Trang chủ Tự động hóa Số hóa Công nghiệp Tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây (phần...

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

Ở bài trước 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 Tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây (phần 1), 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.

 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 Tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây phần 1). Thư viện này được tạo ra dùng cho TIA Portal áp dụng cho PLC S7-1200 (có firmware ≥ 4.0) và S7-1500 (có firmware ≥ 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.

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 Profinet, 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.

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}

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.

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

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.

Hình 4. Hệ thống điều khiển nhà máy xữ lý và cung cấp nước sạch ứng dụng công nghệ Cloud

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 4). 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.

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 5). Dự án này chúng tôi thực đã hợp tác thực hiện cùng với Công ty Cơ khí Công – Nông nghiệp Bùi Văn Ngọ.

 Hình 5. 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.

Hình 6. Giao diện quản lý bãi đỗ xe

Hình 7. Giao diện người sử dụng bãi đỗ xe

Kết luận

Từ bài viết này và bài Tích hợp hệ thống điều khiển với điện toán đám mây (phần 1), 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 chau.truong@hcmut.edu.vn, chau.truong@me.com

Trương Đình Châu, Chủ nhiệm Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, ĐHBKTP.HCM

Theo dõi fanpage chúng tôi

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây

Bài viết cùng chủ đề

Đại học Quốc gia Tp. HCM thực hiện chiến lược trở thành đại học nghiên cứu hàng đầu khu vực và thế giới

Ngày 10/4/2021, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ký hợp tác cùng Đại học Quốc gia Tp. HCM để thực hiện chiến lược...

Việt Nam – Hàn Quốc thành lập Trung tâm vi mạch bán dẫn

Trung tâm vi mạch bán dẫn Việt Nam - Hàn Quốc vừa được khai trương ngày 8/4 tại Tp.Hồ Chí Minh. Trung tâm là...

DAT hợp tác cùng SIEMENS thúc đẩy Công nghiệp số

Nhằm nâng tầm thương hiệu, mở rộng hệ sinh thái hướng đến mục tiêu trở thành tập đoàn công nghệ có quy mô và...

AVSE Global phát động cuộc thi đổi mới sáng tạo Hack4Growth lần thứ 2

Hack4Growth là cuộc thi Đổi mới sáng tạo do Tổ chức Khoa học và Chuyên gia Việt Nam Toàn cầu (AVSE Global) thực hiện...

AI có thể ngăn chặn tin giả tiếp cận người sử dụng Internet hay không?

Tin giả, tin rác hiện đang là một vấn nạn trên không gian mạng, việc xuất hiện tràn lan có xu hướng tiếp cận...

Bài viết nổi bật

TBA số đầu tiên tại Việt Nam dự kiến đưa vào vận hành trong tháng 4/2021

Nhằm đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải và đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội tại huyện Thủy Nguyên, TP....

5 việc cần làm để không mất việc trong các ngành công nghiệp tự động

Định hướng làm việc của các doanh nghiệp hiện đại đang chuyển dịch sang mô hình tự động hóa. Hơn 90% các tổ chức...

Chọn ngành nghề nào để không thất nghiệp

Ngày hội tư vấn tuyển sinh - hướng nghiệp 2021 được tổ chức tại Đại học Bách khoa Hà Nội vào sáng ngày 11/4/2021...