Giải pháp thu thập dữ liệu, điều khiển, bảo trì, bảo dưỡng trên cơ sở Cloud

Chắc trong chúng ta ai cũng biết một chiếc điện thoại thông minh (ví dụ iPhone) bao gồm các chức năng truyền nhận bản tin, gọi điện thoại, truyền nhận dữ liệu. Ngày nay, chiếc điện thoại thông minh đó hầu như là một thiết bị đóng vai trò là giao diện đầu cuối. Mọi dữ liệu từ điện thoại được lưu trữ trên điện toán đám mây (ví dụ iCloud). Người dùng không nhất thiết phải dùng đúng chiếc điện thoại đó để truy cập dữ liệu, mà có thể truy cập từ bất cứ thiết bị nào tương tự. Hình 1 là giao diện truy cập bằng hệ điều hành Windows vào tài khoản iCloud của mình.

Giao điện iCloud cá nhân truy cập từ máy tính

Một đặc điểm quan trọng trong hệ thống này là khi có lỗi xảy ra ở thiết bị, thì các lỗi này được truyền về trung tâm chăm sóc khách hàng, và từ đó kỹ sư hỗ trợ kỹ thuật có thể gỡ lỗi từ xa.

Trong công nghiệp liệu có giải pháp tương đương như vậy không? Bài viết này cung cấp cho bạn đọc một giải pháp vừa đơn giản vừa hiệu quả kết hợp phần cứng, phần mềm và chạy trên nền Cloud (VPS) cho phép, người dùng có thể:

• Thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình của nhà máy từ xa bằng nhắn tin SMS;

• Thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình của nhà máy từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G và VPS;

• Bảo trì, bảo dưỡng và lập trình từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G, Internet và máy tính ảo (VPS).

II- Cấu trúc của chiếc "điện thoại công nghiệp"

Để trang bị cho giải pháp này ta cần một thiết bị có các thành phần như một chiếc điện thoại. Hình 2 mô tả đầy đủ các thành phần, bao gồm:

1) Bộ xử lý trung tâm là PLC S7-1200, một loại PLC phổ biến trên thị trường tự động hóa công nghiệp ở Việt Nam.

2) Bộ xử truyền thông hỗ trợ nhắn tin, nhận tin, hỗ trợ data 2G, 3G, 4G. Cụ thể ở đây, nếu dùng bộ xử lý CP1242-7 chỉ hỗ trợ được mạng 2G. Còn nếu dùng CP1243-7 thì hỗ trợ 3G và 4G.

3) Khe để cắm thẻ SIM. Có thể dùng thẻ SIM của bất kỳ nhà cung cấp nào ở Việt Nam: Vinaphone, Mobile Fone, Viettel,…

4) Và tất nhiên là phải cần có Antenna.

Các thành phần của chiếc "điện thoại công nghiệp”

Điều khác biệt với chiếc điện thoại dân dụng, chiếc “điện thoại công nghiệp" này được dùng với mục đích là thu thập dữ liệu và điều khiển một quá trình, đối tượng nào đó. Hình 3 là một ví dụ áp dụng chiếc “điện thoại” công nghiệp này để kết nối với các thiết bị chấp hành như biến tần, đóng cắt thông qua giao thức Profinet; kết nối với để thu thập dữ liệu từ đồng hồ đo đếm điện năng thông qua giao thức Modbus RTU hoặc Modbus TCP/IP.

Tuy nhiên, để có được các tính năng: truyền thông với thiết bị cấp bên dưới (thiết bị hiện trường), truyền thông trao đổi với điện toán đám mây, trao đổi tin nhắn SMS thông thường với các điện thoại khác thì cần phải lập trình. Công cụ dùng để lập trình cho chiếc “điện thoại” công nghiệp này không phải là Studio Android hay Xamarin mà là TIA Portal.

Áp dụng PLC S7-1200 để điều khiển và thu thập dữ liệu

Bài viết không bàn về chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển của chiếc “điện thoại” công nghiệp này mà chỉ bàn về các tính năng sau đây:

• Trao đổi dữ liệu với các điện thoại thông thường khác thông qua nhắn tin SMS;

• Trao đổi dữ liệu với các ứng dụng máy tính, ứng dụng chạy trên điện thoại thông minh và các trạm SCADA bằng 2G/3G/4G, Internet thông qua VPS trung gian;

• Bảo trì, bảo dưỡng và lập trình từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G, Internet và VPS.

