Nghiên Cứu Và Phát Triển SCADA Dựa Trên Điện Toán Đám Mây

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, phát triển SCADA dựa trên điện toán đám mây, ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Mai Khắc Hiệp
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Hệ Thống SCADA Dựa Trên Điện Toán Đám Mây
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hệ Thống SCADA Trên Nền Đám Mây

Điện toán đám mây đang phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhu cầu lớn về giám sát và quản lý thông tin từ xa, đặc biệt trong công nghiệp với các cơ sở sản xuất phân tán. Các hệ thống SCADA truyền thống gặp khó khăn trong việc bảo trì, nâng cấp và mở rộng. Việc tích hợp Hệ thống SCADA lên điện toán đám mây giải quyết được các vấn đề này, mở ra hướng phát triển mới. Luận văn của Mai Khắc Hiệp tập trung nghiên cứu kỹ thuật Cloud Computing, đặc tính kỹ thuật của SCADA trên nền tảng đám mây, phương pháp tích hợp, và đề xuất kiến trúc tổng quan cho Cloud SCADA. Ứng dụng thực tế sử dụng nền tảng Window Azure và ASP.Net WebForm để giám sát tín hiệu giao thông tại TP.HCM.

1.1. Bối Cảnh Phát Triển và Ưu Điểm của Cloud SCADA

Sự phát triển của tự động hóa công nghiệp và nhu cầu giám sát từ xa thúc đẩy sự ra đời của SCADA trên nền tảng đám mây. Khả năng truy cập thông tin qua internet, tính linh hoạt trong mở rộng hệ thống, và giảm chi phí bảo trì là những ưu điểm nổi bật. SCADA IIoT được xem như là bước tiến lớn của SCADA truyền thống.

1.2. Mục Tiêu và Phạm Vi Nghiên Cứu Chính Của Luận Văn

Luận văn tập trung vào nghiên cứu điện toán đám mây và kiến trúc Hệ thống SCADA, thiết kế và phát triển các thành phần SCADA trên nền tảng đám mây trên Window Azure, và xây dựng hệ thống giám sát tín hiệu giao thông thực tế. Kết quả bao gồm giải thuật, mô hình và chương trình Cloud SCADA, cùng hệ thống giám sát tín hiệu giao thông.

II. Thách Thức và Yêu Cầu Của Hệ Thống SCADA Trên Cloud

Triển khai Hệ thống SCADA lên điện toán đám mây đặt ra nhiều thách thức về bảo mật, hiệu suất và độ tin cậy dữ liệu. Các vấn đề này phần lớn liên quan đến cơ sở hạ tầng mạng. Mạng chậm có thể gây trễ trong xử lý dữ liệu, làm mất tính thống nhất của hệ thống và giảm hiệu suất. Do đó, cần có các giải pháp để đảm bảo an ninh mạng, tối ưu hiệu suất và duy trì độ tin cậy của dữ liệu trong môi trường Cloud SCADA. Giải pháp bảo mật theo nhiều lớp là một hướng đi tiềm năng.

2.1. Vấn Đề Bảo Mật và An Ninh Mạng Cho SCADA Đám Mây

Bảo mật là yếu tố quan trọng hàng đầu khi triển khai SCADA trên nền tảng đám mây. Các giải pháp cần đảm bảo tính bảo mật cho dữ liệu truyền tải, lưu trữ, và các thành phần hệ thống. An ninh mạng SCADA cần được tăng cường để ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài.

2.2. Hiệu Suất Hoạt Động và Độ Tin Cậy Dữ Liệu Của Cloud SCADA

Hiệu suất và độ tin cậy là hai yếu tố then chốt đảm bảo hoạt động ổn định của Hệ thống SCADA. Cần tối ưu hóa kiến trúc hệ thống, lựa chọn công nghệ phù hợp, và triển khai các biện pháp dự phòng để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và dữ liệu luôn chính xác. Hiệu suất SCADA đám mây phải được duy trì ở mức cao.

