www.tinhgiac.com bai giang do luong dieu khien may tinh 1

04/10/2013

Chöông 1. Khái niệm chung
MÁY TÍNH TRONG ĐiỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH

MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN
MÁY CNC

CHƯƠNG 2

Hoạt động của máy tính số

Tổng quan về hệ thu thập
dữ liệu và điều khiển
Hệ thống

Nội dung
2.1 Giới thiệu về hệ DAQ
2.2 Cấu hình cơ bản của hệ DAQ

Cấu trúc hệ thống điều
khiển bằng máy tính

1


04/10/2013

2.1. GIÔÙI THIEÄU
Định nghĩa: thu thập dữ liệu (data acquisition)

là quá trình mà tín hiệu vật lý từ thế giới thực
được chuyển thành tín hiệu điện để đo lường
và chuyển sang tín hiệu số cho quá trình xử
lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính.
Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ
liệu (Data Acquisition (DAQ)System) được
thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu
mà còn cả chức năng điều khiển. Vì vậy khi
nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều
khiển (Data Acquisition and Control)

2.1. GIÔÙI THIEÄU (Cont’)

Các thành phần cơ bản của hệ DAQ
Một hệ DAQ được xây dựng trên cơ sở sức mạnh của
máy tính bao gồm nhiều khối phần cứng từ các nhà
sản xuất khác nhau. Nhiệm vụ của các nhà tích
hợp là kết hợp các khối phần cứng này thành một
hệ thống hoàn chỉnh
Các thành phần cơ bản của một hệ DAQ là :
Cảm biến và các bộ chuyển đổi
Dây nối và truyền thông
Khối xử lý tín hiệu
Phần cứng thu thập dữ liệu
PC (hệ điều hành)
Phần mềm thu thập dữ liệu

2.1. GIÔÙI THIEÄU (Cont’)
Chức năng từng khối:
Chuyển đổi và cảm biến

Bộ chuyển đổi và cảm biến cung cấp một kết nối (thực)
giữa thế giới thực và hệ DAQ nhờ vào việc chuyển đổi
các đại lượng vật lý sang tín hiệu điện mà bộ xử lý tín
hiệu và/hoặc hệ DAQ chấp nhận
Các bộ chuyển đổi hiện tại có thể sử dụng cho hầu hết
các phép đo vật lý và cung cấp tín hiệu điện tương ứng.
Ví dụ: cặp nhiệt, nhiệt điện trở và IC nhiệt chuyển đổi
nhiệt độ sang một tín hiệu điện analog, trong khi bộ đo
lưu lượng (flow meter) cung cấp một tín hiệu chuỗi xung
có tần số phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy
Trong mỗi trường hợp trên, tín hiệu điện đầu ra tỉ lệ với
đại lượng vật lý được đo lường theo quan hệ định trước

2.1. GIÔÙI THIEÄU (Cont’)
Dây nối và cáp truyền thông:
Dây nối: Liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến
phần cứng khối xử lý tín hiệu hoặc từ khối xử lý tín
hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC.
Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC
và chuẩn truyền tín hiệu là RS-232 hoặc RS-485 : cáp
truyền thông
Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ
thống và thường dễ chịu tác động của nhiễu bên
ngoài đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt vì vậy cần
quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây
nối và cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng

của nhiễu

2.1. GIÔÙI THIEÄU (Cont’)

Chức năng từng khối: (cont’)
Khối xử lý tín hiệu:
Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cần được
chuyển sang dạng thích hợp, được chấp nhận
bởi phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là
bộ chuyển đổi A/D.
Các nhiệm vụ của khối này có thể là:
Lọc
Khuyếch đại
Tuyến tính hóa
Cách ly
Kích thích

2


04/10/2013

Chức năng từng khối: (cont’)
Phần cứng thu thập dữ liệu:
Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số
để hiển thị, lưu trữ và phân tích
Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thông tin về
quá trình của một hệ thống
Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều
khiển để điều khiển một hệ thống hay quá
trình
Xuất ra tín hiệu điều khiển dạng số

Chức năng từng khối: (cont’)
Phần cứng thu thập dữ liệu (cont’):
Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều
hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản suất, có
thể là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion
bus boards), intelligent stand-alone loggers and
controllers (loại này có thể được định cấu hình,
quan sát và điều khiển từ máy tính qua RS-232
hoặc có thể hoạt động độc lập), hoặc các thiết bi
độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình
từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488

Chức năng từng khối: (cont’)
Phần mềm thu thập dữ liệu: có ba lựa chọn
Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng: assembly,
hoặc các ngôn ngữ cấp cao như Pascal,
C/C++…
Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi
nhà sản xuất
Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với
phần cứng thu thập dữ liệu để thực hiện tất cả
các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể
PC: ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thu thập và xử lý
dữ liệu

2.2. Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống
Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào:
Khoảng cách từ PC đến các sensor hoặc thiết bị đo
lường. Đây là một yếu tố quan trọng vì 2 lý do chính: Thứ
lường

nhất, nếu phải dùng dây dài từ PC đến cảm biến có thể
tốn nhiều kinh phí đặc biệt trong các hệ thống lớn. Thứ
hai, cứ mỗi đơn vị chiều dài của dây nối được tăng thêm
cũng đồng thời tăng nhiễu tác động lên phép đo. Gắn hệ
PC gần nguồn tín hiệu có thể giảm nhiễu do khoảng
cách truyền.
Khả năng di động (có thể di chuyển) của hệ thống.
thống Một
số hệ thống yêu cầu phải di chuyển nhiều vị trí khác
nhau. Các thiết bị dễ mang theo này được cung cấp ở
dạng đóng gói gọn nhẹ thích hợp yêu cầu di chuyển.

