- Hệ thống quản lý trung tõm cho phộp thờm mới ngƣời sử dụng, số lƣợng khụng hạn chế.
- Hệ thống cho phộp admin cú quyền cao nhất trong hệ thống. - Hệ thống cho phộp phõn quyền cụ thể từng ngƣời sử dụng.
- Hệ thống hỗ trợ việc thiết lập cấm hoặc cho phộp điều khiển từ xa đối với một thiết bị.
Chƣơng 3
GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT THỰC HIỆN XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1. TỔNG QUAN THIẾT KẾ
Trong việc giỏm sỏt từ xa, cú cỏc vấn đề sau đƣợc quan tõm: - Giỏm sỏt cảnh bỏo: chỏy nổ, điều hoà tắt, mất điện, ... - Đo đạc chớnh xỏc cỏc thụng số: nhiệt độ, ...
- Điều khiển tự động cỏc thiết bị phụ trợ theo cỏc tổ hợp sự kiện, theo lịch - Điều khiển từ xa.
- Cú thể phỏt triển, mở rộng:
+ Giỏm sỏt camera và ghi lại hỡnh ảnh khi cú sự kiện. + Giỏm sỏt vào ra dựng thẻ.
Nhƣ vậy tại mỗi trạm sẽ cú một số phần tử (thiết bị) đặc thự để đảm trỏch đƣợc cỏc chức năng núi trờn, đồng thời tất cả đều phải cú khả năng kết nối lờn trung tõm qua IP và tớch hợp chung vào để quản lý trờn cựng một phần mềm.
Mụ hỡnh thiết kế đƣợc đƣa ra nhƣ hỡnh 3.1 tổng quan dƣới đõy:
Giải thớch cỏc từ viết tắt:
IMS (Intergrated Monitoring System) : Hệ thống giỏm sỏt tớch hợp. VSE (Video Surveilance Entity) : Thiết bị giỏm sỏt hỡnh ảnh.
Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh thiết kế tổng quan VSE MCE ACE VS - Server VS - Storage MC - Server MC - Storage AC - Server AC - Storage OEs - Server OEs - Storage OEs EA Files SQL SQL SQL , Files VS - P MC - P AC - P OEs - P Video Surveilance Entity
Monitoring & Control Entity
Access Control Entity
Other Equipments
Ethernet Adapter ( if needed )
Video Surveilance Protocol
Monitoring & Control Protocol Access Control Protocol Other Equipments Protocols IMS - Server
( Intergrated Monitoring Server )
IMS Client ( Web based , java
applet ) IMS-P (IMS-Protocol) GSM modem ( SMS or Call ) Speaker Monitor SMTP Client ( E - mail )
Remote Site to be Monitored Monitoring and Control Center
MCE (Monitoring & Control Entity) : Thiết bị giỏm sỏt và điều khiển.
ACE (Access Control Entity) : Thiết bị quản lý vào ra (dựng thẻ, võn tay, ...).
OEs (Other Equipments) : Cỏc thiết bị khỏc cần giỏm sỏt từ xa qua hệ thống IMS.
EA (Ethernet Adapter) : Bộ thớch ứng mạng Ethernet để kết nối thiết bị vào hệ thống IMS (nếu thiết bị chƣa cú giao diện Ethernet). VS-P (Video Surveilance Protocol) : Giao thức giỏm sỏt hỡnh ảnh.
MC-P (Monitoring & Control Protocol): Giao thức giỏm sỏt và điều khiển. AC-P (Access Control Protocol) : Giao thức quản lý vào ra.
OEs-P (Other Equipments Protocols) : Cỏc giao thức quản lý thiết bị khỏc (SNMP, Telnet, Serial Console, ...). IMS-P (IMS-Protocol) : Giao thức IMS giữa mỏy trạm quản lý và mỏy chủ.
Theo nhƣ hỡnh 3.1, mỗi trạm sẽ cú 3 loại thiết bị chớnh là đầu mối kết nối IP lờn trung tõm:
- MCE: là thiết bị đảm trỏch việc thu thập cỏc thụng tin cảnh bỏo, đo đạc chớnh xỏc, hỗ trợ điều khiển tự động và từ xa cho cỏc thiết bị phụ trợ. Nú kết nối đến tất cả cỏc cảm biến, đầu đo, và cỏc thiết bị phụ trợ.
