Kiến trúc gateway thu thập dữ liệu theo năm tầng

Vì sao dữ liệu xưởng khó thu về

Một xưởng thường tồn tại cùng lúc nhiều thế hệ thiết bị: máy mới có cổng Ethernet và giao thức mở, máy cũ chỉ còn cổng nối tiếp, máy cũ hơn nữa chỉ có tín hiệu tiếp điểm cứng. Định dạng dữ liệu, chu kỳ cập nhật và quy tắc đặt tên điểm đều khác nhau, nên đặt phần mềm báo cáo trực tiếp lên trên chỉ thu được một đống con số không cùng chuẩn.

• Máy mới: cổng Ethernet với OPC UA hoặc giao thức riêng của nhà sản xuất; dữ liệu đầy đủ nhưng quyền mở phải xác nhận từng máy
• Máy cũ: bus nối tiếp Modbus hoặc RS485; thu được được nhưng phải đối chiếu địa chỉ thanh ghi từng điểm một
• Máy cũ hơn: chỉ còn tín hiệu cứng của rơ-le và bộ truyền biến, phải thêm mô-đun thu thập mới có dữ liệu
• Thiết bị đo hiện trường: công tơ điện, đồng hồ nước, lưu lượng kế mỗi loại một quy ước truyền thông riêng, là phần hay bị bỏ sót trong phương án

Nhiệm vụ của gateway thu thập dữ liệu là gom các nguồn này vào một đường ống và chuẩn hóa thành dữ liệu hệ thống cấp trên dùng được ngay.

Năm tầng mỗi tầng phụ trách gì

Trong thực tế kỹ thuật, người ta xem xét gateway theo từng tầng, vì mỗi tầng có đặc điểm sự cố và tiêu chí nghiệm thu riêng.

Tách thành năm tầng, ba lời than phổ biến "thu không về dữ liệu", "số liệu không khớp", "mất dữ liệu lúc đứt mạng" sẽ được định vị về từng tầng cụ thể thay vì phải làm lại toàn bộ một cách mù mờ.

Tầng thích ứng giao thức: nhiều khung tin về một mô hình điểm

Thích ứng giao thức là tầng có khối lượng công việc lớn trong gateway thu thập. Cách làm khả thi không phải viết lại chương trình mỗi khi có thêm giao thức, mà tách "thu thập" khỏi "sử dụng": tầng thích ứng chuyển mọi khung tin về một mô hình điểm nội bộ, tầng trên chỉ làm việc với điểm, không còn phải đụng tới giao thức.

• Modbus RTU/TCP: đăng ký từng điểm theo bảng thanh ghi, ghi rõ kiểu dữ liệu, thứ tự byte và hệ số tỷ lệ
• OPC UA: công bố năm 2008, sau đó được chuẩn hóa thành IEC 62541; khi thiết bị mở không gian địa chỉ, có thể duyệt và đăng ký nút trực tiếp
• Siemens S7 và Mitsubishi MC: đăng ký theo trạm PLC và địa chỉ vùng dữ liệu, chú ý nhịp thăm dò khi nhiều máy dùng chung một đường
• Giao thức riêng của nhà sản xuất: phân tích từng khung theo mẫu tin thực tế, đưa quy tắc phân tích vào cấu hình thay vì viết cứng trong mã

Khi quy tắc thích ứng nằm trong cấu hình, thêm một máy cùng loại chỉ là sao chép cấu hình và đổi địa chỉ; nếu quy tắc rải khắp mã nguồn thì mỗi lần mở rộng điểm lại thành một đề án phát triển.

Khi mất mạng, dữ liệu đi đâu

Đường truyền từ xưởng đến phòng máy không thể không gián đoạn quanh năm: switch khởi động lại, thi công cáp quang, sóng vô tuyến chập chờn đều tạo ra những lần đứt ngắn. Thiết kế tầng đệm quyết định dữ liệu trong các khoảng này bị mất hay được bù lại.