Cấu hình của hệ DAQ
Việc lựa chọn cấu hình hệ DAQ (cnt’)

Số lượng các kênh I/O.
I/O Việc chọn cấu hình DAQ cần dựa
vào số lường I/O sẽ cần sử dụng. Hầu hết các PC hiện
nay chỉ có một vài khe I/O tuy nhiên vẫn có các PC đặc
biệt với số lượng I/O mở rộng nhiều.
Sự lỗi thời của PC.
PC Vì công nghệ về PC thay đổi rất
nhanh nên cần chú ý khả năng thay thế phần cứng PC
của hệ, nên cân nhắc giữa hệ DAQ có dùng PC hoặc các
external box.
Máy tính chủ. Cần chú ý các đặc điểm về giao tiếp và mở
rộng của máy tính trung tâm để chọn cấu hình DAQ thích
hợp.
Giá cả
Tốc độ

2.3. Cấu hình của hệ DAQ
Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ:
Vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC
Vào/ra phân tán
Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập
hoặc phân tán
Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

3


04/10/2013

Vo/ra tp trung
Cỏc mch vo/ra tp trung c cm trc tip vo
mỏy tớnh qua cỏc bus m rng
c im: nh gn, tc thu thp d liu v iu
khin nhanh nht, chi phớ thp vỡ vy thng c
dựng
Thửụứng c s dng trong cỏc ng dng m PC
gn cm bin v c cu chp hnh.

Vo/ra tp trung (cont)

Vo/ra tp trung (cont)
PD2PD2-AOAO-16/16 ( Card PCI cú 16 kờnh, 16bit v tc
100kS/s cho mi kờnh ra tng t
Dựng cho khe cm PCI
16 kờnh ra analog vi phõn gii 16bit

8 ngừ vo s, 8 ngừ ra s
Ba ngừ vo ngt/clock, 3 b timer/counter 24 bit
Dng súng c lp mi kờnh
Cp nht ng thi cỏc kờnh, chc nng cp nht theo
s kin bờn ngoi
2k b nh m onboard (upgradable to 64k samples)

Vo/ra tp trung (cont)

Sụ ủo vaứo/ra taọp trung:

Vo/ra tp trung (cont)

Vo/ra phõn tỏn
Sensor v c cu chp hnh thng xa PC,
thng trong mụi trng sn xut CN, cm bin v
c cu chp hnh trong mụi trng khc nghit
v bao ph trong mt din tớch rng cỏch xa PC
hng trm một.
Trong mụi trng cú nhiu, khú cú th nhn c
tớn hiu nh t cỏc cm bin nh cp nhit, strain
gauge qua ng truyn di.
Dõy ni t sensor v PC di v cú th tn kộm
Gii phỏp: Vo/ra phõn tỏn, ngha l module x lý tớn
hiu c t gn mi sensor tng ng. Mi
sensor cn cú mt module x lý tớn hiu.
Gii phỏp ny cú th tn kộm nu cú nhiu sensors
nhng c bự p bi cht lng tớn hiu v
chớnh xỏc.

4


04/10/2013

Vào/ra phân tán (cont’)
Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số.
Bộ phát số này thực hiện tất cả các chức năng xử lý
tín hiệu cần thiết, có VXL và ADC để chuyển tín hiệu
cần đo sang dạng số. Tín hiệu dạng số này được
truyền về PC bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485
RS-232 (point to point): cồng kềnh khi có nhiều điểm
RS-485: (multi-drop): giảm lượng cáp truyền, có thể
kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền có thể
lên đến 10km nếu dùng multi-drop network. (RS232: tối đa 15m)
Thường cần bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 do
hầu hết các PC khơng hổ trợ chuẩn RS-485

Vào/ra phân tán (cont’)
Sơ đồ khối :

Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán
Ưu điểm: giống ưu điểm của I/O phân tán với các
bộ xử lý tín hiệu thơng minh, đồng thời khả năng tự
quyết định từ xa làm tăng độ tin cậy của hệ thống
Có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính
dùng giao tiếp nối tiếp hoặc card PCMCIA
Có thể họat động độc lập mà khơng cần PC (đây là
mục tiêu chính) vì vậy rất hữu ích khi phải đặt các
bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc trong mơi trường

khắc nghiệt hoặc các ứng dụng khơng cho phép sự
kết nối liên tục tới máy tính ( ex: điều khiển nhiệt độ
trong các xe tải đơng lạnh)

Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán
Sử dụng card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập
dữ liệu độc lập

Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán
Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp
RS-232

Các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán
Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện
thoại hay radio

5


04/10/2013

Cỏc b thu thp d liu c lp hoc phõn tỏn

Cỏc b thu thp d liu c lp hoc phõn tỏn (cont.)

