Nghiên cứu và xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát điều khiển

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. HUỲNH QUYẾT THẮNG 2. 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. Huỳnh Quyết Thắng, PGS.

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 Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang 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 16 mô hình ISA 95 và OPC 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 Client- 40 Server SDK 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 4.2 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 90 nước 62 4.6 Mô hình chung cho các ứng dụng điều khiển quá trình 92 vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Phương pháp nghiên cứu. Nội dung luận án. Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.

Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp. Thiết bị điều khiển khả trình. Hệ thống điều khiển phân tán. Hệ thống điều khiển lai.

Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán. Lịch sử phát triển của các chuẩn kết nối và OPC UA. Tổng quan về OPC. Các đặc tả của OPC.

Đặc tả OPC DA. Đặc tả XML-DA. Đặc tả DX. Đặc tả HDA.

Đặc tả OPC AE. Đặc tả OPC Security. Đặc tả OPC Batch. Đặc tả OPC UA.

Mô hình Client – Server của OPC UA. Nhận xét về các đặc tả của OPC. Phân tích và đánh giá các công trình liên quan. Hệ thống KSC.

Hệ thống OPC-EWS. Giao thức trao đổi dữ liệu. XML-DA Server nhúng. SOCRADES, SIRENA và SODA.

Vai trò của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong phát triển phần mềm giám sát và điều khiển. Nhiệm vụ của luận án. 37 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN. Xây dựng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK.

Kiến trúc hệ thống của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK. Xây dựng OPC UA Client SDK. Xây dựng OPC UA Server SDK. Khởi tạo Server.

Module quản lý phiên làm việc. Module quản lý không gian địa chỉ. Module quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu. Mô hình quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu.

Lấy mẫu dữ liệu trong không gian nút. Kết nối thiết bị với OPC UA Server. Giải pháp về bảo mật cho hệ thống. 67 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK VÀO BÀI TOÁN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN.