Tài liệu Nghiên cứu và xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát & điều khiển sử dụng opc ua

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU SINH: NGUYỄN THỊ THANH TÚ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM HỖ TRỢ GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG OPC UA CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT PHẦN MỀM MÃ SỐ: 62480103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HUỲNH QUYẾT THẮNG 2. PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự chấp thuận của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Trong quá trình làm luận án, tôi kế thừa thành tựu của các nhà khoa học với sự trân trọng và biết ơn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố. Hà Nội, ngày 30 tháng 6 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Thị Thanh Tú i LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS.TS. Huỳnh Quyết Thắng, PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, những người Thầy đã giúp cho em có đam mê, có quyết tâm trong nghiên cứu khoa học. Em xin chân thành cảm ơn đến các Thầy/Cô ở Viện CNTT & TT, đặc biệt là Bộ môn CNPM; Thầy/Cô ở Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa; Các Chuyên viên của Viện Đào tạo Sau đại học; Ban Giám đốc, các đồng nghiệp của Trung tâm Mạng Thông tin đã tạo điều kiện, hỗ trợ và giúp đỡ trong học tập, trong nghiên cứu và trong công việc của em suốt thời gian thực hiện luận án. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô Phản biện, các Thầy/Cô trong Hội đồng các cấp đã trao đổi và cho em nhiều chỉ dẫn quý báu, giúp cho luận án của em được hoàn thiện, trình bày khoa học, hiệu quả hơn. Tác giả chân thành cảm ơn đến nhóm nghiên cứu bao gồm các Bạn: Nguyễn Tuấn, Nguyễn Trọng Minh, Nguyễn Thị Mai, Nguyễn Trí Dũng, Lê Quý Dương, Nguyễn Việt Dũng, Nguyễn Đình Thịnh đã cùng NCS thực hiện một số nội dung của luận án này; đặc biệt là TS. Vũ Văn Tân, người đã luôn sát cánh, sẵn sàng chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm để tác giả học tập, nghiên cứu; xin bày tỏ lòng biết ơn tới Gia đình, những người thân yêu, đã giúp đỡ rất nhiều cả tinh thần lẫn vật chất trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận án chắc còn có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý giá từ Thầy/Cô và các bạn! ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Mô tả ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng COM Component Object Model Mô hình đối tượng thành phần DCOM Distributed COM Mô hình đối tượng thành phần phân tán DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán DDE Dynamic Data Exchange Trao đổi dữ liệu động ERP Enterprise Resourse Planning Quản lý tài nguyên EDDL Electronic Device Description Ngôn ngữ mô tả thiết bị điện tử Language FDT Field Device Tool Công cụ thiết bị hiện trường FT Flow Transmitter Thiết bị đo lưu lượng FBD Function Block Diagram Sơ đồ khối chức năng HCS Hybrid Control System Hệ thống điều khiển lai HMI Human – Machine Interface Giao tiếp người máy HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản IEC International Electrotechnical Tổ chức kỹ thuật điện quốc tế Commission ISA 95 International standard for the Chuẩn cho việc tích hợp hệ thống ở cấp integration of enterprise and control điều hành doanh nghiệp systems LED Đi-ốt phát quang Light Emitting Diode iii MES Manufacturing Execution System Hệ thống thực thi sản xuất OLE Object Linking and Embedding Nhúng, liên kết đối tượng ODBC Open DataBase Connectivity Kết nối cơ sở dữ liệu mở OPC Object Linking and Embedding Liên kết và nhúng đối tượng cho điều (OLE) for Process Control khiển quá trình OPC AE OPC Alarm & Event OPC cảnh báo và sự kiện OPC DA OPC Data Access OPC truy cập dữ liệu OPC DX OPC Data eXchange OPC trao đổi dữ liệu OPC HDA OPC Historical Data Access OPC truy cập dữ liệu lịch sử OPC XML– OPC XML Data Access OPC truyền tải dữ liệu trên XML DA OPC UA OPC Unified Architecture OPC kiến trúc tổng thể PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình được SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu Acquisition SFC Sequential Function Charts Biểu đồ tuần tự chức năng SOA Service Oriented Architecture Kiến trúc hướng dịch vụ SOAP Simple Object Access Protocol Giao thức truy cập đối tượng đơn giản SDK Software Development Kit Bộ công cụ phát triển phần mềm TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dữ liệu WSDL Web Services Description Language Ngôn ngữ mô tả dịch vụ web XML Extensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Hình số Nội dung Trang 1 1.1 Kiến trúc phân tầng phần mềm trong hệ thống công nghiệp (ISA 95) 16 2 1.2 Hệ thống tích hợp cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên mô hình ISA 95 và OPC 16 3 1.3 Kiến trúc truyền thống dùng cho các hệ thống công nghiệp 18 4 1.4 Kiến trúc dùng OPC cho hệ thống công nghiệp 18 5 1.5 OPC UA và các đề xuất W3C 19 6 1.6 Phương thức hoạt động của OPC DA 21 7 1.7 Phương thức hoạt động của OPC AE 23 8 1.8 UA thay thế DA, AE và HAD 24 9 1.9 OPC UA – sự đảm bảo về chất lượng 24 10 1.10 Vượt qua internet và tường lửa 24 11 1.11 Ví dụ về mô hình thông tin chung 25 12 1.12 UA và giấy chứng thực 25 13 1.13 Từ phần mềm nhúng đến hệ thống 25 14 1.14 Mac, Windows hay Linux 25 15 1.15 SOAP/XML hay UA Binary 26 16 1.16 UA SDK – giải pháp tiết kiệm chi phí 26 17 1.17 Các đặc tả của OPC UA 26 18 1.18 Tổng quan OPC UA 28 19 1.19 Lớp và Mô hình thông tin 29 20 1.20 Các lớp phát triển ứng dụng OPC UA 30 21 2.1 Mô hình của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK 38 22 2.2 Mô hình ứng dụng đề xuất dựa trên bộ công cụ OPC UA ClientServer SDK 40 23 2.3 Các class trong OPC UA Client SDK 42 24 2.4 Biểu đồ hoạt động của Discovery Component 43 25 2.5 Biểu đồ hoạt động của Session Manager 44 26 2.6 Biểu đồ hoạt động của Subsription Manager 45 27 2.7 Biểu đồ hoạt động của Model Manager 46 v 28 2.8 Kiến trúc chung của OPC UA Server SDK 48 29 2.9 Các bước khởi tạo Server 50 30 2.10 Khởi tạo phiên làm việc 51 31 2.11 InodeManager và các đối tượng quản lý không gian địa chỉ 52 32 2.12 Biểu đồ hoạt động – Client gửi yêu cầu truy vấn 53 33 2.13 Biểu đồ hoạt động dịch vụ duyệt không gian nút 54 34 2.14 Biểu đồ hoạt động dịch vụ đọc giá trị thuộc tính 55 35 2.15 Biểu đồ hoạt động dịch vụ tạo nút mới 56 36 2.16 Tổng quan về quản lý đăng ký 57 37 2.17 Mô hình quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu 57 38 2.18 Biểu đồ hoạt động của dịch vụ CreateSubscription 59 39 2.19 Sơ đồ hoạt động dịch vụ thêm phần tử theo dõi 60 40 2.20 Mô hình lấy mẫu dữ liệu 61 41 2.21 Sơ đồ kết nối giữa OPC UA Server với thiết bị 62 42 2.22 Giao diện ISecurityHelper 65 43 2.23 Cơ chế hoạt động 65 44 2.24 Tạo giấy chứng nhận 66 45 2.25 Giấy chứng nhận 66 46 3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống quan trắc môi trường 69 47 3.2 Kiến trúc hệ thống quan trắc môi trường 70 48 3.3 Cấu hình Controller trong bài toán 1 72 49 3.4 Cách xây dựng Controller trong ứng dụng bài toán 1 73 50 3.5 Thiết bị phần cứng của hệ thống quan trắc 75 51 3.6 Giao diện OPC UA Client của hệ thống quan trắc 75 52 3.7 Thiết bị giả lập FLEX 1000 77 53 3.8 Mô hình hệ thống bài toán 2 78 54 3.9 Cấu hình Controller trong bài toán 2 81 55 3.10 Cách xây dựng Controller trong ứng dụng bài toán số 2 82 56 3.11 Mô hình thực nghiệm 82 57 4.1 Sơ đồ thực nghiệm 86 58 4.2 Mô hình ứng dụng quá trình trộn nước 87 vi 59 4.3 Cấu hình Controller trong bài toán 3 88 60 4.4 Cách xây dựng Controller trong bài toán 3 89 61 4.5 Giao diện mô hình hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trộn nước 90 62 4.6 Mô hình chung cho các ứng dụng điều khiển quá trình 92 vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án .............................................................................. 1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ............................................................................ 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................... 5 6. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 5 7. Nội dung luận án...................................................................................................... 6 8. Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án ............................................................... 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 9 1.1. Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp ............................................. 9 1.1.1. Thiết bị điều khiển khả trình ................................................................... 9 1.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán................................................................ 10 1.1.3. Hệ thống điều khiển lai ......................................................................... 11 1.1.4. Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán ......................................... 11 1.2. Lịch sử phát triển của các chuẩn kết nối và OPC UA .......................................... 12 1.2.1. OLE ...................................................................................................... 13 1.2.2. COM/DCOM ........................................................................................ 13 1.2.3. XML..................................................................................................... 14 1.2.4. SOA ..................................................................................................... 15 1.2.5. Web Services ........................................................................................ 15 1.3. Tổng quan về OPC .............................................................................................. 15 1.4. Các đặc tả của OPC............................................................................................. 20 1.4.1. Đặc tả OPC DA .................................................................................... 20 1.4.2. Đặc tả XML-DA ................................................................................... 21 1.4.3. Đặc tả DX............................................................................................. 22 1.4.4. Đặc tả HDA .......................................................................................... 22 1.4.5. Đặc tả OPC AE..................................................................................... 23 1.4.6. Đặc tả OPC Security ............................................................................. 23 1.4.7. Đặc tả OPC Batch ................................................................................. 23 1.5. Đặc tả OPC UA .................................................................................................. 24 1.5.1. Mô hình Client – Server của OPC UA .................................................. 30 1.5.2. Nhận xét về các đặc tả của OPC ........................................................... 31 viii 1.6. Phân tích và đánh giá các công trình liên quan .................................................... 33 1.6.1. Hệ thống KSC ...................................................................................... 33 1.6.2. Hệ thống OPC-EWS ............................................................................. 33 1.6.3. Giao thức trao đổi dữ liệu ..................................................................... 34 1.6.4. XML-DA Server nhúng ........................................................................ 34 1.6.5. SOCRADES, SIRENA và SODA ......................................................... 34 1.6.6. Vai trò của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong phát triển phần mềm giám sát và điều khiển.................................................................... 35 1.7. Nhiệm vụ của luận án.......................................................................................... 36 1.8. Kết luận .............................................................................................................. 37 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ............................................................. 38 2.1. Xây dựng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK ............................................. 38 2.1.1. Kiến trúc hệ thống của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK........... 38 2.1.2. Xây dựng OPC UA Client SDK............................................................ 42 2.1.3. Xây dựng OPC UA Server SDK ........................................................... 48 2.1.3.1. Khởi tạo Server .................................................................................. 50 2.1.3.2. Module quản lý phiên làm việc .......................................................... 50 2.1.3.3. Module quản lý không gian địa chỉ .................................................... 51 2.1.3.4. Module quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu ........................................... 57 a. Mô hình quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu ................................................... 57 b. Lấy mẫu dữ liệu trong không gian nút ........................................................ 61 2.2. Kết nối thiết bị với OPC UA Server .................................................................... 61 2.3. Giải pháp về bảo mật cho hệ thống ..................................................................... 63 2.4. Kết luận .............................................................................................................. 67 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK VÀO BÀI TOÁN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN............................................................... 69 3.1. Bài toán 1: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong hệ thống quan trắc môi trường.................................................................................................. 69 3.1.1. Ứng dụng cho hệ thống quan trắc môi trường ....................................... 70 3.1.2. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 74 3.2. Bài toán 2: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK cho hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa............................................................................ 76 3.2.1. Modbus................................................................................................. 76 3.2.2. Hệ thống giám sát & điều khiển điều hòa nhiệt độ ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK kết nối giao thức Modbus .................................. 78 3.3. Kết luận .............................................................................................................. 84 ix CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT - SERVER SDK VÀO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHIỆP ........................ 85 4.1. Mô hình thực nghiệm điều khiển quá trình trong công nghiệp ............................. 