đồ án tốt nghiệp đề tài nghiên cứu ứng dụng công nghệ digital twins cho hệ thống mps phân loại sản phẩm

Với truyền thông OPC, các dữ liệu từ các thiết bị vật lý được thu thập và truyền đến mô hình Digital Twins để phân tích và mô phỏng, từ đó giúp người dùng có thể dự đoán và tối ưu hóa ho

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DIGITAL TWINS CHO HỆ THỐNG MPS PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Hà Nội – 2023

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DIGITAL TWINS CHO HỆ THỐNG MPS PHÂN LOẠI SẢN PHẨM”

Phần 3: Truyền thông OPC UA và lập trình hệ thống MPS phục vụ công nghệ Digital Twins

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN THỊ HIÊN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN ĐỨC SƠN Mã sinh viên : 642105

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2023

Em xin cảm ơn đến các thầy cô, đặc biệt là TS Nguyễn Thị Hiên đã tận tình chỉ bảo, góp ý để em hoàn thành đề tài nghiên cứu một cách tốt nhất

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Festo Didactic Việt Nam, đặc biệt là chuyên viên Phạm Văn Tùng đã tư vấn, hướng dẫn kỹ thuật để em có thể tiếp cận và giải quyết vấn đề một cách thuận lợi nhất

Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã chia sẻ cùng em trong quá trình học tập cũng như thực hiện Đồ án

Cuối cùng, dù đã rất nỗ lực, cố gắng, xong Đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý từ thầy, cô giáo cũng như phía công ty để Đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp “Truyền thông OPC UA và lập trình hệ thống MPS phục vụ công nghệ Digital Twins” được tiến hành một

cách minh bạch, công khai Những thông tin trích dẫn trong báo cáo đã được ghi nguồn gốc rõ ràng Toàn bộ nội dung và kết quả đạt được dựa trên sự cố gắng cũng như nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ không nhỏ từ thầy cô hướng dẫn và bạn bè

Tôi xin cam đoan kết quả đưa ra trong đồ án là trung thực và không sao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự

Tôi sẵn sàng chịu toàn bộ trách nhiệm nếu phát hiện rằng có bất kỳ sự sao chép kết quả nghiên cứu nào trong đồ án này

Sinh viên

Nguyễn Đức Sơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ DIGITAL TWINS 3

1.1.1 Khái niệm Digital Twins 3

1.1.2 Thành phần và mô hình hoạt động của Digital Twins 4

1.1.3 Ứng dụng của Digital Twins 5

1.2 TỔNG QUAN VỀ OPC 7

1.2.1 Khái niệm về OPC 7

1.2.2 Lịch sử phát triển OPC 8

1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 12

1.3.1 Nghiên cứu trong nước về OPC 12

1.3.2 Nghiên cứu ngoài nước về OPC 14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.4.2 Cách thức hoạt động của OPC UA 25

2.4.3 Những ưu, nhược điểm của giao thức truyền thông OPC với các giao thức thông dụng khác (Profibus, Ethernet) 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 29

3.1.1 Mô hình vật lý MPS 29

3.1.2 Mô hình ảo 30

3.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 32

3.2.1 Giải thuật lập trình tuần tự nối tiếp 32

3.2.2 Giải thuật lập trình tuần tự song song 33

3.2.3 Lưu đồ thuật toán cho mô hình 35

3.3 CẤU HÌNH TRUYỀN THÔNG OPC 41

3.3.1 Cấu hình OPC server trên PLC 41

3.3.2 Cấu hình OPC client trên phần mềm CIROS 43

3.3.3 Mô hình kết nối và gán biến 46

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng phân công tín hiệu vào cho trạm tay gắpError! Bookmark not defined

Bảng 3.2 Bảng phân công tín hiệu ra cho trạm tay gắp 36

Bảng 3.3 Bảng phân công tín hiệu vào cho trạm phân loạiError! Bookmark not defined Bảng 3.4 Bảng phân công tín hiệu ra cho trạm phân loạiError! Bookmark not defined

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Digital Twins 3

Hình 1.2 Thành phần của Digital Twins 4

Hình 1.3 Kiến trúc phân tầng trong hệ thống công nghiệp 8

Hình 1.4 Hệ thống tích hợp cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên mô hình OPC 9

Hình 1.5 Kiến trúc truyền thống dùng trong mạng công nghiệp 10

Hình 1.6 Kiến trúc OPC dùng trong hệ thống công nghiệp 11

Hình 2.1 Phương thức hoạt động của OPC DA 17

Hình 2.2 Chức năng của OPC HDA 19

Hình 2.3 Phương thức hoạt động của OPC AE 21

Hình 2.4 UA thay thế DA, AE và HAD [2] 23

Hình 2.5 OPC UA sự đảm bảo về chất lượng [2] 23

Hình 2.6 Vượt qua internet và tường lửa [2] 23

Hình 2.7 Ví dụ về mô hình thông tin chung [2] 24

Hình 2.8 UA và giấy chứng thực [2] 24

Hình 2.9 Từ phần mềm nhúng đến hệ thống [2] 25

Hình 2.10 Mac, Windows hay Linux [2] 25

Hình 2.11 Cách thức hoạt động của OPC UA 26

Hình 3.1 Hệ thống liên động MPS 29

Hình 3.2 Mô hình ảo hệ thống liên động MPS 32

Hình 3.3 Mạch tự giữ sử dụng cho lập trình tuần tự nối tiếp 32

Hình 3.4 Mô hình hoạt động của hệ thống tuần tự nối tiếp 33

Hình 3.5 Mô hình hoạt động của hệ thống tuần tự song song 34

Hình 3.6 Mạch tự giữ sử dụng cho lập trình tuần tự song song 34

Hình 3.7 Lưu đồ trạm tay gắp 38

Hình 3.8a Lưu đồ thuật toán trạm đo lường 39

Hình 3.8b Lưu đồ thuật toán trạm đo lường 40

Hình 3.9 Cấu hình phần cứng 41

Hình 3.10 Cho phép mô phỏng 42

Hình 3.11 Kích hoạt OPC UA Server 42

Hình 3.12 Cấu hình tên cổng, thời gian chờ, số lượng OPC UA, số lượng thanh ghi 42

Hình 3.13 Cấu hình thời gian lấy mẫu, thời gian truyền, số lượng items mô phỏng 42

Hình 3.14 Cấu hình chứng chỉ Server 43

Hình 3.15 Cấu hình địa chỉ IP đường truyền 43

Hình 3.16 Cấu hình purchased license 43

Hình 3.17 Khởi tạo project trên phần mềm CIROS 44

Hình 3.18 Cấu hình OPC UA Client 44

Hình 3.19 Cấu hình địa chỉ IP, Port đường truyền 45

Hình 3.20 Cấu hình cho PLC Switch 45

Hình 3.21 Kết nối đến đúng địa chỉ của PLC 46

Hình 3.22 Mô hình kết nối giữa hệ thống MPS và phần mềm CIROS 47

Hình 3.23 Gán biến trên phần mềm CIROS 48

Hình 3.24 Lựa chọn bộ điều khiển mô phỏng 48

Hình 3.25 Mô phỏng kết quả bằng PLC SIM 49

Hình 3.26 Mô phỏng trạm MPS bằng phần mềm CIROS 49

Hình 3.27 Mô phỏng Digital Twins 50

Hình 3.28 Cấu hình tốc độ, gia tốc 51

MỞ ĐẦU

Công nghệ Digital Twins – Bản sao kỹ thuật số là một lĩnh vực đang phát triển rất nhanh trong thời gian gần đây Nó cho phép tạo ra một bản sao kỹ thuật số của một hệ thống, một thiết bị hoặc toàn bộ quy trình sản xuất Việc tạo ra một "bản sao" này giúp các nhà sản xuất, kỹ sư và nhà quản lý có thể theo dõi, kiểm tra và cải thiện hiệu suất của hệ thống hoặc thiết bị đó mà không cần thực hiện trên hệ thống thực tế

Digital Twins cũng giúp tăng khả năng dự đoán và đưa ra các quyết định chính xác hơn Ví dụ, khi áp dụng công nghệ Digital Twins cho một hệ thống điện, ta có thể biết được tình trạng của các linh kiện và thiết bị, từ đó đưa ra phương án bảo trì hay thay thế đúng lúc Điều này giúp tránh được sự cố và giảm thiểu chi phí bảo trì Ngoài ra, Digital Twins còn cung cấp cho người dùng một công cụ để mô phỏng và thử nghiệm các thiết kế mới trước khi triển khai thực tế Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm

Trong môi trường Digital Twins, các thiết bị và hệ thống cần phải có khả năng truyền thông và trao đổi dữ liệu để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mô hình số hóa Thành phần chính của Digital Twins bao gồm: mô hình vật lý, mô hình số hóa, truyền thông và phần mềm Và truyền thông OPC UA đã được chứng minh là một trong những giao thức truyền thông hiệu quả và phù hợp nhất cho việc kết nối và trao đổi dữ liệu trong môi trường số Với truyền thông OPC, các dữ liệu từ các thiết bị vật lý được thu thập và truyền đến mô hình Digital Twins để phân tích và mô phỏng, từ đó giúp người dùng có thể dự đoán và tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống sản xuất Nó cũng cho phép các thiết bị và hệ thống trong hệ thống tự động hóa hoạt động hiệu quả hơn thông qua việc cập nhật trạng thái chính xác và nhanh hơn

Với mục đích tạo ra một Digital Twins cho hệ thống MPS (Modular Production Sуѕtem – Hệ thống sản xuất theo module) có thể mô phỏng quá trình

sản xuất bằng phần mềm theo thời gian thực, đồng thời có thể tương tác hai chiều giữa hệ thống thật và hệ thống ảo giúp vận hành thử cũng như dự đoán các lỗi xảy ra trong quá trình sản xuất, kiểm tra độ hiệu quả của code thực tế Để

làm được điều đó, nhóm chúng tôi đã tiến hành đồ án “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Digital Twins cho hệ thống MPS phân loại sản phẩm” với các nội

dung:

 Phần 1: Xây dựng, lắp đặt liên động hệ thống MPS

 Phần 2: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống MPS trên phần mềm CIROS

 Phần 3: Truyền thông OPC UA và lập trình hệ thống MPS phục vụ công nghệ Digital Twins

Với sự phân công trong nhóm và được sự đồng ý của giảng viên hướng

dẫn, nội dung đồ án này sẽ tập trung vào Phần 3: “Truyền thông OPC UA và lập trình hệ thống MPS phục vụ công nghệ Digital Twins” Đồ án hướng tới

nghiên cứu và ứng dụng giao thức truyền thông OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) trong các ứng dụng công nghiệp Đây là một chuẩn truyền thông được phát triển để kết nối các thiết bị và hệ thống của nhà sản xuất khác nhau, giúp truyền tải dữ liệu và thông tin liên quan đến quá trình sản xuất và điều khiển Giao thức này đang được sử dụng rộng rãi để truyền thông giữa các thiết bị và hệ thống trong các môi trường công nghiệp như nhà máy, hệ thống sản xuất, hệ thống điều khiển tự động, vv

Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu về giao thức OPC UA, phân tích cách hoạt động và kiểm tra khả năng tích hợp của nó với các hệ thống và thiết bị công nghiệp Đồng thời, đồ án cũng tập trung vào việc xây dựng một ứng dụng truyền thông sử dụng giao thức OPC UA để kết nối mô hình vật lý và mô hình số hóa đã có sẵn, từ đó tạo ra một Digital Twins cho hệ thống MPS phân loại sản phẩm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN VỀ DIGITAL TWINS 1.1.1 Khái niệm Digital Twins

Digital Twins (DTW) là một mô hình số hóa của một sản phẩm, quy trình hoặc hệ thống vật lý [9] Nó được tạo ra bằng cách sử dụng các công nghệ như mô phỏng 3D, Internet of Things (IoT), Machine Learning và các công nghệ phần mềm khác

Mục đích của DTW là giúp chúng ta có thể giám sát, kiểm soát và cải thiện hiệu suất của sản phẩm hoặc hệ thống trong thời gian thực Digital Twins cho phép tạo ra một phiên bản kỹ thuật số hoàn chỉnh của sản phẩm hoặc hệ thống vật lý bao gồm các thông số kỹ thuật, tính năng và hoạt động

Hình 1.1 Digital Twins

Với DTW, ta có thể tiến hành các phân tích và mô phỏng trên mô hình số để đưa ra các dự đoán về hiệu suất, tuổi thọ và các vấn đề liên quan đến sản phẩm hoặc hệ thống vật lý Điều này giúp tiết kiệm chi phí và thời gian khi phát triển sản phẩm mới, cải tiến sản phẩm hoặc giảm thiểu thời gian chết máy trong các quy trình sản xuất

Digital Twins cũng được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không vũ trụ, sản xuất và năng lượng để giám sát và quản lý các thiết bị, máy móc và hệ thống phức tạp [9]

1.1.2 Thành phần và mô hình hoạt động của Digital Twins

Hình 1.2 Thành phần của Digital Twins

DTW là một phiên bản số hóa của một thực thể hoặc hệ thống vật lý Các thành phần chính của DTW bao gồm:

 Mô hình vật lý: Mô hình vật lý là đối tượng mà DTW nhắm đến, nó có thể là một cơ cấu máy, động cơ… của một hệ thống máy móc hoặc có thể là một tòa nhà, dây chuyền sản xuất Trong khi đó, cảm biến được sử dụng để thu thập dữ liệu liên quan đến hoạt động của một hệ thống, sản phẩm hoặc quy trình Dữ liệu này sau đó được sử dụng để tạo ra một mô hình số hóa, cho phép các nhà quản lý và kỹ sư có thể giám sát và điều chỉnh hoạt động của hệ thống trong thời gian thực hoặc dự báo hoạt động trong tương lai

 Mô hình số hóa: Mô hình số hóa là quá trình chuyển đổi dữ liệu từ dạng vật lý sang dạng kỹ thuật số Nó bao gồm việc thu thập, xử lý và lưu trữ các thông tin để tạo nên một phiên bản kỹ thuật số của đối tượng được số hóa Mục đích của mô hình số hóa là giúp cho dữ liệu có thể được truyền tải, lưu trữ và sử dụng dễ dàng hơn Nó cũng cho phép các hệ thống máy tính và công nghệ khác có thể sử dụng, phân tích và quản lý dữ liệu một cách hiệu quả hơn Trong công nghệ DTW, mô hình số hóa thực chất là việc mô hình hóa 3D một thực thể vật lý kết hợp với dữ liệu cảm biến nhằm tạo ra một thực thể ảo nhưng mang thông số và đặc tính của mô hình thật

 Truyền thông và phần mềm: DTW thực chất là một chương trình máy tính kết hợp giữa mô phỏng và thu thập dữ liệu Việc mô phỏng là quá trình tạo ra một phiên bản ảo của một hệ thống hoặc thiết bị để giúp các nhà sản xuất, kỹ sư hoặc chuyên gia có thể thử nghiệm và đánh giá các thiết kế, đưa ra dự đoán về hiệu suất hoặc tìm kiếm các cải tiến để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống Trong khi đó, việc thu thập dữ liệu là quá trình lấy thông tin từ các thiết bị hoặc hệ thống thực tế để tạo ra một phiên bản số hóa của nó Các dữ liệu này có thể bao gồm thông tin về vị trí, hiệu suất, năng lượng tiêu thụ và các thông số khác

1.1.3 Ứng dụng của Digital Twins

Là một công nghệ mới, nhưng với những ưu điểm vượt trội, kể từ khi ra đời DTW đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống

DTW được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để tối ưu hóa hoạt động sản xuất và giảm thiểu chi phí:

 Mô phỏng và quản lý hệ thống sản xuất: DTW có thể được sử dụng để tạo ra mô hình số của các hệ thống sản xuất, từ máy móc cho đến toàn bộ dây chuyền sản xuất Điều này giúp các nhà quản lý có thể dễ dàng quản lý và điều chỉnh hoạt động của hệ thống sản xuất, từ việc đưa ra các quyết định đúng đắn đến việc giảm thiểu thời gian đứng máy và tiết kiệm chi phí

 Giám sát và dự báo vận hành thiết bị: DTW cung cấp thông tin liên tục về hiệu suất và trạng thái hoạt động của thiết bị, giúp các kỹ sư và nhân viên bảo trì có thể dự báo và giải quyết các vấn đề kỹ thuật trước khi chúng xảy ra

 Tối ưu hóa dòng sản phẩm: DTW giúp các nhà quản lý có thể tối ưu hóa các dòng sản phẩm, từ việc thiết kế sản phẩm đến việc chọn vật liệu và quy trình sản xuất, để đạt được hiệu suất và chất lượng tốt nhất

 Giảm thiểu sự cố: DTW giúp giảm thiểu sự cố trong quá trình sản xuất bằng cách cung cấp cho các kỹ sư và nhân viên bảo trì thông tin chi tiết về các thiết bị và hệ thống

 Quản lý năng lượng và tài nguyên: DTW có thể được sử dụng để giám sát và quản lý lượng năng lượng và tài nguyên sử dụng trong quá trình sản xuất, giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường hiệu quả

Trong ngành y tế Digital Twins giúp các chuyên gia y tế hiểu rõ hơn về bệnh lý và tìm ra các phương pháp điều trị tối ưu Một số ứng dụng cụ thể của DTW trong y tế:

 Mô hình hoá cơ thể con người: DTW có thể được sử dụng để tạo ra một phiên bản số hóa của cơ thể con người, giúp các chuyên gia y tế phân tích và đánh giá các bệnh lý, thuốc và liệu pháp

 Giả lập phẫu thuật: DTW có thể được sử dụng để giả lập các phẫu thuật, giúp các bác sĩ chuẩn bị và lập kế hoạch cho các phẫu thuật phức tạp, giảm thiểu rủi ro và nâng cao an toàn

 Tự động hóa chẩn đoán: DTW có thể được sử dụng để tự động hóa quá trình chẩn đoán, từ việc phân tích triệu chứng đến đưa ra các khuyến nghị về điều trị

 Quản lý bệnh nhân: DTW giúp theo dõi sức khỏe của bệnh nhân một cách liên tục, từ việc đo lường các chỉ số sinh lý đến việc ghi nhận các triệu chứng và phản ứng với thuốc

 Thiết kế dược phẩm: DTW có thể được sử dụng để thiết kế dược phẩm tối ưu hóa, giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả của các loại thuốc

 Đào tạo và giáo dục y tế: DTW có thể được sử dụng để đào tạo và giáo dục cho các chuyên gia y tế, giúp tăng cường kiến thức và kỹ năng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh lý

Ngoài ra còn rất nhiều lĩnh vực đang ứng dụng công nghệ này như nông nghiệp, hàng không vũ trụ, xây dựng…

1.2 TỔNG QUAN VỀ OPC

1.2.1 Khái niệm về OPC

OPC (Open Platform Communications) là một giao thức truyền thông công nghiệp được sử dụng để kết nối các thiết bị và hệ thống trong quy trình sản xuất, vận hành và giám sát Giao thức này cho phép các thiết bị khác nhau và hệ thống điều khiển của các nhà sản xuất khác nhau có thể liên lạc với nhau một cách dễ dàng, tạo ra sự linh hoạt và tính khả dụng cao cho các hệ thống quy trình [1]

Ban đầu, OPC được thiết kế dựa trên các thành phần OLE (Object Linking and Embedding) của Microsoft, chủ yếu là OLE Automation và DCOM (Distributed Component Object Model) Với kiến trúc này, OPC có thể truyền tải dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị, máy tính và hệ thống điều khiển khác nhau trong mạng nội bộ của công ty mà không cần thông qua bất kỳ phần mềm hoặc giao thức trung gian nào khác

Tuy nhiên, việc sử dụng DCOM để truyền tải dữ liệu đã gặp nhiều khó khăn do sự khác biệt về phiên bản, cài đặt và tính bảo mật Vì vậy, OPC đã được cải tiến và phát triển để có thể hoạt động trên nhiều giao thức mạng và kiến trúc khác nhau

Hiện nay, OPC đã phát triển đến phiên bản UA (Unified Architecture), cung cấp nhiều tính năng mới và cải tiến để đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp hiện đại Phiên bản này cho phép các thiết bị và hệ thống có khả năng

tương thích với nhiều giao thức mạng khác nhau, bao gồm TCP/IP, HTTP và MQTT Nó cũng cung cấp tính năng bảo mật cao hơn, giúp bảo vệ dữ liệu truyền tải trước các mối đe dọa an ninh

OPC UA cũng là tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống IoT (Internet of Things) và IIoT (Industrial Internet of Things) Với khả năng kết nối và tích hợp linh hoạt, OPC UA giúp tạo ra sự toàn vẹn và đồng bộ hóa dữ liệu, cung cấp thông tin quan trọng cho quyết định kinh doanh và cải thiện hiệu suất sản xuất

1.2.2 Lịch sử phát triển OPC

Mạng máy tính dùng trong công nghiệp thường sử dụng nhiều công nghệ khác nhau cho những ứng dụng cụ thể khác nhau tương ứng với các tầng khác nhau của hệ thống, dựa trên kiến trúc thông tin Mô hình tổng quát cho một hệ thống tự động hoá (giám sát và điều khiển) được thể hiện như hình 1.3 Hệ thống gồm 5 mức: mức 1 và mức 2 chứa các thiết bị trường trong hệ thống công nghiệp Mức 3 là hệ thống mạng và lưu trữ cơ sở dữ liệu trong hệ thống điều khiển Mức 4 là hệ thống thông tin lưu trữ các dữ liệu được lấy từ mức 3 Mức 5 là các ứng dụng cho doanh nghiệp

Hình 1.3 Kiến trúc phân tầng trong hệ thống công nghiệp

Dựa trên mô hình ISA 95 cho hệ thống mạng công nghiệp, hình 1.4 minh hoạ một hệ thống tích hợp dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong các nhà máy xí nghiệp, là hệ thống dựa trên mô hình OPC Client-Server, trong đó OPC Server lấy thông tin từ các thiết bị và cung cấp cho OPC Client dựa trên mạng nội bộ hoặc mạng internet

Hình 1.4 Hệ thống tích hợp cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên mô hình OPC

OPC là một tổ chức tập hợp trên 900 công ty và trung tâm nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về phần cứng và phần mềm Được thành lập từ năm 1996 nhằm đề xuất những tiêu chuẩn cho phát triển các phần mềm công nghiệp, đặc tả đầu tiên được đề xuất là OPC DA (data access) đã được triển khai và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Các sản phẩm về phần cứng và phần mềm của các các tập đoàn như Siemens AG, Rockwell Automation, ABB Inc, Advosol Inc… đều dựa trên các đặc tả trên [2]

Từ năm 2006, OPC Foundation đề xuất đặc tả mới là OPC UA [2] Mục đích của đặc tả này là tổng hợp tất cả những chức năng mà các đặc tả trước đó đã cung cấp như OPC DA, OPC HDA, OPC AE dựa trên XML, SOA và công nghệ Web để đảm bảo hệ thống phần mềm công nghiệp chạy trên bất kỳ hệ điều hành nào như Windows, Unix, Linux Các đặc tả trước đó của OPC đã và đang

được nghiên cứu và triển khai vào các hệ thống thực tế trong công nghiệp rất rộng rãi Đặc tả mới nhất của OPC đang vào giai đoạn hoàn thiện và thực sự nó cũng đưa ra rất nhiều những thách thức và cơ hội cho những phòng nghiên cứu và phát triển hệ thống phần mềm của các công ty, các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học cho các bài toán thực tế

Giải pháp OPC đã được đề xuất và phát triển như là công nghệ trung gian (middleware) cho sự tích hợp và tương quan cho các giải pháp truyền thông khác nhau được cung cấp bởi các nhà cung cấp phần cứng và phần mềm khác nhau Công nghệ OPC cổ điển được phát triển dựa trên COM /DCOM [3] cho hệ thống Client-Server, do đó các hệ thống phát triển trên đó chỉ chạy trên các máy tính và thiết bị sử dụng hệ điều hành của Microsoft Một OPC Server thường đóng gói nguồn thông tin quá trình như thiết bị và đưa thông tin này thông qua giao diện của OPC Server Một OPC Client khi kết nối với OPC Server có thể truy cập và sử dụng thông tin được cung cấp bởi OPC Server Tuy nhiên, do dựa trên công nghệ COM/DCOM của Microsoft nên nó có một vài hạn chế như: chỉ chạy được trên hệ điều hành Windows, vấn đề kết nối lại hệ thống khi mạng bị đứt kết nối

Hình 1.5 Kiến trúc truyền thống dùng trong mạng công nghiệp

Dựa trên công nghệ OPC cổ điển, hiện nay có một số công trình đã đề xuất, phát triển và cải tiến như là các giải pháp cho vấn đề thiết kế và thực thi các hệ thống giám sát và điều khiển cho các bài toán thực tế Tuy nhiên, các giải pháp này khó đạt được đến các phương pháp thiết kế có hệ thống, mà chỉ áp dụng cho các ứng dụng cụ thể hoặc cho kết quả trong các bài toán nhỏ Mặt khác, vì dựa trên các đặc tả cũ của OPC Foundation, nên ba loại dữ liệu là dữ liệu hiện tại, dữ liệu lịch sử (quá khứ), các sự kiện và cảnh báo ở mỗi OPC Server khác nhau nên tạo khó khăn cho vấn đề kết nối dữ liệu và đưa ra những quyết định hiệu quả cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp

Hình 1.6 Kiến trúc OPC dùng trong hệ thống công nghiệp

Thay vì sử dụng công nghệ COM/DCOM của Microsoft, đặc tả mới nhất của OPC Foundation – OPC UA – sử dụng XML, webservices, SOA và mô hình dữ liệu hướng đối tượng để mô tả và biểu diễn ba loại dữ liệu đã kể ở trên và một đối tượng hợp nhất trong một không gian địa chỉ hợp nhất ở phía OPC UA Server website của OPC Foundation