- VSE: là thiết bị đảm trỏch việc giỏm sỏt hỡnh ảnh từ xa (mở rộng). - ACE: là thiết bị đảm trỏch việc giỏm sỏt vào ra dựng thẻ (mở rộng). Cỏc thiết bị này đều nối mạng IP về trung tõm để phục vụ đỳng nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển. Mỗi thiết bị sẽ trao đổi thụng tin 2 chiều với mỏy chủ IMS tại trung tõm theo đỳng giao thức mà nú hỗ trợ. Phần mềm IMS-server phải cú nhiệm vụ làm việc đƣợc với tất cả cỏc phần tử thực thi tại tất cả cỏc trạm xa qua một loạt cỏc giao thức với hiệu quả cao nhất. Trong cấu trỳc của phần mềm IMS-Server, mỗi loại giao thức sẽ đƣợc đảm trỏch bởi một modul phần mềm xử lý giao thức riờng. Theo sơ đồ trờn:
- Modul MC-Server dựng để xử lý giao thức MC-P của cỏc thiết bị giỏm sỏt và điều khiển.
- Modul VS-Server dựng để xử lý giao thức VS-P của cỏc thiết bị giỏm sỏt hỡnh ảnh.
- Modul AC-Server dựng để xử lý giao thức AC-P của cỏc thiết bị quản lý vào ra dựng thẻ.
- Cỏc modul OEs-Server để xứ lý cỏc giaothức OEs-P của cỏc thiết bị khỏc nếu muốn tớch hợp thờm vào hệ thống IMS.
Vỡ cỏc modul đều đƣợc xõy dựng trong một gúi phần mềm IMS duy nhất cho nờn chỳng cú khả năng tƣơng tỏc trao đổi thụng tin với nhau rất dễ dàng để cú thể phỏt triển thờm đƣợc một loạt cỏc tiện ớch khỏc cú khả năng liờn kết điều phối hoạt động giữa cỏc thiết bị khỏc nhau một cỏch nhịp nhàng.
Đối với mỗi loại thiết bị, đều cú một kho dữ liệu (dựng chung hoặc riờng tuỳ theo đặc tớnh kỹ thuật của thiết bị) đặt trờn mỏy chủ để thực hiện việc lƣu trữ thụng tin từ thiết bị.
Phần mềm IMS-Server đƣợc xõy dựng để hỗ trợ giỏm sỏt từ xa qua WEB, nhƣ vậy trỏnh đƣợc cụng việc cài đặt phần mềm giỏm sỏt trờn mỏy trạm và rất dễ dàng khi cần nõng cấp hệ thống, đồng thời rất tiện lợi cho việc sử dụng.
- Cỏc mỏy trạm sử dụng để giỏm sỏt chớnh là cỏc WEB Client đƣợc xõy dựng trờn Java Applet, làm việc với mỏy chủ qua giao thức IMS-P là giao thức tự định nghĩa.
Ngoài việc hỗ trợ giỏm sỏt cho cỏc mỏy trạm IMS-Client, phần mềm IMS- server cũn cú thể kết nối thờm đến GSM modem để thực hiện gửi tin nhắn SMS hoặc gọi đến ngƣời sử dụng khi cú cảnh bỏo từ trạm xa hoặc khi cú ngƣời quẹt thẻ ra/vào trạm, ...
Đối với một trạm giỏm sỏt điều khiển từ xa khụng ngƣời trực của đơn vị Viễn thụng, đối tƣợng giỏm sỏt là cỏc nhà trạm thiết bị Viễn thụng Tỉnh/TP nằm rải rỏc trờn mạng, cần phải cú một hệ thống giỏm sỏt và điều khiển cú độ an toàn cao và hoạt động ổn định, vỡ vậy cỏc phần tử thực thi (Entity) ở cỏc trạm cần đƣợc chọn lựa cẩn thận khi triển khai hệ thống, trỏnh sử dụng cỏc thiết bị cú độ ổn định thấp.
3.2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CHI TIẾT3.2.1. Thiết bị giỏm sỏt và điều khiển MCE 3.2.1. Thiết bị giỏm sỏt và điều khiển MCE
Đối với nhà trạm Viễn thụng (khụng ngƣời trực), cú rất nhiều thụng tin cần giỏm sỏt từ xa: chỏy nổ, cửa mở, kớnh vỡ, nguồn, ăcquy, điều hoà, mỏy nổ, dũng điện, điện ỏp, ... Và một số thiết bị cần điều khiển từ xa và điều khiển tự động nhƣ: điều hoà, mỏy nổ, ATS, mỏy nạp ăcquy, hệ thống đốn chiếu sỏng, ... Trong tƣơng lai, vẫn cũn cú thể phỏt sinh thờm cỏc nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển khỏc nữa để hỗ trợ cho việc quản lý từ xa đạt hiệu quả cao hơn.
