PIC Vietnam - View Single Post - Khám phá LabVIEW, Hệ thống phát triển chuyên nghiệp!

**ngohaibac** · 09-01-2007, 06:10 PM

Xây dựng hệ thống đo lường bán tự nhiên: Một xu hướng ứng dụng rộng rãi trong phòng thí nghiêm & công nghiệp

Việc đo lường điều khiển, thu thập và xử lý dữ liệu trong các phòng thí nghiệm (PTN) và trong công nghiệp (CN) đang đặt ra các yêu cầu ngày càng cao. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật mạch tổ hợp và công nghệ máy tính đã mở ra cơ hội lớn để chế tạo các thiết bị đo chuyên dụng hay đa năng sử dụng trong PTN và trong CN. Đây chính là giải pháp hữu hiệu để đáp ứng các yêu cầu học tập, nghiên cứu và phát triển.

Mô hình hệ thống đo lường bán tự nhiên

Trong các hệ thống đo lường điều khiển (ĐLĐK) có sử dụng máy tính với các phần mềm chuyên dụng, người ta có thể xây dựng theo môi hình sau:

Hình 1: Hệ thống đo lường bán tự nhiên

- Đối tượng ĐLĐK: Đây có thể là một tập hợp các đại lượng cần đo hoặc một hệ thống ĐKĐL đa kênh. Đối tượng này cũng có thể yêu cầu duy trì, giám sát một loạt các thông số theo các tiêu chuẩn nhất định.

Đại lượng X: Là đại lượng cần đo, mà cũng là đáp ứng của hệ thống. X có thể là đại lượng điện như: điện áp u, dòng điện I, tần số f… cũng có thể là đại lượng không điện như: cơ, quang, nhiệt, dịch chuyển…

- Cảm biến/ bộ biến đổi: Được sử dụng để chuyển đồi các đại lượng cần đo thành các đại lượng điện phù hợp, mạng thông tin về đại lượng cần đo (dạng tín hiệu analog).

- Bộ biến đổi Tương tự - Số (ADC – Analog Digital Converter): Các thông tin đại lượng đo dạng tương tự được chuyển thành tổ hợp dữ liệu số, theo một phương pháp và có độ phân giải nhất định. Để phép đo có độ chính xác cao đòi hỏi độ tuyến tính và độ phân giải của bộ ADC càng cao (từ 12 đến 16 bit).

- Máy tính có các bảng mạch ghép nối: Nhờ có máy tính số, với các phần mềm chuyên dụng người sử dụng có thể lập trình thu thập, xử lý, hiển thị, lưu giữ các dữ liệu đo lường một cách linh hoạt. Các dữ liệu đo được xử lý lý thông kê, lọc hay xử lý theo các thuật toán khác nhau. Cũng từ đây xác định các luật điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển ở đầu ra bộ ADC.

- Bộ biến đổi Số - Tương tự (DAC – Digital Analog Converter): Bộ biến đổi DAC nhiều kênh, ghép nối máy tính lập trình được, có điện áp hay dòng điện đầu ra theo các dải khác nhau, phù hợp với chuẩn CN. Tín hiệu đầu ra được đưa sang điều khiển tầng khuếch đại công suất

Một số thiết bị đo lường nối ghép máy trình trong phòng thí nghiệm & công nghiệp

Khối chuyển mạch và thu nhận dữ liệu HP 34970A

Đây là thiết bị vạn năng khá hiên đại do hãng Hewlett Packard trước đây và nay là Agilent (Mỹ) chế tạo. Khối chuyển mạch có gắn đồng hồ số DMM (Digital Multimeter) có 3 khe cắm có thể chuyển đổi các mudule khác nhau cho nhiều mục đích sử dụng. Một module đầu vào tương tự AI (Analog Input) HP 34901A có 20 kênh đo (điện áp/tần số/điện trở 2 đường/nhiệt độ 2 đường) và 2 kênh đo dòng điện. Tốc độ truy cập tối đa là 60 kênh/s. Thiết bị này nối ghép máy tính theo các chuẩn RA 232 hoặc GPIB.

