b. Lấy mẫu dữliệu trong không gian nút
4.2.3. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào mô hình giám sát
sát và điều khiển quá trình với nhiều thiết bị
Hình 4.6. Mô hình chung cho các ứng dụng điều khiển quá trình
Đây là mô hình ứng dụng chung trong việc giám sát và điều khiển quá trình trong các lĩnh vực như: cơ khí, hóa dầu, hóa chất, công nghệ thực phẩm…. cho n thiết bị khác nhau, người phát triển hệ thống chỉ cần kế thừa từ bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK và phát triển theo những yêu cầu riêng, phù hợp với từng hệ thống mà mình cần xây dựng và phát triển.
Với mô hình ứng dụng chung này, thì hệ thống gồm 2 phần: Phần OPC UA Server và Client dùng đểđiều khiển và quản lý hệ thống công nghiệp, phần thứ 2 kết nối các thiết bị điều khiển tự động hóa. Ở đây ta thấy một Server có thể tương tác với nhiều Client và tương tự vậy một Client có thểtương tác với nhiều Server. Mỗi một ứng dụng có thể kết hợp từ nhiều thành phần Server và các Server có thể liên kết với nhau mà ta gọi là liên Server khi đó một Server đóng vai trò là Client của một Server khác. Các
tương tác Server đến Server cho phép sự phát triển của các Servers. Client tương tác với Server thông qua bộ nối Server và Client, cụ thểnhư sau:
Devices (Tầng thiết bị): Gồm các thiết bị, kết nối với Server, để cung cấp các thông tin, thông số, trạng thái của các thiết bị và gửi lên cho Server.
OPC UA Server: Là chương trình viết theo chuẩn OPC UA dựa trên bộ công cụ
OPC UA Client-Server SDK có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ thiết bịvà trao đổi dữ
93
không gian địa chỉ của Server. Hay nói các khác Server số hóa các thiết bị vật lý
lên không gian địa chỉ của nó, qua đó có thể theo dõi và điều khiển các thiết bị.
Ngoài ra, Server đưa ra những dịch vụ giúp cho người dùng có thể sử dụng để điều khiển và giám sát được các thiết bịđó. Ví dụnhư dịch vụ BẬT/TẮT thiết bị, thay đổi thông số trên thiết bị. Giao diện của Server dùng để hiển thịcác đặc
điểm, các thông số và thông báo cần thiết cho người vận hành hệ thống.
OPC UA Client: Là chương trình viết theo chuẩn OPC UA dựa trên bộ công cụ
OPC UA Client-Server SDK có nhiệm vụ trao đổi dữ liệu với OPC UA Server và phát tín hiệu điều khiển thiết bị. Ởphía client, người quản lý thực hiện việc theo dõi hoạt động của hệ thống thiết bị thông qua một giao diện điều khiển. Hỗ
trợ người giám sát trong việc cập nhật các thông số và điều chỉnh thông số của thiết bị phần cứng. Giúp người vận hành hệ thống kịp thời xử lý các sự cố bất
thường cũng như có các can thiệp phù hợp như bảo trì bảo dưỡng, thay thế thiết bị, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.
4.3. Kết luận
Qua thực nghiệm vận hành hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trộn nước trong công nghiệp, có thể thấy hệ thống hoạt động tốt, đảm bảo cung cấp đầy đủ thông
tin, đảm bảo sựgiám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống ở cả hai phía Client và Server, tạo môi trường mới cho người vận hành, quản lý hệ thống sản xuất. Dựa vào bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK xây dựng ởchương 2, mang đến những lợi ích sau khi
ứng dụng vào bài toán 3: Phát triển và mở rộng cho các hệ thống, tái sử dụng các thành phần đã phát triển. Mô hình không gian địa chỉ linh hoạt, sẵn sàng cho việc bổ
sung thêm các thiết bị mới. Việc cập nhật dữ liệu được tối ưu, nhiều loại thông tin, các cảnh báo đều có thểđược gửi cùng trong một gói tin cập nhật. Sử dụng lại các dịch vụ
có sẵn, cơ chế bảo mật có sẵn trong bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK.
Trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm, điều khiển quá trình đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong muốn. Vì điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tựđộng trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con
người, máy móc và môi trường. Với các hệ thống công nghiệp nói chung các thiết bị thường được cung cấp bởi nhiều hãng, chạy trên nhiều nền tảng khác nhau và có những yêu cầu khắt khe vềđộ tin cậy, hiệu năng, khảnăng dự phòng.
Từ bộ công cụ mà chúng tôi đề xuất các nhà phát triển phần mềm có thể triển khai thiết kế xây dựng các hệ thống giám sát, điều khiển và quản lý các dây chuyền công nghiệp, đảm bảo khảnăng kế thừa và phát triển, nâng cấp hệ thống một cách linh hoạt, có khả năng mở rộng và kết nối giữa các hệ thống khác nhau. Thực nghiệm đánh giá
qua việc triển khai xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển quá trình trộn nước trong công nghiệp ở trên theo bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK đã đạt được những kết quả nhất định; điều đó minh chứng tính khảthi cho đề xuất của chúng tôi.
94
Trong [CT7], kết quảđã được công bốở tạp chí KTĐK & TĐH năm 2013. Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã đạt được trước đây như: phát triển thành công một server nhận gửi tin nhắn dựa trên bộ công cụ OPC UA client-server SDK, hệ thống cho phép các client có thể gọi đến thiết bị gửi nhận tin nhắn, trong đó các client tương tác
với thiết bị ngoại vi thông qua server; phát triển thành công hệ thống quan trắc môi
trường EMA, hệ thống điều hòa nhiệt độ; hệ thống điều khiển quá trình trong công nghiệp thành công đã minh chứng được tiềm năng lớn của bộ công cụ OPC UA Client- Server SDK cho ngành công nghiệp Việt Nam. Từ đó, có những kế hoạch phát triển những ứng dụng cho các hệ thống trong ngành công nghiệp tự động hóa ở Việt Nam dựa trên hệ thống đã đề xuất, nghiên cứu và xây dựng. Góp phần mang lại lợi ích thiết thực: (i) Phát triển và mở rộng cho các hệ thống. (ii) Tái sử dụng các thành phần đã phát triển. (iii) Giảm được chi phí cho phát triển các hệ thống giám sát và điều khiển. Bằng việc sử dụng đặc tả mới nhất của OPC các yêu cầu trên được đáp ứng thông qua hệ thống đã đề xuất, OPC UA server có thểlưu trữ ba loại dữ liệu: dữ liệu tiến trình, dữ
liệu lịch sử và dữ liệu cảnh báo và sự kiện từ các thiết bị của hệ thống. Do đó, người vận hành hệ thống dễ dàng xâu chuỗi các loại dữ liệu trên để đưa ra những xử lý kịp thời. Với bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển, ba loại dữ liệu DA,
HDA, Alarm & Event được tích hợp vào trong cùng một đối tượng, do đó người điều khiển hệ thống dễ dàng biết được mối liên hệ giữa các thiết bị hoặc thông tin về thiết bị.
95
KẾT LUẬN
Trên cơ sở tìm hiểu, nghiên cứu vềđặc tả của OPC, đặc biệt là đặc tả mới nhất OPC UA và các hệ thống giám sát, điều khiển trong công nghiệp. Từ đó, luận án đã phát triển và xây dựng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK. Cụ thểnhư sau:
1. Xây dựng bộ công cụ ứng dụng vào các bài toán giám sát và điều khiển dựa trên OPC UA có tên là OPC UA Client-Server SDK. Các thành phần của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK cho phép các kiến trúc sư hệ thống, thiết kế, phát triển thêm
các đặc tính mới cho gói phần mềm của mình thay vì phát triển một loạt các Driver
độc quyền cho các thiết bị phần cứng.
2. Tính mềm dẻo và linh hoạt của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đề xuất đã
được áp dụng vào ba bài toán:
(1) Bài toán 1 – Quan trắc môi trường EMA: Với hệ thống quan trắc môi trường OPC UA Server cung cấp các thông tin vềmôi trường nước như pH, DO, ORP,
nhiệt độ, độ dẫn, độđục, 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: (i) Mô hình
không gian địa chỉ linh hoạt, sẵn sàng cho việc bổ sung thêm các cảm biến mới. (ii) Việc cập nhật dữ liệu được tối ưu, nhiều loại thông tin như thông tin sốđo,
các cảnh báo đều có thểđược gửi cùng trong một gói tin cập nhật. (iii) 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) Bài toán 2 – 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. Mô hình hệ thống đề
xuất OPC UA Client-Server SDK kết nối tới thiết bị Modbus thành công chứng tỏ tính mềm dẻo và tương thích với các chuẩn trong công nghiệp của OPC UA.
