Xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc, các hàm chức năng và các thuộc tính cơ bản của hệ thống scada, từ đó xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng.. Tro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ NGỌC TÀI

XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG

SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khóa học: TS Trương Đình Châu

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HỒ NGỌC TÀI MSHV:1570856

Ngày, tháng, năm sinh: 25-11-1992 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số : 60520216

I TÊN ĐỀ TÀI:

Xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc, các hàm chức năng và các thuộc tính cơ bản của hệ thống scada, từ đó xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng Bao gồm các nội cụng cụ thể như sau :

Nghiên cứu, phân tích cấu trúc và các thuộc tính cơ bản của một hệ thống scada

Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình C#, cấu trúc dữ liệu của SQL Server

Nghiên cứu các chuẩn và giao thức truyền thông công nghiệp

Mô hình hóa các thuộc tính, chức năng, cấu trúc hệ thống scada theo hướng đối tượng Xây dựng chương trình và kiểm nghiệm thực tế hệ thống

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04-09-2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17-06-2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Trương Đình Châu

Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2018.

TRƯỞNG KHOA….………

Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Bách Khoa nói chung và của khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ tôi trong suốt thời gian

qua Những lời giảng của Thầy Cô đã trang bị cho tôi thêm những kiến thức, giúp

tôi tích lũy thêm những ý tưởng hay và bổ ích

Cuối cùng, con xin chân thành cảm ơn gia đình, cha me đã luôn ủng hộ, động viên

tinh thần cho con Sự quan tâm, lo lắng và hi sinh lớn lao của cha mẹ luôn là động

lực để con cố gắng phấn đấu trên con đường sự nghiệp

Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 06 năm 2018

Thân ái

Học viên

HỒ NGỌC TÀI

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày nay, xu hướng tự động hóa là xu hướng của toàn cầu, nó giúp nâng cao hiệu

suất làm việc, nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng tính cạnh tranh trong sản xuất và kinh doanh Chi phí đầu tư để xây dựng, thiết kế hệ thống Scada tương đối lớn nên

nó còn hạn chế áp dụng cho những hệ thống có qui mô vừa và nhỏ Mặt khác, công nghệ của hệ thống Scada là từ nước ngoài nên khó làm chủ được công nghệ và nâng cấp hệ thống

Trong luận văn này, tác đã đi vào xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng dựa trên cơ sở cấu trúc và các thành phần chức năng cơ bản của một hệ

thống Scada Đề tài được xây dựng trên nền phần mềm visual studio 2015, ngôn

ngữ lập trình C# Hệ thống đã được thử nghiệm và vận hành thực tế với hệ thống

trong công nghiệp

ABSTRACT

These days, automation is the global trend, it improves productivity, improves

product quality, increases competitiveness in production and business The

investment cost design and build Scada system is expensive, so it’s limited

application for medium and small system Other way, Scada’s technology is from

overseas, so it’s hard to master the technology and upgrade system

In the master thesis, the author focus to develop and object-oriented Scada design

tool based on the basic structure and functional components of Scada system The

theme is based on visual studio 2015 software, C# programming language The

system has been tested and practically operated with the system in the industry

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Trương Đình Châu Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường Đại học Bách Khoa TP HCM không liên quan đến những vi phạm (nếu có) về tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình

thực hiện

TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 06 năm 2018

Tác giả

HỒ NGỌC TÀI

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT

KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG. x

1 Tổng quan đề tài 1

1.1 Tổng quan hệ thống 1

1.2 Khái quát và phân tích một số phần mềm Scada hiện nay 2

1.3 Mục tiêu đề tài 5

2 Tổng quan về kỹ thuật xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng. 6

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG. 11

1 Kỹ thuật xây dựng cấu trúc 11

1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống 11

1.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống 13

2 Kỹ thuật xây dựng giao thức truyền thông 14

2.1 Lưu đồ giải thuật OPC DA (OPC Data Access) 14

2.2 Lưu đồ giải thuật OPC UA (OPC Unified Architecture) 15

2.3 Kết nối dữ liệu hệ thống 16

3 Kỹ thuật xây dựng Image Manager 17

4 Kỹ thuật xây dựng Tag Manager 18

5 Kỹ thuật xây dựng thư viện các đối tượng 18

6 Kỹ thuật xây dựng Faceplate điều khiển đối tượng 20

7 Kỹ thuật xây dựng Trend 21

8 Kỹ thuật xây dựng Report 22

9 Kỹ thuật xây dựng Historian 24

10 Kỹ thuật xây dựng Alarm Event 26

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG VÀO HỆ THỐNG COAL BOILER 28

