IoT cho các loại PLC khác của hãng siemens
Giới thiệu
Hiện nay ở trong nước có không ít các hệ thống điều khiển, hệ thống SCADA đang hoạt động, đã và đang mang lại rất nhiều lợi ích cho doanh nghiệp sản xuất. Gần đây nhu cầu đưa dữ liệu sản xuất, thông số kỹ thuật của các thiết bị sản xuất từ hệ thống tự động hóa có sẵn lên điện toán đám mây ngày càng tăng. Vậy việc đưa dữ liệu lên điện toán đám mây có tác dụng gì? Dưới đây liệt kê một vài tác dụng dựa theo kinh nghiệm thực tế của tác giả:
Dữ liệu được đưa lên điện toán đám mây trước mắt là lưu trữ ngày này sang ngày khác, tháng này sang tháng khác là năm này sang năm khác. Theo cách mà người ta hay nói trong thời buổi cách mạng công nghiệp 4.0 đó là Big Data. Dữ liệu có thể được hiển thị ở chế độ thời gian thực dưới dạng đồ họa bằng các App chạy trên thiết bị di động (Android, iPhone, iPad) hoặc bằng các Web Brower chạy trên máy tính nằm bất kỳ vị trí nào trên thế giới miễn là có Internet. Với vai trò này, App được xem như là một dạng Web-based SCADA.
Dữ liệu thu thập được có thể dùng cho các ứng dụng chạy ngay trên điện toán đám mây với mục đích là lập báo cáo sản xuất, tính toán hiệu năng làm việc của máy móc (OEE), cảnh báo và báo động, phân tích và chuẩn đoán. Hầu hết các doanh nghiệp sản xuất họ đều có đội ngũ IT, biết cách lập trình tạo các App, Web và biết các thuật toán tính toán và phân tích. Việc tính toán, phân tích này cần phải có dữ liệu. Và họ đang lay hoay không biết làm thế nào để đưa dữ liệu từ các hệ thống điều khiển đang hoạt động (hoặc dự định sẽ được xây dựng)
lên điện toán đám mây. Bởi vậy, bài viết trong số này và số sau sẽ cung cấp cho người đọc hình dung được phương pháp đưa dữ liệu từ các hệ thống điều khiển lên điện toán đám mây – là một bước quan trọng trong chuỗi các công việc của quy trình số hóa nhà máy.
Tổng quan phương thức kết nối
Trước khi đi vào chi tiết các cách kết nối hệ thống điều khiển với điện toán đám mây, chúng ta cần làm rõ các khái niệm: Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển ở đây được xem là hệ thống mà thành phần chính của nó phổ biến trong các nhà máy hiện nay trong nước cũng như trên thế giới là PLC. Điện toán đám mây: Điện toán đám mây ở đây tác giả muốn đề cập đến là: Các cloud phổ biến: Microsoft Azure, AWS của Amazon,… và MindSphere của Siemens. Điện toán đám mây cũng có thể là VPS. VPS là máy tính ảo chạy ở đâu đó. Các bạn có thể liên hệ với các nhà cung cấp dịch vụ VPS trong nước để mua một máy tính ảo một cách dể dàng. Nếu doanh nghiệp đã có đường truyền internet với IP tĩnh thì có thể thiết lập một máy tính và cài đặt đầy đủ các phần mềm cần thiết để đóng vai trò Server có tác dụng như một máy tính ảo VPS. Giao thức kết nối: Giao thức kết nối hệ thống tự động hóa với điện toán đám mây phải là giao thức phổ biến IoT. Một trong những giao thức IoT phổ biến hiện nay là MQTT (Message Queue Telemetry Transport). MQTT được xem là giao thức vệ tinh hoạt động theo cơ chế Publisher/Subcriber thông qua một phần mềm trung gian gọi là Broker. Giao thức này nhẹ và phù hợp cho việc gửi và nhận tin nhắn giữa các thiết bị thông qua mạng không ổn định. MQTT là giao thức được dùng trong Facebook Messenger. Các tính năng nổi bật của MQTT như sau:
- Giao thức gọn nhẹ, tốn ít băng thông mạng.