Hình 2: Hệ thống đo lường bán tự nhiên sử dụng thiết bị HP34970A

Bản thân thiết bị này có trình điều khiển (Driver) là Benchlink, với cơ sở dữ liệu Excel, vì vậy việc xử lý lưu giữ và liên kết với các phần mềm khác trong môi trường Windows rất thuận lợi. Mặt khác thiết bị này còn có thể lập trình trong phần mềm LabVIEW, đây là phần mềm lập trình Graphic và công cụ toán học rất mạnh của hãng National Instrument, với nhiều công cụ đồ họa, hiển thị và cơ sở dữ liệu Excel, Access… giúp cho người sử dụng có thể trình bày giao diện đẹp, sinh động, thân thiện với người dùng, rất gần với hệ thống đo lường vật lý thực thụ.

Một chương trình trình đo lường đa kênh thông thường bao gồm các phần sau:

- Cấu hình thiết bị đo

- Điều khiển quá trình đo, thu nhận dữ liệu

- Xử lý dữ liệu

- Lưu trữ dữ liệu đo, nếu cần

Cấu hình thiết bị đo: nhằm đảm bảo cho thiết bị đáp ứng được yêu cầu của các phép đo cụ thể. Đối với hệ thống đo lường đa kênh thì cấu hình thiết bị đo phải:

- Xác định số lượng kênh cần đo

- Xác định thời gian giữ chậm giữa các kênh đo và chu kỳ quét toàn bộ các kênh đo

- Ứng với mỗi kênh đo phải xác định lại đại lượng đo cần đo (nhiệt độ, độ ẩm, điện áp, dòng điện, chu kỳ, điện trở), độ chính xác của phép đo, khoảng đo, hệ số khuếch đại, lượng bù, đơn vị đo, kiểu loại sensor sử dụng.

- Xác định các thông tin cần kèm theo trong phép đo như kênh đo, thời gian tương đối hay thời gian tuyệt đối tại thời điểm nhận mỗi kết quả đo.

Hình 3: Ví dụ một giao diện đo lường hiện số 5 kênh

Thiết bị dạy học Unitro@nl dùng trong thí nghiệm

Thiết bị day học Unitro@nl là một bộ thí nghiệm cụ thể. Tùy theo đối tượng đào tạo mà có thể khai thác thiết bị ở các mức độ tương ứng. Phần tử trung tâm của bộ Unitro@nl là module ghép nối máy tính (interface) với các module thí nghiệm, mỗi bài thí nghiệm có phần mềm kèm theo. Đây là sản phẩm của hãng LUCAS-NUELLE (Đức) chế tạo, đã xuất hiện ở nước ta trong những năm gần đây.

Hình 4: Thiết bị thí nghiệm Unitr@inl

Các chức năng chính của Interface:

- Chuẩn giao tiếp với máy tính: USB hoặc RS 232. Trình điều khiển Labsoft for Windows

- Hai đầu vào tương tự: Có chức năng đo tương đương như một máy hiện sóng hai tia hoặc hai đồng hồ vạn năng số.

- Một đầu ra tương tự: Có chức năng như một máy phát tần số chuẩn (máy phát chức năng) hoặc bộ nguồn thay đổi trong dải 0 – 10 VDC.

- Một đầu vào và một đầu ra 8 bit số

- Bốn kênh chuyển mạch rơle

- Tạo nguồn cung cấp: +5 VDC, 3x15VAC. Bằng cách ghép thêm các platform mở rộng ta có thể lắp các mạch thí nghiệm theo chủ đề và đồng hồ vạn năng Metrahit vào bus hệ thống.

Hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến

Nhiều tập đoàn các hãng chế tạo thiết bị của Mỹ như: National Instrument, MesX GmbH & CO.KG, Dewetron, Microstar, Translation… đã phối hợp để chế tạo ra các sản phẩm để có thể tích hợp trong hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến có khả năng ứng dụng lớn: Tự động hóa, năng lượng, nghiên cứu và phát triển, môi trường…

Các thiết bị hỗ trợ phần cứng bao gồm số lượng lớn các bảng mạch và thiết bị tùy theo yêu cầu và khả năng tài chính của khách hàng.