1 Tổng quan về hệ thống Coal Boiler 28

2 Áp dụng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng vào hệ thống Coal Boiler tại nhà máy AGC VietNam 30

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ VIỆC XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG. 47

1 Kết quả đạt được 47

2 Phân tích đề tài 52

3 Hướng phát triển đề tài 53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

đối tượng

11

hướng đối tượng

13

Mixer

23

Hình 3.3 Khai báo tagname các đối tượng trong OPC Server 32

khai báo, cài đặt

38

thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng vào hệ thống Coal Boiler

39

Hình 3.20 Giao diện hệ thống scada sau khi vận hành toàn bộ hệ

thống điều hòa không khí

43

động cơ cho hệ thống điều hòa không khí

44

trong hệ thống

46

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG

1 Tổng quan đề tài

1.1 Tổng quan hệ thống

Scada (Supervisory control and data acquisition) là hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Các hệ thống Scada cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn, tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông như mạng Profibus, WAN, LAN, Ethernet và cả mạng Internet Mặt khác, trong hệ thống Scada ngày nay có các dòng PLC có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ

Cấu trúc hệ thống Scada được xây dựng theo cấu trúc phân tán, trong đó máy chủ là

bộ xử lý trung tâm, các máy tính kết nối với nhau thông qua mạng LAN Mỗi thiết

bị là mỗi bộ xử lý, mỗi bộ xử lý có nhiệm vụ riêng như: thu thập, xử lý, xây dựng, hiển thị, tạo báo cáo…và một số bộ xử lý dùng để dự phòng Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở với mô hình Server - Client

Hệ thống Scada bao gồm các đặc tính sau:

 Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (Historian) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu đồng thời

khác

 Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và Client

Ngày nay, xu hướng tự động hóa là xu hướng tất yếu trong mọi lĩnh vực sản xuất

và đời sống, nó giúp nâng cao hiệu quả, năng suất công việc, tác động đến chi phí

và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Mỗi hệ thống tự động hóa đều có những hệ thống giám sát và điều khiển riêng, tùy vào chủng loại, quy mô và mục đích sử dụng Đối với những hệ thống, những dây chuyền sản xuất quy mô lớn thì thường

sử dụng hệ thống Scada để thuận lợi trong giám sát, quản lý toàn hệ thống, tăng hiệu suất công việc, đối với những hệ thống vừa và nhỏ thì quá trình giám sát mang tính cục bộ và qui mô giám sát nhỏ hơn nên thường sử dụng các màn hình HMI để giám sát và điều khiển (vì lý do chi phí thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống Scada khá tốn nhìu chi phí đầu tư ban đầu)

Nhược điểm của viêc sử dụng màn hình HMI là chỉ kết nối thông qua một số chuẩn

và một số thiết bị nhất định (tùy theo khả năng mở rộng của thiết bị từ hãng sản xuất), không có khả năng mở rộng, nâng cấp hệ thống khi cần mở rộng quy mô hệ thống, không có những chức năng quản lý và lưu trữ dữ liệu như report hay historian dữ liệu, số lượng tag dữ liệu và quy mô quản lý bị giới hạn

1.2 Khái quát và phân tích một số phần mềm Scada hiện nay

Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng có rất nhiều hệ thống Scada Mỗi hệ thống đều có ưu, nhược điểm riêng phù hợp với từng nhu cầu của khách hàng mong muốn

Một số hệ thống Scada được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các ngành công nghiệp có quy mô sản xuất và quản lý lớn như WinCC (Siemens), Wonderware System Platform (Schneider), Citect (Schneider), Scada Experion (Honeywell)…

Những hệ thống Scada trên đều có cùng các đặc tính cơ bản sau:

hiển thị đa tín hiệu

 Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác

 Khả năng đồng bộ hóa thời gian với hệ thống cũng như giữa server với client

Ưu điểm:

thiết bị công nghiệp

 Khả năng thu thập, quản lý dữ liệu thông qua các công cụ historical, alarm event và trend

