Xây dựng hệ thống thu nhập dữ liệu, giám sát và điều khiển qua mạng trên cơ sở công nghệ OPC

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ OPC Lời mở đầu: Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại, các hệ thống tự động hoá, t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

====o0o====

NGUYỄN THỊ THU THUỶ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT

VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ

CÔNG NGHỆ OPC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI –2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

====o0o====

Nguyễn Thị Thu Thuỷ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT

VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ

CÔNG NGHỆ OPC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành : Công nghệ Thông tin

Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số : 60 48 15

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Vũ Chấn Hưng

HÀ NỘI -2009

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Trong toàn

bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là

được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất

xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và

chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy hướng dẫn của tôi là PGS.TS Vũ

Chấn Hưng, người đã định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận

văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn phòng Tin học trong Điều khiển thuộc

Viện Công nghệ thông tin đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều về tài

liệu cũng như trang thiết bị tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia

Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ - Đại học

Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích trong suốt thời

gian tôi học cao học

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình và người thân

đã giúp đỡ động viên tôi để tôi hoàn thành luận văn này

Nguyễn Thị Thu Thuỷ

MỤC LỤC

Lời mở đầu: 7

Chương 1 CÔNG NGHỆ OPC VÀ KIẾN TRÚC MẠNG ĐIỀU KHIỂN8 1.1 Giới thiệu về hệ thống mạng công nghiệp: 8

1.2 Tổng quan về công nghệ OPC: 10

1.3 Kiến trúc công nghệ OPC: 14

1.3.1 Giới thiệu: 14

1.3.2 Kiến trúc OPC: 14

1.3.3 Mô hình dữ liệu OPC: 15

1.3.4 Các chuẩn giao diện ứng dụng của OPC: 16

1.4 Một vài vấn đề đảm bảo an ninh cho OPC: 20

1.4.1 Những nguy cơ về vấn đề an ninh với máy chủ OPC: 20

1.4.2 Một số cấu hình đảm bảo an ninh cho OPC: 20

1.4.3 Những điểm cần lưu ý: 33

Chương 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÓ DỰ PHÒNG NÓNG 34

2.1 Mô hình dự phòng: 34

2.2 Dự phòng nóng cải thiện độ tin cậy: 38

2.3 Các cấp độ dự phòng: 39

2.4 Dự phòng cải thiện tính sẵn sàng: 40

2.5 Cơ chế dự phòng nóng của hệ thống điều khiển và giám sát: 42

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÓ DỰ PHÒNG NÓNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ OPC 44