- Các thiết bị có khả năng phục hồi kết nối sau khi kết nối bị gián đoạn.
- Hỗ trợ việc lưu giữ và gửi lại thông tin (chưa gửi được do mất kết nối) sau khi kết nối được phục hồi.
- Đảm bảo chất lượng (mức QoS) với các cấp đảm bảo độ tin cậy về trao đổi tin nhắn khác nhau.
- Mã hoá thông tin sử dụng SSL/TLS.
- Sử dụng tên đăng nhập và mật khẩu để xác thực phía gửi và phía nhận.
Với các đặc tính kể trên, MQTT thích hợp dùng trong các hệ thống đo lường và điều khiển từ xa và IoT. Đây là giao thức hoàn toàn miễn phí, đang và sẽ được hỗ trợ phổ biến trong các phần mềm, phần cứng của các cấu thành trong hệ thống tự động hóa vào những năm tiếp theo. Dưới đây, tác giả liệt kê một vài phương pháp kết nối các hệ thống điều khiển với điện toán đám mây, bao gồm: Đưa dữ liệu trực tiếp từ PLC đang thực hiện công việc điều khiển lên điện toán đám mây và dữ liệu truyền đi được mã hóa. Điều này hoàn toàn không khả thi, cách đây khoảng 2 năm việc PLC nối trực tiếp với điện toán đám mây nghe có vẻ xa vời, bởi vì người ta luôn luôn nghĩ rằng đưa dữ liệu lên được điện toán đám mây là phải có Gateway hoặc phần mềm chạy trên máy tính. Việc đưa dữ liệu trực tiếp từ PLC và dữ liệu được mã hóa khi trao đổi, đòi hỏi PLC phải có cấu hình tương đối mạnh và hỗ trợ giao thức mở TCP/IP. Đưa dữ liệu trực tiếp từ PLC điều khiển lên điện toán đám mây và dữ liệu không được mã hóa. Kiểu trao đổi dữ liệu này áp dụng cho những dòng PLC cấp thấp. Tuy dữ liệu không được mã hóa khi gửi đi nhưng giữa 2 đầu trao đổi dữ liệu phải được xác thực bằng user/password. Đưa dữ liệu lên điện toán đám mây thông qua Gateway. Gateway trong trường hợp này là thiết bị thu nhận dữ liệu từ các thiết bị PLC thông qua những giao thức phổ biến như: Modbus TCP/IP, S7 Ethernet, Profnet, OPC UA rồi chuyển đổi thành các giao thức IoT và chuyển lên điện toán đám mây.
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. Có những cách sau đây để tích hợp những PLC này với 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 (big data) 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 trực tiếp 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 thiết bị (cấp thấp hơn) với Gateway này là: S7 Ethernet và OPC UA.
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 viết này, tác giả chỉ 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. Các phương pháp đưa dữ liệu lên Microsoft Azure và VPS sẽ được trình bày trong số sau.
IoT cho PLC S71500 Siemens
Nếu trong hệ thống đã sử dụng PLC S7-1500 và I/O (local và remote) để điều khiển quá trình/đối tượng thì người dùng có thể sử dụng ngay PLC này để kết nối trực tiếp với MindSphere. 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 rồi chuyển dữ liệu lên MindSphere. Hình 1 mô tả cấu trúc cụ thể của hai hệ thống điều khiển kết nối và chuyển dữ liệu lên MindSphere.
Hình 1. Ví dụ về cấu trúc hệ thống điều khiển kết nối với MindSphere dùng trực tiếp PLC điều khiển S7-1500
PLC S7- 500 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 như hệ thống điều khiển trạm bơm chẳng hạn. Đối với những trường hợp này không thể đi dây mạng trực tiếp đến PLC mà phải dùng các Module 3G 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.
Để thực hiện được việc thu thập dữ liệu và kết nối S7-1500 với MindSphere, TIA Portal có cung cấp thư viện MindConnect FB 1500 (hình 2). Thư viện này cho phép gửi dữ liệu đã được mã hoá từ PLC lên MindSphere thông qua đường truyền internet bảo mật, làm nền tảng cho các dịch vụ và ứng dụng trên nền web (hình 2).
