Hệ thống điều khiển công nghiệp là gì? Phân loại, ứng dụng

Trong thời đại công nghiệp hiện nay, các nhà máy và xí nghiệp không ngừng tìm kiếm giải pháp để nâng cao năng suất, tối ưu hóa quy trình và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Để làm được điều đó, không thể không nhắc đến vai trò quan trọng của hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS). Trong bài viết lần này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu từ tổng quan đến chi tiết về hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS).

1. Hệ thống điều khiển công nghiệp là gì?

Hệ thống điều khiển công nghiệp (Industrial Control System – ICS) là một thuật ngữ chung bao gồm nhiều loại thiết bị, hệ thống và mạng lưới khác nhau được sử dụng để tự động hóa và điều khiển các quy trình sản xuất công nghiệp. Nói một cách đơn giản, ICS là tập hợp các thành phần phối hợp với nhau để giám sát, điều khiển và vận hành các hoạt động sản xuất trong nhà máy, xí nghiệp.

Chức năng của hệ thống điều khiển công nghiệp:

• Giám sát: Theo dõi liên tục các thông số của quá trình sản xuất (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ,…).
• Điều khiển: Tự động điều chỉnh các thiết bị (ví dụ: van, bơm, động cơ,…) để duy trì các thông số ở mức mong muốn.
• Thu thập dữ liệu: Ghi lại dữ liệu về quá trình sản xuất để phân tích, tối ưu hóa và báo cáo.
• Cảnh báo: Phát hiện và cảnh báo các sự cố, bất thường trong quá trình sản xuất.
• Tự động hóa: Thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại một cách tự động, giảm thiểu sự can thiệp của con người.

Ví dụ về hệ thống điều khiển công nghiệp:

• Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò hơi trong nhà máy nhiệt điện.
• Hệ thống điều khiển dây chuyền lắp ráp ô tô.
• Hệ thống điều khiển quy trình xử lý nước thải.
• Hệ thống điều khiển hệ thống đèn giao thông.

2. Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp phổ biến hiện nay

Có nhiều cách để phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp, dựa trên các tiêu chí khác nhau. Dưới đây là một số loại hệ thống điều khiển phổ biến:

• Hệ thống điều khiển vòng hở (Open-loop control system): Hoạt động theo chương trình cài đặt sẵn, không có phản hồi từ đầu ra. Đơn giản, chi phí thấp nhưng kém chính xác.
• Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed-loop control system): Có phản hồi từ đầu ra, tự điều chỉnh để đạt giá trị mong muốn. Chính xác hơn nhưng phức tạp và đắt hơn.
• Hệ thống điều khiển logic (Logic control system): Dựa trên các quy tắc logic, thường dùng cho quá trình tuần tự. Hệ thống sẽ thực hiện hành động này khi điều kiện kia xảy ra. Linh hoạt, dễ lập trình.
• Hệ thống điều khiển On-Off (On-Off control system): Dạng đơn giản của vòng kín, chỉ có hai trạng thái bật/tắt. Dễ dùng nhưng không chính xác.
• Hệ thống điều khiển tuyến tính (Linear control system): Dùng phương trình toán học tuyến tính, phù hợp quá trình liên tục. Chính xác, ổn định.

Mỗi loại hệ thống điều khiển phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại hệ thống nào sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng bài toán điều khiển.

3. Các hệ thống điều khiển công nghiệp phổ biến

Dưới đây là một số hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau:

3.1. SCADA – Hệ thống kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa. SCADA không phải là một hệ thống điều khiển toàn diện, mà tập trung vào cấp độ giám sát. Hệ thống này thường được triển khai trong các ứng dụng phân tán về mặt địa lý, chẳng hạn như đường ống dẫn dầu, hệ thống truyền tải điện, hoặc hệ thống cấp thoát nước. Đặc điểm của SCADA:

• Giám sát và điều khiển từ xa.
• Phù hợp cho hệ thống phân tán.
• Tập trung vào cấp giám sát.

Thành phần chính của SCADA bao gồm:

• Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU): Thu thập dữ liệu và gửi về trung tâm.
• Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Có thể thay thế hoặc kết hợp với RTU.
• Hệ thống truyền thông: Kết nối RTU/PLC với trung tâm.
• Máy chủ SCADA/HMI: Xử lý dữ liệu, hiển thị thông tin, cho phép người vận hành giám sát và điều khiển.