85 4.2. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp .............................................................................. 87 4.2.1. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống trộn nước (bài toán 3) ............................................................................................. 87 4.2.2. Kết quả thực nghiệm của quá trình trộn nước........................................ 89 4.2.3. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào mô hình giám sát và điều khiển quá trình với nhiều thiết bị ........................................................ 92 4.3. Kết luận .............................................................................................................. 93 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................. 101 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 102 I. Một số lớp chính ở hai phía Client & Server của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK......................................................................................................................... 102 II. Bài toán 1: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quan trắc môi trường..................................................................... 104 2.1. Thiết kế các chức năng của Server ......................................................... 104 2.2. Thiết kế các chức năng của Client.......................................................... 109 III. Bài toán 2: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ ............................................................ 115 3.1. Thiết kế các chức năng của Server ......................................................... 115 3.2. Thiết kế các chức năng của Client.......................................................... 121 IV. Bài toán 3: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp .......................................................... 125 4.1. Thiết kế các chức năng của Server ......................................................... 125 4.2. Thiết kế các chức năng của Client.......................................................... 133 4.3. Kết nối giữa OPC UA Client và OPC UA Server ................................... 136 V. Biên bản họp Hội đồng đánh giá nghiệm thu cấp Bộ đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ, ngày 15/06/2012 ......................................................................................... 141 x MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế thì việc ứng dụng công nghệ thông tin vào hoạt động sản xuất công nghiệp là tất yếu và cũng là động lực thúc đẩy sự phát triển, hiện đại hóa trong sản xuất. Mục đích bước đầu tìm hiểu và làm chủ công nghệ, tạo bước đột phá trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT vào công nghiệp, luận án sẽ hướng hai vấn đề chính sau: (1) Nghiên cứu, xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp. Từ bộ công cụ đã phát triển thành công, sẽ triển khai vào các ứng dụng để đánh giá khả năng, hiệu quả khi triển khai vào các ứng dụng thực tế. Kết quả thu được của luận án sẽ có những đóng góp nhất định cho thiết kế, xây dựng, phát triển và ứng dụng hệ thống giám sát, điều khiển vào các lĩnh vực cụ thể trong công nghiệp. (2) Thực tế thị trường ở Việt Nam chưa phát triển hệ thống hoàn thiện về giám sát và điều khiển, mà đa phần được triển khai và cài đặt từ các sản phẩm được phát triển ở nước ngoài. Do đó luận án sẽ đóng góp những kết quả bước đầu để dần làm chủ việc triển khai các hệ thống giám sát, điều khiển trong công nghiệp. Từ những phân tích, đánh giá ở trên, việc tìm hiểu, đề xuất và phát triển một mô hình cho hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp là cần thiết. Kết quả thu được từ luận án sẽ là những đánh giá bước đầu cho việc triển khai và ứng dụng CNTT vào trong công nghiệp. Mục tiêu của luận án là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation (OPC UA SDK) và những vấn đề còn hạn chế của các giải pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã được tối ưu hoá và phát triển thành các thành phần. Bộ công cụ đề xuất này sẽ khắc phục được những hạn chế của các hệ thống cũ dựa trên các đặc tả trước đó của OPC Foundation. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án OPC Foundation là một tổ chức đề xuất các tiêu chuẩn cho sự phát triển phần mềm sử dụng trong công nghiệp. Thành công nhất của OPC cổ điển đó là OPC Data Access nó được thiết kế như một trình điều khiển để trao đổi dữ liệu thời gian thực từ PLC, DCS và các bộ điều khiển khác với trạm HMI và hệ thống SCADA, tiếp nối sự thành công của OPC DA là sự ra đời của OPC Alarm & Event và OPC HA được thiết kế để truy nhập thông tin của hệ thống SCADA. Tiếp nối thành công vượt bậc đó, OPC đã được sử dụng như là giao diện chuẩn giữa các hệ thống tự động hóa trên toàn thế giới. Nhưng một hạn chế của OPC được coi là lớn nhất khiến cho nhiều nhà sản xuất muốn sử dụng mà không được đó là sự phụ thuộc vào COM và sự hạn chế