Phân tích, thiết kế và xây dựng hệ thống phân bố, mở, thu thập dữ liệu và điều khiển

Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ DIỆP QUỐC TUẤN PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN BỐ, MỞ, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành Mã ngành : : TỰ ĐỘNG HÓA 02.05.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2006 Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Cán chấm nhận xét : PGS TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ Cán chấm nhận xét : TS HOÀNG MINH TRÍ Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ DIỆP QUỐC TUẤN Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1979 Chun ngành: Tự động hóa Phái : Nam Nơi sinh: Khánh Hòa MSHV: 01504388 I- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN BỐ, MỞ, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Phân tích ưu khuyết điểm thành phần hệ thống điều khiển giám sát_DCS thị trường tự động hóa công nghệ - Xây dựng hệ thống mở mang tích chất thừa kế công nghệ III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU CN BỘ MƠN QL CHUN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chun ngành thơng qua TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn LỜI CẢM ƠN Luận văn hòan thành tốt đẹp cố gắng thân, xin chân thành cám ơn giúp đỡ thầy, cô môn Điều khiển Tự động trực tiếp giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức q báu suốt thời gian học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trương Đình Châu, người gợi ý tận tình hướng dẫn suốt trình thực luận văn Xin chân thành cám ơn ý kiến đóng góp động viên bạn bè giúp hoàn thiện luận văn TP HCM,ngày 10 tháng 11 năm 2006 Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn MỤC LỤC Chương I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN .1 Đặt vấn đề Mục tiêu đề tài .2 Hướng thực đề tài luận văn .2 Chương II PHÂN TÍCH HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ/GIÁM SÁT Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu-SCADA Giới thiệu Moâ hình phân lớp chuẩn hệ thống điều khiển giám sát Cấu trúc Chức 10 Network 10 Ngoân ngữ lập trình .11 Cơ sở liệu 11 Đồ họa 12 Cảnh báo kieän (Alarm and Event) 12 10 Phương pháp kết nối với thiết bị I/O thiết bị ứng dụng 12 11 Cơ cấu mở (Openness) .12 Hệ thống điều khiển phân tán-DCS .14 Khái niệm hệ thống điều khiển phân tán DCS .14 Mô hình phân lớp hệ thống điều khiển DCS .15 Các mô hình mạng hệ thống điều khiển phân tán 18 Hệ phân tán công nghệ hướng đối tượng phân tán 19 Hệ phân tán ứng dụng phân tán 19 Đối tượng phân tán .21 Chương III OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) .24 Giới thieäu OPC 25 Sơ đồ moät OPC 27 Tương tác OPC Client OPC Server 27 Đặc tả OPC DA 29 Các giao diện cần phải có OPC DA: 29 Cách thức trao đổi thông tin OPC DA Server OPC DA Client 30 Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Đặc tả OPC Alarms & Events (OPC AE) .33 Giới thiệu OPC Alarms & Events 33 Giao dieän cuûa OPC AE 35 Sự liên lạc OPC AE Server OPC AE Client 37 Đặc tả Historical Data Access (OPC HDA) 38 Chương IV COM/DCOM VÀ THỜI GIAN THỰC 40 Thời gian thực 41 Hệ thống thời gian thực 41 Xử lý thời gian thực 42 Mỗi hệ thống điều khiển hệ thời gian thực 45 Công nghệ hướng đối tượng .46 Công nghệ hướng đối tượng gì? 46 Tự động hóa công nghệ hướng đối tượng 50 Công nghệ hướng đối tượng COM/DCOM 51 Giao dieän 51 Sự tạo thành đối tượng .53 Giaù trị trả phương pháp .54 Thông số nhận dạng 54 Đăng ký DCOM vào Registry 55 Sử dụng luồng 55 Thiết lập kết nối callback 56 Proxy vaø Stub .57 Hệ thống thời gian thực sử dụng COM/DCOM 58 Chương V THIẾT