Giám sát trực tuyến mạng không dây
Giám sát không dây sử dụng máy chủ OPC mở ra rất nhiều cơ hội theo dõi
và tối ưu mạng vô tuyến. Để hiểu rõ cơ chế hoạt động của hệ thống này
chúng ta cần khảo sát các tham số giám sát then chốt thường được sử dụng.
Trong các hệ thống liên lạc cao tần, liên kết giữa các thiết bị vô tuyến (các
điểm truy cập không dây, các cầu hay người dùng) được thiết lập dựa trên
các kênh RF tiền định và thủ tục xác thực. Các thiết bị này thực hiện truyền
hoặc nhận dữ liệu (không đồng
thời).
Tín hiệu RF phát đi mang một năng
lượng xác định, đo bằng dBm - đơn
vị dB của công suất tính theo
miliwatt. Trên đường truyền năng
lượng này bị suy hao do khoảng
cách hoặc do có vật chắn trên
đường truyền. Tín hiệu nhận được
bên thu phải đủ lớn để có thể giải
mã thành công. Độ lớn của tín hiệu
nhận được đo bằng RSSI (Bộ chỉ
thị độ lớn tín hiệu nhận).
Một thông số quan trọng khác là nhiễu trên đường truyền. Tín hiệu nhận
được phải lớn gấp một số lần nào đó nhiễu thì mới có thể giải mã được. Độ
lớn của nhiễu cũng được biểu thị bằng dBm.
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là một thông số quan trọng khác, được đo
bằng hiệu số giữa RSSI và nhiễu. Tỉ số SNR càng lớn thì đường truyền càng
tin cậy.
Hầu hết các thiết bị vô tuyến công nghiệp đều có thuật toán sửa lỗi vì các gói
dữ liệu phát đi bị thay đổi. Thuật toán sửa lỗi này đảm bảo cho dữ liệu thu
chính xác hoặc bên phát phải truyền lại tín hiệu khi cần. Các công cụ giám
sát có thể phản hồi số các gói nhận đúng và số các gói sai, từ đó tính được
xác suất lỗi của kênh truyền, một thông số quan trọng khác của hệ thống.
Giám sát cũng có thể điều khiển số người dùng trong mạng. Điều thú vị của
thuộc tính này là nó có thể nhanh chóng phát hiện và cảnh báo nếu đường
truyền xấu hoặc khi số người truy cập mạng lớn hơn số lượng cho phép. Đây
có thể xem như một hình thức bảo mật đơn giản. Nó cũng cho phép điều
khiển địa chỉ MAC của người dùng, nâng cao tính bảo mật của hệ thống.
Cuối cùng, số byte truyền đi là một thông số quan trọng vì nó thể hiện tình
trạng hiện thời của mạng. Thông qua việc tính số byte truyền được trong 1
giây và so sánh với dung năng kênh truyền, ta có thể tính được hiệu suất sử
dụng phổ trong hệ thống. Giám sát không dây có thể có nhiều tính năng khác
nữa, nhưng các tính năng trên mang ý nghĩa then chốt. Các thống số khác có
thể được điều khiển bao gồm các điều kiện môi trường (nhiệt độ, điện áp
cung cấp), VSWR rất hữu hiệu trong
việc dò tìm anten hoặc dịch tần.
Vận hành một hệ thống giám sát
OPC
Chúng ta đã hiểu các tham số quan
trọng trong điều khiển mạng. Giờ
chúng ta sẽ tìm hiểu cách thực thi và
vận hành một hệ thống giám sát không
dây OPC. Hệ thống này chỉ cần một
máy chủ để thu thập các thông số chẩn
đoán. Trong mạng Ethernet bất cứ máy
nào cũng có thể làm máy chủ. Một
máy chủ sẽ được cài đặt để thu thập dữ
liệu trên từ một số thiết bị vô tuyến
nhất định. Tuy nhiên, vì máy chủ chỉ
nằm ở một vị trí nhất định trong mạng,
một phần các dữ liệu giám sát được
thu thập qua liên kết dây dẫn, một
phần qua kết nối không dây.