2.3. Khả Năng Mở Rộng Linh Hoạt của Kiến Trúc SCADA Đám Mây

Khả năng mở rộng SCADA đám mây là một lợi thế lớn so với các hệ thống SCADA truyền thống. Kiến trúc hệ thống cần được thiết kế để dễ dàng mở rộng khi có nhu cầu, đáp ứng sự tăng trưởng của hệ thống và số lượng thiết bị kết nối.

III. Kiến Trúc SCADA Trên Nền Điện Toán Đám Mây Window Azure

Luận văn đề xuất kiến trúc tổng quan cho Cloud-based SCADA dưới dạng SaaS (Software as a Service), triển khai theo mô hình public cloud. Kiến trúc này bao gồm các thành phần như Front-End Server, Scheduler, Realtime Database, Runtime Manager và Web HMI Server/Client. Mỗi thành phần có chức năng riêng, phối hợp với nhau để tạo thành hệ thống hoàn chỉnh. Việc sử dụng Window Azure giúp đơn giản hóa việc triển khai và quản lý Hệ thống SCADA.

3.1. Thiết Kế và Chức Năng Của Front End Server Trong SCADA

Front-End Server đóng vai trò giao tiếp với các thiết bị hiện trường, thu thập dữ liệu và chuyển lên đám mây. Thiết kế cần đảm bảo khả năng kết nối với nhiều loại thiết bị khác nhau và hỗ trợ các giao thức phổ biến như Modbus, Profibus, CAN... MQTT SCADA, OPC UA SCADA cũng cần được xem xét.

3.2. Vai Trò Của Scheduler Trong Việc Quản Lý Tác Vụ

Scheduler có nhiệm vụ quản lý các tác vụ thu thập dữ liệu, xử lý sự kiện và gửi lệnh điều khiển. Thiết kế cần đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu của hệ thống. Giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả phụ thuộc nhiều vào scheduler.

3.3. Xây Dựng Realtime Database Cho Lưu Trữ Dữ Liệu SCADA

Realtime Database có vai trò lưu trữ dữ liệu thời gian thực, cung cấp thông tin cho các thành phần khác của hệ thống. Thiết kế cần đảm bảo tốc độ truy cập nhanh và khả năng lưu trữ lớn. Lưu trữ dữ liệu SCADA hiệu quả là yếu tố quan trọng.

IV. Ứng Dụng Cloud SCADA Giám Sát Tín Hiệu Giao Thông HCM

Luận văn xây dựng hệ thống giám sát tín hiệu giao thông tại TP.HCM sử dụng Cloud SCADA trên nền tảng Window Azure. Hệ thống cho phép giám sát trạng thái hoạt động của các chốt tín hiệu, thu thập dữ liệu và hiển thị thông tin trực quan. Ứng dụng thực tế này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc triển khai SCADA trên nền tảng đám mây trong lĩnh vực giao thông.

4.1. Tổng Quan Về Hệ Thống Giám Sát Tín Hiệu Giao Thông

Hệ thống giám sát tín hiệu giao thông sử dụng các cảm biến để thu thập thông tin về lưu lượng xe, trạng thái đèn tín hiệu và các thông số khác. Dữ liệu được truyền về trung tâm điều khiển để xử lý và hiển thị. Giám sát và điều khiển từ xa trở nên dễ dàng hơn.

4.2. Giao Diện Người Dùng Và Chức Năng Của Ứng Dụng

Giao diện người dùng được thiết kế trực quan, dễ sử dụng, cho phép người dùng giám sát trạng thái hoạt động của các chốt tín hiệu, xem biểu đồ thống kê và nhận cảnh báo khi có sự cố. Rest API SCADA có thể được sử dụng để tích hợp với các hệ thống khác.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tiềm Năng Của SCADA Đám Mây

Luận văn đã nghiên cứu và phát triển thành công Hệ thống SCADA trên nền điện toán đám mây, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện bảo mật, tối ưu hiệu suất và tích hợp các công nghệ mới như IoT SCADA và phân tích dữ liệu SCADA. SCADA trên nền tảng đám mây hứa hẹn sẽ là xu hướng phát triển của tự động hóa công nghiệp trong tương lai.

