Ứng dụng CNTT trong tự động hóa, mô phỏng (lập TRÌNH cơ bản SLIDE)

Chương 3
Ứng dụng CNTT trong tự động hóa, mơ phỏng
Học phần: LẬP TRÌNH CƠ BẢN


Tài liệu tham khảo


Karl Johan Astrom, Bjorn Wittenmark. Computer-Controlled Systems:
Theory and Design (3rd Edition). Prentice Hall; 1996.



Bentley System, Incorporated "The Fundamentals of SCADA", 2006.



E. Winsberg, Science in the Age of
Chicago: University of Chicago Press, 2010.

2

Computer

Simulation.

Ứng dụng CNTT


Nội dung
Hệ thống tự động hóa điều khiển bằng máy tính

 Các cơng cụ và hệ thống hỗ trợ tự động hóa (SCADA,
giao diện người máy, hệ thống nhúng, robot,..)
 Các ứng dụng tự động hóa điều khiển bằng máy tính
 Ứng dụng CNTT trong mơ phỏng (mơ phỏng 3D, thực
tại ảo, ...)
 Thảo luận


3

Ứng dụng CNTT


Hệ thống tự động hóa
Hệ thống tự động hóa là hệ thống điều khiển các thiết bị máy móc,
các tiến trình với sự can thiệp rất ít của con người (đã được giảm đi
hoặc tối thiểu hóa). Hệ thống tự động là hệ thống điều khiển làm việc
hoàn toàn tự động (khơng cần sự can thiệp của con người).
Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là tiết kiệm lao động, tuy nhiên,
cũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nâng
cao chất lượng, độ chính xác.
Tự động hóa được thực hiện bằng các kỹ thuật khác nhau, bao gồm
cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử, máy tính, và thường là sự kết
hợp của các kỹ thuật . Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà
máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật
kết hợp.







4

Ứng dụng CNTT


Hệ thống tự động hóa điều khiển bằng máy tính
Trong một hệ thống tự động hóa thường có một hoặc nhiều bộ
điều khiển. Một bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác
động vào một hệ thống cho trước để đầu ra của hệ thống có giá
trị bằng (bám theo) một giá trị cho trước. Bộ điều khiển giống
như một con người, con người có nhiệm vụ tác động lên một
đối tượng (hệ thống) nào đó để đối tượng vận động theo mong
muốn, khi tác động con người phải quan sát (giám sát) vị trí
hiện tại của đối tượng để có cách tác động hợp lý. Ví dụ bộ
điều khiển trong xe tự lái giám sát hành trình (đầu ra) của chiếc
xe (hệ thống) và tác động lên xe để xe chạy theo một hành trình
cho trước.
Trong hệ thống tự động hóa, máy tính có thể thực hiện vai trò
của bộ điều khiển và thiết bị giám sát thông tin phản hồi.





5

Ứng dụng CNTT

Bộ điều khiển bằng máy tính



Máy tính điều khiển tiến trình (Process) để tiến trình vận động theo một quy
luật nào đó theo thời gian. Để làm điều đó, máy tính đo dữ liệu đầu ra theo
thời gian y(t), rời rạc hóa (số hóa, Analog – Digital (A-D), vì máy tính chỉ xử
lý được dữ liệu số), giá trị số của y(t) được đưa vào xử lý bằng thuật toán
Algorithm để nhận được tác động điều khiển thích hợp u, tác động điều khiển
được biến thành dạng tín hiệu tương tự (D-A) để tác động lên tiến trình
6

Ứng dụng CNTT


Giám sát bằng
máy tính




Thơng tin về
tiến trình cần
điều
khiển
(Process) được
hiển thị trên
màn hình máy

tính
những
người liên quan
để có thể ra
quyết đinh (tác
động)
điều
khiển thích hợp
Ví dụ: SCADA

7

Ứng dụng CNTT


SCADA - Supervisory
Acquisition




8

Control

and

Data

SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And

Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ
thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nhằm hỗ
trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa.
Tuy nhiên, trong thực tế có một số hệ thống vẫn thường
được gọi là SCADA, mặc dù những hệ thống này chỉ thực
hiện duy nhất một chức năng là thu thập dữ liệu.

