Nghiên cứu và xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát và điều khiển sử dụng OPC UA

Kết quả thu được của luận án sẽ có những đóng góp nhất định cho thiết kế, xây dựng, phát triển và ứng dụng hệ thống giám sát, điều khiển vào các lĩnh vực cụ thể trong công nghiệp.. Mục t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU SINH: NGUYỄN THỊ THANH TÚ

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ

PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM HỖ TRỢ

GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG OPC UA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT PHẦN MỀM

MÃ SỐ: 62480103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS HUỲNH QUYẾT THẮNG

2 PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự chấp thuận của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án Trong quá trình làm luận án, tôi kế thừa thành tựu của các nhà khoa học với sự trân trọng và biết ơn Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố

Hà Nội, ngày 30 tháng 6 năm 2014

Nguyễn Thị Thanh Tú

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng, PGS.TS Bùi Quốc Khánh, những người Thầy đã giúp cho em có đam mê, có quyết tâm trong nghiên cứu khoa học

Em xin chân thành cảm ơn đến các Thầy/Cô ở Viện CNTT & TT, đặc biệt là Bộ môn CNPM; Thầy/Cô ở Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa; Các Chuyên viên của Viện Đào tạo Sau đại học; Ban Giám đốc, các đồng nghiệp của Trung tâm Mạng Thông tin đã tạo điều kiện, hỗ trợ và giúp đỡ trong học tập, trong nghiên cứu và trong công việc của em suốt thời gian thực hiện luận án

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô Phản biện, các Thầy/Cô trong Hội đồng các cấp đã trao đổi và cho em nhiều chỉ dẫn quý báu, giúp cho luận án của em được hoàn thiện, trình bày khoa học, hiệu quả hơn

Tác giả chân thành cảm ơn đến nhóm nghiên cứu bao gồm các Bạn: Nguyễn Tuấn, Nguyễn Trọng Minh, Nguyễn Thị Mai, Nguyễn Trí Dũng, Lê Quý Dương, Nguyễn Việt Dũng, Nguyễn Đình Thịnh đã cùng NCS thực hiện một số nội dung của luận án này; đặc biệt là TS Vũ Văn Tân, người đã luôn sát cánh, sẵn sàng chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm để tác giả học tập, nghiên cứu; xin bày tỏ lòng biết ơn tới Gia đình, những người thân yêu, đã giúp đỡ rất nhiều cả tinh thần lẫn vật chất trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận án chắc còn có nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý giá từ Thầy/Cô và các bạn!

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ đầy đủ Mô tả

API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng

Language

Ngôn ngữ mô tả thiết bị điện tử

Commission

Tổ chức kỹ thuật điện quốc tế

ISA 95 International standard for the

integration of enterprise and control systems

Chuẩn cho việc tích hợp hệ thống ở cấp điều hành doanh nghiệp

MES Manufacturing Execution System Hệ thống thực thi sản xuất

(OLE) for Process Control

Liên kết và nhúng đối tượng cho điều khiển quá trình

OPC XML–

DA

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình được

Acquisition

Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu

SOAP Simple Object Access Protocol Giao thức truy cập đối tượng đơn giản

WSDL Web Services Description Language Ngôn ngữ mô tả dịch vụ web

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 1.1 Kiến trúc phân tầng phần mềm trong hệ thống công nghiệp (ISA 95) 16

2 1.2 Hệ thống tích hợp cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên

mô hình ISA 95 và OPC

16

22 2.2 Mô hình ứng dụng đề xuất dựa trên bộ công cụ OPC UA

Client-Server SDK

40

28 2.8 Kiến trúc chung của OPC UA Server SDK 48

59 4.3 Cấu hình Controller trong bài toán 3 88

61 4.5 Giao diện mô hình hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trộn

nước

90

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 1

3 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5

6 Phương pháp nghiên cứu 5

7 Nội dung luận án 6

8 Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp 9

1.1.1 Thiết bị điều khiển khả trình 9

1.1.2 Hệ thống điều khiển phân tán 10

1.1.3 Hệ thống điều khiển lai 11

1.1.4 Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán 11

1.2 Lịch sử phát triển của các chuẩn kết nối và OPC UA 12

1.2.1 OLE 13

1.2.2 COM/DCOM 13

1.2.3 XML 14

1.2.4 SOA 15

1.2.5 Web Services 15

1.3 Tổng quan về OPC 15

1.4 Các đặc tả của OPC 20

1.4.1 Đặc tả OPC DA 20

1.4.2 Đặc tả XML-DA 21

1.4.3 Đặc tả DX 22

1.4.4 Đặc tả HDA 22

1.4.5 Đặc tả OPC AE 23

1.4.6 Đặc tả OPC Security 23

1.4.7 Đặc tả OPC Batch 23

1.5 Đặc tả OPC UA 24

1.5.1 Mô hình Client – Server của OPC UA 30

1.5.2 Nhận xét về các đặc tả của OPC 31

1.6 Phân tích và đánh giá các công trình liên quan 33

1.6.1 Hệ thống KSC 33

1.6.2 Hệ thống OPC-EWS 33

1.6.3 Giao thức trao đổi dữ liệu 34

1.6.4 XML-DA Server nhúng 34

1.6.5 SOCRADES, SIRENA và SODA 34

1.6.6 Vai trò của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong phát triển phần mềm giám sát và điều khiển 35

1.7 Nhiệm vụ của luận án 36

1.8 Kết luận 37

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN 38

2.1 Xây dựng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK 38

2.1.1 Kiến trúc hệ thống của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK 38

2.1.2 Xây dựng OPC UA Client SDK 42

2.1.3 Xây dựng OPC UA Server SDK 48

2.1.3.1 Khởi tạo Server 50

2.1.3.2 Module quản lý phiên làm việc 50

2.1.3.3 Module quản lý không gian địa chỉ 51

2.1.3.4 Module quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu 57

a Mô hình quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu 57

b Lấy mẫu dữ liệu trong không gian nút 61

2.2 Kết nối thiết bị với OPC UA Server 61

2.3 Giải pháp về bảo mật cho hệ thống 63

2.4 Kết luận 67

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK VÀO BÀI TOÁN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN 69

3.1 Bài toán 1: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong hệ thống quan trắc môi trường 69

3.1.1 Ứng dụng cho hệ thống quan trắc môi trường 70

3.1.2 Kết quả thực nghiệm 74

3.2 Bài toán 2: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK cho hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa 76

3.2.1 Modbus 76

3.2.2 Hệ thống giám sát & điều khiển điều hòa nhiệt độ ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK kết nối giao thức Modbus 78

3.3 Kết luận 84

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT - SERVER SDK VÀO

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHIỆP 85

4.1 Mô hình thực nghiệm điều khiển quá trình trong công nghiệp 85

4.2 Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp 87

4.2.1 Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống trộn nước (bài toán 3) 87

4.2.2 Kết quả thực nghiệm của quá trình trộn nước 89

4.2.3 Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào mô hình giám sát và điều khiển quá trình với nhiều thiết bị 92

4.3 Kết luận 93

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 101

PHỤ LỤC 102

I Một số lớp chính ở hai phía Client & Server của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK 102

II Bài toán 1: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quan trắc môi trường 104

2.1 Thiết kế các chức năng của Server 104

2.2 Thiết kế các chức năng của Client 109

III Bài toán 2: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ 115

3.1 Thiết kế các chức năng của Server 115

3.2 Thiết kế các chức năng của Client 121

IV Bài toán 3: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp 125

4.1 Thiết kế các chức năng của Server 125

4.2 Thiết kế các chức năng của Client 133

4.3 Kết nối giữa OPC UA Client và OPC UA Server 136

V Biên bản họp Hội đồng đánh giá nghiệm thu cấp Bộ đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ, ngày 15/06/2012 141

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế thì việc ứng dụng công nghệ thông tin vào hoạt động sản xuất công nghiệp là tất yếu và cũng là động lực thúc đẩy sự phát triển, hiện đại hóa trong sản xuất Mục đích bước đầu tìm hiểu và làm chủ công nghệ, tạo bước đột phá trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT vào công nghiệp, luận án sẽ hướng hai vấn đề chính sau:

(1) Nghiên cứu, xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp Từ bộ công cụ đã phát triển thành công, sẽ triển khai vào các ứng dụng để đánh giá khả năng, hiệu quả khi triển khai vào các ứng dụng thực tế Kết quả thu được của luận án sẽ có những đóng góp nhất định cho thiết kế, xây dựng, phát triển và ứng dụng hệ thống giám sát, điều khiển vào các lĩnh vực cụ thể trong công nghiệp

(2) Thực tế thị trường ở Việt Nam chưa phát triển hệ thống hoàn thiện về giám sát

và điều khiển, mà đa phần được triển khai và cài đặt từ các sản phẩm được phát triển ở nước ngoài Do đó luận án sẽ đóng góp những kết quả bước đầu để dần làm chủ việc triển khai các hệ thống giám sát, điều khiển trong công nghiệp

Từ những phân tích, đánh giá ở trên, việc tìm hiểu, đề xuất và phát triển một mô hình cho hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp là cần thiết Kết quả thu được từ luận án sẽ là những đánh giá bước đầu cho việc triển khai và ứng dụng CNTT vào trong công nghiệp Mục tiêu của luận án là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation (OPC UA SDK) và những vấn đề còn hạn chế của các giải pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là

bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã được tối ưu hoá và phát triển thành các thành phần Bộ công cụ đề xuất này sẽ khắc phục được những hạn chế của các hệ thống

cũ dựa trên các đặc tả trước đó của OPC Foundation

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

OPC Foundation là một tổ chức đề xuất các tiêu chuẩn cho sự phát triển phần mềm

sử dụng trong công nghiệp Thành công nhất của OPC cổ điển đó là OPC Data Access

nó được thiết kế như một trình điều khiển để trao đổi dữ liệu thời gian thực từ PLC, DCS và các bộ điều khiển khác với trạm HMI và hệ thống SCADA, tiếp nối sự thành công của OPC DA là sự ra đời của OPC Alarm & Event và OPC HA được thiết kế để truy nhập thông tin của hệ thống SCADA Tiếp nối thành công vượt bậc đó, OPC đã được sử dụng như là giao diện chuẩn giữa các hệ thống tự động hóa trên toàn thế giới Nhưng một hạn chế của OPC được coi là lớn nhất khiến cho nhiều nhà sản xuất muốn

sử dụng mà không được đó là sự phụ thuộc vào COM và sự hạn chế việc truy nhập từ

xa khi sử dụng DCOM Từ những hạn chế trên tổ chức OPC Foundation đã đưa ra OPC XML-DA Nhưng OPC XML-DA lại sử dụng một nhà cung cấp và nền tảng cơ sở hạ tầng truyền thông trung lập Chính vì vậy các công ty thành viên của tổ chức OPC muốn có một cái gì đó mới tốt hơn, loại bỏ hoàn toàn những hạn chế của cổ điển OPC

Và OPC UA được sinh ra với một sự kỳ vọng rằng nó sẽ thay thế cho tất cả các đặc tả COM-based đang tồn tại mà không mất mát đi bất kỳ một tính năng hay hiệu năng nào OPC UA – là một trong những đặc tả chưa hoàn thiện và còn phải bổ sung, cải tiến rất nhiều, nhưng nó sẽ trở thành một chuẩn công nghiệp trong tương lai Đến thời điểm hiện nay các đặc tả của OPC UA đang ở giai đoạn hoàn thiện và nó cũng đặt ra rất nhiều thách thức và những cơ hội cho các nhà nghiên cứu, phát triển hệ thống phần mềm, các công ty tin học, các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học vào việc phát triển, cải tiến và áp dụng vào các ứng dụng thực tế

Song song cùng với sự đề xuất và giới thiệu đặc tả OPC UA (Unified Architecture), OPC Foundation đang phát triển bộ công cụ (toolkit) cho các nhà phát triển phát triển và thực thi các ứng dụng phần mềm trong công nghiệp Bộ toolkit hứa hẹn sẽ cung cấp các thư viện (libraries), lớp (classes), phương thức (methods) và giao diện tham khảo (reference interfaces) cho những nhà phát triển và lập trình ứng dụng [1] Tuy nhiên, bộ toolkit này thực sự không đủ cho các nhà phát triển và lập trình vì sự phức tạp của các hệ thống giám sát và điều khiển, các tác vụ trong giám sát và điều khiển liên quan, và những hạn chế của bộ toolkit Do đó việc nghiên cứu và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất OPC UA, SOA (Service Oriented Architecture), webservices, XML là cần thiết và vẫn là thách thức Nó sẽ giúp các nhà phát triển và lập trình tiết kiệm được thời gian, chi phí cho việc phát triển các ứng dụng phần mềm trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống giám sát và điều khiển Các nỗ lực của các nhà phát triển và lập trình sẽ được giảm bớt trong quá trình nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới, mặt khác, các thành phần của OPC UA cho phép các kiến trúc sư hệ thống, thiết kế thực hiện các phân tích phụ thuộc cho sự phát triển các ứng dụng thực tế trong giám sát và điều khiển trong công nghiệp

Mặt khác, Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp phần mềm cho các hệ thống phần mềm dùng trong công nghiệp nói chung và cho các hệ thống giám sát, điều khiển trong các nhà máy xí nghiệp còn hạn chế Đặc biệt là các giải pháp phần mềm dựa trên các đặc tả cung cấp bởi OPC Foundation còn hạn chế và thách thức cho các nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm Việt Nam Dựa trên quá trình tìm kiếm tài liệu công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước, hiện tại chưa có một công trình nào của Việt Nam nghiên cứu và triển khai các giải pháp phần mềm dựa trên các đặc tả của OPC Foundation Nói rộng ra cho châu Á, hiện tại mới chỉ có Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc triển khai nghiên cứu, phát triển và cải thiện các đặc tả của OPC Foundation

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation và những vấn đề còn hạn chế của các giải

pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp Sau đó đưa kết quả nghiên cứu áp dụng vào các bài toán thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển để đánh giá tính khả thi, hiệu quả của những kết quả đạt được Tác giả

đi vào nghiên cứu và phát triển bộ công cụ phần mềm ứng dụng dựa trên đặc tả mới nhất này bằng các bước: (1) Đề xuất và phát triển kiến trúc cho việc thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống; (2) nghiên cứu và đề xuất các giải pháp tối ưu cho vấn đề tích hợp phần cứng vào OPC UA Server; (3) nghiên cứu và phát triển các vấn đề về bảo mật khi dữ liệu công nghiệp được truyền trong môi trường mạng một cách hiệu quả và an toàn Thêm nữa, lập trình, đánh giá về hiệu năng và triển khai vào các ứng dụng thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên OPC UA là những thách thức và đồng thời là cơ hội cho những nhà nghiên cứu, phát triển và lập trình vì chuẩn OPC UA hướng tới tận dụng tối đa các ưu điểm

3 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Như đã phân tích hiện trạng nghiên cứu, vấn đề phát triển các hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp ở Việt Nam cũng như trên thế giới, mục tiêu nghiên cứu và kết quả của luận án sẽ hướng đến những vấn đề như sau:

(1) Nghiên cứu mô hình chung của các hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp trên thế giới, đưa ra những ưu nhược điểm của hệ thống hiện tại Bên cạnh đó, nghiên cứu và tìm hiểu về các đặc tả của OPC cho việc đề xuất và phát triển

(2) Đề xuất giải pháp phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp dựa trên OPC UA Hệ thống dựa trên OPC được đề xuất ở dạng kiến trúc Client-Server Do đó, kết quả của luận án sẽ phát triển thành công bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK Mặt khác, OPC UA Server sẽ kết nối với các thiết bị ngoại vi, ví dụ như cảm biến nhiệt độ do vậy mô-đun phần mềm ghép nối giữa OPC UA Server và thiết bị ngoại vi cũng sẽ được phát triển (3) Từ bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK, ứng dụng vào 3 hệ thống giám sát

và điều khiển: (i) Quan trắc môi trường; (ii) Điều hòa nhiệt độ; (iii) Điều khiển quá trình trong công nghiệp

Nghiên cứu cung cấp một giải pháp dựa trên công nghệ OPC UA mới cho các hệ thống giám sát điều khiển, giải quyết hai vấn đề sau: (i) Kết hợp các hệ thống không đồng nhất bằng cách sử dụng công nghệ OPC UA, SOA, XML và các dịch vụ web; Mã hóa dữ liệu để đảm bảo hiệu suất cao và các giải pháp bảo mật tổng thể cho giao tiếp từ

xa trong môi trường mạng (ii) Vai trò của mô hình SOA, XML và các dịch vụ web dựa trên công nghệ OPC UA áp dụng vào giám sát và điều khiển hệ thống tự động hóa Với mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation và những vấn đề còn hạn chế của các giải pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát điều khiển trong công nghiệp Hơn nữa, kết quả của nghiên cứu cũng sẽ được áp dụng vào các bài toán thực tế

cho các hệ thống giám sát và điều khiển Cho nên phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất bao gồm: (1) về mặt lý thuyết và (2) về mặt thực nghiệm

Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan những đặc tả của OPC Foundation, về hệ

thống giám sát điều khiển, và những công trình liên quan đã được công bố trong các tạp chí và các hội nghị có uy tín Đề xuất kiến trúc và phát triển các thành phần cho OPC

UA dựa trên mô hình Client-Server (OPC UA Server-Client SDK), Service Oriented Architecture (SOA), Object Oriented Design (OOD), Webservices Các giải pháp tích hợp thiết bị vào trong OPC UA Server cũng được nghiên cứu, và phát triển Phát triển các thành của OPC UA dựa trên hai phương pháp luận: Domain Analysis và Domain Design [15]

Về mặt thực nghiệm: Yêu cầu chung cho các hệ thống giám sát điều khiển là độ

chính xác, độ an toàn, hiệu năng cao, khả năng hỗ trợ dự phòng (OPC UA Server Redundency, OPC UA Client Redundency) Do đó các thành phần được phát triển sẽ được tiến hành chạy thử nghiệm ở dạng OPC UA Client-Server để giám sát điều khiển thiết bị Qua đó đánh giá về hiệu năng và những ưu điểm của hệ thống trước khi có thể tiếp tục phát triển và ứng dụng vào các bài toán ứng dụng thực tế Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành tại Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Đại học Bách Khoa Hà Nội Ở đây có đủ trang thiết bị đảm bảo được các mô hình nghiên cứu và thử nghiệm nguyên mẫu (prototype) như trong môi trường công nghiệp cho nghiên cứu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Như đã trình bày ở trên về cơ sở khoa học của luận án, hướng giải quyết và tiến độ thực hiện luận án, cách tiếp cận của luận án sẽ bao gồm như sau: (i) tiếp cận dựa trên đặc tả mới nhất của OPC (OPC UA), (ii) dựa trên những mặt hạn chế và điểm yếu của các công trình đã nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp cho hệ thống phần mềm công nghiệp trong tương lai, (iii) lập trình, triển khai, và kiểm thử hệ thống nhằm đánh giá và chỉ ra những mặt mạnh, khả năng đáp ứng của nó

Những nghiên cứu trong lĩnh vực của luận án sẽ bao gồm: (i) nghiên cứu những đặc tả của OPC, đặc biệt chú trọng đến đặc tả mới nhất là OPC UA, (ii) xem xét những nghiên cứu hiện tại của thế giới, tìm ra những mặt còn hạn chế và giới hạn của chúng, (iii) đề xuất một kiến trúc mới cho hệ thống phần mềm công nghiệp ở góc độ tổng quát với mục đích có thể áp dụng được cho nhiều bài toán cụ thể và cải thiện được những mặt hạn chế hiện tại của các nghiên cứu đã công bố, (iv) nghiên cứu và đề xuất giải pháp cho vấn đề ghép nối các thiết bị vào OPC UA Server (mapping devices to server), (v) phát triển, triển khai hệ thống đề xuất và chạy thử nghiệm, (vi) ước lượng, đánh giá,

và đề xuất áp dụng cho các bài toán thực tế trong công nghiệp

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng liên quan đến hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước phát triển OPC cùng với các trung tâm nghiên cứu, các công ty hàng đầu về phần mềm và phần cứng, các trường đại học đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn cho sự nghiên cứu và phát triển hệ thống phần mềm công nghiệp, thông thường sẽ bao gồm cả phần cứng OPC UA tương lai sẽ là một tiêu chuẩn quan trọng cho các công ty sản xuất phần cứng và phần mềm công nghiệp Tuy nhiên hiện tại nó là một thách thức lớn cho những nhà nghiên cứu và tích hợp hệ thống, đặc biệt là phát triển hệ thống và triển khai vào các ứng dụng cụ thể

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về các đặc tả của OPC và đề xuất các giải pháp thiết

kế, phát triển và triển khai vào các hệ thống phần mềm trong công nghiệp còn khá mới

mẻ Do đó, nghiên cứu có những ý nghĩa như sau:

(1) Bước đầu triển khai nghiên cứu những đặc tả của OPC ở Việt Nam

(2) Thiết kế, lập trình, và chạy thử nghiệm hệ thống đề xuất để đánh giá khả năng ứng dụng của OPC UA vào trong các bài toán trong công nghiệp nói chung và cho các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển nói riêng

(3) Tài liệu hoá ở góc độ phân tích và thiết kế hệ thống, giúp cho các nhà phát triển ứng dụng, các công ty tin học có thể phát triển hệ thống một cách khoa học và dễ dàng

(4) Đóng góp một phần vào quá trình nghiên cứu và làm chủ các giải pháp công nghệ cho phần mềm công nghiệp, một mảng được cho là khó và mới mẻ ở Việt Nam

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm

Lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về những đặc tả của OPC và những công trình

nghiên cứu liên quan đã được công bố trong các hội thảo và trên các tạp chí quốc tế Xây dựng lý thuyết về thiết kế phần mềm cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp dựa trên đặc tả OPC UA, SOA, OOD Các giải pháp về tích hợp thiết bị vào OPC UA Server cũng được nghiên cứu, đề xuất và triển khai

Thực nghiệm: Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống đã thiết kế và phát triển, đánh

giá về hiệu năng và khả năng ứng dụng của hệ thống cho các ứng dụng thực tế Như chúng ta đã biết, các hệ thống giám sát, điều khiển, và thu thập dữ liệu trong công nghiệp yêu cầu về độ chính xác, độ an toàn, hiệu năng cao Do vậy yêu cầu chạy thử nghiệm là hết sức quan trọng trước khi triển khai vào thực tế

Nhằm đạt được kết quả theo như những mục tiêu của luận án đã đặt ra, luận án được thực hiện theo các phương pháp tiếp cận và nghiên cứu như sau:

Cách tiếp cận:

(1) Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu, phát triển và triển khai hệ thống giám sát và điều khiển trên thế giới và Việt Nam Trong đó tác giả đặc biệt chú trọng đến tình hình trong nước và khả năng ứng dụng của sản phẩm trong thực tế ở Việt Nam

(2) Phân tích, đánh giá các giải pháp đã và đang được thực thi kết hợp với những đặc tả mới nhất của tổ chức OPC Foundation như OPC UA, để đề xuất ra mô hình và giải pháp tối ưu nhất cho bài toán nhằm đảm bảo các tiêu chí: Áp dụng được vào nhiều bài toán trong công nghiệp, hiệu quả, chi phí phát triển và triển khai thấp nhất, tích hợp được những kết quả nghiên cứu mới nhất trên thế giới (3) Dựa trên các kết quả phân tích, và những vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trước đây, những yêu cầu cho hệ thống mới trong công nghiệp, sẽ đề xuất giải pháp phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dựa trên đặc tả mới nhất của OPC Foundation và mô hình ISA 95

(4) Xây dựng hệ thống theo giải pháp đã đề ra nhằm đảm bảo các tiêu chí đã trình bày ở trên một cách hiệu quả, phù hợp và khả thi

(5) Tiến hành kiểm thử và chạy thử nghiệm trong phòng nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

(1) Phân tích, thiết kế, và triển khai thử nghiệm

(2) Phân tích, thiết kế bài toán giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp nói chung, dựa trên phương pháp phân tích phạm vi lĩnh vực (domain analysis) và thiết kế dựa trên phạm vi lĩnh vực (domain design), đưa ra giải pháp tổng thể cho bài toán và xây dựng hệ thống nhằm đảm bảo bảy tiêu chí như sau: đáp ứng những yêu cầu chung (generic requirements), phương pháp luận (methodology), mềm dẻo (flexibility), khả năng mở rộng (scalability), khả năng sử dụng lại (reusability), sự mở (openness) và khả năng thích ứng (adaptability)

Sản phẩm sẽ được kiểm thử và triển khai thử nghiệm dạng mô phỏng tại Viện CNTT & TT, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đánh giá hiệu quả và tính khả khi của hệ thống đã phát triển

7 Nội dung luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm:

Mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề tồn đọng của các hệ thống giám sát và điều khiển trong nền công nghiệp của thế giới và Việt Nam, để đưa ra được mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận… Phân tích tổng quan về các đặc tả cổ điển của OPC; các công trình nghiên cứu khoa học có liên quan; thu thập nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đặc tả mới nhất chưa hoàn thiện OPC UA các giải pháp và công trình sử dụng công nghệ của tổ chức OPC Foundation; phân tích, đánh giá những mặt còn hạn chế của các đề xuất đã tồn tại Từ đó đề xuất giải pháp, thiết kế chương trình và phát triển các thành phần của OPC UA, đưa ra những vấn đề mà luận

án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

Chương 2: Dựa trên đặc tả OPC UA và những hạn chế của các hệ thống đã và đang phát triển, tác giả đề xuất và phát triển bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK

Từ các thành phần đã được phát triển áp dụng vào ba bài toán cụ thể trong giám sát và điều khiển được trình bày kết quả trong chương 3 và chương 4 để đánh giá khả năng ứng dụng, khả thi triển khai vào thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp ở Việt Nam

Chương 3: Dựa vào bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển, xây dựng ở chương 2 Và với việc tối ưu hoá hệ thống phát triển thành các thành phần để

mở rộng và ứng dụng vào các bài toán cụ thể trong công nghiệp nói chung và các hệ thống giám sát và điều khiển nói riêng Kiểm thử hệ thống, ghép nối với các thiết bị ngoại vi (field devices, controllers, sensors ) để đánh giá hiệu năng của hệ thống Hai bài toán giám sát, điều khiển hệ thống quan trắc môi trường và hệ thống giám sát, điều khiển điều hòa nhiệt độ được đề xuất, áp dụng và phát triển

Việc nghiên cứu, triển khai, thực nghiệm thành công hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ sử dụng giao thức công nghiệp Modbus là bước điệm

và đóng vai trò lớn cho tác giả tiếp tục nỗ lực, quyết tâm đi vào thực hiện kết nối với hệ thống công nghiệp thực tế Kết quả của hệ thống này là kết quả của đề tài cấp Bộ Giáo dục & Đào tạo trong 2 năm 2009 – 2013; đảm bảo hệ thống tương tác với số lượng thiết

bị sẵn có dùng chuẩn Modbus và thích hợp với nhiều môi trường khác nhau như: công

sở, doanh nghiệp, xưởng sản xuất…

Chương 4: Dựa trên bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển và kết

quả đạt được của chương 3, thì bài toán giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp được đề xuất, áp dụng và phát triển Kết quả đạt được ở ba bài toán đã minh chứng cho hệ thống đề xuất có khả năng mở rộng và áp dụng cho các ứng dụng cụ thể trong giám sát và điều khiển, tự động… Điều này thể hiện bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK không chỉ áp dụng được vào 3 bài toán trên, mà còn có khả năng áp dụng vào các hệ thống lớn của dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm

Kết luận

Tài liệu tham khảo

8 Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án

Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã được tối ưu hoá và phát triển thành các thành phần, khắc phục được những hạn chế của các hệ thống cũ dựa trên các đặc tả trước đó của OPC Foundation

(1) Bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK ứng dụng vào các hệ thống giám sát và điều khiển trong các nhà máy, xí nghiệp và toà nhà dựa trên đặc tả mới nhất OPC UA Đảm bảo hệ thống hoạt động tốt, đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin, đảm bảo sự giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống ở cả hai phía Client và Server Tạo môi trường mới cho người vận hành, quản lý hệ thống sản xuất (2) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài toán quan trắc môi trường (EMA) Với hệ thống quan trắc môi trường OPC UA Server cung cấp các thông tin về môi trường nước như pH, DO, ORP, nhiệt độ, độ dẫn, độ đục, độ sâu và ánh sáng OPC UA Client thể hiện các thông số ở dạng đồ thị nhằm cung cấp cho người vận hành cách nhìn trực quan

(3) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài toán giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ dựa trên Modbus Mô hình

hệ thống đề xuất OPC UA Client-Server SDK kết nối tới thiết bị Modbus thành công chứng tỏ tính mềm dẻo và tương thích với các chuẩn trong công nghiệp của OPC UA Điều này giúp cho các nhà phát triển phần mềm có thể mở rộng đối với các thiết bị sử dụng giao thức Modbus nói riêng và các chuẩn công nghiệp khác như DeviceNet, ControlNet, Fieldbus nói chung

(4) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài toán giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp Trong đó, OPC UA Server kết nối với mô hình điều khiển quá trình trộn nước trong công nghiệp sử dụng controller, chế độ truyền TCP/IP, kết nối qua cổng Com 3 của controller OPC UA Server kiểm tra trạng thái về nhiệt độ, thông lượng, dung lượng và tương tác với các thiết bị thông qua controller để thực hiện hoạt động điều khiển OPC UA Client kết nối tới Server để giám sát các thông số của thiết bị đồng thời kiểm tra OPC UA Server và gọi các phương thức cho phép trên không gian địa chỉ

