho phép người dùng dễ dàng giám sát và kiểm soát đầu vào – đầu ra của một quy trình sản xuất công nghiệp nào đó.
Hệ thống điều khiển công nghiệp SCADA thường được sử dụng phổ biến nhất trong quy trình sản xuất các ngành liên quan đến đường ống, xử lý và phân phối nước sạch, xử lý nước thải công nghiệp, truyền tải và phân phối điện,…
DCS – Hệ thống điều khiển phân tán
Hệ thống điều khiển DCS này cũng là hệ thống được sử dụng khá phổ biến hiện nay, cho phép người dùng kiểm soát các hệ thống sản xuất tại một địa điểm duy nhất.
Một hệ thống DCS sẽ gửi một điểm đặt đến bộ điều khiển, theo tín hiệu từ bộ điều khiển để điều hướng các van hay bộ truyền động vận hành, hoạt động đồng thời vẫn duy trì điểm đặt như mong muốn. Và điểm đặt nói đến ở đây là các giá trị mục tiêu hoặc giá trị muốn hướng đến của một biến hoặc giá trị quá trình thiết yếu của một DCS.
Theo giá trị điểm đặt đã được xác định trước đó, mỗi DCS cần sử dụng thêm một vòng điều khiển giám sát để tập trung quản lý các bộ điều khiển nội bộ hay hệ thống các thiết bị trong quy trình sản xuất công nghiệp của cơ sở, nhà máy,…đồng thời cho phép người dùng có thể nhanh chóng truy cập vào dữ liệu cơ sở sản xuất và điều khiển, vận hành để đảm bảo bất kỳ lỗi hay sai sót đơn lẻ nào xảy ra sẽ có tác động thấp nhất với hệ thống điều khiển ICS tổng thể.
Hệ thống điều khiển này thường được ứng dụng trong các ngành sản xuất thuộc lĩnh vực điện, nhiên liệu, hóa chất, dầu khí hay xử lý nước sạch và nước thải,…
PLC – Bộ điều khiển logic có thể lập trình
Bộ điều khiển này là một thành phần điều khiển như “phần cứng” trong một hệ thống tổng thể được sử dụng, cho phép người dùng quản lý cục bộ các quy trình sản xuất, vận hành của nhà máy, xí nghiệp,… đang hoạt động thông qua tín hiệu phản hồi như cảm biến và thiết bị truyền động từ các thiết bị điều khiển.
Bộ điều khiển PLC còn cung cấp chức năng tương tự như Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU), thậm chí nó còn được coi như một bộ điều khiển cục bộ trong sơ đồ điều khiển giám sát với hệ thống điều khiển phân tán (DCS).
PLC cũng được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ của các thành phần chính trong một cấu hình hệ thống điều khiển nhỏ hơn nào đó.
IED – Thiết bị điện tử thông minh
Thiết bị điện tử thông minh (IED) là một thiết bị có thể được sản xuất để phục vụ cho rất nhiều mục đích khác nhau trong lĩnh vực truyền thông, đo lường, giám sát và điều khiển điện năng của một nhà máy, xí nghiệp,… sản xuất công nghiệp.
Người dùng có thể kết hợp IED với các cấu trúc ICS để quy trình tự động hóa điện năng cơ sở được tạo điều kiện tốt nhất để đáp ứng, bên cạnh nó còn là thành phần điện tử có bộ vi xử lý riêng để giao tiếp thông qua các giao thức giao tiếp khác nhau, chẳng hạn như bộ điều khiển mạch và thiết bị điều chỉnh,… thông qua giao thức Ethernet thời gian thực hoặc Fieldbus.
Hệ thống điều khiển IED còn có thể có trong quy trình và hệ thống điều khiển công nghiệp khác kể trên như DCS và SCADA.
PLC – Bộ điều khiển tự động hóa có thể lập trình
PLC thực chất là một hệ thống điều khiển có trạng thái rắn, cấu trúc chắc chắn, mạnh mẽ để thực hiện được các chức năng đặc biệt, bao gồm như: giao diện lập trình trực quan, điều khiển ba chế độ (PID), điều khiển I / O, điều khiển tuần tự, cơ chế số học, đếm và định thời.