việc truy nhập từ 1 xa khi sử dụng DCOM. Từ những hạn chế trên tổ chức OPC Foundation đã đưa ra OPC XML-DA. Nhưng OPC XML-DA lại sử dụng một nhà cung cấp và nền tảng cơ sở hạ tầng truyền thông trung lập. Chính vì vậy các công ty thành viên của tổ chức OPC muốn có một cái gì đó mới tốt hơn, loại bỏ hoàn toàn những hạn chế của cổ điển OPC. Và OPC UA được sinh ra với một sự kỳ vọng rằng nó sẽ thay thế cho tất cả các đặc tả COM-based đang tồn tại mà không mất mát đi bất kỳ một tính năng hay hiệu năng nào. OPC UA – là một trong những đặc tả chưa hoàn thiện và còn phải bổ sung, cải tiến rất nhiều, nhưng nó sẽ trở thành một chuẩn công nghiệp trong tương lai. Đến thời điểm hiện nay các đặc tả của OPC UA đang ở giai đoạn hoàn thiện và nó cũng đặt ra rất nhiều thách thức và những cơ hội cho các nhà nghiên cứu, phát triển hệ thống phần mềm, các công ty tin học, các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học vào việc phát triển, cải tiến và áp dụng vào các ứng dụng thực tế. Song song cùng với sự đề xuất và giới thiệu đặc tả OPC UA (Unified Architecture), OPC Foundation đang phát triển bộ công cụ (toolkit) cho các nhà phát triển phát triển và thực thi các ứng dụng phần mềm trong công nghiệp. Bộ toolkit hứa hẹn sẽ cung cấp các thư viện (libraries), lớp (classes), phương thức (methods) và giao diện tham khảo (reference interfaces) cho những nhà phát triển và lập trình ứng dụng [1]. Tuy nhiên, bộ toolkit này thực sự không đủ cho các nhà phát triển và lập trình vì sự phức tạp của các hệ thống giám sát và điều khiển, các tác vụ trong giám sát và điều khiển liên quan, và những hạn chế của bộ toolkit. Do đó việc nghiên cứu và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất OPC UA, SOA (Service Oriented Architecture), webservices, XML là cần thiết và vẫn là thách thức. 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 OPC UA 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. Mặt khác, Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp phần mềm cho các hệ thống phần mềm dùng trong công nghiệp nói chung và cho các hệ thống giám sát, điều khiển trong các nhà máy xí nghiệp còn hạn chế. Đặc biệt là các giải pháp phần mềm dựa trên các đặc tả cung cấp bởi OPC Foundation còn hạn chế và thách thức cho các nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm Việt Nam. Dựa trên quá trình tìm kiếm tài liệu công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước, hiện tại chưa có một công trình nào của Việt Nam nghiên cứu và triển khai các giải pháp phần mềm dựa trên các đặc tả của OPC Foundation. Nói rộng ra cho châu Á, hiện tại mới chỉ có Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc triển khai nghiên cứu, phát triển và cải thiện các đặc tả của OPC Foundation. Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation và những vấn đề còn hạn chế của các giải 2 pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp. Sau đó đưa kết quả nghiên cứu áp dụng vào các bài toán thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển để đánh giá tính khả thi, hiệu quả của những kết quả đạt được. Tác giả đi vào nghiên cứu và phát triển bộ công cụ phần mềm ứng dụng dựa trên đặc tả mới nhất này bằng các bước: (1) Đề xuất và phát triển kiến trúc cho việc thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống; (2) nghiên cứu và đề xuất các giải pháp tối ưu cho vấn đề tích hợp phần cứng vào OPC UA Server; (3) nghiên cứu và phát triển các vấn đề về bảo mật khi dữ liệu công nghiệp được truyền trong môi trường mạng một cách hiệu quả và an toàn. Thêm nữa, lập trình, đánh giá về hiệu năng và triển khai vào các ứng dụng thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên OPC UA là những thách thức và đồng thời là cơ hội cho những nhà nghiên cứu, phát triển và lập trình vì chuẩn OPC UA hướng tới tận dụng tối đa các ưu điểm. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án Như đã phân tích hiện trạng nghiên cứu, vấn đề phát triển các hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp ở Việt Nam cũng như trên thế giới, mục tiêu nghiên cứu và kết quả của luận án sẽ hướng đến những vấn đề như sau: (1) Nghiên cứu mô hình chung của các hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp trên thế giới, đưa ra những ưu nhược điểm của hệ thống hiện tại. Bên cạnh đó, nghiên cứu và tìm hiểu về các đặc tả của OPC cho việc đề xuất và phát triển. (2) Đề xuất giải pháp phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp dựa trên OPC UA. Hệ thống dựa trên OPC được đề xuất ở dạng kiến trúc Client-Server. Do đó, kết quả của luận án sẽ phát triển thành công bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK. Mặt khác, OPC UA Server sẽ kết nối với các thiết bị ngoại vi, ví dụ như cảm biến nhiệt độ... do vậy mô-đun phần mềm ghép nối giữa OPC UA Server và thiết bị ngoại vi cũng sẽ được phát triển. (3) Từ bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK, ứng dụng vào 3 hệ thống giám sát và điều khiển: (i) Quan trắc môi trường; (ii) Điều hòa nhiệt độ; (iii) Điều