Đặt vấn đề Trong nền kinh tế hội nhập hiện nay, thông tin là chìa khóa dẫn đến thành công và lợi nhuận của doanh nghiệp. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 dựa trên nền tảng công nghệ số và tích hợp tất cả các công nghệ thông minh để tối ưu hóa quy trình, phương thức sản xuất; nhấn mạnh những công nghệ đang và sẽ có tác động lớn nhất là công nghệ in 3D, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu mới, công nghệ tự động hóa, người máy… Cụ thể hơn, trong môi trường của Công nghiệp 4.0, tất cả các bên trong chuỗi cung ứng chia sẻ dữ liệu từ các trang web sản xuất, phương tiện, kho hàng và cơ sở dữ liệu của họ trong thời gian thực (real time) và dữ liệu hàng tồn kho được cập nhật liên tục để người dùng hiểu tình hình kinh doanh. Đơn đặt hàng khẩn cấp của khách hàng có thể được cập nhật kịp thời và đáp ứng sự hài lòng của khách hàng. Tình trạng và vị trí của sản phẩm có thể theo dõi và kiểm soát được.
Chất lượng sản phẩm được kiểm soát tốt hơn và hàng tồn kho được quản lý tốt hơn. Cài đặt thiết bị được tự điều chỉnh dựa trên các vật liệu được sử dụng, sản phẩm được sản xuất và các điều kiện môi trường khác. Sản phẩm sản xuất hàng loạt được tùy chỉnh theo nhu cầu của từng khách hàng. Thiết bị có thể được giám sát từ xa và trục trặc có thể được dự đoán chính xác.
Dù loại hình kinh doanh là gì, công nghệ có thể kết nối khách hàng, nhà cung cấp, đối tác, thiết bị sản xuất và sản phẩm trong suốt vòng đời của sản phẩm và dịch vụ. Tuy nhiên, một trong những thách thức trọng tậm được đặt ra bởi cách mạng công nghiệp 4.0 là việc trao đổi dữ liệu, thông tin đã được chuẩn hóa và an toàn giữa các thiết bị, máy móc với hệ thống giám sát phía trên. Và giao thức OPC UA đã ra đời để giải quyết thử thách này. Công nghệ OPC được tạo ra để cho phép thông tin được trao đổi dễ dàng và an toàn giữa các nền tảng đa dạng từ nhiều nhà cung cấp và cho phép tích hợp liền mạch các nền tảng đó mà không cần phát triển phần mềm tốn kém, mất thời gian.
Công nghệ này là nguồn lực kỹ thuật quan trọng để tối ưu cũng như bảo mật thông tin quan trọng trong doanh nghiệp. Do đó, việc triển khai hệ thống điều khiển và giám sát thông qua Internet là rất cần thiết.2 Tổng quan đề tài Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan đồ án [1] Hệ thống của luận văn sẽ gồm 5 phần chính: 1. OPC UA Client được triển khai trên PLC S7-1500. OPC UA Server được xây dựng bằng .NET Standard SDK.
OPC UA Client trên nền tảng web được xây dựng bằng ASP. Giao diện UI được xây dựng bằng framework Angular 11. Database được sử dụng trong hệ thống là SQL Server. Trong đó: • OPC UA Client chạy trên PLC S7-1500 bằng phần mềm Tia Portal vừa đóng vai trong là OPC UA Client, vừa để thực thi chương trình điều khiển như một PLC thông thường.
• OPC UA Server đóng vai trò như một trung gian để các client giao tiếp với nhau. • OPC UA Web Platform đươc xây dựng với backend: ASP.NET Core 3; Frontend: Angular 11 framework; Database: SQL Server; đóng vai trò là Client có thể kết nối Server để điều khiển, và giám sát hệ thống. • Web Service sử dụng RESTfull Web Service: Cung cấp các API để giao tiếp với Client. • OPC UA Client Module: Cung cấp giao thức OPC UA để có thể giao tiếp với OPC UA Server 2 • SignalR được sử dụng khi OPC UA client Subcribe bất kì Node nào trên OPC UA Client 1.3 Mục tiêu đề tài Trong đề tài luận văn này, tôi đặt ra những yêu cầu như sau: Tìm hiểu chuẩn giao thức OPC UA, OPC UA Client/Server.
