Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây (phần 2)

Tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây (phần 2)

1. GIỚI THIỆU
Ở số trước, tháng 11 năm 2018, chúng tôi đã đề cập đến vấn đề là hiện nay trên thị trường tự động hóa rất nhiều hệ thống điều khiển đang sử dụng PLC của hãng Siemens, cụ thể là PLC S7-1200 và S7-1500. Với việc sử dụng các PLC này có thể trực tiếp đẩy dữ liệu thu thập được lên điện toán đám mây như: MindSphere, Microsoft Azure và máy tính ảo. Hãng Siemens đã trang bị đầy đủ các công nghệ để tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây, nhằm cung cấp dữ liệu lớn để chuẩn bị cho các ứng dụng số hóa công nghiệp chạy trên cơ sở điện toán đám mây.

Các phương pháp kết nối bao gồm:

• Sử dụng PLC S7-1500 để đưa dữ liệu lên MindSphere.

• Sử dụng PLC S7-1500 để đưa dữ liệu lên điện toán
đám mây khác như: Azure, Google, Amazon bằng giao thức MQTT.

• Sử dụng các Gateway MindConnect IoT2040 hoặc
MinConnect Nano để đưa dữ liệu lên MindSphere. Các giao thức kết nối được với Gateway này là: S7 Ethernet, OPC UA và đặc biệt là các thiết bị hỗ trợ Modbus TCP/ IP Server.

• Sử dụng PLC S7-1500, S7-1200 để kết nối với các Private Cloud (VPS) hoặc các Cloud tự xây dựng, bằng giao thức MQTT. Trong bài số tháng 11 năm 2018, chúng tôi đã mô tả
chi tiết 2 phương pháp đưa dữ liệu lên MindSphere dùng trực tiếp CPU PLC S7-1500 và các Gateway MindConnect IoT 2040, MindConnect Nano. Bài viết này chúng tôi sẽ mô tả các giải pháp đưa dữ liệu lên Microsoft Azure và VPS sử dụng các CPU S7-1200 và S7-1500.

2.SỬ DỤNG PLC S7 - 1500 ĐỂ ĐƯA DỮ LIỆU TRỰC TIẾP LÊN MICROSOFT AZURE
Trong năm 2018 Siemens đã cho ra thị trường tự động hóa công nghiệp thư viện (tập hợp khối hàm) để trao đổi dữ liệu với Cloud sử dụng chuẩn MQTT (xem phần 2 - “Tổng quan các cách kết nối hệ thống điều khiển với điện toán đám mây” trong bài viết ở số tháng 11 năm 2018). Thư viện này được tạo ra dùng cho TIA Portal áp dụng cho PLC S7-1200 (có frmware ≥ 4.0) và S7-1500 (có frmware ≥ 2.0). Khối hàm MQTT được chia ra thành 2 loại: loại dữ liệu truyền đi được
mã hóa và loại dữ liệu truyền đi không được mã hóa. S7-1500 áp dụng được cả 2 loại khối hàm. S7-1200 chỉ áp dụng được khối hàm loại 2, tuy nhiên để kết nối được S7-1200 với Broker thì cần phải dùng user/ password. Bởi vì Microsoft Azure chỉ tiếp nhận những dữ liệu truyền đi được mã hóa, cho nên để đưa dữ liệu lên Microsoft Azure, trong trường hợp này chỉ dùng  được PLC S7-1500. Nếu trong hệ thống đã sử dụng PLC S7-1500 và I/O (local và remote) để điều khiển quá trình sản xuất thì người dùng có thể sử dụng ngay PLC này để kết nối trực tiếp với Azure. Nếu hệ thống chưa dùng
PLC S7-1500 thì chỉ cần lắp thêm CPU S7-1500 vào hệ thống, lúc này CPU S7-1500 vừa đóng vai trò là Gateway vừa đóng vai trò tính toán các thông số thứ cấp và chuyển dữ liệu lên Azure. Hình 1 mô tả cấu trúc cụ thể của hai hệ thống điều khiển (thí nghiệm) kết nối và chuyển dữ liệu lên Azure.