Nhƣ đó kờ ở trờn, nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển là rất đa dạng và cú thể khỏc nhau tuỳ theo quy mụ và cấu hỡnh thiết bị của từng trạm, vỡ vậy cần tỡm đƣợc một thiết bị MCE cú đủ độ linh hoạt và cú tớnh mở rộng tốt để đỏp ứng tất cả cỏc nhu cầu giỏm sỏt và điều khiển của trạm kể cả trong hiện tại và tƣơng lai, đồng thời phải hoạt động bền bỉ và tin cậy.
Căn cứ vào cỏc nhu cầu thực tế nhƣ trờn, tụi nghiờn cứu sản phẩm MCE dựa trờn nền phần cứng điều khiển logic lập trỡnh (PLC-Programmable Logic Controller) của hóng Siemens.
PLC thực chất là một thiết bị đƣợc cỏc hóng sản xuất nổi tiếng trong lĩnh vực tự động hoỏ (bao gồm Siemens, Omron, Mitsubishi, Honeywell, Allen- Bradley...) sản xuất ra để thực hiện việc giỏm sỏt và điều khiển tự động trong mụi trƣờng cụng nghiệp, vỡ vậy độ bền của PLC là khụng cần bàn cói.
PLC cú cấu trỳc nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều cổng cú cỏc kiểu giao diện điện khỏc nhau cho phộp kết nối đến tất cả cỏc chủng loại cảm biến (sensor) và cỏc thiết bị điều khiển cú trờn thị trƣờng. Khả năng mở rộng số lƣợng cổng giao tiếp của PLC là rất tốt, chỉ cần lắp thờm cỏc modul I/O mở rộng nối tiếp nhau dƣới dạng chuỗi là xong. Tổng số lƣợng cổng giao tiếp đƣợc mở rộng cú thể lờn đến hàng trăm, thậm chớ hàng ngàn tuỳ theo từng loại PLC.
Dƣới đõy sẽ mụ tả thiết bị PLC đƣợc sử dụng cho hệ thống IMS phục vụ thớch hợp nhất để giỏm sỏt điều khiển từ xa cho cỏc nhà trạm Viễn thụng (khụng ngƣời trực).
- Cổng DI (Digital Input):
Cổng DI chấp nhận 2 mức tớn hiệu điện: 24V tƣơng đƣơng logic "1" và 0V tƣơng đƣơng logic "0". Việc đấu nối đầu ra tiếp điểm của cỏc cảm biến đến cổng DI rất đơn giản nhƣ sau:
MC - Server MC - P Cỏc cổng DI (Digital Input) Cỏc cổng AI (Analog Input) Cỏc cổng DO (Digital Output) PLC DIs AIs DOs . . . . . . . . . . . . . . . Cỏc cảm biến cú đầu ra dạng tiếp điểm (kh chỏy...)
Cỏc cảm biến đo giỏ trị chớnh xỏc cú đầu ra dạng tớn hiệu tƣơng tự (đầu đo nhiệt độ, độ ẩm, điện ỏp, dũng điện...) Cỏc thiết bị điều khiển bằng điện (mỏy nổ, điều hũa, ATS...)
Trong trƣờng hợp muốn tiết kiệm số cổng DI sử dụng của PLC và khụng cần thiết phõn biệt chớnh xỏc từng sensor chỳng ta cú thể thực hiện việc đấu nối song song cỏc sensor cú đầu ra tiếp điểm thƣờng mở (N.O.) hoặc đấu nối tiếp cỏc sensor cú đầu ra tiếp điểm thƣờng đúng (N.C.) rồi đƣa vào 1 cổng DI duy nhất nhƣ hỡnh dƣới đõy:
- Cổng AI (Analog Input):
Cổng AI của PLC chấp nhận 2 kiểu tớn hiệu điện tƣơng tự đƣa đến: Kiểu dũng: chấp nhận dũng điện vào trong khoảng từ 0-20mA. Kiểu ỏp: chấp nhận điện ỏp vào trong khoảng từ 0-5V.
Khi nối với cảm biến cú đầu ra kiểu dũng, PLC đúng vai trũ nhƣ một Ampe kế.