5.1. Đánh Giá Ưu Điểm và Hạn Chế Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả tích cực trong việc xây dựng Cloud SCADA, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục như vấn đề bảo mật và hiệu suất trong môi trường thực tế. Cần có những nghiên cứu sâu hơn để giải quyết triệt để các vấn đề này.

5.2. Các Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển SCADA Đám Mây Tương Lai

Hướng phát triển có thể tập trung vào việc áp dụng các công nghệ mới như IoT, Big Data, và trí tuệ nhân tạo vào Hệ thống SCADA để nâng cao khả năng giám sát, điều khiển và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Phân tích dữ liệu SCADA là một lĩnh vực tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Nhu cầu về sản phẩm phục vụ đời sống hàng ngày của con người trong thời kỳ hiện đại ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng, đa dạng và phong phú. Các đơn vị sản xuất một mặt cải tiến hệ thống sản xuất trong nội bộ để tăng chất lượng sản phẩm, mặt khác mở rộng sản xuất thành nhiều cơ sở khác nhau nhằm tăng sản lượng. Các hệ thống công nghiệp phát triển ngày càng phức tạp và biến đổi hàng ngày nhằm đáp ứng nhu cầu người dùng.

Các thế hệ SCADA hiện tại gặp nhiều khó khăn trong việc bảo trì nâng cấp và mở rộng hệ thống. Nó đòi hỏi phải chỉnh sửa cả phần cứng lẫn phần mềm, cài đặt phức tạp và chi phí cao. Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ, các thiết bị di động như laptop, tablet, smart phone đóng một vài trò quan trọng trong đời sống hàng ngày. Con người có thể truy cập quan sát các thông tin quan trọng thông qua internet với các thiết bị này.

Thế hệ SCADA hiện tại (hệ thống phân tán) cho phép giám sát và điều khiển các trạm khác nhau, không phụ thuộc ví trị địa lý. Tuy nhiên, nó chưa đưa ra các dịch vụ chuẩn chung để các thiết bị di động có thể truy cập vào hệ thống. Mỗi hãng có một tiêu chuẩn cho riêng mình, gây khó khăn trong việc tích hợp hệ thống của nhiều hãng lại với nhau. Điện toán đám mây ra đời nhằm giải quyết các vấn đề về phần cứng, phần mềm và đa nền tảng khi có nhu cầu về bảo trì, nâng cấp với chi phí thấp, cài đặt nhanh chóng và dễ dàng mở rộng.

Việc tích hợp SCADA lên điện toán đám mây là điều cần thiết và quan trọng. Cloud-based SCADA là bước phát triển tiếp theo của các thế hệ SCADA. Luận văn tập trung nghiên cứu vào các kỹ thuật trong cloud computing, các đặc tính kỹ thuật của hệ thống SCADA, các phương pháp, mô hình để tích hợp SCADA lên cloud và đưa ra một kiến trúc tổng quan cho cloud-based SCADA. Luận văn sử dụng nên tảng điện toán đám mây Window Azure (do Microsoft cung cấp) và ASP.Net WebForm để thực hiện hệ thống cloud-based SCADA giám sát hoạt động của các chốt tín hiệu giao thông trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh.Tổng quan về tình hình nghiên cứu Cloud computing là thuật ngữ được ra đời từ giữa năm 2007, nó bắt nguồn từ ứng dụng điện toán lưới (grid computing) trong thập niên 1980, tiếp theo là điện toán theo nhu cầu (utility computing) và phần mềm dịch vụ [1].

Điện toán đám mây được nhiều nhà phát triển và cung cấp lớn, trong đó có Amazon, Google, Microsoft. 12 Cloud computing dựa trên ý tưởng các khối lượng công việc của người dùng sẽ được chuyển đến các tài nguyên điện toán xử lý (người dùng hoàn toàn không biết thông tin gì về các tài nguyên này như vị trí địa lý, thiết bị vật lý, v.) và chuyển kết quả lại cho người dùng. Cloud computing có các đặc trưng sau: [2]  Ba mô hình dịch vụ: Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS - Infacstructure as a Service), nền tảng như một dịch vụ (PaaS - Platfrom as a Service), phần mềm như một dịch vụ (SaaS - Software as a Service);  Bốn mô hình triển khai: Private Cloud, Public Cloud, Community Cloud và Hybrid Cloud  Năm đặc tính kỹ thuật: khả năng co giãn (rapid elasticity), dịch vụ theo nhu cầu (on-demand self-service), truy xuất diện rộng (broad network access), dịch vụ được đo lường (measured service), dùng chung tài nguyên và điều tiết dịch vụ (resource pooling). SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa hệ thống tự động hóa.

