b. Lấy mẫu dữliệu trong không gian nút
3.2.2.Hệ thống giám sát & điều khiển điều hòa nhiệt độ ứng dụng bộ công cụ
cụ OPC UA Client-Server SDK kết nối giao thức Modbus
Hình 3.8. Mô hình hệ thống bài toán 2
Hệ thống cần triển khai sử dụng 2 đặc tả: OPC UA dùng cho phát triển hệ thống phần mềm điều khiển và quản lý hệ thống công nghiệp, Modbus là giao thức kết nối giữa các thiết bịđiều khiển và tựđộng hóa.
Giao thức Modbus sử dụng trong quản lý và điều khiển thiết bịđiều hòa nhiệt
độ bao gồm Sensor đo nhiệt độ, độ ẩm và thiết bịđiều khiển (Lớp các thiết bị trường). Phần cứng được sử dụng sử dụng chếđộ truyền Modbus RTU.
Lớp tự động hóa: Thực hiện kết nối OPC UA Server và các thiết bị Modbus. OPC UA Server đọc ghi dữ liệu từ các thiết bịModbus qua các hàm điều khiển.
Lớp quản lý giám sát: Bộ OPC UA Server/OPC UA Client hoàn chỉnh cho hệ
thống. Mỗi Server có thể cho phép kết nối từ nhiều Client và tương tự một Client có thể thực hiện kết nối đến các Server khác nhau.
79
3.2.2.1. Kết nối thiết bị với OPC UA Server thông qua Modbus
Bảng 3.7. Các thanh ghi Modbus của thiết bị và chức năng
Hệ thống này đã được triển khai dựa trên một mô hình hoàn chỉnh OPC UA Server và OPC UA Client kết nối tới các thiết bị Modbus. Ởđây là các sensor của thiết bịđiều hòa nhiệt độ, truyền thông với Modbus qua RS485 và qua Client sử dụng giao thức TCP/IP. Hệ thống này được thiết kếđể giám sát các thiết bịđiều hòa nhiệt độ trong một tòa nhà hoặc một xí nghiệp. Các thiết bị tại tầng dưới giao tiếp với các thiết bị khác dựa trên chuẩn Mobus thông qua OPC UA Server, cung cấp các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái của thiết bịđiều hòa nhiệt độ, từđó người giám sát có thểđưa ra quyết
định thích hợp đểđiều chỉnh nhiệt độ hoặc bật, tắt các thiết bị từ xa mà không cần trực tiếp tương tác với thiết bị vật lý. Hệ thống này cũng có thể mở rộng với đa số các thiết bị sử dụng giao thức Modbus hiện nay.
OPC UA Server: Dựa trên kiến trúc của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK, nghiên cứu này hướng tới mục tiêu triển khai thành công kiến trúc OPC Server-Client.
Trong đó, Server kết nối với các thiết bị Sensors của điều hòa nhiệt độ sử dụng Modbus thông qua RS485, chế độ truyền RTU, kết nối qua cổng Com nhờ Converter RS485/RS232. Server kiểm tra trạng thái về nhiệt độ, độẩm, sựtương tác với các thiết bị sử dụng Modbus thông qua điều kiện nhiệt độ để thực hiện hoạt động điều khiển (Server kết nối đến thiết bị Sensor dùng Modbus của thiết bị điều hòa nhiệt độ…).
80
Server dùng các hàm chức năng để thực hiện việc truy vấn dữ liệu từ các Sensors này
đểđưa ra các điều kiện về nhiệt độ, độẩm của môi trường theo chuẩn Modbus.
OPC UA Client: Client kết nối tới Server để giám sát các thông số của thiết bị đồng thời kiểm tra Server và gọi các phương thức cho phép trên không gian địa chỉ.