PLC có tính chất là có độ đàn hồi cao, có khả năng chống chọi tốt với nhiều điều kiện khắc nghiệt của thời tiết, nên được ứng dụng tại các cơ sở có đặc điểm như: nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, độ ẩm cao, tiếng ồn điện nhiều hay luôn có độ rung động, rung lắc mạnh trong môi trường làm việc.
Và hệ thống điều khiển này cũng có chức năng là giám sát và quản lý số lượng lớn các bộ truyền động và cảm biến, đồng thời giúp nâng cao tính chất khi so sánh với các hệ thống máy tính và bộ xử lý thông thường khác để thấy số lượng thiết lập I / O cao là hoàn toàn khả thi.
HMI – Giao diện người – máy
Đây là một hệ thống cho phép các phương tiện giao tiếp thực thi và trao đổi thông tin giữa người vận hành và máy móc hoặc hệ thống các máy tính với nhau thông qua phần cứng và phần mềm đã được thiết lập.
Với hệ thống điều khiển HMI, mọi quy trình thiết bị khác nhau đều có thể được kiểm soát, hiển thị và quản lý dễ dàng thông qua các tương tác giữa người và máy, giữa người điều khiển và thiết bị vận hành.
IACS – Hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp
Hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp (IACS) đơn giản là một kiểu thiết bị cơ khí, cơ điện có trạng thái rắn cho phép người dùng thực hiện được một số quá trình điều khiển, giám sát và tác động cùng lúc trên nhiều thiết bị có logic và quy trình phức tạp.
Bởi IACS có thể đồng thời theo dõi và kiểm soát rất nhiều quá trình sản xuất thông qua tính năng cảm biến trên máy móc, thiết bị thông minh, rồi thông qua các phần mềm và phần cứng khác để biến những thông tin cảm biến nhận được đó thành các đầu ra điều khiển khác nhau.
RTU – Đơn vị đầu cuối từ xa
Đây là một hệ thống điều khiển công nghiệp dựa trên nguyên lý hoạt động như một bộ vi xử lý, cho phép kết nối điện tử đồng thời nhiều phần cứng với các hệ thống điều khiển khác, chẳng hạn như SCADA hoặc DCS.
Các đơn vị điều khiển điện tử này thông qua các luồng đầu vào và đầu ra để mang nhiều dữ liệu cảm biến, sau đó truyền đến ICS tập trung qua một vòng điều khiển nào đó. Bản thân RTU cũng quản lý đồng thời nhiều kết nối của điều khiển từ xa hoặc điều khiển cục bộ của hệ thống sản xuất.
Quy trình hoạt động hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển công nghiệp có chứa rất nhiều chi tiết, máy móc, thiết bị phức tạp, cần đảm bảo có sự thống nhất đồng bộ để vận hành trơn tru, hiệu quả, do đó cần hoạt động theo quy trình như sau:
- Tại lớp 0, các thiết bị đo lường và giám sát sẽ hoạt động theo quy trình sẵn có đã được lập trình trước đó.
- Tại lớp 1, nhân viên sẽ trực tiếp thao tác vận hành, điều khiển các thiết bị, đồng thời giám sát và thu thập thông tin của cả dây chuyền sản xuất thông qua chương trình đã được lập trình sẵn (PLC) từ vị trí trạm kỹ thuật trong xí nghiệp, nhà máy
- Tại lớp 2, hệ thống điều khiển sẽ được vận hành, nhằm điều khiển mọi hoạt động máy móc, thiết bị trong phạm vi nhà máy, như: giám sát, theo dõi hất lượng và số lượng hàng hóa, giám sát năng lượng và các yếu tố kỹ thuật,…. Sau đó tiếp nhận tín hiệu từ lớp 1 đồng thời truyền tín hiệu đến lớp 3.