3.1 Phần cứng: 44

3.2 Cấu hình: 46

3.2.1 Khai báo phần cứng: 48

3.2.2 Cấu hình máy chủ OPC: 52

3.2.3 Cấu hình kết nối mạng từ OPC server tới hai trạm chủ: 54

3.2.4 Download toàn bộ cấu hình: 56

3.3 Xây dựng ứng dụng trên OPC client: 56

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

STT

THUẬT

NGỮ

VIẾT TẮT

1 COM Component Object Model Mô hình đối tượng thành

phần

2 DCOM Distributed Component

Object Model

Mô hình đối tượng thành phần phân tán

3 DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân

tán

4 DLL Dynamic-link library Thư viện liên kết động

5 DUC Device Under Control

6 ERP Enterprise Resource Planning Phần mềm hoạch định tài

nguyên doanh nghiệp

7 HMI Human-Machine Interface Giao diện người máy

8 MTTF Mean Time to Failure Thời gian trung bình xảy

ra lỗi

9 OLE Object linking and

Embedding

Nhúng và liên kết đối tượng

10 OPC OLE for Process Control OLE cho điều khiển quá

trình

11 OPC UA OPC Unified Architecture Kiến trúc hợp nhất OPC

12 OPC

XML-DA

OPC XML- Data Access OPC truy cập dữ liệu

XML

13 OPC-AE OPC – Alarms & Events OPC sự kiện và cảnh báo

14 OPC-DA OPC- Data access OPC truy cập dữ liệu

15 OPC-DX OPC Data Exchange OPC trao đổi dữ liệu

16 OPC-HDA OPC- Historical Data Access OPC truy cập dữ liệu lịch

sự

17 OSI Open Systems

Interconnection Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở

18 PLC Programmable Logic

Controller

Bộ điều khiển logic khả trình

19 RPC Remote Procedure Call Gọi thủ tục từ xa

20 SCADA Supervisory Control and Data

Acquisition

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu

21 TCP Transmission Control

Protocol

Giao thức điều khiển vận tải

22 XML EXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở

rộng

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT

VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ OPC

Lời mở đầu:

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại, các hệ thống tự động

hoá, trong đó có các hệ thống giám sát và điều khiển tự động, ngày càng giữ vai

trò quan trọng và không thể thiếu trong các nhà máy, xí nghiệp Để đáp ứng nhu

cầu nâng cao năng lực sản xuất kinh doanh của các doanh nghiệp, các hãng sản

xuất thiết bị công nghiệp luôn luôn cải tiến và đưa ra những dòng sản phẩm mới

Các doanh nghiệp có thể xây dựng mới hoặc nâng cấp các dây truyền sản xuất

của mình trên cơ sở tích hợp và lắp đặt các thiết bị của nhiều hãng sản xuất khác

nhau Một trong các vấn đề lớn cần giải quyết ở đây là khả năng trao đổi thông

tin và dữ liệu quá trình giữa các thiết bị có đặc tính kỹ thuật và nguồn gốc khác

nhau đó Hơn nữa ở các hệ thống sản xuất tự động hoá, các hệ thống giám sát và

điều khiển tự động không chỉ phục vụ ở mức sản xuất mà còn được dùng để

phục vụ cho cả mục đích quản lý và điều hành sản xuất Điều này cũng đòi hỏi

phải có một phương pháp truyền thông và giao diện thống nhất trong hệ thống

Công nghệ OPC (OLE for Process Control) cung cấp một giao diện truyền thông

chung giữa các hệ thống điều khiển công nghiệp không phụ thuộc vào các thiết

bị phần cứng và phần mềm trong hệ thống, là một giải pháp thích hợp cho các

vấn đề nói trên Bên cạnh vấn đề tích hợp một hệ thống thống nhất còn có vấn

đề đảm bảo hoạt động giám sát và điều khiển sản xuất được thông suốt và liên

tục trong các tình huống sự cố Cơ chế điều khiển có dự phòng nóng là một

trong những giải pháp đáp ứng được yêu cầu này

Hệ thống thiết bị công nghiệp được trang bị tại phòng thí nghiệm trọng

điểm thuộc Viện Công nghệ Thông tin hiện đã có chương trình điều khiển và

một modun dự phòng nóng được xây dựng bằng ngôn ngữ Step 7, tuy nhiên

trong luận văn này tôi muốn giải quyết một khía cạnh đó là xây dựng ứng dụng

giám sát và điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng mới thực hiện truyền

thông với các thiết bị dựa trên công nghệ OPC Vì vậy tôi đã chọn đề tài luận

văn của mình là: “Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều

khiển qua mạng trên cơ sở công nghệ OPC”

Chương 1 CÔNG NGHỆ OPC VÀ KIẾN TRÚC MẠNG ĐIỀU KHIỂN

1.1 Giới thiệu về hệ thống mạng công nghiệp:

Lĩnh vực công nghệ tự động hoá hiện nay đang rất phát triển, ngày càng có nhiều thiết bị được thiết kế dựa trên kỹ thuật vi xử lý tham gia

