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

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 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 liệu 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 công trình nghiên cứu thân Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 16 tháng năm 2009 TÁC GIẢ LUẬN VĂN LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy hướng dẫn PGS.TS Vũ Chấn Hưng, người định hướng giúp đỡ suốt trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn phòng Tin học Điều khiển thuộc Viện Công nghệ thông tin giúp đỡ tạo điều kiện cho nhiều tài liệu trang thiết bị phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội truyền đạt cho kiến thức bổ ích suốt thời gian học cao học Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình người thân giúp đỡ động viên để hoàn thành luận văn Nguyễn Thị Thu Thuỷ MỤC LỤC Lời mở đầu: Chương CÔNG NGHỆ OPC VÀ KIẾN TRÚC MẠNG ĐIỀU KHIỂN8 1.1 Giới thiệu hệ thống mạng công nghiệp: 1.2 Tổng quan 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 liệu OPC: 15 1.3.4 Các chuẩn giao diện ứng dụng OPC: 16 1.4 Một vài vấn đề đảm bảo an ninh cho OPC: 20 1.4.1 Những nguy 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 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÓ DỰ PHÒNG 34 NÓNG 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 hệ thống điều khiển giám sát: 42 Chương 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 cấu hình: 56 3.3 Xây dựng ứng dụng OPC client: 56 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT THUẬT STT NGỮ VIẾT TẮT COM 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 TÊN ĐẦY ĐỦ Component Object Model GHI CHÚ Mô hình đối tượng thành phần DCOM Distributed Component Mô hình đối tượng thành Object Model phần phân tán DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân tán DLL Dynamic-link library Thư viện liên kết động DUC Device Under Control ERP Enterprise Resource Planning Phần mềm hoạch định tài nguyên doanh nghiệp HMI Human-Machine Interface Giao diện người máy MTTF Mean Time to Failure Thời gian trung bình xảy lỗi OLE Object linking and Nhúng liên kết đối Embedding tượng OPC OLE for Process Control OLE cho điều khiển trình OPC UA OPC Unified Architecture Kiến trúc hợp OPC OPC XML- OPC XML- Data Access OPC truy cập liệu DA XML OPC-AE OPC – Alarms & Events OPC kiện cảnh báo OPC-DA OPC- Data access OPC truy cập liệu OPC-DX OPC Data Exchange OPC trao đổi liệu OPC-HDA OPC- Historical Data Access OPC truy cập liệu lịch OSI Open Systems Mô hình tham chiếu kết Interconnection Reference nối hệ thống mở Model PLC Programmable Logic Bộ điều khiển logic khả Controller trình RPC Remote Procedure Call Gọi thủ tục từ xa SCADA Supervisory Control and Data Hệ thống điều khiển Acquisition giám sát thu thập liệu TCP Transmission Control Giao thức điều khiển vận Protocol tải 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 phát triển mạnh mẽ công nghiệp đại, hệ thống tự động hoá, có hệ thống giám sát điều khiển tự động, ngày giữ vai trò quan trọng thiếu nhà máy, xí nghiệp Để đáp ứng nhu cầu nâng cao lực sản xuất kinh doanh doanh nghiệp, hãng sản xuất thiết bị công nghiệp luôn cải tiến đưa dòng sản phẩm Các doanh nghiệp xây dựng nâng cấp dây truyền sản xuất sở tích hợp lắp đặt thiết bị nhiều hãng sản xuất khác Một vấn đề lớn cần giải khả trao đổi thông tin liệu trình thiết bị có đặc tính kỹ thuật nguồn gốc khác Hơn hệ thống sản xuất tự động hoá, hệ thống giám sát điều khiển tự động không phục vụ mức sản xuất mà dùng để phục vụ cho mục đích quản lý điều hành sản xuất Điều đòi hỏi phải có phương pháp truyền thông giao diện thống hệ thống Công nghệ OPC (OLE for Process Control) cung cấp giao diện truyền thông chung hệ thống điều khiển công nghiệp không phụ thuộc vào thiết bị phần cứng phần mềm hệ thống, giải pháp thích hợp cho vấn đề nói Bên cạnh vấn đề tích hợp hệ thống thống có vấn đề đảm bảo hoạt động giám sát điều khiển sản xuất thông suốt liên tục tình cố Cơ chế điều khiển có dự phòng nóng giải pháp đáp ứng yêu cầu Hệ thống thiết bị công nghiệp trang bị phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc Viện Công nghệ Thông tin có chương trình điều khiển modun dự phòng nóng xây dựng ngôn ngữ Step 7, nhiên luận văn muốn giải khía cạnh xây dựng ứng dụng giám sát điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng thực truyền thông với thiết bị dựa công nghệ OPC Vì chọn đề tài luận văn là: “Xây dựng hệ thống thu thập liệu, giám sát điều khiển qua mạng sở công nghệ OPC” Chương 1.1 CÔNG NGHỆ OPC VÀ KIẾN TRÚC MẠNG ĐIỀU KHIỂN Giới thiệu hệ thống mạng công nghiệp: Lĩnh vực công nghệ tự động hoá phát triển, ngày có nhiều thiết bị thiết kế dựa kỹ thuật vi xử lý tham gia vào trình điều khiển, sản xuất hệ thống công nghiệp, chẳng hạn thiết bị đo, thiết bị điều khiển tự động, thiết bị giám sát… Những thiết bị kết nối truyền thông với nhờ hệ thống bus tạo thành hệ thống mạng công nghiệp Một hệ thống mạng công nghiệp phức tạp gồm ba cấp độ: Cấp thứ cấp cảm biến chấp hành, thiết bị cảm biến cấu chấp hành truyền thông qua đường bus cảm biến - chấp hành; Cấp thứ hai cấp điều khiểngiám sát trường thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành, giao diện người máy, máy tính điều khiển truyền thông với thông qua hệ thống truyền thông thời gian thực hệ thống bus trường PROFIBUS, INTERBUS, CONTROLNET, MODBUS FOUNDATION FIELDBUS…; Cấp thứ ba cấp điều hành sản xuất bao gồm máy tính chạy ứng dụng điều hành sản xuất kinh doanh thương mại, cấp độ máy tính truyền thông với thông qua hệ thống mạng Ethernet thông thường ETHENET công nghiệp Trạm điều khiển trung tâm Cấp điều hành sản xuất Cấp điều khiển/giám sát BUS trường Các trạm điều khiển/ vào phân tán Cấp cảm biến-cơ cấu chấp hành Hình Các cấp độ điều khiển mô hình mạng công nghiệp Truyền thông công nghiệp đòi hỏi đặc thù riêng phải đảm bảo có độ tin cậy cao, có khả đáp ứng truyền liệu thời gian thực, truyền liệu xác lượng thông tin truyền tải lớn Hầu hết hệ thống mạng công nghiệp hoạt động môi trường khắc nghiệt phải đảm bảo tính ổn định cao, chống lại tác động môi trường nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu từ trường, điện trường lớn,… Vì mạng công nghiệp đòi hỏi phải đáp ứng yêu cầu sau đây: Độ tin cậy cao Đảm bảo tính ổn định sẵn sàng hệ thống Truyền tải thông tin với độ xác cao lưu lượng thông tin lớn Truyền liệu thời gian thực Có tính mở, dễ thay đổi nâng cấp giá thành rẻ Ở cấp độ trường, việc truyền dẫn liệu trình thực theo chu kỳ liệu khác tham số cấu hình, thiết lập hệ thống truyền theo kiểu phi chu kỳ Chính truyền liệu theo chu kỳ nên hệ thống bus trường hỗ trợ tốt truyền liệu theo thời gian thực Định kỳ khoảng thời gian trạm chủ đường truyền tiến hành quét đường truyền lần, khác với chế điều khiển đường truyền hệ thống mạng internet chế lắng nghe đường truyền, tức đường truyền rỗi thực việc truyền thông tin lên đường truyền Chuẩn giao thức bus trường tiêu biểu chuẩn Profibus Cơ chế truyền thông dựa chuẩn giao thức Profibus thực dựa chế chủ - thợ Trong trạm chủ thường máy tính PLC đóng vai trò điều khiển trung tâm, trạm thợ thiết bị trường Trạm chủ chủ động truy cập bus thực trao đổi thông tin với trạm thợ theo chu kỳ Ở cấp độ điều hành sản xuất thiết bị điều khiển trung tâm mức trường kết nối với máy tính chạy ứng dụng phần mềm điều hành, giám sát sản xuất thông qua hệ thống mạng Ethernet Tuy nhiên ứng dụng muốn truy cập, điều khiển thiết bị hãng cần phải cài đặt Driver riêng kèm với thiết bị máy tính chạy ứng dụng Bài toán quan trọng đặt phải xây dựng chuẩn chung cho phép tích hợp thiết bị cấp trường thuộc nhiều hãng sản xuất khác kết nối với vào hệ thống điều hành sản xuất theo cách thức quán, dễ dàng cài đặt 10 giảm giá thành lắp đặt Công nghệ OPC đời dựa thống phần lớn hãng sản xuất, công ty người dùng lĩnh vực công nghiệp giải toán 1.2 Tổng quan công nghệ OPC: Ngày hãng sản xuất thiết bị công nghiệp luôn cải tiến đưa dòng sản phẩm đáp ứng nhu cầu sản xuất kinh doanh doanh nghiệp Do phong phú thị trường thiết bị công nghiệp, chênh lệch khả tài mà doanh nghiệp lựa chọn tìm đến giải pháp tiết kiệm lắp đặt thiết bị có giá thành rẻ nhiều