CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI VÀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG CỤ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG SCADA HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG 1. Tổng quan đề tài 1. Tổng quan hệ thống Scada (Supervisory control and data acquisition) là hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông.
Các hệ thống Scada cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn, tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông như mạng Profibus, WAN, LAN, Ethernet và cả mạng Internet. Mặt khác, trong hệ thống Scada ngày nay có các dòng PLC có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các điểm cục bộ. Cấu trúc hệ thống Scada được xây dựng theo cấu trúc phân tán, trong đó máy chủ là bộ xử lý trung tâm, các máy tính kết nối với nhau thông qua mạng LAN. Mỗi thiết bị là mỗi bộ xử lý, mỗi bộ xử lý có nhiệm vụ riêng như: thu thập, xử lý, xây dựng, hiển thị, tạo báo cáo…và một số bộ xử lý dùng để dự phòng.
Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở với mô hình Server - Client. Hệ thống Scada bao gồm các đặc tính sau: Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển. Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (Historian) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu đồng thời. Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System).
Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP. Hệ thống báo cáo, báo biểu theo tiêu chuẩn công nghiệp. Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác. Khả năng tích hợp tín hiệu video động.
Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và Client. 1 Ngày nay, xu hướng tự động hóa là xu hướng tất yếu trong mọi lĩnh vực sản xuất và đời sống, nó giúp nâng cao hiệu quả, năng suất công việc, tác động đến chi phí và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Mỗi hệ thống tự động hóa đều có những hệ thống giám sát và điều khiển riêng, tùy vào chủng loại, quy mô và mục đích sử dụng. Đối với những hệ thống, những dây chuyền sản xuất quy mô lớn thì thường sử dụng hệ thống Scada để thuận lợi trong giám sát, quản lý toàn hệ thống, tăng hiệu suất công việc, đối với những hệ thống vừa và nhỏ thì quá trình giám sát mang tính cục bộ và qui mô giám sát nhỏ hơn nên thường sử dụng các màn hình HMI để giám sát và điều khiển (vì lý do chi phí thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống Scada khá tốn nhìu chi phí đầu tư ban đầu).
Nhược điểm của viêc sử dụng màn hình HMI là chỉ kết nối thông qua một số chuẩn và một số thiết bị nhất định (tùy theo khả năng mở rộng của thiết bị từ hãng sản xuất), không có khả năng mở rộng, nâng cấp hệ thống khi cần mở rộng quy mô hệ thống, không có những chức năng quản lý và lưu trữ dữ liệu như report hay historian dữ liệu, số lượng tag dữ liệu và quy mô quản lý bị giới hạn. Khái quát và phân tích một số phần mềm Scada hiện nay Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng có rất nhiều hệ thống Scada. Mỗi hệ thống đều có ưu, nhược điểm riêng phù hợp với từng nhu cầu của khách hàng mong muốn. Một số hệ thống Scada được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các ngành công nghiệp có quy mô sản xuất và quản lý lớn như WinCC (Siemens), Wonderware System Platform (Schneider), Citect (Schneider), Scada Experion (Honeywell)… Những hệ thống Scada trên đều có cùng các đặc tính cơ bản sau: Hỗ trợ đồ họa trực quan, sinh động trong quá trình giám sát và điều khiển.
Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu. Có hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/Event System). Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP. Hệ thống báo cáo, báo biểu theo tiêu chuẩn công nghiệp.
2 Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác. Khả năng đồng bộ hóa thời gian với hệ thống cũng như giữa server với client. Ưu điểm: Giao diện trực quan, sinh động trong giám sát và điều khiển hệ thống. Hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông công nghiệp trong kết nối giao tiếp với các thiết bị công nghiệp.
Khả năng thu thập, quản lý dữ liệu thông qua các công cụ historical, alarm event và trend. Hệ thống hoạt động ổn định, độ tin cậy cao. Nhược điểm: Mỗi hệ thống Scada có sự giới hạn trong việc giao tiếp với các dòng thiết bị, hầu như tập trung vào các dòng thiết bị nhất định có hỗ trợ driver trực tiếp, nên khi cần kết nối với các dòng thiết bị điều khiển khác cần sử dụng driver hỗ trợ hoặc thông qua OPC Server. Những phần mềm hệ thống Scada hầu như chỉ dành cho các hệ thống lớn và tầm trung, vì chi phí đầu tư ban đầu khá nhiều.
Ít được dùng cho các hệ thồng vừa và nhỏ. Tất cả những thuộc tính, cấu trúc đối tượng trong thư viện phần mềm đều bị khóa và không có công cụ hỗ trợ để mở rộng nâng cấp hệ thống. Nên hoàn toàn lệ thuộc vào các phiên bản mới và license từ nhà sản xuất. Dẫn đến tốn nhiều chi phí khi cần nâng cấp mở rộng thêm những chức năng mới trong hệ thống.