Do đó, nếu một kênh nào đó bị hỏng thì máy chủ sẽ mất thông tin giám sát
từ thiết bị đó. Thông thường máy chủ đươc đặt tại nơi có ít liên kết vô tuyến
đến các thiết bị giám sát nhất để khi một liên kết vô tuyến nào đó hỏng, các
thiết bị khác vẫn có thể có liên kết với máy chủ. Hình 1 minh họa mạng mà
máy chủ được đặt ở trung tâm để có thể thu thập được hết thông tin giám sát
và truyền nó đến các người dùng HMI trong vùng lân cận hoặc ở xa. Các
Hình 1: Cấu trúc một mạng giám
sát không dây
mạng phức tạp hơn sẽ đòi hỏi nhiều hơn một máy chủ OPC để có thể truyền
trực tiếp thông tin giám sát cho nhiều người dùng.
Khi máy chủ hoạt động, nó thường xuyên thăm dò dữ liệu chẩn đoán từ các
thiết bị không dây. Tần số của cuộc thăm dò thường được cấu hình và có thể
được đạt tốc độ 100ms hoặc chậm hơn là mỗi 60 giây. Thiết lập này phụ
thuộc vào mức độ quan trọng của việc cập nhật các thông tin này với các
ứng dụng và khả năng tắc nghẽn của mạng không dây. Thời gian cập nhật
càng ngắn thì càng tốn nhiều băng thông cho việc giám sát, và ít băng thông
cho các ứng dụng.
Máy chủ sẽ thường xuyên tổ chức dữ liệu giám sát theo tên thiết bị tương
ứng với nó và mỗi thông tin quan trọng này là duy nhất với người dùng
OPC. Phần lớn các phần mềm HMI và SCADA tương thích với OPC và
cung cấp một cách truy cập các ứng dụng có sẵn trong OPC. Khi một nhiệm
vụ được khởi tạo từ người dùng, nó sẽ được sử dụng dưới mọi hình thức ảo
mà kĩ sư điều khiển yêu cầu.
Trước khi phát triển dự án hãy cân nhắc đến kiến trúc truyền thông của hệ
thống. Đâu là các liên kết trọng yếu? Điều gì xảy ra nếu một liên kết bị
hỏng? Làm sao để khắc phục sự cố khi nó xảy ra?
Khi kiến trúc mạng đã được hiểu rõ, hãy xem xét đến yêu cầu của mỗi người
dùng. Một công nhân sản xuất chắc chắn không biết gì về RSSI, nhưng anh
ta có thể phản hồi tới kĩ sư nếu HMI thông báo liên kết vô tuyến đã bị đứt.
Nếu chỉ có người vận hành một mình thì HMI có thể chỉ dẫn người cần gặp
để liên lạc. Người vận hành chắc chắn biết rằng liên kết không dây đang
hoạt động. Do đó nếu sự cố xảy ra, chắc chắn lỗi không nằm ở khâu liên lạc.
Ngược lại, một giám đốc kỹ thuật có thể muốn xem tất cả dữ liệu liên quan
trên một màn hình theo dõi cả mạng. Thông tin càng chi tiết thì kỹ sư càng
hiểu rõ các thông số. Điều này rất quan trọng để kết hợp hiển thị HMI cho
một tập kĩ năng và kiến thức cho người dùng.
Phần lớn các gói phần mềm SCADA và HMI hỗ trợ chức năng cảnh báo và
chuyến hướng. Cảnh báo có thể thông báo tới người vận hành, phụ trách vận
hành hoặc kỹ sư về tình trạng hỏng hóc hoặc liên tốc độ bị suy giảm, nhờ
vậy các hành động kịp thời sẽ được thực hiện. Cảnh báo cũng có thể được
gửi từ xa (qua internet, mạng di động), đảm báo tính cập nhật của thông báo.
