Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các loại thiết bị tự động đo lường & kiểm tra thông minh

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các loại thiết bị tự động đo lường & kiểm tra thông minh

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

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

Danh sách những người thực hiện chính

PGS.TSKH Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin

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

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 điều 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 sản 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, mạng 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 mạng 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

- 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 phẩm 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 tiếp cận các thông tin và công nghệ mới

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 132.2 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 172.3 Những nội dung đã thực hiện 202.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 202.3.2 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới 25

2.3.2.1 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo liên tục, thu thập xử lý mức nước từ xa bằng phương pháp số

26a Đầu đo mức nước 26b Thiết bị thu thập tín hiệu mực nước từ xa 32

2.3.2.2 Hệ thống thiết bị đo và điều khiển xa qua mạng Ethernet 36

b Thiết bị giao diện với người vận hành ETS 41

b Phần mềm nhận dạng và xử lý ảnh trong hệ thống VICON 552.3.2.4 Nghiên cứu phát triển và chế tạo máy đo công suất vạn

năng

60a Mô tả hoạt động máy đo công suất vạn năng PMM100 60

c Đặc tính kỹ thuật của thiết bị PMM100 682.3.2.5 Hệ thống đo quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp 70

b Thiết bị đầu cuối RTU

c Hệ điều hành và phần mềm RTU

73752.4 Tổng kết hoá và đánh giá kết quả thu được 76

PHẦN CHÍNH BÁO CÁO

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 tạo 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 thị 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 kết 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 tạo được hệ thống mạng

nhúng đo kiểm tra và điều khiển dây chuyền sản xuất sử dụng công nghệ mạng

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 đo 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 lượng 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 kế 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

Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.13

lượng

Chỉ tiêu Kinh tế - kỹ thuật Ghi Chú

1 Các công trình, bài báo về phương pháp luận thuộc lĩnh vực đo thông minh

10 Đưa ra được các phương pháp, thuật toán xử lý, nguyên lý có tính cải tiến, sáng tạo về mặt học thuật Các công trình được nhận đăng tại các tạp chí, hội nghị khoa học trong và ngoài nước

2 Họ thiết bị đo điều khiển xa qua mạng

2 Analog Input ±10V/4-20mA, 12bit: 8 kênh

Ethernet EĐĐK Analog Output 12 bit: 2 kênh Digital I/O TTL: 24 kênh Tiền khuyếch đại khả trình Bộ nhớ DOC

Có phối ghép đầu đo PT100, mV

Phần mềm: Dễ mở rộng 3 Thiết bị giao diện với

người vận hành ETS qua mạng Ethernet

1 Đạt tiêu chuẩn công nghiệp Màn hình touchscreen Bộ nhớ flash

Kết nối qua Ethernet 4 Chương trình EMON

đo lường, thu thập dữ liệu và kiểm tra xa trên cơ sở mạng Ethernet

1 - Kết nối với các thiết bị đo điều khiển xa EĐĐK qua mạng tốc độ cao Ethernet

- Có các chức năng đo, thu thập, phân tích xử lý, lưu trữ dữ liệu từ xa

- Có khả năng thay đổi, nâng cấp

các chương trình của các EĐĐK qua mạng

- Có giao diện thân thiện với người vận hành

- Dễ dàng phát triển các ứng dụng cho đo kiểm tra các dây truyền sản xuất

5 Đầu đo mực nước liên tục từ xa

1 • Đầu đo

- Dải đo: 0-3m - Độ chính xác: ±1% • Truyền dữ liệu số 6 Thiết bị xử lí thu

thập tín hiệu mực nước

1 • Hệ xử lý có chức năng - Nhận dữ liệu số từ xa

- Đo và hiển thị

- Thuật xử lý đo kiểm tra có suy diễn

- Tự động chuẩn định 7 Hệ thống nhận dạng,

ổn định bệ bám đối tượng

1 Tốc độ bám: 20độ/s Giới hạn quay phương vị: ±70osử dụng cảm biến ảnh Giới hạn quay góc tà: ±30o (Visual Control) Độ phân giải góc: 0,1o VICON Hệ xử lý: Pentium

Kết nối mạng: Ethernet Hệ thống phần mềm: Dễ mở rộng

8 Máy đo công xuất vạn năng

1 0,25% U(V) 0,25% I(A) 0,5% P(W) 0,5% cos ϕ 0,1% f

9 Hệ thống đo quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp

1 Đo ô nhiễm nước, không khí, độ ồn cấp chính xác 2,5%

Truyền dữ liệu từ xa ở 4 điểm đo

Hệ thống xử lý trung tâm dùng PC

Hệ chương trình xử lý, cảnh báo, lưu trữ, in ấn dữ liệu môi trường chạy trên Windows

Kinh phí thực hiện đề tài

Tổng kinh phí ngân sách Nhà nước cấp cho đề tài là 2.100 triệu đồng Trong đó:

1 Thuê khoán chuyên môn: 720 triệu đồng 2 Nguyên vật liệu, năng lượng: 698 triệu đồng 3 Thiết bị máy móc: 444 triệu đồng 4 Xây dựng, sửa chữa nhỏ: 35 triệu đồng

2 NỘI DUNG CHÍNH CỦA BÁO CÁO

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

Ngoài nước:

Với sự phát triển của công nghệ thông tin (IT) các thiết bị đo lường và kiểm tra phục vụ cho các dây truyền tự đông hoá sản xuất ngày càng thông minh hơn Sự phát triển của các thế hệ đo đi lên từ thế hệ đo cơ khí, đo điện, đo điện tử vi mạch rời, đo sử dụng các vi xử lý cấp thấp đến thế hệ các thiết bị đo, đầu đo thông minh có các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với các thuật đo xử lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc độ cao Các thiết bị hệ thống đo kiểm tra thông minh này bảo đảm kết quả đo chính xác, khử được nhiễu và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú, có nhiều chức năng mà các thế hệ thiết bị trước không tự động xử lý được

Các phương pháp xử lý đang được thế giới chú ý trong các hệ thống đo kiểm tra thông minh bao gồm:

- Các phương pháp xử lý có suy diễn - Mạng nơron trong đo lường và tính toán

- Hệ mờ và các thuật gen trong các hệ thống đo lường thông minh - Các phương pháp học

- Các phương pháp ra quyết định trong đo lường

Các nghiên cứu này được triển khai mạnh ở các trường đại học và Viện nghiên cứu trên thế giới Việc xử lý thông tin đa cảm biến kết hợp với các nghiên cứu về trí khôn nhân tạo đang mở ra một thế hệ máy đo, đầu đo thông minh có khả năng kết nối mạng và trao đổi thông tin với nhau như những thực thể thông minh Các phương pháp xử lý thông minh cho các thiết bị hệ thống đo luờng còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết về phương pháp luận, về công nghệ, về tốc độ xử lý cho các ứng dụng cụ thể Với nghiên cứu sâu về lĩnh vực này ta có thể cho ra đời các thiết bị, hệ thống đo có phần giá trị gia tăng, phần xử lý thông minh của mình

Các công nghệ được áp dụng trong các thiết bị đo kiểm tra thông minh, các đầu đo thông minh hiện nay bao gồm:

- Kỹ thuật vi xử lý (microprocessor, monochip ) - Công nghệ xử lý tín hiệu số DSP

- PC và PC công nghiệp (IPC, Compact PCI, VXI, PC/104+ ) - Công nghệ tạo chip chuyên dụng FPGA, ASIC, PSoC

- Phần mềm nhúng

- Công nghệ đo kiểm tra xa qua mạng tốc độ cao

- Công nghệ đa phương tiện (xử lý hình ảnh và tiếng nói) cho máy đo - Các giao diện với người sử dụng

Các hãng lớn trên thế giới phát triển các thiết bị, hệ thống đo lường thông minh cho tự động hoá dây chuyền sản xuất phải kể đến là National Instruments (Mỹ), Texas Instruments (Mỹ), Honeywell (Mỹ), Yokogawa (Nhật)

Đa số các đầu đo, thiết bị có tính thông minh (smart sensors, smart instruments) hiện hành sử dụng một số chip vi xử lý và phần mềm đơn giản để thiết bị có một số chức năng tự chỉnh định và suy diễn Các hệ thống đo truyền xa thường lấy chuẩn

truyền tương tự 4-20mA, 0-10V hoặc truyền số theo chuẩn nối tiếp RS232/485 hay fieldbus Các phương pháp truyền này có tốc độ chậm và độ chống nhiễu, ổn định chưa cao Các hệ thống đo lường sử dụng công nghệ máy tính công nghiệp chuẩn VME, PXI thì có giá thành cao

Để có thể tạo ra các thiết bị có tính cạnh tranh cả về chất lượng lẫn giá thành, ta phải ứng dụng các công nghệ mới, thành tựu của công nghệ thông tin như công nghệ tạo chip chuyên dụng, công nghệ lập trình thời gian thực, công nghệ xử lý tín hiệu số vào các nghiên cứu phát triển của mình Có như vậy thiết bị mới có chất lượng cao, giá cạnh tranh do các phần cứng (hardware) đạt các tiêu chuẩn quốc tế và phần mềm của thiết bị (thiết kế, phương pháp xử lý, chương trình ) của trí tuệ Việt Nam

Trong nước:

Các cơ sở trong nước có nghiên cứu, chế tạo thiết bị hệ thống đo phục vụ cho một số ứng dụng cụ thể như cột đo xăng, cân ô tô, đo áp suất, nhiệt độ, ở mức công nghệ mạch rời rạc sử dụng uP với các chương trình chỉ thị, hiện báo hoặc sử dụng máy PC, IPC với các card thu thập dữ liệu cắm vào máy PC theo chuẩn ISA, PCI

Các nghiên cứu chế tạo thiết bị và hệ thống đo thông minh cho các quá trình sản xuất tự động hoá mới chỉ ở dạng tự phát lẻ tẻ ở một số đơn vị nghiên cứu và đào tạo

Tại Viện Công nghệ Thông tin đã có nhiều nghiên cứu về các hệ thống đo xa qua mạng GPIB IEEE-488 kết nối nhiều thiết bị đo thành mạng và xử lý điều khiển các máy đo từ một máy PC Công nghệ này đã được chuyển giao cho Viện Vật lý, Viện Vật liệu và các cơ sở này tiếp tục áp dụng cho nhiều nơi khác Một số chương trình đo điều khiển xa như PROCON, PROCONWIN, DDK 300 đã được phát triển và áp dụng cho hệ thống đo xa các tham số nhiệt độ của các phòng thí nghiệm của Cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng, Bộ Quốc phòng Các nghiên cứu về xử lý tín hiệu số DSP, mạng nơron, hệ xử lý mờ, thuật gen và các phương pháp xử lý nhận dạng ảnh cho đo lường và điều khiển đã và đang được quan tâm Đặc biệt công nghệ xử lý nhúng PC/104 đã được Viện áp dụng phát triển các thiết bị với phần trí não có khả năng xử lý mạnh cho nhiều ứng dụng đo lường và điều khiển trong các khí tài quân sự và tạo ra các thiết bị đo điều khiển thông minh Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ của National Instruments, DSP của Taxas Instruments, xử lý ảnh cho đo và điều

Tại Bộ môn Đo lường và Tin học công nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiến hành nhiều nghiên cứu về các phương pháp đo hiện đại, đo trên nguyên lý hàm tương quan và tập trung phát triển các thiết bị hệ thống đo cho ngành điện và quan trắc môi trường ở các nhà máy độc hại Các phát triển ứng dụng Labview cho xây dựng các chương trình đo ảo trên máy PC phục vụ cho đào tạo đang được triển khai

Tại Viện Điện tử Tin học và Tự động hóa thuộc Bộ Công nghiệp trong nhiều năm đã phát triển các hệ thống đo và điều khiển sử dụng uP, PLC cho các ứng dụng công nghiệp như xây dựng, xi măng, than, điện

Các phương pháp đo xa trong các môi trường độc hại nguy hiểm cũng được Viện đặc biệt chú ý

Công nghệ đo của National Instruments được Học viện kỹ thuật quân sự phát triển ứng dụng cho một số địa chỉ trong Bộ Quốc phòng Tại đây các nghiên cứu áp dụng LABVIEW cho xử lý tín hiệu đo lường và điều khiển phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo cũng đang được triển khai

Tại Viện Tên lửa thuộc Trung tâm KHKT & CN Quân sự có nhiều nghiên cứu về thiết kế và chế tạo con quay vi cơ phục vụ cho các ứng dụng điều khiển các phương tiện di động Các nghiên cứu này đang có sự hợp tác với các cơ sở hợp tác truyền thống ở Liên Bang Nga

Nhu cầu và vai trò của đo lường trong nền kinh tế quốc dân là rất lớn Đáng tiếc là nước ta chưa có ngành công nghiệp sản xuất các thiết bị đo lường nên thị trường to lớn này đã bị các hãng nước ngoài chiếm lĩnh Một số nhà máy có sản xuất các thiết bị đo như cân các loại, đồng hồ đo điện còn ở mức thô sơ công nghệ cơ khí hoặc điện tử đơn giản Các đầu đo và các hệ thống đo được một số cơ sở triển khai dưới dạng các yêu cầu chuyên dụng nên thường phát triển dơn chiếc và áp dụng thử nghiệm ở một số điểm

Việc nghiên cứu phát triển các thiết bị đo thông minh trong nước có tầm quan trọng đặc biệt Do sự phát triển của công nghệ thông tin, các thiết bị đo nước ngoài

luôn đổi mới và giá thành đắt, ta khó làm chủ và bị lệ thuộc nước ngoài Phát triển

các thiết bị đo thông minh sẽ hỗ trợ cho ngành công nghiệp đo lường và góp phần thúc đẩy sự hình thành của nền kinh tế tri thức ở Việt nam

2.2 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

a Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo liên tục thu thập xử lý mực nước từ xa bằng phương pháp số

Nội dung cần nghiên cứu

Hiện nay cả nước ta đang triển khai các dự án cấp nước và công trình thủy lợi nhằm kiên cố hóa kênh mương và hiện đại hóa các trạm bơm nhằm phục vụ chương trình phát triển nông nghiệp, nông thôn của nhà nước

Các công trình này cần các đầu đo, thiết bị đo mực nước từ xa nhằm phục vụ quy trình vận hành trạm bơm bảo đảm đủ nước tưới tiêu cho vùng diện tích canh tác rộng mà vẫn bảo đảm tiết kiệm điện, không lãng phí nước Thiết bị đo mực nước có chỉ báo từ xa, có khả năng kết nối với PC, có bộ nhớ lưu trữ dữ liệu đo giá tới vài ngàn đôla Mỹ

Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm phát triển được thiết bị đo mức nước có chức năng không kém hơn thiết bị nhập ngoại nhưng với giá thành rẻ hơn đáp ứng nhu cầu trong nước, tiết kiệm ngoại tệ cho nước nhà

Thiết bị bao gồm:

- Đầu đo mực nước kèm theo bộ truyền dữ liệu

- Thiết bị thu nhận xử lý, tính toán, lưu trữ dữ liệu, hiển thị có khả năng kết nối máy PC và hệ thống SCADA giám sát toàn cục

Nội dung mới ở thiết bị này bao gồm:

- Đưa ra đầu đo mực nước mới ổn định, bảo đảm độ chính xác, tạo ra chip mới cho xử lý và truyền dữ liệu đo dạng số

- Phần thiết bị thu nhận tín hiệu xử lý chỉ thị sử dụng công nghệ PC nhúng PC104 xử lý những thuật toán lọc và suy diễn đảm bảo số liệu đo chính xác trong điều kiện nhiễu hiện trường Thiết bị có khả năng lưu trữ thông tin lớn và khả năng phối ghép với các thiết bị khác qua chuẩn RS232

- Đa số các thiết bị hiện hành sử dụng tín hiệu tương tự 0-10V hay 4-20mA để truyền dữ liệu ở thiết bị của đề tài từ nguyên lý đo, truyền và xử lý hoàn toàn bằng kỹ thuật số với phần mềm có các thuật lọc, xử lý đặc thù

b Hệ 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 sản xuất có độ tự đông hoá cao càng cần đến các thiết bị và hệ thống đo kiểm tra thông minh, được kết nối mạng có khả năng xử lý nhiều số liệu đo từ nhiều cảm biến ở nhiều vị trí khác nhau Các thiết bị đo kiểm tra xa hiện hành thường sử dụng chuẩn truyền nối tiếp RS422/485 với tốc độ thấp Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đưa mạng Ethernet lên đến 10-100MB/s trở thành chuẩn thông dụng trong các mạng LAN, WAN trong các ứng dụng tự động hóa văn phòng Đề tài áp dụng công nghệ mạng Ethernet để xây dựng hệ thống đo kiểm tra đa kênh phục vụ cho đo và điều khiển các quá trình công nghệ

Hệ thống này bao gồm:

- Thiết bị đo xa đa kênh EĐĐK có khả năng nối ghép với các đầu đo công nghiệp, 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 giao diện với người vận hành ETS qua mạng Ethernet

- Chương 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 Chương trình có giao diện thân thiện với người sử dụng cho phép phát triển các ứng dụng toàn cục cũng như thay đổi chương trình xử lý cho từng thiết bị EĐĐK

Thiết bị EĐĐK có khả năng kết nối với các đầu đo Pt100, mV hoặc qua các chuẩn 4-20mA, 0-10V và cổng nối RS232/485 CPU có dung lượng bộ nhớ RAM, FLASH RAM lớn và có khả năng kết nối mạng Các EĐĐK có khả năng trao đổi thông tin với nhau và với máy tính PC trên mạng EĐĐK được chế tạo trên công nghệ PC/104 phần mềm EMON được 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 chương trình xử lý tại chỗ của các EĐĐK

Khả năng ứng dụng của hệ thống có thể từ các dây chuyển sản xuất tự động hoá đến các ứng dụng cho an ninh quốc phòng Chương trình giao diện EMON cho phép người sử dụng phát triển các ứng dụng riêng của mình một cách dễ dàng