Các thành phần cụ thể: • Phương thức kết nối • Bảo mật, định danh. • Truy cập dữ liệu. • Phương thức trao đổi dữ liệu. Lập trình OPC UA Server bằng C# với gói thư viện OPC UA của OPC Foundation.
Nghiên cứu về Web development. Kết nối Server với nhiều Client ảo khác nhau.4 Giới hạn đề tài Tốc độ tiếp nhận tín hiệu giữa server và client phụ thuộc vào phần cứng máy tính và đường truyền dây. Hệ thống dừng lại ở mức độ mô phỏng, chưa áp dụng phần cứng thực tế.5 Nội dung đề tài Phần còn lại của đề tài có nội dung sau: • Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Trình bày các yêu cầu, quy trình công nghệ liên quan đến đề tài. • Chương 3: Thiết kế hệ thống - Yêu cầu, qui trình xây dựng hệ thống.
• Chương 4: Kết quả mô phỏng - Mô phỏng hệ thống • Chương 5: Kết luận và hướng phát triển - Tổng kết kết quả đạt được và việc cải tiến, mở rộng phát triển. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này sẽ trình bày nội dung tổng quan về giao thức OPC, OPC UA, thành phần cơ bản cấu thành OPC UA Server, OPA DA, cơ sở lý thuyết Scada, phương thức kết nối và bảo mật, các công nghệ sử dụng để phát triển web scada 2.1 Giới thiệu giao thức OPC 2.1 OPC OPC (Open Platform Communications) là một tiêu chuẩn giao tiếp của dữ liệu, được thực hiện giữa các phần mềm với nhau và hoạt động dựa trên cơ chế liên kết và nhúng đối tượng (OLE) để kiểm soát quá trình. [2] Cụ thể hơn, OPC được thiết kế để cung cấp một cầu nối chung cho các ứng dụng phần mềm dựa trên Windows và phần cứng điều khiển quá trình. Các tiêu chuẩn xác định các phương pháp nhất quán để truy cập dữ liệu thực tế từ các thiết bị nhà máy.
Máy chủ OPC (OPC SERVER) cung cấp một thiết bị phần cứng gồm các phương thức để máy khách OPC (OPC CLIENT) truy cập dữ liệu của nó. Mục đích là để giảm số lượng trùng lặp dữ liệu từ các nhà sản xuất phần cứng và đối tác phần mềm của họ, cũng như kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) và giao diện người-máy khác (HMI) các nhà sản xuất để giao tiếp song song với nhau. Khi một nhà sản xuất phần cứng đã phát triển Máy chủ OPC của họ cho thiết bị phần cứng mới, công việc của họ được thực hiện liên quan đến việc cho phép bất kỳ thiết bị đầu cuối truy cập vào thiết bị của họ và khi nhà sản xuất SCADA đã phát triển ứng dụng OPC Client của họ, nó cho phép truy cập vào bất kỳ phần cứng nào với một máy chủ tuân thủ giao thức OPC. Tóm lại, OPC là một chuẩn giao tiếp theo mô hình Khách-Chủ (Client-Server) cho phép các phần mềm (nền tảng Windows) có thể giao tiếp được với các thiết bị phần cứng trong công nghiệp.2 OPC DA OPC DA (OPC DATA ACCESS) là giao thức truyền dữ liệu nhà máy theo thời gian thực giữa các thiết bị điều khiển.