Kết quả của luận án sẽ được tiếp tục triển khai và áp dụng vào các bài toán thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống Nó cũng góp một phần nhỏ trong quá trình đào tạo và chuyển giao công nghệ giữa Viện CNTT & TT, Đại học Bách Khoa Hà Nội và các đơn vị, tổ chức nghiên cứu ngoài trường, các học viên cao học

1.1 Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp

Một hệ thống giám sát và điều khiển có thể được hiểu là hệ thống tích hợp chức năng giám sát, điều khiển quá trình một cách liên tục, kiểm soát sự kiện, báo cáo và xử

lý các trạng thái bất thường của hệ thống Toàn bộ chức năng của hệ thống giám sát điều khiển đều hướng tới các mục đích cơ bản sau [20, 53]:

 Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, liên tục: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện Nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định

 Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm theo phạm vi yêu cầu

 Đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn nhất: Giảm thiểu các nguy cơ xảy

ra sự cố cũng như bảo vệ con người, thiết bị máy móc và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố

 Nâng cao hiệu quả kinh tế kết hợp với bảo vệ môi trường: Đảm bảo năng suất

và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng

và nước thải, hạn chế lượng bụi khói

Trong những năm gần đây, việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin về phần cứng, phần mềm cũng như các dịch vụ web, điện toán lưới đã tạo lợi thế rất lớn cho việc ứng dụng công nghệ thông tin vào hệ thống tự động hóa Các nhà phát triển đã cung cấp phần mềm giám sát, điều khiển, kiểm soát dữ liệu hệ thống Tuy nhiên, sự không thống nhất giữa các giao thức truyền thông, cũng như định dạng cơ sở dữ liệu đã ảnh hưởng rất lớn tới tính hiệu quả kinh tế, khả năng vận hành ổn định của toàn hệ thống Vì lý do đó, công nghệ OPC, mà đặc tả mới nhất là OPC UA đã và đang được phát triển để đưa ra một tiêu chuẩn thống nhất cho các nhà sản xuất phần mềm

1.1.1 Thiết bị điều khiển khả trình

Các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triển trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le [20] Các thiết bị PLC

có ưu điểm là tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cỡ micro tới mili giây) tuy nhiên khả năng xử lý các tín hiệu analog lại kém

Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng logic độc lập như là ứng dụng điều khiển trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn sản xuất độc lập tương đối với các công đoạn khác Nói chung PLC thiên về các ứng dụng đơn lẻ

Ưu điểm của PLC là xử lý các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng

quét nhỏ (cỡ μs – msvòngquét) Ban đầu PLC chỉ được sử dụng cho điều khiển logic và

chỉ quản lý được các đầu vào/ ra số Qua quá trình phát triển, ngày nay một số loại PLC

đã được bổ sung thêm nhiều chắc năng như khả năng quản lý đầu vào/ra analog, khả năng hỗ trợ các hệ thống truyền thông công nghiệp Các giao thức truyền thông công nghiệp mà các PLC hiện nay hỗ trợ là: PROFIBUS, AS-i, DeviceNet Việc hỗ trợ thêm các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế hệ sau này của PLC đã mở ra khả năng ứng dụng PLC trong các hệ thống lớn hơn bằng cách nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), hoặc cũng có thể kết nối với máy tính có phần mềm giao diện người – máy (HMI) tạo thành hệ PLC/HMI để điều khiển, giám sát và thu thập số liệu

Tuy có khả năng quản lý được đầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được còn khá hạn chế, không hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (Multi-Task) nên thuật toán xử lý trên các biến analog kém, không phù hợp với yêu cầu điều khiển – điều chỉnh PLC cộng với máy tính cá nhân (PC), các máy tính công nghiệp (IPC) cũng có thể thực hiện được phương án điều khiển phân tán nhưng sẽ mất rất nhiều công sức lập trình và nó không thể thay thế các hệ DCS thương phẩm do những hạn chế về cơ sở dữ liệu nhỏ, độ tin cậy kém

1.1.2 Hệ thống điều khiển phân tán

DCS (Distributed Control System) được dùng để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc điều khiển phân tán [20] Khác với PLC, DCS là giải pháp tổng thể kể cả phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống được phát triển từ các ứng dụng điều khiển của ngành công nghiệp hóa chất với các bộ điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương

tự Giải pháp thiết kế của các hệ DCS là hướng vào các ứng dụng điều khiển phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao kể cả tích hợp với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập Mục tiêu tạo thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển

Thế mạnh DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng Các hệ thống DCS ngày nay thường bao gồm các thiết bị điều khiển (Controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm hệ điều hành

hệ thống tích hợp hỗ trợ khả năng điều khiển phân tán Các hệ DCS có thể quản lý được từ vài nghìn điểm đến hạng chục nghìn điểm vào/ra Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ

thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS)

Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin, các hệ DCS ngày nay hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Với cơ sở dữ liệu lớn, độ tin cậy cao, các hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể

1.1.3 Hệ thống điều khiển lai

Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời các hệ điều khiển mới gọi là hệ điều khiển lai (Hybrid Control System) [20]

Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên hệ lai là sự pha trộn thuộc tính của hệ PLC và hệ DCS Hệ lai có khả năng thực hiện được cả quá trình liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được đến khoảng 10000 điểm vào/ra Hệ thống lai có các thiết bị điều khiển nhỏ hơn các hệ DCS nhưng tận dụng được hết các

ưu điểm thiết kế của các hệ DCS Các hệ lai cũng cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus trường bao gồm Forudation Fieldbus, AS-i, Profibus và DeviceNet Các hệ lai thường

hỗ trợ các chuẩn mở như là OPC, XML, ODBC Chúng cũng có ưu thế trong việc tích hợp vào hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị thấp như điện thoại không dây, máy nhắn tin và PDA

Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ, theo khối, vận hành giám sát Ngoài ra, các công cụ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây dựng, phát triển một ứng dụng dễ dàng và nhanh chóng hơn

Hạn chế ứng dụng của hệ thống điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ dẫn lưu lượng truyền thông lớn và nó sẽ hạn chế về số lượng điểm vào/ra, đặc biệt khi hệ thống yêu cầu chu ký điều khiển nhỏ Với khả năng mở rộng cơ sở dữ liệu hạn chế (tối

đa khoảng 60.000 tags), các hệ lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn

1.1.4 Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán

Có rất nhiều định nghĩa về hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải pháp điều khiển, các nhà tích hợp hệ thống đều có những định nghĩa riêng cho mình về điều khiển phân tán

Dưới góc độ của nhà nghiên cứu và kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển thì khái niệm điều khiển phân tán được sử dụng để phân biệt với điều khiển tập trung truyền thống [20] Về mặt nguyên tắc, việc điều khiển một đối tượng, một nhóm đối tượng có liên quan đến nhau hay một quá trình cần phải được xem xét dưới góc độ của hệ thống nhiều đầu vào/ra Điều khiển phải tập trung và cơ sở dữ liệu phải thống nhất để đảm bảo khả năng đáp ứng tốt nhất đối với yêu cầu công nghệ

Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm Phương án điều khiển tập trung này có ưu điểm

là hệ cơ sở dữ liệu thống nhất, tập trung Do đó, ta có thể thực hiện các thuật toán điều

khiển tập trung và thống nhất Nhược điểm của nó là khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các hệ xử lý trung tâm không đáp ứng được yêu cầu tính toán của hệ thống Thêm nữa, các giá trị đo lường phải tập trung

về máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho công tác bảo trì sửa chữa

Khác với điều khiển tập trung, điều khiển phân tán có quá trình tính toán điều khiển

là quá trình tính toán phân tán Quá trình tính toán được thực hiện trên nhiều hệ xử lý

và hệ cơ sở dữ liệu có thể tập trung hoặc phân tán trên các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất

Tính ưu việt của hệ điều khiển phân tán được thể hiện rõ ở những điểm sau: Tiết kiệm được dây nối và công nối dây nhờ các mạng truyền thông Hiệu suất cũng như độ tin cậy của hệ thống được nâng cao Độ linh hoạt cao, thể hiện tính năng mở trong việc

mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị, nâng cấp và tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng

Để thực hiện điều khiển phân tán ta có thể có các phương án sau:

 Sử dụng PLC với mạng truyền thông công nghiệp: Có thể sử dụng PLC để thực hiện điều khiển phân tán nhưng đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải tự thực hiện việc xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quá trình, phải tự thiết kế và lập trình giao thức truyền thông thời gian thực để trao đổi dữ liệu giữa các PLC, phải tự đánh giá

và sắp xếp thứ tự thực hiện các luật điều khiển để đảm bảo yêu cầu thời gian thực

 Sử dụng các hệ DCS: Các hệ DCS được thiết kế để hướng tới các ứng dụng phân tán nên rất phù hợp cho các hệ thống lớn, phức tạp, đòi hỏi độ tin cậy cao Trở ngại duy nhất là về mặt chi phí đầu tư, các hệ DCS thường có giá thành cao dẫn tới chi phí đầu tư lớn

 Sử dụng hệ thống điều khiển lai: Với các ứng dụng điều khiển cỡ trung bình, quá trình điều khiển ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống điều khiển lai để thực hiện là phù hợp hơn cả vì nó cho phép tận dụng những ưu điểm của các hệ thống điều khiển DCS với chi phí đầu tư thấp hơn

1.2 Lịch sử phát triển của các chuẩn kết nối và OPC UA

Hiện nay, hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp (PLC, DCS…) đều