KẾ HỆ THỐNG MỞ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ 60 Hệ thống mở .61 Hệ thống điều khiển phân tán 62 Thieát kế hệ thống “mở” thu thập liệu điều khiển phân bố .63 OPC Data Access Server 65 OPC Historical Data Access Server 68 OPC Alarm & Event Server .71 OPC Data Access Client 72 OPC Historical Data Access Client 74 OPC Alarm & Event Client .77 Chương VI THI CÔNG & KẾT QUẢ .79 Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Thi công hệ thống 80 Server 80 User Client 83 HMI / SCADA Software 84 Kết luận 88 Hướng phát triển đề tài 88 Tài liệu tham khaûo 89 Luận văn thạc sỹ Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần theo tiến khoa học kỹ thuật, công công nghiệp hóa đại hóa đất nước diễn tốt đẹp Trước tình hình có nhiều yêu cầu cấp bách thách thức đặt cho giới trí thức Luận Văn hoàn thành khoảng thời gian ngắn khối lượng công việc tương đối lớn bao gồm việc nghiên cứu, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, tập luận văn bộc lộ thiếu sót hạn chế Để cho đề tài hoàn thiện nữa, sinh viên thực đề tài mong nhận góp ý thầy cô bạn Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2006 Học viên thực Võ Diệp Quốc Tuấn Chương TỔNG QUAN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan đề tài luận văn Trang Đặt vấn đề Khẳng định vai trò quan trọng công nghệ tự động chiến lược công nghiệp hoá đại hoá kinh tế nước ta việc có ý nghóa, tạo khả phát triển kinh tế với tốc độ cao, vững lâu dài Ở nước có công nghiệp tiên tiến việc tự động hoá ngành kinh tế, kỹ thuật có khí chế tạo thực từ nhiều thập kỷ trước Sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày nhanh góp phần nâng cao suất lao động Hệ thống SCADA từ bước phát triển đầu tiên: hệ thống truyền tin báo hiệu, hệ thống điều khiển tập trung, DCS, ngày phát triển đến mức hệ thống điều khiển mang tính chất đa cấp, đa thành phần từ phần cứng phần mềm Có nhiều hệ thống SCADA hãng tiếng giới xây dựng hệ thống không mang tính chất mở Nguyên nhân tính cạnh tranh thị trường tự động hóa công nghiệp, thêm vào thiếu cấu trúc chuẩn sở xây dựng lên hệ thống mở Những hệ thống SCADA không mang tính chất mở nói gây nhiều vấn đề việc thiết kế, triển khai, sử dụng đặc biệt vấn đề tích hợp thành phần tự kết không mang lại hiệu kinh tế cho người sử dụng Vì vậy, cần phải thiết kế xây dựng hệ thống thu thập liệu điều khiển mang tính chất mở để tạo điều kiện tối ưu cho người sử dụng đặc biệt mở cho thành phần bên kết nối, tận dụng thừa kế hiệu hệ thống Mục tiêu đề tài Như tên đề tài: ‘Phân tích, thiết kế xây dựng hệ thống mở thu thập liệu điều khiển phân bố’ luận văn phân tích ưu điểm, khuyết điểm hệ thống SCADA sở thiết kế hệ thống thu thập liệu điều khiển phân bố dựa phương pháp truyền thông đáp ứng yêu cầu mở, real-time – OPC (OLE for Process Control) Hướng thực đề tài luận văn Luận văn nghiên cứu công nghệ truyền thông, hệ thống điều khiển giám sát điều khiển phân tán sau: - OPC Data Access – truy cập liệu thời gian thực - OPC Alarm and Event – truy cập liệu báo động kiện Chương Trang 77 OPC Alarm & Event Client Nhiệm vụ OPC AE client nhận thông tin từ OPC AE server hiển thị lên hình để cảnh báo kiện xảy Đây thông số quan trọng hệ thống điều khiển, qua người sử dụng nhận biết nhận xét kiện xảy trình sản xuất, dùng alarm event để đánh giá chất lượng sản phẩm…Thông qua giao diện OPC AE, AE client nhận kiện xảy kịp thời xác Một chương trình OPC AE client thực sau: - Khởi tạo DCOM - Lấy thông tin OPC AE Server int NumberOfOPC_AEServers (LPCSTR MachineName); BOOL GetOPC_AEServerName (int index, char *pBuf, int BufSize); - Thiết lập kết nối