III- Chức năng trao đổi tin nhắn SMS

Để thực hiện chức năng này, chúng ta cần phải cấu hình bộ xử lý truyền thông CP1242-7/CP1243-7. Hình 4 chỉ ra 4 bước cấu hình bộ xử lý này:

Các bước cấu hình bộ xữ lý truyền thông và lập trình trên TIA Portal

1) Kích hoạt chức năng cần thiết. Nếu chỉ dùng chức năng gửi nhận SMS thôi thì chỉ đánh dấu vào “Enable SMS”. Còn chức năng “Enable telecontrol communication” sẽ được kích hoạt khi dùng chức năng: trao đổi dữ liệu với các ứng dụng máy tính, ứng dụng chạy trên điện thoại thông minh và các trạm SCADA bằng 2G/3G/4G, Internet thông qua VPS trung gian; Chức năng khác sẽ được dùng cho việc bảo trì, bảo dưỡng và lập trình từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G, Internet và VPS.

2) Cấu hình mạng di động. Trong trường hợp này không cần kích hoạt các chức năng data như: 2G, 3G, LTE. Tùy theo nhà mạng mà chọn số điện thoại trung tâm tin nhắn (SMSC). Trong hình là một số điện thoại trung tâm tin nhắn của Vinaphone.

3) Cấu hình APN. Tùy theo nhà mạng mà chọn cấu hình APN tương ứng. Ví dụ Mobiphone: APN: m-wap, user: mms, password: mms; Viettel: APN: v-internet, user :(để trống), password : (để trống); Vinaphone: APN: m3-world, user: mms, password: mms.

4) Sau khi cấu hình xong, có thể bắt đầu lập trình tùy theo yêu cầu của hệ thống. Đối với chức năng SMS này, kết hợp với các kỹ thuật lập trình thì có thể tạo ra được ứng dụng có các chức năng được thể hiện trên hình 5.

Các phương thức trao đổi bằng SMS

Các chức năng bao gồm:

1) Send SMS: “Điện thoại công nghiệp" gửi nhắn SMS từ trạm (trạm bơm, trong hình) đến một điện thoại thông thường được biết trước số điện thoại khi cần thiết;

2) Receive SMS: “Điện thoại công nghiệp" nhận nhắn SMS được gửi từ một điện thoại thông thường;

3) Broadcast: Khi có cảnh báo hoặc báo động thì “điện thoại công nghiệp" có thể gửi tin nhắn SMS cho một loạt điện thoại được đăng ký trước bằng cách lập trình trên PLC;

4) Escalation: Khi có cảnh báo hoặc báo động thì “điện thoại công nghiệp" này có thể gửi tin nhắn SMS một điện thoại đầu tiên. Nếu điện thoại này không xác nhận thì sẽ nhắn tiếp đến số điện thoại thứ hai. Cứ như thế, cho đến khi điện thoại được nhắn (trong vòng một thời gian xác định nào đó) phải gửi xác nhận bằng một tin nhắn được quy định trước thì quá trình Escalation mới dừng lại;

5) Information/Control: Trường hợp Information là từ điện thoại người sử dụng gửi một tin nhắn SMS yêu cầu về cung cấp giá trị hiện thời của một biến nào đó với cú pháp đã được định nghĩa trước (ví dụ “Temperature?”). Ngay lập tức “điện thoại công nghiệp" sẽ gửi lại vào số yêu cầu về giá trị của biến này (ví dụ “Temperature=1020°C”). Trường hợp Control thì điện thoại người sử dụng gửi một tin nhắn SMS chạy/dừng, cài đặt tốc độ,… với cú pháp đã được định nghĩa trước (ví dụ “Pump_1=ON”). Ngay lập tức “điện thoại” công nghiệp sẽ điều khiển đối tượng tương ứng với nội dung tin nhắn (tuy nhiên là số điện thoại này đã được cấp quyền điều khiển).

Chức năng trao đổi dữ liệu hệ thống điều khiển với các điện thoại thông thường thông qua nhắn tin SMS không phải là gì mới mẽ. Dưới đây sẽ mô tả tiếp các chức năng trao đổi dữ liệu hệ thống điều khiển với các ứng dụng máy tính, ứng dụng chạy trên điện thoại thông minh và các trạm SCADA bằng 2G/3G/4G, Internet thông qua VPS trung gian.