Heọ thu thaọp dửừ lieọu phaõn taựn

Cỏc b thu thp d liu c lp hoc phõn tỏn (cont.)

DI-715B Data Logger products operate Stand-alone or PC-connected

B thu thp d liu c lp DI-715B ca DATAQ
cho phộp d liu lu vo SD card
Bao gm 8 kờnh vo analog cho phộp m rng 16
module

Cỏc b thu thp d liu c lp hoc phõn tỏn (cont.)

TRANSMISSION FORMATS GOES High Data
Rate 100/300/1200 bps
GOES International
INSAT/METSAT
METEOSAT 2nd Gen. (MSG)
GMS /MTSAT
FY2C
ARGOS/SCD

Cỏc dng c lp trỡnh c IEEE-488
Chun truyn thụng ny cũn c gi l GPIB
(General Purpose Interface Bus), c thnh lp
nm 1965 bi Hewlett-Packard kt ni v iu
khin cỏc thit b o th lp trỡnh c ca hóng.
Chun ny nhanh chúng c th gii chp nhn
v tr thnh chun IEEE-488 nh tc , tớnh linh
hot v hu ớch trong vic kt ni cỏc thit b trong
phũng thớ nghim.
GPIB l chun giao tip truyn thụng song song tc
cao cho phộp kt ni ng thi 15 thit b trờn
bus truyn d liu song song.

6


04/10/2013

Cỏc dng c lp trỡnh c IEEE-488
Thng yờu cu cú b iu khin GPIB nh a
ch cho tng thit b v khi to cỏc thit b s
truyn thụng vi nhau.
Tc truyn thụng ti a, chiu di cỏp truyn ti
a, khong cỏch ti a gia cỏc thit b ph thuc
vo tc v kh nng x lý ca b iu khin
GPIB v loi cỏp truyn.
Phự hp cho cỏc lab nghiờn cu hoc o th trong
cụng nghip
Cú hng ngn sn phm trờn th trng h tr
chun giao tip ny

Cỏc dng c lp trỡnh c IEEE-488

Cỏc dng c lp trỡnh c IEEE-488

B iu khin ỏp sut Druck DPI 515 c
s dng trong o lng v iu khin ỏp
sut khớ nộn
B iu khin cú th cho phộp o lng 2
kờnh vo ỏp sut v cú giao din IEEE-488
giao tip vi HostPC

GPIB Description [IEEE488]

Caỏu truực heọ GPIB thoõng duùng:

GPIB System

Cỏc dng c lp trỡnh c IEEE-488

2.3. Chuyn i d liu A/D, D/A

X lớ tớn hiu
(Signal conditioning)
Card thu thp d liu h tr IEEE 488
c s dng trong h DAQ

7


04/10/2013

Nội dung

2.3.1 Môi trường đo đạc và điều khiển

Các loại cảm biến (cont’)

2.3.2 Các loại cảm biến
2.3.4 Chức năng của khâu xử lý tín hiệu
2.3.5 Các kiểu xử lý tín hiệu
2.3.6 Phân loại khâu xử lý tín hiệu
2.3.7 Chuyển đổi A/D, D/A

Môi trường đo đạc và điều khiển
Field/Control Room

Các loại cảm biến (cont’)
Các cảm biến đo nhiệt độ
Thermocouples (TCs)
Cặp nhiệt ngẫu có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được
nối chung (về điện) một đầu và đầu còn lại được kết nối chung
(về nhiệt) như được biểu diễn bên dưới
V = VA - VB

Các loại cảm biến

Các loại cảm biến (cont’)

Tuyến tính hoá đặc tính của cảm biến
Một số loại cảm biến có đặc tính đo lường không tuyến tính
(Ví dụ: Thermocouple loại J có hệ số nhiệt là 22uV/độ C ở
nhiệt độ -200 độ C, nhưng hệ số nhiệt tại 750 độ C lại là
64uV/độ C)
Tuyến tính hóa bằng phần mềm được sử dụng với 2 kỹ thuật
chính sau đây :
Dùng bảng tra : thời gian thực hiện nhanh nhưng cần dung lượng bộ
nhớ lớn
Bù bằng đa thức : các đa thức với bậc được lựa chọn tùy loại cảm biến

8

04/10/2013

Các loại cảm biến (cont’)
Các cảm biến đo nhiệt độ
Resistance Temprature Detectors (RTDs)
Nhiệt điện trở RTDs là loại cảm biến nhiệt thường được
chế tạo bằng kim loại nguyên chất (hoặc pha tạp nhẹ)
mà điện trở của nó tăng khi nhiệt độ tăng (nhiệt điện trở
dương)
Hầu hết RTDs được chế tạo ở dạng vòng dây hoặc các
miếng film kim loại
So với Thermocouple và Thermistors thì RTDs là cảm
biến nhiệt có độ tuyến tính trong dải nhiệt độ rộng hơn
và cho độ chính xác cao hơn

Các loại cảm biến (cont’)

9