1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ

153 1K 1

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 153
Dung lượng 3,06 MB

Nội dung

2.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý làm việc, các tính năng cơ bản của PAC - Nghiên cứu, làm chủ và sử dụng được phần mềm LabVIEW - Thiết kế chế tạo 01 hệ thống điều

Trang 1

Bộ công thương

viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa

Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ năm 2007

nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá

có khả năng lập trình pac cho các hệ thống

điều khiển công nghiệp

Chủ nhiệm đề tài: Ts nguyễn thế truyện

6935

04/8/2008

hà nội - 2007

Trang 2

Bộ Công THƯƠng

Viện Nc Điện tử, Tin học, Tự động hoá — – ˜ & ™ — –

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH & PTCN

CẤP BỘ NĂM 2007

Tờn đề tài:

NGHIấN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HOÁ Cể KHẢ NĂNG LẬP TRèNH PAC CHO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CễNG NGHIỆP

(Mó số: 137.07RD/2007)

Cơ quan chủ trỡ: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoỏ

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thế Truyện

Cơ quan phối hợp:

Hà Nội - 2007

Trang 3

DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

chuyên môn Cơ quan công tác

3 Lai Thị Vân Quyên KS, ĐL-THCN Viện NC ĐT, TH, TĐH

Trang 4

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH 4

MỞ ĐẦU 6

1 GIỚI THIỆU CHUNG 6

2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6

2.1 Mục tiêu của đề tài 6

2.2 Nội dung nghiên cứu 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PAC 7

1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ 7

1.1 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PLC 7

1.2 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PC 8

1.3 Tự động hoá trên cơ sở PAC 9

2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ PAC 9

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 9

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

3 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PAC 11

3.1 PACs là gì? 11

3.1.1 Năm đặc điểm chính của PAC 12

3.1.2 So sánh PLC với PAC 12

3.1.3 Một số loại PAC của các hãng 13

3.2 Cấu trúc của PAC 16

3.2.1 Cấu trúc của PLC 16

3.2.2 Cấu trúc của PC 16

3.2.3 Cấu trúc của PAC 17

3.3 Các thành phần của PACs 19

3.3.1 NI LabVIEW 19

3.3.2 PXI (PCI eXtension for Instrumentation) 21

3.3.3 COMPACT FIELDPOINT 26

3.3.4 COMPACT RIO 30

3.3.5 COMPACT VISION SYSTEM 36

3.3.6 PC CÔNG NGHIỆP 39

CHƯƠNG II PHẦN MỀM LABVIEW VÀ ỨNG DỤNG 41

1 So sánh LabVIEW với một số ngôn ngữ lập trình thông dụng khác 42

2 Môi trường làm việc LabVIEW 42

2.1 Thiết bị ảo (VI) 42

2.2 Các bảng chức năng và các toolbar 43

3 Thu thập dữ liệu với LabVIEW 45

4 Phân tích dữ liệu với LabVIEW 46

5 Biểu diễn dữ liệu trên LabVIEW 47

Trang 5

6 Một số Module phần mềm hỗ trợ LabVIEW 49

6.1 LabVIEW Datalogging and Supervisory Control 49

6.2 LabVIEW RealTime Module 54

6.3 LabVIEW FPGA 58

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ PAC 60

1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 60

1.1 Mục tiêu chung thiết kế hệ thống 60

1.2 Quan điểm thiết kế hệ thống và chức năng 61

1.3 Mô hình hệ thống đầy đủ 63

1.3.1 Cấu trúc trạm điều khiển trung tâm 65

1.3.2 Cấu trúc trạm điều khiển khu vực 66

1.3.3 Cấu trúc thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường 66

1.3.4 Hệ thống ghép nối truyền thông 66

1.4 Mô hình hệ thống điều khiển của đề tài 67

2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 68

2.1 Trạm chủ PAC-cFP.MS.01 68

2.2 Thiết kế phần cứng trạm (thiết bị) đầu cuối đo thông số môi trường 76

2.3 Thiết kế phần cứng bộ hiển thị (Displayer) thông số môi trường 82

3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 84

3.1 Thiết kế giao thức truyền thông 84

3.2 Thiết kế phần mềm trên trạm thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường 88

3.3 Thiết kế phần mềm cho bộ hiển thị 90

3.4 Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển khu vực và host PC 91

3.5 Giao diện phần mềm thu thập thông số môi trường dựa trên LabVIEW 92

CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM 95

1 MỤC TIÊU THỬ NGHIỆM 95

2 THỬ NGHIỆM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 95

2.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm 95

2.2 Nội dung thử nghiệm 95

2.3 Tiến hành thử nghiệm 95

2.3.1 Kết nối hệ thống thủ nghiệm trong phòng thí nghiệm 95

2.3.2 Kết quả thử nghiệm mô phỏng tại phòng thí nghiệm 96

2.3.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 97

3 THỬ NGHIỆM THỰC TẾ 97

3.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm 97

3.2 Nội dung thử nghiệm 97

3.3 Tiến hành thử nghiệm 98

3.3.1 Kết nối hệ thống thử nghiệm 98

3.3.2 Kết quả thử nghiệm tại thực tế 98

3.3.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm 99

KẾT LUẬN 100

1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 100

Trang 6

2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHẦN PHỤ LỤC 102

Trang 7

Danh sách các hình

Hình 1 So sánh miền sử dụng của hai hệ thống tự động hoá 8

Hình 3 Một bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controller) 13

Hình 8 Sơ đồ bus trigger và bus PCI trên thân khung PXI 23

Hình 17 Mô tả truyền thông giữa bộ điều khiển CompactRIO với HMI 33

Hình 34 Sơ đồ hệ thống giám sát các thông số môi trường trong khai thác than lộ

Hình 45 Đồ thị đặc tính đầu ra điện áp phụ thuộc độ ẩm của HM 1500 80

Trang 8

Hình 46 Sơ đồ chân của Atmega16 80

Hình 48 Lưu đồ hoạt động thực thi dịch vụ giữa Master và Slave i 87

Hình 55 Mô hình hệ thống thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 96

Trang 9

MỞ ĐẦU

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Hiện nay, khoa học công nghệ đang ngày càng phát triển như vũ bão, nhiều dòng sản phẩm điều khiển mới đã lần lượt ra đời nhằm đáp ứng được những nhu cầu ngày càng khắt khe hơn của những ứng dụng công nghiệp Ngay từ những năm 1960, bộ điều khiển khả trình PLC đã ra đời đánh dấu một bước phát triển lớn trong việc đo lường, điều khiển Những hệ thống điều khiển bằng các rơle hành trình cũ kĩ, cồng kềnh trước đó đã được thay thế bằng những bộ PLC nhỏ gọn, và đáng tin cậy hơn Nhưng những tính năng của bộ PLC chưa thoả mãn được các yêu cầu ứng dụng thực tế nên đòi hỏi phải có những bộ điều khiển tiên tiến hơn ra đời Bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controllers) được ra đời để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao đó PAC có thể coi là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và máy tính PC nên PAC gần như thoả mãn được hững yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghiệp

Để theo kịp xu thế phát triển đó, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đã đầu tư nghiên cứu về bộ điều khiển PAC từ khá sớm Đặc biệt từ tháng

01/2007, VIELINA đã được giao chủ trì thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bộ

điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình ( PAC: Programmable Automation Controller) cho các hệ thống điều khiển công nghiệp” Sau đây chúng tôi xin trình

bày chi tiết các kết quả đã đạt được trong quá trình thực hiện đề tài

2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu của đề tài

Đây là đề tài có tính chất tiếp cận để làm chủ công nghệ mới và tiến tới ứng dụng nên chúng tôi đề ra mục tiêu chính của đề tài như sau

- Nghiên cứu, nắm bắt và làm chủ được bộ điều khiển PAC

- Làm chủ và khai thác được phần mềm LabVIEW cho các ứng dụng công nghiệp

- Thiết kế, chế tạo thử nghiệm 01 hệ thống điều khiển trên cơ sở PAC

- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực tế để kiểm nghiệm thiết bị đã thiết

kế, chế tạo

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý làm việc, các tính năng cơ bản của PAC

- Nghiên cứu, làm chủ và sử dụng được phần mềm LabVIEW

- Thiết kế chế tạo 01 hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở PAC

- Thử nghiệm và hoàn thiện thiết kế hệ thống

- Thử nghiệm thực tế hệ thống trên cơ sở PAC trong ngành khai thác than

Trang 10

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PAC

1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ

Các hệ thống điều khiển tự động ra đời nhằm thực hiện quá trình sản xuất một cách tự động, theo quy trình xác định, không phụ thuộc vào đặc tính chủ quan của người công nhân Các dây chuyền sản xuất tự động nâng cao được năng suất, chất lượng, tiết kiệm nguyên vật liệu, hạ giá thành sản phẩm…Nói chung, tự động hoá đã nâng cao được chất lượng cuộc sống của người lao động và của toàn xã hội

Tự động hoá đã được hình thành và phát triển từ rất lâu và dựa trên nhiều nguyên tắc khác nhau, song ở phần này chỉ đề cập tới quá trình phát triển của các hệ thống tự động hoá hiện đại dựa trên các công nghệ tiên tiến, cụ thể từ các hệ thống PLC cho đến các hệ thống thế hệ sau

1.1 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PLC

PLC, ra đời vào những năm 1960, đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển và tự động hoá công nghiệp Ban đầu PLC được đưa ra nhằm thay thế các mạch rơle tuần tự

sử dụng trong điều khiển máy móc, trong đó các đầu ra của nó được điều khiển đóng cắt theo chương trình phần mềm Hiện nay, hầu hết PLC đều được lập trình bằng ngôn ngữ logic hình thang, ngôn ngữ này đã tạo ra tiêu chuẩn IEC-31161-3 Hiện nay, chúng ta có thể thấy PLC trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp và chúng được ứng dụng khắp nơi

Các hệ thống PLC thế hệ đầu, dựa trên các CPU trượt bit (slice-bit), chỉ có khả năng vào/ra số, đến các PLC thế hệ sau đã ứng dụng công nghệ vi xử lý mới, hiện đại hơn nên phạm vi sử dụng của nó cũng đa dạng hơn Mặt khác các PLC thế hệ sau còn tích hợp được nhiều tính năng hiện đại như: vào/ra tương tự, truyền thông mạng, sử dụng các ngôn ngữ lập trình ở mức cao hơn

Nghiên cứu về các ứng dụng của PLC các chuyên gia của ARC, VDC và PLCS.net đã đưa ra một số nhận xét như sau [5]:

v 80% các hệ thống PLC được dùng trong các ứng dụng nhỏ (có từ 1 đến 128 I/O)

v 78% các đầu vào ra của PLC là digital I/O

v 80% các ứng dụng PLC được giải quyết chỉ với khoảng 20 lệnh logic hình thang

Đó là lý do tại sao đến bây giờ vẫn còn một số PLC sử dụng CPU AMD 2901 và một

số công ty như Keyence chỉ cho phép lập trình bằng ngôn ngữ hình thang

Trang 11

1.2 Hệ thống tự động hoá trên cơ sở PC

Trong khoảng 20% ứng dụng của PLC cho thấy thuộc tính xử lý tuần tự của nó gây ra hạn chế trong một số bài toán thực tế, cần phải thay đổi để đảm bảo khả năng

xử lý linh hoạt hơn, đó chính là lý do để tự động hoá trên cơ sở PC (PC-based Automation) ra đời

Từ những năm 1980 và 1990, các chuyên gia tự động hoá đã dùng PC trong điều khiển công nghiệp và đã thu được những kết quả hết sức khả quan so với dùng PLC

Ưu điểm nổi trội của PC-based Automation là: Khả năng điều khiển mèm dẻo hơn (không phải chỉ điều khiển tuần tự) và có thể lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao Linh hoạt, đa dạng hơn trong việc phát triển phần cứng và phần mềm

Tuy nhiên, sử dụng PC trong điều khiển công nghiệp có một số hạn chế về tính chắc chắn, ổn định và ngôn ngữ lập trình không giống nhau

So sánh về PLC-based Automation và PC-based Automation [3]:

Hình 1 So sánh miền sử dụng của hai hệ thống tự động hoá

Nhìn vào hình vẽ ta thấy PLC-based Automation được dùng cho các ứng dụng đòi hỏi cao về độ chắc chắn, ổn định còn PC-based Automation lại được dùng ở những nơi đòi hỏi khả năng xử lý linh hoạt, đa dạng bằng phần mềm Khả năng phần mềm ở đây có thể hiểu về sự đa dạng trong ngôn ngữ lập trình, khả năng xử lý song song (kiểu windows), … Giữa hai phần ứng dụng của các hệ thống ta thấy có một khoảng trống, đây chính là phần dung hoà giữa các ưu điểm của cả PLC-based và PC-based Automation Nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu và thiết kế là phải chế tạo được thiết bị

Kho¶ngtrèng

Kho¶ngtrèng

Trang 12

có tính năng nằm ở vùng khoảng trống đó và họ đã đưa ra một loại thiết bị tự động hoá thế hệ mới đó là PAC: Programmable Automation Controller

1.3 Tự động hoá trên cơ sở PAC

Trên cơ sở nghiên cứu để tạo ra sản phẩm có được ưu điểm của cả hai hệ thống tự động hoá PLC-based và PC-based, các công ty như Rockwell, Siemens, GE Fanuc, ARC và NI đã đưa ra được một thiết bị như mong muốn Thiết bị này đã được các nhà phân tích của hãng ARC đặt tên cho là PACs: Programmable Automation Controllers, vào năm 2002 [1] Đây là một bộ điều khiển mới, được thiết kế cho các ứng dụng đặc biệt, kết hợp được những tính năng tốt của PLC với các tính năng tốt của PC Sau đây chúng ta sẽ xét cụ thể về PAC

2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ PAC

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Sản phẩm được coi như PAC hiện nay được tập đoàn Control Technology Corporation giới thiệu lần đầu tiên từ khá sớm, nhưng phải đến năm 2001 thuật ngữ PAC mới chính thức được ARC (ARC Advisory Group) đưa ra PAC là một thuật ngữ

đủ để giúp cho các nhà cung cấp thiết bị điều khiển hàng đầu thế giới lột tả được đầy

đủ những tính năng các sản phẩm của họ Sản phẩm chính thức mang tên PAC cũng bắt đầu được giới thiệu từ đây Bộ điều khiển tự động mới PACs (Programmable Automation Controllers) là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và của máy tính PC cài đặt phần mềm linh hoạt có tính mở

Năm 2004 hãng National Instruments (NI) đưa ra một loạt các sản phẩm ứng dụng PAC cho nhiều lĩnh vực khác nhau: Dầu khí, thuỷ văn, công nghiệp chế biến, … các hệ SCADA và DCS trên cơ sở PAC cũng bắt đầu được phát triển Trong năm này Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá đã cử 01 đoàn cán bộ khoa học (trong đó có chủ nhiệm đề tài) sang thăm và làm việc với hãng NI và một số công ty chuyên về thiết bị đo lường, tự động hoá khác để tìm hiểu, tiếp thu các tiến bộ kỹ thuật chuyên ngành và lần đầu được xem, nghe giới thiệu demo hoạt động của PAC

Đến nay, các hãng cung cấp thiết bị điều khiển danh tiếng như Control Technology General Electric, National Instruments, Ge Fanuc, Opto 22, Allen Bradley

và ICP DAS đã đưa ra được nhiều hệ thống điều khiển dùng PAC ứng dụng trong thực tiễn Các máy công cụ CNC hiện cũng đang dùng hệ điều khiển PAC, các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện cũng đang dùng hệ điều khiển PAC, …

Hiện nay, các hệ thống dùng PAC còn tồn tại một yếu điểm là giá khá đắt so với PLC nên phần nào hạn chế khả năng ứng dụng của sản phẩm, tuy nhiên tới đây khi công nghệ chế tạo phát triển thì giá thành sẽ hạ và nó cũng sẽ trở thành phổ biến như

Trang 13

các thiết bị điều khiển bằng PLC hiện nay Do đó, triển vọng ứng dụng của PAC là rất lớn vì thế chúng ta cần phải nghiên cứu làm chủ công nghệ trước khi nó trở thành phổ biến

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nước ta đã chính thức gia nhập WTO, nền kinh tế trong nước đang ngày một chuyển mình để có thể bắt nhịp hội nhập với xu thế phát triển như vũ bão của kinh tế thế giới Nhiều nhà máy, xí nghiệp được xây dựng, các thiết bị điều khiển tự động mới nhất hiện nay đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy ở nước ta vẫn là các bộ điều khiển PLC kết hợp với máy tính PC Tuy nhiên sản phẩm dùng PAC đã thấy xuất hiện

ở một số máy CNC thế hệ mới vừa nhập về của các đơn vị gia công cơ khí

Năm 2005, tại Hội nghị Tự động hoá toàn quốc lần thứ 6 – VICA6 có 02 bài báo đầu tiên có tính chất giới thiệu tiếp cận về PAC [1, 2] Sau đó đã bắt đầu có thêm các bài báo cũng như các nghiên cứu tiếp theo về PAC Ngoài Viện NC Điện tử, Tin học,

Tự động hoá tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu về PAC, chúng tôi còn thấy Trung tâm MICA (trung tâm nghiên cứu liên kết giữa trường ĐHBK HN với Pháp) hiện đang thực hiện đề tài nghiên cứu sơ bộ về PAC là: ”Hệ thống đo, giám sát và điều khiển phân tán ứng dụng mạng FieldPoint” Tuy nhiên, đề tài này mới chỉ là nghiên cứu rất

cơ bản và hạn chế: Đối tượng điều khiển là bình đun nước nóng, thông số điều khiển là nhiệt độ, mức nước trong bình Học viện Kỹ thuật Quân sự cũng đã có những nghiên cứu ứng dụng PAC (dùng CompactRIO để chế tạo hệ thống đo lường điều khiển) Hiện tại hãng National Instruments vẫn thường tổ chức các buổi hội thảo giới thiệu về LabVIEW và thiết bị PAC tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Viện NC Điện Tử, Tin học, Tự động hoá là cơ quan đã sớm phối hợp với các cơ sở khác triển khai những nghiên cứu, xây dựng thử nghiệm 01 hệ thống điều khiển trong công nghiệp ứng dụng PAC

Có thể nói trong nước hiện chúng ta mới chỉ có những nghiên cứu ban đầu về PAC còn sản phẩm cụ thể thì chưa có nơi nào chế tạo được và đưa vào ứng dụng, trừ một số máy CNC mua của nước ngoài là có sử dụng PAC đi đồng bộ theo máy Vì thế việc nghiên cứu, tiếp cận để làm chủ được công nghệ PAC là cần thiết và phải thực hiện ngay

Trang 14

3 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PAC

Hình 2 Các bộ điều khiển PAC

3.1 PACs là gì?

Ngay từ năm 1960, bộ điều khiển khả trình PLC đầu tiên đã ra đời đánh dấu một bước phát triển lớn trong đo lường, điều khiển Những hệ thống điều khiển rơ le hành trình cũ kĩ, cồng kềnh trước đó dần được thay thế bằng các bộ điều PLC nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn Việc điều khiển bây giờ trở nên mềm hơn bằng cách lập trình phần mềm cho PLC chứ không phải là điều khiển cứng như dùng rơ le hành trình Khi mới

ra đời, các PLC chỉ có khả năng vào ra số Ngày nay, các PLC đều được chế tạo dựa trên các vi xử lí hiện đại nhất nên bên cạnh khả năng vào ra số PLC còn có các ưu điểm như vào ra tương tự, truyền thông mạng, các ngôn ngữ cấp cao, dễ hiểu, thuận

tiện cho người thiết kế

Từ những năm 80, máy tính PC được đưa vào điều khiển trong công nghiệp nhằm đạt được tính linh hoạt trong điều khiển Tuy nhiên việc sử dụng máy tính PC phải đối mặt với các yếu điểm vốn có của hệ thống như là tính ổn định, độ tin cậy và các công

cụ lập trình xa lạ Một vấn đề đặt ra bây giờ với làm thế nào để có thể kết hợp được các ưu điểm của PLC và PC trong cùng 1 bộ điều khiển

Không loại bỏ các giải pháp với PLC và PC trong công nghiệp, các kỹ sư cùng với những ứng dụng phức tạp của mình ngày càng tiếp cận gần hơn với các nhà sản xuất nhằm phát triển một dòng sản phẩm mới Theo yêu cầu thực tế, dòng sản phẩm mới này phải kết hợp được các ưu điểm phần mềm của máy tính PC với độ tin cậy của PLC Phần mềm không chỉ là phần mềm tiên tiến mà còn có khả năng phát triển được trên phần cứng của các bộ điều khiển Ngày nay, các nhà sản xuất bộ điều khiển đã kết nối các phiên bản chíp vi xử lí công nghiệp, các bộ nhớ DRAM, các thiết bị lưu trữ trạng thái cứng như CompactFlash và các chipset Ethernet tốc độ cao vào các bộ điều khiển trong công nghiệp Điều này cho phép các nhà sản xuất có thể phát triển các phần mềm mạnh hơn nữa trên các hệ thống máy tính điều khiển linh hoạt và tiện lợi nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống vận hành thực Và kết quả là thế hệ các bộ điều

khiển tự động mới PACs đã ra đời PACs là viết tắt của Programmable Automation

Trang 15

Controllers PAC là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và của máy tính PC

cài phần mềm linh hoạt có tính mở

3.1.1 Năm đặc điểm chính của PAC

· Đa chức năng: có thể thu thập xử lí không chỉ các tín hiệu tương tự mà cả các tín hiệu số Các cảm biến như cặp nhiệt hay PT 100 có thể kết nối trực tiếp vào modul PAC Một điểm đặc biệt là trong các ngành công nghiệp cần thu thập hình ảnh từ các camera thì PAC là một lựa chọn rất hữu hiệu

· Nền single platform đa phương thức phát triển gắn kết các tag chung với các database đơn nhằm cho phép truy cập tới tất cả các thông số và các hàm chức năng vì PAC được thiết kế cho các ứng dụng tiên tiến như các ứng dụng đa chức năng đòi hỏi phần mềm bậc cao

· Công cụ phần mềm cho phép người thiết kế có thể chuyển đổi các khái niệm, các ý tưỏng thành các mã điều khiển một cách dễ dàng

· Cấu trúc modul mở Vì tất cả các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phải theo nhu cầu thực tế nên phần cứng phải được cung cấp ở dạng các modul nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các kĩ sư có thể lựa chọn những thành phần thích hợp Phần mềm phải cho phép thêm hay bớt đi các modul

· Sử sụng chuẩn giao thức phổ biến cho các giao diện mạng, các ngôn ngữ, như là TCP/IP, OPC & XML, và SQL

3.1.2 So sánh PLC với PAC

Các bộ điều khiển PAC ra đời là kết quả của sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và PC Bởi thế PAC và PLC có những điểm khác nhau và giống nhau

· Điểm giống nhau

Nhìn chung, cả PACs và PLCs đều phục vụ cho cùng một mục đích sử dụng Cả hai chủ yếu dùng để thực hiện các chức năng tự động hoá, điều khiển qúa trình và thu thập dữ liệu như là điều khiển số và tương tự, PID, điều khiển chuyển động, và điều khiển các thiết bị thu thập, xử lý hình ảnh

Xét về phần cứng thì cả PLC và PAC đều có: nguồn cung cấp, CPU, các rack I/O hay các modul vào ra

· Điểm khác nhau

Cả PACs và PLCs cũng đều được lập trình khác nhau PLCs thường được lập trình dưới dạng ladder logic Đây là một ngôn ngữ lập trình dạng biểu tượng giống như các thanh ray Các thanh nối của Ladder được thiết kế để mô tả các sơ đồ nối rơle điện

cũ Ngôn ngữ lập trình cho PACs được xây dựng với các công cụ cho phép chương

Trang 16

trình được thiết kế có thể chia sẻ với các loại máy khác nhau, các chíp xử lí, các giao diện HMI hay các thành phần khác trong cấu trúc hệ thống điều khiển

Quá trình xử lí của PAC và quét các đầu vào ra I/O cũng rất khác nhau Các bộ PLCs thường xuyên quét tất cả các cổng vào ra I/O trong hệ thống điều khiển với tốc

độ cao Còn các bộ PACs thì sử dụng một cơ sở dữ liệu tên các tag dạng đơn và hệ thống các địa chỉ logic để nhận biết và ánh xạ đến các điểm vào ra khi cần thiết

3.1.3 Một số loại PAC của các hãng

3.1.3.4 PAC của hãng Opto22

Dòng sản phẩm SNAP PAC của Opto22 là loại sản phẩm được tích hợp cả phần mềm và phần cứng Các sản phẩm này được sử dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, giám sát từ xa và thu thập dữ liệu Một số sản phẩm PAC của hãng:

Phần mềm dự án PAC được chia ra làm hai PAC Project Basic (đi kèm với bộ

điều khiển SNAP PAC khi bán) và PAC Project Professional (adds network segmenting or Ethernet link redundancy and provides a migration path for Opto 22 FactoryFloorT customers) Các phần mềm này được chia ra làm các loại như

Hình 3 Một bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controller)

Trang 17

Các bộ điều khiển PAC được chia ra làm hai loại R (rack-mounted) và loại S

(standalone) Loại S được dùng cho các ứng dụng lớn có nhiều giao thức, nhiều mạng Loại R được dùng cho các ứng dụng điều khiển tự động mạng tính cục bộ hay các ứng dụng thu thập dữ liệu

Các bộ I/O: dạng số, tương tự, nối tiếp và mục đích riêng

3.1.3.5 PAC của hãng National Instrument (NI)

Dòng sản phẩm PAC của hãng NI cũng bao gồm cả phần cứng và phần

mềm.Các sản phẩm này được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp, giám sát từ xa và thu thập dữ liệu Một số PAC của hãng:

LabVIEW là phần mềm rất linh hoạt, giúp cho các kỹ sư, các nhà khoa học có thể dễ dàng tạo ra các ứng dụng đo lường, điều khiển một cách nhanh chóng mà không phải mất nhiều thời gian

PXI được xây dựng trên cơ sở các đặc tính của CompactPCI bao gồm bus PCI tốc độ cao giúp cho việc thực thi các công việc trong hệ thống đo

lường điều khiển tăng nhanh hơn gấp 10 lần so với các thiết bị cũ

Bộ điều khiển loại R

Modul SNAP 32 kênh đầu vào số, 10- 32VDC

Bộ điều khiển loại S

Modul SNAP 2 kênh đầu vào dòng tương

tự -20mA và +20mA

Trang 18

Compact Fieldpoint là sản phẩm tích hợp được cả tính linh hoạt của PC

và độ tin cậy của PLC và có cấu trúc thích hợp sử dụng trong môi trường công nghiệp

CompactRIO có lõi là chíp FPGA và có cấu trúc nhỏ, gọn, mở thích hợp cho các ứng dụng có môi trường làm việc khắc nghiệt

Compact vision system thích hợp với những ứng dụng cần thu thập, giám sát bằng hình ảnh

3.1.3.6 PAC của hãng GE Fanuc

GE Fanuc có các hệ thống PAC, có tính năng mạnh mẽ của cả PLC, DCS mà lại còn là hệ thống PC based tuyệt vời PAC của GE Fanuc cho phép nhà sản xuất thứ

ba nối ghép sản phẩm nhúng của mình vào bus hệ thống vì dùng chuẩn chung VME và

Ex PCI Chúng ta lại được nhìn thấy tính mở thật sự của 1 hệ thống điều khiển không thua kém gì với chiếc PC chúng ta đang dùng PAC của hãng GE Fanuc được chia ra

làm hai loại hệ là PAC systems RX3i và PAC systems RX7i Tuỳ vào ứng dụng lớn

hay nhỏ, phức tạp hay không mà người thiết kế có thể lựa chọn dùng loại PAC nào của

hãng PAC systems RX3i là dòng PAC mới nhất của hãng GE Fanuc

PAC systems RX3i PAC systems RX7i

Lựa chọn sản phẩm PACs để nghiên cứu

Sau khi nghiên cứu các sản phẩm PAC của các hãng, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu sản phẩm PAC của hãng National Istruments Vì các lí do sau:

- Hãng National Instrument là một trong những hãng sản xuất thiết bị đo lường, điều khiển hàng đầu trên thế giới

Trang 19

- Các sản phẩm của NI nói chung và PAC nói riêng đã được sử dụng và kiểm nghiệm trong nhiều hệ thống trên thế giới và được đánh giá cao về độ tin cậy, tính ổn định…

- Hãng NI thường tổ chức các buổi semina về sản phẩm PACs của mình ở Việt Nam nên tạo điều kiện thuận lợi cho các kỹ sư việt có nhiều cơ hội để tiếp cận với sản phẩm của hãng

3.2 Cấu trúc của PAC

PAC là sự kết hợp những tính năng tốt nhất của PLC và của máy tính PC cài phần mềm linh hoạt có tính mở Do đó trước khi tìm hiểu về cấu trúc của PAC, ta tiến hành tìm hiểu qua về cấu trúc của PLC và PC

3.2.1 Cấu trúc của PLC

PLC là giải pháp được lựa chọn trong hơn hai thập kỉ qua PLC đáp ứng được những yêu cầu cấp thiết về tốc độ và tính thời gian thực trong các ứng dụng công nghiệp.Về cấu tạo, PLC gồm 5 phần chính:

· Vi xử lí (processor) dùng để chạy và điều khiển các ứng dụng

· Bộ nhớ dùng để lưu dữ liệu và chương trình Vi xử lý dùng bộ nhớ để lưu các dự liệu hiện thời khi chương trình đang chạy

· Nguồn nuôi dùng để cấp nguồn cho PLC chạy

· Các modul I/O và các bus truyền thông I/O dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

· Các Rack để các modul có thể lắp lên đó

Hình 4 Cấu trúc của PLC

3.2.2 Cấu trúc của PC

Máy tính PC được đưa vào công nghiệp để làm các trạm vận hành OS và các trạm

kỹ thuật ES Về cấu trúc thì các máy tính PC đều có 5 thành phần như sau:

· Vi xử lí

Trang 20

· Bộ nhớ thường

· Bộ nhớ non-voltage

· Các modul I/O và các bus truyền thông I/O

Hình 5 Cấu trúc của PC

3.2.3 Cấu trúc của PAC

Cấu trúc của PAC gồm phần cứng và phần mềm Hình sau chỉ ra các phần cứng, phần mềm của PAC và công dụng của chúng do hãng National Instrument cung cấp

Hình 6 Cấu trúc của PAC Phần mềm là ngôn ngữ lập trình giao diện NI LabVIEW Ngôn ngữ này chạy

trên nền phần cứng của PAC LabVIEW cho phép ta có thể linh hoạt tạo ra hệ thống

đo lường điều khiển phức tạp và thông qua giao diện tạo ra sự thuận tiện khi sử dụng.Với LabVIEW, ta có thể nhanh chóng nâng cấp chương trình có chứa hàng trăm các hàm phân tích và điều khiển phức tạp Ta cũng có thể phát triển chương trình trong các gói ứng dụng khác như là LabWindows/CVI, C, hay MathWork… Một số ứng dụng tiêu biểu của LabVIEW:

· Graphics – ngôn ngữ lập trình LabVIEW là ngôn ngữ lập trình dạng đồ hoạ

được sử dụng để xây dựng giao diện HMI rất hiệu dụng, hấp dẫn và bắt mắt

· Đo lường (thu thập dữ liệu tốc độ cao, mô tả hệ thống và các chuyển động

trong hệ thống) - ta có thể đưa các giá trị đo, các đối tượng giám sát như là nhiệt độ,

độ ẩm hay các hình ảnh qúa trình vào hệ thống điều khiển

Trang 21

· Khả năng xử lý - trong một vài ứng dụng, người thiết kế cần có các thuật

toán điều khiển riêng, các tín hiệu xử lý cấp cao, data logging LabVIEW hoàn toàn có thể làm được điều đó

· Platform - Với LabVIEW, ta có thể tạo ra các mã chương trình chạy trên các

nền khác nhau như là PC, các vi điều khiển nhúng, các chip FPGA, hay các thiết bị cầm tay PDA

· Truyền thông - LabVIEW hỗ trợ việc truyền dữ liệu trong hệ thống nhờ các

công cụ như OPC hay SQL

Phần cứng PAC dựa trên công nghệ LabVIEW, bao gồm LabVIEW Realtime

và LabVIEW FPGA Với LabVIEW Realtime và LabVIEW FPGA, các kỹ sư có thể lập trình cho hệ thống đo lường, điều khiển và chạy hệ thống trên các đối tượng thực như ý muốn 5 loại phần cứng PAC:

· PXI : là bộ điều khiển PAC chuẩn dựa trên cấu trúc CompactPCI được đưa

ra dưới dạng các modul được thiết kế thích hợp với môi trường công nghiệp Mỗi hệ PXI được điều khiển bởi một bộ điều khiển nhúng có tích hợp chíp xử lí tốc độ cao cỡ hàng GHz Các modul PXI gồm modul I/O tương tự, I/O số mật độ cao, các modul lưu hình ảnh dạng số và tương tự… Ta có thể dễ dàng nối các cáp truyền thông với các đầu kết nối trên modul PXI Các modul đo lường PXI có dải đo mở và có thể dễ dàng kết nối với các thiết bị trường sử dụng các giao thức CAN, DeviceNET, Modbus, và Foundation Fieldbus… PXI còn hỗ trợ việc đồng bộ hoá thời gian giữa các thiết bị khác nhau, do đó các kỹ sư có thể thiết kế các hệ thống ứng dụng điều khiển tốc độ cao

mà không phải băn khoăn nhiều về phần đồng bộ giữa các thiết bị trong hệ thống

· Compact FieldPoint là dòng sản phẩm bao gồm các modul I/O số và tương

tự có khả năng “trao đổi nóng” và các modul điều khiển có giao tiếp qua cổng Ethernet và cổng nối tiếp Các modul I/O cho phép kết nối trực tiếp với các cặp nhiệt, các RTD, thiết bị đo độ cong, các cảm biến có đầu ra là dòng 4-20 mA hay điện áp 5-

30 VDC hoặc tín hiệu 0-250 VAC Mạng Compact FieldPoint giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua mạng Ethernet Ta có thể truy cập các điểm I/O ở gần hoặc ở xa hàng trăm mét trên mạng với điều kiện các điểm này dùng chung một khung phần mềm read/write Với giao diện phần mềm đơn giản, ta có thể nhanh chóng cài đặt và lập trình cho Compact FieldPoint Tuy nhiên ta phải đảm bảo cung cấp đủ nguồn cho những điều khiển phức tạp, thu thập dữ liệu và truyền thông

· Compact RIO là một hệ thống thu thập và điều khiển cho phép cấu hình dựa

trên chíp FPGA RIO được thiết kế cho các ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ môi trường làm việc cao và tốc độ điều khiển lớn Cấu trúc của RIO được xây dựng dựa trên một chíp

xử lý nhúng thời gian thực được dùng cho các thuật toán phức tạp và các thao tác tính toán tuỳ ý Chíp xử lý này có lõi FPGA cho phép cấu hình Nền CompactRIO thích

Trang 22

hợp với số modul lên tới 8 modul I/O số hoặc tương tự Các modul này có thể do National Instruments cung cấp hoặc do các công ty khác cung cấp Nền CompactRIO

là một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng phức tạp, tốc độ xử lí cao, môi trường làm việc khắc nghiệt Đặc biệt với lõi FPGA, CompactRIO rất thích hợp với các ứng dụng

đòi hỏi phần cứng tuỳ ý

· Compact Vision System (CVS) có cấu tạo gồm 1 chíp xử lí Intel tốc độ cao

có lõi FPGA, các cổng I/O số và 3 cổng tuân theo chuẩn 1394 Bộ điều khiển PAC này được thiết kế để có thể kết hợp với các thiết bị xử lí, thu thập hình ảnh trong ứng dụng điều khiển thông qua công nghệ FireWire (IEEE 1394) Bộ điều khiển này tương thích với hơn 80 camera công nghiệp Với lõi FPGA và các đường I/O trên CVS, ta cũng có thể dúng làm các kênh số cấp thấp và dùng CVS để điều khiển động cơ bước Khi lập trình với LabVIEW, hệ thống có thể được cấu hình cho cả ba chức năng thu

thập xử lí hình ảnh tốc độ cao và điều khiển động cơ bước

· Industrial PC cũng có thể được sử dụng với các modul PCI do hãng

National Instrument sản xuất Các board plug-in này bao gồm phần cứng được thiết kế cho mục đích vào ra số, tương tự , điều khiển , và thu, phát, xử lí hình ảnh Phần cứng PCI và phần mềm LabVIEW đều có thể chạy trên hệ thống máy tính PC LabVIEW Real-Time có thể cài đặt trên hầu hết các máy tính PC công nghiệp chuẩn nhằm giảm

chi phí cho hệ thống đo lường, điều khiển

Chi tiết về từng phần sẽ được đề cập đến ở chương sau

Với cấu trúc này, PAC cung cấp nhiều khả năng vào ra hơn, nhiều lựa chọn phát triển hơn, và môi trường phần mềm để đo lường, điều khiển hoàn thiện hơn so với PLC

3.3 Các thành phần của PACs

3.3.1 NI LabVIEW

NI LabVIEW là ngôn ngữ lập trình sử dụng các biểu tượng thay

vì các dòng văn bản để xây dựng các ứng dụng đo lường, giám sát và điều khiển LabVIEW cung cấp cho người lập trình rất nhiều công cụ đơn giản, linh hoạt, hữu dụng trong thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, biểu diễn dữ liệu, điều khiển, truyền thông với các thiết bị phần cứng như GPIB, VXI, PXI, RS232, RS485….LabVIEW còn có các đặc trưng đi kèm dùng cho việc kết nối ứng dụng với Internet thông qua sever mạng LabVIEW và chuẩn mạng như TCP/IP và các ActiveX LabVIEW chính là bộ biên dịch 32 bit nên người thiết kế có thể tạo các thư viện độc lập dùng chung và chạy được như DLL Ta có thể tạo các điểm dừng, chạy mô phỏng chương trình hay chạy từng bước cả chương trình để đơn giản hoá việc gỡ lỗi

Trang 23

và viết chương trình LabVIEW đưa ra nhiều cơ chế cho phép kết nối với mã hoặc phần mềm bên ngoài thông qua các DLL, thư viện chung, ActiveX …

Các ứng dụng đo lường, tự động hoá đều có thể phải trải qua 3 bước: thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu và biểu diễn dữ liệu LabVIEW được xây dựng để tiến hành các ứng dụng đó một cách nhanh chóng

Thu thập dữ liệu: Giả sử muốn đo nhiệt độ, khi đó LabVIEW là một lựa chọn lý

tưởng cho ứng dụng đó.Từ thu thập dữ liệu đến điều khiển thiết bị, thu thập hình ảnh đến điều khiển hình ảnh, LabVIEW hỗ trợ các các công cụ để phát triển hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển

Phân tích dữ liệu: Dữ liệu thô không phải là kết quả mong muốn cuối cùng của hệ

thống đo lường tự động hoá Vì thế người thiết kế cần có phần

mềm ứng dụng có chức năng phân tích dữ liệu một cách tiện

dụng và hiệu quả LabVIEW có hơn 400 hàm như hàm FFT,

hàm phân tích tần số, hàm tạo tín hiệu, hàm toán học,…được xây dựng nhằm mục đích tách các thông tin hữu dụng từ dữ liệu thô, phân tích, gia công giá trị đo

Biểu diễn dữ liệu: Việc biểu diễn dữ liệu bao gồm hiển thị, báo cáo, quản lí dữ liệu,

và kết nối chúng LabVIEW hỗ trợ các công cụ để biểu diễn dữ liệu một cách dễ dàng,

dễ hiểu Các dữ liệu có thể được biểu diễn dưới dạng đồ thị 2D, 3D hoặc bảng biểu hay đơn giản bằng sự thay đổi màu sắc tuỳ theo ý thích của người sử dụng

Một số modul và công cụ trong LabVIEW

Để mở rộng chức năng của LabVIEW, hãng NI cung cấp thêm các modul và các bộ công cụ (toolkit) đi kèm Các công cụ này giúp người sử dụng tiết kiệm được thời gian và tiện lợi cho việc giải quyết các vấn đề trong thiết kế cũng như sử dụng các ứng dụng chuyên dụng

Modul LabVIEW Real-time được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính thời

gian thực, độ tin cậy cao Việc tạo các mã chương trình tự động và các chương trình giao diện hình ảnh cho các ứng dụng có yêu cầu khắt khe về thời gian dễ dàng hơn rất nhiều khi sử dụng modul này

Modul LabVIEW PDA được sử dụng cho các thiết bị PDA cầm tay Cùng với

modul này, NI đưa ra các công cụ phục vụ cho các giải pháp ứng dụng mà người sử

Trang 24

dụng tự định nghĩa ví dụ như các hệ thống kiểm tra hiện trường, các hệ thống điều khiển giám sát từ xa, các hệ thống thu thập dữ liệu cầm tay

Modul LabVIEW FPGA cho phép người thiết kế tạo phần cứng I/O như ý

muốn bằng cách lập trình dạng sơ đồ các khối trên LabVIEW cho chip FPGA gắn trên phần cứng I/O (PXI – 7831R) Vì các khối chương trình chạy trên phần cứng nên cần điều khiển trực tiếp, ngay lập tức tất cả các tín hiệu I/O trên board Cùng với LabVIEW FPGA, NI đưa ra các phần cứng do người dùng tự định nghĩa cho hàng loạt các ứng dụng đòi hỏi chặt chẽ về thời gian và điều khiển như là các ứng dụng rời rạc, điều khiển tương tự, mô phỏng và các ứng dụng khác

Modul LabVIEW datalogging và supervisory (DSC) hỗ trợ các công cụ giúp

người thiết kế giám sát hệ thống phân tán Các công cụ xây dựng trong modul DSC cho phép tăng hiệu quả của hệ thống như tự động thu thập dữ liệu, quản lý đầy đủ các cảnh báo, ghi lại các sự kiện… Modul bao gồm cơ sở dữ liệu mạng đảm bảo an toàn

và cho phép kết nối OPC Các công cụ dùng cho thiết kế giao diện người - máy như hơn 4 000 hình ảnh tinh xảo cũng được xây dựng trong modul này Việc thiết kế hệ phân tán chưa bao giờ dễ dàng hơn thế

Modul LabVIEW Vision Development được thiết kế cho các nhà khoa học, các kỹ

sư tự động hoá, các nhà kỹ thuật thiết kế các máy ảnh, máy quay và các ứng dụng về hình ảnh Modul này bao gồm IMAQ Vision, thư viện hàm hình ảnh, chương trình hỗ trợ hình ảnh và môi trường tương tác cho các ứng dụng về hình ảnh.Không giống như các sản phẩm hình ảnh khác, chương trình hỗ trợ hình ảnh và IMAQ Vision được sử dụng đồng thời để đơn giản hoá việc thiết kế phần mềm hình ảnh Do đó, người thiết

kế có thể nhanh chóng đưa hình ảnh vào các ứng dụng đo lường, điều khiển có sử dụng đến hình ảnh

Ta sẽ tìm hiểu ký hơn về phàn mềm LabVIEW ở phần sau

3.3.2 PXI (PCI eXtension for Instrumentation)

PXI là bộ điều khiển chuẩn công nghiệp dựa trên cấu trúc CompactPCI Hệ thống PXI được điều khiển bởi bộ điều khiển nhúng

có chíp xử lí tần số cao cỡ GHz PXI là lựa chọn lý tưởng đối với các

ứng dụng lớn và vừa.Tuỳ theo các chức năng mà người ta chia ra làm

các modul PXI riêng như : modul vào tương tự, modul I/O số mật độ cao, modul thu thập hình ảnh số và tương tự, modul dùng cho các ứng dụng chuyển động đa kênh…

Cấu trúc dựa trên PC và các tính năng đồng bộ hoá tiên tiến là điểm đặc biệt của thiết bị dạng modul PXI PXI có thể dùng để thực hiện nhiều ứng dụng khác nhau Với hơn 1000 sản phẩm PXI trên thi trường, người thiết kế có thể tìm được cho mình phần cứng dùng để đo lường như ý Với cấu trúc dựa trên PC, PXI có thể kết hợp với

Trang 25

các công nghệ PC mới nhất như là các chíp xử lí tốc độ cao cho các ứng dụng chuyên sâu về phân tích Thân PCI hỗ trợ nhiều nhất 132 MB/s dữ liệu đầu vào, lớn hơn gấp

100 lần so với GPIB Cấu trúc khung PXI cho phép đưa vào 1 hệ thống tới 17 modul Phần mềm lập trình cho PXI gần gũi với PC tạo sự dễ dàng trong sử dụng và đơn giản trong tích hợp hệ thống

Với sự hỗ trợ của các ứng dụng Windows và ứng dụng thực tế, người sử dụng

có thể đưa các modul PXI vào các ứng dụng của mình rất dễ dàng Với các ứng dụng công nghiệp, PXI yêu cầu riêng về

- Nhiệt độ vận hành trong dải từ 0 đến 55 °C

- Công suất làm mát 25W/slot

- Nguồn cung cấp và các đặc điểm về dao động

Yêu cầu về công suất làm mát và các đặc tính của nguồn cung cấp nhằm đảm bảo các modul I/O mà nền PXI hỗ trợ hoạt động tốt Mặt trước của các modul PXI có các đầu nối cho phép cắm các cáp nối Để kết nối với các thiết bị hiện trường, PXI sử dụng các bus như CAN, DeviceNET, RS-232, RS-485, Modbus và Foundation Fieldbus

Cấu trúc phần cứng của PXI

Cấu trúc phần cứng của hệ PXI gồm 3 phần

chính:

· Khung (chassis)

· Các bộ điều khiển (system controller)

· Các modul giao tiếp với các thiết bị ngoại

vi (peripheral modules)

Hình bên mô tả cấu trúc của hệ PXI: gồm 1

khung 8 khe cắm (slot) chuẩn chứa 1 bộ điều khiển nhúng và 7 modul giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

Khung PXI (PXI Chassis)

Cũng như rack cắm PLC, khung PXI được sử dụng để cắm các bộ điều khiển và các modul giao tiếp với thiết bị ngoại vi Tất cả các khung PXI của NI đều thích hợp với các modul PXI và CompactPCI Tuỳ theo nguồn cung cấp trên khung có đáp ứng được yêu cầu của bộ điều khiển và các modul hay không mà người thiết kế có thể lựa chọn sử dụng loại khung nào cho ứng dụng của mình Sau đây là một số đặc điểm của khung PXI:

Thân của khung được tận dụng làm bus PCI tốc độ cao mà chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy trong các máy tình PC ngày nay, bus định thời hay các bus trigger Nhờ các bus định thời và các bus trigger mà việc xây dựng hệ thống cho các ứng dụng đòi

Hình 7 Cấu trúc phần cứng của PXI

Trang 26

hỏi tính đồng bộ hoá và tính thời gian thực cao được thực hiện một cách dễ dàng Các tính năng của bus định thời hay các bus trigger được chỉ ra dưới đây:

· Tín hiệu xung clock 10 MHz thích hợp với tất cả các modul

· Star trigger là một tín hiệu trigger với thời gian lan truyền không lớn hơn 5 ns

và độ trễ tương hỗ không lớn hơn 1 ns

· PXI trigger bus là một bus định thời và trigger được sử dụng để truyền và nhận các tín hiệu trigger

· Bus cục bộ là bus giữa các modul liên tiếp có khả năng cho phép các tín hiệu tương tự (lên tới 42V) và tín hiệu số tốc độ cao đi qua

Hình dưới là sơ đồ bus trigger và bus PCI trên thân khung PXI

Hình 8 Sơ đồ bus trigger và bus PCI trên thân khung PXI

Mỗi khe cắm trên khung PXI được gọi là một slot NI cung cấp nhiều loại khung từ 4 slot đến 18 slot Slot được mô tả bởi địa chỉ địa lí, địa chỉ logic PCI, đường bus cục bộ v.v…

Bộ điều khiển PXI (PXI Controllers)

Tất cả các khung PXI đều có 1 slot là slot 1 nằm ở bên trái khung chuyên dùng để cắm bộ điều khiển (system controller) Bộ điều khiển bao gồm các loại:

- Bộ điều khiển từ xa như các máy tính desktop, trạm làm việc, server hay máy tính

laptop

-Bộ điều khiển nhúng hiệu suất cao có cài hệ điều hành Microsoft (Windows

2000/XP) hay Real-Time OS (LabVIEW Real-Time)

Trang 27

· PXI Remote Controll

Bộ điều khiển PXI từ xa có hai loại:

Với bộ card giao tiếp ngoại vi

ExpressCard MXI (Measurement

eXtensions for Instrumentation) và card

PCMCIA CardBus hoàn toàn có thể sử

dụng máy tính laptop để điều khiển trực

tiếp hệ PXI Máy tính laptop sẽ nhận ra tất

cả các modul giao tiếp ngoại vi trong hệ

thống PXI như là các thiết bị PCI

Bộ card giao tiếp ExpressCard MXI

interface kit hỗ trợ tốc độ 110 MB/s PCI

Express -to- PCI bridge từ máy tính laptop

đến khung PXI

Bộ card giao tiếp PCMCIA CardBus

interface kit hỗ trợ tốc độ 50 MB/s PCI -to-

PCI bridge từ máy tính laptop đến khung

PXI

Với bộ card giao tiếp ngoại vi MXI-Express

và MXI-4 interface kits hoàn toàn có thể điều khiển trực tiếp hệ PXI từ máy tính desktop, máy tính workstation hay server computers Trong suốt quá trình khởi động, máy tính sẽ nhận ra tất

cả các modul giao tiếp ngoại vi trong hệ thống PXI như là các thiết bị PCI

Bộ card giao tiếp MXI-Express interface kit

hỗ trợ tốc độ 110 MB/s PCI Express -to- PCI bridge từ PC đến khung PXI

Với bộ card giao tiếp NI PXI-PCIE 8362 2 cổng giao tiếp, một máy tính PC có thể điều khiển 2 hệ PXI cùng lúc

Bộ card giao tiếp MXI-4 interface kit hỗ trợ tốc độ 78 MB/s PCI -to- PCI bridge từ PC đến

hệ PXI Bộ card giao tiếp MXI-4 interface kit thường đi kèm với cáp đồng giá rẻ hoặc cáp quang khi sử dụng cho khoảng cách xa và cách điện

Sử dụng card MXI-4,có thể xây dựng một

hệ thống đa khung PXI Như vậy là có thể xây dựng mạng hình daisy-chain hoặc mạng có cấu trúc hình sao

Trang 28

Với các bộ điều khiển PXI từ xa, người thiết kế có thể tối ưu hoá hoạt động của

vi xử lý và tối thiểu hoá giá cả bằng cách sử dụng máy tính PC hay máy tính laptop để điều khiển hệ thống PXI từ xa

· PXI Embedded Controllers

Các bộ điều khiển nhúng đều không cần máy tính PC bên ngoài Vì thế các bộ điều khiển nhúng đã hỗ trợ một hệ thống hoàn thiện bao gồm cả khung PXI Các bộ điều khiển PXI nhúng được xây dựng với các thành phần PC chuẩn trong một gói PXI nhỏ

Ví dụ bộ điều khiển NI PXI-8187 có một vi xử lí Pentium 4-M 2,5 GHz, DDR Ram lên tới 1GB,và các thiết bị PC ngoại vi chuẩn như là cổng USB 2.0, các cổng Ethernet, cổng vào, ra nối tiếp, song song Thêm vào đó người thiết kế có thể cài đặt hệ điều hành theo ý mình vào bộ điều khiển nhúng như Windows 2000/XP hay LabVIEW Real-Time Hình dưới là bộ điều khiển nhúng NI PXI-8187 có một vi xử lí Pentium 4-