IV- Vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển trên cơ sở Cloud

Để thực hiện chức năng này, chúng ta cần phải cấu hình bộ xử lý truyền thông CP1242-7/CP1243-7. Hình 6 chỉ ra 4 bước cấu hình bộ xử lý này:

Các bước cấu hình bộ xữ lý truyền thông để kết nối với Server

1) Kích hoạt các chức năng cần thiết. Chức năng gửi nhận SMS - “Enable SMS”. Chức năng “Enable telecontrol communication” được kích hoạt để trao đổi dữ liệu với các ứng dụng máy tính, ứng dụng chạy trên điện thoại thông minh và các trạm SCADA bằng 2G/3G/4G, Internet thông qua VPS trung gian; Chức năng khác được kích hoạt với mục đích dùng cho việc bảo trì, bảo dưỡng và lập trình từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G, Internet và VPS.

2) Cấu hình mạng di động và kích hoạt các chức năng data: 2G, 3G, LTE. Tùy theo nhà mạng mà chọn số điện thoại trung tâm tin nhắn (SMSC). Trong hình là một số điện thoại trung tâm tin nhắn của Vinaphone.

3) Cấu hình APN.

4) Chỉ ra địa chỉ IP mà phần mềm Server sẽ chạy trên đó. Trước đây người ta thông thường hay dùng máy tính với đường truyền ADSL có địa chỉ IP tĩnh để làm Server. Tuy nhiên giải pháp này có các phiền toái sau: phải trả tiền rất cao cho gói IP tĩnh hàng tháng; NAT port; máy tính phải chạy 24/24, tiêu tốn năng lượng, phòng chống cháy nỗ, đảm bảo nhiệt độ,… Ngày nay với sự phát triển của các nhà cung cấp VPS trong nước, với giá thuê rẽ. Chỉ cần 400 ngàn đồng/tháng là mua được một máy tính ảo (VPS) có địa chỉ IP tỉnh và lúc đó người dùng sẽ dùng công nghệ remote desktop và dùng VPS đã mua như một máy tính thông thường ở nhà.

Trong hình 6 cần điền địa chỉ IP của Server (phần mềm, gọi là Telecontrol & Service của Siemens). Điều đặc biệt ở đây là “Connection establishment” là “Connection establishment by CP“. Điều này có nghĩa là ở “điện thoại“ công nghiệp (trạm) phải chủ động kết nối với VPS, bởi vì VPS không thể biết địa chỉ IP của trạm mà trạm đã biết được địa chỉ IP của đối tác mà mình cần kết nối.

5) Đây là phần bảo mật để thiết bị “điện thoại“ công nghiệp kết nối với VPS. Điều này hoàn toàn thích hợp cho thiết bị IoT, khi đã mua được thiết bị, với bảo mật 2 phía hợp lý thì thiết bị sẽ được kết nối với VPS. Tuy nhiên để bắt tay được phía Server chạy trên VPS phải cấu hình với bảo mật tương ứng để chấp nhận được “điện thoại” công nghiệp này kết nối với nó (hình 7).

Cấu hình trên VPS Server để các trạm kết nối được với hub

6) Ánh xạ dữ liệu từ PLC S7-1200 sang bộ xử lý truyền thông. Ở đây cần ánh xạ (mapping) những biến cần thiết và đặc biệt là nên kích hoạt cơ chế data changed - có nghĩa là, khi dữ liệu thay đổi thì mới truyền về VPS. Khi cần điều khiển thì dữ liệu được truyền về ngay cho trạm. Điều đặc biệt ở đây là khả năng lữu trữ lại dữ liệu khi kết nối bị gián đoạn. Khí kết nối đươc khôi phục thì mọi dữ liệu đã lưu trữ sẽ được tryền về Server (kèm theo nhãn thời gian).

Khi mở rộng ra nhiều trạm từ xa để tham gia vào hệ thống vận hành gồm: SCADA, lập trình, Web Client thì cấu trúc tổng quan của giải pháp được thể hiện qua hình 8.

Cấu trúc tổng quan của giải pháp trạm vận hành từ SCADA, Web client và bảo trì, bảo dưỡng và lập trình từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G, Internet và VPS.