- Tại lớp 3, các phần mềm quản lý sẽ tiếp nhận, thu thập thông tin được gửi đến từ lớp 2 hoặc lớp 1, hoặc thậm chí từ lớp 0. Và toàn bộ dữ liệu thu thập lại sẽ được bảo mật tuyệt đối, được quản lý, giám sát và bảo vệ với hệ thống tường lửa, an ninh mạng nghiêm ngặt, đồng thời lưu trữ dữ liệu cuối cùng tổng hợp tại đây.
Rủi ro của hệ thống điều khiển công nghiệp
Tuy thấy hệ thống điều khiển công nghiệp có vai trò rất quan trọng trong quy trình sản xuất công nghiệp nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, nhưng nó cũng tiềm ẩn một số rủi ro như sau, doanh nghiệp cần nắm bắt được rủi ro để chủ động kiểm soát:
Dễ bị tấn công an ninh mạng, bị đe dọa từ bên ngoài
Vì hệ thống điều khiển công nghiệp sẽ “nắm giữ” nhiều thông tin, dữ lieuj quan trọng liên quan đến thuật hóa học, sản xuất, phân phối hàng hóa, chăm sóc sức khỏe, bí mật sản xuất,… nên đây cũng là mục tiêu hàng đầu mà các nhóm khủng bố CNTT, hacker nhắm đến với mục đích xấu.
Mục đích cuối cùng của tấn công an ninh mạng, có thể chỉ nhằm gây ra thiệt hại lớn về vật chất cho doanh nghiệp hoặc làm gián đoạn hoạt động sản xuất thời điểm đó, nhưng cũng có thể bắt nguồn từ “ý đồ” muốn đánh cắp thông tin được bảo mật hoặc gây mất mát về Sở hữu trí tuệ (IP).
Mối đe dọa nội bộ
Hệ thống điều khiển công nghiệp cũng rất dễ bị đe dọa nội gián, đôi khi tiềm ẩn nhiều rủi ro vô cùng lớn cho quy trình sản xuất công nghiệp.
Bởi hầu hết các mạng ICS hiện nay không có hệ thống bảo mật tuyệt đối, người truy cập chỉ cần được cấp quyền, là có thể truy cập, không yêu cầu xác thực hay thực hiện mã hóa phức tạp nào để kiểm soát, do đó, tồn tại nhiều rủi ro từ chính các cá nhân là người dùng từng có quyền truy cập, có thể dễ dàng truy cập và tiến hành ăn cắp dữ liệu, phát tán thông tin, thâm nhập phần mềm độc hại vào hệ thống thông tin với nhiều mục đích khác nhau.
Sai sót hệ thống do con người
Máy móc hay con người cũng đều sẽ có lúc mắc sai lầm, nhưng nếu sai lầm của con người khi xuất hiện trên hệ thống điều khiển công nghiệp, sẽ gây tốn thất và sức ảnh hưởng rất lớn, không chỉ với hoạt động sản xuất, mà còn có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, danh tiếng doanh nghiệp,…
Trên thực tế có thể đánh giá rằng sai sót của con người trong hệ thống điều khiển là mối đe dọa lớn nhất trong hệ thống mạng ICS. Lỗi sai sót của con người được nói đến ở đây, có thể là: cài đặt cấu hình không chính xác, lập trình PLC không đúng hay quên theo dõi các chỉ số hoặc cảnh báo chính,…
Lời kết
Như vậy hệ thống điều khiển công nghiệp ICS cùng kết nối internet vạn vật IoT và hệ thống quản lý doanh nghiệp,… sẽ tạo nên một hệ thống cho phép doanh nghiệp tối ưu hiệu suất điều khiển sản xuất, tăng độ chính xác điều khiển, tăng sự quản lý, kiểm soát dây chuyền sản xuất, nhưng đồng thời cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ về an toàn hệ thống dự liệu mạng. Nếu quý khách muốn được tư vấn thêm về hệ thống này, xin hãy liên hệ ngay với Bình Dương AEC để được hỗ trợ kịp thời nhé!
Địa chỉ văn phòng: 87-89 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội
Địa chỉ xưởng: Lô 25-D14, LK Geleximco, Hà Đông, Hà Nội
Fanpage: https://www.facebook.com/BinhDuongAECb
Email: info@binhduongaec.com.vn
