www.tinhgiac.com bai giang do luong dieu khien may tinh 1

04/10/2013 Chương Khái niệm chung MÁY TÍNH TRONG ĐiỀU KHIỂN Q TRÌNH MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC CHƯƠNG Hoạt động máy tính số Tổng quan hệ thu thập liệu điều khiển Hệ thống Nội dung 2.1 Giới thiệu hệ DAQ 2.2 Cấu hình hệ DAQ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy tính 04/10/2013 2.1 GIỚI THIỆU Định nghĩa: thu thập liệu (data acquisition) trình mà tín hiệu vật lý từ giới thực chuyển thành tín hiệu điện để đo lường chuyển sang tín hiệu số cho q trình xử lý, phân tích lưu trữ máy tính Trong hầu hết ứng dụng, hệ thu thập liệu (Data Acquisition (DAQ)System) thiết kế để thu thập liệu mà chức điều khiển Vì nói hệ DAQ thường hàm ý chức điều khiển (Data Acquisition and Control) 2.1 GIỚI THIEÄU (Cont’) Các thành phần hệ DAQ Một hệ DAQ xây dựng sở sức mạnh máy tính bao gồm nhiều khối phần cứng từ nhà sản xuất khác Nhiệm vụ nhà tích hợp kết hợp khối phần cứng thành hệ thống hoàn chỉnh Các thành phần hệ DAQ : Cảm biến chuyển đổi Dây nối truyền thơng Khối xử lý tín hiệu Phần cứng thu thập liệu PC (hệ điều hành) Phần mềm thu thập liệu 2.1 GIỚI THIỆU (Cont’) Chức khối: Chuyển đổi cảm biến Bộ chuyển đổi cảm biến cung cấp kết nối (thực) giới thực hệ DAQ nhờ vào việc chuyển đổi đại lượng vật lý sang tín hiệu điện mà xử lý tín hiệu và/hoặc hệ DAQ chấp nhận Các chuyển đổi sử dụng cho hầu hết phép đo vật lý cung cấp tín hiệu điện tương ứng Ví dụ: cặp nhiệt, nhiệt điện trở IC nhiệt chuyển đổi nhiệt độ sang tín hiệu điện analog, đo lưu lượng (flow meter) cung cấp tín hiệu chuỗi xung có tần số phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy Trong trường hợp trên, tín hiệu điện đầu tỉ lệ với đại lượng vật lý đo lường theo quan hệ định trước 2.1 GIỚI THIỆU (Cont’) Dây nối cáp truyền thông: Dây nối: Liên kết ngõ chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu từ khối xử lý tín hiệu đến PC khối xử lý tín hiệu cách xa PC Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC chuẩn truyền tín hiệu RS-232 RS-485 : cáp truyền thông Đây thường thành phần cồng kềnh hệ thống thường dễ chịu tác động nhiễu bên đặc biệt mơi trường khắc nghiệt cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu 2.1 GIỚI THIỆU (Cont’) Chức khối: (cont’) Khối xử lý tín hiệu: Tín hiệu điện đầu cảm biến cần chuyển sang dạng thích hợp, chấp nhận phần cứng khối thu thập liệu, đặc biệt chuyển đổi A/D Các nhiệm vụ khối là: Lọc Khuyếch đại Tuyến tính hóa Cách ly Kích thích 04/10/2013 Chức khối: (cont’) Phần cứng thu thập liệu: Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ phân tích Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thơng tin q trình hệ thống Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển hệ thống hay q trình Xuất tín hiệu điều khiển dạng số Chức khối: (cont’) Phần cứng thu thập liệu (cont’): Phần cứng thu thập liệu tồn nhiều hình thức khác từ nhiều nhà sản suất, là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent stand-alone loggers and controllers (loại định cấu hình, quan sát điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoạt động độc lập), thiết bi độc lập từ xa điều khiển định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488 Chức khối: (cont’) Phần mềm thu thập liệu: có ba lựa chọn Đọc xuất liệu trực tiếp dùng: assembly, ngôn ngữ cấp cao Pascal, C/C++… Dùng driver kèm với phần cứng cung cấp nhà sản xuất Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập liệu để thực tất nhiệm vụ yêu cầu cho ứng dụng cụ thể PC: ảnh hưởng lớn đến tốc độ thu thập xử lý liệu 2.2 Điều khiển phân cấp tích hợp hệ thống Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào: Khoảng cách từ PC đến sensor thiết bị đo lường Đây yếu tố quan trọng lý chính: Thứ lường nhất, phải dùng dây dài từ PC đến cảm biến tốn nhiều kinh phí đặc biệt hệ thống lớn Thứ hai, đơn vị chiều dài dây nối tăng thêm đồng thời tăng nhiễu tác động lên phép đo Gắn hệ PC gần nguồn tín hiệu giảm nhiễu khoảng cách truyền Khả di động (có thể di chuyển) hệ thống thống Một số hệ thống yêu cầu phải di chuyển nhiều vị trí khác Các thiết bị dễ mang theo cung cấp dạng đóng gói gọn nhẹ thích hợp u cầu di chuyển Cấu hình hệ DAQ Việc lựa chọn cấu hình hệ DAQ (cnt’) Số lượng kênh I/O I/O Việc chọn cấu hình DAQ cần dựa vào số lường I/O cần sử dụng Hầu hết PC có vài khe I/O nhiên có PC đặc biệt với số lượng I/O mở rộng nhiều Sự lỗi thời PC PC Vì cơng nghệ PC thay đổi nhanh nên cần ý khả thay phần cứng PC hệ, nên cân nhắc hệ DAQ có dùng PC external box Máy tính chủ Cần ý đặc điểm giao tiếp mở rộng máy tính trung tâm để chọn cấu hình DAQ thích hợp Giá Tốc độ 2.3 Cấu hình hệ DAQ Các cấu hình thơng dụng hệ DAQ: Vào/ra chỗ (tập trung) với PC Vào/ra phân tán Các thu thập liệu điều khiển độc lập phân tán Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488 04/10/2013 Vào/ra tập trung Các mạch vào/ra tập trung cắm trực tiếp vào máy tính qua bus mở rộng Đặc điểm: nhỏ gọn, tốc độ thu thập liệu điều khiển nhanh nhất, chi phí thấp thường dùng Thường sử dụng ứng dụng mà PC gần cảm biến cấu chấp hành Vào/ra tập trung (cont’) Vào/ra tập trung (cont’) PD2PD2-AOAO-16/16 ( Card PCI có 16 kênh, 16bit tốc độ 100kS/s cho kênh tương tự Dùng cho khe cắm PCI 16 kênh analog với độ phân giải 16bit ngõ vào số, ngõ số Ba ngõ vào ngắt/clock, timer/counter 24 bit Dạng sóng độc lập kênh Cập nhật đồng thời kênh, chức cập nhật theo kiện bên 2k nhớ đệm onboard (upgradable to 64k samples) Vào/ra tập trung (cont’) Sơ đồ vào/ra tập trung: Vào/ra tập trung (cont’) Vào/ra phân tán Sensor cấu chấp hành thường xa PC, thường môi trường sản xuất CN, cảm biến cấu chấp hành môi trường khắc nghiệt bao phủ diện tích rộng cách xa PC hàng trăm mét Trong mơi trường có nhiễu, khó nhận tín hiệu nhỏ từ cảm biến cặp nhiệt, strain gauge qua đường truyền dài Dây nối từ sensor PC dài tốn Giải pháp: Vào/ra phân tán, nghĩa module xử lý tín hiệu đặt gần sensor tương ứng Mỗi sensor cần có module xử lý tín hiệu Giải pháp tốn có nhiều sensors bù đắp chất lượng tín hiệu độ xác 04/10/2013 Vào/ra phân tán (cont’) Dạng thường gặp vào/ra phân tán phát số Bộ phát số thực tất chức xử lý tín hiệu cần thiết, có VXL ADC để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số Tín hiệu dạng số truyền PC chuẩn RS-232 RS-485 RS-232 (point to point): cồng kềnh có nhiều điểm RS-485: (multi-drop): giảm lượng cáp truyền, kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền lên đến 10km dùng multi-drop network (RS232: tối đa 15m) Thường cần chuyển đổi RS-232 sang RS-485 hầu hết PC không hổ trợ chuẩn RS-485 Vào/ra phân tán (cont’) Sơ đồ khối : Các thu thập liệu độc lập phân tán Ưu điểm: giống ưu điểm I/O phân tán với xử lý tín hiệu thơng minh, đồng thời khả tự định từ xa làm tăng độ tin cậy hệ thống Có thể điều khiển định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp card PCMCIA Có thể họat động độc lập mà khơng cần PC (đây mục tiêu chính) hữu ích phải đặt thu thập liệu xa môi trường khắc nghiệt ứng dụng không cho phép kết nối liên tục tới máy tính ( ex: điều khiển nhiệt độ xe tải đông lạnh) Các thu thập liệu độc lập phân tán Sử dụng card PCMCIA để nhập liệu từ thu thập liệu độc laäp Các thu thập liệu độc lập phân tán Sơ đồ thu thập liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS-232 Các thu thập liệu độc lập phân tán Kết nối thu thập liệu độc lập qua mạng điện thoaïi hay radio 04/10/2013 Các thu thập liệu độc lập phân tán Các thu thập liệu độc