Nhược điểm:

hầu như tập trung vào các dòng thiết bị nhất định có hỗ trợ driver trực tiếp, nên khi cần kết nối với các dòng thiết bị điều khiển khác cần sử dụng driver hỗ trợ hoặc thông qua OPC Server

tầm trung, vì chi phí đầu tư ban đầu khá nhiều Ít được dùng cho các hệ thồng vừa

và nhỏ

khóa và không có công cụ hỗ trợ để mở rộng nâng cấp hệ thống Nên hoàn toàn lệ thuộc vào các phiên bản mới và license từ nhà sản xuất Dẫn đến tốn nhiều chi phí khi cần nâng cấp mở rộng thêm những chức năng mới trong hệ thống

Lĩnh vực tự động hóa ngày càng phát triển tại Việt Nam, hiện nay trong nước cũng

có nhiều cá nhân, tập thể tự thiết kế, xây dựng những hệ thống Scada mới của Việt Nam Một ví dụ như phần mềm ATSCADA của công ty ATPro Corp (Công ty cổ phần giải pháp kỹ thuật Ấn Tượng)

Hệ thống này bao gồm một số chức năng cơ bản sau:

 View Trend

Ưu điểm: cung cấp cho các nhà tích hợp hệ thống thêm giải pháp công nghệ mới

Hệ thống vẫn đảm bảo đầy đủ chức năng của một hệ thống Scada hoàn chỉnh

Nhược điểm: hiệu suất hoạt động, khả năng tổ chức, quản lý dữ liệu chưa đạt được

hiệu quả cao Quy mô chỉ mới áp dụng cho các hệ thống vừa và nhỏ

Từ những phân tích vể ưu điểm, nhược điểm của các hệ thống, chương trình Scada hiện có, ta có thể rút ra những vấn đề sau:

 Những hệ thống hiện tại mang tính chất cạnh tranh giữa các nhà sản xuất, không hỗ trợ chức năng giúp cho người sử dụng nâng cấp hệ thống Nên khi muốn nâng cấp mở rộng cần các phiên bản cập nhật, hoặc khi có vấn đề thì cần các bản vá lỗi hệ thống từ nhà sản xuất

 Các hệ thống hầu như chỉ tập trung vào các dòng thiết bị điều khiển nhất định nên không có sự đa dạng về giao thức truyền thông Khi cần kết nối phải được

hỗ trợ driver hoăc phần mềm hỗ trợ dẫn đến tốc độ xử lý và lưu trữ dữ liệu bị giới hạn nhiều

phần mềm đính kèm của nhà sản xuất, cấu hình cho thiết bị giám sát và điều khiển cần có cấu hình cao để có thể hoạt động hiệu quả

UA

1.3 Mục tiêu đề tài

Xây dựng công cụ có khả năng thiết kế ứng dụng hệ thống Scada vào thực tế họat động sản xuất Đáp ứng được nhu cầu giám sát, điều khiển cho các hệ thống vừa và nhỏ, giải quyết được vấn đề làm chủ công nghệ, có khả năng mở rộng trong tương lai Xây dựng giao diện người dùng hướng đối tượng trực quan, sinh động dễ dàng xây dựng, thiết kế và sử dụng

Định hướng giải quyết vấn đề của đề tài như sau:

window, tối giản cấu hình chương trình để người dùng dễ cài đặt và sử dụng, giảm yêu cầu về cấu hình thiết bị vận hành, giám sát, nhằm tăng tốc độ xử lý dữ liệu

 Hỗ trợ chức năng mã nguồn mở, cho phép người dùng tự thiết kế các đối tượng mới, tăng khả năng linh động và mở rộng hệ thống đáp ứng nhu cầu nhà tích hợp hệ thống

 Xây dựng giao thức truyền thông đa dạng, có thể kết nối với hầu hết các dòng thiêt bị hiện tại trên thị trường

máy với nhau và giữa hệ thống với thiết bị

Để giải quyết những vấn để trên, luận văn đi vào xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng

2 Tổng quan về kỹ thuật xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng

Tổng quan về các phương pháp thiết kế hệ thống: hướng cấu trúc và hướng đối tượng

cấu trúc thiết kế theo hướng phân chia chương trình thành nhiều chương trình con hướng tới thực hiện một công việc xác định (phân rã chương trình theo các chức năng cần đáp ứng và dữ liệu cho các chức năng đó)

- Cách thực hiện theo hướng từ cao đến thấp Phương pháp này tiến hành phân tách các vấn đề từ lớn thành những vấn đề nhỏ hơn cho đến khi giải quyết được vấn

