Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các thiết bị do và kiểm tra thông minh cho các dây chuyền sản xuất tự động hóa

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 1 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 Danh sách những người thực hiện chính A Chủ nhiệm đề tài PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát B Viện Công nghệ Thông tin 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 KS. Chu Ngọc Liêm Viện Công nghệ Thông tin 6 KS. Nguyễn Xuân Hoàng 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 3 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 4 - 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. 5 MỤC LỤC - Trang nhan đề 1 - Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 2 - Bài tóm tắt 4 - Mục lục 6 PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 9 1. Lời mở đầu 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 thiết kế và chế tạo hệ thống đo liên tục, thu 26 thập xử lý mức nước từ xa bằng phương pháp số 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 60 năng a. Mô tả hoạt động máy đo công suất vạn năng PMM100 60 b. Phần mềm nhúng của thiết bị PMM1000 65 6 c. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị PMM100 2.3.2.5. Hệ thống đo quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp 68 70 a. Máy tính chủ với chương trình EVIEW 71 b. Thiết bị đầu cuối RTU 73 c. Hệ điều hành và phần mềm RTU 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 7 PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 8 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 Ethernet. Hệ thống bao gồm thiết bị đo xa đa kênh EDDK có khả năng xử lý 9 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 10 Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.13 TT Tên sản phẩm Số Chỉ tiêu Kinh tế - kỹ thuật Ghi Chú lượng 1 Các công trình, bài 10 Đưa ra được các phương pháp, báo về phương pháp thuật toán xử lý, nguyên lý có tính luận thuộc lĩnh vực cải tiến, sáng tạo về mặt học thuật. đo thông minh Các công trình được nhận đăng tại các tạp chí, hội nghị khoa học trong và ngoài nước 2 Họ thiết bị đo điều 2 Analog Input ±10V/4-20mA, khiển xa qua mạng 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 1 Đạt tiêu chuẩn công nghiệp người vận hành ETS Màn hình touchscreen qua mạng Ethernet Bộ nhớ flash Kết nối qua Ethernet 4 Chương trình EMON 1 - Kết nối với các thiết bị đo điều đo lường, thu thập dữ khiển xa EĐĐK qua mạng tốc liệu và kiểm tra xa độ cao Ethernet trên cơ Ethernet sở mạng - Có các chức năng đo, thu thập, phân tích xử lý, lưu trữ dữ liệu từ xa - Có khả năng thay đổi, nâng cấp 11 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 1 tục từ xa • Đầu đo - Dải đo: 0-3m - Độ chính xác: ±1% • Truyền dữ liệu số 6 Thiết bị xử lí thu 1 • Hệ xử lý có chức năng thập tín hiệu mực - Nhận dữ liệu số từ xa nước - Đo và hiển thị - Thuật xử lý đo kiểm tra có suy diễn - Tự động chuẩn định 7 Hệ thống nhận dạng, 1 Tốc độ bám: 20độ/s Giới hạn quay phương vị: ±70o ổn định bệ bám đối tượng sử 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% 0,25% 0,5% 0,5% 0,1% U(V) I(A) P(W) cos ϕ f 12 9 Hệ thống đo quan trắc 1 Đo ô nhiễm nước, không khí, độ môi trường xí nghiệp ồn cấp chính xác 2,5% công nghiệp 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: 5. Chi khác: 35 triệu đồng 203 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. 13 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 14 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 khiển trên LABVIEW đang được quan tâm. 15 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. 16 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. 17 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 10100MB/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. 18 Tính mới của hệ thống: - Đây là mạng đo và điều khiển nhúng trên nền Ethernet và TCP/IP đầu tiên được thiết kế và chế tạo bằng các chuyên gia Việt Nam. - Thiết bị đo điều khiển xa EĐĐK có khả năng tính toán các thuật xử lý phức tạp, có độ bền hoạt động trong môi trường công nghiệp và kích thước gọn nhẹ, tiêu ít năng lượng hơn, rẻ tiền hơn so với các thiết bị đo lường thu thập dữ liệu từ xa nhập ngoại hiện hành. - 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. 19 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 20