Người quản lí Client chịu trách nhiệm theo dõi các hoạt động của hệ thống cũng như đưa ra các quyết định bật, tắt hay điều khiển nhiệt độ, độẩm trong tòa nhà. Bảng điều khiển được hiện lên thông qua Client. Client được thiết kếđể giám sát một hoặc nhiều thiết bịđiều hòa nhiệt độ trong hệ thống Modbus, đặt giá trị nhiệt độ, độẩm cũng như
gọi các phương thức trên Server được cung cấp bởi Server thông qua các dịch vụ. Trong ứng dụng này Modbus Master được thiết kế cho việc kết nối tới các thiết bị
có chuẩn Modbus và tập hợp các thông tin từcác thiết bị Modbus Slaves bao gồm các thông tin từ Sensor, hỗ trợ cho việc điều khiển thiết bị. Với thành công trong việc phát triển bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK dựa trên chuẩn OPC UA sử dụng giao thức Modbus sẽ cho phép kết nối với bất kì thiết bịđiều hòa không khí nào sử dụng giao thức Modbus. Mô hình kết nối giữa OPC Client-Server với các thiết bị sử dụng giao thức Modbus đã chỉra được ưu điểm của kiến trúc OPC UA và sựtác động của nó
đối với hệ thống công nghiệp là có tiềm năng mở rộng lớn đối với các thiết bị sử dụng giao thức Modbus nói riêng và các chuẩn công nghiệp khác nói chung. Hệ thống OPC UA Server và Client kết nối với thiết bị SENSIRION FLEX 1000 cho phép giám sát,
điều khiển các thiết bịđiều khiển điều hòa nhiệt độ sử dụng Modbus trên kiến trúc OPC UA. Từđó có thể mở rộng phát triển hệ thống, hỗ trợ thêm nhiều thiết bị Modbus cho các hệ thống công nghiệp, không chỉ dừng lại ở thiết bịđiều hòa nhiệt độ mà tiến tới mở rộng ra hệ thống các thiết bị máy móc công nghiệp hoặc điều khiển thông minh cho
các căn hộ cao cấp gồm các thiết bịđa dạng khác nhau. Chi phí phát triển đối với hệ
thống giảm được tối thiểu: Đảm bảo hệ thống tương tác với số lượng lớn thiết bị sẵn có dùng Modbus và thích hợp với nhiều môi trường khác nhau như công sở, doanh nghiệp,
xưởng sản xuất… Hệ thống điều khiển của các thiết bịđiều hòa nhiệt độ của các tòa nhà hay những ngôi nhà thông mình hoàn toàn có thểđược thiết kế và phát triển bởi từ
công cụ OPC UA Client-Server SDK. Hệ thống này để giám sát và tối ưu hóa các hoạt
động của các thiết bị trong tòa nhà. Hơn nữa, hệ thống còn đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng dựa trên sự kiểm soát phù hợp về nhiệt độvà độẩm của môi trường. Sự phát triển của hệ thống bao gồm 2 chức năng: Chức năng giám sát: dùng để giám sát nhiệt độ, độẩm và thời gian hoạt động, lượng điện tiêu thụ, trạng thái bật tắt và định mức nhiệt độ, độẩm của các thiết bịđiều hòa nhiệt độ trong tòa nhà. Chức năng quản lý: quản lý nhiệt độ, độẩm để thay đổi sao cho phù hợp với yêu cầu và nhiệt độ môi
trường; để tắt, bật các thiết bịđiều hòa nhiệt độ.
Giới thiệu các thành phần trong hệ thống: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thiết bị: Thiết bị sensor sử dụng Modbus. Ởđây tác giả sử dụng Module Flex 1000 với các sensor đo nhiệt độ, độẩm
81
OPC UA Server: Chương trình do tác giả phát triển là ứng dụng dạng Console thực hiện kết nối với các thiết bị ngoại vi dùng Modbus.
OPC UA Client: Ứng dụng Client chạy trên PC có giao diện tương tác với Server và hỗ trợngười giám sát trong việc cập nhật các thông số và điều chỉnh thông số của thiết bịđiều hòa nhiệt độ.