hãng sản xuất khác cho dây truyền sản xuất mình(các thiết bị không đồng bộ), từ nảy sinh toán khó người tích hợp hệ thống Thiết bị hãng sản xuất cần phải có khả tương thích với hệ thống chung Kiến trúc hệ thống thông tin công nghiệp phức tạp, không dừng mức sản xuất mà hệ thống giám sát điều khiển trình cần phải phục vụ cho mục đích quản lý kinh doanh Ngày phận kinh doanh quản lý sử dụng thông tin từ hệ thống giám sát điều khiển trình sản xuất để đưa chiến lược kinh doanh hay cung cấp thông tin sản phẩm sản xuất để phục vụ khách hàng cách nhanh chóng tiện lợi Kiến trúc hệ thống thông tin công nghiệp nhìn chung chia làm cấp độ: - Cấp trường: Các thiết bị điều khiển, giám sát cấp trường 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… cung cấp thông tin tình trạng sức khoẻ, tham số cấu hình, trạng thái hoạt động thiết bị để phục vụ cho việc quản lý trường sản xuất Những thông tin cần phải tổ chức sử dụng theo cách thức quán - Cấp quản lý trình: bao gồm hệ thống điều khiển phân tán, hệ thống giám sát SCADA, máy tính thu thập liệu điều hành quản lý sản xuất… Các hệ thống trao đổi liệu cho để phối hợp việc quản lý trình tốt - Cấp quản lý kinh doanh: Các ứng dụng client truy cập vào hệ thống cấp (cấp quản lý trình) để lấy liệu nhằm phục vụ cho công việc kinh doanh nhập nguồn nguyên liệu, xác nhận 73 KẾT LUẬN Việc ứng dụng công nghệ OPC hệ thống giám sát điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng có ý nghĩa quan trọng môi trường sản xuất công nghiệp Nó tạo tính thống hệ thống công nghiệp phức tạp gồm thiết bị đa hãng sản xuất phân chia nhiều cấp độ quản lý khác Nhờ việc tích hợp mở rộng hệ thống trở nên dễ dàng hơn, giảm giá thành lắp đặt Nội dung luận văn chia làm ba phần, phần đầu trình bày tổng quan công nghệ OPC kiến trúc mạng điều khiển, phần giới thiệu hệ thống điều khiển giám sát có dự phòng nóng phần cuối trình bày cụ thể bước xây dựng hệ thống điều khiển giám sát có dự phòng nóng sở công nghệ OPC từ bước khai báo cấu hình phần cứng, phần mềm đến xây dựng modun chương trình Luận văn phân tích tảng kiến trúc, vai trò chuẩn giao diện công nghệ OPC để từ xây dựng thành công ứng dụng OPC phía khách thực truyền thông qua máy chủ OPC nhằm điều khiển, giám sát tham số mà thiết bị công nghiệp quản lý Luận văn điểm cần lưu ý vấn đề bảo mật ứng dụng công nghệ OPC hệ thống công nghiệp việc xây dựng hệ thống dự phòng nóng nhằm làm tăng khả sẵn sàng độ tin cậy cần thiết Tuy nhiên lĩnh vực tự động hoá công nghiệp lĩnh vực mẻ Việt Nam, thiết bị phần mềm quyền kèm đắt chưa có điều kiện thử nghiệm hệ thống có nhiều thiết bị nhiều hãng sản xuất Tôi hy vọng tương lai phát triển, kiểm chứng đánh giá nhiều khía cạnh ưu nhược điểm công nghệ OPC 74 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 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 điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng công nghệ OPC”, nhận in Tạp chí Khoa học Công nghệ [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2004), Tự động hoá với Simatic S7-300, Nhà Xuất khoa học 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 http://www.opcfoundation.org Overview Version 1.0, [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 Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html [...]... 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... 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... 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,...73 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... 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 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tài liệu... động hoá với Simatic S7-300, Nhà Xuất bản khoa học và Kỹ thu t, 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... Conference and Workshops on the Engineering of Computer-Based Systems (ECBS'07) [9] OPC Foundation, OPC http://www.opcfoundation.org Overview Version 1.0, [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 Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at... (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,