SCADA đã trải qua ba thế hệ (monolithic, distributed, networked) và đang phát triển ở thế hệ thứ tư (Internet of things) dựa trên nền tảng điện toán đám mây [3]. Hệ thống SCADA gồm các hệ thống con [4] được chia thành nhiều lớp như lớp thiết bị trường (bao gồm cảm biến, thiết bị chấp hành), lớp thiết bị điều khiển (gồm các bộ điều khiển), lớp giám sát điều khiển (phần mềm thu thập dữ liệu, phần mềm điều khiển quá trình). Lớp giám sát điều khiển cần phải có các tính năng cơ bản sau:  Hỗ trợ kết nối, giao tiếp với nhiều loại bộ điều khiển khác nhau.  Hỗ trợ các tiêu chuẩn, giao thức kết nối phổ biến như Modbus, Profibus, CAN, v.

 Thu thập dữ liệu.  Lưu trữ cơ sở dữ liệu các cài đặt người dùng và các trạng thái của hệ thống khi chạy runtime.  Các cảnh báo  Các biểu đồ, trạng thái của hệ thống  Các báo cáo về tình trạng hoạt động, lịch sử hoạt động.  Giao diện người dùng cho phép cài đặt và hiển thị các trạng thái hoạt động của hệ thống khi chạy runtime.

13 Các vấn đề cần quan tâm khi triển khai SCADA lên điện toán đám mây đó là tính bảo mật, hiệu suất hoạt động, độ tin cậy dữ liệu [5][6][7]. Có rất nhiều giải pháp đã được đưa ra nhằm giải quyết ba vấn đề trên. Tuy nhiên, các nguyên nhân dẫn đến các vấn đề trên phần lớn nằm ở cơ sở hạ tầng mạng. Khi kết nối mạng chậm (ngẽn mạng hay băng thông thấp) sẽ dẫn đến việc xử lý dữ liệu bị trễ, dẫn đến sự mất thống nhất trong hệ thống (giá trị của các biến dữ liệu khác nhau giữa máy chủ và máy khách), hiệu suất hoạt động giảm và dữ liệu không còn tin cậy.

Về phương pháp bảo mật dữ liệu trên cloud, [9] đưa ra một phương pháp bảo mật theo nhiều lớp khác nhau. Trong khuôn khổ luận văn trình bày kiến trúc tổng quan cloud-based SCADA dưới dạng SaaS và được triển khai theo mô hình public cloud, đồng thời đưa ra các thiết kế chi tiết của các thành phần trong dịch vụ.Phạm vi nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu điện toán đám mây và kiến trúc chương trình SCADA Thiết kế kiến trúc và phát triển các thành phần trong chương trình SCADA dựa trên điện toán đám mây, triển khai lên cloud Window Azure Xây dựng hệ thống giám sát tín hiệu giao thông bằng Cloud-Based SCADA 1.Sản phẩm của luận văn Giải thuật, mô hình và chương trình Cloud-Based SCADA dựa trên Window Azure Hệ thống giám sát và điều khiển tín hiệu giao thông trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY Để xây dựng hệ thống SCADA dựa trên điện toán đám mây, trước hết ta cần hiểu rõ bản chất của điện toán đám mây là gì, giá trị cốt lõi cùng với các chức năng mà nó hỗ trợ. Điện toán đám mây gồm nhiều thành phần chức năng khác nhau, bỗ trợ cho nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh.

Trong đó, ảo hóa là thành phần cốt lõi. Ảo hóa giúp hệ điều hành không còn phụ thuộc vào kiến trúc phần cứng mà nó chạy trên đó. Ví dụ, hệ điều hành window có thể chạy trên các kiến trúc x86, x64, Arm mà không gặp bất cứ vấn đề gì. Trong khi đó, điện toán đám mây giúp các ứng dụng, phần mềm không còn phụ thuộc vào hệ hành mà nó chạy trên đó.