áp dụng công nghệ do tổ chức OPC Foundation đưa ra với những giải pháp cho nhiều loại thiết bị, linh kiện, và các hệ thống từ các nhà cung cấp khác nhau, đặc biệt là cung cấp các chuẩn kết nối như OLE, COM, DCOM… cho các thành phần của hệ thống OPC cổ điển được xây dựng trên công nghệ COM (Component Object Model) COM được hỗ trợ trong tất cả các nền tảng Windows, nhưng lại rất khó triển khai trên các nền tảng không phải Windows DCOM (Distributed COM) có thể được sử dụng cho các ứng dụng trên Internet, nhưng vấn đề bảo mật lại chưa được đề cao

Từ đó, tổ chức OPC Foudation đưa ra đặc tả mới là OPC UA sử dụng chuẩn kết nối XML, các dịch vụ web, và Service Oriented Architecture (SOA) như cơ chế thông tin liên lạc Công nghệ mới này có tiềm năng để mở rộng kinh doanh, kết nối linh hoạt các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp Vì vậy, việc giải quyết những thách thức của SOA, XML và các dịch vụ web cho phát triển các ứng dụng tự động hóa công nghiệp là công việc cần thiết đối với các nhà xây dựng, phát triển hệ thống, phát triển dịch vụ do các giới hạn của phương pháp tiếp cận hiện tại và những lợi thế của các công nghệ mới OPC UA Sự kết hợp các hệ thống không đồng nhất bằng cách sử dụng công nghệ OPC UA, SOA, XML và các dịch vụ web Mã hóa dữ liệu để đảm bảo hiệu suất cao và các giải pháp bảo mật tổng thể cho giao tiếp từ xa trong môi trường mạng

1.2.1 OLE

Object Linking and Embedding (OLE) ra đời năm 1990, là một công nghệ được phát triển bởi Microsoft cho phép nhúng và liên kết các tài liệu và các đối tượng khác nhau [23]

Giao thức Dynamic Data Exchange (DDE) được xem như là giải pháp đầu tiên cho việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng chạy trên nền Windows Tuy nhiên, nhược điểm của giao thức này là băng thông thấp, do đó nó không thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi hiệu suất cao, rút ngắn thời gian

Chính vì vậy, OLE đã ra đời thay thế cho DDE Ưu điểm của OLE là hiển thị trực quan dữ liệu từ server, và tạo ra một tập tin thống nhất OLE được sử dụng không chỉ cho việc quản lý dữ liệu mà còn để truyền dữ liệu giữa các ứng dụng khác nhau [9]

1.2.2 COM/DCOM

Componet Object Model (COM) là một nền tảng mạnh được phát triển bởi Microsoft Năm 1992, Microsoft đã phát triển OLE lên về tính năng và đặt tên là COM (1995) COM là sự đặc tả và là một tập hợp các dịch vụ cho phép tạo ứng dụng không phụ thuộc ngôn ngữ, khả năng module hóa, hướng đối tượng, phân tán, tùy biến, nâng cấp được Mô hình này xác định cơ chế giao tiếp giữa các đối tượng bao gồm dữ liệu và ứng dụng Dữ liệu về các đối tượng được lưu trữ và có thể truy cập một cách dễ dàng [23]

Phương thức giao tiếp cơ bản của COM là đồng bộ lời gọi Các đối tượng được chờ cho đến khi nó được gọi theo phương thức này COM cũng quy định cách kết nối giữa các đối tượng dữ liệu để thực hiện giao tiếp không đồng bộ

Năm 1996, COM bắt đầu hỗ trợ tính toán phân phối và Microsoft đặt tên nó là Distributed COM (DCOM), hỗ trợ giao tiếp giữa các đối tượng trên các máy tính khác nhau nhưng trong cùng một mạng nội bộ (LAN, WAN) hoặc thậm chí cả Internet

DCOM cung cấp giao thức mạng sử dụng phương pháp chặn lời gọi trực tiếp từ client

và chuyển các lời gọi đó đến các thành phần xử lý tương ứng trong cùng một quá trình

 Nguyên tắc cơ bản của COM:

Interfaces: Để cho các thành phần khác có thể “thấy” và dùng những chức năng

của COM Interfaces giống như một chỗ trên bộ nhớ có những con trỏ đến các phương thức của một đối tượng Mỗi giao diện nằm trên nền tảng của một COM-interface gọi là IUnknown, giao diện này sẽ cho phép đi đến những giao diện khác của đối tượng đó Mỗi giao diện có một khóa giao diện ID gọi là IID

Iunknown: Có 3 phương thức: QueryInterface – giúp tìm đúng giao diện AddRef

– đếm những object references (reference counting) Release – đếm object references

Reference Counting: Khi một đối tượng không dùng nữa thì phải xóa nó khỏi bộ

nhớ Reference counting dùng để kiểm tra xem đối tượng đó còn hay không AddRef và Release dùng như tên của chúng, để đặt và xóa một reference

QueryInterface: Dùng để hỏi một đối tượng về một giao diện thì phải dùng

QueryInterface Để có thể tìm đựợc giao diện thì đối tượng đó phải dùng IID của giao diện đó QueryInterface sẽ trả lại một con trỏ đến giao diện đó và đồng thời gọi AddRef

COM/DCOM là công nghệ được OPC sử dụng để đặc tả định nghĩa một tập chuẩn cho đối tượng, giao diện và phương thức để sử dụng trong quá trình kiểm soát và ứng dụng tự động hóa sản xuất

1.2.3 XML

Extensible Markup Language (XML) được W3C thông qua vào tháng 2/1998, là tập các quy ước chuẩn về cách phân chia một tài liệu thành nhiều phần, đánh dấu từng phần theo đặc trưng của nó rồi ghép lại [23] XML là ngôn ngữ dùng để định nghĩa dữ liệu, người dùng có thể tự định nghĩa các thẻ [45, 46]

XML được tạo ra để chuyển dữ liệu qua lại giữa các hệ thống và các platform khác nhau XML hỗ trợ cả hai dạng dữ liệu có cấu trúc và không có cấu trúc Nó cung cấp định dạng và cấu trúc dữ liệu, nhưng không chỉ rõ các ngữ nghĩa của định dạng đó Ưu điểm của XML là dễ dàng trao đổi dữ liệu, tùy biến ngôn ngữ đa dạng [57] Đặc biệt, XML hỗ trợ khả năng tương tác trong các môi trường phân tán, không đồng nhất, ví dụ như Internet [48, 49, 50]

XML là công nghệ được OPC sử dụng trong OPC XML-DA, OPC XML-DA là nền tảng độc lập đầu tiên của OPC Specification thay thế COM/DCOM bằng HTTP/SOAP và công nghệ Web Serivice

1.2.4 SOA

Service Oriented Architecture (SOA) ra đời năm 2002, là một tập các quy tắc và phương pháp thiết kế, phát triển phần mềm theo hình thức dịch vụ tương tác [23, 45] Các dịch vụ này được thiết kế rõ ràng, tương ứng với các chức năng nghiệp vụ cụ thể Dịch vụ đóng vai trò là các thành phần của phần mềm và có khả năng sử dụng lại tùy theo mục đích cụ thể Để truy cập đến các dịch vụ, SOA thường sử dụng XML (eXtensible Markup Language) để giao tiếp Một dịch vụ là một đơn vị làm việc được thực hiện bởi một nhà cung cấp dịch vụ Về cơ bản có ba chức năng được hỗ trợ trong SOA: mô tả và công bố dịch vụ, phát hiện một dịch vụ, và tương tác với một dịch vụ

Sự khác biệt giữa SOA và kiến trúc ứng dụng truyền thống là SOA nhấn mạnh giao diện, giao thức, truyền thông, phối hợp, quá trình hoạt động và tìm kiếm

1.2.5 Web Services

Web Services hiểu một cách đơn giản là các dịch vụ được cung cấp trên nền tảng web Web Service cung cấp các dịch vụ cho khách hàng thông qua Internet, Intranet bằng cách sử dụng URL Web Service dựa trên các chuẩn web: HTTP, SOAP, XML [23]

 Giao thức SOAP [43] định nghĩa giao thức truyền thông tiêu chuẩn cho các dịch

vụ web

 Web Services Description Language (WSDL) [52] là một công nghệ trên nền tảng XML định nghĩa các giao diện dịch vụ web, dữ liệu, thông điệp, các mô hình tương tác và giao thức ánh xạ

Web Service ra đời năm 2005, là một công nghệ có thể được coi là thế hệ kế tiếp của các dịch vụ phân tán trên mạng như DCOM, CORBA, RMI Nhưng không giống như các dịch vụ phân tán trước đó Web Service có thể được gọi bất kỳ ở đâu và trên bất

kỳ nền tảng nào Cách thức giao tiếp với Web Service thông qua chuẩn XML được hầu hết các ngôn ngữ lập trình và các nền tảng hỗ trợ Do sử dụng XML để giao tiếp và được gửi thông qua HTTP do đó Web Service không gặp vấn đề về tường lửa như các công nghệ trước nó Ưu điểm của Web Services là có thể cài đặt với bất kỳ ngôn ngữ nào, trên bất kỳ nền tảng nào Web Services cung cấp cơ chế gọi phương thức từ xa, cho phép kết nối giữa các công ty khác nhau, giữa các thiết bị, giữa các ứng dụng và Client khác nhau

1.3 Tổng quan về OPC

Mạng máy tính dùng trong công nghiệp thường sử dụng nhiều công nghệ khác nhau cho những ứng dụng cụ thể khác nhau tương ứng với các tầng khác nhau của hệ thống, dựa trên kiến trúc thông tin Mô hình tổng quát cho một hệ thống tự động hoá (giám sát và điều khiển) được thể hiện như hình 1.1 (ISO/IEC 62263 (ISA 95)) Hệ

thống gồm 4 mức: mức 0 và mức 1 chứa các thiết bị trường trong hệ thống công nghiệp Mức 2 là hệ thống mạng và lưu trữ cơ sở dữ liệu trong hệ thống điều khiển Mức 3 là hệ thống thông tin lưu trữ các dữ liệu được lấy từ mức 2 Mức 4 là các ứng dụng cho doanh nghiệp (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Kiến trúc phân tầng phần mềm trong hệ thống công nghiệp (ISA 95)