Các trạm được trang bị một “điện thoại” công nghiệp, được cấu hình sẵn, thống nhất user, password thì chúng tự động kết nối với phần mềm (6) chạy trên VPS. Lắp đặt thêm trạm mới thì “điện thoại” công nghiệp của trạm này phải được cấu hình như trên, thống nhất bảo mật. Sau đó ở phần mềm (6) sẽ được thêm node với bảo mật tương ứng, thì tự động trạm và server được kết nối với nhau. Các Tag trong danh sách ánh xạ sẽ được trao đổi qua lại với nhau một cách tự động.

Server (6) gọi là Telecontrol Basic and Service đóng vài trò là một OPC UA Server. OPC UA Server này như vậy được chạy trên một máy tính ảo có địa chỉ IP biết trước, hoặc tên miền biết trước (nếu có tên miền và trỏ tên miền đến địa chỉ IP này). Từ bất kỳ vị trí nào trên thế giới, chỉ cần có internet thì OPC UA Client (8) sẽ truy cập được đến Server này với đường URL, ví dụ như trường hợp đã cấu hình ở trên là: opc.tcp://35.115.64.161:4852. Ngày nay có rất nhiều phần mềm SCADA hỗ trợ OPC UA Client. Điển hình là WinCC Professional là phần mềm SCADA cùa tập đoàn Siemens đóng vài trò là OPC Client.

WinCC OA (9) cũng là một phần mềm SCADA ứng dụng cho các hệ thống lớn cũng đóng vai trò là một OPC UA Client (Hình 9). WinCC OA có thể chạy trên máy tính rồi kết nối với Server (6) bằng giao thức OPC. Tuy nhiên, chúng ta có thể dời WinCC OA chạy trên VPS luôn. Trong trường hợp này WinCC OA sẽ kết nối với Server (6) trên một máy tính. Và ở đây chúng ta cũng có thể cho chạy dịch vụ Web Client của WinCC OA. Như vậy từ Web Browser hoặc ứng dụng chạy trên iOS hay Android (10) có thể kết nối đến WinCC OA Server và tất cả các trang giao diện của SCADA trên máy tính sẽ được “bê” hết sang ứng dụng hoặc Web một cách tự động (hình 10).

WinCC OA hỗ trợ OPC UA Client.

WinCC OA có ứng dụng trên iOS và Android

Một trường hợp quan trọng trong bài viết này là máy tính (7) chạy TIA Portal kết nối với Server (6) để download/upload chương trình xuống/từ PLC S7-1200 mà không cần phải đến tận trạm. Thay vì chọn card mạng để download/upload/troubleshooting thì bây giờ sẽ chọn ”TeleService via TeleControl”. Sau đó chọn địa chỉ IP và dịch vụ đang chạy (hình 11). Điểm tương đồng với chiếc điện thoại thông minh hiện nay chính là: khi có lỗi xãy ra ở thiết bị, thì các lỗi này được truyền về trung tâm chăm sóc khách hàng, và từ đó kỹ sư hỗ trợ kỹ thuật có thể sửa lỗi từ xa.

Download/Upload/Troubleshooting từ xa thông qua Telecontrol Server

V- Kết luận

Trong giới hạn cho phép, tác giả đã cố gắng giới thiệu đến cho bạn đọc một cái nhìn vừa tổng quan vừa chi tiết về thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình của nhà máy từ xa bằng nhắn tin SMS truyền thống, rất tiện lợi và thực tế cho các trạm điều khiển từ xa.

Tuy nhiên, với xu thế số hóa hiện nay, bài viết đã nêu ra giải pháp thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình của nhà máy từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G và VPS. Khi ứng dụng giải pháp này sẽ mang lại rất nhiều lợi ích về vận hành từ xa, trong suốt và kết nối tập trung.

Một lợi ích nữa khi ứng dụng giải pháp là thuận lợi cho việc bảo trì, bảo dưỡng và lập trình từ xa thông qua mạng di động 2G/3G/4G/Internet. Trong trường hợp này công ty, nhà tích hợp hệ thống hay nhà chế tạo máy không cần phải bỏ chi phí nhân lực và chi phí đi lại mà vẫn có thể sửa chữa được chương trình hay thêm tính năng mới của chương trình khi có yêu cầu của khách hàng.

Nếu có thắc mắc về kỹ thuật chi tiết, hay mã nguồn chương trình thì xin vui lòng liên hệ với tác giả theo 1 trong 2 địa chỉ email: chau.truong@hcmut.edu.vn/ chau.truong@me.com.

Trương Đình Châu (Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh)