Xây dựng hệ thống thu nhập dữ liệu, giám sát và điều khiển qua mạng trên cơ sở công nghệ OPC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
====o0o====

NGUYỄN THỊ THU THUỶ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ
CÔNG NGHỆ OPC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI –2009

2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
====o0o====

Nguyễn Thị Thu Thuỷ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ
CÔNG NGHỆ OPC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành : Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số : 60 48 15
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Vũ Chấn Hưng

HÀ NỘI -2009


3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Trong toàn

bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là
được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất
xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và
chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 16 tháng 6 năm 2009
TÁC GIẢ LUẬN VĂN


4
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy hướng dẫn của tôi là PGS.TS Vũ
Chấn Hưng, người đã định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận

văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn phòng Tin học trong Điều khiển thuộc
Viện Công nghệ thông tin đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều về tài
liệu cũng như trang thiết bị tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích trong suốt thời
gian tôi học cao học.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình và người thân
đã giúp đỡ động viên tôi để tôi hoàn thành luận văn này.
Nguyễn Thị Thu Thuỷ

5
MỤC LỤC
Lời mở đầu: ................................................................................................... 7
Chương 1.
CÔNG NGHỆ OPC VÀ KIẾN TRÚC MẠNG ĐIỀU KHIỂN8
1.1.
Giới thiệu về hệ thống mạng công nghiệp: ........................................... 8
1.2.
Tổng quan về công nghệ OPC: ........................................................... 10
1.3.
Kiến trúc công nghệ OPC: .................................................................. 14
1.3.1.

Giới thiệu: ................................................................................... 14
1.3.2.
Kiến trúc OPC:............................................................................ 14
1.3.3.
Mô hình dữ liệu OPC: ................................................................. 15
1.3.4.
Các chuẩn giao diện ứng dụng của OPC: ................................... 16
1.4.
Một vài vấn đề đảm bảo an ninh cho OPC: ........................................ 20
1.4.1.
Những nguy cơ về vấn đề an ninh với máy chủ OPC:.................... 20
1.4.2.

Một số cấu hình đảm bảo an ninh cho OPC: .................................. 20
1.4.3.
Những điểm cần lưu ý:.................................................................... 33
Chương 2.
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÓ DỰ PHÒNG
..................................................................................................... 34
NÓNG
2.1.
Mô hình dự phòng:.......................................................................... 34
2.2.
Dự phòng nóng cải thiện độ tin cậy: ............................................... 38
2.3.

Các cấp độ dự phòng:...................................................................... 39
2.4.
Dự phòng cải thiện tính sẵn sàng:................................................... 40
2.5.
Cơ chế dự phòng nóng của hệ thống điều khiển và giám sát: ........ 42
Chương 3.
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÓ
DỰ PHÒNG NÓNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ OPC ............................. 44
3.1.
Phần cứng:....................................................................................... 44
3.2.
Cấu hình: ......................................................................................... 46

3.2.1.
Khai báo phần cứng: ................................................................... 48
3.2.2.
Cấu hình máy chủ OPC:.............................................................. 52
3.2.3.
Cấu hình kết nối mạng từ OPC server tới hai trạm chủ:............. 54
3.2.4.
Download toàn bộ cấu hình: ....................................................... 56
3.3.
Xây dựng ứng dụng trên OPC client:.............................................. 56
KẾT LUẬN ................................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 72

6
BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
THUẬT
STT
NGỮ
VIẾT TẮT
1
COM
2
3

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

16
17
18
19
20
21
22

TÊN ĐẦY ĐỦ
Component Object Model

GHI CHÚ

Mô hình đối tượng thành
phần
DCOM
Distributed
Component Mô hình đối tượng thành
Object Model
phần phân tán
DCS
Distributed control system
Hệ thống điều khiển phân
tán

DLL
Dynamic-link library
Thư viện liên kết động
DUC
Device Under Control
ERP
Enterprise Resource Planning Phần mềm hoạch định tài
nguyên doanh nghiệp
HMI
Human-Machine Interface
Giao diện người máy
MTTF