Ví dụ, một ứng dụng có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Window, Linux, Mac OS, Android, IOS mà không cần phải thay đổi gì cả. Ảo hóa (Virtualization) Để nắm rõ ảo hóa là gì, các ưu điểm nhược điểm của nó, trước hết ta cần phân biệt và hiểu rõ các khái niệm sau:  Phần cứng (Hardware): là các thiết bị, linh kiện điện tử, vật lý hiện hữu phục vụ cho nhu cầu tính toán, ví dụ như CPU, RAM, ổ cứng, mainboard, v.  Hệ điều hành (OS - Operating System): là phần mềm chạy trên phần cứng, dùng để điều hành, quản lý các thiết bị phần cứng và các tài nguyên trên máy tính. Hệ điều hành đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa người dùng và phần cứng máy tính, cung cấp một môi trường cho phép người dùng phát triển và thực hiện các ứng dụng của họ một cách dễ dàng.

 Nền tảng (Platform): bao gồm hệ điều hành và phần cứng mà nó chạy trên đó. Ảo hóa là sự trừu tượng hóa phần cứng thành phần mềm, tách hệ điều hành (OS) ra khỏi phần cứng (hardware), làm nó không còn phụ thuộc vào phần cứng. Trong khi đó, điện toán đám mây tách là nhằm tách ứng dụng phần mềm ra khỏi platform. Ảo hóa là một thành phần nằm trong điện toán đám mây.

 Phương pháp ảo hóa cho các máy chủ Các trung tâm dữ liệu bao gồm nhiều máy chủ (server) hoạt động. Mỗi server sẽ được cài đặt ban đầu hệ điều hành, phần mềm trên một phần cứng cố định. Khi các server gặp sự cố, không hoạt động được thì hệ thống tê liệt, làm gián đoạn hoạt động sản xuất. Để giải quyết vấn đề này, các server thường được lắp đặt thêm các server dự phòng.

Khi server chính gặp sự cố, các server dự phòng sẽ đảm nhiệm tiếp tục công 15 việc trong khi chờ đợi server chính khắc phục sự cố. Đối với những hệ thống quan trọng, một server chính sẽ có thêm hai đến ba (hoặc nhiều hơn) các server dự phòng. Phương pháp này chi phí cao, hệ thống cồng kềnh, cài đặt, bảo trì, nâng cấp, mở rộng cực kỳ khó khăn, gần như phải thao tác cài đặt trên cả phần cứng, hệ điều hành, phần mềm lại từ đầu. Hệ thống máy chủ khi chưa có ảo hóa 16 Với phương pháp ảo hóa, nhiều server có thể chạy song song trên cùng một hardware.

Khi server gặp sự cố về phần cứng, ta chỉ việc đơn giản thay thế phần cứng mà không cần phải cài đặt gì lại cho server. Khi hệ điều hành server gặp sự cố, chỉ đơn giản cho chạy một ảnh khác của server này. Việc bảo trì nâng cấp mở rộng cực kỳ đơn giản, nhanh chóng, tiện lợi và chi phí thấp. Hệ thống máy chủ khi sử dụng ảo hóa Hypervisor là thành phần chính của ảo hóa.

Nó dùng để ảo hóa các thành phần phần cứng vật lý thành giao diện phần mềm. Nó đóng vai trò trung gian giữa phần cứng và hệ điều hành. Mọi yêu cầu từ hệ điều hành xuống phần cứng phải thông qua hypervisor. Ngược lại, các phản hồi từ phần cứng phải đi qua hypervisor rồi mới đến các hệ điều hành.

Dựa trên nền tảng của hypervisor, nhiều loại hệ điều hành với môi 17 trường của nó có thể chạy song song với nhau. Có hai loại hypervisor: native hypervisor và hosted hypervisor.  Native hypervisor: Là loại hypervisor được cài đặt trực tiếp lên máy chủ vật lý (không thông qua hệ điều hành).