đề

- Phương pháp lập trình theo hướng đối tượng thiết kế theo hướng phản ánh chân thực từng vấn đề trong hệ thống theo các yêu cầu thực tế Với cách tiếp cận này, một hệ thống được phân chia thành các phần nhỏ gọi là các đối tượng Mỗi đối tượng bao gồm đầy đủ cả dữ liệu và chức năng liên quan đến đối tượng đó Các đối tượng trong hệ thống độc lập với nhau và phần mềm được xây dựng bằng cách kết hợp các đối tượng đó lại thông qua các mối liên hệ và tương quan giữa chúng

- Phương pháp này được tiến hành từ thấp lên cao, bắt đầu từ những thuộc tính cụ thể của từng đối tượng, sau đó tiến hành trừu tượng hóa thành các lớp của đối tượng

kế thừa Các phương trình, giải thuật hướng cấu trúc phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc dữ liệu và bài toán cụ thể, do đó không thể dùng lại các module nào của phần mềm này cho phần mềm khác với các yêu cầu kỹ thuật khác

- Không phù hợp cho phát triển các phần mềm lớn

- Khó khăn trong việc quản lý mối quan hệ giữa các module và

dễ gây ra lỗi trong phân tích cũng như trong kiểm tra và bảo trì hệ thống

- Phương pháp này khá phức tạp, khó theo dõi và quản lý dữ liệu ở đầu vào

Lĩnh vực áp

dụng

- Phương pháp này thường phù hợp với các bài toán nhỏ, có luồng dữ liệu rõ ràng Người lập trình cần có tư duy phân tích và quản lý được các dữ liệu truy cập của hệ thống

- Phương pháp này thường được áp dụng cho các bài toán lớn, phức tạp, hoặc có nhiều luồn dữ liệu khác nhau mà phương pháp hướng cấu trúc không quản lý được Khi đó phương pháp hướng đối tượng

được sử dụng

Từ những phân tích, so sánh ưu, nhược điểm của 02 phương pháp thiết kế Dựa vào điều kiện, ưu cầu của đề tài, từ đó luận văn đã lựa chọn và đi sâu vào việc xây dựng, thiết kế theo phương pháp hướng đối tượng

Kỹ thuật xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng là kỹ thuật xây dựng công cụ hỗ trợ người dùng có thể thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển cho một hệ thống, một dây chuyền sản xuất… với đầy đủ các chức năng như một hệ thống Scada hoàn chỉnh Mặt khác, kỹ thuật này hỗ trợ cho người dùng mở rộng thư viện, nâng cấp cấu hình hệ thống khi cần thiết

Kỹ thuật xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng bao gồm các

kỹ thuật cơ bản sau:

- Kỹ thuật xây dựng giao diện

- Kỹ thuật xây dựng giao thức truyền thông

- Kỹ thuật xây dựng Image manager

- Kỹ thuật xây dựng Tag manager

- Kỹ thuật xây dựng thư viện các đối tượng

- Kỹ thuật xây dựng faceplate

- Kỹ thuật xây dựng Trend

- Kỹ thuật xây dựng Report

- Kỹ thuật xây dựng Historian

- Kỹ thuật xây dựng Alarm event

Kỹ thuật xây dựng giao diện: là kỹ thuật xây dựng, thiết kế giao diện đồ họa từ tổng thể đến từng đối tượng, từng chức năng của chương trình Giúp cho người dùng có thể giám sát, điều khiển và quản lý hệ thống một cách trực quan và hiệu quả

Kỹ thuật xây dựng giao thức truyền thông: là kỹ thuật xây dựng các thuật toán nhằm liên kết với những driver được hỗ trợ trực tiếp từ nhà sản xuất, hoặc kết nối với những phần mềm thứ 3 hỗ trợ như OPC Server để trao đổi dữ liệu với các thiết bị Đây là kỹ thuật quan trọng của hệ thống, vì nó quyết định tốc độ xử lý và cập nhật

dữ liệu của cả hệ thống

Kỹ thuật xây dựng Tag manager: là kỹ thuật xây dựng các thuật toán nhằm thiết kế một cấu trúc, một cơ sở dữ liệu để quản lý toàn bộ dữ liệu của hệ thống Nó quyết định hiệu suất làm việc của hệ thống Cấu trúc quản lý dữ liệu càng chặt chẽ, rõ ràng thì càng hỗ trợ người sử dụng thao tác càng nhanh, tốc độ truy cập, trao đổi dữ liệu, xử lý dữ liệu càng chính xác, dẫn đến tăng hiệu suất làm việc