Mean Time to Failure
Thời gian trung bình xảy
ra lỗi
OLE
Object
linking
and Nhúng và liên kết đối
Embedding
tượng
OPC
OLE for Process Control
OLE cho điều khiển quá

trình
OPC UA
OPC Unified Architecture
Kiến trúc hợp nhất OPC
OPC XML- OPC XML- Data Access
OPC truy cập dữ liệu
DA
XML
OPC-AE
OPC – Alarms & Events
OPC sự kiện và cảnh báo
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
sự
OSI
Open
Systems Mô hình tham chiếu kết
Interconnection

Reference nối các hệ thống mở
Model
PLC
Programmable
Logic Bộ điều khiển logic khả
Controller
trình
RPC
Remote Procedure Call
Gọi thủ tục từ xa
SCADA
Supervisory Control and Data Hệ thống điều khiển

Acquisition
giám sát và thu thập dữ
liệu
TCP
Transmission
Control Giao thức điều khiển vận
Protocol
tải
XML
EXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở
rộng

7
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ OPC
Lời mở đầu:
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại, các hệ thống tự động
hoá, trong đó có các hệ thống giám sát và điều khiển tự động, ngày càng giữ vai
trò quan trọng và không thể thiếu trong các nhà máy, xí nghiệp. Để đáp ứng nhu
cầu nâng cao năng lực sản xuất kinh doanh của các doanh nghiệp, các hãng sản
xuất thiết bị công nghiệp luôn luôn cải tiến và đưa ra những dòng sản phẩm mới.
Các doanh nghiệp có thể xây dựng mới hoặc nâng cấp các dây truyền sản xuất
của mình trên cơ sở tích hợp và lắp đặt các thiết bị của nhiều hãng sản xuất khác

nhau. Một trong các vấn đề lớn cần giải quyết ở đây là khả năng trao đổi thông
tin và dữ liệu quá trình giữa các thiết bị có đặc tính kỹ thuật và nguồn gốc khác
nhau đó. Hơn nữa ở các hệ thống sản xuất tự động hoá, các hệ thống giám sát và
điều khiển tự động không chỉ phục vụ ở mức sản xuất mà còn được dùng để
phục vụ cho cả mục đích quản lý và điều hành sản xuất. Điều này cũng đòi hỏi
phải có một phương pháp truyền thông và giao diện thống nhất trong hệ thống.
Công nghệ OPC (OLE for Process Control) cung cấp một giao diện truyền thông
chung giữa các hệ thống điều khiển công nghiệp không phụ thuộc vào các thiết
bị phần cứng và phần mềm trong hệ thống, là một giải pháp thích hợp cho các
vấn đề nói trên. Bên cạnh vấn đề tích hợp một hệ thống thống nhất còn có vấn
đề đảm bảo hoạt động giám sát và điều khiển sản xuất được thông suốt và liên
tục trong các tình huống sự cố. Cơ chế điều khiển có dự phòng nóng là một

trong những giải pháp đáp ứng được yêu cầu này.
Hệ thống thiết bị công nghiệp được trang bị tại phòng thí nghiệm trọng
điểm thuộc Viện Công nghệ Thông tin hiện đã có chương trình điều khiển và
một modun dự phòng nóng được xây dựng bằng ngôn ngữ Step 7, tuy nhiên
trong luận văn này tôi muốn giải quyết một khía cạnh đó là xây dựng ứng dụng
giám sát và điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng mới thực hiện truyền
thông với các thiết bị dựa trên công nghệ OPC. Vì vậy tôi đã chọn đề tài luận
văn của mình là: “Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều
khiển qua mạng trên cơ sở công nghệ OPC”


Chương 1.

1.1.

