Các tác giả Huang Renjie, Liu Feng vàPan Dongbo [2] nhìn nhận vấn đề bảo mật từ hai khía cạnh: thứ nhất là khía cạnhbảo mật trong môi trường mạng, giải pháp cho vấn đề này là OPC UA Serv
NGUYỄN TRÍ DŨNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TRÍ DŨNG CƠNG NGHỆ THÔNG TIN PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN DÙNG OPC UA KẾT NỐI VỚI THIẾT BỊ NGOẠI VI BACNET (BACNET BUILDING AUTOMATION CONTROL NETWORK) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ THƠNG TIN KHỐ 2012B Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131830701000000 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cám ơn Thầy cô giáo Viện CNTT & TT - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Đặc biệt, em gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng Thầy bảo, tạo điều kiện, giúp đỡ em nhiều q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Em chân thành cảm ơn chị ThS Nguyễn Thị Thanh Tú cho em ý kiến đóng góp giá trị, động viên em thời gian thực đề tài Luận văn chắn có thiếu sót, em xin chân thành cám ơn nhận xét Thầy cơ, bạn để luận văn hồn thiện LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng, luận văn với đề tài: Phát triển hệ thống giám sát điều khiển dùng OPC UA kết nối với thiết bị ngoại vi BACnet (BACnet - Building Automation Control network) hồn thành với nhận thức tác giả, khơng chép tồn văn cơng trình khác Trong q trình làm luận văn, tơi kế thừa thành tựu nhà khoa học với trân trọng biết ơn Mục lục Cơ sở lý thuyết 1.1 1.2 1.3 13 Tổng quan OPC UA 13 1.1.1 OPC (OLE for Process Control) 13 1.1.2 OPC UA (OPC Unified Architecture) 16 Đặc tả lịch sử bảo mật OPC UA 18 1.2.1 Đặc tả bảo mật 18 1.2.2 Đặc tả lịch sử 21 Giao thức BACnet 24 1.3.1 Kiến trúc giao thức BACnet 24 1.3.2 Các kiểu mạng BACnet 25 1.3.3 Đối tượng BACnet dịch vụ 26 Kiến trúc hệ thống giám sát điều khiển thiết bị theo đặc tả OPC UA 30 2.1 Thiết kế hệ thống 30 2.1.1 Kiến trúc ứng dụng OPC UA 30 2.1.2 Các thành phần Server 32 2.1.3 Các thành phần Client 34 Giải pháp bảo mật 34 2.2.1 Secure channel management 35 2.2.2 Session management 37 2.2.3 Security strategy management module 37 2.2.4 User authorization, user authentication application layer 37 2.2 2.3 Lịch sử liệu kiện 37 2.3.1 Lịch sử kiện 38 2.3.2 Lịch sử liệu khoảng thời gian 39 2.3.3 Lịch sử liệu thời điểm xác 39 2.4 Kết nối với thiết bị ngoại vi BACnet 40 2.4.1 Các thuộc tính tham số 40 2.4.2 Tìm kiếm thiết bị mạng 41 2.4.3 Đọc ghi giá trị 41 Cài đặt thử nghiệm hệ thống 3.1 45 Mơ hình hệ thống 45 3.1.1 Mô tả hệ thống 45 3.1.2 Các mục tiêu hệ thống 46 3.1.3 Kiến trúc ứng dụng 47 Xây dựng Server 48 3.2.1 Giả lập thiết bị 48 3.2.2 Xây dựng tổng thể Server 50 3.2.3 Cài đặt lưu trữ lịch sử 52 3.2.4 Cài đặt giải pháp bảo mật 53 3.3 Ứng dụng Client 55 3.4 Thực nghiệm chương trình 56 3.4.1 Yêu cầu hệ thống 56 3.4.2 Ứng dụng Server 56 3.4.3 Thử nghiệm bảo mật 57 3.4.4 Thử nghiệm lịch sử 58 3.4.5 Gọi phương thức 61 3.2 Danh sách hình vẽ 1.1 Kiến trúc truyền thơng cổ điển 14 1.2 Kiến trúc truyền thông OPC 14 1.3 Tổng quan đặc tả OPC 15 1.4 Nền tảng OPC UA 16 1.5 Kiến trúc phân tầng OPC UA 17 1.6 Kiến trúc hệ thống OPC UA 18 1.7 Môi trường bảo mật OPC UA 19 1.8 Kiến trúc bảo mật OPC 20 1.9 Mô hình UPC UA Server hỗ trợ việc truy cập lịch sử 22 1.10 Mơ hình biến với liệu lịch sử không gian địa 23 1.11 Kiến trúc phân tầng BACnet 25 1.12 Định dạng Object_Identifier 27 1.13 Định dạng gói tin BACnet/IP 29 2.1 Kiến trúc tổng quát phần mềm OPC UA 31 2.2 Cấu trúc stack 31 2.3 Các thành phần Prosys Java SDK 32 2.4 Kiến trúc OPC UA Server 33 2.5 Kiến trúc OPC UA Client 35 2.6 Mơ hình bảo mật cho ứng dụng 36 3.1 Kiến trúc tổng thể hệ thống 47 3.2 Kiến trúc ứng dụng 48 3.3 Kiến trúc OPC UA Server Application 48 3.4 Biểu đồ lớp ObjectSimulator 50 3.5 Biểu đồ lớp Server 50 3.6 Biểu đồ lớp cho việc lưu trữ lịch sử 52 3.7 Biểu đồ lớp xây dựng