alt

Hình 1. Ví dụ về cấu trúc hệ thống điều khiển kết nối với Azure dùng trực tiếp PLC điều khiển S7-1500

PLC S7-1500 ở trạm #1 trong hệ thống trên kết nối với Internet dùng module 3G. Đây là trường hợp phổ biến ở các ứng dụng trong ngành nước, dầu khí, năng lượng. Ví dụ hệ thống điều khiển trạm bơm chẳng hạn. Đối với những trường hợp này thì không thể đi dây mạng trực tiếp đến PLC mà phải dùng các Module 3G (M874-3) để nối với Internet. Trường hợp trạm #2 thì PLC S7-1500 được cắm trực tiếp dây mạng vào cổng RJ 45 của CPU. Ở mỗi trạm theo truyền thống đều có HMI để theo dõi và điều khiển tại chỗ. Phía cấp thiết bị hiện trường có thể là những thiết bị hỗ trợ những chuẩn phổ biến như Profnet, OPC UA và Modbus TCP/IP. Các chuẩn này CPU S7-1500 đều có thể giao tiếp được.

TIA Portal cung cấp thư viện trong đó có khối hàm MQTT (hình 2). Khối hàm này cho phép gửi dữ liệu được mã hoá từ PLC lên Azure thông qua đường truyền internet bảo mật, làm nền tảng cho các dịch vụ và ứng dụng trên nền web.

alt

Hình 2. Khối truyền thông trong TIA Portal dùng để kết nối và gửi chuỗi dữ liệu lên Azure

Khối hàm MQTT kết hợp cùng phần mềm TIA Portal và Microsoft Azure IoT Hub có thể thực hiện các nhiệm vụ sau:
• “Onboard” PLC S7-1500 lên Azure bằng cách kích hoạt chân “enable” của khối.
• Thu thập dữ liệu và lưu dữ liệu vào chuỗi ký tự và sau đó tải chuỗi này lên IoT Hub của Azure theo chu kỳ nhất định hoặc tùy ý. IoT Hub này thực chất là một MQTT Broker. Chuỗi dữ liệu được đưa lên, được thống nhất phải là chuỗi JSON. Ví dụ:
{“Motor_1_Speed” : 1034,
“Motor_1_Current” : 2.43,
“Motor_1_Torque” : 1.70,
“Motor_1_Power” : 1.24,
“Motor_2_Speed” : 421,
“Motor_2_Current” : 1.43,
“Motor_2_Torque” : 1.45,
“Motor_2_Power” : 1.21}

alt

alt

Hình 3. Chuỗi JSON được các ứng nhận biết và tách tên thông số, kiểu và giá trị

Như vậy, sau khi chuỗi JSON đi vào IoT Hub thì các client khác (MQTT subscriber) sẽ nhận được (nếu đăng ký) và sẽ tách được chuỗi này theo tên của thông số và giá trị của thông số tương ứng (hình 3). Từ IoT Hub của Azure dữ liệu có thể được đi vào cơ sở dữ liệu hoặc có thể được các ứng dụng lấy trực tiếp. Hình 4 mô tả hiển thị dữ liệu trên phần mềm Power BI. Dữ liệu này hiển nhiên được lấy trực tiếp từ IoT Hub của Azure.

alt

Hình 4. Hiển thị dữ liệu trên Power BI

3. SỬ DỤNG PLC S7-1200, S7-1500 ĐỂ KẾT NỐI NHÀ MÁY
Giải pháp này vẫn dùng khối hàm đã đề cập ở phần 2, nhưng thay vì sử dụng Microsoft Azure thì người dùng có thể xây dựng máy tính riêng đặt tại nhà máy hay công ty của mình. Với phương án này người dùng cần phải trang bị đường truyền internet có địa chỉ IP tĩnh hoặc dùng DDNS. Phương án khác là người dùng có thể mua một máy tính ảo ở trong nước và trả tiền hàng tháng cho dịch vụ này (khoảng 800 ngàn đồng/tháng). Người dùng có thể dùng kỹ thuật Remote Desktop để vào máy tính và cài đặt hoặc lập trình nhằm mục đích tạo ra MQTT Broker để sẵn sàng nhận những chuỗi JSON từ S7-1200, S7-1500 đưa lên.