Kỹ thuật xây dựng thư viện các đối tượng: là kỹ thuật xây dựng đi vào thiết kế các đối tượng trong thư viện đồ họa hệ thống Mỗi đối tượng được thiết kế với đầy đủ tất cả các chức năng cần thiết của thiết bị thực tế Mặt khác, chương trình còn hỗ trợ khả năng tự thiết kế và mở rộng thư viện khi cần nâng cấp mở rộng hệ thống

Kỹ thuật xây dựng faceplate: là kỹ thuật xây dựng và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát thiết bị Faceplate được thiết kế phù hợp với từng loại thiết bị điều khiển, giám sát theo chuẩn công nghiệp Faceplate cung cấp cho người vận hành thông tin, trạng thái và khả năng điều khiển của thiết bị trong hệ thống

Kỹ thuật xây dựng Trend: là kỹ thuật xây dựng thiết kế đồ họa dưới dạng các biểu

đồ, đồ thị Chức năng này kết nối và lấy dữ liệu từ historian của hệ thống và hiển thị trên giao diện Trend cung cấp cho người vận hành một cái nhìn tổng quan về sự thay đổi, quá trình hoạt động của một thiết bị (hoặc nhiều thiết bị) trong một khoảng thời gian nhất định trong quá khứ, hoặc giá trị đang vận hành tại thời điểm hiện tại

Từ đó, người vận hành có thể đánh giá và điều chỉnh những thông số cần thiết trong

hệ thống

Kỹ thuật xây dựng Report: là kỹ thuật xây dựng công cụ hỗ trợ cho người vận hành trong công tác giám sát, báo cáo kết quả hoạt động của các thiết bị trong hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định, theo một chu kỳ lấy mẫu cho trước Report truy cập và lấy dữ liệu từ historian hệ thống

Kỹ thuật xây dựng Historian: là kỹ thuật xây dựng thuật toán, cấu trúc lưu trữ, quản

lý toàn bộ dữ liệu thu nhận được trong toàn bộ quá trình vận hành của hệ thống Cấu trúc historian được xây dựng trên nền tảng cấu trúc của Tag manager, sau đó lưu trữ toàn bộ dữ liệu thu nhận được và phân vùng quản lý theo thời gian và theo tagname Historian có chức năng rất quan trọng, vì nó cung cấp dữ liệu cho toàn bộ

các công cụ trong hệ thống, nó quyết định tốc độ lưu trữ và xử lý của các chương trình con trong hệ thống, từ đó quyết định tốc độ xử lý và hiệu suất làm việc của chương trình

Kỹ thuật xây dựng Alarm event: là kỹ thuật xây dựng thuật toán hiển thị các sự kiện, mỗi sự kiện bao gồm các nội dung như tên thiết bị, khu vực, thời gian và mức

độ cảnh báo của sự kiện Các cảnh báo được lưu lại tại historian theo thời gian, cho phép người vận hành có thể truy suất, theo dõi và xuất báo cáo các sự kiện nhằm điều chỉnh và thay thế thiết bị khi cần thiết, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tránh gây ra sự cố hệ thống

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG.

1 Kỹ thuật xây dựng cấu trúc

1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống

PLANT EQUIPMENT

SERVER

CLIENT SCADA SYSTEM

REPORT TREND ALARM, EVENT WORKSTATION

LIBRARY APPLICATION

SERVER HISTORIAN

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng

Cấu trúc hệ thống gồm 2 thành phần chính là: Server và Client

Khối Server bao gồm các khối chức năng sau:

hỗ trợ cho người dùng trong việc thiết kế giao diện giám sát, điều khiển hệ thống

 Application Server: là khối quan trọng nhất của hệ thống Đây là bộ xử lý trung tâm có chức năng thu thập, xử lý và phân phối luồn dữ liệu đến các khối chức năng khác trong hệ thống

hệ thống, tại đây dữ liệu được phân chia, lưu trữ theo từng khu vực, từng vùng chức

năng riêng (vùng alarm event, vùng dữ liệu theo tag…), để thuận tiện trong việc truy xuất khi cần thiết

Khối Client bao gồm các khối chức năng sau:

 Report: khối báo cáo, có chức năng xuất ra các file báo cáo quá trình hoạt động, tình trạng hoạt động và trạng thái hoạt động của một hoặc nhiều thiết bị trong khoảng thời gian mong muốn dưới dạng file csv hoặc xlsx Hỗ trợ người sử dụng theo dõi và làm báo cáo theo quy trình Dữ liệu khối report được liên kết và truy xuất từ khối historian