M 2,5 GHz

Hình 9 Một bộ điều khiển nhúng PXI

Bộ điều khiển nhúng là lựa chọn thích hợp cho các hệ thống xách tay và các ứng dụng “single-box”có khung PXI di chuyển từ nơi này đến nơi khác Người thiết kế có thể xây dựng ứng dụng LabVIEW với modul NI LabVIEW Real-Time trên Windows rồi sau đó download chương trình xuống bộ điều khiển nhúng thông qua mạng

Ethernet

PXI Peripheral Modules

National Instruments cung cấp hơn 100 modul PXI khác nhau Vì PXI là một chuẩn công nghiệp mở nên có gần 1000 modul của 65+ hãng thành viên trong liên minh PXI

có thể kết nối với hệ thống PXI Dưới đây là các loại modul giao tiếp ngoại vi mà NI cung cấp

Bus giao tiếp, truyền thông Thiết bị nhận tín hiệu

Kiểm tra các chức năng và Diagnostic Vào ra thời gian

Thu thập hình ảnh

Trang 29

Với các modul vào ra: Số kênh vào ra tương tự lên tới 64 kênh trên mỗi modul

Số đường vào ra số lên tới 160 đường trên mỗi modul Độ phân giải lên tới 24 bít, tốc

độ lấy mẫu 200 MS/s Các modul vào ra được xây dựng dựa trên chíp FPGA có khả năng tái lập trình

Với các modul thu thập hình ảnh: Đây là các modul thu thập hình ảnh tương tự

chuẩn và không chuẩn Hình ảnh thu được có thể là hình ảnh đen trắng hoặc hình ảnh màu Các modul này giao tiếp với ngoại vi dưới dạng số thông qua chuẩn IEEE 1394

và camera link

Với các modul ứng dụng cho chuyển động: các modul điều khiển động cơ do NI

cung cấp có nhiều loại với số trục lên tới 8 trục Các modul này có thể điều khiển động

cơ servo hoặc động cơ bước Các bộ chuyển đổi ADC, DAC được sử dụng lên tới 16 bit do đó dộ chính xác rất cao

Vì các modul PXI đều tương thích với các CompactPCI nên người thiết kế có thể sử dụng các modul CompactPCI 3U vào hệ thống PXI Thêm đó, các card CardBus/PCMCIA và PMC (PCI Mezzanine Card) có thể đặt vào hệ thống PXI sử dụng modul mang Ví dụ: card mang PXI-8221 PC Card Carrier có thể sử dụng để kết nối với CardBus và thiết bị PCMCIA vào hệ thống PXI

PXI cũng hỗ trợ các phần cứng, phần mềm để giao tiếp giữa PXI với các hệ thống cũ

3.3.3 COMPACT FIELDPOINT

Compact Fieldpoint là dòng sản phẩm gồm bộ điều khiển có

cổng truyền thông Ethernet và cổng nối tiếp, các modul vào ra số và tương tự chuyển đổi nóng Các modul vào ra hỗ trợ việc kết nối với các thiết bị như cặp nhiệt, RTD, cảm biến lực căng, cảm biến 4 – 20mA và các tín hiệu 5-30 VDC hay 0-250 VAC Việc truyền thông trong mạng Compact FieldPoint network với các thiết bị đo được thực hiện tự động thông qua mạng Ethernet Người sử dụng có thể dùng cùng một khung phần mềm đọc/ghi đơn giản để truy cập các điểm vào ra trên mạng dù cho điểm đó ở gần hay xa Compact Fieldpoint thích hợp với các ứng dụng điều khiển nhúng và mạng đo lường phân tán Các hệ PLC cũ cần nâng cấp thì Compact FieldPoint cũng có thể tích hợp thêm vào mà không hề gây xung đột với các thiết bị cũ

Một số đặc tính của Compact Fieldpoint:

· Thân kim loại cứng

· Vít chốt bằng thép

· Cáp và dây nối linh hoạt

· Thẻ nhớ Compact Flash di động

Trang 30

· Các cổng vào ra nối tiếp RS232/RS485

Compact Fieldpoint thích hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng, độ chấn

động 50g/3ms, độ rung 5g/10 500Hz, nhiệt độ từ 25 đến 60 độ C

Cấu trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng của hệ Compact

Fieldpoint gồm 4 phần chính:

· Thân máy (backplane)

· Bộ điều khiển (controller)

· Các modul vào ra thông minh

(smart I/O modules)

· Các bộ kết nối (Connector)

Bộ điều khiển

Ở đây ta lấy ví dụ về bộ điều khiển cFP-2020 Bộ điều khiển này sử dụng chíp

vi xử lý floating-point công nghiệp để thực hiện các ứng dụng nhúng thời gian thực

Hình 11 Cấu trúc một bộ điều khiển cFP-2020

Một số đặc điểm của bộ điều khiển:

1

10/100 MB/s Ethermet được dùng để

truyền thông với các thiết bị đo qua mạng Ethermet Tốc độ truyền thông 10/100 MB/s

Modul I/O thông minh

Hình 10 Cấu trúc hệ điều khiển Compact FieldPoint

Trang 31

3

Hộp chứa thẻ nhớ di động CompactFlash được dùng để chứa thẻ

nhớ chương trình và dữ liệu Hộp chứa thể nhớ còn có tác dụng bảo vệ tránh cho thẻ nhớ bị hỏng vì môi trường và va đập

4

Các đèn LED chỉ thị cho người dùng

biết được bộ điều khiển đang ở trạng thái nào

5 Các công tắc cấu hình dạng DIP được

dùng để cấu hình bộ điều khiển

6

Phím Reset dùng để Reset lại bộ điều

khiển

7

Đầu vào nguồn cung cấp được dùng để

cấp nguồn nuôi bộ điều khiển

Trang 32

Các modul Compact fieldpoint I/O thông minh có nhiệm vụ lọc, hiệu chỉnh và

tự động khắc độ các tín hiệu về các đơn vị kỹ thuật chuẩn Với các điểm đo tản mát, các modul I/O FieldPoint các đặc tính sau:

· Độ phân giải 12 đến 16 bit

· Tự động khắc độ về đơn vị kỹ thuật chuẩn

· Tự chuẩn đoán và over-ranging

Giống như bộ điều khiên, trên các modul I/O thông minh cũng có các đèn Led chỉ thị cho phép người sử dụng biết được trạng thái hoạt động của modul

- Khối kết nối đẳng nhiệt cho các cặp nhiệt

Hình dưới đây mô tả về một bộ kết nối với rãnh cắm cáp

Hình 12 Các modul I/O

Hình 13 Các bộ kết nối Cp FieldPoint

Rãnh cắm

Hình 14 Một bộ kết nối với rãnh cắm của CpFieldPoint

Trang 33

Bộ kết nối ngoài: Để kết nối bank Compact Fieldpoint với

các bộ kết nối ngoài trên thân máy đã có sẵn cổng kết nối chuẩn

37 chân Dùng cáp có lớp bảo vệ để kết nối Các khối kết nối

ngoài có giá đỡ dạng thanh ray DIN Người sử dụng có thể tự

làm cáp nối để kết nối trực tiếp với các thiết bị bên ngoài, các

cảm biến hay cơ cấu chấp hành

Thân máy (backplane)

Thân máy được dùng để cắm các bộ điều khiển, các modul I/O hay các

connector Trên thân máy có các rãnh cắm (slot)

Có loại thân máy 4 slot và thân máy 8 slot Thân

máy hỗ trợ giao diện an toàn và cứng vững cho

các bộ điều khiển thông minh và các modul vào

ra Bằng việc sử dụng bộ giá gắn, bạn có thể dễ

dàng gắn thân máy một cách an toàn lên trên bất

kì khung ray, panel hay rack 19 in nào

3.3.4 COMPACT RIO

Compact RIO là một hệ thống thu thập dữ liệu và điều

khiển dựa trên chíp FPGA Compact RIO được thiết kế dùng

cho các ứng dụng phức tạp đòi hỏi tốc độ điều khiển cao và môi trường làm việc khắc nghiệt, không gian chật hẹp Cấu

tạo của Compact RIO bao gồm một chip vi xử lý nhúng

thời gian thực dùng cho các thuật toán phức tạp và các

tính toán theo yêu cầu Nền Compact RIO tương thích

với nhiều modul vào ra số hoặc tương tự của nhiều hãng khác nhau Số modul vào ra

số hoặc tương tự lên tới 8 modul Compact RIO là lựa chọn thích hợp cho các ứng dụng phức tạp đòi hỏi tốc độ xử lý cực cao và môi trường làm việc khắc nghiệt Các yêu cầu hoạt động của CompactRIO:

· Dải nhiệt độ hoạt động cho phép -40 đến 70 °C (hay -40 đến 158 °F)

· Độ cách ly lên tới 2,300 Vrms (withstand)

Hình 16 Thân máy CpFieldPoint

Trang 34

CompactRIO được thiết kế cho các ứng dụng diễn ra trong môi trường khắc nghiệt và không gian chật hẹp Do đó kích thước, trọng lượng, mật độ kênh I/O là một yêu cầu rất quan trọng trong việc thiết kế CompactRIO Sau đây là bảng kích thước và trọng lượng của một số bộ CompactRIO

Kích thước(4-slot) 179.6 by 88.1 by 88.1 mm (7.07 by 3.47 by 3.47 in.) Kích thước (8-slot) 274 by 88.1 by 88.1 mm (10.79 by 3.47 by 3.47 in.) Weight (4-slot, typical) 1.58 kg (3.47 lb)

Weight (4-slot, typical) 2.48 kg (5.46 lb)

Mass-Ch density (8-ch module) 38.7 g/ch (1.37 oz/ch)

Volume-Ch density (8-ch module) 32.9 cm3/ch (2.01 in.3/ch)

Mass-Ch density (32-ch module) 9.7 g/ch (0.34 oz/ch)

Volume-Ch density (32-ch module) 8.2 cm3/ch (0.50 in.3/ch)

Nền CompactRIO bao gồm các bộ điều khiển thời gian thực cRIO9002 và cRIO9004 được xây dựng dựa trên các chíp vi xử lý công nghiệp floating-point Họ cRIO-910x của các khung 4 hoặc 8 slot cho phép cấu hình lại có điểm đặc biệt là có 1 triệu đến 3 triệu cổng FPGA và một số lượng lớn, đa dạng các loại modul I/O từ đầu vào cặp nhiệt ±80 mV đến các đầu vào số thông dụng 250 VAC/VDC Hệ thống nhúng CompactRIO được thiết kế bằng cách sử dụng các modul LabVIEW Real-Time

và LabVIEW FPGA Có hai cấu hình cho các hệ thống CompactRIO đó là hệ thống nhúng CompactRIO và hệ thống mở rộng R Series expansion

Hệ thống nhúng CompactRIO Hệ thống mở rộng CompactRIO R Series

Expansion

Hệ thống nhúngCompactRIO có các đặc điểm:

- Chíp vi xử lý nhúng thời gian thực

- Khung có hai loại 4 slot và loại 8 slot có chứa chíp FPGA cho phép người sử dụng tự lập trình

- Các modul vào ra công nghiệp được cắm trên

khung

- Cấu trúc nhúng chi phí thấp cho phép truy cập

tới chi tiết phần cứng cấp thấp nhằm xây dựng,

phát triển nhanh chóng các hệ thống thu thập

dữ liệu, điều khiển phân tán hay các hệ thống

riêng lẻ

Hệ thống mở rộng CompactRIO R Series expansion cũng sử dụng các thiết bị

PCI hay PXI/CompactPC

I R Series FPGA

và các modul I/O công nghiệp để hỗ trợ xử lý các tín hiệu một cách có hiệu quả Hệ thống mở rộng hỗ trợ thêm những ứng dụng có các thiết bị hình ảnh, các thiết bị chuyển động, các thiết bị thu thập dữ liệu khả năng đo đạc theo ý muốn

Trang 35

Các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển có khả năng cấu hình chuẩn bao gồm 4 thành phần chính:

· Ứng dụng lõi RIO FPGA cho đầu vào input, đầu ra output, truyền thông và điều khiển

· Vòng lặp yêu cầu chặt chẽ về thời gian cho các điều khiển floating-point, xử lí tín hiệu, phân tích và đưa ra những quyết định điểm điểm

· Vòng lặp ưu tiên cho việc thu thập, biểu diễn dữ liệu nhúng, giao diện Web từ

xa, truyền thông qua mạng Ethernet/song song

· Máy tính chủ trong mạng dùng cho các giao diện người máy , thu thập dữ liệu lịch sử và tiền xử lý dữ liệu

Tuỳ thuộc vào ứng dụng mà người thiết kế đưa ra những quyết định thực hiện một hay tất cả các thành phần ứng dụng kể trên

Hình 17 Mô tả truyền thông giữa bộ điều khiển CompactRIO với HMI

Phần cứng

· Công nghệ Reconfigurable I/O (RIO)

Với công nghệ NI RIO, người sử dụng có thể tuỳ ý định nghĩa mạch phần cứng dùng trong đo lường bằng cách sử dụng chíp FPGA cho phép lập trình và các công cụ hình ảnh (các khối chức năng) trong LabVIEW Người sử dụng có thể phát huy được

ưu điểm của công nghệ FPGA để tự động tạo ra mạch điện sử dụng cho các ứng dụng vào ra, truyền thông hay các ứng dụng điều khiển như mong muốn

có thể cấu hình lại và hiệu quả hoạt động cao Người sử dụng có thể thiết kế các mạch

Trang 36

thu thập dữ liệu và điều khiển riêng trong vỏ silicon với timing/triggering 25ns

Hình 18 Cấu trúc số FPGA

Thiết bị dựa trên công nghệ FPGA cấu trúc số cho phép cấu hình lại với các ma trận logic cấu hình (matrix of configurable-logic blocks (CLBs)) được bao bởi các khối I/O Nhờ các công tắc nối và các đường nối mà các tín hiệu có thể chạy trong ma trận FPGA theo bất kỳ cách thức nào Các khung CompactRIO có 4 hay 8 slot và tương ứng là chíp FPGA có 1 triệu hay 3 triệu cổng

Đặc điểm của LabVIEW FPGA là các hàm dùng cho các vòng điều khiển PID khép kín, các bộ lọc FIR bậc 5, các bảng tra 1D, các phép nội suy tuyến tính, các bộ tìm điểm không, tổng hợp số trực tiếp từ các sóng sin

Hình 19 Mô tả chương trình vào ComPactRIO

Với phần cứng RIO FPGA, người sử dụng có thể thực hiện các ứng dụng điều khiển PID tương tự nhiều vòng lặp với tốc độ vòng lặp lên tới 100kS/s Các hệ thống điều khiển số có thể được thực hiện với tốc độ vòng lặp lên tới 1 MS/s và nó có thể đánh giá các mức logic có sử dụng một chu kỳ đơn trong khi chu kì các vòng lặp là 40 MHz (25ns) Vì bản chất song song của lõi RIO nên việc thêm các thành phần tính toán sẽ không làm giảm tốc độ của các ứng dụng FPGA

· Cấu trúc phần cứng hệ thống nhúng CompactRIO

CompactRIO là sự kết hợp của chíp xử lý nhúng thời gian thực, giá thành rẻ với chíp FPGA RIO công suất cao Cốt lõi của RIO là cơ cấu truyền thông được dùng để truyền dữ liệu đến chíp nhúng Các dữ liệu này sẽ được phân tích, xử lý và biểu diễn hay truyền thông lên mạng máy tính chủ CompactRIO hỗ trợ phần cứng truy cập trực tiếp tới các mạch vào, ra của các modul I/O có sử dụng các hàm I/O LabVIEW FPGA

Trang 37

cơ bản Mỗi modul I/O bao gồm mạch kết nối, xử lý tín hiệu, chuyển đổi (như ADC hay DAC) và các bộ cách li Thiết kế này biểu diễn một cấu trúc mở chi phí thấp có khả năng truy cập vào phần cứng cấp thấp Sơ đồ cấu trúc của CompactRIO được chỉ

ra dưới đây:

Các modul vào ra (I/O Modules )

Mỗi modul I/O CompactRIO bao gồm bộ xử lý tín hiệu, vít

đầu cuối, BNC hay các bộ kết nối D-Sub.Bằng cách đưa hộp nối

vào trong các modul I/O, hệ thống CompactRIO giảm thiểu đáng kể

yêu cầu về không gian và chi phí dây Loại tín hiệu vào ra rất đa

dạng như đầu vào cặp nhiệt ±80 mV, đầu vào, ra lấy mẫu tương tự

±10 V đồng thời, vào ra số công nghiệp 24V với động cơ có dòng

lên tới 1A, đầu vào số vi sai hay TTL với nguồn ổn áp 5 V cho các encoder và đầu vào

số chung 250 Vrms Vì các modul bao gồm cả bộ xử lý tín hiệu cho các dải điện áp rộng hay các loại tín hiệu công nghiệp nên người sử dụng có thể nối trực tiếp modul CompactRIO tới các bộ cảm biến hay các cơ cấu chấp hành

Chíp xử lý thời gian thực (Real-Time Processor )

Hệ thống nhúng CompactRIO có đặc điểm là cấu tạo từ chíp xử lý công nghiệp Pentium 200 MHz Chọn các hàm tương ứng từ trong hàng

ngàn hàm LabVIEW để xây dựng hệ thống nhúng điều khiển,

phân tích dữ liệu, thu thập dữ liệu và truyền thông Bộ điều

khiển cũng có cổng Ethernet 10/100 Mb/s Cổng này được sử

dụng để truyền thông qua mạng và xây dựng Web (HTTP),

file (FTP) trên server Sử dụng panel Web server từ xa, người

sử dụng có thể tự động đưa ra giao diện người ứng dụng dùng cho việc điều khiển giám sát từ xa nhiều client Chíp vi xử lý cũng có thể ghép với 11 hay 30 đầu vào 30

Chíp xử lí

phép cấu hình lại

ADC DAC

DO

DI Bus PCI

Bus tốc độ cao

Xử lí tín hiệu

Xử lí tín hiệu

Xử lí tín hiệu

Xử lí tín hiệu

đầu vít BNC DSUB Custom

Bộ biến đổi và cách li

Lọc Khối kết

nối

Modul I/O

Cảm biến

và cơ cấu chấp hành

Hình 20 Sơ đồ cấu trúc phần cứng nhúng của CompactRIO

Trang 38

VDC, công tắc dạng DIP, bộ chỉ thị trạng thái bằng đèn LED, đồng hồ thời gian thực, watchdog timer

Khung cho phép cấu hình (Reconfigurable Chassis)

Khung cho phép cấu hình lại là thành

phần quan trọng nhất (trái tim) của hệ thống

NI CompactRIO Cốt lõi của khung là RIO

FPGA Chíp RIO FPGA cho phép người dùng

tự định nghĩa phần cứng như ý muốn Chíp

này có thể được thiết kế là một bộ điều khiển

logic, cổng vào ra, bộ định thời, bộ tạo xung kích hay bộ dùng để đồng bộ hoá các thiết bị Chíp RIO FPGA được kết nối với các modul I/O trong cấu trúc mạng hình sao nhằm truy cập trực tiếp đến từng modul I/O để điều khiển và tạo sự linh hoạt không có giới hạn trong việc định thời, trigger và đồng bộ Bus PCI cục bộ tạo được hiệu quả giao tiếp cao giữa chíp RIO FPGA và chíp vi

xử lý thời gian thực Đặc điểm nữa của khung cho phép cấu hình lại là có cấu trúc kim loại cứng, chắc chắn Đây cũng là đặc điểm tiêu biểu cho toàn bộ nền CompactRIO

· Hệ thống mở rộng CompactRIO R Series Expansion

Trong cấu hình này, khung của CompactRIO expansion nối với cổng số trên PCI hay các thiết bị PXI R Series FPGA Các thiết bị R Series có thể được nối với bất

kỳ máy tính desktop hoặc các máy

tính PXI có chạy Windows hay một

trong những phần mềm LabVIEW

Real-Time OS

Trên thiết bị R series có RIO

FPGA và cổng số CompactRIO sẽ

chuyển đổi cổng số này thành cổng

I/O hiệu suất cao và hệ thống phân

tích dữ liệu CPU chủ có cài

Windows hay bộ điều khiển PXI RT cho phép xử lý, phân tích hay mô phỏng các tín hiệu điều khiển tương tự một cách hiệu quả Các thiết bị R Series RIO và các khung CompactRIO hỗ trợ việc xử lý tín hiệu đầu vào, đầu ra tốc độ cao, truyền thông, và điều khiển

Khung mở rộng R series cRIO-9151 có

4 slot nối trực tiếp với các thiết bị PXI

hay các thiết bị PCI R Series như là

PXI-7831R, PXI-7811R, hay

PCI-Hình 21 Mô hình mở rộng CompactRIO

Hình 22 Khung mở rộng R series cRIO-9151

Trang 39

7831R Trong cấu hình này, FPGA nằm trong các thiết bị R Series và các modul I/O CompactRIO hỗ trợ vào ra công nghiệp, cách ly và phân tích tín hiệu Với PXI-7831R hay PCI-7831R, người sử dụng có thể nối 2 khung mở rộng R Series Số modul I/O trên mỗi khung này nhiều nhất là 8 modul I/O Với PXI-7811R, người sử dụng có thể nối 4 khung mở rộng R Series expansion Số modul I/O nhiều nhất trên mỗi khung này

là 16 modul I/O

Hệ thống mở rộng CompactRIO R Series expansion có thể sử dụng với hệ thống máy tính desktop hay máy tính PXI đang chạy Windows hay một trong những phần mềm LabVIEW Real-Time OS Modul National Instruments LabVIEW Real-Time version 7.1 và cao hơn nữa đều tương thích với máy tính PC desktop chuẩn

3.3.5 COMPACT VISION SYSTEM

Compact Vision System (CVS) là sự kết hợp của vi xử lý Intel hiệu suất cao với chíp FPGA, các modul vào ra I/O số và ba cổng theo chuẩn IEEE 1394 (FireWire) Compact Vision được thiết kế để liên kết các hình ảnh vào các ứng dụng điều khiển thông qua công nghệ FireWire (IEEE 1394) CVS tương thích với hơn 100 loại camera công nghiệp Với chíp FPGA và các đường vào ra số trên CVS, người sử dụng có thể nhận được kênh dữ liệu số thấp và điều khiển được động cơ bước Khi lập trình với LabVIEW, CVS có thể được cấu hình cho cả ba mục đích điều khiển hình ảnh hiệu suất cao, điều khiển số tốc độ cao và điều khiển động cơ bước.Với 3 cổng tuân theo chuẩn IEEE 1394 (FireWire), CVS có thể kết nối với nhiều camera Số camera có thể lên tới 16 chiếc

Sự ra đời của Compact Vision System đã mở rộng khả năng của NI LabVIEW Real-Time đối với các thiết bị có liên quan tới hình ảnh CVS được tích hợp trong một gói hệ thống nhỏ, gọn, chắc chắn và rất mạnh trong việc thu thập, xử lý, điều khiển hình ảnh Chính vì thế CVS có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

3.5.1 Phần cứng

NI Vision cung cấp nhiều loại sản phẩm phần cứng từ khung giữ card PCI, CompactPCI/PXI và PCI Express đến hệ thống compact vision system đơn Các phần cứng này có các đặc điểm tương thích với hàng ngàn loại camera khác nhau, đem lại hình ảnh chất lượng cao, dễ dàng chạy các phần mềm driver Dưới đây là một số phần cứng thu thập, hiển thị và giám sát hình ảnh do NI cung cấp

· Card thu thập hình ảnh tương tự

- Cho phép thu thập những hình ảnh màu hoặc đen trắng

- Sử dụng bus PCI hoặc PXI

- Đầu vào video có hai loại 1 hoặc 4 đầu vào

- Chiều rộng pixel : 8 bit

Trang 40

- Cho phép thu thập hình ảnh theo từng phần, khuếch đại hình ảnh

- Bộ nhớ lên tới 16MB

- Đầu vào ra số có l đầu hoặc 4 đầu vào ra

- Chuẩn giao thức: IEEE 1394 và Gigabit Ethernet

· Hệ thống Compact Vision System

- Đối với hệ thống CVS có 2 loại phần mềm:

+ Phần mềm cầu hình: Vision Builder for Automated Inspection

+ Phần mềm lập trình: LabVIEW và modul Vision Development

- Hoạt động của chíp xử lý có tốc độ lên tới 1,623 MIPS

- Số đường vào ra số: 29

- Số camera tối đa : 16 camera

- Tốc độ khung: 100 frame/ giây

- Bộ nhớ lưu từ 32 MB lên tới 256 MB

· Parallel Digital

- Bus : PCI hoặc PXI

- Đầu vào video : 1 đầu vào

Rất dễ dàng để tìm ra các camera tương tự có giá thành rẻ nhưng thường thì các ứng dụng cần nhiều hơn các giải pháp VGA, tốc độ khung hình nhanh hơn 30 khung/s

Ngày đăng: 15/05/2014, 10:35

Nguồn tham khảo

Tài liệu tham khảo Loại Chi tiết
[1]. Truyện NT. (2005): PAC-Thiết bị điều khiển tự động hoá thế hệ mới và khả năng ứng dụng. Hội nghi Tự động hoá toàn quốc lần thứ 6 – VICA6 Sách, tạp chí
Tiêu đề: PAC-Thiết bị điều khiển tự động hoá thế hệ mới và khả năng ứng dụng
Tác giả: Truyện NT
Năm: 2005
[2]. Frank N. (2005): Programmable Automation Controllers (PAC) as new concept in Industrial Automation – Architechture, Function and Applications.Hội nghi Tự động hoá toàn quốc lần thứ 6 – VICA6 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Programmable Automation Controllers (PAC) as new concept in Industrial Automation – Architechture, Function and Applications
Tác giả: Frank N
Năm: 2005
[3]. ARC Advisory Group, Inc., (2002) Programmable Automation Controller: A new Class of Systems Have Emerged, Information Bulletin Sách, tạp chí
Tiêu đề: Programmable Automation Controller: A new Class of Systems Have Emerged
[4]. National Instruments, Inc., (2005) PACs for Industrial Control, the Future of Control, White paper Sách, tạp chí
Tiêu đề: PACs for Industrial Control, the Future of Control
[5]. CRAIG R. (2002), Programmable Automation Controller: A new class of systems have emerged. http://www.arcweb.com/Newsmag/auto/pac120502.asp Sách, tạp chí
Tiêu đề: Programmable Automation Controller: A new class of systems have emerged
Tác giả: CRAIG R
Năm: 2002

HÌNH ẢNH LIÊN QUAN

Hình 1. So sánh miền sử dụng của hai hệ thống tự động hoá - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 1. So sánh miền sử dụng của hai hệ thống tự động hoá (Trang 11)
Hình 2. Các bộ điều khiển PAC - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 2. Các bộ điều khiển PAC (Trang 14)
Hình dưới là sơ đồ bus trigger và bus PCI trên thân khung PXI - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình d ưới là sơ đồ bus trigger và bus PCI trên thân khung PXI (Trang 26)
Hình 10. Cấu trúc hệ điều khiển Compact FieldPoint - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 10. Cấu trúc hệ điều khiển Compact FieldPoint (Trang 30)
Hình 13. Các bộ kết nối Cp FieldPoint - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 13. Các bộ kết nối Cp FieldPoint (Trang 32)
Hình dưới đây mô tả về một bộ kết nối với rãnh cắm cáp - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình d ưới đây mô tả về một bộ kết nối với rãnh cắm cáp (Trang 32)
Hình 17. Mô tả truyền thông giữa bộ điều khiển CompactRIO với HMI - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 17. Mô tả truyền thông giữa bộ điều khiển CompactRIO với HMI (Trang 35)
Hình 19. Mô tả chương trình vào ComPactRIO - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 19. Mô tả chương trình vào ComPactRIO (Trang 36)
Hình 20. Sơ đồ cấu trúc phần cứng nhúng của CompactRIO - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 20. Sơ đồ cấu trúc phần cứng nhúng của CompactRIO (Trang 37)
Bảng  công  cụ  (Tool  palettes)  được  sử  dụng  trên  cả  hai  cửa  sổ  Front  Panel  và  Block Diagram - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
ng công cụ (Tool palettes) được sử dụng trên cả hai cửa sổ Front Panel và Block Diagram (Trang 46)
Hình 25. Front Panel, Diagram và Icon/Connector - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 25. Front Panel, Diagram và Icon/Connector (Trang 46)
Hình 28. Các VI phân tích dữ liệu - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 28. Các VI phân tích dữ liệu (Trang 50)
Hình 31. Các VI dùng để tạo báo cáo - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 31. Các VI dùng để tạo báo cáo (Trang 51)
Hình 32. Các VI dùng để lưu dữ liệu vào các file - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 32. Các VI dùng để lưu dữ liệu vào các file (Trang 52)
Hình 33. Một ví dụ về LabVIEW FPGA . - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 33. Một ví dụ về LabVIEW FPGA (Trang 62)
Hình 37. Sơ đồ cấu hình của cFP 21xx - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 37. Sơ đồ cấu hình của cFP 21xx (Trang 73)
Hình 39. Sơ đồ chân của cFP CB-1 - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 39. Sơ đồ chân của cFP CB-1 (Trang 75)
Sơ đồ khối trạm đầu cuối - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Sơ đồ kh ối trạm đầu cuối (Trang 79)
Hình 43. Cấu trúc bộ chuyển đổi A/D của AVR Atmega16 - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 43. Cấu trúc bộ chuyển đổi A/D của AVR Atmega16 (Trang 81)
Hình 45.  Đồ thị đặc tính đầu ra điện áp phụ thuộc độ ẩm của HM 1500 - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 45. Đồ thị đặc tính đầu ra điện áp phụ thuộc độ ẩm của HM 1500 (Trang 83)
Hình 49. Lưu đồ thuật toán cho các điểm đo Slave i - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 49. Lưu đồ thuật toán cho các điểm đo Slave i (Trang 92)
Hình 50. Lưu đồ thuật toán cho các Displayer. - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 50. Lưu đồ thuật toán cho các Displayer (Trang 93)
Hình 52. Giao diện log in - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 52. Giao diện log in (Trang 96)
Hình 51. Giao diện chính - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 51. Giao diện chính (Trang 96)
Hình 53. Giao diện cài đặt các điểm đo - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 53. Giao diện cài đặt các điểm đo (Trang 97)
Hình 54. Giao diện thông số các điểm đo - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 54. Giao diện thông số các điểm đo (Trang 97)
Hình 55. Mô hình thử hệ thống thử nghiệm trong phòng thí nghiệm - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 55. Mô hình thử hệ thống thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (Trang 99)
Hình 56. Mô hình thử hệ thống thử nghiệm thực tế - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 56. Mô hình thử hệ thống thử nghiệm thực tế (Trang 101)
Hình 4. Lưu đồ thuật toán cho các điểm đo Slave i - Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển tự động hoá có khả năng lập trình cho các hệ thống điều khiển công nghệ
Hình 4. Lưu đồ thuật toán cho các điểm đo Slave i (Trang 146)

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w