Tuy nhiên đây là một đặc tả mới và sẽ trở thành một chuẩn công nghiệp, nên cần phải được nghiên cứu, phát triển, cải tiến bởi những nhà nghiên cứu và phát triển ở các trường đại học, các viện nghiên cứu cũng như các phòng nghiên cứu trong các công ty phát triển về các phần mềm ứng dụng công nghiệp Như vậy vấn đề đặt ra là có rất nhiều thách thức và cơ hội cho những nhà nghiên cứu

và phát triển phần mềm ứng dụng dựa trên đặc tả mới nhất này như là: Đề xuất và phát triển kiến trúc cho việc thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống; Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp tối ưu cho vấn đề tích hợp phần cứng vào OPC UA Server; 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 Mặt khác, OPC được sử dụng để giải quyết một trong những khó khăn của ngành công nghiệp tự động hóa là giao tiếp giữa các thiết bị, bộ điều khiển, hoặc các ứng dụng mà không bắt kịp trong trình điều khiển tùy chỉnh thông thường dựa trên các vấn đề kết nối Tính khả tương tác được đảm bảo thông qua các tiêu chuẩn và việc duy trì các đặc tả chuẩn mở này Dựa trên chuẩn và công nghệ cơ bản của thế hệ máy tính thương mại, tổ chức OPC Foundation xây dựng các đặc tả chuẩn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong công nghiệp OPC sẽ tiếp tục tạo ra những chuẩn mới đáp ứng nhu cầu phát sinh và thích ứng với những tiêu chuẩn hiện có để sử dụng công nghệ mới

1.3 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Nghiên cứu trong nước về OPC

Hiện nay, tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về truyền thông OPC UA được tiến hành

 Nghiên cứu "Triển khai hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho các quy trình sản xuất bằng cách sử dụng giao thức truyền thông OPC UA" của Trần Thị Thu Huyền và cs (2021) nhằm xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát tự động trong quá trình sản xuất bằng cách sử dụng giao thức truyền thông OPC UA Hệ thống được triển khai để giám sát và điều khiển quy trình sản xuất bao gồm việc kiểm soát áp suất, nhiệt độ và lưu lượng của các thiết bị sản xuất Dữ liệu từ các thiết bị này được thu thập và chuyển đổi sang định dạng OPC UA để truyền tải về máy tính trung tâm Tại đó, các dữ liệu này được xử lý và hiển thị trực quan để người dùng có thể theo dõi và kiểm soát các quy trình sản xuất Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng giao thức truyền thông OPC UA đã giúp

tăng cường tính linh hoạt và khả năng kết nối giữa các thiết bị khác nhau Ngoài ra, việc triển khai hệ thống điều khiển và giám sát tự động cũng đã giúp tăng hiệu suất sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng có một số hạn chế như việc không đánh giá được tính bảo mật của hệ thống khi sử dụng giao thức truyền thông OPC UA Ngoài ra, việc triển khai hệ thống này cần đầu tư chi phí cao cho việc lắp đặt các cảm biến và thiết bị kết nối với hệ thống

 Nghiên cứu "Đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển tự động sử dụng giao thức truyền thông OPC UA" của Nguyễn Huy Thắng và cs (2021) có mục tiêu đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển tự động thông qua việc áp dụng giao thức truyền thông OPC UA trong quá trình truyền tải dữ liệu Theo nghiên cứu, hệ thống điều khiển tự động được triển khai bằng cách sử dụng các thiết bị IoT kết nối với nhau thông qua giao thức truyền thông OPC UA Dữ liệu từ các thiết bị này được thu thập và xử lý để thực hiện các hành động điều khiển tự động như tắt bật đèn hay tăng giảm công suất của máy móc sản xuất Kết quả đánh giá hiệu suất cho thấy rằng việc sử dụng giao thức truyền thông OPC UA đã giúp tăng cường tính linh hoạt và tính phản hồi nhanh của hệ thống điều khiển tự động Ngoài ra, việc sử dụng giao thức này cũng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí đầu tư so với việc triển khai các hệ thống điều khiển tự động truyền thống Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng có một số hạn chế như việc chỉ sử dụng một số thiết bị IoT trong hệ thống điều khiển tự động, do đó không đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu thu thập Ngoài ra, nghiên cứu cũng chưa đánh giá được hiệu suất và tính ổn định của hệ thống điều khiển tự động trong môi trường sản xuất thực tế

Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều tiềm năng cho các nghiên cứu về truyền thông OPC UA tại Việt Nam để áp dụng vào các lĩnh vực khác nhau và đáp ứng nhu cầu thực tiễn của các doanh nghiệp sản xuất

1.3.2 Nghiên cứu ngoài nước về OPC

 Bài báo nghiên cứu "OPC UA-based Middleware for Distributed Monitoring and Control of Industrial Processes" - Victor M García-Fernández et al (2017), trình bày về một kiến trúc middleware cho giám sát và điều khiển phân tán quy trình công nghiệp dựa trên tiêu chuẩn OPC UA Bài báo đề xuất một giải pháp để tích hợp các hệ thống tự động hoá khác nhau bằng cách sử dụng OPC UA, cho phép tương tác giữa các thiết bị, nền tảng và mạng không đồng nhất Tác giả cũng cung cấp một nghiên cứu điển hình để chứng minh tính khả thi của phương pháp đề xuất Tuy nhiên, một hạn chế của bài báo là giải pháp đề xuất tập trung chủ yếu vào việc giám sát và điều khiển quy trình công nghiệp và không đề cập đến các khía cạnh quan trọng khác như bảo mật và độ tin cậy khi xảy ra lỗi Hơn nữa, khả năng mở rộng của giải pháp middleware được đề xuất không được thảo luận, điều này có thể giới hạn khả năng áp dụng của nó trong các môi trường công nghiệp lớn hơn

 "OPC-UA as a Standardized Communication Protocol for Smart Manufacturing Systems" - Michael Meiller et al (2018) đã tiến hành nghiên cứu về việc sử dụng giao thức truyền thông chuẩn OPC UA trong các hệ thống sản xuất thông minh Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng sử dụng giao thức OPC UA giúp tăng tính linh hoạt, khả năng mở rộng và tính tương thích của hệ thống sản xuất thông minh Hơn nữa, nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng OPC UA có thể được sử dụng để kết nối các hệ thống khác nhau và chuyển đổi dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau một cách dễ dàng và hiệu quả Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhận thấy rằng việc triển khai giao thức OPC UA vẫn còn đang gặp một số khó khăn do yêu cầu phải thực hiện một số thủ tục phức tạp để cài đặt và cấu hình giao thức này Ngoài ra, việc triển khai giao thức này cần có sự hỗ trợ từ các nhà sản xuất thiết bị và nhà cung cấp phần mềm để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả của hệ thống sản xuất thông minh

1.4 BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU

Với mục tiêu xây dựng một Digital Twins cho hệ thống MPS phân loại sản phẩm nhằm mô phỏng hoạt động, giám sát và điều khiển cũng như thu thập dữ liệu từ hệ thống Đồ án được tiến hành dựa trên nguyên lý của truyền thông OPC UA với các đặc tả của chúng Vai trò của OPC UA trong Digital Twins giúp kết nối và truyền tải dữ liệu một cách an toàn giữa hệ thống vật lý là trạm phân loại sản phẩm MPS với bộ điều khiển PLC Siemens S7 1500 và hệ thống ảo trên phần mềm CIROS Trong cấu trúc của hệ thống, PLC đóng vai trò là một OPC UA Server, nơi cung cấp các dữ liệu mà chúng thu thập được từ các cảm biến được kết nối trên hệ thống vật lý Các thông tin này được truyền tải tới phần mềm mô phỏng CIROS với vai trò là một OPC UA Client, nơi tiếp nhận dữ liệu để tiến hành mô phỏng từ đó tạo ra một bản sao đúng như tên gọi Digital Twins của nó Đồ án này tập trung nghiên cứu cách thức mà OPC UA hoạt động cũng như cách cấu hình truyền thông nhằm đồng bộ thông số giữa hệ thống vật lý và hệ thống ảo từ đó đảm bảo giao tiếp giữa chúng

Bài toán được tiến hành theo 3 bước

 Cấu hình OPC UA Server trên hệ thống vật lý, cụ thể là PLC 1500, bộ điều khiển của hệ thống MPS phân loại sản phẩm

 Cấu hình OPC UA Client trên phần mềm mô phỏng CIROS

 Gán biến và kết nối

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Như đã trình bày ở trên, một Digital Twins bao gồm Mô hình vật lý, Mô hình số hóa, truyền thông và mô phỏng Để đáp ứng giao tiếp giữa mô hình số và mô hình vật lý, giao thức truyền thông OPC UA đã minh chứng được độ hiệu quả của mình Tuy nhiên vì đây là đặc tả mới nhất của OPC nên cần có sự đồng bộ và thống nhất Với đối tượng là hệ thống MPS, PLC Siemens chỉ hỗ trợ giao thức OPC UA đối với các dòng sản phẩm [10]:

 Simatic S7-1500

 Simatic S7-1200 (kể từ phiên bản firmware V4.2)

 Simatic ET 200SP (kể từ phiên bản firmware V2.0)

 Simatic S7-400 (kể từ phiên bản firmware V5.3)

Để sử dụng truyền thông OPC UA trên các dòng PLC Siemens này, ta cần cài đặt phần mềm OPC UA Server trên máy tính và thiết lập kết nối với PLC qua mạng Ethernet Sau đó, ta có thể sử dụng phần mềm OPC UA Client để truy cập và đọc/giữ giá trị của các biến trên PLC

Với mục đích sử dụng truyền thông OPC nhằm kết nối hệ thống vật lý và hệ thống số hóa Chương này trình bày về các đặc tả về OPC đặc biệt là phiên bản mới nhất OPC UA Ngoài ra, nội dung còn đưa ra các nhận xét về các phiên bản của truyền thông OPC cũng như đưa ra các so sánh, ưu nhược điểm của truyền thông OPC trong việc phục vụ công nghệ Digital Twins Đây là những kiến thức nền tảng cần thiết để thực hiện các nghiên cứu sau này

2.1 ĐẶC TẢ OPC DA

Giao diện OPC Data Access cho phép đọc, viết và giám sát những biến dữ liệu của quá trình hiện hành [4] Các trường hợp sử dụng chính là chuyển dữ liệu thời gian thực từ PLCs, DCSs và các thiết bị điều khiển khác như HMIs và các Client hiển thị khác Trong OPC thì OPC DA là interface quan trọng nhất Ngày

nay, nó được triển khai đến 99% trong các sản phẩm sử dụng công nghệ OPC Các Interface OPC hầu hết được cài đặt bổ sung trong DA OPC DA Client chọn các Variable - biến (OPC Items) mà họ muốn Read, Write, hay giám sát trong Server Một OPC Client thiết lập kết nối đến Server bằng cách tạo ra một OPC Server object Các Object Server cung cấp các phương thức để hướng tới các hệ thống phân cấp Address Space để tìm ra Items và các thuộc tính của nó như loại dữ liệu và quyền truy cập

Để truy cập vào dữ liệu, Client nhóm các mục OPC với những cài đặt đồng nhất như về thời gian cập nhật trong một đối tượng OPC Group Hình 2.1 cho thấy các đối tượng khác nhau của OPC Client tạo ra trong máy chủ:

Hình 2.1 Phương thức hoạt động của OPC DA

Khi thêm vào một nhóm, các item có thể được Read hoặc Write bởi Client Tuy nhiên, cách đọc dữ liệu chủ yếu của Client là giám sát những thay đổi trong Server

Ưu điểm của OPC DA:

Hỗ trợ đa dạng các loại giao tiếp như DCOM, OPC-TCP/IP, OPC UA, COM/DCOM

Thực hiện truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả

Cung cấp khả năng theo dõi, điều khiển và giám sát từ xa các thiết bị đo lường và điều khiển

Tiêu chuẩn hóa việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau, giúp tối ưu hóa tính tương thích và tính khả dụng của các thiết bị và hệ thống tự động hóa

Tuy nhiên, OPC DA cũng có một số nhược điểm:

Không được thiết kế để hoạt động với các loại dữ liệu phi cấu trúc hay không phù hợp với các ứng dụng web hiện đại

Không thể hoạt động với các môi trường máy tính đa nền tảng hoặc không tương thích

Không có khả năng xử lý và đồng bộ hóa các sự kiện trong thời gian thực OPC DA là một công nghệ tiên tiến và phổ biến, nhưng cũng có những giới hạn và nhược điểm Vì vậy, việc lựa chọn sử dụng OPC DA hay các công nghệ khác cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình tự động hóa sản xuất

2.2 ĐẶC TẢ OPC HDA

Trường hợp OPC Data Access cho phép truy cập thời gian thực, dữ liệu thay đổi một cách liên tục, OPC HDA (Historical Data Access) [5] cung cấp truy cập dữ liệu mà đã được lưu trữ Từ một dãy dữ liệu đơn giản như đăng nhập hệ thống đến hệ thống SCADA phức tạp, dữ liệu lưu trữ lịch sử có thể được truy cập theo một cách thống nhất