Với giải pháp này chúng tôi có thể đề xuất một ứng dụng hệ thống điều khiển nhà máy xử lý và cung cấp nước sạch cùng với các trạm bơm từ xa (hình 5). Đối với hệ thống này thì sự kết nối nhà máy xử lý với các trạm bơm từ xa được thông qua máy tính ảo và kỹ thuật MQTT Publisher/Subcriber giữa các PLC S7- 1500 và S7-1200. Với kỹ thuật này, từ nhà máy chính không chỉ thu thập được dữ liệu từ các trạm bơm mà còn có thể điều khiển các trạm bơm này.

alt

Hình 5. Hệ thống điều khiển nhà máy xử lý và cung cấp nước sạch ứng dụng công nghệ Cloud

Một ứng dụng khác là sử dụng PLC S7-1500, các phần mềm được xây dựng bằng .NET C# và máy tính ảo (VPS) để thực hiện dự án bãi đỗ xe thông minh ứng dụng cho người quản lý và người dùng (hình 6). Dự án này chúng tôi thực đã hợp tác thực hiện cùng với Công ty Cơ khí Công - Nông nghiệp Bùi Văn Ngọ.

alt

Hình 6. Hệ thống số hóa bãi đỗ xe thông minh

Chức năng và thành phần của hệ thống số hóa bãi đỗ xe thông minh bao gồm:

• PLC S7-1500 dùng để thu thập dữ liệu và điều khiển bãi đỗ xe;
• Đưa dữ liệu lên máy tính ảo chạy MQTT Broker;
• Phần mềm Server quản lý và lưu trữ cơ sở dữ liệu;
• Giao diện quản lý được xây dựng bằng C# .NET (hình 7) có chức năng: Xem được sơ đồ bố trí của các xe trong trạm; xem thông báo về số lượng khách hàng qua ngày, tháng, năm; xem thông báo về các lỗi của bãi đỗ;…
• Ứng dụng chạy trên Android/iPhone (hình 8) có chức năng: Người dùng có thể thấy được bao nhiêu chỗ còn trống; truy xuất, định vị được bãi xe gần vị trí mình nhất; hướng dẫn trên bản đồ để đến vị trí gần nhất; người dùng có thể đặt chỗ bằng cách: Nhập biển số xe, thời gian đặt chỗ.

alt

Hình 7. Giao diện quản lý bãi đỗ xe

alt

Hình 8. Giao diện người sử dụng bãi đỗ xe

4. KẾT LUẬN
Từ bài viết này và bài đã viết trong số tháng 11 năm 2018, chúng tôi đã cung cấp cho các bạn tất cả các giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây. Bài viết mong có thể mang đến cho người đọc biết được công nghệ và phương pháp kết nối hệ thống điều khiển với điện toán đám mây và các ứng dụng của chúng. Bài viết cũng chứng tỏ
được rằng PLC S7- 1500, S7-1200 vừa đóng vai trò điều khiển như truyền thống và có thể đóng vài trò là một thiết bị phân tích, tính toán các thông số thứ cấp và đặc biệt việc đưa dữ liệu lên điện toán đám mây và lấy dữ liệu xuống từ điện toán đám mây. Nếu có thắc mắc về kỹ thuật chi tiết liên quan đến các giải pháp này thì xin vui lòng liên hệ với tác giả theo email được thể hiện ở đầu bài viết. Năm mới, chúc các bạn gặt hái được nhiều thành quả trong việc ứng dụng công nghệ, đặc biệt là công nghệ số hóa trong không khí cách mạng công nghiệp 4.0 đang được hình thành và hiện thực hóa trên toàn cầu.

Tác giả Trương Đình Châu

Consulting Professional | Siemens Vietnam | Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó.

Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số tháng 1+2 năm 2019


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo






 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết