Cải tiến hoạt động của SCADA sử dụng thiết bị đo không dây

Cải tiến hoạt động của SCADA sử dụng thiết bị đo không dây Giới thiệu Ứng dụng thiết bị đo không dây trong các hoạt động đường ống và sản xuất khí đã đạt được kết quả tích cực trong nhiều năm qua. Do nhu cầu cắt giảm chi phí và mong muốn đáp ứng những yêu cầu quy định, các thiết bị đo không dây giúp loại bỏ việc đào rãnh và kết nối cáp tốn kém, đồng thời cung cấp khả năng tiếp cận những khu vực khó vào sử dụng các thiết bị độc lập, được cấp nguồn bằng pin. Tuy nhiên, các kỹ sư và người vận hành SCADA đang gặp phải những khó khăn trong việc tích hợp các mạng thiết bị đo không dây với cơ sở hạ tầng truyền thông khác trong hiện trường. Quản lý và xử lý sự cố các mạng không dây phân tán cho thấy một cấp độ phức tạp mới đối với người vận hành tại hiện trường có thể ngăn cản họ áp dụng thiết bị đo lường không dây dù cho nó góp phần tiết kiệm chi phí đáng kể. Bài viết này nghiên cứu các phương pháp cụ thể trong đó người vận hành có thể tích hợp chặt chẽ các mạng thiết bị đo không dây với hệ thống SCADA và tận dụng được những ưu điểm của giải pháp tích hợp này. Cuộc cách mạng không dây Kể từ khi Guglielmo Marconi gửi tín hiệu điện tín qua Đại Tây Dương, mạng không dây đã trở thành một phần trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Tuy vậy, 10 năm qua đã chứng kiến sự thay đổi không chỉ trong công nghệ sóng radio mà quan trọng hơn trong cách chúng ta sử dụng nó như những khách hàng thường xuyên, đặc biệt trong ngành dầu khí. Các nhà sản xuất khí và các công ty đường ống trong nhiều năm qua đã dựa vào công nghệ không dây tầm xa để truyền và phân phối dữ liệu hoạt động sử dụng phạm vi công nghệ rộng, bao gồm phổ tần trải rộng của vệ tinh, VHF, UHF... Do ngày càng có nhiều khách hàng xếp hàng chờ mua điện thoại thông minh mới nhất với tính năng bắt Wi-Fi, Bluetooth và băng thông rộng, giá của các module radio đã tụt nhanh trong 2 năm qua. Điều này đã khiến các nhà cung cấp sản phẩm công nghiệp tích hợp các module radio vào một danh mục dài các thiết bị và cảm biến. Kết quả là, ngành dầu khí đã chứng kiến một sự bứt phá trong công nghệ đo không dây, thường được biết đến là các mạng cảm biến không dây, được cung cấp bởi các nhà cung cấp điều khiển quá trình và SCADA. Trường hợp kinh doanh đằng sau thiết bị đo không dây là một dẫn chứng thuyết phục. Bằng việc loại bỏ kết nối cáp và đào rãnh, bạn có thể giảm được chi phí triển khai tới 70%. Do thiết bị đo không dây được cấp nguồn bằng pin, chúng dễ được triển khai trong hiện trường có liên quan tới các đối tác thông thường của mình. Các hệ thống nối dây có thể lắp đặt mất nhiều ngày hoặc một vài tuần. Thiết bị đo không dây chỉ cần một cảm biến được lắp đặt trong quy trình, tiết kiệm được thời gian và các nguồn giá trị. Các thiết bị khác có thể được bổ sung theo yêu cầu. Thiết bị đo không dây Dù cho những lợi thế mà không dây mạng lại, tại sao vẫn còn nhiều người do dự không triển khai thiết bị đo không dây tại các cơ sở của mình? Có 3 nguyên nhân chính được nêu ra: 1. Độ tin cậy Trong các ứng dụng công nghiệp, độ tin cậy là một mối quan tâm lớn. Thiết bị đo không dây phải đủ tin cậy như các thiết bị kết nối dây thông thường. Thậm chí trong các ứng dụng đơn giản như giám sát từ xa, người sử dụng kỳ vọng có được một cấp độ tin cậy và tính khả dụng của mạng cao hơn. Các hệ thống nối dây dễ chẩn đoán và truy vết. Mặt khác, không dây sử dụng khoảng không gian vô hình như là môi trường hoạt động. Tín hiệu radio phụ thuộc vào khoảng cách không gian. Ngoài ra, hiện tượng nhiễu do các hệ thống không dây gần đó như các tòa tháp cũng làm tăng thêm thách thức. Thiết kế RF ngày càng giải quyết tốt hơn những vấn đề này. Bằng cách thiết kế các bộ thu phát radio có độ nhạy cao, sử dụng công suất truyền hiệu quả hơn và các ăng ten hệ số khuếch đại lớn, kỹ sư có thể thiết lập các liên kết điểm tới đa điểm tần số radio tin cậy cao. 2. Khả năng thích nghi Các mạng thiết bị đo không dây cần phải thích nghi với môi trường hiện nay. Nó không thực tế như một miệng giếng, một máy nén, thùng hay thiết bị chia tách mà nó chỉ tạo ra một liên kết không dây tin cậy. Khả năng thích nghi có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các băng tần thấp như băng tần 900 MHz, với khả năng bao quát rộng hơn, tốt hơn, cho phép tín hiệu xuyên thủng những cản trở. Và ăng ten ngoài hệ số khuyếch đại lớn có thể được gắn càng cao càng tốt trên một cấu trúc cho phép tiếp cận các cảm biến khó tiếp cận có thể được đặt ở đáy thùng dầu. Khả năng cảm ứng nhận của module radio được nâng cấp cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo khả năng thích nghi mạng với nhiều môi trường công nghiệp. 