Báo cáo 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

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

Viện Công nghệ Thông tin

B

2

3

4

5

6

7

8

9

Cán bộ tham gia nghiên cứu

KS. Phan Minh Tân

Viện Công nghệ Thông tin

Viện Công nghệ thông tin

Viện Công nghệ Thông tin

Viện Công nghệ thông tin

Viện Vật lý

ThS. Trần Việt Phong

ThS. Phạm Ngọc Minh

KS. Chu Ngọc Liêm

KS. Nguyễn Xuân Hoàng

ThS. Vũ Sĩ Thắng

KS. Bùi Thị Thanh Quyên

NCS. Bùi Trọng Tuyên

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

2

4

6

- Danh sách các cán bộ tham gia đề tài

- Bài tóm tắt

- Mục lục

PHẦN CHÍNH BÁO CÁO

1. Lời mở đầu

9

13

17

20

25

26

2. Nội dung chính của báo cáo

2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

2.3. Những nội dung đã thực hiện

2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết

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

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

a. Đầu đo mức nước

26

32

34

36

39

41

43

49

55

60

b. Thiết bị thu thập tín hiệu mực nước từ xa

c. Chương trình kết nối PC Water 1.0

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

a. Thiết bị đo và điều khiển xa EDDK

b. Thiết bị giao diện với người vận hành ETS

c. Chương trình EMON

2.3.2.3. Hệ thống VICON

a. Mô tả lý thuyết hệ thống VICON

b. Phần mềm nhận dạng và xử lý ảnh trong hệ thống VICON

2.3.2.4. Nghiên cứu phát triển và chế tạo máy đo công suất vạn

năng

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

b. Phần mềm nhúng của thiết bị PMM1000

60

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

a. Máy tính chủ với chương trình EVIEW

b. Thiết bị đầu cuối RTU

68

70

71

73

75

76

c. Hệ điều hành và phần mềm RTU

2.4. Tổng kết hoá và đánh giá kết quả thu được

3. Kết luận và kiến nghị

4. Lời cảm ơn

77

78

79

5. Tài liệu tham khảo

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

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

Ethernet EĐĐK

2

ꢀAnalog Input ±10V/4-20mA,

12bit: 8 kênh

ꢀ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

ꢀĐạt tiêu chuẩn công nghiệp

ꢀMàn hình touchscreen

ꢀBộ nhớ flash

3

4

Thiết bị giao diện với

người vận hành ETS

qua mạng Ethernet

1

ꢀKết nối qua Ethernet

Chương trình EMON

đo lường, thu thập dữ

liệu và kiểm tra xa

trên cơ sở mạng

Ethernet

- 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

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

6

Đầu đo mực nước liên

tục từ xa

1

• Đầu đo

- Dải đo:

0-3m

- Độ chính xác: ±1%

• Truyền dữ liệu số

Thiết bị xử lí thu

thập tín hiệu mực

nước

• 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:

ꢀ Giới hạn quay phương vị: ±70^o

20độ/s

ꢀ Giới hạn quay góc tà: ±30^o

sử dụng cảm biến ảnh

(Visual Control)

VICON

ꢀ Độ phân giải góc:

ꢀ Hệ xử lý:

0,1^o

Pentium

Ethernet

ꢀ Kết nối mạng:

ꢀ 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%

0,1%

P(W)

cos ϕ

f

12

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:

2. Nguyên vật liệu, năng lượng:

3. Thiết bị máy móc:

720 triệu đồng

698 triệu đồng

444 triệu đồng

35 triệu đồng

203 triệu đồng

4. Xây dựng, sửa chữa nhỏ:

5. Chi khác:

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 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.

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

8^thInternational 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

8^thInternational Conference on Mechatronics Technology ICMT2004, November

8-12/2004, Hanoi, Vietnam

20

2

Nguyen Tran Hiep, Pham Thuong Cat

A. GA Optimized Neuro Controller for Robot Manipulater

8^thInternational 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

1

Phạm Thượng Cát, Phạm Ngọc Minh

Thiết kế bộ điều khiển bằng mạng nơron truyền thẳng theo mô hình mẫu là một

khâu giao động bậc 2

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 74-

79

2

3

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 141-

146

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 151-

158

4

5

6

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 159-

166

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 173-

181

Phạm Thượng Cát,Trần Việt Phong

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

21

động VICON

Kỷ yếu Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ II,TPHCM- 14/5/2004, Trang 210-

215

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.

Trang 34-40

Danh mục các công trình khoa học đăng trong các hội nghị khoa học trong và

ngoài nước 2001-2002

I.

Proceedings of the 7^thInternational Conference on Control, Automation,

Robotics and Vision (ICARCV2002) 2-5 December 2002, Marina

Mandarin, Singapore

1

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

Proceedings of the 7^thInternational 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

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 374-379

2

3

Bùi Trọng Tuyên, Phạm Thượng Cát, Về một phương pháp mới trong

điều khiển hệ thống camera sử dụng mạng nơron

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 443-449

Phạm Thương Cát, Nghiên cứu phát triển và ứng dụng Công nghệ thông

tin trong Tự động hóa ở hoàn cảnh Việt nam

22

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 31-36

4

5

Phạm Ngọc Minh, Phan Minh Tân, Thiết kế và phát triển chương trình

giao diện EMON cho hệ thống đo và điều khiển mạng Ethernet

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 162-167

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

Nghiên cứu phát triển hệ thống đo và điều khiển nhúng trên cơ sở mạng

Ethernet và thủ tục TCP/IP

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 265-270

6

7

Bùi Thi Thanh Quyên, Phạm Thượng Cát, Khảo sát tính ổn định của hệ

thống điều khiển lắc và cân bằng rôbốt nhào lộn Acrobot

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 42-47

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

Trần Việt Phong, Bùi Thi Thanh Quyên, Nghiên cứu phát triển thiết bị

MPĐT mô phỏng thời gian thực các đối tượng điều khiển

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 259-264

8

Trần Việt Phong, Phạm Thượng Cát , Về một phương pháp mới trong

điều khiển tối ưu xe tự hành

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

hoá-VICA5, 24-26/10/2002, Trang 295-299

III

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

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

1

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

23

2

3

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 nhất-

Khu công nghệ Cao Hoà lạc, ngày 20/9/2002, Trang 41-48

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

và đào tạo

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 57-63

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

Phát triển hệ thống nhận dạng và định vị mẫu cho hệ thống phân loại sản

phẩm dùng rôbốt

4

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 136-145.

Bùi Trọng Tuyên, Phạm Thượng Cát, Về một phương pháp điều khiển

hệ Camera-Rôbốt bám mục tiêu

5

6

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 213-221

Nguyễn Xuân Hoàng, Phạm Thượng Cát, Khảo sát và mô phỏng hệ

thống điều khiển rôbốt nhào lộn ba bậc tự do

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 127-135

IV

Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông tin (24-

25/12/2001)

1

Phạm Thượng cát, ứng dụng công nghệ thông tin trong lĩnh vực Tự

động hóa

Báo cáo khoa học Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông

tin, pp 11-17

24

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

khiển rôbốt.

Báo cáo khoa học Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông

tin, pp 534-544

3

4

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

Phát triển hệ thống điều khiển rôbốt có thị giác máy

Báo cáo khoa học Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông

tin, pp 632-639

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

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

khiển

Báo cáo khoa học Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông

tin, pp 644-649

5

6

Phan Minh Tân, Một số sản phẩm phần mềm trong nghiên cứu và ứng

dụng công nghệ Tự động hoá

Báo cáo khoa học Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông

tin, pp 864-872

Trần Việt Phong, Phạm Thượng cát, Điều khiển tối ưu cho hệ móc xích

trong trường hợp kỳ dị và chính tắc

Báo cáo khoa học Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông

tin, pp 898-907

V

Hội nghị Khoa học kỹ thuật đo lường việt nam lần thứ 3 (25-26/10/2001)

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

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

1

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 thập xử lý

mức nước từ xa bằng phương pháp số

a. Đầu đo mực nước

Qua 3 năm tìm tòi nghiên cứu đề tài đã trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm,

tiến hành nhiều thử nghiệm, nhiều mẫu mã để cuối cùng đạt được kết quả đặt ra

ban đầu. Hệ thống đo mực nước từ xa gồm 2 khối (xem hình 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 nghiên cứu thiết kế và chế tạo mới 100%.

4

1

2

HÖ thèng

thu thËp xö

lý d÷ liÖu

CÊp nguån vµ c¸p truyÒn RS-485

1200 m

Bé chuyÓn

®æi RS232-

RS485

3

HiÖn thÞ sè

liÖu

5

Hình 1. Hệ thống đo mực nước từ xa

1. Hệ thống thu thập xử lý dữ liệu (PC104 & DiskOnChip)

2. Bộ chuyển đổi RS232-RS485

3. Mạch hiển thị dữ liệu đo

4. Đầu đo mức nước 1-3 m

5. Phần mềm đo và thu thập dữ liệu

6. Kết nối máy chủ thông qua RS232

a.1. Khối đầu đo

Với yêu cầu của đề tài phải chế tạo mới hệ thống đo liên tục bằng phương

pháp tụ chúng tôi đã tìm tòi nghiên cứu các sản phẩm hiện có trên thế giới qua

mạng Internet. Nguyên lý chung của đo mực nước bằng phương pháp tụ là sử

dụng tính chất hằng số điện môi của nước lớn gấp khoảng 80 lần so với của

không khí, có nghĩa là khi mực nước dâng cao thì giá trị tụ điện của phần ngập

nước của đầu đo sẽ bị thay đổi với hệ số khoảng 80 lần. Dựa vào tính chất này

nhiều cấu trúc đầu đo và bộ chỉ thị đã được các hãng rao bán đều có giá thành rất

26

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 0^oC đến

80^oC 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.

27

a2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của đầu đo

Đầu đo hoạt động theo nguyên lý điện dung, của 2 ống inox lồng nhau ở giữa có lớp

cách điện có độ dài trung bình từ 1m - 3m.

§iÖn dung cña ®Çu ®o ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau:

(xem h×nh 2)

L

C_o= 2πε_o

R

ln( )

L

(1)

r

L - ®é dµi cña ®Çu ®o;

l - ®é dµi cña ®Çu ®o ngËp trong n−íc

R, r - b¸n kÝnh èng ngoµi vµ b¸n kÝnh

èng trong cña ®Çu ®o;

ε_o

- h»ng sè ®iÖn m«i;

H×nh 2. C¸c th«ng sè cña ®Çu ®o

2πε_o

K_o=

NÕu ®Æt:

(2)

R

ln( )

r

C_o= K_o⋅ L

®iÖn dung cña ®Çu ®o sÏ lµ:

Nh− chóng ta ®· biÕt, khi ®Çu ®o ®−îc nhóng vµo trong n−íc, h»ng sè ®iÖn m«i cña n−íc

sÏ gÊp sÊp sØ 80 lÇn so víi kh«ng khÝ.

Khi ta nhóng ®Çu ®o vµo n−íc víi ®é dµi l , ®iÖn dung sÏ ®−îc tÝnh nh− sau:

2πε _o80l

R

ln( )

r

2πε _o

C₁=

= K_o⋅80 ⋅l

(3)

C₂=

(L − l) = K _oL − K _ol

R

ln( )

r

C₁,C₂- ®iÖn dung cña ®Çu ®o, phÇn ngËp trong n−íc vµ phÇn ë ngoµi kh«ng khÝ

Tæng ®iÖn dung cña ®Çu ®o sÏ tÝnh nh− sau:

(4)

(5)

C = C ₁+ C ₂= 80 ⋅ K _o⋅ l + K _o⋅ L − K _o⋅ l

C = C + 79 ⋅ K ⋅ l

o

Dựa vào tính chất điện dung này, chúng tôi đã thiết kế đầu đo mực nước. Trong

quá trình tìm hiểu, thiết kế và chế tạo đầu đo, chúng tôi cũng phải xem xét đến các vấn

28

đề như độ bền, độ nhạy và tính chính xác của đầu đo, ngoài ra phải chọn vật liệu cũng

như đường kính 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 ngâm

nước trong một thời gian dài, lõi được bọc bằng một vật liệu cách điện tốt đảm bảo

không bị dò khi ngâm trong nước lâu. Phụ thuộc vào nhu cầu và của từng vị trí đo, mà

có thể chế tạo ra các loại đầu đo dài ngắn khác nhau. Hiện tại chúng tôi có những loại

đầu đo dài 1m, 2m và 3m.

a3. Cấu trúc cơ khí đầu đo mực nước

Cấu trúc cơ khí của đầu đo mực nước được mô tả trong hình 3:

Thiết kế chi tiết đầu đo:

8

- N¾p ®Çu ®o

1

2 - Lç b¾t ®Êt GND

3 - M¹ch in & Linh kiÖn

4 - C¸p tÝn hiÖu lâi bªn trong

5 - §æ keo Epoxy

6 - MiÕng FIT ®Ó ®Þnh vÞ

7 - Lç th«ng h¬i

8 – Dây kéo ra ngòai

Lâi ngoµi Φ = 38 mm

Lâi trong Φ = 18 mm

Hình 3: Cấu trúc cơ khí của Đầu đo

29

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:

COUNTER8-2

COUNTER8-

4

COUNTER16-1

5

CLK

E

CLK

E

H

8,uS

A

B

COUNTER8-1

UART-1

Rx

MAX485

0.5,

CLK

Rx

Tx

T

Chip WLS

CPU

FLASH

RAM

COUNTER8-3

I²C

8,uS

CLK

DS1624

Hình 4: Các chức năng chính của chip PSoC

30