SCADA được ứng dụng vào trong hệ thống điện, cấp thoát nước, đường ống dẫn dầu/khí, giao thông…

3.2. DCS – Hệ thống điều khiển phân tán

DCS (Distributed Control System) là hệ thống điều khiển thường được sử dụng trong các nhà máy có quy trình sản xuất phức tạp và liên tục. Khác với SCADA, DCS thường tập trung trong một phạm vi địa lý nhất định. Hệ thống được chia thành các phân đoạn nhỏ, mỗi phân đoạn do một bộ điều khiển riêng đảm nhiệm. Đặc điểm của DCS:

• Dùng cho quy trình phức tạp, liên tục.
• Tập trung trong một phạm vi.
• Chia thành các phân đoạn nhỏ.

Thành phần chính của DCS:

• Bộ điều khiển (controller): Điều khiển trực tiếp thiết bị.
• Hệ thống mạng: Kết nối các bộ điều khiển và máy tính trung tâm.
• Máy tính trung tâm/HMI: Giám sát và điều khiển toàn hệ thống.
• Trạm kỹ thuật: Cấu hình và lập trình hệ thống.

DCS được ứng dụng vào trong nhà máy hóa chất, lọc dầu, nhà máy điện, sản xuất giấy/xi măng, thực phẩm…

3.3. PLC – Bộ điều khiển logic có thể lập trình

PLC (Programmable Logic Controller) là một máy tính chuyên dụng, được thiết kế để điều khiển các thiết bị và quy trình trong môi trường công nghiệp. PLC có thể được lập trình để thực hiện các chức năng logic, tuần tự, định thời, đếm và nhiều tác vụ khác. Đặc điểm của PCL:

• Máy tính chuyên dụng cho công nghiệp.
• Lập trình linh hoạt.
• Độ tin cậy cao, hoạt động ổn định.

Thành phần chính của PLC bao gồm:

• CPU: Bộ xử lý trung tâm.
• Bộ nhớ: Lưu trữ chương trình và dữ liệu.
• Module I/O: Giao tiếp với thiết bị bên ngoài.
• Nguồn: Cung cấp điện.
• Cổng truyền thông: Kết nối với máy tính/thiết bị khác.

PLC được ứng dụng để điều khiển máy móc, dây chuyền, HVAC, chiếu sáng, robot… Ngoài ra, PLC có thể là một phần của SCADA hoặc DCS.

3.4. IED – Thiết bị điện tử thông minh

IED (Intelligent Electronic Device) là một thuật ngữ chung để chỉ các thiết bị có khả năng xử lý và truyền thông, được sử dụng trong các hệ thống điện và tự động hóa công nghiệp. IED thường có bộ vi xử lý tích hợp, cho phép chúng thực hiện các chức năng phức tạp như đo lường, bảo vệ, điều khiển và giám sát. Đặc điểm của IED:

• Tích hợp bộ vi xử lý.
• Khả năng xử lý và truyền thông.
• Thực hiện nhiều chức năng.

Thành phần chính của IED bao gồm:

• Bộ vi xử lý (Microprocessor): Thực hiện các phép tính và xử lý logic.
• Bộ nhớ (Memory): Lưu trữ chương trình và dữ liệu.
• Các cổng vào/ra (I/O): Kết nối với các cảm biến, thiết bị chấp hành.
• Cổng truyền thông (Communication ports): Giao tiếp với các thiết bị khác (ví dụ: Ethernet, Serial,…)
• Nguồn (Power supply)

IDE được ứng dụng vào hệ thống điện (trạm biến áp, nhà máy điện,…), tự động hóa công nghiệp. Ngoài ra, IED còn được tích hợp vào các hệ thống SCADA và DCS.

3.5. HMI – Giao diện người – máy

HMI (Human-Machine Interface) là giao diện cho phép người vận hành tương tác với hệ thống điều khiển. HMI có thể là một màn hình cảm ứng, một bảng điều khiển với các nút bấm và đèn báo, hoặc một phần mềm chạy trên máy tính. Đặc điểm của HMI:

• Giao diện tương tác giữa người và máy.
• Hiển thị thông tin, cho phép điều khiển.
• Có thể là phần cứng hoặc phần mềm.

HMI có chức năng chính:

• Hiển thị trạng thái của hệ thống (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, tốc độ,…).
• Cho phép người vận hành ra lệnh điều khiển (ví dụ: bật/tắt thiết bị, thay đổi thông số,…).
• Cảnh báo khi có sự cố.
• Lưu trữ và hiển thị dữ liệu lịch sử.