- Hệ thống phần mềm phong phú chức năng và bằng tiếng việt phù hợp cho các ứng dụng ở Việt Nam

c Nghiên cứu phát triển công nghệ cảm biến ảnh (vision sensor) cho các hệ thống đo và điều khiển

Nội dung cần nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ cảm biến ảnh (vision sensor) và các phương pháp phối ghép cho các ứng dụng đo và điều khiển

- Thiết kế và chế tạo hệ thống visual servoing điều khiển bám mục tiêu di động sử dụng cảm biến ảnh (VICON)

- Phát triển các thuật toán xử lý ảnh số, phản hồi hình ảnh - Xây dựng thuật toán điều khiển bệ Pan-tilt

Nội dung mới bao gồm:

- Thiết bị được áp dụng các thuật toán được nhóm nghiên cứu phát triển như nhận dạng và 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 (visual servoving)

d Nghiên cứu chế tạo máy đo công suất vạn năng sử dụng thuật toán tương quan trên cơ sở kỹ thuật vi xử lý

Máy đo công suất vạn năng có khả năng đo dòng điện, đo điện áp, đo cosϕ , đo tần số, đo công suất hiệu dụng và đo công suất phản kháng

Sử dụng các chip chuyên dụng, với thuật toán xử lý số, máy đo công suất vạn năng sẽ cho biết kết quả đo chính xác trong môi trường nhiễu và có giá thành rẻ hơn các máy đo công suất vạn năng hiện hành

e Nghiên cứu chế tạo hệ thống quan trắc môi trường trong xí nghiệp công nghiệp

Vấn đề cảnh báo và bảo vệ môi trường là vấn đề bức xúc được Nhà nước ta và thế giới quan tâm Các xí nghiệp công nghiệp, nhất là các nhà máy hoá chất, nhà máy sản xuất phân hoá học là các cơ sở gây ô nhiễm môi trường lớn và cần có hệ thống tự động đo cảnh báo môi trường nước, môi trường khí và tiếng ồn

Đề tài sẽ thiết kế chế tạo hệ thống đo độ pH ô nhiễm trong nước thải, đo các thông số môi trường không khí và độ ồn tại các địa điểm khác nhau ở 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 Windows

2.3 Những nội dung đã thực hiện 2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết

Đề tài KC.03.13 là đề tài tạo ra các thiết bị đo kiểm tra mới mang thương hiệu Việt Nam Tuy nhiên mỗi một thiết bị có nguyên lý hoạt động và nền tảng lý luận của nó Đặc biệt các phương pháp xử lý tạo nên độ thông minh của sản phẩm Đề tài đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản làm cơ sở cho thiết kế và chế tạo các sản phẩm Các kết quả nghiên cứu lý luận này đã được thảo luận ở nhiều seminar và công bố ở các tạp chí, hội nghị khoa học trong nước và quốc tế Tổng số có hơn 20 công trình đã công bố được liệt kê trong danh sách kèm theo

Danh mục các công trình khoa học đăng trong các hội nghị khoa học trong và ngoài nước 2003-2004

8th International Conference on Mechatronics Technology ICMT2004, November 8-12/2004, Hanoi, Vietnam

1 Bui Trong Tuyen, Pham Thuong Cat

An ANN-based method to control Hand-eye robot for tracking of moving objects

8th International Conference on Mechatronics Technology ICMT2004, November 8-12/2004, Hanoi, Vietnam

2 Nguyen Tran Hiep, Pham Thuong Cat

A GA Optimized Neuro Controller for Robot Manipulater

8th International Conference on Mechatronics Technology ICMT2004, November 8-12/2004, Hanoi, Vietnam

Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004

74-2 Phan Minh Tân, Phạm Thượng Cát, Vũ Sĩ Thắng

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo CHIP cho đầu đo mức nước

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 146

141-3 Phan Minh Tân, Nguyễn Xuân Hoàng, Bùi Thị Thanh Quyên, Phạm Thượng Cát

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 sử dụng công nghệ PSoC

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 158

151-4 Phạm Thượng Cát, Phan Minh Tân, Vũ Sĩ Thắng

Công nghệ PSoC và chế tạo đọc thẻ tiếp cận

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 166

159-5 Phạm Thượng Cát, Phan Minh Tân, Nguyễn Xuân Hoàng, Chu Ngọc Liêm

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy đo công suất vạn năng PMM100

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 181

173-6 Phạm Thượng Cát,Trần Việt Phong

Nghiên cứu phát triển hệ Robot-Camera tự động tìm kiếm và bám đối tượng di

động VICON

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 215

210-7 Phạm Thượng Cát, Trần Việt Phong

Xây dựng hệ điều khiển cho bệ Pan-Tilt-Camera bám mục tiêu di động

Tuyển tập các báo cáo khoa học, Hội gghị Khoa học năm 2003, Trung tâm Khoahọc Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự

1 Bui Trong Tuyen, Pham Thuong Cat, Neural Network Based Visual Control

Proceedings of the 7th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV2002), PP 39-44

II Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về tự động hoá (VICA5) 24-26/10/2002

1 Vũ Sĩ Thắng, Phan Minh Tân, Phạm Thượng Cát

Nghiên cứu phát triển hệ thống đo và xử lý mực nước từ xa với độ chính

xác cao thay thế nhập ngoại

Tuyển tập các báo cáo khoa học, Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về Tự động

Tuyển tập Thông báo Khoa học, Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về Tự động

Tuyển tập Thông báo Khoa học, Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về Tự động

III Hội nghị toàn quốc lần thứ nhất về Cơ điện tử (20/9/2002)

1 Phạm Thương Cát, Xu hướng phát triển Cơ điện tử và một vài suy nghĩ về nghiên cứu phát triển cơ điện tử ở Việt Nam

Tuyển tập các báo cáo khoa học, hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ nhất- Khu công nghệ Cao Hoà lạc, ngày 20/9/2002, Trang 293-298

2 Chu Ngọc Liêm, Phạm Thượng Cát, Khảo sát hệ phương trình động lực học và điều khiển rôbốt đi 3 bậc tự do

Tuyển tập các báo cáo khoa học, hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ Khu công nghệ Cao Hoà lạc, ngày 20/9/2002, Trang 41-48

3 Trần Việt Phong, Bùi Thi Thanh Quyên, Phan Minh Tân, Vũ Sĩ Thắng, Phạm Ngọc Minh, Phạm Thượng Cát, Phát triển phần mềm cho thiết bị mô phỏng thời gian thực các đối tượng Cơ điện tử phục vụ cho nghiên cứu

2 Bùi Trọng Tuyên, Phạm Thượng Cát, Xác định vị trí đối tượng thuộc không gian ba chiều (3D) bằng ảnh (2D) nhận được từ Camera trong điều

Nhận dạng và định vị ảnh qua camera ứng dụng cho đo lường và điều khiển

Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường việt nam lần thứ 3, pp 385-391

2.3.2 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới

2.3.2.1 Nghiờn cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đo liờn tục, thu thập xử lý mức nước từ xa bằng phương phỏp số

a Đầu đo mực nước

Qua 3 năm tỡm tũi nghiờn cứu đề tài đó trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm, tiến hành nhiều thử nghiệm, nhiều mẫu mó để cuối cựng đạt được kết quả đặt ra ban đầu Hệ thống đo mực nước từ xa gồm 2 khối (xem hỡnh 1): Khối đầu đo và truyền dữ liệu đo về và khối nhận dữ liệu thu thập xử lý lưu trữ và hiển thị Cả hai khối đều được nghiờn cứu thiết kế và chế tạo mới 100%

a.1 Khối đầu đo

Với yờu cầu của đề tài phải chế tạo mới hệ thống đo liờn tục bằng phương phỏp tụ chỳng tụi đó tỡm tũi nghiờn cứu cỏc sản phẩm hiện cú trờn thế giới qua mạng Internet Nguyờn lý chung của đo mực nước bằng phương phỏp tụ là sử dụng tớnh chất hằng số điện mụi của nước lớn gấp khoảng 80 lần so với của khụng khớ, cú nghĩa là khi mực nước dõng cao thỡ giỏ trị tụ điện của phần ngập nước của đầu đo sẽ bị thay đổi với hệ số khoảng 80 lần Dựa vào tớnh chất này nhiều cấu trỳc đầu đo và bộ chỉ thị đó được cỏc hóng rao bỏn đều cú giỏ thành rất

Hệ thống thu thập xử

lý dữ liệu

Hiện thị số liệu

3

5 Cấp nguồn và cáp truyền RS-485

1200 m Bộ chuyển

đổi RS485

RS232-4

đắt và các bí quyết công nghệ chế tạo đầu đo đều bí mật Để truyền dữ liệu từ xa đa số đều dùng truyền theo chuẩn tương tự 0-10V hoặc 4-20mA Một số đầu đo cho ra chuẩn truyền số RS232 để có thể phối ghép với máy tính thu thập dữ liệu với khoảng cách <15m

Giai đoạn đầu (2001-2002) là giai đoạn đề tài thử nghiệm với mẫu thiết đầu tiên với cấu trúc đầu đo có có chất liệu cách điện bằng ống nhựa mềm và mạch truyền dữ liệu dạng xung dòng Phương pháp này cho kết quả không ổn định do nhiễu và khoảng cách truyền không vượt quá 300m Mặt khác việc chọn vật liệu cách điện trong nước gặp nhiều khó khăn do hằng số điện dung của ống nhựa mềm ảnh hưởng đến kết quả đo và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của nước Đề tài đã tiến hành thử với nhiều vật liệu cách điện với nhiều giải nhiệt độ từ 0oC đến 80oC và rút ra một số quy luật hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác của phép đo Để đảm bảo độ tin cậy của phép đo và truyền số liệu đi xa hơn chúng tôi nhận thấy phải áp dụng công nghệ cao vào sản phẩm làm cho đầu đo trở thành thông minh hơn Các kết quả thu được giai đoạn 2001-2002 là cơ sở cho thiết kế mới sử dụng công nghệ tạo chip chuyên dung PSoC Công nghệ PSoC là công nghệ tạo chip chuyên dụng của hãng Cypress Mỹ cho các thiết bị đo và điều khiển thông minh được thế giới công nhận là công nghệ mới của năm 2001 Đề tài đã liên hệ trực tiếp với hãng Cypress và nhận được sự hỗ trợ về chuyên gia và tài liệu, chúng tôi đã nhanh chóng tiếp cận và làm chủ công nghệ PSoC và đã tạo ra được chip đo mực nước chuyên dụng WLS

Giai đoạn 2003-2004 là giai đoạn thử nghiệm nhiều mẫu thiết kế cho các loại đầu đo 1m, 2m và 3m sử dụng chip WLS Các thuật toán xử lý, lọc số, loại nhiễu và tính toán bù nhiệt độ chuyển đổi kèm theo các giao thức truyền dữ liệu kết nối mạng RS485 được tích hợp trong chip WLS tạo thành đầu đo mực nước thông minh mới Đầu đo không những đo mực nước mà còn đo nhiệt độ của nước và không khí để hiệu chỉnh giá trị đo bảo đảm hoạt động ổn định trong mùa hè cũng như mùa đông

Cấu trúc cơ khí của đầu đo cũng được thử nghiệm với nhiều mẫu mã khác nhau để chọn ra được một kết cấu tối ưu, dễ chế tạo và sử dụng các vật liệu phổ thông tạo nên giá thành thấp

a2 Cấu trỳc và nguyờn lý hoạt động của đầu đo

Đầu đo hoạt động theo nguyờn lý điện dung, của 2 ống inox lồng nhau ở giữa cú lớp cỏch điện cú độ dài trung bỡnh từ 1m - 3m

Điện dung của đầu đo được tính theo công thức sau: (xem hình 2)

(1) L - độ dài của đầu đo;

l - độ dài của đầu đo ngập trong nước R, r - bán kính ống ngoài và bán kính ống trong của đầu đo;

εo - hằng số điện môi;

Nếu đặt: (2)

điện dung của đầu đo sẽ là: Như chúng ta đã biết, khi đầu đo được nhúng vào trong nước, hằng số điện môi của nước

sẽ gấp sấp sỉ 80 lần so với không khí

Khi ta nhúng đầu đo vào nước với độ dài l, điện dung sẽ được tính như sau:

(3)

C - điện dung của đầu đo, phần ngập trong nước và phần ở ngoài không khí Tổng điện dung của đầu đo sẽ tính như sau:

C = C1 + C2 =80⋅Ko ⋅l + Ko ⋅L ư Ko ⋅l (4)

C = o +79⋅ o ⋅ (5)

Dựa vào tớnh chất điện dung này, chỳng tụi đó thiết kế đầu đo mực nước Trong quỏ trỡnh tỡm hiểu, thiết kế và chế tạo đầu đo, chỳng tụi cũng phải xem xột đến cỏc vấn

LKCo = o⋅

C = o = o⋅80⋅)

Hình 2 Các thông số của đầu đo

đề như độ bền, độ nhạy và tớnh chớnh xỏc của đầu đo, ngoài ra phải chọn vật liệu cũng như đường kớnh của ống, vật liệu bọc, v.v

Đầu đo của đề tài được thiết kế và làm bằng Inox, đảm bảo độ bền tốt khi ngõm nước trong một thời gian dài, lừi được bọc bằng một vật liệu cỏch điện tốt đảm bảo khụng bị dũ khi ngõm trong nước lõu Phụ thuộc vào nhu cầu và của từng vị trớ đo, mà cú thể chế tạo ra cỏc loại đầu đo dài ngắn khỏc nhau Hiện tại chỳng tụi cú những loại đầu đo dài 1m, 2m và 3m

a3 Cấu trỳc cơ khớ đầu đo mực nước

Cấu trỳc cơ khớ của đầu đo mực nước được mụ tả trong hỡnh 3: Thiết kế chi tiết đầu đo:

Hỡnh 3: Cấu trỳc cơ khớ của Đầu đo

8

8 – Dõy kộo ra ngũai

4 - Cáp tín hiệu lõi bên trong

6 - Miếng FIT để định vị

Lõi ngoài Φ = 38 mmLõi trong Φ = 18 mm

a4 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu gắn liền với đầu đo

Sơ đồ mạch xử lý được gắn liền với đầu đo và có nhiệm vụ đo, tính toán, xử lý, lọc tín hiệu và truyền số liệu về thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu Mạch xử lý này này có phần mềm nhúng để tính toán và xử lý tín hiệu Tất cả các quá trình đo đạc được số hoá toàn bộ, bảo đảm dữ liệu truyền về không bị tác động nhiều bởi nhiễu Đề tài đã tạo ra một chip chuyên dụng WLS có các chức năng xử lý phối hợp cứng mềm tối ưu cho đầu đo Các chức năng chính của chip được mô tả trong hình 4 Mạch điện của đầu đo được mô tả trong hình 5

Sơ đồ chức năng của đầu đo:

Hình 4: Các chức năng chính của chip PSoC

COUNTER16-1

E CLK

UART-1

CLK

Rx Tx

Rx MAX485

B

CLK E

4

COUNTER8-CLK E

5 5 5

CPU FLASH

Sơ đồ nguyên lý mạch của đầu đo:

Hình 5: Mạch điện của đầu đo mức nước

Mô tả chức năng

Đầu đo mực nước được chế tạo trên nguyên lý điện dung ( kí hiệu C -| |- ) Tụ C cùng 1 điện trở R đưa vào mạch 555 tạo ra 1 tần số ( gọi là tần số nước ) Tần số này đưa vào Counter8-2 và Counter8-4 để giảm xuống giới hạn mà Counter16-1 với tần số 8,uS có thể đo được độ rộng của mức 1 của tần số nước Khi có sườn xuống của tần số nước, 1 ngắt cứng tạo ra và chương trình Ngắt đọc số xung mà Counter16-1 đếm được trong khoảng mức 1 của tần số nước

UART-1 truyền theo chuẩn RS485 - qua chip MAX485 với thiết bị đo mực nước từ xa WLM Tốc độ truyền là 9600Baud Counter8-1 tạo đồng hồ cho UART-1 để truyền 9600Baud

Counter8-3 tạo đồng hồ 500m giây và 12 giây Cứ 500m giây chương trình kiểm tra xem có lệnh gửi số liệu không, nếu có thì gửi số liệu của đầu đo cho với thiết bị đo mực nước từ xa WLM

12 giây thì đo nhiệt độ nước ( LM75 ), và nhiệt độ không khí ở khoang điện tử (DS1624 ) Các số liệu cắt mẫu được xử lý qua các thuật lọc số, tính tóan và biến đổi được CPU thực hiện theo chương trình nạp trong Flash

Số liệu đầu đo gửi về cho thiết bị đo mực nước từ xa WLM gồm: + 2 byte: Byte cao, byte thấp số xung của mực nước đo được + 2 byte: Byte cao, byte thấp nhiệt độ của nước

+ 2 byte: Byte cao, byte thấp nhiệt độ của không khí

b Thiết bị xử lý thu thập tín hiệu mực nước từ xa

Thiết bị xử lý thu thập tín hiệu mực nước từ xa được thiết kế để nhận số liệu từ đầu đo mực nước và thực hiện các chức năng xử lý, hiển thị, lưu trữ và truyền số liệu cho PC hoặc hệ thống SCADA Ngoài ra nó còn có chức năng tự chuẩn định cho đầu đo khi lắp đặt tại hiện trường

Thiết bị đã được thiết kế và chế tạo theo công nghệ PC/104 với công nghệ Disk on Module có khả năng thu thập dữ liệu từ đầu đo qua mạng RS485 cách ly

Sơ đồ khối thiết bị thu thập tín hiệu

Đầu đo được nối với thiết bị thu thập xử lý tớn hiệu qua bốn sợi dõy, khoảng cỏch cực đại ~ 1200 m, truyền số liệu theo chuẩn RS485 Hai dõy sẽ cú nhiệm vụ cấp nguồn nuụi cho mạch phối ghộp được gắn ở đầu đo, hai dõy cũn lại sẽ truyền số liệu Sơ đồ khối chức năng thiết bị thu thập xử lý tớn hiệu đo mực nước được mụ tả trong hỡnh 6

Hỡnh 6 Sơ đồ khối thiết bị thu thập xử lý tớn hiệu đo mức nước Cỏc phớm chức năng và đặt cỏc chế độ đo

Digital I/O Các phím

chức năng

Bộ chuyển đổi RS232-RS485

CPU 386 4 Mb

RAM

8 Mb FLASH

Nguồn nuôiEthernet

đến đầu đo

Nguồn nuôi220V/50 Hz Chốt bắt dây đất

cho thiết bị Công tắc nguồn Hiển thị số

liệu đo

RS232

Chốt cấp nguồn và truyền số liệu RS485

+ Thiết bị thu thập xử lý tín hiệu đo mực nước từ xa WLM có chức năng:

* Nhận dữ liệu số từ xa

* Đo và hiển thị

* Thuật xử lý kiểm tra có suy diễn * Tự động chuẩn định

* Lưu số liệu vào flash

* Nối với máy chủ PC qua RS232

Chỉ tiêu kỹ thuật thiết bị đã đạt được:

Độ chính xác: ± 3mm Khoảng cách đo: max 1200m Nguồn nuôi: 220V/50Hz

Đầu vào tín hiệu và cấp nguồn nuôi cho đầu đo: 12VDC, 0.5A Cổng nối tiếp: RS-485, RS232

Kích thước: 270mm x 320mm

Nhiệt độ hoạt động: 1 – 700C Độ ẩm tương đối: 95%

Để tiến hành các thí nghiệm và thử nghiệm các phương pháp tự chuẩn định của toàn bộ hệ thống đề tài đã tạo ra các công cụ chuẩn định nhỏ gọn thay vì xây dựng các bể chuẩn định tốn kém và không hiệu quả Do vậy các hiệu chuẩn, chỉnh định của đầu đo và thiết bị đo có thể thực hiện bất cứ lúc nào và có thể theo dõi hệ thống hoạt động 24/24, 7/7 ngày Các thử nghiệm đã được thực hiện qua cả các mùa trong năm Ngoài ra đề tài đã lắp đặt hệ thống để đo thử nghiệm mực nước bể chứa tại Viện Công nghệ thông tin và theo dõi hệ thống hoạt động liên tục trong vòng 3 tháng Thiết bị hoạt động cho kết quả tin cậy và không bị ảnh hưởng của nhiễu và môi trường mưa nắng

c Chương trình kết nối PC Water 1.0

Các số liệu lưu trữ ở thiết bị thu thập WLM có thể được truyền về PC hoặc gắn kết vào hệ thống SCADA qua chương trình phối ghép Water1.0 Chương trình Water1.0 chạy trên PC cho phép lấy số liệu đo từ WLM, sửa đổi, nâng cấp thuật xử lý mới cho WLM qua chức năng upload/download chương trình exe cho thiết bị WLM Ngoài ra

Water1.0 còn cho phép đồng bộ thời gian cho thiết bị WLM và các chức năng hiển thị in ấn các tập dữ liệu đo mực nước

Các chi tiết kỹ thuật và thiết kế hệ thống được mô tả trong 2 tài liệu: • WLS Đầu đo mực nước liên tục từ xa

• WLM Thiết bị xử lý thu thập tín hiệu mực nước

Các số liệu kiểm định hệ thống đo mực nước từ xa do Cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng - Bộ Quốc Phòng đánh giá và cấp các giấy chứng nhận chất lượng số 2004-04, 2004-05, 2004-6 đáp ứng các chỉ tiêu đặt ra

2.3.2.2 Hệ thống thiết bị đo và điều khiển xa qua mạng Ethernet

Hệ thống 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 như 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 được chế tạo trên công nghệ nhúng PC/104, có dung lượng bộ nhớ RAM, bộ nhớ FLASH lớn và có khả năng kết nối mạng Ethernet với giao thức TCP/IP

- EĐĐK sử dụng hệ điều hành DOS6.2, có chương trình tạo môi trường và các chức năng TCP/IP trên DOS và thư viện các thuật điều khiển

- Chương 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 Chương trình có giao diện thân thiện với người sử dụng cho phép phát triển các ứng dụng toàn cục cũng như thay đổi chương trình xử lý cho từng thiết bị EĐĐK

Mạng Ethernet 10-100 Mb/s

Hỡnh 8: Hệ thống đo và điều khiển xa qua mạng Ethernet

- Phần mềm EMON được 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 chương 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

EĐĐK # 32

EMON # 1 EMON # 4

Đầu đo Đầu đo

Đầu đo

xoắn đôi Cat5, tốc độ truyền có thể lên tới 100Mbps Để có thể chấp nhận cả đường truyền 10 lẫn 100Mbps, các nhà sản xuất đã cho ra Ethernet 2 tốc độ (Dual-speed Ethernet) hay 10/100 Ethernet, áp dụng cho card mạng cũng như cho Hub Mặc dù thiết bị 10/100 hơi đắt hơn, nhưng nó ngày càng trở nên rất phổ biến Các thiết bị hai tốc độ rất hữu dụng trong quá trình chuyển tiếp từ kĩ thuật 10Mbps sang kĩ thuật 100Mbps Lấy ví dụ một máy tính có các giao tiếp 10/100, khi được nối với 1 Hub 10 Mbps, cả 2 sẽ truyền/ nhận dữ liệu ở tốc độ 10Mbps Khi được nối với 1 Hub 100 Mbps, cả hai sẽ nhận ra tốc độ mới và truyền/nhận với tốc độ 100Mbps Tốc độ truyền tự động được xác định mà không cần phải cấu hình lại phần mềm cũng như phần cứng Sử dụng các ưu điểm trên của mạng Ethernet, chúng tôi xây dựng cấu hình phần cứng của “Hệ thống đo và điều khiển nhúng trên cơ sở mạng Ethernet” như hỡnh 9 sau:

Hỡnh 9: Kết nối EDDK vào mạng

Để thông tin liên lạc giữa các máy trên mạng Ethernet được tin cậy, nhanh, mạnh, mềm dẻo, dễ phát triển và có khả năng kết nối vào mạng Internet, thì việc lựa chọn hệ điều

HUB

đầu đo

Cáp dây xoắn đôi

đầu đo

đầu đo

Sử dụng 1 HUB

Sử dụng 1 HUB có nhiều EMON

đầu đo

đầu đo

HUB

hành, lựa chọn giao thức truyền và xây dựng hệ thống phần mềm cho máy chủ (HOST) và thiết bị EĐĐK rất quan trọng

+ Hệ điều hành của máy chủ: Win98, Win2000, WinNT là các hệ Windows thông dụng

có sẵn các giao thức TCP/IP chạy trên mạng Ethernet và có sẵn khả năng kết nối vào Internet

+ Hệ điều hành của EĐĐK: DOS6.2 Hệ điều hành cơ bản, rất ổn định, rất phù hợp với

các máy tính nhỏ Pentium1 hoặc 386, chiếm ít bộ nhớ, rất phù hợp với thiết bị nhúng EĐĐK không có bàn phím màn hình và có chế độ Watchdog Tuy vậy hệ này không

có sẵn giao thức TCP/IP nên chúng tôi phải tự xây dựng lấy Đề tài đã tạo ra môi

trường TCP/IP trên nền DOS và các hàm dưới dạng thư viện phần mềm, người sử dụng không cần phải tìm hiểu những rắc rối của giao thức TCP/IP

+ Giao thức truyền TCP/IP: Đây là giao thức thường dùng nhất hiện nay để kết nối giữa

các máy trên mạng cục bộ, kết nối với mạng khác hoặc kết nối với Internet

Tất cả EĐĐK đều sử dụng địa chỉ IP chuẩn bản 4 số Địa chỉ IP là địa chỉ logic được

gán cho 1 máy trên mạng riêng Mỗi máy trên mạng TCP/IP đã được gán một địa chỉ IP để cho nó có thể hội thoại với các máy khác Địa chỉ IP là số binary 32 bit Tuy nhiên ở mức người sử dụng, địa chỉ IP hầu như luôn luôn biểu diễn trong dạng dễ đọc hơn gọi là số thập phân có chấm Ví dụ 10.10.3.100 là địa chỉ IP được viết trong dạng thập phân có chấm Các chấm ở đây là các chấm thập phân, phục vụ ranh giới ảo của 4 byte tạo ra giá trị binary 32 bit 4 byte đã được biểu diễn dưới dạng thập phân Khi xuất xưởng mỗi EĐĐK đều được gán 1 địa chỉ IP mặc định Ví dụ EĐĐK1 có địa chỉ IP là 10.10.3.1 với tên là EĐĐK1, EĐĐK2 có địa chỉ IP là 10.10.3.2 với tên là EĐĐK2 Khi xây dựng mạng, người sử dụng có thể đặt lại IP này trong chương trình EMON qua mạng Ethernet, sao cho mỗi EĐĐK có 1 địa chỉ khác nhau

Mỏy tớnh chủ và chương trỡnh EMON

Hệ thống có thể nhận được 4 máy tính chủ trên mạng để cài chương trình EMON

Cấu hình của máy tính cần có:

- Pentium2 hoặc tương đương trở lên - RAM 64 Mb trở lên

- Trên đĩa cứng cần trên 20Mb

- Hệ điều hành Win98 trở lên

- Card mạng khởi tạo trong Windows với giao thức TCP/IP - Màn hình Toush Screen hoặc màn hình thường

a Thiết bị đo và điều khiển xa EĐĐK

Thiết bị đo và điều khiển nhúng EĐĐK được chế tạo trên cơ sở công nghệ nhúng

PC/104 Có 2 thiết bị EĐĐK: Thiết bị EĐĐK1 có các đặc trưng sau:

Hỡnh 10: EDDK1

(Xem chi tiết ở tài liệu “EĐĐK1 - Thiết bị đo và điều khiển xa đa kênh” Thiết bị EĐĐK2 có các đặc trưng sau:

Bộ nhớ DOC: 64MB

Chip mạng Realtek 8139 -

Connector RJ45-cáp dây xoắn đôi Mạng Ethernet 10-100MB/s

(Xem chi tiết ở tài liệu “EĐĐK2 - Thiết bị đo và điều khiển xa đa kênh”

- Nhận tên và địa chỉ IP của PC/EMON

- Nhận tên và địa chỉ IP của EĐĐK do EMON đặt lại - Nhận thời gian do EMON gửi để đồng bộ lại thời gian

- Nhận tệp ứng dụng mới, được nạp lại từ EMON và cho chạy tệp này - Gửi số liệu thời gian thực theo yêu cầu của EMON

- Gửi toàn bộ số liệu lưu trên đĩa theo yêu cầu của EMON + Có thư viện trợ giúp người sử dụng

- Lưu số liệu lên đĩa cứng theo một khoảng thời gian đặt trước - Lọc bậc 1 theo tỷ lệ mong muốn

- Các thuật điều khiển: PID

- Có thể thêm các thuật riêng của người sử dụng Thư viện có 3 tệp:

+ EDDKL.LIB + SOCKL.LIB + WATTCPBL.LIB

Phần mềm của thiết bị EĐĐK đã cung cấp tất cả những phần cần thiết về giao thức TCP/IP và tạo ra môi trường trên DOS, nên người sử dụng rất dễ dùng vì chỉ cần lập trình phần ứng dụng

16 đầu vào thế hiệu tương tự 12bit, hoặc 16bit khuyếch đại khả trình: +10V, +5V, +500mV, +50mV, +10mV

8 đầu vào số TTL/DTL 8 đầu ra số TTL/DTL

Phối ghép đầu đo PT100 PC/104 Pentium 2, 300MHz 32Mb RAM,

Bộ nhớ DOC: 32MB

Chip mạng Realtek 8139 -

Connector RJ45-cáp dây xoắn đôi

Mạng Ethernet 10-100MB/s