Báo cáo: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM TRA THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG HOÁ” doc

1 BKH & CN Viện CNTT VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03.13 “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM TRA THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG HOÁ” Chủ nhiệm đề tài: PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát Hà Nội, 12-2004 Bản quyền 2004 thuộc Viện Công nghệ thông tin 2 VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03.13 “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM TRA THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG HOÁ” Chủ nhiệm đề tài: PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát Hà Nội, 12-2004 Bản quyền 2004 thuộc Viện Công nghệ thông tin 3 Danh sách những người thực hiện chính A Chủ nhiệm đề tài PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin B Cán bộ tham gia nghiên cứu 2 KS. Phan Minh Tân Viện Công nghệ Thông tin 3 ThS. Trần Việt Phong Viện Công nghệ thông tin 4 ThS. Phạm Ngọc Minh Viện Công nghệ Thông tin 5 6 KS. Chu Ngọc Liêm KS. Nguyễn Xuân Hoàng Viện Công nghệ Thông tin Viện Công nghệ Thông tin 7 ThS. Vũ Sĩ Thắng Viện Công nghệ Thông tin 8 KS. Bùi Thị Thanh Quyên Viện Công nghệ thông tin 9 NCS. Bùi Trọng Tuyên Viện Vật lý 10 NCS. Nguyễn Trần Hiệp Học Viện KTQS 4 BÀI TÓM TẮT Đề tài KC03.13 “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị tự động đo lường và kiểm tra thông minh phục vụ cho các dây chuyền sản xuất Tự động hóa” nhằm mục đích thiết kế và chế tạo các thiết bị đo lường và kiểm tra thông minh thay cho nhập ngoại. Đề tài nghiên cứu các phương pháp khoa học và phát triển các công nghệ nền tạo ra các sản phẩm đo và đ iều khiển mới mang thương hiệu Việt Nam phục vụ cho các dây chuyền sản xuất. Ngoài ra mục tiêu của đề tài còn nhằm vào việc quảng bá các công nghệ mới cho cộng đồng tự động hóa Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu của đề tài bao gồm các khâu khảo sát, nghiên cứu nguyên lý và đề xuất các phương pháp xử lý, nghiên cứu các công nghệ nền, thiết kế và chế tạo sản phẩm, thử nghiệm tiêu chuẩn sả n phẩm, và triển khai ứng dụng thử nghiệm sản phẩm vào thực tiễn. Thiết kế sản phẩm bao gồm thiết kế hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Nghiên cứu làm chủ các công nghệ nền như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ PC/104, m ạng nhúng và lập trình thời gian thực, áp dụng vào chế tạo thử nghiệm các sản phẩm mẫu. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm và đánh giá chất lượng tại Cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực tiễn qua các hợp đồng kinh tế. Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm: • Công bố trên 20 công trình nghiên cứu tại các hội nghị quốc gia và quốc tế. • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm: - Thiết bị đo điều khiển xa qua mạng Ethernet EDDK - Thiết bị giao diện với người vận hành ETS qua m ạng Ethernet - Chương trình EMON đo lường thu thập dữ liệu và kiểm tra xa trên cơ sở mạng Ethernet - Đầu đo mực nước liên tục từ xa WLM - Thiết bị xử lý thu thập tín hiệu mực nước 5 - Hệ thống nhận dạng ổn định bệ bám đối tượng sử dụng cảm biến ảnh VICON - Máy đo công suất vạn năng - Hệ thống đo quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp - Đào tạo 2 NCS và 2 Thạc sỹ và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình TĐH KC-03 và Bộ Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như sau: - Tập thể nghiên cứu của đề tài đã duy trì được truyền thống luôn đi tắt, đón đầu và đưa công nghệ nền mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào Việt Nam: giai đoạn 1991-1995: Công nghệ PLC; giai đoạn 1996-2000; Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2004; Công nghệ tạo chip PSoC. Sản phẩ m đo nhiệt độ, dộ ẩm sử dụng công nghệ PSoC trong hệ thống đo quan trắc môi trường của đề tài đã đoạt giải thưởng lớn “Grand Prize” trong cuộc thi quốc tế về thiết kế chip cho các thiết bị đo lường và điều khiển. Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài không thua kém các đồng nghiệp trên thế giới. - Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tao ra các sản phẩm có hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình. - Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị quốc gia, quốc tế, tạp chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp ti ếp cận các thông tin và công nghệ mới. 6 MỤC LỤC - Trang nhan đề 1 - Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 2 - Bài tóm tắt 4 - Mục lục PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 6 1. Lời mở đầu 9 2. Nội dung chính của báo cáo 13 2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 13 2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 17 2.3. Những nội dung đã thực hiện 20 2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết 20 2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới 25 2.3.2.1. Nghiên cứu thiế t kế và chế tạo hệ thống đo liên tục, thu thập xử lý mức nước từ xa bằng phương pháp số 26 a. Đầu đo mức nước 26 b. Thiết bị thu thập tín hiệu mực nước từ xa 32 c. Chương trình kết nối PC Water 1.0 34 2.3.2.2. Hệ thống thiết bị đo và điều khiển xa qua mạng Ethernet 36 a. Thiết bị đo và điều khiển xa EDDK 39 b. Thiết bị giao diện với người vận hành ETS 41 c. Chương trình EMON 43 2.3.2.3. Hệ thống VICON 49 a. Mô tả lý thuyết hệ thống VICON 49 b. Phần mềm nhận dạng và xử lý ảnh trong hệ thống VICON 55 2.3.2.4. Nghiên cứu phát triển và chế tạo máy đo công suất vạn năng 60 a. Mô tả hoạt động máy đo công suất vạn năng PMM100 60 b. Phần mềm nhúng của thiết bị PMM1000 65 7 c. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị PMM100 68 2.3.2.5. Hệ thống đo quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp 70 a. Máy tính chủ với chương trình EVIEW 71 b. Thiết bị đầu cuối RTU c. Hệ điều hành và phần mềm RTU 73 75 2.4. Tổng kết hoá và đánh giá kết quả thu được 76 3. Kết luận và kiến nghị 77 4. Lời cảm ơn 78 5. Tài liệu tham khảo 79 8 PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 9 1. LỜI MỞ ĐẦU Đề tài KC.03.13 “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị tự động đo lường và kiểm tra thông minh phục vụ cho các dây chuyền sản xuất Tự động hóa” thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ” KC.03 do PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát là chủ nhiệm đề tài và Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì. Đề tài được thực hiện trong vòng 36 tháng, từ tháng 10/2001 đến tháng 10/2004. Mục tiêu của đề tài nhằm: - Thiết kế và chế tạo các thiết bị đo lường và kiểm tra thông minh thay thế nhập ngoại - Nghiên cứu phát triển các phương pháp, thuật toán xử lý và cấu trúc hệ thống của các thiết bị, hệ thống đo lường thông minh - Phát triển đội ngũ khoa học công nghệ, tăng cường nội lực về lĩnh vực thiết kế, chế tạ o và ứng dụng các thiết bị, hệ thống đo lường và kiểm tra thông minh Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo liên tục, thu thập xử lý mức nước từ xa bằng phương pháp số Mục tiêu của nội dung này nhằm phát triển được thiết bị đo có chức năng không kém thiết bị nhập ngoại nhưng với giá thành rẻ hơn. Thiết bị bao gồm đầu đo mực nước kèm bộ truyền dữ liệu, hiển th ị và có khả năng kết nối PC. Nội dung mới của sản phẩm này ở chỗ đưa ra được cấu trúc đầu đo mực nước mới đảm bảo độ chính xác, có phần xử lý và truyền dữ liệu đo dạng số nhúng trong đầu đo. Phần xử lý hiển thị sử dụng công nghệ tạo chip chuyên dụng với các thuật toán lọc số cứng mềm k ết hợp các thuật xử lý suy diễn đảm bảo số liệu đo chính xác trong điều kiện nhiễu hiện trường. Với công nghệ tạo chip PSoC đề tài đã thiết kế và tạo ra các chip chuyên dụng cho cả đầu đo và thiết bị xử lý, hiển thị. - Hệ thống đo và kiểm tra các dây chuyền sản xuất qua mạng Ethernet Mục tiêu của nội dung này nhằm thiết kế và chế t ạo được hệ thống mạng nhúng đo kiểm tra và điều khiển dây chuyền sản xuất sử dụng công nghệ mạng Ethernet. Hệ thống bao gồm thiết bị đo xa đa kênh EDDK có khả năng xử lý 10 mạnh; thiết bị giao diện với người vận hành ETS và chương trình kiểm soát trên máy chủ EMON. Tính mới của hệ thống là tạo được các thiết bị nhúng đo và điều khiển đa kênh kết nối qua mạng Ethernet và giao thức TCP/IP có khả năng tính toán các thuật xử lý phức tạp, có độ bền chắc hoạt động trong môi trường công nghiệp với kích thước gọn nhẹ tốn ít năng lượng và giá thành rẻ hơn nhập ngoại. Hệ thống phần mềm nhúng và phần mềm giao diện với người vận hành cho phép người sử dụng thích ứng với các ứng dụng riêng của mình một cách dễ dàng. - Nghiên cứu phát triển cảm biến ảnh cho các hệ thống đo và điều khiển. Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng cảm biến ảnh, camera tạo nên thị giác cho các thiết bị đ o và điều khiển. Sản phẩm thử nghiệm là hệ thống Visual servoing VICON sử dụng camera để điều khiển bệ bám mục tiêu di động. Nội dung mới ở đây bao gồm tích hợp được bệ điều khiển camera bám mục tiêu hai hướng góc tà và phương vị (Pan-Tilt) có các thuật toán xử lý ảnh số nhanh, phương pháp định vị vật di động trong không gian từ dữ liệu ảnh, phương pháp điều khiển bám trên cơ sở phản hồi hình ảnh. - Nghiên cứu chế tạo máy đo công suất vạn năng. Mục tiêu của nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra máy đo công xuất vạn năng đo được các thông số U, I, P, Q, f, kWh sử dụng công nghệ cao thay thế nhập ngoại. Kết quả đạt được đã cho ra một mẫu mới với công nghệ chip đo năng lượ ng chuyên dụng của hãng Analog Device kết hợp với chip xử lý hiển thị được đề tài nghiên cứu phát triển theo công nghệ PSoC có giá thành rất cạnh tranh chỉ bằng 50% thiết bị nhập ngoại. - Nghiên cứu chế tạo hệ thống quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp. Vấn đề cảnh báo và bảo vệ môi trường là vấn đề bức xúc đang được nhà nước rất quan tâm. Mục tiêu của nội dung này nhằm thiết k ế hệ thống đo và thu thập các thông số ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm không khí và độ ồn trong xí nghiệp công nghiệp. Các giá trị đo ở các điểm đo xa được truyền về máy tính xử lý trung tâm và được tính toán xử lý, cảnh báo lưu trữ bằng chương trình phần mềm chạy trên môi trường Windows [...]... có chơng trình tạo môi trờng và các chức năng TCP/IP trên DOS và th viện các thuật điều khiển - Chơng trình giao diện kiểm soát trên máy chủ EMON có khả năng hội thoại và nhận dữ liệu của nhiều thiết bị đo xa đa kênh EĐĐK cũng qua mạng Ethernet Chơng trình có giao diện thân thiện với ngời sử dụng cho phép phát triển các ứng dụng toàn cục cũng nh thay đổi chơng trình xử lý cho từng thiết bị EĐĐK Mạng... bao gồm: - Thiết bị đo và điều khiển xa đa kênh EĐĐK có khả năng nối ghép trực tiếp với các đầu đo công nghiệp nh Pt100, mV hoặc qua các chuẩn 4-20mA, 0-10V, khả năng xử lý tín hiệu mạnh và phần mềm xử lý tính toán có thể thay đổi, nạp lại từ xa qua mạng Ethernet tốc độ 10-100MHz - Thiết bị EĐĐK đợc chế tạo trên công nghệ nhúng PC/104, có dung lợng bộ nhớ RAM, bộ nhớ FLASH lớn và có khả năng kết nối mạng... Mb/s Đầu đo Đầu đo EK # 32 Đầu đo EMON # 1 EMON # 4 Hỡnh 8: H thng o v iu khin xa qua mng Ethernet - Phần mềm EMON đợc phát triển chạy trên máy PC có đủ các chức năng thu thập xử lý dữ liệu của các EĐĐK từ xa Ngoài ra, nó có thể thay