HMI được tích hợp trong các hệ thống SCADA, DCS, PLC. Nó còn được sử dụng trong các máy móc, thiết bị công nghiệp và trong các phòng điều khiển trung tâm.

3.6. IACS – Hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp

IACS (Industrial Automation and Control System) là một thuật ngữ rộng, bao gồm tất cả các loại hệ thống điều khiển và tự động hóa được sử dụng trong công nghiệp. IACS có thể bao gồm SCADA, DCS, PLC, IED, HMI và các thành phần khác. Đặc điểm của IACS:

• Tích hợp bộ vi xử lý.
• Khả năng xử lý và truyền thông.
• Thực hiện nhiều chức năng.

Thành phần chính của IACS bao gồm:

• Các hệ thống con: SCADA, DCS, PLC, IED, HMI,…
• Cảm biến (Sensors): Thu thập thông tin về trạng thái của hệ thống.
• Thiết bị chấp hành (Actuators): Thực hiện các hành động điều khiển (ví dụ: đóng/mở van, bật/tắt động cơ,…).
• Hệ thống mạng (Network): Kết nối các thành phần của hệ thống.
• Phần mềm (Software): Điều khiển và giám sát hệ thống.

IACS được ứng dụng rộng khắp trong các ngành công nghiệp với mục đích tăng năng suất, hiệu quả, giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.7. RTU – Đơn vị đầu cuối từ xa

RTU (Remote Terminal Unit) là một thiết bị được sử dụng trong các hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị tại hiện trường, và gửi về trung tâm điều khiển. RTU cũng có thể nhận lệnh từ trung tâm và điều khiển các thiết bị tại hiện trường. RTU có đặc điểm:

• Thu thập và truyền dữ liệu từ xa.
• Có thể điều khiển thiết bị.
• Thường được sử dụng trong hệ thống SCADA.

Thành phần chính của RTU bao gồm:

• Bộ vi xử lý.
• Bộ nhớ.
• Các module I/O.
• Cổng truyền thông.
• Nguồn.

RTU được ứng dụng để giám sát và điều khiển trạm bơm, trạm biến áp, đường ống dẫn dầu, khí, môi trường.

Như vậy, chúng ta đã tìm hiểu về các hệ thống điều khiển công nghiệp phổ biến. Mỗi hệ thống có những đặc điểm, thành phần và ứng dụng riêng, nhưng đều hướng tới mục tiêu chung là tự động hóa và tối ưu hóa các quy trình sản xuất công nghiệp.

4. Quy trình hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển công nghiệp

Hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều thiết bị và thành phần phối hợp với nhau. Để đảm bảo hệ thống hoạt động đồng bộ và hiệu quả, quy trình hoạt động thường được chia thành các lớp, mỗi lớp có chức năng và nhiệm vụ riêng:

• Lớp 0:
  • Chức năng: Đây là lớp bao gồm các thiết bị vật lý trực tiếp tương tác với quá trình sản xuất.
  • Thành phần: Cảm biến (sensors) để đo các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…, và các thiết bị chấp hành như van, động cơ, bơm… để thực hiện các hành động điều khiển.
  • Hoạt động: Các thiết bị này hoạt động theo chương trình đã được cài đặt sẵn.
• Lớp 1:
  • Chức năng: Điều khiển trực tiếp các thiết bị ở lớp 0.
  • Thành phần: Bộ điều khiển logic khả trình (PLC), các thiết bị điều khiển thông minh.
  • Hoạt động: Nhân viên vận hành sẽ thao tác, điều khiển và giám sát các thiết bị thông qua chương trình đã được lập trình trên PLC, từ trạm kỹ thuật trong nhà máy. Lớp này cũng thu thập thông tin từ toàn bộ dây chuyền sản xuất.
• Lớp 2:
  • Chức năng: Giám sát và điều khiển toàn bộ hoạt động của máy móc, thiết bị trong phạm vi nhà máy.
  • Thành phần: Các máy tính công nghiệp, hệ thống SCADA, giao diện người-máy (HMI).
  • Hoạt động: Lớp này điều khiển mọi hoạt động của máy móc, thiết bị, bao gồm giám sát chất lượng và số lượng hàng hóa, giám sát năng lượng và các yếu tố kỹ thuật khác. Lớp 2 nhận tín hiệu từ lớp 1 và truyền tín hiệu lên lớp 3.
• Lớp 3:
  • Chức năng: Quản lý, giám sát và điều khiển ở cấp độ doanh nghiệp.
  • Thành phần: Các máy chủ, phần mềm quản lý sản xuất (MES), hệ thống hoạch định tài nguyên doanh nghiệp (ERP).
  • Hoạt động: Lớp này tiếp nhận và thu thập thông tin từ các lớp dưới (lớp 2, lớp 1, hoặc thậm chí lớp 0). Toàn bộ dữ liệu được bảo mật, quản lý, giám sát và bảo vệ bằng các biện pháp an ninh mạng, đồng thời được lưu trữ tại đây.

Quy trình hoạt động của hệ thống điều khiển công nghiệp là một chuỗi các hoạt động liên tục, từ thu thập dữ liệu ở cấp độ thiết bị (lớp 0), qua các cấp điều khiển (lớp 1, lớp 2) và cuối cùng là quản lý và giám sát ở cấp độ doanh nghiệp (lớp 3). Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các lớp này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, hiệu quả và an toàn.

5. Ứng dụng rộng rãi của hệ thống điều khiển công nghiệp

Hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất và đời sống, từ những nhà máy quy mô lớn đến các ứng dụng nhỏ lẻ:

• Sản xuất: ICS được sử dụng rộng rãi để tự động hóa và tối ưu hóa các quy trình, bao gồm:
  • Chế tạo ô tô (robot hàn, lắp ráp, sơn).
  • Sản xuất điện tử (dây chuyền lắp ráp, kiểm tra).
  • Chế biến thực phẩm, đồ uống (trộn, đóng gói, thanh trùng).
  • Dược phẩm (pha chế, đóng viên, kiểm soát môi trường).
  • Sản xuất giấy, xi măng, thép (lò nung, máy nghiền, máy cán).
  • Dệt may (máy dệt, máy nhuộm).

• Năng lượng:
  • Nhà máy điện (tua-bin, máy phát, phân phối điện).
  • Trạm biến áp (thiết bị đóng cắt, bảo vệ).
  • Năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió).
• Xử lý nước và nước thải:
  • Nhà máy xử lý nước (bơm, van, hệ thống lọc).
  • Hệ thống cấp nước (áp lực, lưu lượng).
• Dầu khí:
  • Giàn khoan (thiết bị khoan, bơm, an toàn).
  • Nhà máy lọc dầu (tháp chưng cất, lò phản ứng).
  • Đường ống dẫn dầu/khí (áp suất, lưu lượng).
• Giao thông vận tải:
  • Đèn tín hiệu giao thông.
  • Hệ thống đường sắt (tàu, tín hiệu, an toàn).
  • Sân bay (hành lý, chiếu sáng, an ninh).
• Tòa nhà thông minh:
  • Hệ thống HVAC.
  • Chiếu sáng.
  • An ninh.
• Các lĩnh vực khác:
  • Nông nghiệp: Điều khiển hệ thống tưới tiêu, nhà kính,…
  • Khai thác mỏ: Điều khiển máy móc, thiết bị khai thác,…
  • Y tế: Điều khiển các thiết bị y tế (máy MRI, máy X-quang,…)…

ICS là nền tảng cho tự động hóa và tối ưu hóa quy trình, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, an toàn và hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực.

6. Rủi ro tiềm ẩn khi sử dụng hệ thống điều khiển công nghiệp

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) cũng tiềm ẩn những rủi ro đáng lo ngại, có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Dưới đây là một số rủi ro chính:

• Tấn công mạng:
  • Nguy cơ: ICS có thể được kết nối với mạng internet và các hệ thống công nghệ thông tin (IT) khác, tạo ra lỗ hổng cho các cuộc tấn công mạng. Hacker có thể xâm nhập vào hệ thống để đánh cắp dữ liệu, phá hoại hệ thống, gây gián đoạn sản xuất, hoặc thậm chí kiểm soát các thiết bị quan trọng.
  • Hậu quả: Thiệt hại kinh tế (mất doanh thu, chi phí khắc phục), mất uy tín, rò rỉ thông tin bí mật, và trong một số trường hợp, có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người (ví dụ: tấn công vào hệ thống điều khiển nhà máy điện, nhà máy hóa chất,…).

• Mối đe dọa nội bộ:
  • Nguyên nhân: Nhân viên có quyền truy cập vào hệ thống ICS có thể cố ý hoặc vô ý gây ra thiệt hại. Ví dụ: một nhân viên bất mãn có thể cố tình phá hoại hệ thống, hoặc một nhân viên không được đào tạo đầy đủ có thể mắc lỗi trong quá trình vận hành.
  • Hậu quả: Thiệt hại kinh tế (mất doanh thu, chi phí khắc phục), mất uy tín, rò rỉ thông tin bí mật, và trong một số trường hợp, có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người.
• Lỗi do con người:
  • Nguyên nhân: Lỗi trong quá trình cấu hình, lập trình, vận hành hoặc bảo trì hệ thống ICS. Ví dụ: lập trình PLC sai logic, cài đặt sai thông số trên HMI, không tuân thủ quy trình vận hành,…
  • Hậu quả: Hệ thống hoạt động không chính xác, gây ra sự cố, gián đoạn sản xuất, hoặc thậm chí hư hỏng thiết bị.
• Các rủi ro khác:
  • Lỗi phần cứng: Các thiết bị trong hệ thống ICS (cảm biến, bộ điều khiển, máy tính,…) có thể bị hỏng hóc theo thời gian.
  • Lỗi phần mềm: Phần mềm điều khiển có thể chứa lỗi (bug), hoặc không tương thích với các thiết bị khác.
  • Mất điện: Mất điện có thể làm gián đoạn hoạt động của hệ thống ICS.

7. Biện pháp bảo mật cho hệ thống điều khiển công nghiệp

Bảo mật hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) là một nhiệm vụ quan trọng, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều biện pháp kỹ thuật và quản lý:

• Phân vùng mạng: Đây là một biện pháp quan trọng, chia mạng ICS thành các vùng riêng biệt, giới hạn quyền truy cập giữa các vùng. Điều này giúp ngăn chặn sự lây lan của các cuộc tấn công và giảm thiểu tác động nếu một vùng bị xâm nhập. Các thiết bị như tường lửa, VLAN và các kỹ thuật khác được sử dụng để tạo ra ranh giới bảo mật.
• Tường lửa: Đóng vai trò kiểm soát lưu lượng mạng giữa các vùng và giữa ICS với các mạng bên ngoài. Bằng cách cấu hình các quy tắc, tường lửa chỉ cho phép các kết nối hợp lệ và chặn các kết nối không được phép.
• Hệ thống phát hiện xâm nhập (IDS): Hệ thống này giúp giám sát mạng ICS để phát hiện các hoạt động bất thường, có thể là dấu hiệu của tấn công. IDS cảnh báo cho người quản trị hoặc tự động thực hiện hành động phòng ngừa.
• Xác thực và ủy quyền: Điều này đảm bảo chỉ người dùng được phép mới có thể truy cập hệ thống. Người dùng phải xác thực danh tính trước khi truy cập, và quyền truy cập được giới hạn theo vai trò và trách nhiệm.
• Mã hóa: Điều này giúp bảo vệ tính bảo mật của dữ liệu truyền trên mạng. Dữ liệu được mã hóa bằng các giao thức như TLS/SSL, IPsec, khiến kẻ tấn công không thể đọc được ngay cả khi chặn được lưu lượng.
• Cập nhật phần mềm thường xuyên: Đây là điều cần thiết để vá các lỗ hổng bảo mật trong phần mềm và phần cứng. Quy trình kiểm tra và cài đặt bản cập nhật cần được thiết lập.
• Đào tạo nhân viên: Đào tạo nhân viên về các nguy cơ bảo mật và biện pháp phòng ngừa là rất quan trọng. Các khóa đào tạo và quy tắc bảo mật cần được tổ chức và thực hiện.
• Kiểm tra an ninh định kỳ: Điều này giúp đánh giá mức độ bảo mật và phát hiện lỗ hổng. Việc này có thể được thực hiện bởi chuyên gia hoặc công cụ tự động.

Bảo mật ICS là một quá trình liên tục, cần sự quan tâm và đầu tư của cả tổ chức. Áp dụng các biện pháp phù hợp sẽ giảm thiểu đáng kể nguy cơ tấn công và đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, ổn định.

Xem thêm:

• Khám phá 5 ứng dụng của HMI trong công nghiệp sản xuất
• HMI Siemens là gì ? Phân loại HMI và ứng dụng
• HMI Delta là gì và ưu nhược điểm của chúng?

Qua bài viết này, chúng ta đã cùng tìm hiểu về hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) – một thành phần không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Từ định nghĩa, phân loại, các hệ thống phổ biến (SCADA, DCS, PLC,…), quy trình hoạt động, ứng dụng, cho đến các rủi ro tiềm ẩn và biện pháp bảo mật. Nếu cần tư vấn chọn mua thiết bị điện Siemens chính hãng, hãy liên hệ đến Thanh Thiên Phú qua hotline 08.12.77.88.99 để được hỗ trợ nhanh nhất nhé!