 Trend: khối đồ thị, có chức năng hiển thị trạng thái hoạt động của các đối tượng trong một khoảng thời gian mong muốn, hoặc hiện tại đến tương lai Khối cho phép người vận hành theo dõi, đánh giá tình trạng hoạt động của các thiết bị trong hệ thống, từ đó đưa ra những nhận định trong việc điều chỉnh thông số, quy trình vận hành của hệ thống để hệ thống hoạt động hiệu quả nhất

thiết bị trong hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định Cho phép người vận hành theo dõi tình trạng các thiết bị, từ đó đưa ra quy trình thay thế, bảo trì thiết bị khi cần thiết để đảm bảo hoạt động sản xuất luôn được duy trì và hiệu quả

Tại đây, người vận hành có thể thiết kế đồ họa giao diện và sử dụng tất cả các công

cụ trong hệ thống để thực hiện chức năng giám sát và điều khiển hệ thống

1.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống

WORKSTATION TREND

REPORT

APPLICATION SERVER

INFORMATION

SYSTEM

PLANT EQUIPMENT

ALARM /EVENT

SQL SERVER 2014

LIBRARY DEVICE

LIBRARY IMAGE

OPC CONNECT OPC UA OPC DA

HISTORIAN LIBRARY

CONNECTOR

Hình 2.2: Lưu đồ giải thuật của công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng

Dữ liệu được trao đổi, kết nối đến các thiết bị thông qua khối truyền thống (hệ thống sử dụng chuẩn truyền thông Ethernet, giao thức kết nối thông qua chuẩn OPC

Server: OPC DA và OPC UA) và đưa vào khối Application server (khối xử lý trung tâm), tại đây dữ liệu được phân chia theo chức năng và mục đích đến 2 khối chức năng library và historian

Khối workstation sẽ truy suất dữ liệu từ khối library để hiển thị trạng thái của các đối tượng trên giao diện vận hành, giám sát Khối Trend, Report, Alarm/Event truy suất dữ liệu từ khối historian để xuất ra các báo cáo, hiển thị trạng thái hoạt động các thiết bị hoặc các cảnh báo, sự kiện và các sự cố trong hệ thống

2 Kỹ thuật xây dựng giao thức truyền thông

Hệ thống sử dụng giao thức truyền thông OPC Server: OPC DA và OPC UA

2.1 Lưu đồ giải thuật OPC DA (OPC Data Access)

Connect to the OPC Server

Add Item(s) to Group(s)

Active Group & Item

Update Data when data change

Add Group(s)

Disconnect to the OPC Server

Remove Item(s) in Group(s)

De-Active Group & Item Remove Group(s)

Hình 2.3: Lưu đồ giải thuật OPC DA

Bước 1: Connect to the OPC Server

Kết nối OPC Server bằng cách khai báo tến của loại OPC Server muốn kết nối Trong đề tài này kết nối sử dụng OPC Kepware KEPServerEX V6.4

Bước 2: Add group(s), add item(s)

Khai báo và khởi tạo group mới trong OPC Server, đồng thời khai báo tagname của các đối tượng muốn kết nối trong OPC Server

Bước 3: Active OPC Server

Kích hoạt kết nối và kiểm tra việc trao đổi dữ liệu của hệ thống với thiết bị thông qua OPC Server

Tương tự, các bước ngắt kết nối hệ thống với OPC Server sẽ được thực hiện tuần tự

từ ngắt kết nối đến các item, group và cuối cùng là Server

2.2 Lưu đồ giải thuật OPC UA (OPC Unified Architecture)

Start Client

Request Server endpoints via LDS

Connect to Server Endpoint

Browse Server Nodes

Read or Write tag

nodes

Start subscription to tag nodes

Request input and output arguments

Call M ethod Stop subscription to

tag nodes

Register tag nodes

Read or Write tag nodes

Hình 2.4: Lưu đồ giải thuật kết nối OPC UA

Chức năng từng khối được mô tả chi tiết như sau:

nội bộ (LDS: local discovery server), từ đó xác định và chọn Server phù hợp để kết nối với hệ thống

 Browse server nodes: thêm OPC UA Server muốn kết nối vào chương trình,

và đọc những thông số của Server này vào hệ thống

Cấu trúc bảng mapping gồm 3 phần: tag system, tag connect và tag OPC

Hình 2.5: cấu trúc bảng mapping dữ liệu

Tag system là bảng các tagname thiết bị được khai báo trong hệ thống, các tagname

