thiết kế hệ thống server dự phòng bằng wincc

Tổng quan về WinCC WinCC là một phần mềm lập trình hướng đối tượng, một trong những phần mềm được dùng để thiết kế các hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệuSCADA một cách hi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG SERVER DỰ PHÒNG

Mục lục

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Tóm tắt đề tài

I Đối tượng nghiên cứu ……… 1

II Tình hình nghiên cứu trong & ngoài nước ……… 1

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I Mục đích đề tài ……… 2

II Phương pháp nghiên cứu ……… 2

III Nội dung ……… 2

1 Tổng quan về WinCC ……… 2

2 Chức năng của WinCC ……… 3

3 Một số đối tượng điển hình trong WinCC ……… 4

4 Giải pháp dự phòng cho hệ thống ……… 5

5 Dự phòng ở cấp độ server ……… 6

6 Hệ thống dự phòng dùng WinCC ……… 7

7 Hệ thống điều khiển & giám sát dùng WinCC có dự phòng ……… 8

8 Những thuộc tính chức năng đặc biệt của WinCC hỗ trợ cho thiết kế hệ thống dự phòng (redundancy) ……… 9

9 Tạo client cho hệ thống ……… 12

10 Xử lý dữ liệu trong hệ thống có chức năng redundancy ……… 14

11 Thiết lập cấu hình cho hệ thống dự phòng dùng WinCC ……… 16

IV Kết quả đạt được ……… 21

1 Tính khoa học ……… 21

2 Khả năng triển khai vào ứng dụng thực tế ……… 21

3 Hiệu quả kinh tế xã hội ……….…… 21

Phần 3: KẾT LUẬN I Kết luận ……….… 22

II Đề nghị ……….…… 22

Có rất nhiều hướng để dự phòng cho một dây chuyền tự động Tuy nhiên, phần quan trọng nhất có thể xem là máy tính chủ, nơi thu thập toàn bộ dữ liệu điều khiển từ các cảm biến,

cơ cấu chấp hành, PLC điều khiển v.v…Ngoài ra, máy tính chủ còn là thiết bị giao tiếp giữa người và máy, thông qua một phần mềm thu thập & giám sát dữ liệu, giúp người quản lý có cái nhìn tổng quan hơn về dây chuyền sản xuất và điều khiển dây chuyền hoạt động ổn định Từ đó, nhóm đặt ra vấn đề dự phòng cho máy chủ là quan trọng và cần thiết trong giải pháp dự phòng và nghiên cứu vấn đề này với phần mềm WinCC của hãng Siemens

I Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài của chúng tôi nghiên cứu về:

 Thiết kế hệ thống dự phòng Trong trường hợp máy chủ bị sự cố, hệ thống dự phòng sẽ được thay thế, đảm bảo cho quá trình của hệ thống diễn ra bình thường

 Tìm hiểu cấu trúc Wincc có dự phòng, xây dựng hệ thống mạng cho server dự phòng

II Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

Ngoài nước: Vấn đề dự phòng đã được các nước triển khai và phát triển mạnh vì những lợi ích kinh tế mà hệ thống dự phòng mang lại

Trong nước: Việc dự phòng vẫn còn khá ít và thường chỉ dừng lại ở mức độ dự phòng cho server vì các cấu trúc dự phòng toàn diện hơn thì có yêu cầu về phần cứng khá phức tạp, các dự án chưa đáp ứng được

Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Mục đích đề tài:

Tìm hiểu cấu trúc WinCC có dự phòng, xây dựng hệ thống mạng cho server dự phòng Thiết kế hệ thống dự phòng cho server Trong trường hợp máy chủ bị sự cố, hệ thống dự phòng sẽ được thay thế, đảm bảo cho quá trình của hệ thống diễn ra bình thường

II Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài của chúng tôi thực hiện theo các phương pháp sau:

 Xác định cơ sở lý luận: Dùng phương pháp tham khảo tài liệu

 Thực hiện đề tài: Dùng phương pháp thực tiễn, làm việc trên phòng D203 của trường

III Nội dung:

1 Tổng quan về WinCC

WinCC là một phần mềm lập trình hướng đối tượng, một trong những phần mềm được dùng để thiết kế các hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu(SCADA) một cách hiệu quả WinCC có khả năng đặt cấu hình nhanh, là hệ thống hiện đại có thể mở rộng thành những hệ thống lớn WinCC có giao diện thân thiện với người sử dụng, khả năng đáp ứng chính xác những công việc từ đơn giản đến phức tạp