• Dữ liệu ghi gần đây vào hàng đợi bộ nhớ trước, để bắt đầu gửi lại ngay khoảnh khắc hồi phục mà không phải chờ ghi đĩa
• Phần vượt bộ nhớ được đưa xuống hàng đợi đĩa với chỉ mục thời gian, gửi lại đúng thứ tự khi hồi phục
• Bộ đệm đặt giới hạn dung lượng và quy tắc loại dữ liệu cũ trước để đứt mạng dài ngày không làm đầy đĩa
• Sau khi gửi lại xong, ghi dấu mốc ngắt để sau này phân biệt được "dữ liệu gửi lại" với "ghi trực tuyến"

Giá trị của gửi lại khi đứt mạng không nằm ở "đã lưu bao nhiêu bản ghi", mà ở việc sau khi hồi phục dữ liệu quay về kho lịch sử đúng thứ tự thời gian, nối với dữ liệu trực tuyến thành một đường cong liên tục.

Tầng chuyển tiếp: gửi gì lên trên, nhận gì từ dưới

Tầng chuyển tiếp đối diện với MES, nền tảng năng lượng, dịch vụ đám mây, và cần định trước ba việc: gửi cái gì, gửi với nhịp nào, và khi đứt kết nối thì xử lý ra sao.

Lệnh sản xuất đi xuống thiết bị cũng đi qua cùng một kênh: lệnh phải có giới hạn quyền và phạm vi, kết quả thực thi phải được trả về và ghi vết, tránh kênh một chiều chỉ gửi mà không nhận.

Nghiệm thu kiểm tra đến từng điểm ra sao

Nghiệm thu hệ thống thu thập không thể chỉ nhìn "màn hình có số", mà phải quay lại với chính dữ liệu.

• Đối chiếu toàn bộ điểm: đọc từng điểm theo bảng điểm, chỉ đạt khi khớp với màn hình thiết bị đo hiện trường
• Diễn tập mất mạng: chủ động cắt đường truyền một khoảng rồi khôi phục, kiểm tra tính đầy đủ và thứ tự của dữ liệu gửi bù
• Chạy liên tục dài ngày: vận hành liên tục nhiều ngày, rà soát hiện tượng thất bại âm thầm và rò rỉ bộ nhớ
• Lưu trữ và xuất dữ liệu: dữ liệu lịch sử được giữ theo thời hạn cam kết, xuất ra định dạng phía trên phân tích trực tiếp được

Hoàn thành bốn mục này, tầng thu thập mới gọi là bàn giao xong; chỉ ký vào một màn hình demo không ngừng chạy thì vấn đề thường dồn lại bùng phát sau khoảng ba tháng.

Thông tin cần chuẩn bị trước khi khởi động dự án

Sắp sẵn các mục sau trước khi bắt đầu sẽ làm phương án lẫn báo giá đều chính xác hơn: model bộ điều khiển và điều kiện truyền thông của các thiết bị hiện có, danh sách thiết bị đo cần nối kèm quy ước từng loại, yêu cầu về phạm vi và tần suất dữ liệu của hệ thống phía trên, điều kiện mạng xưởng và lối ra khả dụng, và thời gian cho phép lưu dữ liệu tại chỗ khi mất mạng. Văn bản hóa xong những điều này rồi mới bàn kiến trúc với đơn vị triển khai, cuộc bàn sẽ là về các điều khoản nghiệm thu chứ không phải về khái niệm.

Shanghai Chengxuan Intelligent hoạt động trong lĩnh vực phần mềm công nghiệp và kết nối thiết bị từ năm 2009, có năng lực sản phẩm về phần mềm gateway thu thập dữ liệu, thư viện thích ứng giao thức và nền tảng giám sát, cùng đội ngũ trao đổi bằng tiếng Anh phục vụ trao đổi phương án. Chúng tôi có thể cùng quý công ty xác nhận từng điều khoản ranh giới của kiến trúc năm tầng theo điều kiện thiết bị và yêu cầu hệ thống phía trên.