8
CÔNG NGHỆ OPC VÀ KIẾN TRÚC MẠNG ĐIỀU KHIỂN

Giới thiệu về hệ thống mạng công nghiệp:
Lĩnh vực công nghệ tự động hoá hiện nay đang rất phát triển, ngày
càng có nhiều thiết bị được thiết kế dựa trên kỹ thuật vi xử lý tham gia
vào quá trình điều khiển, sản xuất trong các hệ thống công nghiệp, chẳng
hạn như các thiết bị đo, các thiết bị điều khiển tự động, các thiết bị giám
sát… Những thiết bị này được kết nối và truyền thông với nhau nhờ các
hệ thống bus và tạo thành hệ thống mạng công nghiệp. Một hệ thống

mạng công nghiệp phức tạp có thể gồm ba cấp độ: Cấp thứ nhất là cấp
cảm biến chấp hành, các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành truyền
thông qua đường bus cảm biến - chấp hành; Cấp thứ hai là cấp điều khiểngiám sát hiện trường các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành, giao diện
người máy, các máy tính điều khiển truyền thông với nhau thông qua hệ
thống truyền thông thời gian thực là hệ thống bus hiện trường như
PROFIBUS,
INTERBUS,
CONTROLNET,
MODBUS
và
FOUNDATION FIELDBUS…; Cấp thứ ba đó là cấp điều hành sản xuất
bao gồm các máy tính chạy các ứng dụng điều hành sản xuất và kinh

doanh thương mại, ở cấp độ này các máy tính được truyền thông với nhau
thông qua hệ thống mạng Ethernet thông thường.

ETHENET công nghiệp
Trạm điều khiển
trung tâm

Cấp điều hành sản xuất

Cấp điều khiển/giám sát

BUS hiện trường

Các trạm
điều khiển/
vào ra phân tán

Cấp cảm biến-cơ cấu chấp hành

Hình 1. Các cấp độ điều khiển trong mô hình mạng công nghiệp


9
Truyền thông trong công nghiệp đòi hỏi những đặc thù riêng đó là phải
đảm bảo có độ tin cậy cao, có khả năng đáp ứng truyền dữ liệu thời gian thực,

truyền dữ liệu chính xác và lượng thông tin truyền tải lớn. Hầu hết các hệ thống
mạng công nghiệp đều hoạt động trong những môi trường khá khắc nghiệt vì
vậy phải đảm bảo tính ổn định cao, chống lại các tác động của môi trường như
nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu từ trường, điện trường lớn,…
Vì vậy mạng công nghiệp đòi hỏi phải đáp ứng được những yêu cầu sau
đây:
Độ tin cậy cao
Đảm bảo tính ổn định và sẵn sàng của hệ thống
Truyền tải thông tin với độ chính xác cao và lưu lượng thông
tin lớn.
Truyền dữ liệu thời gian thực.
Có tính mở, dễ thay đổi và nâng cấp và giá thành rẻ.

Ở cấp độ hiện trường, việc truyền dẫn dữ liệu quá trình được thực hiện
theo chu kỳ còn các dữ liệu khác như các tham số cấu hình, thiết lập hệ thống
được truyền theo kiểu phi chu kỳ. Chính vì truyền dữ liệu theo chu kỳ nên hệ
thống bus hiện trường hỗ trợ rất tốt truyền dữ liệu theo thời gian thực. Định kỳ
một khoảng thời gian trạm chủ trên đường truyền tiến hành quét đường truyền
một lần, khác với cơ chế điều khiển đường truyền của hệ thống mạng internet đó
là cơ chế lắng nghe đường truyền, tức là khi đường truyền rỗi sẽ thực hiện việc
truyền thông tin lên đường truyền. Chuẩn giao thức bus hiện trường tiêu biểu
hiện nay là chuẩn Profibus. Cơ chế truyền thông dựa trên chuẩn giao thức
Profibus được thực hiện dựa trên cơ chế chủ - thợ. Trong đó trạm chủ thường là
một máy tính hoặc PLC đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm, trạm thợ là các
thiết bị hiện trường. Trạm chủ chủ động truy cập bus và thực hiện trao đổi thông