Hình 2. Khối truyền thông trong TIA Portal dùng để Onboard, tạo mô hình dữ liệu và gửi chuỗi dữ liệu lên MindSphere.
MindConnect FB 1500 kết hợp cùng phần mềm TIA Portal và MindSphere có thể thực hiện các nhiệm vụ sau:
• “Onboard” PLC S7-1500 lên MindSphere.
• Tải lên và tạo mô hình dữ liệu (data model) trên MindSphere.
Thu thập dữ liệu và lưu dữ liệu vào bộ nhớ vòng (ring) với một dung lượng nào đó, sau đó tải hết bộ nhớ này lên MindSphere theo chu kỳ nhất định (timeseries) hoặc tùy ý.
Để thực hiện được điều này, trên Tenant (đất ảo được mà khách hàng thuê) của MindSphere (hình 3) người lập trình cần phải tạo các Aspect bao gồm đầy đủ các thông số của các biến cần lưu trữ trên Tenant này (hình 4).
Hình 3. Giao diện MindSphere Launchpad
Hình 4. Ví dụ về các Aspect được tạo trên một Tenant của MindSphere
Sau khi dữ liệu được S7-1500 tải lên và ánh xạ qua các Aspect đã được tạo. Các ứng dụng (được lập trình sử dụng node.js) có thể truy cập vào các Aspect này để thu thập dữ liệu cần thiết để xữ lý, lưu trữ, hiện thị và phân tích. Hình 5 là hiển thị tốc độ và thời gian vận hành của 2 động cơ dùng ứng dụng sẵn có trên MindSphere đó là Visual Analyser (hình 5).
Hình 5. Hiển thị các thông số trên Visual Analyser của MindSphere
IoT cho các loại PLC khác của hãng siemens
Nếu trong hệ thống điều khiển đã sử dụng PLC S7-1200, S7-300 và S7-200 (có module Ethernet) hoặc những thiết bị hỗ trợ OPC UA Server thì có thể sử dụng các bộ Gateway MindConnect IoT2040 hoặc MindConnect Nano để đưa dữ liệu lên MindSphere. Các Gateway này thu thập dữ liệu từ các thiết bị hỗ trợ giao thức: S7 Ethernet và OPC UA rồi chuyển dữ liệu thu thập được lên MindSphere. Hình 6 mô tả cấu
trúc cụ thể của một hệ thống ứng dụng điều khiển sử dụng PLC S7-1200 và các thiết bị đóng/cắt hỗ trợ OPC UA Server kết nối với Gateway MindConnect IoT2040 để chuyển dữ liệu lên MindSphere.
Hình 6. Ví dụ về cấu trúc hệ thống điều khiển kết nối với MindSphere sử dụng MindConnect IoT 2040
Cách cấu hình trên MindSphere cho giải pháp này cũng tương tự như cấu hình trong trường hợp dùng PLC S7- 500. Tuy nhiên, khi áp dụng các Gateway này người dùng không cần phải lập trình mà chỉ cấu hình cho Gateway, như: cấu hình địa chỉ IP, cấu hình thông tin đầu cuối và bảo mật của Tenant. Tất cả những bước cấu hình này đều được thực hiện trên MindSphere thông qua giao diện Web. Sau khi tạo cấu hình xong, người dùng có thể tải fle cấu hình vào thẻ nhớ USB và cắm vào cổng USB của Gateway MindConnect IoT 2040, sau đó Gateway tự động tải cấu hình vào và chạy.
Sau khi hệ thống chạy, người dùng từ giao diện Web của MindSphere có thể thêm bớt thiết bị (data souce, hình 7), thêm bớt biến cần thu thập (data point, hình 8) và cập nhật. Khi cập nhật được thực hiện thì cấu hình sẽ được đi từ MindSphere vào Gateway.
Hình 7. Thêm thiết bị
Các bước thực hiện cấu hình cho Gateway MindConnect Nano hoàn toàn tương tự như cấu hình Gateway MindConnect IoT 2040 (hình 7, hình 8).