Khi nối với cảm biến cú đầu ra kiểu ỏp, PLC đúng vai trũ nhƣ một Vụn kế.
PLC thực hiện việc chuyển đổi tƣơng tự sang số (A/D) để chuyển cỏc tớn hiệu điện sang dạng số nguyờn trong dải 0-32767 một cỏch tuyến tớnh để truyền về trung tõm (qua giao thức MC-P).
Hỡnh 3.3. Nguyờn tắc đấu nối cỏc cổng DI
PLC
24V
Cổng DI Cảm biến (sensor)
Hỡnh 3.4. Nguyờn tắc đấu nối tiếp, song song cỏc cổng DI
PLC Tiếp điểm thƣờng mở Cổng DI 24V DC PLC Tiếp điểm thƣờng đúng Cổng DI 24V DC
Cỏc nhà cung cấp cảm biến đo giỏ trị chớnh xỏc đều cú hỗ trợ cổng ra 4- 20mA hoặc 0-5V để tƣơng thớch với tất cả cỏc loại PLC khỏc nhau. Núi chung việc chuyển đổi giỏ trị đo sang tớn hiệu điện tƣơng tự của đầu ra cảm biến đều là tuyến tớnh trờn toàn dải đo của cảm biến. Vớ dụ: đầu đo nhiệt độ cho dải từ 0- 50oC cho ra dũng 4-20mA sẽ cú đặc tuyến chuyển đổi tuyến tớnh nhƣ hỡnh dƣới đõy:
Khi trung tõm nhận đƣợc giỏ trị số hoỏ mà PLC gửi lờn, căn cứ theo đặc tuyến trờn, sẽ cú thể tớnh ngƣợc lại giỏ trị thực mà cảm biến đo đƣợc. Theo cỏch này, hệ thống cú khả năng đo đƣợc tất cả cỏc giỏ trị khỏc của trạm nhƣ dũng điện, điện ỏp, tần số, ... miễn là phải cú đƣợc cảm biến thớch hợp.
- Cổng DO (Digital Output):
Mỗi cổng ra DO của PLC ứng với một cặp tiếp điểm kiểu N.O.
Ngƣời lập trỡnh PLC cú thể lập trỡnh để điều khiển đúng (ứng với logic 1 của DO) hay mở (ứng với logic 0 của DO) cặp tiếp điểm này. Thụng qua cặp tiếp điểm DO và cú thể qua một vài rơle trung gian, điện ỏp điều khiển bất kỳ cú thể đƣợc gửi đến để điều khiển thiết bị với cụng suất mong muốn. Qua rơle, thực hiện đƣợc việc phõn cỏch hoàn toàn về điện giữa PLC và thiết bị cần điều khiển, do đú bảo vệ đƣợc PLC. Dƣới đõy là hỡnh vẽ mụ tả cỏch thức đấu nối để gửi 1 điện ỏp điều khiển Vdk đến thiết bị, Vdk cú thể là điện ỏp 1 chiều hoặc xoay chiều.
Hỡnh 3.5. Đặc tuyến chuyển đổi tuyến tớnh cỏc cổng AI
Nhiệt độ
0
Dũng điện /giỏ trị số húa của PLC
20mA/32767
00C 4mA/6553
500C
Hỡnh 3.6. Gửi điện ỏp điều khiển Vdk đến thiết bị
PLC 24V DC V1 Vdk Cổng DO Thiết bị
Theo cỏch này, PLC cú khả năng điều khiển đƣợc tất cả cỏc thiết bị cú giao tiếp điều khiển bằng điện ỏp cố định nhƣ: mỏy nổ, điều hoà, ATS, đốn chiếu sỏng, cũi bỏo động, ... là cỏc thiết bị cần kết nối trong nhà trạm khụng ngƣời của Viễn thụng.
Lập trỡnh PLC:
Để PLC đỏp ứng đƣợc tất cả cỏc tớnh năng cần thiết cho việc giỏm sỏt và điều khiển cỏc nhu cầu đó đặt ra, cụng việc quan trọng nhất là phải tiến hành lập trỡnh cho PLC. Chƣơng trỡnh điều khiển nạp vào PLC phải đỏp ứng đƣợc cỏc nhúm chức năng cơ bản sau:
- Giao tiếp với trung tõm qua một giao thức xỏc định trƣớc (chớnh là giao thức MC-P giữa MCE và MC-Server nhƣ đó mụ tả ở trờn) để nạp cấu hỡnh cho PLC và điều khiển từ xa.