với OPC AE server HANDLE ConnectOPC_AE(LPCSTR MachineName, LPCSTR ServerName); - Cấu tạo AE subscription BOOL Create_AE_Subscription (HANDLE hConnect, SubscriptionHandle, DWORD *pBufferTime, DWORD *pMaxSize); GVHD: TS Trương Đình Châu HANDLE Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 78 - Tạo giao diện người dùng - Một số hàm khác sử dụng: BOOL GetAESvrStatus (HANDLE hConnect, OPCEVENTSERVERSTATUS *pSvrStatus, int VendorInforBufSize); BOOL Refresh_AE_Subscription hSubscription); (HANDLE HRESULT AckCondition (HANDLE hConnect, DWORD dwCount, LPWSTR szAcknowledgerID, LPWSTR szComment, LPWSTR *pszSource, LPWSTR *pszConditionName, FILETIME *pftActiveTime, DWORD *pdwCookie, HRESULT **ppErrors); GVHD: TS Trương Đình Châu hConnect, HANDLE Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương THI CÔNG & KẾT QUẢ Chương Trang 80 Thi công hệ thống Sau thời gian cố gắng nghiên cứu lý thuyết, lập trình phần mềm OPC nghiên cứu phần mềm SCADA Citect, ta thiết kế thi công hệ thống mở thu thập liệu điều khiển phân bố hình sau: Server Nhiệm vụ máy tính server kết nối với thiết bị phần cứng thông qua cổng Com, thu thập liệu từ phần cứng qua OPC DA server Ngoài có OPC HDA server OPC DA server Thông qua server này, máy tính server cung cấp giao diện OPC để máy mạng LAN truy xuất liệu, nhận cảnh báo kiện, phân tích thu thập liệu… Các chương trình thiết kế server: GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương - OPC DA server - OPC DA server simulation GVHD: TS Trương Đình Châu Trang 81 Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương - OPC HDA server - OPC AE server GVHD: TS Trương Đình Châu Trang 82 Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 83 User Client Nhiệm vụ máy user client thông qua giao diện OPC kết nối với OPC Server máy tính server để hiển thị, cảnh báo kiện…Các chương trình chạy máy user client bao gồm: OPC DA client, OPC HDA client vaø OPC AE client - OPC DA client - OPC HDA client GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương - Trang 84 OPC AE client HMI / SCADA Software HMI / SCADA software thông qua giao diện OPC để kết nối mở đến OPC Server Với hệ thống thiết kế mở hoàn toàn trên, số phần mềm HMI/SCADA thương mại dùng máy trạm để tận dụng tính mạnh phần mềm Là máy tính thực thi chương trình SCADA thương mại hãng Citect, điều thấy: với chuẩn giao tiếp OPC, chương trình hãng khác tương tác với cách tự do, tương thích hoàn toàn Thiết lập kết nối từ Citect tới OPC Server Các hình sau trình bày cách thức kết nối từ Citect tới OPC server GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương GVHD: TS Trương Đình Châu Trang 85 Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 86 Thiết lập tag, trend tag Để sử dụng liệu Citect, trước tiên ta phải tạo tag kết nối với OPC hình sau: - Variable Tags: - Trend tags GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 87 Một số hình ảnh Citect sử dụng liệu OPC DA Server GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 88 Kết luận Hệ thống vừa thực thi chứng minh hệ thống thiết kế với đầy đủ yêu cầu mở phân tán Chúng ta kết nối, thay thành phần hệ thống cách đơn giản nhanh chóng, hệ thống kết nối với thiết bị phần cứng, phần mềm hãng thứ Với hệ thống mở thu thập liệu điều khiển phân bố thiết kế trên, hệ thống có đặc tính sau: • Mở - Hệ thống thiết kế theo chuẩn giao tiếp OPC - Định nghóa tất thông số, giao diện hệ thống để dễ dàng cho việc thêm tạo thành phần hệ thống, thuận tiện cho việc mở rộng - Việc mở rộng nâng cấp thông qua việc thêm vào nâng cao tính thành phần ảnh hưởng tới hệ thống • Phân tán - Dễ dàng