khiển quá trình trong công nghiệp. Nghiên cứu cung cấp một giải pháp dựa trên công nghệ OPC UA mới cho các hệ thống giám sát điều khiển, giải quyết hai vấn đề sau: (i) Kết hợp các hệ thống không đồng nhất bằng cách sử dụng công nghệ OPC UA, SOA, XML và các dịch vụ web; Mã hóa dữ liệu để đảm bảo hiệu suất cao và các giải pháp bảo mật tổng thể cho giao tiếp từ xa trong môi trường mạng. (ii) Vai trò của mô hình SOA, XML và các dịch vụ web dựa trên công nghệ OPC UA áp dụng vào giám sát và điều khiển hệ thống tự động hóa. Với mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation và những vấn đề còn hạn chế của các giải pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát điều khiển trong công nghiệp. Hơn nữa, kết quả của nghiên cứu cũng sẽ được áp dụng vào các bài toán thực tế 3 cho các hệ thống giám sát và điều khiển. Cho nên phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất bao gồm: (1) về mặt lý thuyết và (2) về mặt thực nghiệm. Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan những đặc tả của OPC Foundation, về hệ thống giám sát điều khiển, và những công trình liên quan đã được công bố trong các tạp chí và các hội nghị có uy tín. Đề xuất kiến trúc và phát triển các thành phần cho OPC UA dựa trên mô hình Client-Server (OPC UA Server-Client SDK), Service Oriented Architecture (SOA), Object Oriented Design (OOD), Webservices... Các giải pháp tích hợp thiết bị vào trong OPC UA Server cũng được nghiên cứu, và phát triển. Phát triển các thành của OPC UA dựa trên hai phương pháp luận: Domain Analysis và Domain Design [15]. Về mặt thực nghiệm: Yêu cầu chung cho các hệ thống giám sát điều khiển là độ chính xác, độ an toàn, hiệu năng cao, khả năng hỗ trợ dự phòng (OPC UA Server Redundency, OPC UA Client Redundency)... Do đó các thành phần được phát triển sẽ được tiến hành chạy thử nghiệm ở dạng OPC UA Client-Server để giám sát điều khiển thiết bị. Qua đó đánh giá về hiệu năng và những ưu điểm của hệ thống trước khi có thể tiếp tục phát triển và ứng dụng vào các bài toán ứng dụng thực tế. Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành tại Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Ở đây có đủ trang thiết bị đảm bảo được các mô hình nghiên cứu và thử nghiệm nguyên mẫu (prototype) như trong môi trường công nghiệp cho nghiên cứu. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Như đã trình bày ở trên về cơ sở khoa học của luận án, hướng giải quyết và tiến độ thực hiện luận án, cách tiếp cận của luận án sẽ bao gồm như sau: (i) tiếp cận dựa trên đặc tả mới nhất của OPC (OPC UA), (ii) dựa trên những mặt hạn chế và điểm yếu của các công trình đã nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp cho hệ thống phần mềm công nghiệp trong tương lai, (iii) lập trình, triển khai, và kiểm thử hệ thống nhằm đánh giá và chỉ ra những mặt mạnh, khả năng đáp ứng của nó. Những nghiên cứu trong lĩnh vực của luận án sẽ bao gồm: (i) nghiên cứu những đặc tả của OPC, đặc biệt chú trọng đến đặc tả mới nhất là OPC UA, (ii) xem xét những nghiên cứu hiện tại của thế giới, tìm ra những mặt còn hạn chế và giới hạn của chúng, (iii) đề xuất một kiến trúc mới cho hệ thống phần mềm công nghiệp ở góc độ tổng quát với mục đích có thể áp dụng được cho nhiều bài toán cụ thể và cải thiện được những mặt hạn chế hiện tại của các nghiên cứu đã công bố, (iv) nghiên cứu và đề xuất giải pháp cho vấn đề ghép nối các thiết bị vào OPC UA Server (mapping devices to server), (v) phát triển, triển khai hệ thống đề xuất và chạy thử nghiệm, (vi) ước lượng, đánh giá, và đề xuất áp dụng cho các bài toán thực tế trong công nghiệp. 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng liên quan đến hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước phát triển. OPC cùng với các trung tâm nghiên cứu, các công ty hàng đầu về phần mềm và phần cứng, các trường đại học đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn cho sự nghiên cứu và phát triển hệ thống phần mềm công nghiệp, thông thường sẽ bao gồm cả phần cứng. OPC UA tương lai sẽ là một tiêu chuẩn quan trọng cho các công ty sản xuất phần cứng và phần mềm công nghiệp. Tuy nhiên hiện tại nó là một thách thức lớn cho những nhà nghiên cứu và tích hợp hệ thống, đặc biệt là phát triển hệ thống và triển khai vào các ứng dụng cụ thể. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về các đặc tả của OPC và đề xuất các giải pháp thiết kế, phát triển và triển khai vào các hệ thống phần mềm trong công nghiệp còn khá mới mẻ. Do đó, nghiên cứu có những ý nghĩa như sau: (1) Bước đầu triển khai nghiên cứu những đặc tả của OPC ở Việt Nam. (2) Thiết kế, lập trình, và chạy thử nghiệm hệ thống đề xuất để đánh giá khả năng ứng dụng của OPC UA vào trong các bài toán trong công nghiệp nói chung và cho các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển nói riêng. (3) Tài liệu hoá ở góc độ phân tích và thiết kế hệ thống, giúp cho các nhà phát triển ứng dụng, các công ty tin học có thể phát triển hệ thống một cách khoa học và dễ dàng. (4) Đóng góp một phần vào quá trình nghiên cứu và làm chủ các giải pháp công nghệ cho phần mềm công nghiệp, một mảng được cho là khó và mới mẻ ở Việt Nam. 6. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm. Lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về những đặc tả của OPC và những công trình nghiên cứu liên quan đã được công bố trong các hội thảo và trên các tạp chí quốc tế. Xây dựng lý thuyết về thiết kế phần mềm cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp dựa trên đặc tả OPC UA, SOA, OOD... Các giải pháp về tích hợp thiết bị vào OPC UA Server cũng được nghiên cứu, đề xuất và triển khai. Thực nghiệm: Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống đã thiết kế và phát triển, đánh giá về hiệu năng và khả năng ứng dụng của hệ thống cho các ứng dụng thực tế. Như chúng ta đã biết, các hệ thống giám sát, điều khiển, và thu thập dữ liệu trong công nghiệp yêu cầu về độ chính xác, độ an toàn, hiệu năng cao... Do vậy yêu cầu chạy thử nghiệm là hết sức quan trọng trước khi triển khai vào thực tế. 5 Nhằm đạt được kết quả theo như những mục tiêu của luận án đã đặt ra, luận án được thực hiện theo các phương pháp tiếp cận và nghiên cứu như sau: Cách tiếp cận: (1) Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu, phát triển và triển khai hệ thống giám sát và điều khiển trên thế giới và Việt Nam. Trong đó tác giả đặc biệt chú trọng đến tình hình trong nước và khả năng ứng dụng của sản phẩm trong thực tế ở Việt Nam. (2) Phân tích, đánh giá các giải pháp đã và đang được thực thi kết hợp với những đặc tả mới nhất của tổ chức OPC Foundation như OPC UA, để đề xuất ra mô hình và giải pháp tối ưu nhất cho bài toán nhằm đảm bảo các tiêu chí: Áp dụng được vào nhiều bài toán trong công nghiệp, hiệu quả, chi phí phát triển và triển khai thấp nhất, tích hợp được những kết quả nghiên cứu mới nhất trên thế giới. (3) Dựa trên các kết quả phân tích, và những vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu trước đây, những yêu cầu cho hệ thống mới trong công nghiệp, sẽ đề xuất giải pháp phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dựa trên đặc tả mới nhất của OPC Foundation và mô hình ISA 95. (4) Xây dựng hệ thống theo giải pháp đã đề ra nhằm đảm bảo các tiêu chí đã trình bày ở trên một cách hiệu quả, phù hợp và khả thi. (5) Tiến hành kiểm thử và chạy thử nghiệm trong phòng nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: (1) Phân tích, thiết kế, và triển khai thử nghiệm. (2) Phân tích, thiết kế bài toán giám sát và điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp nói chung, dựa trên phương pháp phân tích phạm vi lĩnh vực (domain analysis) và thiết kế dựa trên phạm vi lĩnh vực (domain design), đưa ra giải pháp tổng thể cho bài toán và xây dựng hệ thống nhằm đảm bảo bảy tiêu chí như sau: đáp ứng những yêu cầu chung (generic requirements), phương pháp luận (methodology), mềm dẻo (flexibility), khả năng mở rộng (scalability), khả năng sử dụng lại (reusability), sự mở (openness) và khả năng thích ứng (adaptability). Sản phẩm sẽ được kiểm thử và triển khai thử nghiệm dạng mô phỏng tại Viện CNTT & TT, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đánh giá hiệu quả và tính khả khi của hệ thống đã phát triển. 7. Nội dung luận án Nội dung chính của luận án bao gồm: Mở đầu 6 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề tồn đọng của các hệ thống giám sát và điều khiển trong nền công nghiệp của thế giới và Việt Nam, để đưa ra được mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận… Phân tích tổng quan về các đặc tả cổ điển của OPC; các công trình nghiên cứu khoa học có liên quan; thu thập nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đặc tả mới nhất chưa hoàn thiện OPC UA các giải pháp và công trình sử dụng công nghệ của tổ chức OPC Foundation; phân tích, đánh giá những mặt còn hạn chế của các đề xuất đã tồn tại. Từ đó đề xuất giải pháp, thiết kế chương trình và phát triển các thành phần của OPC UA, đưa ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2: Dựa trên đặc tả OPC UA và những hạn chế của các hệ thống đã và đang phát triển, tác giả đề xuất và phát triển bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK. Từ các thành phần đã được phát triển áp dụng vào ba bài toán cụ thể trong giám sát và điều khiển được trình bày kết quả trong chương 3 và chương 4 để đánh giá khả năng ứng dụng, khả thi triển khai vào thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp ở Việt Nam. Chương 3: Dựa vào bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển, xây dựng ở chương 2. Và với việc tối ưu hoá hệ thống phát triển thành các thành phần để mở rộng và ứng dụng vào các bài toán cụ thể trong công nghiệp nói chung và các hệ thống giám sát và điều khiển nói riêng. Kiểm thử hệ thống, ghép nối với các thiết bị ngoại vi (field devices, controllers, sensors...) để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Hai bài toán giám sát, điều khiển hệ thống quan trắc môi trường và hệ thống giám sát, điều khiển