Dựa trên mô hình ISA 95 cho hệ thống mạng công nghiệp, hình 1.2 minh hoạ một

hệ thống tích hợp dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong các nhà máy xí nghiệp, là hệ thống dựa trên mô hình OPC Client-Server, trong đó OPC Server lấy thông tin từ các thiết bị và cung cấp cho OPC Client dựa trên mạng nội bộ hoặc mạng internet

Hình 1.2 Hệ thống tích hợp cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên mô hình

ISA 95 và OPC

OPC (Openness, Productivity, and Collaboration), trước đó là “OLE for Process Control” OPC là một dạng chuẩn phần mềm tích hợp hệ thống, dựa trên mô hình đối tượng DCOM (Distributed Component Object Model) của Microsoft [2, 9, 11] OPC định nghĩa thêm các giao diện giúp cho việc khai thác dữ liệu từ các quá trình kĩ thuật, làm cơ sở để xây dựng các hệ DCS (Distributed Control System – các hệ thống điều khiển phân tán) và SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – các hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu) Cốt lõi của OPC là một phần mềm phục vụ OPC-Server-Client, trong đó có các OPC-Items (OPC-Items là các tham số điều khiển, dữ liệu quá trình, trạng thái thiết bị ) được tổ chức thành nhóm, thực chất nó là các thành phần dữ liệu của một đối tượng cụ thể như PLC (Programmable Logic Control) hay các RTU (Remote Terminal Unit)

OPC là một tổ chức phi lợi nhuận tập hợp trên 470 công ty và trung tâm nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về phần cứng và phần mềm Được thành lập từ năm 1996 nhằm đề xuất những tiêu chuẩn cho phát triển các phần mềm công nghiệp, đặc tả đầu tiên được đề xuất là OPC DA (data access) đã được triển khai và ứng dụng rộng rãi trên thế giới [2] Các sản phẩm về phần cứng và phần mềm của các các tập đoàn như Siemens AG, Rockwell Automation, ABB Inc, Advosol Inc… đều dựa trên các đặc tả trên

Từ năm 2006, OPC Foundation đề xuất đặc tả mới là OPC UA [1, 7, 11] Mục đích của đặc tả này là tổng hợp tất cả những chức năng mà các đặc tả trước đó đã cung cấp như OPC DA, OPC HDA, OPC AE dựa trên, XML, SOA và công nghệ Web để đảm bảo hệ thống phần mềm công nghiệp chạy trên bất kỳ hệ điều hành nào như Windows, Unix, Linux Các đặc tả trước đó của OPC đã và đang được nghiên cứu và triển khai vào các hệ thống thực tế trong công nghiệp rất rộng rãi Đặc tả mới nhất của OPC đang vào giai đoạn hoàn thiện và thực sự nó cũng đưa ra rất nhiều những thách thức và cơ hội cho những phòng nghiên cứu và phát triển hệ thống phần mềm của các công ty, các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học cho các bài toán thực tế

Giải pháp OPC đã được đề xuất và phát triển như là công nghệ trung gian (middleware) cho sự tích hợp và tương quan cho các giải pháp truyền thông khác nhau được cung cấp bởi các nhà cung cấp phần cứng và phần mềm khác nhau (xem hình 1.3

và hình 1.4) Công nghệ OPC cổ điển được phát triển dựa trên COM /DCOM [3] cho

hệ thống Client-Server, do đó các hệ thống phát triển trên đó chỉ chạy trên các máy tính

và thiết bị sử dụng hệ điều hành của Microsoft Một OPC Server thường đóng gói nguồn thông tin quá trình như thiết bị và đưa thông tin này thông qua giao diện của OPC Server Một OPC Client khi kết nối với OPC Server có thể truy cập và sử dụng thông tin được cung cấp bởi OPC Server [9] Tuy nhiên, do dựa trên công nghệ COM/DCOM của Microsoft nên nó có một vài hạn chế như: chỉ chạy được trên hệ điều hành Windows, vấn đề kết nối lại hệ thống khi mạng bị đứt kết nối [1,17]

Hình 1.3 Kiến trúc truyền thống dùng cho các hệ thống công nghiệp

Dựa trên công nghệ OPC cổ điển, hiện nay có một số công trình đã đề xuất, phát triển và cải tiến như là các giải pháp cho vấn đề thiết kế và thực thi các hệ thống giám sát và điều khiển cho các bài toán thực tế [14] Tuy nhiên, các giải pháp này khó đạt được đến các phương pháp thiết kế có hệ thống, mà chỉ áp dụng cho các ứng dụng cụ thể hoặc cho kết quả trong các bài toán nhỏ như được phát triển và trình bày bởi Eppler

và các đồng tác giả [8], Chilingargyan và Eppler [18], Jia và Li [15], Usami và các đồng tác giả [31], Khailgui và các đồng tác giả [19], Torrisi và Oliveira [30], Venzke

và các đồng tác giả [32], Sahin và Bolat [16], Bohn và các đồng tác giả [5], Han và các đồng tác giả [6], Yang và các đồng tác giả [33], Marino và các đồng tác giả [21], de Souza và các đồng tác giả [7], Kamouskos và các đồng tác giả [22] Mặt khác, vì dựa trên các đặc tả cũ của OPC Foundation, nên ba loại dữ liệu là dữ liệu hiện tại, dữ liệu lịch sử (quá khứ), các sự kiện và cảnh báo ở mỗi OPC Server khác nhau nên tạo khó khăn cho vấn đề kết nối dữ liệu và đưa ra những quyết định hiệu quả cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp

Hình 1.4 Kiến trúc dùng OPC cho hệ thống công nghiệp

Thay vì sử dụng công nghệ COM/DCOM của Microsoft, đặc tả mới nhất của OPC Foundation – OPC UA – sử dụng XML, webservices, SOA và mô hình dữ liệu hướng đối tượng để mô tả và biểu diễn ba loại dữ liệu đã kể ở trên và một đối tượng hợp nhất trong một không gian địa chỉ hợp nhất ở phía OPC UA Server [60, 61, 62, 63] Wolfgang Mahnke và các đồng tác giả [1, 2]; website của OPC Foundation [60]; Hannelius và các đồng tác giả đã đưa ra các lý do và lộ trình phát triển OPC UA như là một nhu cầu tất yếu của xu hướng phát triển Tác giả Schleipen, M [61] đã trình bày các mặt thuận lợi, lợi ích của OPC UA khi ứng dụng vào các hệ thống giám sát và điều khiển trong sản xuất Tác giả Hadlich [62] đề xuất phương pháp tích hợp thiết bị ngoại

vi dựa trên OPC UA Tác giả Tan, VV và đồng tác giả [63] trình bày tính mềm dẻo và thích ứng cao của SOA với các hệ thống công nghiệp dùng OPC UA

Tuy nhiên đây là một đặc tả mới và sẽ trở thành một chuẩn công nghiệp của IEC [10], nên cần phải được nghiên cứu, phát triển, cải tiến bởi những nhà nghiên cứu và phát triển ở các trường đại học, các viện nghiên cứu cũng như các phòng nghiên cứu trong các công ty phát triển về các phần mềm ứng dụng công nghiệp Như vậy vấn đề đặt ra là có rất nhiều thách thức và cơ hội cho những nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm ứng dụng dựa trên đặc tả mới nhất này như là (1) Đề xuất và phát triển kiến trúc cho việc thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống; (2) nghiên cứu và đề xuất các giải pháp tối ưu cho vấn đề tích hợp phần cứng vào OPC UA Server; (3) nghiên cứu và phát triển các vấn đề về bảo mật khi dữ liệu công nghiệp được truyền trong môi trường mạng một cách hiệu quả và an toàn

Hình 1.5 OPC UA và các đề xuất của W3C

Mặt khác, OPC được sử dụng để giải quyết một trong những khó khăn của ngành công nghiệp tự động hóa là giao tiếp giữa các thiết bị, bộ điều khiển, và/hoặc các ứng dụng mà không bắt kịp trong trình điều khiển tùy chỉnh thông thường dựa trên các vấn

đề kết nối Tính khả tương tác được đảm bảo thông qua các tiêu chuẩn và việc duy trì các đặc tả chuẩn mở này Dựa trên chuẩn và công nghệ cơ bản của thế hệ máy tính thương mại, tổ chức OPC Foundation xây dựng các đặc tả chuẩn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong công nghiệp OPC sẽ tiếp tục tạo ra những chuẩn mới đáp ứng nhu cầu phát sinh và thích ứng với những tiêu chuẩn hiện có để sử dụng công nghệ mới [2] OPC là một tập hợp nhiều đặc tả chuẩn Chuẩn đầu tiên (ban đầu được gọi đơn giản là OPC Specifiaction và nay được gọi là Data Access Specification) là kết quả của

sự hợp tác các nhà cung cấp tự động hóa hàng đầu thế giới trong việc hợp tác với Microsoft Ban đầu dựa trên công nghệ OLE COM (mô hình đối tượng thành phần) và DCOM (Distributed Component Object Model) của Microsoft (năm 1999), đặc tả đã định nghĩa một tập chuẩn cho đối tượng, giao diện và phương thức để sử dụng trong quá trình kiểm soát và ứng dụng tự động hóa sản xuất để tạo thuận lợi cho khả năng

tương tác Công nghệ COM/DCOM cung cấp nền tảng cho các sản phẩm phần mềm được phát triển Hiện nay, có hàng trăm OPC Data Access Servers và Clients