đổi, nạp lại các chơng trình xử lý tại chỗ của các EĐĐK - Các máy tính EMON cài hệ điều hành Win98 trở lên sử dụng giao thức TCP/IP Ngày nay các nhà sản xuất đã cho ra... 3m Điện dung của đầu đo đợc tính theo công thức sau: (xem hình 2) C o = 2 o L L R ln( ) r (1) L - độ dài của đầu đo; l - độ dài của đầu đo ngập trong nớc R, r - bán kính ống ngoài và bán kính ống trong của đầu đo; o - hằng số điện môi; Hình 2 Các thông số của đầu đo Nếu đặt: Ko = 2 o R ln( ) r (2) Co = K o L điện dung của đầu đo sẽ là: Nh chúng ta đã biết, khi đầu đo đợc nhúng vào trong nớc, hằng số... mụ t trong hỡnh 6 Hiển thị 7 Segment Các phím chức năng 4 Mb RAM Bộ chuyển đổi RS232-RS485 Digital I/O CPU 386 Realtek đến đầu đo Ethernet Nguồn nuôi 8 Mb FLASH RS232 90-240 VAC Hỡnh 6 S khi thit b thu thp x lý tớn hiu o mc nc Cỏc phớm chc nng v t cỏc ch o Hiển thị số liệu đo Công tắc nguồn RS232 Chốt cấp nguồn và truyền số liệu RS485 Chốt bắt dây đất cho thiết bị Nguồn nuôi 220V/50 Hz Hỡnh 7 S u... Thụng bỏo Khoa hc, Hi ngh ton quc ln th 5 v T ng hoỏ-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 31-36 4 Phm Ngc Minh, Phan Minh Tõn, Thit k v phỏt trin chng trỡnh giao din EMON cho h thng o v iu khin mng Ethernet Tuyn tp Thụng bỏo Khoa hc, Hi ngh ton quc ln th 5 v T ng hoỏ-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 162-167 5 Phan Minh Tõn, V S Thng, Phm Ngc Minh, Phm Thng Cỏt, Nghiờn cu phỏt trin h thng o v iu khin nhỳng trờn c s... 14/5/2004, Trang 7479 2 Phan Minh Tõn, Phm Thng Cỏt, V S Thng Nghiờn cu thit k v ch to CHIP cho u o mc nc K yu Hi ngh C in t ton quc ln th II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 141146 3 Phan Minh Tõn, Nguyn Xuõn Hong, Bựi Th Thanh Quyờn, Phm Thng Cỏt Nghiờn cu thit k v ch to thit b o nhit , m v im sng THDP-1 s dng cụng ngh PSoC K yu Hi ngh C in t ton quc ln th II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 151158 4 Phm Thng Cỏt, Phan Minh. .. thut lc, x lý c thự 17 b H thng o lng v kim tra thụng minh cỏc dõy chuyn sn xut t ng húa Cỏc dõy chuyn sn xut cú nhu cu tt yu v o lng v kim tra cỏc thụng s v trng thỏi ca h thng Cỏc dõy chuyn sn xut cú t ụng hoỏ cao cng cn n cỏc thit b v h thng o kim tra thụng minh, c kt ni mng cú kh nng x lý nhiu s liu o t nhiu cm bin nhiu v trớ khỏc nhau Cỏc thit b o kim tra xa hin hnh thng s dng chun truyn ni tip... trong cỏc h thng o lng thụng minh - Cỏc phng phỏp hc - Cỏc phng phỏp ra quyt nh trong o lng Cỏc nghiờn cu ny c trin khai mnh cỏc trng i hc v Vin nghiờn cu trờn th gii Vic x lý thụng tin a cm bin kt hp vi cỏc nghiờn cu v trớ khụn nhõn to ang m ra mt th h mỏy o, u o thụng minh cú kh nng kt ni mng v trao i thụng tin vi nhau nh nhng thc th thụng minh Cỏc phng phỏp x lý thụng minh cho cỏc thit b h thng o lung... cỏc thit b h thng o lung cũn rt nhiu vn cn gii quyt v phng phỏp lun, v cụng ngh, v tc x lý cho cỏc ng dng c th Vi nghiờn cu sõu v lnh vc ny ta cú th cho ra i cỏc thit b, h thng o cú phn giỏ tr gia tng, phn x lý thụng minh ca mỡnh Cỏc cụng ngh c ỏp dng trong cỏc thit b o kim tra thụng minh, cỏc u o thụng minh hin nay bao gm: - K thut vi x lý (microprocessor, monochip ) - Cụng ngh x lý tớn hiu s DSP . KC03.13 “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị tự động đo lường và kiểm tra thông minh phục vụ cho các dây chuyền sản xuất Tự động hóa” nhằm mục đích thiết kế và chế tạo các thiết bị đo lường. thống đo lường và kiểm tra thông minh các dây chuyền sản xuất tự động hóa Các dây chuyền sản xuất có nhu cầu tất yếu về đo lường và kiểm tra các thông số và trạng thái của hệ thống. Các dây chuyền. ĐỀ TÀI KC.03.13 “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐO LƯỜNG VÀ KIỂM TRA THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG HOÁ” Chủ nhiệm đề tài: PGS.TSKH.