tin với các trạm thợ theo chu kỳ.
Ở cấp độ điều hành sản xuất các thiết bị điều khiển trung tâm ở mức hiện
trường kết nối với các máy tính chạy các ứng dụng và phần mềm điều hành,
giám sát sản xuất thông qua hệ thống mạng Ethernet. Tuy nhiên mỗi ứng dụng
muốn truy cập, điều khiển thiết bị của một hãng nào đó cần phải cài đặt các bản
Driver riêng đi kèm với thiết bị trên máy tính chạy ứng dụng đó. Bài toán quan
trọng đặt ra ở đây đó là phải làm sao xây dựng một chuẩn chung cho phép tích
hợp thiết bị ở cấp hiện trường thuộc nhiều hãng sản xuất khác nhau kết nối với
vào hệ thống điều hành sản xuất theo một cách thức nhất quán, dễ dàng cài đặt


10

và giảm giá thành lắp đặt. Công nghệ OPC ra đời dựa trên sự thống nhất của
phần lớn các hãng sản xuất, các công ty và người dùng trong lĩnh vực công
nghiệp đã giải quyết được bài toán trên.
1.2.

Tổng quan về công nghệ OPC:

Ngày nay các hãng sản xuất thiết bị công nghiệp luôn luôn cải tiến và đưa
ra những dòng sản phẩm mới đáp ứng nhu cầu sản xuất kinh doanh của doanh
nghiệp. Do sự phong phú của thị trường các thiết bị công nghiệp, sự chênh lệch
về giá cả cũng như khả năng tài chính mà các doanh nghiệp có thể lựa chọn và
tìm đến những giải pháp tiết kiệm hơn như lắp đặt thiết bị có giá thành rẻ của

nhiều hãng sản xuất khác nhau cho dây truyền sản xuất của mình(các thiết bị có
thể không đồng bộ), từ đó nảy sinh bài toán khó đối với những người tích hợp hệ
thống. Thiết bị của các hãng sản xuất cần phải có khả năng tương thích với nhau
trong một hệ thống chung.
Kiến trúc hệ thống thông tin trong công nghiệp rất phức tạp, không chỉ
dừng ở mức sản xuất mà các hệ thống giám sát và điều khiển quá trình cũng cần
phải phục vụ cho mục đích quản lý và kinh doanh. Ngày nay các bộ phận kinh
doanh hoặc quản lý đã có thể sử dụng thông tin từ hệ thống giám sát và điều
khiển quá trình sản xuất để đưa ra những chiến lược kinh doanh hay cung cấp
thông tin về sản phẩm đang được sản xuất để phục vụ khách hàng một cách
nhanh chóng và tiện lợi. Kiến trúc hệ thống thông tin công nghiệp nhìn chung
được chia làm 3 cấp độ:

- Cấp hiện trường: Các thiết bị điều khiển, giám sát ở cấp hiện trường
như thiết bị vào ra, thiết bị đo lường( nhiệt độ, áp suất, mực nước …),
thiết bị chấp hành, thiết bị phân tích, thiết bị giao diện điều khiển, cấu
hình vận hành… sẽ cung cấp thông tin về tình trạng sức khoẻ, tham số
cấu hình, trạng thái hoạt động của các thiết bị để phục vụ cho việc
quản lý hiện trường sản xuất. Những thông tin này cũng cần phải tổ
chức và được sử dụng theo một cách thức nhất quán.
- Cấp quản lý quá trình: có thể bao gồm các hệ thống điều khiển phân
tán, hệ thống giám sát SCADA, các máy tính thu thập dữ liệu và điều
hành quản lý sản xuất… Các hệ thống này có thể trao đổi dữ liệu cho
nhau để phối hợp trong việc quản lý quá trình được tốt hơn.
- Cấp quản lý kinh doanh: Các ứng dụng client có thể truy cập vào các

hệ thống ở cấp dưới (cấp quản lý quá trình) để lấy dữ liệu nhằm phục
vụ cho công việc kinh doanh như nhập nguồn nguyên liệu, xác nhận


73
KẾT LUẬN
Việc ứng dụng công nghệ OPC trong hệ thống giám sát và điều khiển từ
xa hệ thống có dự phòng nóng có ý nghĩa quan trọng trong môi trường sản xuất
công nghiệp. Nó tạo ra tính thống nhất của các hệ thống công nghiệp phức tạp
gồm các thiết bị đa hãng sản xuất và phân chia ở nhiều cấp độ quản lý khác
nhau. Nhờ vậy việc tích hợp và mở rộng hệ thống trở nên dễ dàng hơn, giảm giá
thành lắp đặt.