Các phần mềm ứng dụng ngoài LabVIEW ra còn phải kể đến các phần mềm khác: DasyLab, DEWEsoft, DEWETrans, FlexPro…

Hệ thống thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu đo lường trực tuyến chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển nhờ các tính năng ưu việt:

- Thu thập đồng bộ và lưu trữ nhiều nguồn tín hiệu khác nhau, với tốc độ lấy mẫu khác nhau, dùng bảng mạch A/D, CAN, GPS, video…

- Cấu hình kết nối 32bit, lưu giữ và xử lý dữ liệu

- Thu thập dữ liệu và hiển thị trực tuyến với chất lượng cao

- Có tính chất toán học trực tuyến và các chức năng lọc

- Công nghệ khe cắm để mở rộng theo yêu cầu khách hàng

- Trích xuất dữ liệu nhanh và thuận tiện vào các ứng dụng khác.

Thực tế ứng dụng tại đơn vị cơ sở

Đã có nhiều công ty trong nước và công ty liên doanh với nước ngoài đã và đang triển khai kế hoạch thiết kế chế tạo các thiết bị đo nối ghép máy tính đạt tiêu chuẩn quốc tế. Nhiều cơ sở nghiên cứu đã chế tạo thành công các thiết bị có liên quan đến lĩnh vực đo lường cấp chính xác cao như: Kính hiển vi điện tử đầu dò, máy tán sỏi ngoài cơ thể…

Để đáp ứng nhiệm vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học, các bộ môn của HV KTQS đã nghiên cứu xây dựng các hệ thống đo lường nối ghép máy tính sử dụng trong PTN, phục vụ huấn luyện bộ đội, đáp ứng các yêu cầu sản xuất của nền kinh tế quốc dân, trong đó nhiều hệ thống đã và đang được khai thác một cách hiệu quả như:

- Hệ thống đo lường các đại lượng cơ học sử dụng trong hệ thống kéo nén thủy lực

- Ca bin tập lái xe tăng, ca bin tập lái tàu thủy

- Hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật xe CAN BUS

- Hệ thống tự động đo nhiệt độ, lưu lượng xăng dầu.

- Hệ thống đo lường hiển thị, điều khiển cảnh báo trong hệ thống các thiết bị đặc biệt CX99 và B32

- Hệ thống giám sát và điều khiển máy động lực tàu biển

- Thiết kế chế tạo trạm thử vỉa…

Trong khuôn khổ bài viết không thể đề cập hết các thành quả của các nhà khoa học, phải khẳng định rằng đây là những bước đi rất quan trọng trong nền công nghiệp tự động hóa. Hiên nay hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) đang xuất hiện ngày càng phổ biến và phát triển, đáp ứng được các yêu cầu mà thực tế đặt ra.

Kết luận:

Ngày nay sự phát triển không ngừng của KHKT tạo ra các ứng dụng to lớn trong công nghiệp, quân sự cũng như đời sống. Các nước phát triển đã có một nền công nghệ cao, họ đã tạo ra các sản phẩm tinh xảo trong lĩnh vực đo lường. Tuy nhiên, các thiết bị đo lường chuyên dụng, nhất là cảm biến đo lường cấp chính xác cao có giá thành rất đắt. Phát huy tính nội lực và óc sáng tạo làm chủ khoa học công nghệ, chắc chắn trong tương lai gần chúng ta sẽ làm chủ việc thiết kế chế tạo các hệ thống đo lường hiện đại đạt tiêu chuẩn quốc tế với giá cạnh tranh.

Tài liệu tham khảo

Gary W.Johnson
LabView Graphicao Programming – Practical Application in Instrument and Control

MacGraw-Hill, Inc. Washington, D.C.1994

Hewlett Packard Company
HP 3497A Data Acquisition/ Switch Unit. Printed in U.S.A October 1997

National Instrument Company – LabView Software Version 7.01.
DEWESoft 6 Software Users Manual. DE – M03C1E Preliminary Edition. Software Version 6.0 January-2004.
www.lucas-nuelle.com
------------------------------------

Bài viết của tác giả: Cao Văn Kiêm - Kho Kỹ thuật điều khiển - Học viện Kỹ thuật Quân Sự.

09-01-2007, 06:10 PM	#9
ngohaibac Đệ tử 9 túi Tham gia ngày: Oct 2005 Nơi Cư Ngụ: BKHN Bài gửi: 231 :	Xây dựng hệ thống đo lường bán tự nhiên: Một xu hướng ứng dụng rộng rãi trong phòng thí nghiêm & công nghiệp Việc đo lường điều khiển, thu thập và xử lý dữ liệu trong các phòng thí nghiệm (PTN) và trong công nghiệp (CN) đang đặt ra các yêu cầu ngày càng cao. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật mạch tổ hợp và công nghệ máy tính đã mở ra cơ hội lớn để chế tạo các thiết bị đo chuyên dụng hay đa năng sử dụng trong PTN và trong CN. Đây chính là giải pháp hữu hiệu để đáp ứng các yêu cầu học tập, nghiên cứu và phát triển. *Mô hình hệ thống đo lường bán tự nhiên* Trong các hệ thống đo lường điều khiển (ĐLĐK) có sử dụng máy tính với các phần mềm chuyên dụng, người ta có thể xây dựng theo môi hình sau: *Hình 1: Hệ thống đo lường bán tự nhiên* - Đối tượng ĐLĐK: Đây có thể là một tập hợp các đại lượng cần đo hoặc một hệ thống ĐKĐL đa kênh. Đối tượng này cũng có thể yêu cầu duy trì, giám sát một loạt các thông số theo các tiêu chuẩn nhất định. Đại lượng X: Là đại lượng cần đo, mà cũng là đáp ứng của hệ thống. X có thể là đại lượng điện như: điện áp u, dòng điện I, tần số f… cũng có thể là đại lượng không điện như: cơ, quang, nhiệt, dịch chuyển… - Cảm biến/ bộ biến đổi: Được sử dụng để chuyển đồi các đại lượng cần đo thành các đại lượng điện phù hợp, mạng thông tin về đại lượng cần đo (dạng tín hiệu analog). - Bộ biến đổi Tương tự - Số (ADC – Analog Digital Converter): Các thông tin đại lượng đo dạng tương tự được chuyển thành tổ hợp dữ liệu số, theo một phương pháp và có độ phân giải nhất định. Để phép đo có độ chính xác cao đòi hỏi độ tuyến tính và độ phân giải của bộ ADC càng cao (từ 12 đến 16 bit). - Máy tính có các bảng mạch ghép nối: Nhờ có máy tính số, với các phần mềm chuyên dụng người sử dụng có thể lập trình thu thập, xử lý, hiển thị, lưu giữ các dữ liệu đo lường một cách linh hoạt. Các dữ liệu đo được xử lý lý thông kê, lọc hay xử lý theo các thuật toán khác nhau. Cũng từ đây xác định các luật điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển ở đầu ra bộ ADC. - Bộ biến đổi Số - Tương tự (DAC – Digital Analog Converter): Bộ biến đổi DAC nhiều kênh, ghép nối máy tính lập trình được, có điện áp hay dòng điện đầu ra theo các dải khác nhau, phù hợp với chuẩn CN. Tín hiệu đầu ra được đưa sang điều khiển tầng khuếch đại công suất Một số thiết bị đo lường nối ghép máy trình trong phòng thí nghiệm & công nghiệp Khối chuyển mạch và thu nhận dữ liệu HP 34970A Đây là thiết bị vạn năng khá hiên đại do hãng Hewlett Packard trước đây và nay là Agilent (Mỹ) chế tạo. Khối chuyển mạch có gắn đồng hồ số DMM (Digital Multimeter) có 3 khe cắm có thể chuyển đổi các mudule khác nhau cho nhiều mục đích sử dụng. Một module đầu vào tương tự AI (Analog Input) HP 34901A có 20 kênh đo (điện áp/tần số/điện trở 2 đường/nhiệt độ 2 đường) và 2 kênh đo dòng điện. Tốc độ truy cập tối đa là 60 kênh/s. Thiết bị này nối ghép máy tính theo các chuẩn RA 232 hoặc GPIB. *Hình 2: Hệ thống đo lường bán tự nhiên sử dụng thiết bị HP34970A* Bản thân thiết bị này có trình điều khiển (Driver) là Benchlink, với cơ sở dữ liệu Excel, vì vậy việc xử lý lưu giữ và liên kết với các phần mềm khác trong môi trường Windows rất thuận lợi. Mặt khác thiết bị này còn có thể lập trình trong phần mềm LabVIEW, đây là phần mềm lập trình Graphic và công cụ toán học rất mạnh của hãng National Instrument, với nhiều công cụ đồ họa, hiển thị và cơ sở dữ liệu Excel, Access… giúp cho người sử dụng có thể trình bày giao diện đẹp, sinh động, thân thiện với người dùng, rất gần với hệ thống đo lường vật lý thực thụ. Một chương trình trình đo lường đa kênh thông thường bao gồm các phần sau: - Cấu hình thiết bị đo - Điều khiển quá trình đo, thu nhận dữ liệu - Xử lý dữ liệu - Lưu trữ dữ liệu đo, nếu cần Cấu hình thiết bị đo: nhằm đảm bảo cho thiết bị đáp ứng được yêu cầu của các phép đo cụ thể. Đối với hệ thống đo lường đa kênh thì cấu hình thiết bị đo phải: - Xác định số lượng kênh cần đo - Xác định thời gian giữ chậm giữa các kênh đo và chu kỳ quét toàn bộ các kênh đo - Ứng với mỗi kênh đo phải xác định lại đại lượng đo cần đo (nhiệt độ, độ ẩm, điện áp, dòng điện, chu kỳ, điện trở), độ chính xác của phép đo, khoảng đo, hệ số khuếch đại, lượng bù, đơn vị đo, kiểu loại sensor sử dụng. - Xác định các thông tin cần kèm theo trong phép đo như kênh đo, thời gian tương đối hay thời gian tuyệt đối tại thời điểm nhận mỗi kết quả đo. *Hình 3: Ví dụ một giao diện đo lường hiện số 5 kênh* Thiết bị dạy học Unitro@nl dùng trong thí nghiệm Thiết bị day học Unitro@nl là một bộ thí nghiệm cụ thể. Tùy theo đối tượng đào tạo mà có thể khai thác thiết bị ở các mức độ tương ứng. Phần tử trung tâm của bộ Unitro@nl là module ghép nối máy tính (interface) với các module thí nghiệm, mỗi bài thí nghiệm có phần mềm kèm theo. Đây là sản phẩm của hãng LUCAS-NUELLE (Đức) chế tạo, đã xuất hiện ở nước ta trong những năm gần đây. *Hình 4: Thiết bị thí nghiệm Unitr@inl* Các chức năng chính của Interface: - Chuẩn giao tiếp với máy tính: USB hoặc RS 232. Trình điều khiển Labsoft for Windows - Hai đầu vào tương tự: Có chức năng đo tương đương như một máy hiện sóng hai tia hoặc hai đồng hồ vạn năng số. - Một đầu ra tương tự: Có chức năng như một máy phát tần số chuẩn (máy phát chức năng) hoặc bộ nguồn thay đổi trong dải 0 – 10 VDC. - Một đầu vào và một đầu ra 8 bit số - Bốn kênh chuyển mạch rơle - Tạo nguồn cung cấp: +5 VDC, 3x15VAC. Bằng cách ghép thêm các platform mở rộng ta có thể lắp các mạch thí nghiệm theo chủ đề và đồng hồ vạn năng Metrahit vào bus hệ thống. Hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến Nhiều tập đoàn các hãng chế tạo thiết bị của Mỹ như: National Instrument, MesX GmbH & CO.KG, Dewetron, Microstar, Translation… đã phối hợp để chế tạo ra các sản phẩm để có thể tích hợp trong hệ thống thu thập dữ liệu trực tuyến có khả năng ứng dụng lớn: Tự động hóa, năng lượng, nghiên cứu và phát triển, môi trường… Các thiết bị hỗ trợ phần cứng bao gồm số lượng lớn các bảng mạch và thiết bị tùy theo yêu cầu và khả năng tài chính của khách hàng. Các phần mềm ứng dụng ngoài LabVIEW ra còn phải kể đến các phần mềm khác: DasyLab, DEWEsoft, DEWETrans, FlexPro… Hệ thống thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu đo lường trực tuyến chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển nhờ các tính năng ưu việt: - Thu thập đồng bộ và lưu trữ nhiều nguồn tín hiệu khác nhau, với tốc độ lấy mẫu khác nhau, dùng bảng mạch A/D, CAN, GPS, video… - Cấu hình kết nối 32bit, lưu giữ và xử lý dữ liệu - Thu thập dữ liệu và hiển thị trực tuyến với chất lượng cao - Có tính chất toán học trực tuyến và các chức năng lọc - Công nghệ khe cắm để mở rộng theo yêu cầu khách hàng - Trích xuất dữ liệu nhanh và thuận tiện vào các ứng dụng khác. Thực tế ứng dụng tại đơn vị cơ sở Đã có nhiều công ty trong nước và công ty liên doanh với nước ngoài đã và đang triển khai kế hoạch thiết kế chế tạo các thiết bị đo nối ghép máy tính đạt tiêu chuẩn quốc tế. Nhiều cơ sở nghiên cứu đã chế tạo thành công các thiết bị có liên quan đến lĩnh vực đo lường cấp chính xác cao như: Kính hiển vi điện tử đầu dò, máy tán sỏi ngoài cơ thể… Để đáp ứng nhiệm vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học, các bộ môn của HV KTQS đã nghiên cứu xây dựng các hệ thống đo lường nối ghép máy tính sử dụng trong PTN, phục vụ huấn luyện bộ đội, đáp ứng các yêu cầu sản xuất của nền kinh tế quốc dân, trong đó nhiều hệ thống đã và đang được khai thác một cách hiệu quả như: - Hệ thống đo lường các đại lượng cơ học sử dụng trong hệ thống kéo nén thủy lực - Ca bin tập lái xe tăng, ca bin tập lái tàu thủy - Hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật xe CAN BUS - Hệ thống tự động đo nhiệt độ, lưu lượng xăng dầu. - Hệ thống đo lường hiển thị, điều khiển cảnh báo trong hệ thống các thiết bị đặc biệt CX99 và B32 - Hệ thống giám sát và điều khiển máy động lực tàu biển - Thiết kế chế tạo trạm thử vỉa… Trong khuôn khổ bài viết không thể đề cập hết các thành quả của các nhà khoa học, phải khẳng định rằng đây là những bước đi rất quan trọng trong nền công nghiệp tự động hóa. Hiên nay hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) đang xuất hiện ngày càng phổ biến và phát triển, đáp ứng được các yêu cầu mà thực tế đặt ra. Kết luận: Ngày nay sự phát triển không ngừng của KHKT tạo ra các ứng dụng to lớn trong công nghiệp, quân sự cũng như đời sống. Các nước phát triển đã có một nền công nghệ cao, họ đã tạo ra các sản phẩm tinh xảo trong lĩnh vực đo lường. Tuy nhiên, các thiết bị đo lường chuyên dụng, nhất là cảm biến đo lường cấp chính xác cao có giá thành rất đắt. Phát huy tính nội lực và óc sáng tạo làm chủ khoa học công nghệ, chắc chắn trong tương lai gần chúng ta sẽ làm chủ việc thiết kế chế tạo các hệ thống đo lường hiện đại đạt tiêu chuẩn quốc tế với giá cạnh tranh. Tài liệu tham khảo Gary W.Johnson LabView Graphicao Programming – Practical Application in Instrument and Control MacGraw-Hill, Inc. Washington, D.C.1994 Hewlett Packard Company HP 3497A Data Acquisition/ Switch Unit. Printed in U.S.A October 1997 National Instrument Company – LabView Software Version 7.01. DEWESoft 6 Software Users Manual. DE – M03C1E Preliminary Edition. Software Version 6.0 January-2004. www.lucas-nuelle.com ------------------------------------ Bài viết của tác giả: Cao Văn Kiêm - Kho Kỹ thuật điều khiển - Học viện Kỹ thuật Quân Sự. __________________ www.ngohaibac.net www.ngohaibac.com