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

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 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khóa học: TS Trương Đình Châu Cán chấm nhận xét 1: TS Trần Ngọc Huy Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Võ Công Phương Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Trọng Tài TS Nguyễn Lê Dũng TS Trần Ngọc Huy PGS.TS Võ Công Phương TS Phạm Việt Cường Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc 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, hàm chức thuộc tính hệ thống scada, từ xây dựng cơng cụ thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng Bao gồm nội cụng cụ thể sau : Nghiên cứu, phân tích cấu trúc thuộc tính hệ thống scada Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình C#, cấu trúc liệu SQL Server Nghiên cứu chuẩn giao thức truyền thơng cơng nghiệp Mơ hình hóa thuộc tính, chức năng, cấu trúc hệ thống scada theo hướng đối tượng Xây dựng chương trình 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 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA….……… LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gởi đến Thầy TS Trương Đình Châu lời cảm ơn chân thành sâu sắc Nhờ hướng dẫn bảo tận tình Thầy suốt thời gian qua thực đề cương đề tài tiếp tục hoàn thành luận văn Thạc Sĩ Những lời nhận xét, góp ý hướng dẫn tận tình Thầy giúp tơi có định hướng đắn suốt trình thực đề tài Đồng thời, xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa nói chung khoa Điện – Điện Tử nói riêng dạy dỗ suốt thời gian qua Những lời giảng Thầy Cô trang bị cho thêm kiến thức, giúp tơi tích lũy thêm ý tưởng hay bổ ích Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, cha me ln ủng hộ, động viên tinh thần cho Sự quan tâm, lo lắng hi sinh lớn lao cha mẹ động lực để cố gắng phấn đấu đường nghiệp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 06 năm 2018 Thân Học viên HỒ NGỌC TÀI TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngày nay, xu hướng tự động hóa xu hướng tồn cầu, giúp nâng cao hiệu suất làm việc, nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng tính cạnh tranh sản xuất kinh doanh Chi phí đầu tư để xây dựng, thiết kế hệ thống Scada tương đối lớn nên cịn hạn chế áp dụng cho hệ thống có qui mô vừa nhỏ Mặt khác, công nghệ hệ thống Scada từ nước ngồi nên khó làm chủ công nghệ nâng cấp hệ thống Trong luận văn này, tác vào xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng dựa sở cấu trúc thành phần chức hệ thống Scada Đề tài xây dựng phần mềm visual studio 2015, ngôn ngữ lập trình C# Hệ thống thử nghiệm vận hành thực tế với hệ thống 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 công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học TS Trương Đình Châu Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại học Bách Khoa TP HCM không liên quan đến vi phạm (nếu có) tác quyền, quyền tơi gây q trình thực 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 Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan hệ thống 1.2 Khái quát phân tích số phần mềm Scada 1.3 Mục tiêu đề tài .5 Tổng quan 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 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 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 liệu hệ thống 16 Kỹ thuật xây dựng Image Manager 17 Kỹ thuật xây dựng Tag Manager 18 Kỹ thuật xây dựng thư viện đối tượng 18 Kỹ thuật xây dựng Faceplate điều khiển đối tượng 20 Kỹ thuật xây dựng Trend 21 Kỹ thuật xây dựng Report 22 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 