vào quá trình điều khiển, sản xuất trong các hệ thống công nghiệp, chẳng

hạn như các thiết bị đo, các thiết bị điều khiển tự động, các thiết bị giám

sát… Những thiết bị này được kết nối và truyền thông với nhau nhờ các

hệ thống bus và tạo thành hệ thống mạng công nghiệp Một hệ thống

mạng công nghiệp phức tạp có thể gồm ba cấp độ: Cấp thứ nhất là cấp

cảm biến chấp hành, các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành truyền

thông qua đường bus cảm biến - chấp hành; Cấp thứ hai là cấp điều khiển-

giám sát hiện trường các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành, giao diện

người máy, các máy tính điều khiển truyền thông với nhau thông qua hệ

thống truyền thông thời gian thực là hệ thống bus hiện trường như

PROFIBUS, INTERBUS, CONTROLNET, MODBUS và

FOUNDATION FIELDBUS…; Cấp thứ ba đó là cấp điều hành sản xuất

bao gồm các máy tính chạy các ứng dụng điều hành sản xuất và kinh

doanh thương mại, ở cấp độ này các máy tính được truyền thông với nhau

thông qua hệ thống mạng Ethernet thông thường

Cấp cảm biến-cơ cấu chấp hành

Cấp điều khiển/giám sát

Các trạm điều khiển/

vào ra phân tán

BUS hiện trường

ETHENET công nghiệp

Trạm điều khiển trung tâm

Cấp điều hành sản xuất

Hình 1 Các cấp độ điều khiển trong mô hình mạng công nghiệp

Truyền thông trong công nghiệp đòi hỏi những đặc thù riêng đó là phải

đảm bảo có độ tin cậy cao, có khả năng đáp ứng truyền dữ liệu thời gian thực,

truyền dữ liệu chính xác và lượng thông tin truyền tải lớn Hầu hết các hệ thống

mạng công nghiệp đều hoạt động trong những môi trường khá khắc nghiệt vì

vậy phải đảm bảo tính ổn định cao, chống lại các tác động của môi trường như

nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu từ trường, điện trường lớn,…

Vì vậy mạng công nghiệp đòi hỏi phải đáp ứng được những yêu cầu sau

đây:

Độ tin cậy cao Đảm bảo tính ổn định và sẵn sàng của hệ thống Truyền tải thông tin với độ chính xác cao và lưu lượng thông tin lớn

Truyền dữ liệu thời gian thực

Có tính mở, dễ thay đổi và nâng cấp và giá thành rẻ

Ở cấp độ hiện trường, việc truyền dẫn dữ liệu quá trình được thực hiện

theo chu kỳ còn các dữ liệu khác như các tham số cấu hình, thiết lập hệ thống

được truyền theo kiểu phi chu kỳ Chính vì truyền dữ liệu theo chu kỳ nên hệ

thống bus hiện trường hỗ trợ rất tốt truyền dữ liệu theo thời gian thực Định kỳ

một khoảng thời gian trạm chủ trên đường truyền tiến hành quét đường truyền

một lần, khác với cơ chế điều khiển đường truyền của hệ thống mạng internet đó

là cơ chế lắng nghe đường truyền, tức là khi đường truyền rỗi sẽ thực hiện việc

truyền thông tin lên đường truyền Chuẩn giao thức bus hiện trường tiêu biểu

hiện nay là chuẩn Profibus Cơ chế truyền thông dựa trên chuẩn giao thức

Profibus được thực hiện dựa trên cơ chế chủ - thợ Trong đó trạm chủ thường là

một máy tính hoặc PLC đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm, trạm thợ là các

thiết bị hiện trường Trạm chủ chủ động truy cập bus và thực hiện trao đổi thông

tin với các trạm thợ theo chu kỳ

Ở cấp độ điều hành sản xuất các thiết bị điều khiển trung tâm ở mức hiện

trường kết nối với các máy tính chạy các ứng dụng và phần mềm điều hành,

giám sát sản xuất thông qua hệ thống mạng Ethernet Tuy nhiên mỗi ứng dụng

muốn truy cập, điều khiển thiết bị của một hãng nào đó cần phải cài đặt các bản

Driver riêng đi kèm với thiết bị trên máy tính chạy ứng dụng đó Bài toán quan

trọng đặt ra ở đây đó là phải làm sao xây dựng một chuẩn chung cho phép tích

hợp thiết bị ở cấp hiện trường thuộc nhiều hãng sản xuất khác nhau kết nối với

vào hệ thống điều hành sản xuất theo một cách thức nhất quán, dễ dàng cài đặt

và giảm giá thành lắp đặt Công nghệ OPC ra đời dựa trên sự thống nhất của

phần lớn các hãng sản xuất, các công ty và người dùng trong lĩnh vực công

nghiệp đã giải quyết được bài toán trên

1.2 Tổng quan về công nghệ OPC:

Ngày nay các hãng sản xuất thiết bị công nghiệp luôn luôn cải tiến và đưa

ra những dòng sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu sản xuất kinh doanh của doanh

nghiệp Do sự phong phú của thị trường các thiết bị công nghiệp, sự chênh lệch

về giá cả cũng như khả năng tài chính mà các doanh nghiệp có thể lựa chọn và

tìm đến những giải pháp tiết kiệm hơn như lắp đặt thiết bị có giá thành rẻ của

nhiều hãng sản xuất khác nhau cho dây truyền sản xuất của mình(các thiết bị có

thể không đồng bộ), từ đó nảy sinh bài toán khó đối với những người tích hợp hệ

thống Thiết bị của các hãng sản xuất cần phải có khả năng tương thích với nhau

trong một hệ thống chung

Kiến trúc hệ thống thông tin trong công nghiệp rất phức tạp, không chỉ

dừng ở mức sản xuất mà các hệ thống giám sát và điều khiển quá trình cũng cần

phải phục vụ cho mục đích quản lý và kinh doanh Ngày nay các bộ phận kinh

doanh hoặc quản lý đã có thể sử dụng thông tin từ hệ thống giám sát và điều

khiển quá trình sản xuất để đưa ra những chiến lược kinh doanh hay cung cấp

thông tin về sản phẩm đang được sản xuất để phục vụ khách hàng một cách

nhanh chóng và tiện lợi Kiến trúc hệ thống thông tin công nghiệp nhìn chung

được chia làm 3 cấp độ:

- Cấp hiện trường: Các thiết bị điều khiển, giám sát ở cấp hiện trường

như thiết bị vào ra, thiết bị đo lường( nhiệt độ, áp suất, mực nước …),

thiết bị chấp hành, thiết bị phân tích, thiết bị giao diện điều khiển, cấu

hình vận hành… sẽ cung cấp thông tin về tình trạng sức khoẻ, tham số

cấu hình, trạng thái hoạt động của các thiết bị để phục vụ cho việc

quản lý hiện trường sản xuất Những thông tin này cũng cần phải tổ

chức và được sử dụng theo một cách thức nhất quán

- Cấp quản lý quá trình: có thể bao gồm các hệ thống điều khiển phân

tán, hệ thống giám sát SCADA, các máy tính thu thập dữ liệu và điều

hành quản lý sản xuất… Các hệ thống này có thể trao đổi dữ liệu cho

nhau để phối hợp trong việc quản lý quá trình được tốt hơn

- Cấp quản lý kinh doanh: Các ứng dụng client có thể truy cập vào các

hệ thống ở cấp dưới (cấp quản lý quá trình) để lấy dữ liệu nhằm phục

vụ cho công việc kinh doanh như nhập nguồn nguyên liệu, xác nhận

KẾT LUẬN

Việc ứng dụng công nghệ OPC trong hệ thống giám sát và điều khiển từ

xa hệ thống có dự phòng nóng có ý nghĩa quan trọng trong môi trường sản xuất

công nghiệp Nó tạo ra tính thống nhất của các hệ thống công nghiệp phức tạp

gồm các thiết bị đa hãng sản xuất và phân chia ở nhiều cấp độ quản lý khác

nhau Nhờ vậy việc tích hợp và mở rộng hệ thống trở nên dễ dàng hơn, giảm giá

thành lắp đặt

Nội dung của luận văn được chia làm ba phần, phần đầu trình bày tổng

quan về công nghệ OPC và kiến trúc mạng điều khiển, phần 2 giới thiệu về hệ

thống điều khiển và giám sát có dự phòng nóng và phần cuối cùng trình bày cụ

thể các bước xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát có dự phòng nóng trên

cơ sở công nghệ OPC từ các bước khai báo cấu hình phần cứng, phần mềm đến

xây dựng các modun chương trình

Luận văn đã phân tích nền tảng kiến trúc, vai trò và các chuẩn giao diện

của công nghệ OPC để từ đó xây dựng thành công một ứng dụng OPC phía

khách thực hiện truyền thông qua máy chủ OPC nhằm điều khiển, giám sát các

tham số mà các thiết bị công nghiệp quản lý Luận văn cũng chỉ ra những điểm

cần lưu ý về vấn đề bảo mật khi ứng dụng công nghệ OPC trong các hệ thống

công nghiệp và việc xây dựng các hệ thống dự phòng nóng nhằm làm tăng khả

năng sẵn sàng cũng như độ tin cậy là rất cần thiết Tuy nhiên lĩnh vực tự động

hoá trong công nghiệp là một lĩnh vực khá mới mẻ tại Việt Nam, thiết bị cũng

như phần mềm bản quyền đi kèm khá đắt vì vậy tôi chưa có điều kiện thử

nghiệm trên một hệ thống có nhiều thiết bị của nhiều hãng sản xuất Tôi hy vọng

trong tương lai tôi có thể phát triển, kiểm chứng và đánh giá trên nhiều khía

cạnh ưu nhược điểm của công nghệ OPC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A Tài liệu tiếng Việt:

[1] Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu, Hoàng Văn Tuấn, Nguyễn Trung

Đồng (2006), “Mạng công nghiệp và hệ thống điều khiển có dự

phòng nóng”, Kỷ yếu hội nghị khoa học kỷ niệm 30 năm thành lập

Viện Công nghệ thông tin, tr.226-227

[2] Vũ Chấn Hưng, Nguyễn Thị Thu Thuỷ, Hoàng Văn Tuấn, “Giám sát

và điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng bằng công nghệ

OPC”, đã được nhận in tại Tạp chí Khoa học và Công nghệ

[3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2004), Tự động

hoá với Simatic S7-300, Nhà Xuất bản khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

B Tài liệu tiếng Anh:

[4] Adriel Michaud, Creating secure OPC architectures, Matrikon OPC,

www.matrikon.com

[5] Byres Research (2007), OPC Security Whitepaper #1, Digital Bond

British Columbia Institute of Technology Byres Research,

http://csrp.inl.gov

[6] Byres Research (2007), OPC Security Whitepaper #2, Digital Bond

British Columbia Institute of Technology Byres Research,

http://csrp.inl.gov

[7] Byres Research (2007), OPC Security Whitepaper #3, Digital Bond

British Columbia Institute of Technology Byres Research,

http://csrp.inl.gov

[8] Dae-Seung Yoo, Vu Van Tan, Myeong-Jae Yi (2008), Modern

Distributed Data Acquisition and Control Systems based on OPC

Techniques, Proceedings of the 14th Annual IEEE International

Conference and Workshops on the Engineering of Computer-Based

Systems (ECBS'07)

[9] OPC Foundation, OPC Overview Version 1.0,

http://www.opcfoundation.org

[10] National Instruments (2006), Redundant System Basic Concepts,

National Instruments Corporation, http://www.ni.com

[11] Randy Kondor, OPC Tutorial, Matrikon OPC, www.matrikon.com