ứng dụng phần mềm labview lập trình giao tiếp với các đầu vào tương tự module ni usb 9215 thiết kế chương trình mô phỏng việc điều khiển và giám sát công đoạn sản phẩm cắt theo chiều dài

Ứng dụng phần mềm LabVIEW lập trình giao tiếp với các đầu vào tương tự module NI USB 9215.. Sự cấp thiết của đề tài Trong thời kỳ nền khoa học công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ ở n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

HẢI PHÒNG, 05/2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN SẢN XUẤT TÍCH HỢP

MÁY TÍNH

MÃ HỌC PHẦN: 13312

ĐỀ TÀI: a Ứng dụng phần mềm LabVIEW lập trình giao

tiếp với các đầu vào tương tự module NI USB 9215.

b Thiết kế chương trình mô phỏng việc điều khiển

và giám sát công đoạn sản phẩm cắt theo chiều dài.

Giảng viên: PGS.TS TRẦN SINH BIÊN

HẢI PHÒNG, 05/2023

i

là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cho nhóm chúng em để nhóm chúng em có thể hoànthành tốt bài tập lớn này Nguồn kiến thức mà thầy truyền đạt đó sẽ là tiền đề, hành trang để chochúng em có thể đi tiếp trên con đường phát triển sau này của sinh viên ngành Điện chúng em.

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, nhóm chúng em không thểtránh khỏi những sai sót, hạn chế Vậy nên nhóm chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đónggóp ý kiến của quý thầy cô để nhóm có thể hoàn thiện tốt hơn

Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy, cô!

Hải Phòng, ngày tháng năm 2023

Sinh viên thực hiện (Tất cả các SV)

MỞ ĐẦU

1 Sự cấp thiết của đề tài

Trong thời kỳ nền khoa học công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ ở nước ta hiện nay,nhu cầu tự động hóa cho các quy trình, dây chuyền sản xuất trong các nhà máy công nghiệp ngàycàng cao như lập trình, điều khiển và giám sát các công đoạn sản suất và ghi lại các số liệu trongquá trình sản xuất, từ đó có thể giúp cho doanh nghiệp tiết kiện được rất nhiều thời gian và nhâncông Do vậy, để đáp ứng được nhu cầu đó của con người thì việc thiết kế các module NI USB,lắp ráp, vận hành vận hành các thiết bị máy tính sao cho thật chính xác là một điều rất cần thiết

và là cả một vấn đề đáng để chúng ta quan tâm

Bộ môn Điều khiển sản xuất và tích hợp máy tính là một môn hết sức quan trọng đối vớisinh viên ngành Điện Bộ môn này cung cấp cho sinh viên nhiều kiến thức cần thiết về cácmodule NI USB, về cách thiết lập tín hiệu đầu vào, ra và sử dụng phần mềm LabView Qua đó,giúp cho sinh viên hiểu biết sâu sắc cũng như dễ dàng vận dụng kiến thức vào trong công việc,đời sống Đồng thời, bộ môn này cũng làm nền tảng, cơ sở để sinh viên tiếp cận các môn họckhác để hoàn thành chương trình kỹ sư điện tử

Đề tài “Ứng dụng phần mềm LabVIEW lập trình giao tiếp với các đầu vào tương tự

module NI USB 9215 và thiết kế chương trình mô phỏng điều khiển và giám sát công đoạn cắt sản phẩm theo chiều dài” được nghiên cứu nhằm củng cố kiến thức cho sinh viên, đồng thời cho

sinh viên chúng em thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức đã học ở trường với những ứngdụng thực tế bên ngoài

2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Chương 1: GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ

Chương 2: MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH

iii

CHUƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ

1 Module NI USB 9215

(4 AI, ±10 V, 16 Bit, 100 kS/s/ch Simultaneous)

NI 9215 là một module đầu vào tương tự được sử dụng với các hệ thống NICompactDAQ và CompactRIO Module này bao gồm 4 kênh đầu vào tương tự được lấymẫu đồng thời và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 bit với đăng ký xấp xỉ liên tiếp(SAR) NI 9215 chứa hiệu chuẩn được truy vấn từ NIST, một rào cản cách ly kép từ kênhđến mặt đất và dải điện áp chế độ thông thường cao

Tên sản

phẩm

Phạm vị tínhiệu

Sốkênh

Tốc độ lấymẫu

Độ phângiải Kết nối

NI 9215 ±10 V 4 100kS/s/ch 16-bit Đầu trục vít, đầucuối lò xo, BNC

Bảng 1.1: Bảng thông số module NI 9215

 Kết nối BNC hoặc bằng trục vít: là hai loại kếtnối khác nhau có thể sử dụng trên module NIUSB 9215

 Có bộ lọc chống aliasing: là một tính năng đểgiảm thiểu các hiện tượng sai và mất thông tinkhi chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu

số

 Có khả năng chịu được điện áp tối đa là 250Vrms khi sử dụng kết nối trục vít, 60 VDC khi

sử dụng kết nối BNC

 Có lớp cách ly từ kênh sang kênh

 CAT II: ứng dụng trong môi trường ngành điện

 CAT I: ứng dụng trong các môi trường thấp hơn

Hình 1.1 Module USB 9215

NI cung cấp hơn 100 module C Series cho các ứng dụng đo lường, điều khiển và truyềnthông Các module C Series có thể kết nối với bất kỳ cảm biến hoặc bus nào và cho phép đolường chính xác cao đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển tiêntiến

1.1 Mạch đầu vào

Hình 1.2: Sơ đồ chân module NI 9215

 Tín hiệu đầu vào trên mỗi kênh được đệm, điều kiện và sau đó được lấy mẫu bởiADC

 Mỗi kênh (AI) cung cấp một bộ khuếch đại theo dõi độc lập, cho phép bạn lấymẫu tất cả các kênh đồng thời

1.2 Thông số kĩ thuật NI 9215

Số kênh đầu vào 4 kênh

Độ phân giải ADC 16 bits

Loại ADC Thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR)

Phạm vi đầu vào ±10,0V

Dải điện áp đầu vào

Điện áp đo lường, AI+ đến

AI-Tối thiểu +10,2V

Điển hình ±10,4V

Điện áp tối đa ( Tín hiệu + Chế độ chung)

NI 9215 với đầu vít Mỗi kênh phải duy trì trong phạm vi ±10,2V chung

NI 9215 với thiết bị đầu

cuối lò xo Mỗi kênh phải duy trì trong phạm vi ±10,2V chung

NI 9215 với BNC Tất cả đầu vào phải duy trì trong phạm vi 10,2V của đầuvào AI- trung bình

Điều khiện đo lường Lỗi tăng Lỗi offset

Bảng 1.3 Độ chính xác

Sự ổn định

Độ trôi đạt được 10ppm/oC

Bù lệch 60µV/ oC

CMRR(fin=60) Tối thiểu 73dBBăng thông đầu vào

Tạp âm đầu vào

RMS 1.2 LSBrmsGiao tiếp gián tiếp 7 LSBXuyên âm -80 dB

Thời gian giải quyết ( đến 2 LSBS)

NI 9215 với đầu vít Bước 10V 10 μssBước 20V 15 μss

NI 9215 với thiết bị đầu cuối lò xoBước 10V 10 μssBước 20V 15 μss

NI 9215 với BNCBước 10V 25 μssBước 20V 35 μssKhông thiếu mã Đảm bảo 15 bit

Bảng 1.4 Độ ổn định

1.3 Yêu cầu về năng lượng

Điện năng tiêu thụ từ khung máy ( đầu vào thang đo, 100kS/s)

- Chế độ hoạt động : Tối đa 560 mW

kΩết thúc

Nhiệt độ đánh giá Tối thiểu 90oC

Mô-men xoắn cho các

thiết bị đầu cuối vít

0,5 Nm đến 0,6 Nm( 4,4 Ib inch đến 5,3 Ib inch)Đai sắt 0,25mm2 đến 2,5mm2

Hệ thống dây điện đầu cuối lò xoMáy đo Dây dẫn đồng 0,2mm2 đến 2,5 mm2

( 30 AWGΩ đến 12 AWGΩ) Chiều dài dải dây 10 mm (0,39 in)lớp cách nhiệt bị tước kΩhỏi

kΩết thúc

Nhiệt độ đánh giá Tối thiểu 90oC

Dây trên mỗi thiết bị đầu

cuối lò xo

Một dây trên mỗi thiết bị đầu cuối lò xo; hai dây

mỗithiết bị đầu cuối lò xo sử dụng ống sắt 2 dâyĐai sắt 0,25mm2 đến 2,5mm2

Bảo mật đầu nối

Loại bảo mật Mặt bích vít cung cấp

Mô-men xoắn cho mặt

bích vít 0.2 N · m (1.80 lb · in.)

Cân nặng

NI 9215 với đầu vít 150 g (5.3 oz)

NI 9215 với thiết bị đầu

cuối lò xo 138 g (4.9 oz)

NI 9215 với BNC 173 g (6.1 oz)

Bảng 1.5 Tính chất vật lý Module 9215

1.5 Điện áp an toàn đầu cuối

 NI 9215 với đầu vít và NI 9215 với lò xo

Chỉ kết nối các điện áp nằm trong các giới hạn sau

Kênh đến COM +30 V tối đa

Sựcách ly

Kênh đến kênh Không có

2 Giới thiệu phần mềm LABVIEW

6

AI+ đến AI- +30 V tối đa

Labview làm một phần mềm máy tính được tạo ra bởi National Instrument Nó được ứngdụng trong các phòng thí nghiệm với các lĩnh vực trong khoa học kĩ thuật như: tự động hóa,điều khiển, điện tử, cơ điện tử Và ứng dụng nhiều ở các nước có khoa học kĩ thuật pháttriển như Mỹ, Hàn Quốc, Nhật Bản…

Hình 1.3 Biểu tượng phần mềm LABVIEW

Ngôn ngữ của Labview sử dụng là lập trình khối đồ họa, từ đó giúp cho chương trình trựcquan và thuận tiện để các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới sử dụng như một công cụ trựcquan trong việc xây dựng các chương trình tự động hóa hệ thống đo lường và điều khiể Ngônngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền với điều khiển trên giao diện của người sử dụng, từ đó dễdàng tương tác với hệ thống labview đã trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các nhà khoa học và

kỹ sư trong việc xây dựng các hệ thống

- Các tín hiệu đo được với Labview:

Nhiệt độ, sức căng, độ rung, âm thanh, điện áp, dòng, tần số, ánh sáng, điện trở… cùng với việc thu thập tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như các cảm biến, webcam, động cơ…

- Khả năng hiển thị:

Labview xây dựng các giao diện lập trình một cách trực quan và thẩm mĩ hơn sovới các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab… Nó hiển thị dữ liệu bao gồm các chứcnăng: trực quan, tạo báo cáo và quản lý dữ liệu Bao gồm các công cụ trực quan giúp hiểnthị dữ liệu tiện dụng, trong đó các tiện ích có sẵn như vẽ biểu đồ và đồ thị cùng các công

cụ trực quan 2D, 3D đã được tích hợp sẵn Người dùng có thể hiệu chỉnh lại các thuộctính của phần hiển thị như màu sắc, kích thước, phông chữ, dạng đồ thị…

- Phương pháp điều khiển:

Labview được tích hợp nhiều công cụ và chức năng, từ đó giúp các kĩ sư lập trìnhđiều khiển tự động dễ dàng thực hiện và xây dựng các bài toán điều khiển Nó cho phépthực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic M một cách nhanh chóng thông quacác khối có sẵn trong Labview Ngoài ra nó cũng cho phép sử dụng kết hợp với các ngônngữ lập trình truyền thống như C, C++

- Giao tiếp với thiết bị ngoại vi:

Nó giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp, cụ thể làqua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI…

- Những khái niệm cơ bản của Labview:

Thiết bị ảo: Lập trình Labview được thực hiện với cơ sở là các thiết bị ảo Đối tượng

trong thiết bị ảo được sử dụng mô phỏng nên các thiết bị thực, nhưng được đưa vào bởiphần mềm Nó tương tự như các hàm trong lập trình bằng ngôn ngữ

Hình 1.4 Thiết bị ảo

Front Panel và Block Diagram: Labview bao gồm 2 thành phần chính: giao diện với

người sử dụng (Front Panel) và giao diện sơ đồ khối (Block Diagram) cùng các biểu tượng hình khối để kết nối lại với nhau

8

Hình 1.5 Front Panel

 Front Panel: là một bảng điều khiển tương tự như bảng điều khiển của thiết bị thực.

Như các nút bấm, nút bật, các đồ thị và các bộ điều khiển Từ bảng điều khiển nàyngười dùng có thể thực hiện chạy và quan sát các kết quả mô phỏng thông qua chuột

và bàn phím Trên Front Panel thường gồm các bộ điều khiển và bộ hiển thị

Hình 1.6 Block Diagram

 Block Diagram: là một sơ đồ được xây dựng trong môi trường Labview, bao gồm

nhiều đối tượng và hàm khác nhau để tạo các cấu trúc lệnh thực hiện chương trình.Các đối tượng trên Front Panel được thể hiện thông qua các thiết bị đầu cuối trênBlock Diagram, vậy nên không thể loại bỏ các thiết bị trên Block Diagram Cấu trúccủa nó bao gồm các thiết bị đầu cuối, nút ấn và các dây nối

Tools Palette

Hình 1.7 Tool Palette

 Tool Palette: là công cụ xuất hiện trên cả Front Panel và Block Diagram Nó cho

phép người sử dụng có thể hiệu chỉnh các chế độ làm việc của con trỏ chuột Khilựa chọn một công cụ, biểu tượng của con trỏ sẽ được thay đổi theo biểu tượng củacông cụ đó Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chọn công cụ và người sử dụng dichuyển con trỏ qua các đối tượng trên Front Panel hoặc Block Diagram, LabVIEW

sẽ tự động lựa chọn công cụ phù hợp trên bảng Tools Palette

Control palette

Bảng điều khiển chỉ xuất hiện trên Front panel Nóchứa các bộ điều khiển (control) và các bộ hiển thị(Indicator) được minh họa như hình Để mở bảngcontrols palette ta vào menu View, chọn controlspalette

Bảng điều khiển được sử dụng để người dùng thiết

kế cấu trúc hiển thị bao gồm các thiết bị như: côngtắc, đèn, màn hình hiển thị… Với bảng điều khiểnnày, người sử dụng có thể chọn các bộ thiết bị dohãng sản xuất cung cấp Bảng điều khiển dùng đểcung cấp dữ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầura

Hình 1.8 Control palette

Function Palette: Bảng Functions Palette chỉ xuất hiện trên Block Diagram Bảng này

chứa các VI và các hàm mà người sử dụng thiết kế để tạo dựng nên các khối chươngtrình Với bảng này, người lập trình thực hiện các lệnh khác nhau bằng việc lắp ghép

10

các khối như: các phép tính số học, các biểu thức toán học, các vòng lặp, phép lựachọn… các chức năng đã được cung cấp trong các khối, bên cạnh đó bảng này có thểtạo ra và sử dụng các hàm, chức năng mà người sử dụng tự xây dựng Các hàm đượcminh họa thông qua các biểu tượng Khi muốn thực hiện một hàm nào đó thì ngườidùng chọn biểu tượng thể hiện cho hàm đó và có thể kéo thả đến bất kỳ vị trí nào trênBlock Diagram sau đó nối các đầu dây xác định những đầu vào và đầu ra cần thiết.

Hình 1.9 Function palette

3 Giới thiệu bo mạch chính dùng để kết nối với máy tính

Thông số phần cứng

 Vi điều khiển : Atmega328 (sử dụng trên Arduino Uno)

 Điện áp hoạt động : 5V

 Điện áp vào : 7 -12V

 Điện áp vào giới hạn : 6-20V

 Ngõ vào ra số (Digital I/O) : 14

Hình 1.11: Sơ đồ chân của Arduino Uno

Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển

Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch được trang bị các bộ chânđầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau MạchArduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trênnền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…)

- Năng lượng:

 LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13 Khi

chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp(LOW)

 VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).

 5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).

 3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).

 GND: Là chân mang điện cực âm trên board.

 IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể đọc

điện áp trên chân IOREF Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn

- Các chân đầu vào ra:

Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào và đầu

ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Giá trị điện áptrên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-

50 ohm Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp gâyhỏng board mạch

Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:

 Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu

(TX) TTL

 Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.

12

 PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng

hàm analogWrite ()

 SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Các chân này hỗ trợ giao tiếp

SPI bằng thư viện SPI

 LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13 Khi

chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp(LOW)

 TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị

khác

Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 - A5, đầu vào cung cấp độ phân giải là 10 bit.

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH

2 Lập trình giao tiếp với Module NI 9215

2.1 Ứng dụng phần mềm Labview lập trình giao tiếp với Module NI 9215

Module NI 9215 gồm 4 đầu vào analog từ AI0 – AI3 độ phân giải 16bit với dải tín hiệu cho phép hoạt động trong khoảng ±10V

Mô phỏng quá trình:

 Đọc điện áp đầu vào NI 9215 hiển thị trên máy tạo sóng và đồng hồ đo

 Đọc giá trị áp suất hiển thị trên máy tạo sóng và đồng hồ đo

 Đọc giá trị tốc độ quay hiển thị trên máy tạo sóng và đồng hồ đo

 Đọc giá trị nhiệt độ hiện thị trên máy tạo sóng và nhiệt kế

Từ việc nghiên cứu datasheet của vi mạch cũng như dựa vào kiến thức đã họcthông qua phần mềm Labview ta có được chương trình mô phỏng như hình 2.1 và 2.2:

Hình 2.1 Kết quả mô phỏng tổng thể (Front Panel)

14