đã được khai báo sẽ tự động được thêm vào bảng tương ứng Khi người dùng thay đổi tên tagname trong khai báo thì tag system sẽ tự động cập nhật lại tương ứng

Tag OPC là bảng tagname được import vào từ file csv từ các thiết bị nối đến hệ thống thông qua OPC Server Khi thay đổi trong việc khai báo các tagname, người dùng cần import lại bảng tagname này vào hệ thống để đảm bảo sự đồng bộ trong

hệ thống

Tag connect là bảng tagname thiết bị kết nối các đối tượng trong hệ thống tới các thiết bị Cấu trúc tag connect gồm 2 cột: tag system và tag OPC Cột tag system cho phép người dùng di chuyển các tagname được khai báo trong hệ thống kết nối với các thiết bị trong hệ thống thật Cột tag OPC cho phép người dùng di chuyển các tagname được khai báo từ các thiết bị bên ngoài và kết nối vào hệ thống Các tagname tương ứng kết nối phải được kéo thả theo hàng ngang tương ứng Cấu trúc bảng mapping cho phép người dùng điều chỉnh thay đổi các tagname kết nối một cách linh hoạt, khi cần thay đổi người vận hành chỉ cần kéo thả tagname mới tới vị trí tagname muốn thay đổi và hệ thống sẽ tự động thay đổi tagname và cập nhật lai

hệ thống

3 Kỹ thuật xây dựng Image Manager

Image manager: công cụ được xây dựng với chức năng là thư viện hình ảnh của hệ thống Image manager được xây dựng dưới dạng cây thư mục gồm nhiều thư mục, mỗi thư mục chứa tất cả các hình ảnh mô tả về một nhóm thiết bị nhất định

Hình 2.6: Cấu trúc công cụ Image manager

Công cụ Image manager là một thư viện mở, người sử dụng có thể mở rộng khi cần thiết Khi chọn thư mục của một đối tương, toàn bộ hình ảnh đại diện cho đối tượng

đó được hiển thị Lúc này, người dùng chỉ cần chọn vô hình ảnh tương ứng đại diện cho đối tượng và lưu lại là hoàn thành

4 Kỹ thuật xây dựng Tag Manager

Tag Manager là công cụ được xây dựng với chức năng quản lý toàn bộ tagname các đối tượng, biến sự kiện, biến alarm…được khai báo và sử dụng trong hệ thống Tag manager được xây dựng theo cấu trúc dưới dạng cây, cung cấp cho người dùng một cái nhìn tổng quát về toàn bộ cấu trúc của hệ thống

Cấu trúc tag manager gồm 2 phần: phần cấu trúc và phần mô tả

Hình 2.7: Cấu trúc công cụ Tag manager

Phần cấu trúc mô tả tổng quan cấu trúc hệ thống, gồm tên của trạm (ví dụ BOILER SYSTEM), tên của từng khu vực điều khiển (như COMPERSSOR AREA hoặc CONDENSER AREA), tên tagname của các thiết bị trong từng khu vực (như máy nén CS2901 thuộc khu vực COMPRESSOR AREA…)

Phần mô tả cung cấp chi tiết thông tin về tagname trong mỗi khu vực, người dùng chỉ cần chọn tên khu vực trong phần cấu trúc và tất cả các tagname của khu vực sẽ được hiển thị, bao gồm tên tagname, khu vực lắp đặt, địa chỉ vùng nhớ…của thiết

Thư viện là nơi lưu trữ các đối tượng được thiết kế trong hệ thống, bao gồm thư viện đồ họa, thư viện các công cụ, thư viện các đối tượng…thư viện được thiết kế

và mở rộng trên nền thư viện công cụ có sẵn của visual studio 2015

Thư viện các đối tượng bao gồm các đối tượng chấp hành (valve, motor, pump…), các đối tượng đo lường (parameter, level metter, flow metter…), các đối tượng giám sát…