Nội dung của luận văn được chia làm ba phần, phần đầu trình bày tổng
quan về công nghệ OPC và kiến trúc mạng điều khiển, phần 2 giới thiệu về hệ
thống điều khiển và giám sát có dự phòng nóng và phần cuối cùng trình bày cụ
thể các bước xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát có dự phòng nóng trên
cơ sở công nghệ OPC từ các bước khai báo cấu hình phần cứng, phần mềm đến
xây dựng các modun chương trình.
Luận văn đã phân tích nền tảng kiến trúc, vai trò và các chuẩn giao diện
của công nghệ OPC để từ đó xây dựng thành công một ứng dụng OPC phía
khách thực hiện truyền thông qua máy chủ OPC nhằm điều khiển, giám sát các
tham số mà các thiết bị công nghiệp quản lý. Luận văn cũng chỉ ra những điểm
cần lưu ý về vấn đề bảo mật khi ứng dụng công nghệ OPC trong các hệ thống
công nghiệp và việc xây dựng các hệ thống dự phòng nóng nhằm làm tăng khả

năng sẵn sàng cũng như độ tin cậy là rất cần thiết. Tuy nhiên lĩnh vực tự động
hoá trong công nghiệp là một lĩnh vực khá mới mẻ tại Việt Nam, thiết bị cũng
như phần mềm bản quyền đi kèm khá đắt vì vậy tôi chưa có điều kiện thử
nghiệm trên một hệ thống có nhiều thiết bị của nhiều hãng sản xuất. Tôi hy vọng
trong tương lai tôi có thể phát triển, kiểm chứng và đánh giá trên nhiều khía
cạnh ưu nhược điểm của công nghệ OPC.


74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. Tài liệu tiếng Việt:
[1] Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu, Hoàng Văn Tuấn, Nguyễn Trung

Đồng (2006), “Mạng công nghiệp và hệ thống điều khiển có dự
phòng nóng”, Kỷ yếu hội nghị khoa học kỷ niệm 30 năm thành lập
Viện Công nghệ thông tin, tr.226-227.
[2] Vũ Chấn Hưng, Nguyễn Thị Thu Thuỷ, Hoàng Văn Tuấn, “Giám sát
và điều khiển từ xa hệ thống có dự phòng nóng bằng công nghệ
OPC”, đã được nhận in tại Tạp chí Khoa học và Công nghệ.
[3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2004), Tự động
hoá với Simatic S7-300, Nhà Xuất bản khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
B. Tài liệu tiếng Anh:
[4] Adriel Michaud, Creating secure OPC architectures, Matrikon OPC,
www.matrikon.com
[5] Byres Research (2007), OPC Security Whitepaper #1, Digital Bond

British Columbia Institute of Technology Byres Research,

[6] Byres Research (2007), OPC Security Whitepaper #2, Digital Bond
British Columbia Institute of Technology Byres Research,

[7]

Byres Research (2007), OPC Security Whitepaper #3, Digital Bond
British Columbia Institute of Technology Byres Research,


[8] Dae-Seung Yoo, Vu Van Tan, Myeong-Jae Yi (2008), Modern

Distributed Data Acquisition and Control Systems based on OPC
Techniques, Proceedings of the 14th Annual IEEE International
Conference and Workshops on the Engineering of Computer-Based
Systems (ECBS'07).
[9] OPC
Foundation,
OPC


Overview

Version

1.0,

[10] National Instruments (2006), Redundant System Basic Concepts,
National Instruments Corporation,
[11] Randy Kondor, OPC Tutorial, Matrikon OPC, www.matrikon.com


Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter.
A watermark is added at the end of each output PDF file.

To remove the watermark, you need to purchase the software from

/>