Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÒNG, 05/2023
Trang 2TRƯỜNG 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 HỢPMÁY 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
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình làm bài tập lớn, nhóm chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.
Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Sinh Biên đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này Nhóm chúng em xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất đến với thầy, thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cho nhóm chúng em để nhóm chúng em có thể hoàn thành tốt bài tập lớn này Nguồn kiến thức mà thầy truyền đạt đó sẽ là tiền đề, hành trang để cho chúng 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 thể tránh khỏi những sai sót, hạn chế Vậy nên nhóm chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp 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)
Trang 4MỞ ĐẦU1 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 ngày càng cao như lập trình, điều khiển và giám sát các công đoạn sản suất và ghi lại các số liệu trong quá trình sản xuất, từ đó có thể giúp cho doanh nghiệp tiết kiện được rất nhiều thời gian và nhân công 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 với sinh viên ngành Điện Bộ môn này cung cấp cho sinh viên nhiều kiến thức cần thiết về các module 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 học khác 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 cắtsản 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 ứng dụng thực tế bên ngoài
2 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu
Ứng dụng phần mềm labivew lập trình giao tiếp với các đầu vào tương tự của module NI USB 9215
Thiết kế chương trình mô phỏng điều khiển và giám sát công đoạn cắt sản phẩm theo chiều dài
Đối tượng nghiên cứu: Module NI USB 9215
Hệ thống dây chuyền cắt sản phẩm theo chiều dài
3 Bố cục đề tài
Đồ án gồm ba nội dung chính:
Chương 1: GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ Chương 2: MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH
iii
Trang 5CHUƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ1 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 NI CompactDAQ và CompactRIO Module này bao gồm 4 kênh đầu vào tương tự được lấy mẫu 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 kênh đến mặt đất và dải điện áp chế độ thông thường cao.
Kết nối BNC hoặc bằng trục vít: là hai loại kết nối khác nhau có thể sử dụng trên module NI USB 9215
Có bộ lọc chống aliasing: là một tính năng để giảm thiểu các hiện tượng sai và mất thông tin khi chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số
Có khả năng chịu được điện áp tối đa là 250 Vrms 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 truyền thông Các module C Series có thể kết nối với bất kỳ cảm biến hoặc bus nào và cho phép đo lường chính xác cao đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển tiên tiến.
1.1 Mạch đầu vào
Trang 6Hình 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 bởi ADC.
Mỗi kênh (AI) cung cấp một bộ khuếch đại theo dõi độc lập, cho phép bạn lấy mẫu 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
Trang 7Điều khiện đo lường Lỗi tăng Lỗi offset
Trang 9Bảng 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
Đấu dây đầu cuối vít
Máy đo 0,2mm2 đến 2,5 mm2 ( 26 AWGΩ đến 14 AWGΩ) dây dẫn đồng
Chiều dài dải dây 13 mm (0,51 in)lớp cách nhiệt bị tước kΩhỏi 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 xo
Máy 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
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)
Trang 10NI 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
Loại đo lường II dành cho các phép đo được thực hiện trên các mạch được kết nối trực tiếp với hệ thống phân phối điện Thể loại này đề cập đến phân phối điện cấp địa phương, chẳng hạn như được cung cấp bởi một ổ cắm tường tiêu chuẩn.
Phép đo Loại I dành cho các phép đo được thực hiện trên các mạch không được kết nối trực tiếp với hệ thống phân phối điện được gọi là điện áp MẠNG MAIN là một hệ thống cung cấp điện trực tiếp nguy hiểm cung cấp năng lượng cho thiết bị Loại này dùng để đo điện áp từ các mạch thứ cấp được bảo vệ đặc biệt Các phép đo điện áp như vậy bao gồm các mức tín hiệu, thiết bị đặc biệt, các bộ phận năng lượng hạn chế của thiết bị, mạch được cung cấp bởi các nguồn điện áp thấp được điều chỉnh và thiết bị điện tử.
2 Giới thiệu phần mềm LABVIEW
AI+ đến AI- +30 V tối đa
Trang 11Labview làm một phần mềm máy tính được tạo ra bởi National Instrument Nó được ứng dụng 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 phát triển 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 trực quan và thuận tiện để các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới sử dụng như một công cụ trực quan trong việc xây dựng các chương trình tự động hóa hệ thống đo lường và điều khiể Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền với điều khiển trên giao diện của người sử dụng, từ đó dễ dàng 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 so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab… Nó hiển thị dữ liệu bao gồm các chức năng: trực quan, tạo báo cáo và quản lý dữ liệu Bao gồm các công cụ trực quan giúp hiển thị 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 thuộc tính 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 trình điều khiển tự động dễ dàng thực hiện và xây dựng các bài toán điều khiển Nó cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic M một cách nhanh chóng thông qua các khối có sẵn trong Labview Ngoài ra nó cũng cho phép sử dụng kết hợp với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++
Trang 12- Giao tiếp với thiết bị ngoại vi:
Nó giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp, cụ thể là qua 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 bởi phần 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
Trang 13Hình 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 này người 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 trên Block Diagram, vậy nên không thể loại bỏ các thiết bị trên Block Diagram Cấu trúc của nó bao gồm các thiết bị đầu cuối, nút ấn và các dây nối
Tools Palette
Trang 14Hình 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 Khi lựa chọn một công cụ, biểu tượng của con trỏ sẽ được thay đổi theo biểu tượng của công cụ đó Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chọn công cụ và người sử dụng di chuyển 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 Nó chứa các bộ điều khiển (control) và các bộ hiển thị (Indicator) được minh họa như hình Để mở bảng controls palette ta vào menu View, chọn controls palette.
Bảng điều khiển được sử dụng để người dùng thiết kế cấu trúc hiển thị bao gồm các thiết bị như: công tắc, đèn, màn hình hiển thị… Với bảng điều khiển này, người sử dụng có thể chọn các bộ thiết bị do hãng sản xuất cung cấp Bảng điều khiển dùng để cung cấp dữ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầu ra.
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 chương trình Với bảng này, người lập trình thực hiện các lệnh khác nhau bằng việc lắp ghép
10
Trang 15các khối như: các phép tính số học, các biểu thức toán học, các vòng lặp, phép lựa chọn… các chức năng đã được cung cấp trong các khối, bên cạnh đó bảng này có thể tạo ra và sử dụng các hàm, chức năng mà người sử dụng tự xây dựng Các hàm được minh họa thông qua các biểu tượng Khi muốn thực hiện một hàm nào đó thì người dùng chọn biểu tượng thể hiện cho hàm đó và có thể kéo thả đến bất kỳ vị trí nào trên Block 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
Trang 16Hình 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 chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền 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 áp trên 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 gây hỏng 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
Trang 17 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
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