thay đổi nâng cấp mà không ảnh hưởng đến trình khác - Dễ dàng mở rộng - Giảm giá thành dây thông tin trao đổi qua mạng - Dễ dàng cung cấp giao diện điều khiển thiết bị - Dễ khắc phục cố - Điều khiển trình thực tốt công việc có cố số điều khiển khác Hướng phát triển đề tài Một số hướng phát triển cho đề tài sinh viên thực xin nêu là: Giao diện người dùng PC cần phải hoàn thiện thêm Nghiên cứu thêm đặc tả OPC khác để hệ thống có nhiều tính GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 89 Tài liệu tham khảo Các tài liệu tham khảo sử dụng để hoàn thành luận văn gồm có [1] Txomin Nieva, Alain Wegmann A conceptual Model for remote data acquisition systems Computer in industry 47, 2002, pp 215-237 [2] DCOM Tutorial ©Software Toolbox 2006, 345 pages [3] Dale Rogersion Inside COM Microsoft Press, 1997, 372 pages [4] Thosmas Hadlich, Thorsten Szczepanski OPC – Making the fieldbus Interface Transparent, 12 pages [5] MSDN Library October 2001 Realease, Microsoft Corp., 2001 [6] David Baley, Edwin Wright Practical SCADA for Industry Newnes, 2003, 298 pages [7] Software toolbox URL: http://www.softwaretoolbox.com [8] Iwanitz F., Lange J OPC, Fundamentals, Implementation, and Application Huthing GmbH&Co KG, Heidelberg, 2002, 221pages [9] CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2CSRM1(-V2) Programmable Controllers âOMRONđ, 1999, 523 pages [10] D Chen, A.K.Mok, M.Nixon Providing real-time support through component object model Microprocesscors and Microsystems 1999.pp 145-154 [11] Protocol Manual: Profibus ©Woodhead Software & Electronics, 2004, 116 pages [12] OPC Foudation OPC Data Access Custom Interface Specification 2003, 199 pages [13] OPC Foudation OPC Alarm and Event 1.10 Specification 2002, 135 pages [14] OPC Foudation OPC Historical Data Access 1.20 Specification 2003, 160 pages GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn Chương Trang 90 [15] Johnson M.Hart Windows System Programming Third Edition Addison Wesley Professional, 2004, 576 pages [16] White paper Process Automation intergration using OPC 2003, 15 pages [17] Paul Fisher Real-time Extensions to OPC Real-time Magazine, 1998, pages [18] KEPWare Inc Acessing KEPServerEx from your OPC Client 2000, 88 pages [19] Citect Pty Limited CitectSCADA - CitectHMI User Guide 722 pages GVHD: TS Trương Đình Châu Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: VÕ DIỆP QUỐC TUẤN Sinh ngày: 30 – 10 – 1979 Dân tộc: Kinh Quốc tịch: Việt Nam Quê quán: Khánh Hòa Địa thường trú: Thị trấn Vạn Giã, Huyện Vạn Ninh, Tỉnh Khánh Hòa Điện thoại: 0909376808 Email: votuandktd@yahoo.com Quá trình đào tạo Bậc đào tạo Đại học Thạc sỹ Q trình cơng tác Thời gian (từ năm … đến năm) 2003 - 2004 2004 - 2006 2006 - Nơi đào tạo Trường ĐHBK-ĐHQG Tp.HCM Trường ĐHBK-ĐHQG Tp.HCM Chun mơn Điện - Điện tử Tự động hóa Năm tốt nghiệp 2003 2006 Vị trí cơng tác Cơ quan công tác Địa quan Kỹ sư Kỹ sư Cty TNHH Nissey Cty TNHH Xuân Phi Cty TNHH Hải Sơn Q7 Q7 Kỹ sư GVHD: TS Trương Đình Châu Q10 Học viên: Võ Diệp Quốc Tuấn ... I- TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN BỐ, MỞ, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Phân tích ưu khuyết điểm thành phần hệ thống điều khiển giám sát_DCS... HỆ THỐNG MỞ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ 60 Hệ thống mở .61 Hệ thống điều khiển phân tán 62 Thiết kế hệ thống “mở” thu thập liệu điều khiển phân bố .63... II PHÂN TÍCH HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ/GIÁM SÁT Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu- SCADA Giới thiệu Mô hình phân lớp chuẩn hệ thống điều khiển