Đặc tả OPC HDA xác định hai cấu trúc mà OPC HDA server có thể cung cấp cho client đó là không gian tên và hệ thống phân cấp đối tượng OPC HDA server có thể chia thành hai loại: các server xử lý các dữ liệu đơn giản, truy cập vào dữ liệu thô và các server nén và phân tích xử lý các dữ liệu phức tạp Không gian tên của OPC HDA server cũng được định nghĩa tương tự như OPC DA server, có nghĩa là, nó được sử dụng để cấu trúc dữ liệu hiện có và cung cấp chúng cho khách hàng

Chức năng chính là việc reading dữ liệu lịch sử trong ba cách khác nhau Cơ cấu đầu tiên đọc dữ liệu thô từ kho lưu trữ, nơi mà Clients định nghĩa một

hay nhiều biến và thời gian miền nó muốn đọc Server trả lại tất cả các giá trị mà đã lưu trữ trong thời gian cụ thể lên đến số lượng tối đa mà đã được xác định bởi Client Cơ cấu thứ hai đọc giá trị của một hay nhiều biến trong timestamp - nhãn thời gian xác định Cơ cấu thứ ba tính tổng giá trị từ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu lịch sử trong miền thời gian cụ thể cho một hay nhiều biến Các giá trị bao gồm là những chất lượng liên quan và nhãn thời gian Ngoài các phương pháp đọc, OPC HDA cũng định nghĩa phương pháp chèn (Inserting), thay thế (Replacing), và xóa (Deleting) trong cơ sở dữ liệu lịch sử

Hình 2.2 Chức năng của OPC HDA

Các ưu điểm của OPC HDA bao gồm:

 Tính tương thích cao: Giao thức này có tính tương thích cao với các thiết bị của nhiều nhà sản xuất khác nhau

 Tính khả chuyển: OPC HDA hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau như Windows và Linux

 Tiêu chuẩn mở: OPC HDA được xem như một tiêu chuẩn mở, giúp cho các hệ thống tự động hóa có thể liên kết và trao đổi dữ liệu với nhau một cách thuận tiện hơn

 Khả năng truy xuất dữ liệu lịch sử: OPC HDA cho phép truy xuất dữ liệu lịch sử từ các thiết bị đã được lưu trữ trong kho dữ liệu

 Tốc độ truy cập nhanh: Giao thức này có khả năng truy cập vào dữ liệu lịch sử với tốc độ nhanh và ổn định

Tuy nhiên, OPC HDA cũng có một số nhược điểm, bao gồm:

 Cấu hình phức tạp: Để triển khai và cấu hình OPC HDA, người dùng cần phải có kiến thức chuyên môn về lĩnh vực tự động hóa và truyền thông

 Chi phí đầu tư ban đầu cao: Sử dụng OPC HDA yêu cầu một số chi phí đầu tư ban đầu như các thiết bị phần cứng và phần mềm để triển khai giao thức này

 Không hỗ trợ bảo mật: OPC HDA không hỗ trợ tính năng bảo mật mạnh, do đó, các hệ thống sử dụng giao thức này có thể bị tấn công từ xa

 Dữ liệu không được mã hóa: Các dữ liệu truyền qua giao thức OPC HDA không được mã hóa, vì vậy, thông tin dễ bị đánh cắp hoặc bị xâm nhập

OPC HDA là một giao thức quan trọng trong việc lấy dữ liệu lịch sử từ các thiết bị tự động hóa, tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm cần được xem xét trước khi triển khai để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của hệ thống tự động hóa

2.3 ĐẶC TẢ OPC AE

Giao diện OPC AE (Alarm & Events) cho phép tiếp nhận sự kiện (Event) và các cảnh báo Alarm [6] Các sự kiện là thông báo cho Client về sự một sự việc xảy ra Các cảnh báo là những thông báo cho Client về sự thay đổi của một

điều kiện trong quá trình Như là một điều kiện về mực nước của thùng chứa Trong ví dụ này, một điều kiện thay đổi có thể xảy ra khi một mức độ nào đó vượt quá hay giảm dưới mức tối thiểu Nhiều Alarm bao gồm các yêu cầu mà các báo động phải được nhận biết Sự nhận biết này là có thể nhờ thông qua OPC Alarms & Events (OPC A&E) Interfaces Do đó OPC A&E cung cấp một giao diện linh hoạt để truyền Alarms quá trình và các Events từ các nguồn khác nhau Để nhận được các thông báo, OPC A&E Client kết nối tới Server, việc chia nhỏ các mô tả để các thông báo, và hơn là việc nhận tất cả các thông báo nhận được kích hoạt trong Server Để giới hạn số thông báo, OPC Client có thể định ra những tiêu chuẩn lọc nhất định OPC Client kết nối bằng cách tạo ra một đối tượng OPCEventServer trong A&E Server trong bước đầu tiên và bằng cách tạo ra một OPCEventSubscription sử dụng để nhận những thông điệp sự kiện trong bước thứ hai Bộ lọc cho thông điệp sự kiện có thể được cấu hình một cách riêng rẽ cho mỗi Subscription

Hình 2.3 Phương thức hoạt động của OPC AE

Ưu nhược điểm của OPC AE: Ưu điểm:

 Tính linh hoạt: OPC AE có khả năng tích hợp với nhiều loại thiết bị và ứng dụng, từ các máy tính tới các thiết bị điện tử, giúp cho việc truyền tải dữ liệu trở nên linh hoạt

 Độ tin cậy cao: OPC AE sử dụng giao thức COM (Component Object Model), có khả năng kết nối và truyền tải dữ liệu giữa các ứng dụng một cách đáng tin cậy và hiệu quả

 Khả năng mở rộng: OPC AE có khả năng mở rộng để hỗ trợ nhiều loại thiết bị và ứng dụng, từ các máy tính tới các thiết bị điện tử

 Quản lý sự cố: OPC AE cung cấp khả năng quản lý sự cố bằng cách cho phép các ứng dụng tự động hóa nhận các cảnh báo và thông tin về sự cố, giúp cho việc xử lý các sự cố được nhanh chóng và hiệu quả hơn

 Tích hợp: OPC AE có thể tích hợp với các hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) và các ứng dụng tự động hóa khác để cung cấp thông tin về sự cố và sự kiện liên quan đến hệ thống

 Khả năng bảo mật: Như với bất kỳ công nghệ nào, OPC AE cũng có thể có những lỗ hổng về bảo mật, do đó việc triển khai và sử dụng nó cần cẩn thận để tránh các vấn đề an ninh mạng