Phần mềm WinCC được viết bởi hãng Siemens, nhà cung cấp hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa, hiện nay WinCC là một trong những phần mềm ứng dụng thiết kế hệ thống SCADA rất hiệu quả và đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa



Hình 1: Điều khiển và giám sát qua mạng Profibus dùng WinCC

Winc

c clien

t

Winc

c clien

t

Winc

c Serv

er

Winc

c Serv

er

LAN Network

2 Chức năng của WinCC

a Chức năng giám sát

Wincc cho phép người vận hành theo dõi quy trình sản xuất trên màn hình đồ họa máy tính Trong hệ thống điều khiển và giám sát, WinCC luôn cập nhật thông tin của quá trình sản xuất mỗi khi có sự thay đổi để kịp thời thông báo cho người vận hành biết trạng thái vận hành hiện tại của hệ thống

b Chức năng điều khiển

WinCC cho phép người vận hành thiết lập những giao diện điều khiển HMI phù hợp với yêu cầu điều trên máy tính Nhờ tính năng vượt trội này của WinCC mà người vận hành có thể điều khiển sự hoạt động của toàn bộ hệ thống trên giao diện màn hình máy tính

mà không cần phải đến tại vị trí đặt thiết bị

c Chức năng cảnh báo

Một cảnh báo sẽ tự động thông báo cho người vận hành khi có sự cố Dựa vào đặc điểm này, người vận hành có thể lập trình để đưa ra những tín hiệu cảnh báo trong những trường hợp khẩn cấp, giúp người vận hành nhanh chóng xử lý những sự cố trong quá trình sản xuất, đảm bảo an toàn cho hệ thống

d Chức năng lưu trữ dữ liệu

WinCC không những điều khiển, xử lý mà còn lưu trữ toàn bộ giá trị của quá trình sản xuất và có thể được in ra để theo dõi Điều này dễ dàng cho việc truy cập dữ liệu của quá trình sản xuất bất cứ khi nào để sử dụng những lúc cần thiết

3 Một số đối tượng điển hình trong WinCC

a.Driver kết nối

Để cho các bộ điều khiển lập trình có thể giao tiếp được với WinCC thì phải có các Driver kết nối Việc chọn loại driver nào để giao tiếp giữa WinCC với các bộ điều khiển lập trình là tuỳ thuộc vào thiết bị được sử dụng để giao tiếp với WinCC Một driver có nhiều kiểu kết nối khác nhau, chẳng hạn khi giao tiếp WinCC với PLC S7-300 thì dùng driver SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE Trong driver này lại nhiều giao tiếp như: MPI, TPC/IP, Ethernet

Hình 2: Các kiểu giao tiếp trong WinCC

b.Tags và Tags Group

WinCC xử lý, tính toán, lưu trữ dữ liệu và đưa ra những cảnh báo cần thiết đều được thực hiện thông qua các Tag Có hai loại tag được sử dụng trong WinCC là tag nội(Internal tag) và tag ngoại(External tag) hay còn gọi là tag quá trình(Process tag)

Những tag nội được sử dụng để tính toán, lưu trữ trong nội tại của WinCC, tag nội không giao tiếp với các bộ điều khiển lập trình bên ngoài WinCC quản lý tag nội thông qua tên của tag và kiểu dữ liệu tương ứng Chính vì vậy trong một chương trình thì tên của tag phải là độc nhất

Tag ngoại hay còn gọi là tag quá trình là những vùng nhớ bên trong bộ điều khiển lập trình hoặc thiết bị mô phỏng Vì vậy tag ngoại luôn gắn với một địa chỉ và kiểu dữ liệu nhất định WinCC quản lý các tag ngoại thông qua tên của tag và địa chỉ của nó

Nhóm tag (tag group) dùng để tổ chức các tag theo cấu trúc Tất cả các tag thực hiện một công việc hay một nhóm công việc liên quan thường được tổ chức trong tag group để giúp cho người sử dụng quản lý dữ liệu được rõ ràng

c Thiết kế giao diện(Graphic Designer)

Giao diện là nơi mà người sử dụng dùng những công cụ hỗ trợ trong WinCC để thiết kế các ứng dụng phù hợp với yêu cầu của hệ thống Người sử dụng thông qua giao diện này để điều khiển cũng như giám sát hoạt động của toàn bộ hệ thống

4 Giải pháp dự phòng cho hệ thống

a Giải pháp dự phòng toàn diện cho hệ thống điều khiển và giám sát

Trong những ứng dụng quan trọng, cần sự chính xác, liên tục trong việc điều khiển, thu thập và giám sát dữ liệu thì người ta thường phải trang bị thêm hệ thống dự phòng để nhằm mục đích đảm bảo cho hệ thống vẫn hoạt động bình thường trong trường hợp xảy ra

sự cố Một hệ thống đạt được độ tin cậy cao khi tất cả các thành phần trong hệ thống điều khiển đều được thiết kế dự phòng hay còn gọi là hệ thống dự phòng toàn diện

Hình 3: Hệ thống dự phòng toàn diện

Trong thực tế, tuỳ theo tính chất quan trọng của từng ứng dung, khả năng tài chính

và kỹ thuật mà hệ thống được thiết kế dự phòng ở cấp độ nào Trong các hệ thống thường

có các cấp độ dự phòng như sau: Dự phòng cho module I/O, dự phòng cho BUS kết nối,

dự phòng cho PC Server, dự phòng cho PLC làm Master hay dự phòng cho Slave

5 Dự phòng ở cấp độ server

a Sơ đồ kết nối dự phòng cho server

Trong hệ thống dự phòng ở cấp độ Server, hai server được sử dụng để chạy song song trong quá trình điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu Một server luôn ở chế độ Master và một server luôn ở chế độ standby Nếu một trong hai server xảy ra sự cố thì server còn lại chiếm quyền làm master và thực hiện việc điều khiển và giám sát hệ thống

Vì vậy hệ thống được thiết kế dự phòng không bị gián đoạn trong suốt quá trình vận hành

Hình 4: Sơ đồ kết nối dự phòng cho server

6 Hệ thống dự phòng dùng WinCC

a.Thống điều khiển và giám sát dùng Wincc không có chức năng dự phòng

Trong hệ thống ở hình 4.10, cấp điều khiển (Control Level) được thực hiện tại Client thông qua máy chủ Server, cấp xử lý(Process Level) được thực hiện tại các PLC thông qua sự điều khiển từ máy chủ Trong đó mức điều khiển được phân bố thành nhiều máy tính và được thực hiện tại các client Những công việc điều khiển được phân bố theo cấu trúc client-server Server và client sẽ trao đổi dữ liệu với nhau để thực hiện những công việc theo yêu cầu của người lập trình

Hình 6: Hệ thống điều khiển dùng Wincc không có dự phòng

PLC1

Actuator, sensor Actuator, sensor Actuator, sensor Actuator, sensor

PLC2 PLC3 PLC4

Server

7 Hệ thống điều khiển và giám sát dùng Wincc có dự phòng

WinCC cung cấp một chức năng rất đặc biệt và hiệu quả để thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát đạt được độ tin cậy cao đó là chức năng dự phòng (Redundancy) Với chức năng Redundancy hệ thống tự động được điều khiển bằng cách chạy song song hai Server để điều khiển cũng như thu thập dữ liệu, xử lý và điều khiển hoạt động của các PLC hay RTU

Trong hệ thống ở hình 4.11, cả hai server, server1(master server) và server2 (standby server) giám sát quá trình hoạt động của nhau, điều này làm cho hai server nhận biết được server đang chạy song song với nó có bị lỗi hay không Nếu có một server bị lỗi, những client sẽ tự động chuyển từ server đang ở chế độ master sang ở chế độ standby, và server đang ở chế độ standby thành chế độ master Kết quả là tất cả các client luôn làm việc và có giá trị trong suốt quá trình điều khiển và giám sát hệ thống

Sau khi server bị lỗi được khôi phục trở lại thì nó sẽ ở chức năng standby, nội dung của tất cả các thông báo, những giá trị xử lý được copy từ master server đến standby server Lúc này master server và standby server đều tham gia vào quá trình thu thập, xử

lý dữ liệu và điều khiển hoạt động của hệ thống

Hình 7: Hệ thống điều khiển dùng wincc có dự phòng

8 Những thuộc tính, chức năng đặc biệt của Wincc hỗ trợ cho việc thiết kế hệ thống

dự phòng(redundancy)

a Các thuộc tính hỗ trợ khi thiết kế redundancy

- Chọn máy tính làm master server

- Chọn máy tính làm standby server

- Đồng bộ tất cả dữ liệu sau khoảng thời gian gián đoạn

- Đồng bộ của Tag logging sau khi standby server hoạt động trở lại

- Đồng bộ của Alarm logging sau khi standby server hoạt động trở lại

- Đồng bộ trực tuyến cho Alarm logging

- Đồng bộ sau khi lỗi kết nối được xử lý

- Các client tự động chuyển đến máy tính dự phòng khi xảy ra lỗi

b Chức năng nhân đôi một project (Project Dulucate)