3.2.2.2. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào bài toán 2
Dựa vào bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã xây dựng ởchương 2, tác giả
tiến hành áp dụng vào bài toán giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ. Hình 3.9 mô tả quá trình xây dựng Controller – làm nhiệm vụ xây dựng không gian địa chỉ,
lưu trữ dữ liệu thông tin của thiết bị thông qua giao thức Modbus. Đây là mô hình controller của hệ thống, tức là mỗi đối tượng (điều hòa 1, điều hòa 2…) trong không
gian địa chỉ là một controller. Mỗi controller là một tập hợp các nút (Nhiệt độ, Thiết lập nhiệt độ, Độ ẩm….), một hệ thống có n thiết bị thì tương ứng có n controller, đây là bước bắt buộc, cần phải có để mô hình hóa thiết bị thật vào hệ thống (bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK).
Hình 3.9. Cấu hình Controller trong bài toán 2
Hình 3.10 bao gồm 2 phần: phía trên là OPC UA Server SDK, phần dưới kế thừa bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã xây dựng ở chương 2 để phát triển ứng dụng của OPC UA Server trong hệ thống điều hòa nhiệt độ. Trong đó, AirConditionerControllerType lưu trữ thông tin các thiết bị và có chức năng điều khiển thiết bị (Bật, Tắt, Trạng thái). Ngoài ra, ControllerEventType làm nhiệm vụ cảnh báo khi có sự cố bất thường về nhiệt độở hệ thống.
82
Hình 3.10. Cách xây dựng Controller trong ứng dụng bài toán số 2
3.2.2.3. Kết quả thực nghiệm
Hệ thống được triển khai trên mô hình hoàn chỉnh OPC UA Server và OPC UA Client kết nối với thiết bị Modbus, ởđây là các sensors của thiết bịđiều hòa nhiệt độ. Truyền thông với Modbus qua RS485 và với Client qua giao thức TCP/IP. Giao diện trên OPC UA Client của hệ thống để hiển thị thông tin về nhiệt độ, độẩm... được tải từ
Sensor thông qua OPC UA Server và giao thức Modbus được biểu thị trong hình 3.11.
83
Một hoặc nhiều chiếc máy tính đóng vai trò là Client kết nối đến Server (trên cùng một máy tính hoặc các máy tính khác thông qua chuẩn OPC UA). Server kết nối đến thiết bị Sensor dùng Modbus của thiết bịđiều hòa nhiệt độ, Server sử dụng các hàm chức năng để thực hiện truy vấn dữ liệu từ các sensor này đểđưa ra điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của môi trường theo chuẩn Modbus. Client được thiết kế để giám sát một hoặc nhiều thiết bịđiều hòa nhiệt độ trong hệ thống sử dụng Modbus, đặt giá trị nhiệt
độ, độ ẩm cũng như gọi các phương thức trên Server được Server cung cấp qua các dịch vụ.
Hệ thống được thiết kế để giám sát các thiết bịđiều hòa nhiệt độ trong một tòa nhà hoặc xí nghiệp. Các thiết bị tầng dưới giao tiếp theo chuẩn Modbus với Server, đưa ra
các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái của thiết bịđiều hòa nhiệt độ, từđó người giám sát có thể ra quyết định thích hợp để điều chỉnh nhiệt độ hoặc tắt mở các thiết bị
từ xa mà không cần tương tác vật lý trực tiếp với thiết bị. Hệ thống có thể mở rộng với
đa số các thiết bị sử dụng giao thức Modbus hiện nay. Server kết nối với thiết bị
sensors của điều hòa nhiệt độ sử dụng Modbus qua RS485, chế độ truyền RTU, kết nối qua cổng COM nhờ RS485/RS232 Converter. Client kết nối với Server để thực hiện giám sát các thông số của thiết bịđồng thời duyệt Server và gọi các phương thức cho
phép trên không gian địa chỉ.