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.
(3) Bài toán 3 – Hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp: Hệ
thống được triển khai trên mô hình hoàn chỉnh OPC UA Server và OPC UA Client kết nối với mô hình điều khiển quá trình trộn nước trong công nghiệp. OPC UA Server kết nối với Controller qua giao thức TCP/IP để lấy dữ liệu của thiết bị, đồng thời cũng kết nối với Client qua giao thức TCP/IP. Giao diện trên OPC UA Client của hệ thống hiển thị thông tin về nhiệt độ, thông lượng, dung
lượng được tải từ Controller thông qua OPC UA Server và giao thức TCP/IP. Qua thực nghiệm vận hành hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp. Có thể thấy hệ thống hoạt động tốt, đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin,
đảm bảo sự giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống ở cả hai phía Client và Server. Tạo môi trường mới cho người vận hành, quản lý hệ thống sản xuất. 3. Với các hệ thống công nghiệp nói chung các thiết bịthường được cung cấp bởi nhiều
hãng, chạy trên nhiều nền tảng khác nhau và có những yêu cầu khắt khe vềđộ tin cậy, hiệu năng, khả năng dự phòng. Bằng việc sử dụng đặc tả mới nhất của OPC các yêu cầu trên được đáp ứng thông qua bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển, ba loại dữ liệu DA, HDA, Alarm & Event được tích hợp vào trong cùng một đối
96
tượng, do đó người điều khiển hệ thống dễ dàng biết được mối liên hệ giữa các thiết bị hoặc thông tin về thiết bị. Tính bảo mật cao, đảm bảo bởi bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK sử dụng phương pháp bảo mật mã hóa và chữ ký điện tử (dùng giấy chứng nhận) dựa trên đặc tả OPC UA để truyền dữ liệu trong môi trường Internet.
Kết quả của luận án cung cấp cho những nhà phát triển và lập trình các thư viện, lớp và giao diện tham khảo cho việc phát triển các ứng dụng thực tế. Nó sẽ giúp các nhà phát triển và lập trình tiết kiệm được thời gian, chi phí cho việc phát triển các ứng dụng phần mềm trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống giám sát và điều khiển. Các nỗ lực của các nhà phát triển và lập trình sẽ được giảm bớt trong quá trình nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới. Mặt khác, các thành phần của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK cho phép các kiến trúc sư hệ thống, thiết kế thực hiện các phân tích phụ thuộc cho sự phát triển các ứng dụng thực tế trong giám sát và điều khiển trong công nghiệp.
Định hướng phát triển là tiếp tục nghiên cứu và nắm bắt các xu hướng mới trong chuẩn công nghiệp nhằm mở rộng và hoàn thiện hơn nữa bộ công cụ đã đề xuất. Kết hợp với các đơn vị sản xuất tựđộng hóa để triển khai ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK nhằm nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất và hiện đại hóa công tác quản lý, giảm chi phí về nhân lực quản lý vận hành hệ thống. Hiện nay, tại Việt Nam vẫn chưa có một mô hình chuẩn áp dụng đặc tả mới nhất là OPC UA cho giám sát & điều khiển hệ thống trong công nghiệp. Vì vậy, với bộ công cụ OPC UA Client-
Server SDK đề xuất, nghiên cứu, xây dựng, người lập trình có thể phát triển thêm để
97
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Damm, Wolfgang Mahnke • Stefan-Helmut Leitner • Matthias. OPC Unified Architecture. OPC UA Specifications-RELEASED VERSION-09-3-2009.
[2] www.opcfoundation.org
[3] COM: Component Object Model Technologies, http://www.microsoft.com/com/default.mspx
[4] http://www.unified-automation.com
[5] Bohn, H., Bobek, A., Golatowski, F.: SIRENA - Service Infrastructure for Real-Time Embedded Networked Devices: A Service Oriented Framework for Different Domains. In: Proceedings of the Int. Conf. on Systems and Int. Conf. on Mobile Comm. and Learning Tech., p. 43. IEEE CS Press, Los Alamitos (2006).