Chức năng Project Duplicate được hỗ trợ để copy project từ master server đến redundancy server Chức năng này giúp người thiết kế không cần phải thiết lập lại project ngay từ đầu mà chỉ cần tạo một lần tại master server

Hình 9: Chức năng Project Duplicator trong WinCC

Hình 10: Duplicate project từ Master sang server thứ 2

Hình 11: Thông báo đã Duplicat xong

9 Tạo client cho hệ thống

a Chức năng khai báo các client:

Đầu tiên, ta thay đổi kiểu project hiện hành từ chế độ Single-user project thành Multi – user project

Hình 12: Thay đổi kiểu project từ Single-user sang Multi-user

Sau đó, vào My computer và khai báo thêm các client với tên máy là tên của client

Hình 13: Khai báo các máy làm client

b.Chức năng tạo gói dữ liệu của server để sử dụng cho các client

Tại máy Master click phải vào Server data, click vào Creat

Hình 14: Tạo gói dữ liệu của server để sử dụng cho client

c Chức năng load gói dữ liệu từ master để sử dụng cho client

Tại máy client, tạo một project mới với kiểu client project Sau đó, vào Server data, load gói dữ liệu từ máy Server về

d Lựa chọn Server làm server vận hành và server làm server dự phòng cho client

Hình 16: Lựa chọn các server vận hành và dự phòng

10 Xử lý dữ liệu trong hệ thống có chức năng Redundancy

a Hoạt động của hai server khi chưa xảy ra lỗi

Khi chưa có lỗi xảy ra, hai server hoạt động song song, cùng tham gia vào quá trình điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống Mỗi server có những kết nối xử lý và những lưu trữ dữ liệu riêng của chính nó Dữ liệu điều khiển, xử lý và những thông báo được trao đổi giữa các PLC và RTU với cả hai server

Hai server giám sát lẫn nhau trong quá trình chạy để cho phép nhanh chóng phát hiện

ra server nào có lỗi xảy ra, chức năng nhận biết này được thực hiện bởi một thông báo xử lý điều khiển Những thông báo vận hành liên tục được đồng bộ trực tiếp trong quá trình chạy

Cả hai server có quyền ngang nhau và làm việc độc lập với nhau Chúng đều có giá trị đối với các client nên nếu một server bị lỗi thì server dự phòng luôn luôn có giá trị và chiếm giữ quyền điều khiển hệ thống

Việc kết nối giữa hai server trong hệ thống dự phòng nhằm mục đích giám sát sự làm việc và nhằm mục đích đồng bộ được thực hiện qua mạng LAN, hay cổng nối tiếp

b Hoạt động của hệ thống khi server xảy ra lỗi

Nếu một server bị lỗi thì server còn lại nhanh chóng chiếm quyền làm master và vẫn tiếp tục quá trình nhận, xử lý và lưu trữ đảm bảo sự hoạt động liên tục trong hệ thống Điều này đảm bảo tính an toàn của dữ liệu

Những client sẽ tự động chuyển từ master server sang redundancy server, sau một khoảng thời gian chuyển mạch, tất cả các trạm client đều vận hành bình thường trở lại

c Những nhân tố kích hoạt sự chuyển mạch của các client

Việc chuyển mạch của những client từ master server đến standby server trong thời gian master server bị lỗi được thực hiện tự động bởi hệ thống Sự chuyển mạch của các client xảy ra khi xuất hiện các lỗi dưới đây

 Lỗi do server(Lỗi do phần mềm WinCC)

 Lỗi do server ( Lỗi do phần cứng của Server gây ra)

 Lỗi do kết nối giữa server với các client

 Lỗi do project không được tích cực

d Những nhân tố kích hoạt việc đồng bộ lưu trữ

Việc đồng bộ lưu trữ giữa hai Server sẽ được kích hoạt sau khi những lỗi dưới đây được khắc phục

 Lỗi kết nối xử lý ( Process connection error)

 Kết nối mạng bị ngắt đến standby Server

 Project không được chạy

 Project không được mở

 Server bị lỗi hoạt động trở lại

Sau khi server bị lỗi hoạt động trở lại, server dự phòng sẽ thực hiện một đồng bộ lưu trữ cho khoảng thời gian mà master server bị lỗi Dữ liệu bị mất do trong quá trình xảy ra lỗi được khôi phục nhờ việc truyền dữ liệu từ server dự phòng đến master server