Chức năng chuyển hướng rất hữu dụng để xem xét lại quá trình hoạt động và
phân tích sự cố. Ví dụ số byte truyền đi có thể được lưu lại theo thời gian để
xem xét khi nào yêu cầu sử dụng trong mạng tăng.
Nó cũng cho phép các thiết bị tự động ( PLCs) truy cập dữ liệu vào trương
trình nội tại. Điều này mở ra khả năng không chỉ cảnh báo tới người vận
hành/quản lý khi có sự cố, mà cho phép chương trình PLC can thiệp vào đó.
Ví dụ, nếu một kết nối không dây bị hỏng thì PLC có thể khởi tạo kết nối
không dây dự phòng khác. Trong trường hợp này hệ thống có thể được khôi
phục một cách tự động. Như ta đã thấy, có nhiều cách để sử dụng giám sát
không dây trong hệ thống OPC. Cách sử dụng tốt nhất phụ thuộc vào dạng
quy trình, vào cách mạng không dây được sử dụng và nhu cầu của người
dùng.
Ứng dụng 1: Trạm bơm nước thải
Trạm bơm nước thải sử dụng mạng không dây SCADA để kết nối các trạm
bơm ở xa. Bộ xử lý nước thải PLC điều khiển từ xa hoạt động bật, tắt của
các trạm bơm, thông qua các liên kết không dây với khoảng cách có thể lên
tới nhiều dặm, do đó có trễ trong điều khiển các trạm bơm. Hệ thống điều
khiển tích hợp được thiết kế dựa trên giám sát không dây OPC hoạt động
theo phương thức như sau:
• Người vận hành thông báo lỗi liên kết
• Thông tin cảnh báo sẽ được gửi tới giám sát thiết bị
• Chuyển hướng RSSI để điều khiển sang tuyến hoạt động khác
Bộ giao diện vận hành hiển thị trạng thái liên kết RF giữa trạm bơm và thiết
bị xử lý nước. Nếu một trạm bơm không khởi động được thì bộ vận hành sẽ
nhanh chóng thông báo nếu liên kết bị đứt. Nếu không, trong trường hợp các
vấn đề khác xảy ra, người vận hành có thể liên hệ với nguời phù hợp để giải
quyết vấn đề.
Ứng dụng 2: Hệ thống ống dẫn dầu
Một hệ thống dẫn dầu sử dụng mạng không dây SCADA cho hệ thống đo
lưu lượng dầu, phát hiện rò rỉ và điều khiển van. Do hệ thống dẫn rất dài nên
nó phải sử dụng các bộ lặp Ethernet không dây để mở rộng tầm hoạt động.
Mạng SCADA cung cấp quy trình điều khiển tự động nhờ hệ thống PLC.
Người vận hành có thể điều khiển cảnh báo và các van bằng tay, trong khi
hệ thống thu thập dữ liệu về lưu lượng dầu.
Vì hệ thống SCADA là rất quan trọng trong hệ thống dẫn dầu, hệ thống sẽ
dùng nhiều bộ lặp để có bộ dự trữ và kiến trúc mạng hình lưới. Như vậy, nếu
một bộ lặp nào đó bị hỏng thì liên lạc trong mạng vẫn được duy trì.
Hệ thống HMI sử dụng các thẻ OPC để hiển thị và điều khiển các điều kiện
RF giữa các bộ lặp. Hệ thống sẽ nhanh chóng phát hiện nếu một bộ lặp nào
đó bị hỏng hoặc có nguy cơ bị hỏng. Trong trường hợp đứt kết nối, hệ thống
RF sẽ tự động sửa chữa, và người vận hành được thông báo khu vực đó đã bị
hỏng, do đó nó sẽ được sửa chữa.
Hệ thống điều khiển có thể được cảnh báo là các bộ lặp RF tạm thời không
hoạt động để có thể kết thúc chu trình an toàn trong trường hợp không có
liên lạc.