Ứng dụng CNTT


Cấu trúc SCADA
Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau (hình trên slide
sau):
Trạm

điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung
tâm (central host computer server).
Trạm

thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối
từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả
trình PLC (ProgrammaleLogic Controllers) có chức năng giao tiếp với các
thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và
các van chấp hành…).
Hệ

thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp,
các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng
truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
Giao

diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết
bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá
trình hoạt động của hệ thống.
9

Ứng dụng CNTT


Cấu trúc SCADA (tiếp)

10

Ứng dụng CNTT


HMI - Human Machine Interface


Tương tác người-máy hay giao tiếp người-máy là một phân
ngành của công nghệ thông tin nghiên cứu về tương tác
giữa người sử dụng và máy tính. Đây là một bộ mơn liên
ngành giữa khoa học máy tính và các lĩnh vực khác. Tương
tác giữa người và máy thực hiện thông qua giao diện người
dùng bao gồm phần cứng (v.d. các thiết bị xuất và nhập) và
phần mềm (v.d. thông tin chuyển đến người dùng thế nào
và ra làm sao). Người sử dụng truyền đến máy tính câu hỏi,
mục tiêu hay yêu cầu thực của mình. Trong khi đó, máy
tính chuyển ngược trở lại người sử dụng thơng tin về trạng
thái của máy tính, trả lời cho những câu hỏi người sử dụng

đặt ra hay đáp ứng yêu cầu của người sử dụng.

11

Ứng dụng CNTT


HMI - Human Machine Interface


Một trợ lý trực tuyến tự
động trên một trang web,
với một avatar cho tăng
cường sự tương tác của
con người-máy tính

12

Ứng dụng CNTT


Hệ thống hỗ trợ tự động hóa – Hệ thống nhúng
(tự đọc)




Hệ thống nhúng (tiếng Anh: embedded system) là một thuật ngữ
để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một
môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả

phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong
nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, tự động hố điều khiển, quan trắc và
truyền tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn
định và có tính năng tự động hoá cao.
Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức
năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng,
chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực
hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với
những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và
phần cứng chuyên dụng mà ta khơng tìm thấy trong một máy
tính đa năng nói chung
13

Ứng dụng CNTT


Hệ thống nhúng (tiếp – Tự đọc)


Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà
thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản
xuất. Các hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn.
Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại. Đó có thể là những
thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3,
hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thơng, bộ kiểm sốt trong nhà máy
hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Xét về độ phức tạp,
hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp
với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong
một lớp vỏ máy lớn.



Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tự
với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng
nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng là
các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều
thiết bị ngoại vi.
14

Ứng dụng CNTT


Các đặc điểm (tự đọc)
Hệ thống nhúng thường có một số đặc điểm chung như sau:
Các

hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng
chứ khơng phải đóng vai trị là các hệ thống máy tính đa chức năng. Một số hệ
thống địi hỏi ràng buộc về tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an
tồn và tính ứng dụng; một số hệ thống khơng địi hỏi hoặc ràng buộc chặt
chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản
xuất.
Một

hệ thống nhúng thường khơng phải là một khối riêng biệt mà là một hệ
thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển.
Phần

mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được
lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là trong

một ổ đĩa. Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế:
không có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ, dung lượng
bộ nhớ thấp.
15

Ứng dụng CNTT


Hệ thống hỗ trợ tự động hóa – Robot (tự đọc)


Robot là một loại máy có thể thực
hiện những cơng việc một cách tự
động bằng sự điều khiển của máy
tính hoặc các vi mạch điện tử được
lập trình.



Robot là một tác nhân cơ khí, nhân
tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ
khí-điện tử. Với sự xuất hiện và
chuyển động của mình, robot gây
cho người ta cảm giác rằng nó giác
quan giống như con người. Từ
"robot" thường được hiểu với hai
nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự
hoạt động. Về lĩnh vực Robot, Mỹ và
Nhật Bản là những nước đi đầu thế
giới về lĩnh vực này.

16

Ứng dụng CNTT


Định nghĩa về robot (tự đọc)
Khơng có một định nghĩa nào về rơ-bốt có thể thuyết phục tất cả mọi người,
nên rơ-bốt cịn có những cách định nghĩa khác như sau:
Tiêu

chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa robot như sau: "Đó là một loại máy
móc được điều khiển tự động, được lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích
khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định hoặc di
động tùy theo những ứng dụng của nó trong cơng nghiệp tự động."
Joseph

Engelberger, một người tiên phong trong lĩnh vực robot công nghiệp
nhận xét rằng: "Tôi không thể định nghĩa robot, nhưng tôi biết loại máy móc
nào là robot khi tơi nhìn thấy nó!!".
Từ

điển Cambridge trực tuyến định nghĩa robot rằng: "Đó là một loại máy có
thể thực hiện những cơng việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy
tính".
Người

máy hay Robot là công cụ cơ điện tử, thủy lực, nhân tạo, ảo,... thay
thế con người trong công nghiệp hay môi trường nguy hiểm. Robot cịn là
cơng cụ để giúp con người giải trí, tìm hiểu khoa học.
17

Ứng dụng CNTT


Ứng dụng tự động hóa bằng máy tính







Bán lẻ tự động
Khai thác tự động
Camera giám sát tự động
Hệ thống đường cao tốc tự động
Home automation
...