- Tự động gửi sự kiện cảnh bỏo/xoỏ cảnh bỏo lờn trung tõm ở tất cả cỏc cổng DI và AI. Hỡnh 3.7. Mụ tả giao thức MC-P PLC Trung tõm Phỳc đỏp ( 1 ) ( 2 ) Điều khiển từ xa ( 4 ) ( 6 ) ( 7 ) Gửi định kỳ ID của trạm ( 8 ) Đặt thời gian thực ( 3 ) Đọc cỏc giỏ trị từ cỏc cổng ( 5 )
Nạp cấu hỡnh cỏc cổng DI, AI, DO
Nạp cỏc lưu đồ điều khiển tự động Phỳc đỏp
Phỳc đỏp
Phỳc đỏp
Phỳc đỏp
Sự kiện cảnh bỏo/xúa cảnh bỏo từ cỏc cổng DI, AI
- Hỗ trợ chức năng điều khiển tự động và điều khiển từ xa theo cấu hỡnh đó đƣợc nạp.
Giao thức MC-P bao gồm cỏc luồng thụng tin trao đổi qua lại giữa PLC và trung tõm và đƣợc phõn nhúm và mụ tả nhƣ hỡnh 3.7:
Nhúm 1: Nạp cấu hỡnh cỏc cổng DI, AI, DO
Luồng thụng tin trao đổi 2 chiều để nạp cấu hỡnh cỏc cổng từ xa cho PLC, mỗi gúi tin gửi từ trung tõm cần cú một gúi tin phỳc đỏp. Thụng tin nạp cấu hỡnh cỏc cổng của PLC bao gồm:
- Định nghĩa cỏc cổng sử dụng của PLC.
- Ngƣỡng cảnh bỏo cho từng cổng DI hoặc AI.
- Định nghĩa cổng DO là dạng duy trỡ hay xung, nếu là dạng xung, đặt độ rộng xung cần thiết.
Nhúm 2: Nạp cỏc lưu đồ điều khiển tự động
Nhúm này dựng để thiết lập cỏc quy trỡnh điều khiển tự động đối với cỏc thiết bị nhƣ mỏy nổ, ATS, điều hoà, đốn chiếu sỏng, ... căn cứ theo cỏc tổ hợp sự kiện kốm theo cỏc độ trễ thời gian đối với từng sự kiện lấy từ cỏc cổng của PLC theo đỳng yờu cầu vận hành của ngƣời sử dụng. Cỏc "mạch điều khiển" này đó đƣợc thiết kế để cú thể đỏp ứng đƣợc bất cứ một nhu cầu điều khiển tự động nào của nhà trạm với số lƣợng và chủng loại thiết bị cần điều khiển là khụng hạn chế.
Nhúm này cũn bao gồm cỏc thụng tin nạp cấu hỡnh cho việc điều khiển tự động định kỳ theo thời gian (vớ dụ nhƣ nạp ăcquy mỏy nổ định kỳ hay phõn lịch hoạt động của từng điều hoà).
Mỗi gúi tin nạp cấu hỡnh gửi từ trung tõm cũng cú một phỳc đỏp tƣơng ứng từ PLC.
Nhúm 3: Đặt thời gian thực
Thụng tin đặt thời gian thực gửi từ trung tõm bao gồm ngày, thỏng, năm, giờ, phỳt, giõy để đồng bộ đồng hồ thời gian của PLC với trung tõm.
Mỗi gúi tin đặt thời gian thực cú một phỳc đỏp tƣơng ứng từ PLC
Nhúm 4: Điều khiển từ xa
Nhúm này đƣợc sử dụng để trung tõm thực hiện việc điều khiển từ xa đối với cỏc thiết bị điều khiển tại nhà trạm, vớ dụ nhƣ: đề/tắt mỏy nổ, bật/tắt điều hoà, bật/tắt đốn điện, ...
Nhờ cú cỏc lƣu đồ điều khiển nhƣ đó mụ tả ở nhúm 2, việc điều khiển vận hành thiết bị theo một quy trỡnh phức tạp vẫn cú thể thực hiện đƣợc một cỏch
đơn giản. Nhờ cỏc lƣu đồ thớch hợp, chỉ cần một lệnh điều khiển bật hoặc tắt một cổng DO từ trung tõm là cú thể vận hành đƣợc một loạt cỏc thiết bị ở nhà