Từ các kết quả thực nghiệm khi ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK
đã chỉ ra một phương pháp tiết kiệm trong việc thiết kế, xây dựng, phát triển và thực hiện cho các thiết bị tự động hóa trong công nghiệp của hệ thống điều khiển tựđộng, lợi ích của việc áp dụng bộ công cụ này với phát triển phần mềm cho các hệ thống công nghiệp. Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế ra một Modbus Master hoàn chỉnh để kết nối với các thiết bị chuẩn Modbus, thành công trong việc thu thập các thông tin từ các thiết bị Modbus Slaves bao gồm các thông số của Sensor và hỗ trợ
chức năng điều khiển thiết bị. Mô hình OPC UA Client-Server kết nối thành công với các thiết bị chuẩn Modbus được phát triển từ bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK và sựtác động của nó đối với nền công nghiệp và có thểđược mở rộng đối với các thiết bị sử dụng giao thức Modbus hay chuẩn công nghiệp.
Kết quả của thực nghiệm này – [CT4], tác giả công bố ở hội nghị quốc tế ICIEA 2013, minh chứng cho tính khả thi của bộ công cụđề xuất khi ghép nối với các thiết bị
ngoại vi của các hãng khác nhau. Hệ thống OPC UA Server và Client kết nối với thiết bịSENSIRION FLEX 1000 cho phép giám sát, điều khiển các thiết bịđiều khiển điều hòa nhiệt độ sử dụng Modbus trên kiến trúc OPC UA. Từđó có thể mở rộng phát triển hệ thống OPC UA hỗ trợ thêm nhiều thiết bị Modbus cho các hệ thống công nghiệp. Không chỉ dừng lại ở thiết bịđiều hòa nhiệt độ mà tiến tới mở rộng ra hệ thống các thiết bị máy móc công nghiệp hoặc điều khiển thông minh cho các căn hộ cao cấp gồm các thiết bịđa dạng khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
84
3.3. Kết luận
Chương 3 minh họa việc phát triển bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đề xuất cho hai bài toán ứng dụng trong việc: (1) giám sát, điều khiển hệ thống quan trắc môi
trường, (2) giám sát, điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ.
(1) Với hệ thống quan trắc môi trường OPC UA Server cung cấp các thông tin về môi trường nước như pH, DO, ORP, nhiệt độ, độ dẫn, độ đục, độ sâu và ánh sáng. OPC UA Client thể hiện các thông số ở dạng đồ thị nhằm cung cấp cho
người vận hành cách nhìn trực quan. Bằng việc sử dụng hệ thống đã đề xuất chúng ta có những lợi ích sau:
Mô hình không gian địa chỉ linh hoạt, sẵn sàng cho việc bổ sung thêm các cảm biến mới.
Việc cập nhật dữ liệu được tối ưu, nhiều loại thông tin như thông tin số đo, các cảnh báo đều có thểđược gửi cùng trong một gói tin cập nhật.
Sử dụng lại các dịch vụ và cơ chế bảo mật đã phát triển trong bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK một cách hiệu quả.
(2) Với hệ thống giám sát và điều khiển điều hòa nhiệt độ dựa trên Modbus, hệ
thống đã đề xuất minh chứng tính linh hoạt và khảnăng tái sử dụng cho nhiều hệ thống khác nhau trong công nghiệp, dân sự. Việc ứng dụng bộ công cụ đề
xuất OPC UA Client-Server SDK khi kết nối tới thiết bị Modbus thành công chứng tỏ tính mềm dẻo và tương thích với các chuẩn trong công nghiệp của bộ
công cụ. Điều này giúp cho các nhà phát triển phần mềm có thể mở rộng đối với các thiết bị sử dụng giao thức Modbus nói riêng và các chuẩn công nghiệp khác như DeviceNet, ControlNet, Fieldbus... nói chung.
85
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA
CLIENT - SERVER SDK VÀO HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHIỆP
Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm của việc ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quá trình (điều khiển quá trình trộn nước) trong công nghiệp.