điều hòa nhiệt độ được đề xuất, áp dụng và phát triển. Việc nghiên cứu, triển khai, thực nghiệm thành công hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ sử dụng giao thức công nghiệp Modbus là bước điệm và đóng vai trò lớn cho tác giả tiếp tục nỗ lực, quyết tâm đi vào thực hiện kết nối với hệ thống công nghiệp thực tế. Kết quả của hệ thống này là kết quả của đề tài cấp Bộ Giáo dục & Đào tạo trong 2 năm 2009 – 2013; đảm bảo hệ thống tương tác với số lượng thiết bị sẵn có dùng chuẩn Modbus và thích hợp với nhiều môi trường khác nhau như: công sở, doanh nghiệp, xưởng sản xuất… Chương 4: Dựa trên bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển và kết quả đạt được của chương 3, thì bài toán giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp được đề xuất, áp dụng và phát triển. Kết quả đạt được ở ba bài toán đã minh chứng cho hệ thống đề xuất có khả năng mở rộng và áp dụng cho các ứng dụng cụ thể trong giám sát và điều khiển, tự động… Điều này thể hiện bộ công cụ OPC UA ClientServer SDK không chỉ áp dụng được vào 3 bài toán trên, mà còn có khả năng áp dụng vào các hệ thống lớn của dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm... Kết luận Tài liệu tham khảo 7 8. Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã được tối ưu hoá và phát triển thành các thành phần, khắc phục được những hạn chế của các hệ thống cũ dựa trên các đặc tả trước đó của OPC Foundation. (1) Bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK ứng dụng vào các hệ thống giám sát và điều khiển trong các nhà máy, xí nghiệp và toà nhà... dựa trên đặc tả mới nhất OPC UA. Đảm bảo 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. (2) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài toán quan trắc môi trường (EMA). 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. (3) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài toán giám sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ dựa trên Modbus. 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. (4) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài toán giám sát và điều khiển quá trình trong công nghiệp. Trong đó, OPC UA Server kết nối với mô hình điều khiển quá trình trộn nước trong công nghiệp sử dụng controller, chế độ truyền TCP/IP, kết nối qua cổng Com 3 của controller. OPC UA Server kiểm tra trạng thái về nhiệt độ, thông lượng, dung lượng và tương tác với các thiết bị thông qua controller để thực hiện hoạt động điều khiển. OPC UA Client kết nối tới Server để giám sát các thông số của thiết bị đồng thời kiểm tra OPC UA Server và gọi các phương thức cho phép trên không gian địa chỉ. Kết quả của luận án sẽ được tiếp tục triển khai và áp dụng vào các bài toán thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống. Nó cũng góp một phần nhỏ trong quá trình đào tạo và chuyển giao công nghệ giữa Viện CNTT & TT, Đại học Bách Khoa Hà Nội và các đơn vị, tổ chức nghiên cứu ngoài trường, các học viên cao học... 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp, các chuẩn kết nối, các đặc tả của OPC và đặc biệt là đặc tả mới nhất OPC UA. Đây là những kiến thức nền tảng cần thiết mà luận án sử dụng để thực hiện các nghiên cứu sau này. 1.1. Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp Một hệ thống giám sát và điều khiển có thể được hiểu là hệ thống tích hợp chức năng giám sát, điều khiển quá trình một cách liên tục, kiểm soát sự kiện, báo cáo và xử lý các trạng thái bất thường của hệ thống. Toàn bộ chức năng của hệ thống giám sát điều khiển đều hướng tới các mục đích cơ bản sau [20, 53]:     Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, liên tục: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. Nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định. Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm theo phạm vi yêu cầu. Đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn nhất: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ con người, thiết bị máy móc và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. Nâng cao hiệu quả kinh tế kết hợp với bảo vệ môi trường: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi khói. Trong những năm gần đây, việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin về phần cứng, phần mềm cũng như các dịch vụ web, điện toán lưới... đã tạo lợi thế rất lớn cho việc ứng dụng công nghệ thông tin vào hệ thống tự động hóa. Các nhà phát triển đã cung cấp phần mềm giám sát, điều khiển, kiểm soát dữ liệu hệ thống. Tuy nhiên, sự không thống nhất giữa các giao thức truyền thông, cũng như định dạng cơ sở dữ liệu đã ảnh hưởng rất lớn tới tính hiệu quả kinh tế, khả năng vận hành ổn định của toàn hệ thống. Vì lý do đó, công nghệ OPC, mà đặc tả mới nhất là OPC UA đã và đang được phát triển để đưa ra một tiêu chuẩn thống nhất cho các nhà sản xuất phần mềm. 1.1.1. Thiết bị điều khiển khả trình Các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triển trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le [20]. Các thiết bị PLC 9