3. Tích hợp Hầu hết các nhà máy sản xuất, xử lí khí và các cơ sở đường ống có một số cấp độ khả năng không dây thích hợp. Các mạng SCADA độc quyền tầm xa, các mạng điểm tới điểm backhaul và các mạng nội bộ không dây là những hệ thống thông dụng đã được triển khai. Mỗi một mạng này được sử dụng cho một mục đích cụ thể như kiểm soát truyền dữ liệu, giao tiếp băng thông rộng và giám sát bằng video. Kỹ sư và người vận hành đang phải đối mặt với thách thức của việc tích hợp các mạng đo lường không dây với cơ sở hạ tầng truyền thông khác hiện nay tại hiện trường. Khó khăn trong tích hợp các mạng không dây nhiều hơn trong các hệ thống SCADA. Do các mạng đo lường không dây phải gắn vào cùng cơ sở hạ tầng SCADA có mặt tại hiện trường để chuyển tiếp dữ liệu hoạt động có giá trị tới host của SCADA, có khả năng quản lý toàn bộ cơ sở hạ tầng khi một mạng trở thành một yếu tố thiết yếu. Hơn nữa, có khả năng tiếp cận những nơi khó đến và thu thập các điểm dữ liệu mới không khả thi trước đó, đem lại cho người vận hành cái nhìn rõ hơn về các hoạt động quá trình và nhà máy. Tuy nhiên, dữ liệu này phải kết thúc tại một điểm nào đó trong hệ thống để được giám sát, phân tích và sử dụng. Các hệ thống SCADA thường được thiết kế để xử lý một số lượng cố định các điểm dữ liệu hay các tag dữ liệu. Mở rộng hệ thống để xử lý thêm các điểm dữ liệu và tích hợp chúng vào xu hướng cũng như báo cáo có thể tốn kém. Mặc cho sự phong phú các công cụ thu thập, xử lí và phân tích dữ liệu trên thị trường sản phẩm điều khiển quá trình, đảm bảo tích hợp dữ liệu vẫn là một vấn đề lớn cần giải quyết. Một số hệ thống SCADA thậm chí có module historian tách biệt cần phải mua module giống như một add- on để xử lí luồng dữ liệu như là một kết quả của việc bổ sung các mạng thiết bị đo lường không dây. Giải quyết những thách thức không dây và tích hợp dữ liệu Một thế hệ mới các trạm radio đo không dây hay các cổng giờ đây đang phát triển trên thị trường để giải quyết nhu cầu này. Thế hệ cổng mới này tích hợp cả trạm vô tuyến thiết bị đo không dây và trạm radio công nghiệp tầm xa trong cùng một thiết bị. Trạm radio đo đạc không dây có một cổng dữ liệu Modbus, cho phép Modbus Master bên ngoài nhận thông tin từ trạm radio về tình trạng của chính nó hoặc cũng như tình trạng và các giá trị quá trình của các đơn vị hiện trường. Nó cũng có một giao thức chẩn đoán cho phép kết nối phần mềm quản lý mạng để cấu hình và chẩn đoán cảm biến. Cả hai dòng dữ liệu này đều được gửi đồng thời thông qua mạng serial tầm xa hoặc trạm radio Ethernet. Trạm radio tầm xa tích hợp được cấu hình như một thiết bị từ xa chuyển thông tin tới một trạm radio chủ tại trung tâm SCADA chính. Để tích hợp dữ liệu, phần mềm SCADA host hiện đại đem đến một môi trường được tích hợp đầy đủ và historian có khả năng mở rộng để xử lí dữ liệu nhiều hơn mà không cần phải nâng cấp tốn kém tiền bạc và thời gian. Phát triển các màn hình SCADA dựa trên các template cho phép kỹ sư bổ sung các điểm dữ liệu dễ dàng và nhanh chóng trong hệ thống của họ. Kết luận Do nhu cầu sử dụng các mạng đo lường không dây ngày càng tăng, người sử dụng đang phải đối mặt với nhiều thách thức nhằm đảm bảo độ tin cậy, khả năng thích nghi và tích hợp với cơ sở hạ tầng hiện nay của họ. Thiết kế RF và ăng ten mới giúp giải quyết những thách thức liên quan đến độ tin cậy và khả năng thích nghi đó. Điều này đã để lại cho việc tích hợp không dây và dữ liệu với cơ sở hạ tầng SCADA hiện tại một trong những thách thức lớn nhất cần được giải quyết. May mắn là, các cổng hybrid, nơi mà radio base mạng cảm biến và radio tầm xa được tích hợp, cho phép người sử dụng quan sát, quản lý và chẩn đoán các hệ thống không dây phân tán của mình từ một điểm đơn. Tương tự, phần mềm host SCADA nâng cao với historian được tích hợp, môi trường phát triển nhanh sử dụng các templates, có thể dễ dàng tích hợp các điểm dữ liệu mới bằng một mạng cảm biến không dây đang phát triển hiện nay.