Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 329 Mã bài: 68 Nghiên cứu và phát triển hệ thống giám sát môi trường trên nền mạng di động không dây băng thông rộng WIMAX 4G Research and development environment supervising system based on broadband wireless mobile network WIMAX 4G Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Chung, Nguyễn Thành Long, Chu Ngọc Liêm, Phạm Ngọc Minh, Thái Quang Vinh Phòng Công nghệ Tự Động Hóa – Viện Công nghệ Thông tin Việt Nam e-Mail: tuando@ioit.ac.vn Tóm tắt Tự động hóa là xu thế của tương lai. Để đáp ứng các tiêu chuẩn hiện nay về vận hành hiệu quả và chi phí thấp, rất nhiều nơi đã lắp đặt hệ thống SCADA, cho phép thu thập số liệu, giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa qua trung tâm điều hành. Mỗi hệ thống SCADA có những yêu cầu và đòi hỏi riêng, do đó việc lựa chọn kiểu truyền tin có thể trở nên khó khăn. Một trong những công nghệ truyền tin từ xa đã và đang được phát triển mạnh mẽ trong thực tiễn là công nghệ truyền dữ liệu qua mạng không dây di động GSM/GPRS/3G/WIMAX 4G. Abstract Automation is the trend of the future. In oder to meet modern standards about efficient operation and low cost, a lot of units have been integrated SCADA system, permitting remote data acquisition, supervising and controlling devices from operating station. Each SCADA system has particular requirements, thus it is hard to choose the communication solution. One of the current strong developing communication technology is data transfer technology based on broadband wireless mobile network GSM/GPRS/3G/ WIMAX 4G Chữ viết tắt DI Digital Input DO Digital Output AI Analog Input DDE Dynamic Data Exchange PLC Programable Logic Controller PAC Programmable Automation Controller SCADA Supervisory control and data acquisition VB Visiual Basic 1. Đặt vấn đề Trên thế giới, một số hãng công nghệ như ABB đã ứng dụng công nghệ không dây GSM/GPRS trong các sản phẩm thiết bị công nghiệp như thiết bị đo lưu lượng FlowMeter có tích hợp module GSM/GPRS cho phép trung tâm điều khiển giám sát mạng lưới tuyến ống cung cấp nước sạch qua mạng điện thoại di động. Ở Việt Nam, trong nhiều ngành công nghiệp và khoa học kỹ thuật như Ngành Dự báo khí tượng thủy văn, Ngành Quản lý môi trường, Ngành Địa chất, Ngành nông nghiệp … nhu cầu về việc thu thập dữ liệu từ nhiều trạm đầu cuối phân bố trong một khoảng không gian rộng, địa hình phức tạp về một trung tâm duy nhất là có thực. Do đó, đòi hỏi cấp thiết cần phải có một giải pháp toàn diện cho phép giám sát các điểm đo trên diện rộng theo thời gian thực. WIMAX 4G với thế mạnh là phủ sóng Internet không dây băng thông rộng, không căn cứ vào địa hình bằng phẳng hay hiểm trở, nên rất phù hợp cho việc phổ cập Internet băng thông rộng tại mọi miền đất nước, kể cả các vùng sâu, vùng xa của Việt Nam. Trên thị trường có cung cấp một số hệ thống giám sát - thu thập dữ liệu - cảnh báo - điều khiển từ xa qua mạng GMS và internet, như Netrix, OPSIS – AQM, nhưng giá thành rất cao (hàng trăm nghìn đô la Mỹ) và chế độ bảo hành, bảo trì rất khó khăn 330 Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Chung, Nguyễn Thành Long, Chu Ngọc Liêm, Phạm Ngọc Minh, Thái Quang Vinh VCM2012 trong quá trình vận hành hệ thống khi triển khai trong nước. Hiện nay, Viện Công nghệ thông tin (Viện CNTT) đang hợp tác với công ty Đông Dương Telecom cùng triển khai hạ tầng mạng và cung cấp dịch vụ WIMAX 4G thử nghiệm tại tỉnh Đắk Lắk trong phạm vị đề tài TN3/C07 thuộc chương trình Tây Nguyên 3. Một trong những hướng nghiên cứu chính của đề tài là nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát môi trường qua mạng viễn thông WIMAX 4G trên nền tảng công nghệ PAC CompactLogix của hãng Rockwel Automation. 2. Hệ thống giám sát môi trường qua mạng viễn thông WIMAX 4G 2.1 Mô hình hệ thống giám sát môi trường Với mục tiêu xây dựng hệ thống giám sát môi trường trên nền mạng di động không dây băng thông rộng WIMAX 4G, chúng tôi xây dựng hệ thống theo mô hình sau:  Các trạm đo môi trường  Máy chủ tại trung tâm giám sát  Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy chủ  Hạ tầng mạng viễn thông WIMAX 4G H. 1 Mô hình hệ thống giám sát môi trường từ xa qua mạng viễn thông WIMAX 4G Trong đó, hệ thống hạ tầng mạng viễn thông WIMAX 4G được cung cấp bởi công ty Đông Dương Telecom trên địa bàn thử nghiệm là tỉnh Đắk Lắk. Hệ thống này chạy trên băng tần 2500 - 2690 Mhz và có tốc độ truyền dữ liệu 70Mbps, cung cấp khả năng kết nối internet không dây nhanh gấp 7 lần mạng 3G, là nền tảng cho các ứng dụng thời gian thực như dịch vụ giám sát môi trường, dịch vụ thông tin dựa trên vị trí (LBS), dịch vụ hội nghị trực tuyến (Video Conference), dịch vụ giám sát hình ảnh (Camera Monitoring) v.v 2.2 Hệ thống phần cứng trạm đo môi trường Hệ thống giám sát môi trường có các tính năng chính sau :  Thu thập dữ liệu từ các cảm biến đo  Truyền dữ liệu không dây về trung tâm giám sát qua mạng băng thông rộng WIMAX.  Thu thập và lưu dữ liệu đo trên máy chủ của trung tâm giám sát. Các trạm đo môi trường được thiết kế trên nền tảng công nghệ PAC CompactLogix của Rockwell Automation cho phần điều khiển cục bộ và công nghệ PSoC cho các module cảm biến đo lường. H. 2 Bộ điều khiển CompactLogix Hệ thống PAC CompactLogix là một hệ thống điều khiển nhỏ, mạnh mẽ, linh hoạt và tiện dụng với bộ nhớ lên đến 512KB và khả năng mở rộng Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 331 Mã bài: 68 tối đa 30 module Compact I/O. Đây là hệ thống có chất lượng tương đương tiêu chuẩn Mỹ và giá thành phù hợp với thị trường châu Á. Hệ thống PAC CompactLogix được tích hợp một khối CPU, các khối vào ra, nguồn cấp ngoài qua connector nguồn và khối End Cap. hối End Cap nằm ngoài cùng bên phải của hệ thống nhằm mục đích chống nhiễu phản hồi. PLC sử dụng trong đề tài là CompactLogix L23E – QBFC đã tích hợp sẵn 16 đường DI/DO, 4 cổng AI (đơn hoặc vi sai). Với mục tiêu đo 8 thông số môi trường là : nồng độ khí CO, CO2, NO2, CH4, SO2, nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, hệ thống PAC CompactLogix L23E-QBFC được gắn thêm 01 module AI có mã hiệu là 1769-IF4 có 4 đầu vào AI. Tất cả 8 đầu vào AI này có thể được tùy biến để kết nối với các cơ cấu cảm biến khác nhau, tương thích với các dải tín hiệu cảm biến phổ thông 0-20mA, 4-20mA, 0- 5V, 0-10V. Ngoài ra, 16 DI của hệ thống có thể được kết nối với các cảm biến mức có mức logic 1 là 24V. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng 2 DI cho mục đích báo cháy/báo khói và cảnh báo có người xâm nhập tủ điều khiển (bằng một công tắc liên động với cánh cửa của tủ điều khiển). Để phục vụ cho việc kết nối tủ điều khiển của trạm đo môi trường lên mạng viễn thông WIMAX 4G, chúng tôi sử dụng module kết nối không dây RadioLinx RLXIB-IESC của hãng Prosoft. Module này chịu trách nhiệm truyền dữ liệu từ trạm đo lên máy chủ qua mạng viễn thông WIMAX 4G. Đây là module kết nối không dây theo tiêu chuẩn công nghiệp với khả năng hỗ trợ khoảng cách kết nối tối đa lên tới 30Km, rất phù hợp với việc triển khai trên địa bạn đồi núi Tây Nguyên. H. 3 Module thu phát sóng không dây RadioLinx H. 4 Mô hình kết nối mạng không dây sử dụng RadioLinx Các bộ cảm biến đo các thông số môi trường một số sử dụng các bộ có sẵn, một số được nhóm chế tạo trên nền công nghệ PSoC, sử dụng phần mềm OrCad, Pad2007 để thiết kế phần cứng; sử dụng phần mềm PSoC Designer để viết firmware cho chíp PSoC. H. 5 Bộ cảm biến đa năng đo 4 thông số nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CH4 và CO Hình 5 là bộ cảm biến đa năng, đo 4 thông số nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO và nồng độ khí CH4. Bộ cảm biến đa năng được trang bị các sensor có độ chính xác cao của hãng E2V, nước Anh. Các thông số đo được đều có độ chính xác <2%, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của hệ thống. Bộ cảm biến đa năng này có tích hợp màn hình LCD để hiển thị các thông số cảm biến tức thời để tiện việc theo dõi tại chỗ và làm cơ sở để chỉnh định các thông số khi đưa lên hệ thống. Đồng thời, bộ cảm biến có tích hợp thêm cổng truyền thông RS232 để tiện việc kết nối với các thiết bị khác khi cần thiết. 332 Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Chung, Nguyễn Thành Long, Chu Ngọc Liêm, Phạm Ngọc Minh, Thái Quang Vinh VCM2012 2.3 Phần mềm nhúng cho trạm đo môi trường Hệ phần mềm nhúng viết cho bộ điều khiển PAC CompactLogix L23E được phát triển trên hệ phần mềm Rockwell Sofware gồm các công đoạn sau : Để cấu hình IP kết nối mạng Ethernet cho hệ thống PAC CompactLogix, chúng ta sử dụng phần mềm BOOTP-DHCP Server. Để nâng cấp Firmware của bộ PAC CompactLogix phù hợp với phiên bản phần mềm lập trình RSLogix5000 , chúng ta sử dụng phần mềm ControlFlash. Dùng phần mềm RSLINX để cài driver cho các cổng truyền thông (Ethernet, RS232), để máy tính có thể làm việc với PLC. RSLINX còn dùng để tạo OPC/DDE phục vụ việc thu thập dữ liệu từ PLC lên máy tính và điều khiển PLC từ xa. Bộ điều khiển PAC CompactLogix L23E được lập trình logic và cấu hình I/O với phần mềm lập trình RSLogix 5000. Dòng CompactLogix của Rockwell có 2 cổng giao tiếp để kết nối với máy tính cũng như kết nối với mạng điều khiển : Một cổng RS232 được cách ly hoàn toàn và có thể nối trực tiếp vào mạng (Ngoại trừ bộ điều khiển L35 có 2 cổng RS232), và một cổng RJ45 để kết nối mạng Erthernet. Với hai cổng truyền thông này, người dùng có thể tích hợp PLC vào hầu hết các mạng điều khiển. Với bộ phần mềm mạnh mẽ đi kèm, chúng ta có thể dễ dàng kết nối PLC với máy tính để lập trình, debug, điều khiển PLC hay thu thập số liệu từ PLC lên máy tính. RSLogix5000 là phần mềm chuyên dụng để lập trình cho các dòng PLC của Rockwell. Đây là một phần mềm mạnh, tích hợp cả 3 ngôn ngữ lập trình là : lập trình hình thang (ladder), lập trình hình khối (Block) và lập trình bằng mã nguồn (Source Code). Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng ngôn ngữ lập tình Ladder. Phần mềm nhúng cho hệ PAC CompactLogix có chức năng thu thập các thông số từ các cảm biến và truyền dữ liệu lên server qua mạng viễn thông WIMAX 4G bằng module RadioLinx của Prosoft. 2.4 Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy chủ. Phần mềm trên server có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ trạm đo môi trường gửi lên, tổ chức, lưu trữ, quản lý và tạo báo cáo theo yêu cầu. Có nhiều công cụ lập trình có thể đáp ứng yêu cầu trên như C, C++, VB, dotNet H. 6 Biểu đồ luồng dữ liệu giữa người sử dụng và phần mềm trên máy chủ Trong phạm vi đề tài, chúng tôi sử dụng công cụ Visiual Basic vì dễ dàng tạo giao diện thân thiện với người sử dụng, kết hợp với kỹ thuật rất phổ biến là DDE. DDE (Dynamic Data Exchange) là một phương thức truyền thông liên quá trình theo đó một chương trình có thể truyền thông với hoặc điều khiển tới một chương trình khác. Chức năng chính của DDE là để cho các ứng dụng trên nền Windows có thể chia sẻ dữ liệu. H. 7 Biểu đồ định nghĩa chức năng phần mềm SCADA Chúng ta có thể thu thập bất kỳ số liệu nào của PAC CompactLogix đưa lên máy tính thông qua phần mềm RSLinx. Sau khi đã kết nối RSLinx với PAC CompactLogix, chúng ta sẽ dùng RSLinx tạo ra đối tượng DDE chứa các thông số của PAC CompactLogix. Chúng ta sẽ dùng VB lấy số liệu từ DDE này. Giao diện của phần mềm thu thập dữ liệu trên server có dạng như sau: Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 333 Mã bài: 68 H. 8 Giao diện phần mềm thu thập và quản lý dữ liệu trên máy chủ Phần mềm này có 2 chế độ giám sát là:  Manual : Chế độ giám sát bằng tay, chỉ nhận số liệu về và hiển thị khi nhấn nút Request. Ghi số liệu vào file bằng tay.  Automatic : Tự động lấy mẫu và ghi dữ liệu lên file sau mỗi khoảng thời gian Sample Time. Phần mềm trên là một thành phần trong hệ thống giám sát môi trường từ xa thông qua mạng viễn thông WIMAX 4G. Với những dữ liệu thu được như trên, ta hoàn toàn có thể tích hợp với hệ thống phần mềm giám sát và điều khiển SCADA trên trung tâm giám sát hệ thống. 3. Kết luận Các thành phần chính của hệ thống giám sát môi trường gồm trạm đo môi trường và phần mềm thu thập dữ liệu trên máy chủ tại trung tâm giám sát đã được xây dựng thành công, chạy thử nghiệm tốt, ổn định với các thông số môi trường được thu thập chính xác qua mạng di động băng thông rộng WIMAX 4G theo thời gian thực. Với giải pháp như trên, chúng ta không chỉ giám sát mà còn có khả năng điều khiển ngược lại hệ thống, có nghĩa là chúng ta có thể xây dựng một hệ thống giám sát, điều khiển toàn diện. Với các khả năng mở của hệ thống PAC CompactLogix của Rockwell Automation, trạm đo môi trường ES-RTU315 không chỉ có thể giám sát các thông số môi trường mà có khả năng giám sát (và điều khiển) cho nhiều hệ thống trong nhiều ngành khác như các nhà máy, xí nghiệp sản xuất; các hệ thống giám sát khí tượng, thủy văn; giám sát các môi trường độc hại, nguy hiểm trong các nhà máy; trợ giúp trong sản xuất nông nghiệp LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu được sự tài trợ từ Đề tài Phòng thí nghiệm trọng điểm về Công nghệ Mạng và Đa phương tiện năm 2011-2012. Các tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Mạng và Đa phương tiện và viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam hỗ trợ về kinh phí và trang thiết bị đề chúng tôi thực hiện nghiên cứu. Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Anh Tuấn, Phạm Ngọc Minh, Nguyễn Thành Long : Giới thiệu hệ thống PAC CompactLogix. Tự Động Hóa ngày nay, tháng 7/2012 [2] Allen Bradley : Logix5000 Controllers Quick Start [3] Allen Bradley : Logix5000 Controllers IEC 61131-3 Compliance [4] http://prosoft-technology.com/ [5] Microsoft : How to Use DDE in Visual Basic to Communicate with Other Windows Programs [6] Microsoft : Example of Client-Server DDE Between Visual Basic Applications [7] Cypress : PSoC Programable System-On-Chip, Technical Reference Manual [8] Cypress: CY8C29x66 Final Data Sheet . Rockwel Automation. 2. Hệ thống giám sát môi trường qua mạng viễn thông WIMAX 4G 2.1 Mô hình hệ thống giám sát môi trường Với mục tiêu xây dựng hệ thống giám sát môi trường trên nền mạng di động. mềm giám sát và điều khiển SCADA trên trung tâm giám sát hệ thống. 3. Kết luận Các thành phần chính của hệ thống giám sát môi trường gồm trạm đo môi trường và phần mềm thu thập dữ liệu trên. hướng nghiên cứu chính của đề tài là nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát môi trường qua mạng viễn thông WIMAX 4G trên nền tảng công nghệ PAC CompactLogix của hãng Rockwel Automation. 2. Hệ