Các đối tượng trong thư viện tuy có nhiều loại, với chức năng khác nhau nhưng đều được thiết kế theo cùng một tiêu chuẩn, theo cùng một cấu trúc Cấu trúc tổng quan của một đối tượng được thiết kế gồm 3 lớp, mỗi lớp có chức năng riêng biệt, liên quan chặt chẽ với nhau Đặc điểm nổi bật trong thiết kế các đối tượng là người thiết

kế có thể gắn tagname, cấu hình và điều chỉnh các thuộc tính ngay trên đối tượng và khi có sự thay đổi, các thuộc tính tương ứng sẽ tự động được cập nhật ngay ở trạng thái đang thiết kế, nhằm đảm bảo hệ thống luôn được đồng bộ ở mọi thời điểm có

sự thay đổi trong hệ thống

Hình 2.8: Cấu trúc đối tượng trong thư viện

Lớp thứ nhất có chức năng hiển thị giao diện đối tượng và được khai báo thông qua công cụ Image manager Cơ sở dữ liệu của Image manager được truy xuất từ thư viện hình ảnh người dùng Khi có sự thay đổi về cấu hình đối tượng, giao diện của đối tượng sẽ tự động cập nhật tương ứng trong quá trình thiết kế

Lớp thứ hai có chức năng cấu hình cho phép người dùng thực hiện các thao tác cấu hình, điều chỉnh các thuộc tính của đối tượng Khi chọn vào đối tượng các cửa sổ thuộc tính sẽ hiển thị ngay trên đối tượng được chọn, người thiết kế có thể điều chỉnh và cấu hình theo ý muốn

Lớp thứ ba là lớp xử lý trung tâm và có chức năng quan trọng nhất của đối tượng Sau khi người dùng thực hiện các thao tác cấu hình trên đối tượng, những sự thay đổi này sẽ được xử lý, sau đó liên kết đến cơ sở dữ liệu của hệ thống, cuối cùng gửi kết quả đến lớp hiển thị của đối tượng và hoàn thành một chu kỳ

6 Kỹ thuật xây dựng Faceplate điều khiển đối tượng

Faceplate là cửa sổ cho phép người vận hành có thể giám sát và điều khiển các thiết

bị từ phòng điều khiển thông qua chế độ remote của hệ thống

Faceplate được thiết kế cho từng nhóm thiết bị cụ thể, với giao diện và chức riêng riêng biệt nhằm đảm bảo khả năng vận hành và hoạt động hiệu quả cho các thiết bị trong hệ thống

Hình 2.9: Giao diện faceplate điều khiển motor

Faceplate được thiết kế bao gồm một số thuộc tính cơ bản sau:

 Trạng thái vận hành của thiết bị: ở chế độ vận hành bình thường là “No Alarm”, khi có vấn đề hoặc sự cố đối với thiết bị thì sẽ xuất hiện thông báo tương

ứng mô tả cảnh báo và chuyển từ nền màu xám, chữ màu đen sang nền màu vàng và chữ màu đỏ

hệ thống, khi ở chế độ “Manual” lúc này thiết bi hoạt động theo sự điều khiển của người vận hành

không được cho phép thực hiện, khi chuyển chế độ vận hành sang “Manual” thì chế

độ vận hành mới được thực thi Chế độ vận hành gồm 02 chế độ là “Start” và

“Stop”, thiết bị sẽ hoạt động theo sự điều khiển của người vận hành

 Hình ảnh thiết bị: mô tả hình ảnh trực quan của thiết bị đang điều khiển, cũng như là trạng thái vận hành của thiết bị Ở trạng thái dừng (đang đóng) là màu xám, ở trạng thái đang chạy (đang mở) là màu xanh dương, ở trạng thái alarm là màu vàng và khi gặp lỗi thì chuyển sang màu đỏ

hành, trạng thái alarm, trạng thái khi bị lỗi thiết bị, trạng thái khi interlock

là bypass những vấn đề trên để hệ thống có thể hoạt động bình thường, tránh trường hợp hệ thống bị gián đoạn và tạm dừng vì một thiết bị bị lỗi

biến, thiết bị đo lường…Có chức năng giả lập một giá trị nhất định trong trường hợp hệ thống cần kiểm tra một quy trình nhất định trong hệ thống Ngoài ra, chế độ này giúp cho người vận hành có thể thay thế, bảo trì các thiết bị khi thiết bị có vấn

đề và không làm ảnh hưởng đến hệ thống

7 Kỹ thuật xây dựng Trend

Trend là công cụ rất quan trọng trong các hệ thống về Scada Nó cho phép người vận hành có thể theo dõi quá trình hoạt động của các thiết bị trong hệ thống trong những khoảng thời gian khác nhau trong quá khứ và hiện tại

Trend có thể hiển thị giá trị đồng thời nhiều thiết bị cùng lúc với những giao diện khác nhau, như dưới dạng nét đứt, nét liền, dạng các chấm… hoặc là một đồ thị