Tổng quan hệ thống Coal Boiler 28 Áp dụng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng vào hệ thống Coal Boiler 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 Kết đạt 47 Phân tích đề tài 52 Hướng phát triển đề tài 53 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Ký hiệu Tên hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng 11 đối tượng Hình 2.2 Lưu đồ giải thuật công cụ thiết kế ứng dụng Scada 13 hướng đối tượng Hình 2.3 Lưu đồ giải thuật kết nối OPC DA 14 Hình 2.4 Lưu đồ giải thuật kết nối OPC UA 15 Hình 2.5 Cấu trúc bảng mapping liệu 16 Hình 2.6 Cấu trúc cơng cụ Image Manager 18 Hình 2.7 Cấu trúc cơng cụ Tag Manager 19 Hình 2.8 Cấu trúc đối tượng thư viện 20 Hình 2.9 Giao diện faceplate điều khiển motor 21 Hình 2.10 Đồ thị Trend biểu diễn trạng thái vận hành Mixer 23 Hình 2.11 Giao diện cơng cụ report 24 Hình 2.12 Giao diện cơng cụ Alarm/ event 28 Hình 3.1 Tổng quan hệ thống Coal Boiler 29 Hình 3.2 Bảng thơng số điều khiển PID thiết bị 31 Sau F2904 vận hành, tiếp đến khởi động động F2902 (FDF1) chế độ tay Hình 3.18: Vận hành động F2902 (FDF1) với tần số 40Hz Quan sát kết chương trình, hệ thống scada thiết bị thực tế Kết sau: Hình 3.19: Kết điều khiển hệ thống scada chương trình 41 Theo quy trình tương tự điều khiển vận hành tồn động lại hệ thống để điều hịa khơng khí cho lị, chuẩn bị q trình nung lị Hình 3.20: Giao diện hệ thống scada sau vận hành tồn hệ thống điều hịa khơng khí Hình 3.21: Giao diện chương trình sau vận hành tồn động cho hệ thống điều hịa khơng khí 42 Sau khởi động hệ thống điều hịa khơng khí, kiểm tra thỏa mãn điều kiện nhiệt độ, áp suất lò, ta khởi động vận hành hệ thống cung cấp nước Khởi chạy máy bơm cung cấp nước từ nhà máy đến bồn chứa lị Hình 3.22: Vận hành máy bơm BP2901B (FWP2) Khi vận hành máy bơm BP2901B, van điều tiết LCV-2901 động mở theo cài đặt điều tiết lượng nước tới lị Hình 3.23: Trạng thái vận hành hệ thống scada hữu Tuần tự vận hành hệ thống theo quy trình, kết chương trình vận hành ổn định hiệu việc giám sát điều khiển hệ thống Giao diện hệ thống sau hoàn thành khởi động ổn định sau: 43 Hình 3.24: Giao diện chương trình sau vào hoạt động Thơng số điều khiển PID tồn hệ thống Hình 3.25: Bảng thơng số cài đặt điều khiển PID thiết bị hệ thống Chương trình cung cấp cơng cụ report cho hệ thống, report cập nhật xuất file báo cáo dạng file xlsx với giao diện sau: 44 Hình 3.26: Giao diện file report chương trình Các file report tự động lưu lại mục thư mục quy định sẵn người vận hành sau: Hình 3.27: Lưu file report chương trình Dữ liệu chương trình lưu lại historian backup lại tự động theo chu kỳ dạng file csv, nhằm hỗ trợ người vận hành truy xuất cần thiết Những liệu lưu theo thời gian đánh số để dễ theo dõi quản lý 45 Hình 3.28: Dữ liệu backup chương trình 46 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TỪ VIỆC XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG Kết đạt Công cụ thiết kế ứng dụng scada hướng đối tượng ứng dụng việc thiết kế chương trình giám sát, điều khiển hệ thống Coal Boiler Kết đạt sau  Hệ thống hoạt động hiệu quả, tốc độ xử lý nhanh  Số lượng tag hệ thống quản lý hiệu 500 tag  Kết nối truyền thông chương trình hệ thống ổn định  Giao diện giám sát, điều khiển trực quan, sinh động  Các công cụ chức trend, report xuất giá trị xác, tương đồng với hệ thống hữu cho kiểm chứng khoảng thời gian… Vì vậy, luận văn đáp ứng mục tiêu đề tài đặt Sau số kết đạt đề tài:  Giao diện giám sát, điều khiển hệ thống thiết kế trực quan, sinh động Giao diện đầy đủ công cụ hỗ trợ cho người sử dụng việc thiết kế hệ thống (thanh công cụ, chức thao tác nhanh, đồ họa…) 47 Hình 4.1: Giao diện tổng quan chương trình  Thư viện xây dựng với đầy đủ đối tượng, thiết bị cần thiết cho hệ thống (bao gồm đối tượng motor, mixer, pump, valve, sensor, tank, parameter…) Hình 4.2: Thư viện đối tượng chương trình 48  Các faceplate thiết kế cho nhóm đối tượng có cấu trúc Mỗi faceplate thiết kế trực quan, sinh động, hiển thị đầy đủ thông số đối tượng, hỗ trợ tối đa cho người vận hành giám sát điều khiển thiết bị o Faceplate điều khiển thiết bị chấp hành Display Alarm Display Tagname Display image Auto/Man button Start/Stop button Status Auto/Man Status Alarm Status Run/Stop Status Interlock Ignore button Status Fault Hình 4.3: Faceplate điều khiển thiết bị chấp hành o Faceplate điều khiển thiết bị analog Display Image Display TagName Ignore button Status Alarm Simulation button Status Simulation High High Value High Value Low Value Display Value Low Low Value High Scale Value Low Scale Value Setpoint Value Process Value Hình 4.4: Faceplate điều khiển thiết bị tín hiệu analog o Faceplate điều khiển thiết bị digital 49 Display Image Display TagName Ignore button Status Alarm Simulation button Status Simulation Status On/Off Off button Status Fault On button Hình 4.5: Faceplate điều khiển thiết bị tín hiệu digital  Cấu trúc sở liệu thiết kế chặt chẽ tảng SQL Server Cơ chế trao đổi, phân vùng cấu trúc liệu phân chia rõ ràng hoạt động ổn định, tốc độ xử lý cao, hiệu suất tốt Hình 4.6: Cấu trúc sở liệu hệ thống  Giao thức truyền thông thiết kế, xây dựng kết nối tới nhiều dòng thiết bị điều khiển, thiết bị ngoai vi… để trao đổi liệu Ngoài ra, hệ thống thiết kế hỗ trợ trao đổi liệu thông qua chuẩn OPC UA (một chuẩn giao thức mới) 50  Cấu hình hệ thống tối giản, giảm chương trình cài đặt cần thiết cần chạy chương trình Chương trình chạy framework window nên hỗ trợ có sẵn hệ điều hành  Các cơng cụ hỗ trợ chức giám sát, báo cáo report, trend, alarm/event… thiết kế sinh động, hoạt động hiệu Công cụ trend hỗ trợ người vận hành xem liệu thiết bị khoảng thời gian cho trước cập nhật realtime với thời gian cập nhật 100ms Report hỗ trợ nguời vận hành lập báo cáo, chương trình hỗ trợ người vận hành chức tự thiết kế giao diện điều chỉnh giao diện hiển thị báo cáo, khoảng thời gian lấy mẫu, chu kỳ lấy mẫu…  Các công cụ quản lý chức Image manager, Tag manager thiết kế trực quan hỗ trợ người dử dụng thao tác nhanh chóng hiệu o Cơng cụ Image manager Hình 4.7: Cơng cụ Image manager o Cơng cụ Tag manager 51 Hình 4.8: Cơng cụ Tag manager Phân tích đề tài Hệ thống thiết kế, xây dựng truyền thông với thiết bị thông qua giao thức OPC Server (OPC UA OPC DA) nên để vận hành hệ thống cần có license OPC Server OPC Server hỗ trợ kết nối liệu với dịng thiết bị khác nhau, máy tính với thông qua chế độ master – client…tất thơng qua cổng kết nối Ethernet Tồn chương trình thiết kế vận hành giao diện phần mềm visual studio 2015, ngơn ngữ lập trình C#, sở liệu historian thiết kế SQL Server nên cài đặt vận hành hệ thống không cần cài đặt nhiều chương trình hỗ trợ tối ưu yêu cầu cấu hình cài đặt hệ thống Cấu trúc hệ thống thiết kế, quản lý theo cấu trúc hình cây, nhiều lớp, nhiều mảng hoạt động riêng biệt, độc lập liên kết chặt chẽ với nên hệ thống hoạt động ổn định, hiệu Dữ liệu hệ thống xử lý độc lập, song song nên tốc độ xử lý nhanh xác Các đối tượng thiết kế, xây dựng theo cấu trúc nhiều lớp, lớp đảm nhận chức riêng biệt đáp ứng đặc tính thiết bị thực tế Mỗi đối tượng thiết kế chương trình xử lý, kết nối có vùng nhớ tạm riêng liên kết trực tiếp đến historian thư viện đồ họa chương trình nên đối tượng xử lý độc lập Cấu trúc đối tượng xây dựng theo nhiều lớp với chức cụ thể, nên 52 thiết kế có tính kế thừa thiết kế, xây dựng đối tượng có chức tương tự Mặt khác, đối tượng có xử lý riêng nên vận hành song song đồng thời với hệ thống, dẫn đến trường hợp bị xung đột số trương hợp định dẫn đến tốc độ xử lý bị hạn chế mở rộng số lượng tagname Thư viện đồ họa hệ thống thiết kế mở, cho phép người sử dụng mở rộng, nâng cấp cần thiết Thuật toán kết nối liệu thông qua bảng mapping giúp cho hệ thống quản lý rõ ràng, thống nhất, tăng tốc độ xử lý hệ thống, thuận lợi việc điều chỉnh kết nối liệu đến đối tượng Từ phân tích trên, hệ thống có ưu nhược điểm sau: Ưu điểm đề tài:  Hệ thống hoạt động với tốc độ xử lý nhanh hiệu suất cao  Cấu hình hệ thống tối ưu, dễ dàng cài đặt thiết kế, vận hành hệ thống  Giao diện vận hành, thiết kế, giám sát điều khiển trực quan sinh động  Hệ thống truyền thơng với nhiều chủng loại thiết bị thông qua nhiều chuẩn giao thức khác  Thư viện đối tượng đa dạng, đầy đủ loại thiết bị  Thuận lợi mở rộng nâng cấp chương trình cần thiết  Chi phí đầu tư thấp  Đáp ứng đầy đủ chức hệ thống Scada Hạn chế đề tài:  Hệ thống truyền thông qua OPC Server nên cần license hỗ trợ vận hành hệ thống  Tốc độ xử lý hệ thống bị hạn chế số lượng tag xử lý chương trình 500 tag (thời gian xử lý lâu khoảng 300ms)  Độ ổn định tin cậy hệ thống chưa cao Hướng phát triển đề tài 53 Để hệ thống ứng dụng rộng rãi trình sản xuất, hệ thống cần bước cải tiến sau:  Cải tiến, nâng cấp cấu trúc, giải thuật thu thập, xử lý quản lý liệu đồng bộ, hiệu hơn, nhằm tăng tốc độ xử lý hệ thống, mở rộng số lượng tagname lúc, tránh trường hợp bị gián đoạn làm ảnh hưởng tốc độ chương trình  Mở rộng thư viện đối tượng, đa dạng hóa thiết bị đồ họa hệ thống  Hoàn thiện, mở rộng thêm nhiều chuẩn truyền thơng cho dịng thiết bị  Tối ưu việc đóng gói sản phẩm  Nâng cấp giao diện đồ họa người dùng đa dạng, phong phú trực quan  Mở rộng, hỗ trợ thêm nhiều chức cho hệ thống Những yêu cầu cần thiết để cài đặt vận hành chương trình:  Phần mềm visual studio 2015 (hoặc cao hơn)  SQL Server 2012 (hoặc cao hơn)  OPC Server  Hệ điều hành window (hỗ trợ từ window cao hơn) 54 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: HỒ NGỌC TÀI Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1992 Nơi sinh: Phú Yên Địa liên lạc: khu phố Trường Xuân,TT Chí Thạnh, huyện Tuy An, tỉnh Phú Yên Điện thoại: 0164.9764.643 Email: autocontrol.hntai@gmail.com Khóa (năm trúng tuyển): 2015 – Đợt QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 2010 – 2015: sinh viên đại học quy trường Đại học Bách Khoa TPHCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa 2015 – đến nay: học viên cao học trường Đại học Bách Khoa TPHCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Q TRÌNH CƠNG TÁC: 03/2015 – 06/2017: kỹ sư Tự động hóa – Cty cổ phần công nghệ tự động Tân Tiến 07/2017 – đến nay: kỹ sư thiết kế hệ thống điện – Cty cổ phần Tư vấn xây dựng Điện 55 ... PID thiết bị Áp dụng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng vào hệ thống Coal Boiler nhà máy AGC VietNam Công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng ứng dụng việc thiết kế, xây dựng. .. công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng Tổng quan kỹ thuật xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng Tổng quan phương pháp thiết kế hệ thống: hướng cấu trúc hướng đối tượng. .. quan 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 Kỹ thuật xây dựng cấu trúc