Vì vậy, OPC DA chỉ xử lý dữ liệu thời gian thực chứ không phải dữ liệu lịch sử (đối với dữ liệu lịch sử, ta cần sử dụng OPC Historical Data 4 Access hoặc OPC HDA) hoặc các sự kiện (đối với Báo động và Sự kiện, ta cần sử dụng OPC Alarm và OPC Event). [3] OPC DA vẫn còn các hạn chế như: • Việc phải truy cập qua một phần mềm trung gian là OPC Server DA – cầu nối giữa PLC và SCADA, làm tốc độ trao đổi giữa PLC và SCADA bị giảm. • Các bước để cấu hình cho giao thức không tường minh, làm tốn kém thời gian của người dùng. • Không thể thiết lập kết nối Client – Server thông qua Internet.
• Khó khăn trong việc truy cập mạng LAN do OPC DA Server sử dụng port 135 nằm trong dãy port bị chặn bởi Firewall truyền thống. • Để SCADA kết nối được với OPC DA Server thì trên máy tính chạy SCADA phải có thông tin Server đã được đăng kí trên registry của Windows. • Nền tảng phụ thuộc vào Microsoft.3 OPC UA Vì những hạn chế của OPC DA, OPC UA ra đời kế thừa đặc tính cơ bản của OPC DA. Ngoài ra, OPC UA còn được hiểu là một chuẩn giao thức bậc cao, độc lập.
OPC UA được hiểu bằng cụm từ Open Platform Communication (OPC) Unified Archiecture (UA), và đã khắc phục được những hạn chế của OPC DA đã được liệt kê ở trên. Những ưu điểm của OPC UA là: • Chuẩn quốc tế IEC 62541 • OPC UA sử dụng được trên mọi nền tảng từ hệ thống nhúng, hệ thống điều khiển, giám sát, quản lí điều hành công nghiệp đến các hệ thống ERP cho doanh nghiệp. • OPC UA Client và Server có thể được tích hợp vào các thiết bị trường như cảm biến, thiết bị chấp hành, … từ đó có thể đưa dữ liệu thẳng lên cloud. • Có tính bảo mật cao, sử dụng nhiều lớp bảo mật.
• Hỗ trợ kĩ thuật Heartbeat hai chiều giữa Client và Server để kiểm tra tình trạng hoạt động của nhau. • Hỗ trợ chức năng automatic backfilling dữ liệu. 5 • OPC UA cho phép truyền nhận nhiều dạng tín hiệu và dữ liệu khác nhau. • Bao gồm các đặc tả History, Alarm & Event.
• Hỗ trợ lưu đồ trạng thái (State-machine).4 Cấu trúc OPC UA [4] Hình 2.1 Các đặc tả OPC UA Tiêu chuẩn OPC UA bao gồm các thông số kĩ thuật riêng biệt – được gọi là các đặc tả. Mỗi thông số mô tả một phần chức năng và chỉ định giao thức giữa Server và Client nào được phép triểm khai cho chắc năng này và hỗ trợ nó. OPC Client và Server không hỗ trợ tất cả các đặc tả trên. Tùy thuộc và ứng dụng cụ thể, chỉ sử dụng một số các đặc cả riêng biệt.
Khi sử dụng OPC UA Server và Client cần xem xét đặc tả nào được yêu cầu và sẽ được triển khai bởi Server và Client. OPC UA bao gồm các đặc tả sau: 1. Address Space Model 4. PubSub Không phải tất cả các đặc tả trên đều cần thiết để tìm hiểu chi tiết.
Một số đặc tả quan trọng được sử dụng trong phạm vi luận văn này: 1. Data Access OPC UA Data Access cho phép đọc, viết và giám sát những biến dữ liệu của quá trình hiện hành. Address Space Model. Xác định các quy tắc và thành phần cơ bản để tạp nên mô hình không gian địa chỉ của OPC UA.
Information Model Dựa vào cơ sở Address Space Model để xác định cá điểm truy cập trong không gian địa chỉ và các kiểu dữ liệu cơ bản như data type, object type, … 4. Security Xác định vể các yêu cầu bảo mật cơ bản.2 Mô hình OPC UA Server và OPC UA Client Phần này trình bày cụ thể thành phần cấu thành của OPC UA Server và OPC UA Client là gì.