18

Ứng dụng CNTT


Mơ phỏng máy tính






Khái niệm: Là chương trình máy tính chạy trên một máy đơn hoặc
mạng máy tính, có nhiệm vụ tái dựng lại hành vi của một hệ thống
thực nào đó. Chương trình mơ phỏng phải sử dụng một mơ hình
trừu tượng (mơ hình máy tính, mơ hình tốn học) của hệ thống
thực để mô phỏng lại hệ thống.
Mô phỏng có mục đích là nghiên cứu trạng thái của mơ hình để
qua đó hiểu được hệ thống thực bằng cách tiến hành thử nghiệm
trên mơ hình trong một mơi trường mô phỏng. Mô phỏng tái tạo
hiện tượng mà người nghiên cứu cần quan sát và làm thực
nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự cho hệ thống thực.
Mô phỏng máy tính rất đa dạng, từ một chương trình chạy vài
phút cho đến mạng các máy tính chạy hàng giờ hoặc hàng ngày.

19

Ứng dụng CNTT


Mơ phỏng 3D




Trong đồ họa máy tính 3 chiều (3D), mơ phỏng 3D là q trình
phát triển biểu diễn tốn học cho một bề mặt 3 chiều của một
đối tượng (có thể đứng yên hoặc chuyển động) với sự hỗ trợ
của một phần mềm chuyên dụng. Sản phẩm của quá trình này
được gọi là mơ hình 3D của đối tượng. Mơ hình 3D được trình
chiếu dưới dạng một ảnh 2 chiều trên màn hình máy tính, q

trình trình chiếu mơ hình 3D dưới dạng ảnh 2 chiều được gọi là
3D rendering. Ảnh 2 chiều nhận được có thể được sử dụng
cho việc mơ phỏng các q trình diễn ra với đối tượng.
Các mơ hình 3D được tạo một cách tự động hoặc thủ công
trong các môi trường công cụ dành cho mô phỏng.

20

Ứng dụng CNTT


Ví dụ: A 48-hour computer simulation of Typhoon Mawar using
the Weather Research and Forecasting model

21

Ứng dụng CNTT


Mơ phỏng máy tính – Ví dụ mơ phỏng 3D giao thông

22

Ứng dụng CNTT


Thực tại ảo






Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual
reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ miêu tả một mơi trường mơ
phỏng bằng máy tính. Đa phần các mơi trường thực tại ảo chủ
yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thơng
qua kính nhìn ba chiều, tuy nhiên một vài mơ phỏng cũng có
thêm các loại giác quan khác như âm thanh hay xúc giác.
Thực Tế Ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử
dụng và Máy tính. Hệ thống này mơ phỏng các sự vật và hiện
tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua
tổng hợp các kênh cảm giác.
Đặc điểm: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3I trong tiếng
Anh: Interactive- Immersion- Imagination)
23

Ứng dụng CNTT


Các thành phần một hệ thống VR
Phần cứng:
Phần cứng của một VR bao gồm:
Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).
Các thiết bị đầu vào (Input devices): Bộ dị vị trí (position tracking) để
xác định vị trí quan sát. Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để
di chuyển vị trí người sử dụng. Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces)
như găng tay dữ liệu (data glove) để người sử dụng có thể điều khiển
đối tượng.
Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn

hình, HDM,..) để nhìn được đối tượng 3D nổi. Thiết bị âm thanh (loa)
để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm
giác (Haptic feedback như găng tay,..) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối
tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như
khi đạp xe, đi đường xóc,...
24

Ứng dụng CNTT


Các thành phần một hệ thống VR (tiếp)
Phần mềm (Software):
Phần

mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ
thống máy tính hiện đại nào. Về mặt ngun tắc có thể dùng bất cứ
ngơn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mơ hình hóa
(modelling) và mơ phỏng (simulation) các đối tượng của VR. Ví dụ như
các ngơn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML,
X3D,...hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit,
PeopleShop,...
Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 cơng dụng chính:
Tạo hình và Mơ phỏng. Các đối tượng của VR được mơ hình hóa nhờ
chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mơ hình 3D (thiết kế nhờ
các phần mềm CAD khác như ANSYS, AutoCAD, 3D Studio,..). Sau
đó phần mềm VR phải có khả năng mơ phỏng động học, động lực học,
và mô phỏng ứng xử của đối tượng.
25

Ứng dụng CNTT