Chỉ sau một thời gian ngắn, các đặc tả kỹ thuật OPC Data Access đã phát hành vào tháng 8 năm 1996 Một trong những lý do làm nên thành công là việc giảm các đặc điểm chính và hạn chế việc định nghĩa các API sử dụng công nghệ Component Object Model và Distributed COM (DCOM) của Microsoft Windows Sự tập trung vào những tính năng quan trọng và việc sử dụng cơ sở công nghệ của Windows cho phép chấp nhận một cách nhanh chóng các tiêu chuẩn trong các trường hợp cụ thể Nhờ kết quả trải nghiệm từ việc phát triển sản phẩm, phiên bản 2 của OPC Data Access specification đã được công bố năm 1998 sau khi đạt được thống nhất giữa các nhà cung cấp thông qua các hội thảo Dựa trên phiên bản này, một số lượng lớn các sản phẩm được thực thi theo chuẩn OPC Data Access version 2 này vẫn là cách tương tác quan trọng nhất cho các sản phẩm OPC [2] Từ năm 1999 đến nay, tập đoàn OPC Foundation tiếp tục nâng cấp phát triển các phiên bản của các đặc tả OPC để phù hợp với những bài toán thực tế Đồng thời phát triển các thành phần lõi cho các đặc tả trên để bán cho các doanh nghiệp phần cứng, phần mềm Trao đổi kết hợp với các viện nghiên cứu và các doanh nghiệp bên ngoài để áp dụng vào các hệ thống thực trong giám sát và điều khiển

1.4 Các đặc tả của OPC

1.4.1 Đặc tả OPC DA

Giao diện OPC Data Access cho phép đọc, viết và giám sát những biến dữ liệu của quá trình hiện hành [1, 58] Các trường hợp sử dụng chính là chuyển dữ liệu thời gian thực từ PLCs, DCSs và các thiết bị điều khiển khác như HMIs và các Client hiển thị khác Trong OPC thì OPC DA là interface quan trọng nhất Ngày nay, nó được triển khai đến 99% trong các sản phẩm sử dụng công nghệ OPC Các Interface OPC hầu hết được cài đặt bổ sung trong DA OPC DA Client chọn các Variable - biến (OPC Items)

mà họ muốn Read, Write, hay giám sát trong Server Một OPC Client thiết lập kết nối đến Server bằng cách tạo ra một OPCServer object Các ObjectServer cung cấp các phương thức để hướng tới các hệ thống phân cấp Address Space để tìm ra Items và các thuộc tính của nó như loại dữ liệu và quyền truy cập

Để truy cập vào dữ liệu, Client nhóm các mục OPC với những cài đặt đồng nhất như về thời gian cập nhật trong một đối tượng OPCGroup Hình 1.6 cho thấy các đối tượng khác nhau của OPC Client tạo ra trong máy chủ:

Hình 1.6 Phương thức hoạt động của OPC DA [58]

Khi thêm vào một nhóm, các item có thể được Read hoặc Write bởi Client Tuy nhiên, cách đọc dữ liệu chủ yếu của Client là giám sát những thay đổi trong Server Client chỉ ra tỷ lệ cập nhật vào Group có chứa các item hay dùng Tỷ lệ cập nhật được

sử dụng trong Server để cho chu trình kiểm tra sự thay đổi các giá trị Sau mỗi chu trình, Server sẽ chỉ gửi các giá trị thay đổi tới Client OPC cung cấp dữ liệu thời gian thực mà có thể vĩnh viễn không truy cập được, ví dụ như khi mà giao tiếp tới thiết bị tạm thời bị gián đoạn (hình 1.6)

1.4.2 Đặc tả XML-DA

OPC XML-DA là nền tảng độc lập đầu tiên của OPC Specification mà thay thế COM/DCOM bằng HTTP/SOAP và công nghệ Web Serivice Vì vậy, cấu trúc giao tiếp nền tảng trung lập của nhà cung cấp đã được giới thiệu và chấp nhận rộng rãi bởi các chức năng của OPC Data được giữ lại

Đặc tả OPC XML – DA định nghĩa một phương thức mới để truyền tải dữ liệu dựa trên nền tảng OPC DA có sẵn [1, 57] Tiêu chuẩn này thay thế công nghệ COM/DCOM cũ bằng công nghệ HTTP/SOAP và Web Services OPC XML – DA hỗ trợ hiệu quả cho OPC DA trong việc quản lý dữ liệu, đồng thời cũng cung cấp tiêu chuẩn dịch vụ web cho đọc và ghi dữ liệu với các hệ thống tự động hóa trong nhà máy

Vì Web Services điển hình là không trạng thái “Stateless”, chức năng của nó đã được giảm tối thiểu tập phương thức để trao đổi thông tin OPC Data Access, mà không cần đến các phương thức tạo và sửa ngữ cảnh cho việc trao đổi Chỉ có 8 phương thức cần để bao bọc hết các đặc điểm chính của OPC Data Access [1]:

 GetStatus để xác minh tình trạng của Server

 Read để đọc một hoặc nhiều giá trị Item

 Write để viết một hoặc nhiều Item

 Browse và GetProperties để lấy thông tin về các Item có sẵn

 Subscibe để tạo một Subscription cho một danh sách các mặt hàng

 SubscriptionPolledRefresh cho việc trao đổi các giá trị thay đổi của Subsription

 SubscriptionCancel để xóa các Subscription

OPC XML-DA được thiết kế cho việc truy cập Internet và tích hợp doanh nghiệp Nhưng dựa trên sự độc lập nền tảng, nó đã được thực hiện chủ yếu trong hệ thống nhúng và trên các nền tảng không sử dụng công nghệ của Microsoft Tuy nhiên, do tiêu thụ nhiều tài nguyên và hiệu suất hạn chế, nó đã không được thành công như mong đợi cho loại ứng dụng kiểu này

1.4.3 Đặc tả DX

OPC Data eXchange (DX) là phần mở rộng cho OPC DA OPC DX [54] quy định chi tiết việc trao đổi dữ liệu giữa Data Access Servers bằng cách xác định hành vi của Client và giao diện cấu hình cho Client bên trong một Server

OPC Data eXchange cho phép trao đổi thông tin giữa các server với nhau, mở ra khả năng trao đổi thông tin giữa các máy chủ của nhiều nhà cung cấp khác nhau thông qua mạng truyền thông Etherner Công cụ này cho phép ta thêm các chức năng định cấu hình chẩn đoán và giám sát quản lý hệ thống từ xa

Đặc tả OPC HDA xác định hai cấu trúc mà OPC HDA server có thể cung cấp cho client đó là không gian tên và hệ thống phân cấp đối tượng OPC HDA server có thể chia thành hai loại: các server xử lý các dữ liệu đơn giản, truy cập vào dữ liệu thô và các server nén và phân tích xử lý các dữ liệu phức tạp [1] Không gian tên của OPC HDA server cũng được định nghĩa tương tự như OPC DA server, có nghĩa là, nó được

sử dụng để cấu trúc dữ liệu hiện có và cung cấp chúng cho khách hàng

Chức năng chính là việc reading dữ liệu lịch sử trong ba cách khác nhau Cơ cấu đầu tiên đọc dữ liệu thô từ kho lưu trữ, nơi mà Clients định nghĩa một hay nhiều biến

và thời gian miền nó muốn đọc Server trả lại tất cả các giá trị mà đã lưu trữ trong thời gian cụ thể lên đến số lượng tối đa mà đã được xác định bởi Client Cơ cấu thứ hai đọc giá trị của một hay nhiều biến trong timestamp - nhãn thời gian xác định Cơ cấu thứ ba tính tổng giá trị từ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu lịch sử trong miền thời gian cụ thể cho một hay nhiều biến Các giá trị bao gồm là những chất lượng liên quan và nhãn thời gian Ngoài các phương pháp đọc, OPC HDA cũng định nghĩa phương pháp chèn (Inserting), thay thế (Replacing), và xóa (Deleting) trong cơ sở dữ liệu lịch sử

đó vượt quá hay giảm dưới mức tối thiểu Nhiều Alarm bao gồm các yêu cầu mà các báo động phải được nhận biết Sự nhận biết này là có thể nhờ thông qua OPC Alarms & Events (OPC A&E) Interfaces Do đó OPC A&E cung cấp một giao diện linh hoạt để truyền Alarms quá trình và các Events từ các nguồn khác nhau

Để nhận được các thông báo, OPC A&E Client kết nối tới Server, việc chia nhỏ các mô tả để các thông báo, và hơn là việc nhận tất cả các thông báo nhận được kích hoạt trong Server Để giới hạn số thông báo, OPC Client có thể định ra những tiêu chuẩn lọc nhất định

OPC Client kết nối bằng cách tạo ra một đối tượng OPCEventServer trong A&E Server trong bước đầu tiên và bằng cách tạo ra một OPCEventSubscription sử dụng để nhận những thông điệp sự kiện trong bước thứ hai Bộ lọc cho thông điệp sự kiện có thể được cấu hình một cách riêng rẽ cho mỗi Subscription Hình 1.7 cho thấy các đối tượng khác nhau của OPC Client tạo ra trong Server:

Hình 1.7 Phương thức hoạt động của OPC AE

1.4.6 Đặc tả OPC Security

Tất cả các máy chủ OPC đều cung cấp dữ liệu có giá trị của nhà máy mà nếu không được quản lý chặt chẽ đều có thể mang lại hậu quả đáng tiếc OPC Security sẽ định nghĩa cách thức truy nhập của Client vào máy chủ theo một phương thức nhằm bảo vệ các dữ liệu đó và ngăn cản mọi hành động không được phép [41]

1.4.7 Đặc tả OPC Batch

OPC Batch ứng dụng triết lý OPC và các quá trình ứng dụng cụ thể có tính chất theo lô [1]

1.5 Đặc tả OPC UA

OPC UA – OPC Unified Architecture [59] là chuẩn mới và nó được phát triển từ chuẩn OPC từ năm 2006 Nó ra đời nhằm khắc phục những điểm hạn chế như đã nói ở phần trước của OPC Mục tiêu của OPC UA là để việc kết nối các thiết bị phần cứng không còn phải phụ thuộc vào nền tảng hay công nghệ do nhà sản xuất sử dụng Với chuẩn chung này, việc kết nối hoàn toàn tự động, giảm được chi phí triển khai và thời gian thực hiện

 Cách truy cập dữ liệu duy nhất đối với dữ liệu thời gian thực, dữ liệu quá khứ

và sự kiện: Trong OPC UA, không có sự phân biệt giữa các loại thông tin kể trên, tất cả đều được mô tả dưới dạng nút trong không gian địa chỉ:

Hình 1.8 UA thay thế DA, AE và HAD [2]

 Sự đảm bảo và đáng tinh cậy nhờ thành công của chuẩn OPC trong quá khứ:

Hình 1.9 OPC UA - sự đảm bảo về chất lượng [2]

 Khả năng truy cập đến dữ liệu vượt qua tường lửa và qua mạng internet nhờ sử dụng chuẩn Web Service:

Hình 1.10 Vượt qua internet và tường lửa [2]

 Tạo ra sự thống nhất chung giữa các hãng phần cứng nhờ một mô hình thông tin (Information Model) duy nhất Như hình 1.11, bất kì thiết bị nào cũng bao gồm những thông tin chung như serial, tên hãng, và đó là cơ sở để viết những ứng dụng với giao diện thiết bị chung cho tất cả các hãng:

Hình 1.11 Ví dụ về mô hình thông tin chung [2]

 Thống nhất mô mô hình bảo mật dữ liệu duy nhất giữa các hãng thông qua cơ chế chuẩn Certificate (chứng thực):

Hình 1.12 UA và giấy chứng thực [2]

 Một giải pháp có thể sử dụng ngay trên những phần mềm nhúng, cho đến những

hệ thống quản lý doanh nghiệp:

Hình 1.13 Từ phần mềm nhúng đến hệ thống [2]

 Độc lập với các nền tảng khác nhau như Windows, Linux, Mac:

Hình 1.14 Mac, Windows hay Linux [2]

 Có nhiều lựa chọn cho việc truyền các bản tin: mã nhị phân cho các ứng dụng đòi hỏi cao về hiệu suất, và XML cho những hệ thống quản lý:

Hình 1.15 SOAP/XML hay UA Binary [2]

 Tuy phức tạp, nhưng OPC UA có thể đóng gói tất cả trong SDK, và điều đó tiết kiệm rất nhiều chi phí phát triển:

Hình 1.16 UA SDK - giải pháp tiết kiệm chi phí [2]

Các đặc tả OPC UA được phân chia thành các phần khác theo như sự chuẩn hóa IEC OPC UA được biết đến như là tiêu chuẩn IEC 62541 [1] Hình 1.17 thể hiện tổng quan các phần đặc tả phân chia thành các đặc điểm cốt lõi định ra cơ sở cho OPC UA

và các phần đặc tả kiểu truy nhập chính trong mô hình thông tin OPC UA: Core Sepcifications Parts và Access Type Specification Parts

Hình 1.17 Các đặc tả của OPC UA [1]

Phần 1 – Concepts – đưa ra các khái niệm tổng quan về OPC UA, phần 2 miêu tả

về các yêu cầu của tính bảo mật và mô hình bảo mật cho OPC UA Phần 3 và 4 là hai phần quan trọng nhất để hiểu làm thế nào mô hình hóa và truy cập thông tin Hai đặc tả này là những tài liệu chính để thiết kế và phát triển các ứng dụng OPC UA

Phần 3 – Address Space Model quy định những khung cụ thể để trình bày các đối tượng và loại thông tin, và vì vậy mô hình khối OPC UA được sử dụng để mô tả và trình bày các mô hình thông tin và xây dựng không gian địa chỉ Server OPC UA Phần 4 – Các Service thể hiện cho các tương tác có thể giữa những ứng dụng UA Client và UA Server Client sử dụng Services để tìm và truy xuất thông tin được cung cấp bởi Server Các Service này là trừu tượng vì chúng định nghĩa những thông tin được trao đổi giữa ứng dụng UA nhưng không phải là sự diễn tả cứng nhắc trên đường dây và cũng không đại diện cứng nhắc trong một API nào đươc sử dụng bởi các ứng dụng

Phần 5 – Mô hình thông tin (Information Model) cung cấp nền tảng cho tất cả mô hình thông tin dùng OPC UA Nó định nghĩa gồm: (i) Các điểm truy nhập vào Address Space được dùng bởi Client để điều chỉnh hướng các thể hiện và các kiểu của một OPC

UA Server; (ii) Xây dựng mô hình gốc để cho các nhà phát triển mô hình thông tin kế thừa; (iii) Cung cấp đầy đủ các kiểu đối tượng và kiểu dữ liệu (ObjectType và DataType); và (iv) Cung cấp mô hình chung nhất để tích hợp 3 loại dữ liệu trên cùng một đối tượng

Phần 6 – Service Mappings: Việc ánh xạ của UA Services thành các thông điệp, cơ chế bảo mật áp dụng cho những thông điệp và việc truyền dẫn cố định của thông điệp được định nghĩa trong OPC UA Service Mappings Chỉ có những người dùng UA Stacks mới cần phải hiểu rõ hoàn toàn đặc tả này Từ khi OPC Foundation cung cấp Stacks UA riêng, các kiến trúc sư và lập trình viên ứng dụng UA điển hình tiếp cận dễ dàng hơn với những đặc tả này

Phần 7 – Profiles định nghĩa các tập con hữu ích những đặc điểm của OPC UA Một tập con như vậy phải được thực thi một cách hoàn toàn bởi các ứng dụng OPC UA

để đảm bảo tính khả tương tác cho các tập con đã được định nghĩa Đặc tả này định nghĩa các tập con trên hai mức khác nhau: (i) Mức độ đầu tiên là Conformance Units định nghĩa một tập nhỏ các chức năng mà luôn luôn được sử dụng cùng với nhau và có thể được kiểm tra với các công cụ Compliance Test và được xác định là một đơn vị; (ii) Mức độ thứ hai là Profiles bao gồm một danh sách các đơn vị phù hợp Một Profile phải được hoàn toàn thực thi và được xác thực như đã hoàn thành hoàn toàn các khâu trong việc chứng nhận một sản phẩm OPC UA Một danh sách Profiles được hỗ trợ và

sử dụng được trao đổi trong suốt quá trình thiết lập kết nối giữa Client và Server và cho phép các ứng dụng xác định liệu các tính năng cần thiết đã được hỗ trợ bởi các đối tác truyền thông hay không

Phần 8 – Data Access định nghĩa làm thế nào để trình bày và sử dụng dữ liệu tự động hóa và các đặc điểm cụ thể như đơn vị kỹ thuật trong OPC UA

Phần 9 – Alarms & Conditions định ra các cảnh báo quá trình và theo dõi trạng thái máy, các loại sự kiện trong môi trường thực tế

Phần 10 – Programs định nghĩa trạng thái của máy cho việc thực thi, thao tác và giám sát các chương trình

Phần 11 – Historical Access quy định cụ thể về việc sử dụng dịch vụ truy nhập lịch

sử, cách thức trình bày thông tin về cấu hình của dữ liệu và lịch sử sự kiện

Phần 12 – Discovery: Định nghĩa làm thế nào để tìm các Server trong mạng và làm thế nào để một Client lấy được các thông tin cần thiết để thiết lập kết nối tới một máy chủ cụ thể

Phần 13 – Aggregates được sử dụng để máy tính tổng hợp giá trị từ dữ liệu mẫu thô Ngoài ra nó còn được sử dụng cho các truy cập lịch sử cũng như giám sát các giá trị hiện tại

Để đạt được mục tiêu đã đặt ra, OPC UA xây dựng trên các lớp khác nhau như sau (hình 1.18):

Hình 1.18 Tổng quan OPC UA [1]

Thành phần cơ bản của OPC UA là cơ cấu truyền và mô hình hóa dữ liệu

Người ta đưa ra các cơ cấu đã được tối ưu hóa cho các trường hợp khác nhau Phiên bản đầu tiên của OPC UA định ra giao thức TCP Binary chuẩn cho truyền thông

intranet hiệu năng cao cũng như ánh xạ tới các chuẩn internet đã được công nhận như Web Services, XML và HTTP Cả hai cách vận chuyển sử dụng các thông điệp giống nhau dựa trên mô hình bảo mật - Web Services Mô hình truyền thông trừu tượng không phụ thuộc vào một ánh xạ giao thức cụ thể và cho phép bổ sung thêm giao thức mới trong tương lai

Mô hình dữ liệu định nghĩa các luật và bộ khung cơ bản cần thiết để trình bày một

mô hình thông tin với OPC UA Nó cũng định vị vị trí trong Address Space và các kiểu

cơ bản sử dụng để xây dựng các phân cấp Mô hình cơ bản này có thể được mở rộng bởi mô hình thông tin xây dựng trên đỉnh của khái niệm mô hình hóa trừu tượng Hơn nữa, nó định ra một số khái niệm khác như trạng thái của máy được sử dụng trong nhiều mô hình thông tin khác nhau

UA Services là giao diện giữa các Server đóng vai trò nhà cung cấp mô hình thông tin và các Client là người dùng mô hình thông tin đó Services được định nghĩa trong một kiểu trừu tượng Chúng dùng các cơ cấu truyền để trao đổi dữ liệu giữa Client và Server

Khái niệm cơ bản của OPC UA cho phép một OPC UA Client truy nhập tới những

dữ liệu nhỏ nhất mà không nhất thiết phải hiểu toàn bộ mô hình được trình bày bởi các

hệ thống phức tạp OPC UA clients cũng hiểu một số mô hình cụ thể có thể sử dụng nhiều các đặc điểm nâng cao cho miền và các trường hợp đặc thù Hình ảnh sau đây chỉ

ra các lớp khác nhau của các mô hình thông tin được định nghĩa bởi OPC Foundation, các tổ chức khác và các nhà cung cấp

Hình 1.19 Lớp và Mô hình thông tin [1]

Để bao phủ tất cả các điểm thành công của Classic OPC, mô hình thông tin để miền của thông tin tiến trình được định nghĩa bởi OPC UA trên đỉnh của các đặc tả cơ bản DA định nghĩa mở rộng tự động hóa dữ liệu cụ thể như mô hình dữ liệu tương tự hay rời rạc và làm thế nào để trình bày chất lượng của dịch vụ Tất cả các đặc điểm DA