bảo mật Session cho ứng dụng 54 3.8 Giao diện ứng dụng Server 56 3.9 Xác nhận tham số khởi động Server 57 3.10 Lỗi đăng nhập chế độ Anonymous 57 3.11 Đăng nhập Username/Password 58 3.12 Lựa chọn chế Encrypt Server cung cấp 58 3.13 Xem lịch sử kiện 59 3.14 Xem lịch sử liệu dạng đồ thị 59 3.15 Xem lịch sử liệu dạng bảng 60 3.16 Ngắt kết nối từ Client đến Server 60 3.17 Truy cập lịch sử sau kết nối lại 61 3.18 Gọi phương thức 61 Danh sách bảng Danh mục từ viết tắt luận văn 1.1 Các đặc tả OPC UA 18 1.2 Các đoạn mã thể yêu cầu thực thi tốt 24 1.3 Các kiểu đối tượng chuẩn BACnet 27 1.4 Các thuộc tính đối tượng Binary Output 28 1.5 Các thuộc tính đối tượng Analog Output 28 2.1 Các kiểu lịch sử 38 2.2 Các tham số mơ hình lịch sử liệu kiện 38 2.3 Các tham số lịch sử kiện 38 2.4 Các tham số lịch sử liệu khoảng thời gian 39 2.5 Tham số lịch sử liệu thời điểm xác 40 2.6 Các tham số để truy cập thiết bị BACnet 40 2.7 Các phương thức lớp CPort 41 2.8 Các phương thức lớp CBACnetServiceReadProperty 43 2.9 Các phương thức lớp CBACnetServiceWriteProperty 44 3.1 Các thuộc tính phương thức lớp ObjectSimulator 49 3.2 Các thành phần Server 51 3.3 Các thuộc tính phương thức lớp EventHistory 53 3.4 Các thuộc tính tham số lớp ValueHistory 53 Từ viết tắt Từ đầy đủ ANSI American National Standards Institute API Application Programming Interface BACnet Building Automation Control network COM Component Object Model DCOM Distributed Component Object Model DCS Distributed Control System ERP Enterprise Resource Planning GUI Graphics User Interface HDN History Data Node HEN History Event Node ISO International Organization for Standardization LAN Local Area Network MES Manufacturing Execution System OPC Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control OPC A & E OPC Alarms and Events OPC DA OPC Data Access OPC HDA OPC Historical Data Access OPC UA OPC Unified Architecture PLC Programmable Logic Controller PTP Point - to - Point Bảng 1: Danh mục từ viết tắt luận văn MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học tính thực tiễn luận văn Thực trạng lĩnh vực nghiên cứu Trong năm gần đây, nhu cầu tiết kiệm lượng ngày trở nên cấp thiết không giới mà Việt Nam Các thiết bị tiết kiệm lượng, hệ thống nhà thông minh phát triển Nhu cầu kết hợp công nghệ thông tin vào cơng nghiệp cần thiết cho q trình kiểm sốt tự động hóa hệ thống thiết bị Chính vậy, chuẩn OPC đời vào đầu năm 1990 - chuẩn công nghiệp ứng dụng cho hệ thống giám sát điều khiển tự động hóa Sau nhiều năm phát triển, hồn thiện, phiên OPC Unified Architecture (OPC UA) có tính cấu trúc linh động cao, nhiều nhà cung cấp hệ thống tự động hóa sử dụng Hiện nay, tổ chức OPC Foundation có 450 thành viên, 2500 nhà cung cấp với 15000 mẫu sản phẩm hoạt động thị trường có sử dụng đặc tả OPC Tại Việt Nam, năm gần có nhiều nhà máy xây dựng đưa vào vận hành hệ thống tự động hóa với trang thiết bị hệ điều hành thương hiệu tiếng như: Siemens AG, Rockwell Automation, ABB Inc, Advosol Inc, giao tiếp với theo chuẩn OPC Ví dụ nhà máy giấy, nhà máy điện, Các cơng trình liên quan Cùng với phát triển đặc tả OPC, số lượng chất lượng nghiên cứu lĩnh vực tăng nhanh Nhóm nghiên cứu Tae-Jin Park Seung-Ho Hong ([11], [12]) đưa mơ hình điều khiển đánh giá hiệu hệ thống chiếu sáng, thiết bị kết nối với mạng BACnet MS/TP Mơ hình giúp tiết kiệm 40% điện năng, đảm bảo lưu lượng truyền liệu ngưỡng cho phép Nhóm tác giả Huỳnh Quyết Thắng Nguyễn Thị Thanh Tú ([15]) xây dựng mô hình điều khiển hệ thống điều hịa nhiệt độ Mơ hình điều khiển xây dựng theo đặc tả OPC UA kết nối với hệ thống bên theo giao thức Modbus Hệ thống cho phép theo dõi điều khiển nhằm tối ưu hóa hoạt động điều hịa nhiệt độ Trong [7], Jang Chuanying, Li He Liu Zhihong tiến hành phát triển OPC UA Wrapper phục vụ cho việc tương tác Server/Client theo chuẩn OPC (dựa công nghệ COM/DCOM) với Client/Server theo chuẩn OPC UA