2.4 CÁC ĐẶC TẢ CỦA OPC UA

2.4.1 Đặc tả OPC UA

OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture [7] là chuẩn mới và nó được phát triển từ chuẩn OPC từ năm 2006 Nó ra đời nhằm khắc phục những điểm hạn chế như đã nói ở phần trước của OPC Mục tiêu của OPC UA là để việc kết nối các thiết bị phần cứng không còn phải phụ thuộc vào

nền tảng hay công nghệ do nhà sản xuất sử dụng Với chuẩn chung này, việc kết nối hoàn toàn tự động, giảm được chi phí triển khai và thời gian thực hiện

 Cách truy cập dữ liệu duy nhất đối với dữ liệu thời gian thực, dữ liệu quá khứ và sự kiện: Trong OPC UA, không có sự phân biệt giữa các loại thông tin kể trên, tất cả đều được mô tả dưới dạng nút trong không gian địa chỉ:

Hình 2.4 UA thay thế DA, AE và HAD [2]

 Sự đảm bảo và đáng tinh cậy nhờ thành công của chuẩn OPC trong quá khứ

Hình 2.5 OPC UA sự đảm bảo về chất lượng [2]

 Khả năng truy cập đến dữ liệu vượt qua tường lửa và qua mạng internet nhờ sử dụng chuẩn Web Service

Hình 2.6 Vượt qua internet và tường lửa [2]

 Tạo ra sự thống nhất chung giữa các hãng phần cứng nhờ một mô hình thông tin (Information Model) duy nhất Như hình 2.7, bất kì thiết bị nào cũng bao gồm những thông tin chung như serial, tên hãng, và đó là cơ sở để viết những ứng dụng với giao diện thiết bị chung cho tất cả các hãng:

Hình 2.7 Ví dụ về mô hình thông tin chung [2]

 Thống nhất mô mô hình bảo mật dữ liệu duy nhất giữa các hãng thông qua cơ chế chuẩn Certificate (chứng thực):

Hình 2.8 UA và giấy chứng thực [2]

 Một giải pháp có thể sử dụng ngay trên những phần mềm nhúng, cho đến những hệ thống quản lý doanh nghiệp

Hình 2.9 Từ phần mềm nhúng đến hệ thống [2]

 Độc lập với các nền tảng khác nhau như Windows, Linux, Mac

Hình 2.10 Mac, Windows hay Linux [2]

2.4.2 Cách thức hoạt động của OPC UA

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) là một giao thức truyền thông cho phép các thiết bị và hệ thống khác nhau kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau OPC UA có thể hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau, từ máy tính đến các thiết bị IoT [8]

OPC UA hoạt động theo mô hình Client-Server, được mô tả chi tiết như sau:

 Server: Các thiết bị hoặc hệ thống sẽ đóng vai trò là Server, cung cấp dữ liệu cho các Client Mỗi Server có thể cung cấp nhiều loại dữ liệu khác nhau, bao gồm dữ liệu đo lường, trạng thái, cấu hình, lịch sử và điều khiển của các thiết bị

 Client: Các phần mềm hoặc thiết bị khác sẽ đóng vai trò là Client, yêu cầu và thu thập dữ liệu từ các Server Mỗi Client có thể yêu cầu dữ liệu từ một hoặc nhiều Server khác nhau

 Truyền thông: Các Server và Clients sử dụng các trao đổi thông điệp để truyền tải thông tin giữa chúng Các thông điệp này được mã hóa để đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật Các thông điệp được trao đổi theo các giao thức truyền tải khác nhau, bao gồm TCP/IP, HTTPS, MQTT và AMQP

 Cấu trúc dữ liệu: Dữ liệu được truyền tải giữa Server và Client được tổ chức thành các biến và các thuộc tính Mỗi biến có thể lưu trữ một giá trị đơn hoặc một danh sách các giá trị Các thuộc tính được sử dụng để mô tả các tính chất của biến, bao gồm đơn vị, giới hạn giá trị và tên biến

 Thẻ chứng nhận: OPC UA cung cấp một hệ thống thẻ chứng nhận để xác thực các Server và Clients Mỗi Server và Client có một thẻ chứng nhận riêng biệt, được sử dụng để mã hóa thông điệp trao đổi và đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu

Hình 2.11 Cách thức hoạt động của OPC UA

OPC UA là một giao thức truyền thông cho phép các thiết bị và hệ thống khác nhau kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau Nó cung cấp một kiến trúc đa nền tảng, có khả năng kết nối các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau OPC UA hoạt động theo mô hình Client-Server, sử dụng các trao đổi thông điệp để truyền tải thông tin giữa các Server và Clients

2.4.3 Những ưu, nhược điểm của giao thức truyền thông OPC với các giao thức thông dụng khác (Profibus, Ethernet)

OPC UA là một giao thức truyền thông độc lập với nhà sản xuất

(vendor-agnostic) được phát triển để đáp ứng các yêu cầu của môi trường công nghiệp hiện đại Đây là những ưu điểm của OPC UA so với các giao thức truyền thông khác như Profibus và Ethernet:

 Tính linh hoạt và đa nền tảng: OPC UA có thể hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm Windows, Linux và iOS, và hỗ trợ nhiều loại kết nối, chẳng hạn như Ethernet, Wi-Fi, USB và Bluetooth Trong khi đó, Profibus chỉ hoạt động trên nền tảng Windows và không hỗ trợ các kết nối không dây, và Ethernet yêu cầu một cấu hình mạng phức tạp hơn để có thể hoạt động

 Độ tin cậy và bảo mật cao: OPC UA có tính năng mã hóa và xác thực, giúp đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu truyền tải Trong khi đó, Profibus và Ethernet không có các tính năng này

 Khả năng truyền tải dữ liệu theo thời gian thực: OPC UA cho phép truyền tải dữ liệu theo thời gian thực và hỗ trợ tính năng subscription để giúp đẩy nhanh tốc độ truyền tải Trong khi đó, Profibus không hỗ trợ tính năng này và Ethernet yêu cầu một cấu hình mạng phức tạp để có thể hoạt động

 Hỗ trợ các tính năng mới: OPC UA có đầy đủ các tính năng mới như tính năng discovery, tính năng redundancy và tính năng interoperability giúp đơn giản hóa việc tích hợp và quản lý các thiết bị trong hệ thống tự động hóa Trong khi đó, Profibus và Ethernet không có các tính năng này

 Các ứng dụng đa dạng: OPC UA có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng khác nhau, bao gồm điều khiển quá trình, tự động hóa công nghiệp, hệ thống khí tượng, chất lượng nước và năng lượng Trong khi đó, Profibus và Ethernet được sử dụng chủ yếu trong ngành sản xuất và tự động hóa công nghiệp