Ứng dụng CNTT trong tự động hóa, mô phỏng (lập TRÌNH cơ bản SLIDE)

Chương Ứng dụng CNTT tự động hóa, mơ Học phần: LẬP TRÌNH CƠ BẢN Tài liệu tham khảo  Karl Johan Astrom, Bjorn Wittenmark Computer-Controlled Systems: Theory and Design (3rd Edition) Prentice Hall; 1996  Bentley System, Incorporated "The Fundamentals of SCADA", 2006  E Winsberg, Science in the Age of Chicago: University of Chicago Press, 2010 Computer Simulation Ứng dụng CNTT Nội dung Hệ thống tự động hóa điều khiển máy tính  Các cơng cụ hệ thống hỗ trợ tự động hóa (SCADA, giao diện người máy, hệ thống nhúng, robot, )  Các ứng dụng tự động hóa điều khiển máy tính  Ứng dụng CNTT mô (mô 3D, thực ảo, )  Thảo luận  Ứng dụng CNTT Hệ thống tự động hóa Hệ thống tự động hóa hệ thống điều khiển thiết bị máy móc, tiến trình với can thiệp người (đã giảm tối thiểu hóa) Hệ thống tự động hệ thống điều khiển làm việc hồn tồn tự động (khơng cần can thiệp người) Lợi ích lớn tự động hóa tiết kiệm lao động, nhiên, sử dụng để tiết kiệm lượng, nguyên vật liệu nâng cao chất lượng, độ xác Tự động hóa thực kỹ thuật khác nhau, bao gồm khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử, máy tính, thường kết hợp kỹ thuật Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn nhà máy đại, máy bay tàu thường sử dụng tất kỹ thuật kết hợp    Ứng dụng CNTT Hệ thống tự động hóa điều khiển máy tính Trong hệ thống tự động hóa thường có nhiều điều khiển Một điều khiển thiết bị giám sát tác động vào hệ thống cho trước để đầu hệ thống có giá trị (bám theo) giá trị cho trước Bộ điều khiển giống người, người có nhiệm vụ tác động lên đối tượng (hệ thống) để đối tượng vận động theo mong muốn, tác động người phải quan sát (giám sát) vị trí đối tượng để có cách tác động hợp lý Ví dụ điều khiển xe tự lái giám sát hành trình (đầu ra) xe (hệ thống) tác động lên xe để xe chạy theo hành trình cho trước Trong hệ thống tự động hóa, máy tính thực vai trò điều khiển thiết bị giám sát thông tin phản hồi   Ứng dụng CNTT Bộ điều khiển máy tính  Máy tính điều khiển tiến trình (Process) để tiến trình vận động theo quy luật theo thời gian Để làm điều đó, máy tính đo liệu đầu theo thời gian y(t), rời rạc hóa (số hóa, Analog – Digital (A-D), máy tính xử lý liệu số), giá trị số y(t) đưa vào xử lý thuật toán Algorithm để nhận tác động điều khiển thích hợp u, tác động điều khiển biến thành dạng tín hiệu tương tự (D-A) để tác động lên tiến trình Ứng dụng CNTT Giám sát máy tính   Thơng tin tiến trình cần điều khiển (Process) hiển thị hình máy tính người liên quan để đinh (tác động) điều khiển thích hợp Ví dụ: SCADA Ứng dụng CNTT SCADA - Supervisory Acquisition   Control and Data SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu Nhằm hỗ trợ người trình giám sát điều khiển từ xa Tuy nhiên, thực tế có số hệ thống thường gọi SCADA, hệ thống thực chức thu thập liệu Ứng dụng CNTT Cấu trúc SCADA Cấu trúc hệ SCADA có thành phần sau (hình slide sau): Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server) Trạm thu thập liệu trung gian: Là khối thiết bị vào đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) khối điều khiển logic khả trình PLC (ProgrammaleLogic Controllers) có chức giao tiếp với thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, hộp điều khiển đóng cắt