lập phân tán (cont.) Heä thu thập liệu phân tán Các thu thập liệu độc lập phân tán (cont.) DI-715B Data Logger products operate Stand-alone or PC-connected Bộ thu thập liệu độc lập DI-715B DATAQ cho phép liệu lưu vào SD card Bao gồm kênh vào analog cho phép mở rộng 16 module Các thu thập liệu độc lập phân tán (cont.) TRANSMISSION FORMATS• GOES High Data Rate 100/300/1200 bps • GOES International • INSAT/METSAT • METEOSAT 2nd Gen (MSG) • GMS /MTSAT • FY2C • ARGOS/SCD Các dụng cụ lập trình IEEE-488 Chuẩn truyền thơng gọi GPIB (General Purpose Interface Bus), thành lập năm 1965 Hewlett-Packard để kết nối điều khiển thiết bị đo thử lập trình hãng Chuẩn nhanh chóng giới chấp nhận trở thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh hoạt hữu ích việc kết nối thiết bị phòng thí nghiệm GPIB chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị bus truyền liệu song song 04/10/2013 Các dụng cụ lập trình IEEE-488 Thường u cầu có điều khiển GPIB để định địa cho thiết bị khởi tạo thiết bị truyền thông với Tốc độ truyền thông tối đa, chiều dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa thiết bị phụ thuộc vào tốc độ khả xử lý điều khiển GPIB loại cáp truyền Phù hợp cho lab nghiên cứu đo thử cơng nghiệp Có hàng ngàn sản phẩm thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp Các dụng cụ lập trình IEEE-488 Các dụng cụ lập trình IEEE-488 Bộ điều khiển áp suất Druck DPI 515 sử dụng đo lường điều khiển áp suất khí nén Bộ điều khiển cho phép đo lường kênh vào áp suất có giao diện IEEE-488 để giao tiếp với HostPC GPIB Description [IEEE488] Cấu trúc hệ GPIB thông dụng: GPIB System Các dụng cụ lập trình IEEE-488 2.3 Chuyển đổi liệu A/D, D/A Xử lí tín hiệu (Signal conditioning) Card thu thập liệu hỗ trợ IEEE – 488 sử dụng hệ DAQ 04/10/2013 Nội dung 2.3.1 Môi trường đo đạc điều khiển Các loại cảm biến (cont’) 2.3.2 Các loại cảm biến 2.3.4 Chức khâu xử lý tín hiệu 2.3.5 Các kiểu xử lý tín hiệu 2.3.6 Phân loại khâu xử lý tín hiệu 2.3.7 Chuyển đổi A/D, D/A Môi trường đo đạc điều khiển Field/Control Room Các loại cảm biến (cont’) Các cảm biến đo nhiệt độ Thermocouples (TCs) Cặp nhiệt ngẫu có cấu tạo gồm dây kim loại khác nối chung (về điện) đầu đầu lại kết nối chung (về nhiệt) biểu diễn bên V = VA - VB Các loại cảm biến Các loại cảm biến (cont’) Tuyến tính hố đặc tính cảm biến Một số loại cảm biến có đặc tính đo lường khơng tuyến tính (Ví dụ: Thermocouple loại J có hệ số nhiệt 22uV/độ C nhiệt độ -200 độ C, hệ số nhiệt 750 độ C lại 64uV/độ C) Tuyến tính hóa phần mềm sử dụng với kỹ thuật sau : Dùng bảng tra : thời gian thực nhanh cần dung lượng nhớ lớn Bù đa thức : đa thức với bậc lựa chọn tùy loại cảm biến 04/10/2013 Các loại cảm biến (cont’) Các cảm biến đo nhiệt độ Resistance Temprature Detectors (RTDs) Nhiệt điện trở RTDs loại cảm biến nhiệt thường chế tạo kim loại nguyên chất (hoặc pha tạp nhẹ) mà điện trở tăng nhiệt độ tăng (nhiệt điện trở dương) Hầu hết RTDs chế tạo dạng vòng dây miếng film kim loại So với Thermocouple Thermistors RTDs cảm biến nhiệt có độ tuyến tính dải nhiệt độ rộng cho độ xác cao Các loại cảm biến (cont’) ... Vào/ra tập trung (cont’) PD2PD2-AOAO -16 /16 ( Card PCI có 16 kênh, 16 bit tốc độ 10 0kS/s cho kênh tương tự Dùng cho khe cắm PCI 16 kênh analog với độ phân giải 16 bit ngõ vào số, ngõ số Ba ngõ vào... DI- 715 B DATAQ cho phép liệu lưu vào SD card Bao gồm kênh vào analog cho phép mở rộng 16 module Các thu thập liệu độc lập phân tán (cont.) TRANSMISSION FORMATS• GOES High Data Rate 10 0/300 /12 00... thoại hay radio 04 /10 /2 013 Các thu thập liệu độc lập phân tán Các thu thập liệu độc lập phân tán (cont.) Hệ thu thập liệu phân tán Các thu thập liệu độc lập phân tán (cont.) DI- 715 B Data Logger