[6] Han, K.H., Kim, S., Kim, Y.J., Kim, J.H.: Internet Control Architecture for Internet- based Personal Robot. Autonomous Robots 10, 135-147 (2001).
[7] de Souza, L.M.S., Spiess, P., Guinard, D., Kaohler, M., Karnouskos, S., Savio, D.: SOCRADES: A Web Service Based Shop Floor Integration Infrastructure. In: C. Floerkemeier, M. Langheinrich, E. Fleisch, F. Mattern, S.E. Sarma (eds) IOT 2008. LNCS, vol. 4952, pp. 50-67. Springer, Heidelberg (2008).
[8] Eppler, W., Beglarian, A., Chilingarian, S., Kelly, S., Hartmann, V., and Gemmeke, H.: New Control System Aspects for Physical Experiments. IEEE Transactions on Nuclear Science 51(3), 482-488 (2004).
[9] Iwanitz, F., Lange, J.: OPC: Fundamentals, Implementation, and Application. Huthig Verlag Heidelberg, 3rd rev. Ed. (2006).
[10] Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M.: OPC Unified Architecture. Springer, Heidelberg (2009).
[11] Lange, J., Iwanitz, F., Burke, T.J.: OPC From Data Access to Unified Architecture. VDE Verlag GMBH, 4th rev. Ed. (2010).
[12] Schwarz, M.H., Boercsoek, J.: Advances of OPC Client Server Architectures for Maintenance Strategies P a Research and Development Area not only for Industries. WSEAS Transactions on Systems and Control 3(3), 195-207 (2008).
[13] Tan, V.V., Yoo, D.S., and Yi, M.J.: Designing and Developing a Modern Distributed Data Acquisition and Monitoring System. Journal of Research and Practice in Information Technology 42(4), pp. 243-261, 2010.
[14] Tan, V.V., Yoo, D.S., and Yi, M.J.: A SOA-Based Framework for Building Monitoring and Control Software Systems. In: D.S. Huang et al. (Eds.): ICIC 2009. LNCS(LNAI), vol. 5755, pp. 1013-1027. Springer, Heidelberg (2010).
[15] Jia, Z., Li, X.: OPC-based Architecture of Embedded Web Server. In: Z. Wu, C. Chen, M. Guo, and J. Bu (eds.) ICESS 2004. LNCS, vol. 3605, pp. 362-367. Springer, Heidelberg (2005).
[16] Sahin, C., Bolat, D.: Development of Remote Control and Monitoring of WebBased Distributed OPC system. Computer Standard & Interfaces 31, 984-993 (2009).
[17] Schwarz, M.H., Boercsoek, J.: Advances of OPC Client Server Architectures for Maintenance Strategies - a Research and Development Area not only for Industries. WSEAS Transactions on Systems and Control 3(3), 195-207 (2008).
98
[18] Chilingargyan, S., Eppler, W.: High Speed Data Exchange Protocol for Modern Distributed Data Acquisition Systems Based on OPC XML-DA. In: Proceedings of the 14th IEEE-NPSS Real-time Conference, pp. 352-356 (2005).
[19] Khalgui, M., Rebeuf, X., Zampognaro, F.: Adaptable OPC-XML Contracts Taking into Account Network Traffic. In: Proceedings of the 10th IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, pp. 31-38. IEEE Press, Los Alamitos (2005).
[20] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Duy Bình, Phạm Quang Đăng, Phạm Hồng Sơn, Hệ điều
khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[21] Marino, P., Poza, F., Otero, S., Dominguez, M. A.: Reconfigurable Industrial Sensors for Remote Condition Monitoring and Modeling. IEEE Transactions on Industrial Electronics 57(12), 4199-4208 (2010).
[22] Karnouskos, S., Baecker, O., de Souza, L.M.S., Spiess, P.: Integration of SOA-ready Networked Embedded Devices in Enterprise Systems via a Cross-Layered Web Service Infrastructure. In: Proceedings of the 12th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, pp. 1-8. IEEE Press, Los Alamitos (2007).
[23] Vu Van Tan, Myeong-Jae Yi: A SOA Based Framework for Developing Monitoring and