Lĩnh vực tự động hóa ngày càng phát triển tại Việt Nam, hiện nay trong nước cũng có nhiều cá nhân, tập thể tự thiết kế, xây dựng những hệ thống Scada mới của Việt Nam. Một ví dụ như phần mềm ATSCADA của công ty ATPro Corp (Công ty cổ phần giải pháp kỹ thuật Ấn Tượng) Hệ thống này bao gồm một số chức năng cơ bản sau: Realtime Data. Hệ thống phân tán đám mây web server. Hệ thống được xây dựng trên nền tảng .NET ngôn ngữ lập trình C#.
Ưu điểm: cung cấp cho các nhà tích hợp hệ thống thêm giải pháp công nghệ mới. Hệ thống vẫn đảm bảo đầy đủ chức năng của một hệ thống Scada hoàn chỉnh. Nhược điểm: hiệu suất hoạt động, khả năng tổ chức, quản lý dữ liệu chưa đạt được hiệu quả cao. Quy mô chỉ mới áp dụng cho các hệ thống vừa và nhỏ.
Từ những phân tích vể ưu điểm, nhược điểm của các hệ thống, chương trình Scada hiện có, ta có thể rút ra những vấn đề sau: Những hệ thống hiện tại mang tính chất cạnh tranh giữa các nhà sản xuất, không hỗ trợ chức năng giúp cho người sử dụng nâng cấp hệ thống. Nên khi muốn nâng cấp mở rộng cần các phiên bản cập nhật, hoặc khi có vấn đề thì cần các bản vá lỗi hệ thống từ nhà sản xuất. Chi phí đầu tư cho công tác thiết kế, xây dựng hệ thống còn khá cao. Các hệ thống hầu như chỉ tập trung vào các dòng thiết bị điều khiển nhất định nên không có sự đa dạng về giao thức truyền thông.
Khi cần kết nối phải được hỗ trợ driver hoăc phần mềm hỗ trợ dẫn đến tốc độ xử lý và lưu trữ dữ liệu bị giới hạn nhiều. Môi trường vận hành các hệ thống Scada hiện tại yêu cầu cài đặt thêm nhiều phần mềm đính kèm của nhà sản xuất, cấu hình cho thiết bị giám sát và điều khiển cần có cấu hình cao để có thể hoạt động hiệu quả. Những hệ thống này chưa được tích hợp thêm giao thức truyền thông OPC UA. Mục tiêu đề tài Xây dựng công cụ có khả năng thiết kế ứng dụng hệ thống Scada vào thực tế họat động sản xuất.
Đáp ứng được nhu cầu giám sát, điều khiển cho các hệ thống vừa và nhỏ, giải quyết được vấn đề làm chủ công nghệ, có khả năng mở rộng trong tương lai. Xây dựng giao diện người dùng hướng đối tượng trực quan, sinh động dễ dàng xây dựng, thiết kế và sử dụng. Định hướng giải quyết vấn đề của đề tài như sau: Xây dựng, thiết kế công cụ ứng dụng hệ thống Scada trên nền hệ điều hành window, tối giản cấu hình chương trình để người dùng dễ cài đặt và sử dụng, giảm yêu cầu về cấu hình thiết bị vận hành, giám sát, nhằm tăng tốc độ xử lý dữ liệu. Hỗ trợ chức năng mã nguồn mở, cho phép người dùng tự thiết kế các đối tượng mới, tăng khả năng linh động và mở rộng hệ thống đáp ứng nhu cầu nhà tích hợp hệ thống.
Xây dựng giao thức truyền thông đa dạng, có thể kết nối với hầu hết các dòng thiêt bị hiện tại trên thị trường. Tích hợp truyền thông kết nối với giao thức truyền thông OPC UA giữa các máy với nhau và giữa hệ thống với thiết bị. Đáp ứng đầy đủ các chức năng cơ bản của hệ thống Scada. Xây dựng môi trường thiết kế đa dạng, trực quan, sinh động.
Giảm chi phí đầu tư xây dựng hệ thống. Để giải quyết những vấn để trên, luận văn đi vào xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng. Tổng quan về kỹ thuật xây dựng công cụ thiết kế ứng dụng Scada hướng đối tượng Tổng quan về các phương pháp thiết kế hệ thống: hướng cấu trúc và hướng đối tượng. Phương pháp Thiết kế theo hướng cấu trúc Thiết kế theo hướng đối tượng Cách tiếp cận - Phương pháp lập trình hướng - Phương pháp lập trình theo cấu trúc thiết kế theo hướng phân hướng đối tượng thiết kế theo chia chương trình thành nhiều hướng phản ánh chân thực từng chương trình con hướng tới thực vấn đề trong hệ thống theo các hiện một công việc xác định yêu cầu thực tế.
Với cách tiếp (phân rã chương trình theo các cận này, một hệ thống được chức năng cần đáp ứng và dữ phân chia thành các phần nhỏ liệu cho các chức năng đó). gọi là các đối tượng. Mỗi đối tượng bao gồm đầy đủ cả dữ liệu và chức năng liên quan đến đối tượng đó. Các đối tượng trong hệ thống độc lập với nhau và phần mềm được xây dựng bằng cách kết hợp các đối tượng đó lại thông qua các mối liên hệ và tương quan giữa chúng.
- Cách thực hiện theo hướng từ - Phương pháp này được tiến cao đến thấp.