van chấp hành…) Hệ thống truyền thông: bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức truyền liệu cấp trường đến khối điều khiển máy chủ Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là thiết bị hiển thị q trình xử lí liệu để người vận hành điều khiển trình hoạt động hệ thống Ứng dụng CNTT Cấu trúc SCADA (tiếp) 10 Ứng dụng CNTT Hệ thống hỗ trợ tự động hóa – Robot (tự đọc)  Robot loại máy thực cơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình  Robot tác nhân khí, nhân tạo, ảo, thường hệ thống khí-điện tử Với xuất chuyển động mình, robot gây cho người ta cảm giác giác quan giống người Từ "robot" thường hiểu với hai nghĩa: robot khí phần mềm tự hoạt động Về lĩnh vực Robot, Mỹ Nhật Bản nước đầu giới lĩnh vực 16 Ứng dụng CNTT Định nghĩa robot (tự đọc) Không có định nghĩa rơ-bốt thuyết phục tất người, nên rơ-bốt cịn có cách định nghĩa khác sau: Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa robot sau: "Đó loại máy móc điều khiển tự động, lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, có khả vận động theo nhiều trục, cố định di động tùy theo ứng dụng cơng nghiệp tự động." Joseph Engelberger, người tiên phong lĩnh vực robot công nghiệp nhận xét rằng: "Tôi định nghĩa robot, tơi biết loại máy móc robot tơi nhìn thấy nó!!" Từ điển Cambridge trực tuyến định nghĩa robot rằng: "Đó loại máy thực công việc cách tự động điều khiển máy tính" Người máy hay Robot công cụ điện tử, thủy lực, nhân tạo, ảo, thay người công nghiệp hay mơi trường nguy hiểm Robot cịn cơng cụ để giúp người giải trí, tìm hiểu khoa học 17 Ứng dụng CNTT Ứng dụng tự động hóa máy tính       Bán lẻ tự động Khai thác tự động Camera giám sát tự động Hệ thống đường cao tốc tự động Home automation 18 Ứng dụng CNTT Mơ máy tính    Khái niệm: Là chương trình máy tính chạy máy đơn mạng máy tính, có nhiệm vụ tái dựng lại hành vi hệ thống thực Chương trình mơ phải sử dụng mơ hình trừu tượng (mơ hình máy tính, mơ hình tốn học) hệ thống thực để mơ lại hệ thống Mơ có mục đích nghiên cứu trạng thái mơ hình để qua hiểu hệ thống thực cách tiến hành thử nghiệm mơ hình mơi trường mơ Mơ tái tạo tượng mà người nghiên cứu cần quan sát làm thực nghiệm, từ rút kết luận tương tự cho hệ thống thực Mô máy tính đa dạng, từ chương trình chạy vài phút mạng máy tính chạy hàng hàng ngày 19 Ứng dụng CNTT Mô 3D   Trong đồ họa máy tính chiều (3D), mơ 3D q trình phát triển biểu diễn toán học cho bề mặt chiều đối tượng (có thể đứng yên chuyển động) với hỗ trợ phần mềm chuyên dụng Sản phẩm q trình gọi mơ hình 3D đối tượng Mơ hình 3D trình chiếu dạng ảnh chiều hình máy tính, q trình trình chiếu mơ hình 3D dạng ảnh chiều gọi 3D rendering Ảnh chiều nhận được sử dụng cho việc mơ q trình diễn với đối tượng Các mơ hình 3D tạo cách tự động thủ công môi trường công cụ dành cho mơ 20 Ứng dụng CNTT Ví dụ: A 48-hour computer simulation of Typhoon Mawar using the Weather Research and Forecasting model 21 Ứng dụng CNTT Mô máy tính – Ví dụ mơ 3D giao thơng 22 Ứng dụng CNTT Thực ảo    Thực tế ảo hay gọi là thực ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) thuật ngữ miêu tả một môi trường mô bằng máy tính Đa phần mơi trường thực ảo chủ yếu hình ảnh hiển thị hình máy tính hay thơng qua kính nhìn ba chiều, nhiên vài mơ có thêm loại giác quan khác âm hay xúc giác Thực Tế Ảo hệ thống giao diện cấp cao Người sử dụng Máy tính Hệ thống mô vật tượng theo thời gian thực tương tác với người sử dụng qua tổng hợp kênh cảm giác Đặc điểm: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3I tiếng Anh: Interactive- Immersion- Imagination) 23 Ứng dụng CNTT Các thành phần hệ thống VR Phần cứng: Phần cứng VR bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh) Các thiết bị đầu vào (Input devices): Bộ dị vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng Bộ giao diện cử (Gesture interfaces) găng tay liệu (data glove) để người sử dụng điều khiển đối tượng Các thiết bị đầu (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như hình, HDM, ) để nhìn đối tượng 3D Thiết bị âm (loa) để nghe âm vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback găng tay, ) để tạo xúc giác sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động đạp xe, đường xóc, 24 Ứng dụng CNTT Các thành phần hệ thống VR (tiếp) Phần mềm (Software): Phần mềm linh hồn VR hệ thống máy tính đại Về mặt nguyên tắc dùng ngơn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa để mơ hình hóa (modelling) mô (simulation) đối tượng VR Ví dụ ngơn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay phần mềm thương mại WorldToolKit, PeopleShop, Phần mềm VR phải bảo đảm công dụng chính: Tạo hình Mơ Các đối tượng VR mơ hình hóa nhờ phần mềm hay chuyển sang từ mơ hình 3D (thiết kế nhờ phần mềm CAD khác như ANSYS, AutoCAD, 3D Studio, ) Sau phần mềm VR phải có khả mô động học, động lực học, mô ứng xử đối tượng 25 Ứng dụng CNTT Ví dụ VR 26 Ứng dụng CNTT Một số ứng dụng    Tại nước phát triển, VR ứng dụng lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc đáp ứng nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ Trong lĩnh vực quân sự, VR ứng dụng nhiều nước phát triển Bên cạnh ứng dụng truyền thống trên, có số ứng dụng lên thời gian gần VR như: VR ứng dụng sản xuất, VR ứng dụng ngành rôbốt, VR ứng dụng hiển thị thơng tin (thăm dị dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản ) VR có tiềm ứng dụng vơ lớn Có thể nói tóm lại điều: Mọi lĩnh vực "có thật" sống ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu phát triển hoàn thiện 27 Ứng dụng CNTT Video VR (tự tìm hiểu) https://www.youtube.com/watch?v=R9y-JZt_dh0  https://www.youtube.com/watch?v=ldoZ0j53Vvs  28 Ứng dụng CNTT HỎI VÀ ĐÁP Ứng dụng CNTT Các vấn đề thảo luận 30 Vai trò máy tính hệ thống tự động hóa điều khiển máy tính Tìm hiểu ví dụ ứng dụng tự động hóa máy tính, máy tính thực cơng việc ví dụ Những kết mà mô đem lại SV đề xuất số ứng dụng thực tạo ảo sống (Phịng thí nghiệm ảo, thực hành ảo, ) Ứng dụng CNTT ... khoa học 17 Ứng dụng CNTT Ứng dụng tự động hóa máy tính       Bán lẻ tự động Khai thác tự động Camera giám sát tự động Hệ thống đường cao tốc tự động Home automation 18 Ứng dụng CNTT Mơ máy... Sau phần mềm VR phải có khả mô động học, động lực học, mô ứng xử đối tượng 25 Ứng dụng CNTT Ví dụ VR 26 Ứng dụng CNTT Một số ứng dụng    Tại nước phát triển, VR ứng dụng lĩnh vực: Khoa học kỹ...  28 Ứng dụng CNTT HỎI VÀ ĐÁP Ứng dụng CNTT Các vấn đề thảo luận 30 Vai trò máy tính hệ thống tự động hóa điều khiển máy tính Tìm hiểu ví dụ ứng dụng tự động hóa máy tính, máy tính thực cơng