Thạc Sĩ Nghiên cứu và xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát & điều khiển sử dụng OPC UA

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


ix

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


x

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




1

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


2

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


3

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


4

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.