Đang tải... (xem toàn văn)
Tìm hiểu hệ thống thu thập dữ liệu
Tìm hiểu hệ thống thu thập liệu BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TIỂU LUẬN MÔN ĐO LƯỜNG THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LỚP CAO HỌC ĐIỆN TỬ 13B Đề tài: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU GVHD: TS NGÔ VĂN THUYÊN TP HCM, Tháng 06 năm 2014 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN Tổng quan hệ thu thập liệu (DAQ) 1.1 Các thành phần hệ DAQ 1.1.1 Định nghĩa Thu thập liệu (data acquisition) trình mà tín hiệu vật lý từ giới thực chuyển thành tín hiệu điện để đo lường chuyển sang tín hiệu số cho trình xử lý, phân tích lưu trữ máy tính Trong hầu hết ứng dụng, hệ thu thập liệu (Data Acquisition (DAQ) System) thiết kế để thu thập liệu mà chức điều khiển Vì nói hệ DAQ thường hàm ý chức điều khiển (Data Acquisition and Control) 1.1.2 Các thành phần hệ DAQ Một hệ DAQ xây dựng sở sức mạnh máy tính bao gồm nhiều khối phần cứng từ nhà sản xuất khác Nhiệm vụ nhà tích hợp kết hợp khối phần cứng thành hệ thống hoàn chỉnh Các thành phần hệ DAQ : • • • • • • Cảm biến chuyển đổi Dây nối truyền thông Khối xử lý tín hiệu Phần cứng thu thập liệu PC (hệ điều hành) Phần mềm thu thập liệu Trang 2 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 1.1: Sơ đồ chức hệ DAQ Chuyển đổi cảm biến Bộ chuyển đổi cảm biến cung cấp kết nối (thực) giới thực hệ DAQ nhờ vào việc chuyển đổi đại lượng vật lý sang tín hiệu điện mà xử lý tín hiệu và/hoặc hệ DAQ chấp nhận Các chuyển đổi sử dụng cho hầu hết phép đo vật lý cung cấp tín hiệu điện tương ứng Ví dụ: cặp nhiệt, nhiệt điện trở IC nhiệt chuyển đổi nhiệt độ sang tín hiệu điện analog, đo lưu lượng (flow meter) cung cấp tín hiệu chuỗi xung có tần số phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy Trong trường hợp trên, tín hiệu điện đầu tỉ lệ với đại lượng vật lý đo lường theo quan hệ định trước Dây nối cáp truyền thông Dây nối: Liên kết ngõ chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu từ khối xử lý tín hiệu đến PC khối xử lý tín hiệu cách xa PC Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC chuẩn truyền tín hiệu RS232 RS-485 : cáp truyền thông Trang 3 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Đây thường thành phần cồng kềnh hệ thống thường dễ chịu tác động nhiễu bên đặc biệt môi trường khắc nghiệt cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu Khối xử lý tín hiệu Tín hiệu điện đầu cảm biến cần chuyển sang dạng thích hợp, chấp nhận phần cứng khối thu thập liệu, đặc biệt chuyển đổi A/D Các nhiệm vụ khối là: • • • • • Lọc Khuyếch đại Tuyến tính hóa Cách ly Kích thích Phần cứng thu thập liệu Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ phân tích Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thông tin trình hệ thống Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển hệ thống hay trình Xuất tín hiệu điều khiển dạng số Phần cứng thu thập liệu tồn nhiều hình thức khác từ nhiều nhà sản suất, là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent stand-alone loggers and controllers (loại định cấu hình, quan sát điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoạt động độc lập), thiết bị độc lập từ xa điều khiển định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE488 Phần mềm thu thập liệu: có ba lựa chọn Đọc xuất liệu trực tiếp dùng: assembly, ngôn ngữ cấp cao Pascal, C/C++… Trang 4 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Dùng driver kèm với phần cứng cung cấp nhà sản xuất Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập liệu để thực tất nhiệm vụ yêu cầu cho ứng dụng cụ thể PC: ảnh hưởng lớn đến tốc độ thu thập xử lý liệu 1.1.2 Cấu trúc hệ DAQ 1.1.2.1 Vào/ra chỗ (tập trung) với PC Các mạch vào/ra tập trung cắm trực tiếp vào máy tính qua bus mở rộng Chúng có đặc điểm nhỏ gọn, tốc độ thu thập liệu điều khiển nhanh nhất, chi phí thấp thường dùng Chúng thường sử dụng ứng dụng mà PC gần cảm biến cấu chấp hành Hình 1.2: Sơ đồ vào/ra tập trung 1.1.2.2 Vào/ra phân tán Sensor cấu chấp hành thường xa PC, thường môi trường sản xuất CN, cảm biến cấu chấp hành môi trường khắc nghiệt bao phủ diện tích rộng cách xa PC hàng trăm mét.Trong môi trường có nhiễu, khó nhận tín hiệu nhỏ từ cảm biến cặp nhiệt, strain gauge qua đường truyền dài.Dây nối từ sensor PC dài tốn Giải pháp: Vào/ra phân tán, nghĩa module xử lý tín hiệu đặt gần sensor tương ứng Mỗi sensor cần có module xử lý tín hiệu.Giải pháp Trang 5 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp tốn có nhiều sensors bù đắp chất lượng tín hiệu độ xác Dạng thường gặp vào/ra phân tán phát số Bộ phát số thực tất chức xử lý tín hiệu cần thiết, có VXL ADC để chuyển tín hiệucần đo sang dạng số Tín hiệu dạng số truyền PC chuẩn RS-232 RS485.RS-232 (point to point) cồng kềnh có nhiều điểm.Đối với RS-485, giảm lượng cáp truyền, kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền lên đến 10km dùng multi-drop network (RS-232: tối đa 15m) Thường cần chuyển đổi RS-232 sang RS-485 hầu hết PC không hổ trợ chuẩn RS-485 Hình 1.3: Sơ đồ khối vào/ra phân tán 1.1.2.3 Các thu thập liệu độc lập phân tán Các thu thập liệu độc lập phân tán có ưu điểm giống I/O phân tán với xử lý tín hiệu thông minh, đồng thời khả tự định từ xa làm tăng độ tin cậy hệ thống Có thể điều khiển định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp card PCMCIA Chúng họat động độc lập mà không cần PC (đây mục tiêu chính) hữu ích phải đặt thu thập liệu xa môi Trang 6 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp trường khắc nghiệt ứng dụng không cho phép kết nối liên tục tới máy tính ( ex: điều khiển nhiệt độ xe tải đông lạnh) Sử dụng card PCMCIA để nhập liệu từ thu thập liệu độc lập Hình 1.4: Card PCMCIA để nhập liệu từ thu thập liệu độc lập Sơ đồ thu thập liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS - 232 Hình 1.5: Sơ đồ thu thập liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS – 232 Kết nối thu thập liệu độc lập qua mạng điện thoại radio Trang 7 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 1.6: Kết nối thu thập liệu độc lập qua mạng điện thoại radio Phương pháp tương tự chương trình đăng nhập liệu từ logger/controller có sẵn thông qua mạng truyền thông nối tiếp thông qua sử dụng di động tái sử dụng thẻ nhớ Hình 1.7: Mạng vào/ra phân tán 1.1.2.3 Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488 Trang 8 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Chuẩn truyền thông gọi GPIB (General Purpose Interface Bus), thành lậpnăm 1965 Hewlett-Packard để kết nối điều khiển thiết bị đo thử lập trình hãng Chuẩn nhanh chóng giới chấp nhận trở thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh hoạt hữu ích việc kết nối thiết bị phòng thí nghiệm.GPIB chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị bus truyền liệu song song Chuẩn IEEE-488 thường yêu cầu có điều khiển GPIB để định địa cho thiết bị khởi tạo thiết bị truyền thông với nhau.Tốc độ truyền thông tối đa, chiều dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa thiết bị phụ thuộc vào tốc độ khả xử lý điều khiển GPIB loại cáp truyền Các thiết bị theo chuẩn IEEE488 phù hợp cho lab nghiên cứu đo thử công nghiệ có hàng ngàn sản phẩm thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp Hình 1.8: Cấu trúc hệ GPIB thông dụng Các dụng cụ lập trình IEEE-488 Trang 9 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 1.9: Card thu thập liệu hỗ trợ IEEE-488 Hình 1.10: Bộ điều khiển áp suất Druck DPI 515 1.1.3 Khâu điều hòa tín hiệu Tín hiệu điện ngõ chuyển đổi/sensor cần biến đổi cho phù hợp với ngõ vào phần cứng DAQ Một số chuyển đổi/sensor cần nguồn kích thích cầu Wheatstone tuyến tính hóa để tín hiệu đo xác Hầu hết hệ DAQ bao gồm khâu xử lý tín hiệu hình thức Các chức mà khâu xử lý tín hiệu thực là: • Khuếch đại • Cách ly • Lọc • Kích thích • Tuyến tính hóa Trang 10 10 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Kết tuyến tính hóa chạy MATLAB Mã chương trình MATLAB %Linear clc; clear all; kx=-1:0.1:1; vb=1.2; vob=zeros(5,21); gama=[1 10 20]; A=1; for i=1:1:5 for j=1:1:21 beta=(1+gama(i))/(gama(i)*A); vob(i,j)=vb*A*kx(j)*((gama(i))/(1+gama(i))^2); end end plot(kx,vob(1,:),' .c',kx,vob(2,:),'-*r',kx,vob(3,:),' .k',kx,vob(4,:),'- ',kx,vob(5,:),'- ') xlabel('Input Kx') Trang 23 23 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp ylabel('Output(V)') axis([-1 -0.4 0.4]) grid on Kết chương trình chạy MATLAB 2.1.3 Thermistors Điện trở nhiệt loại cảm biến nhiệt với giá thành rẻ, điện trở nhiệt bán dẫn chế tạo từ oxides số kim loại (Mangan, Nickel, cobalt,v.v) Độ xác Thermistors lớn khoảng 10 lần so với Thermocouple không xác RTDs Thermistors thường dùng khoảng nhiệt độ từ -80 độ C 250 độ C, đặc tuyến loại cảm biến nhiệt có độ phi tuyến cao 2.2 Cảm biến đo lực (Strain gauge) Cảm biến đo lực sử dụng rộng rãi việc đo lường lực cụ thể biến dạng tác động lực Cảm biến lực với phần tử điện trở gắn cố định dạng thường gặp, bao gồm vật liệu điện trở (thường dạng film mỏng micromet) gắn lên bề mặt polyester Trang 24 24 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Các thông số bản: ε= • Độ dài biến dạng: ∆l l GF = • • ∆R / R ∆R / R = ∆L / L ε Hệ số biến dạng: Hệ số GF kim loại Hệ số biến dạng GF cung cấp nhà sản xuất cho cảm biến cụ thể.Thông thường hệ số nằm khoảng từ 2-4 cho cảm biến có điện trở 120 Ohm, 350 Ohm Kohm Ví dụ: Nếu cảm biến lực với điện trở danh định 350 Ohm hệ số biến dạng GF 2.0 bị biến dạng 1% điện trở thay đổi 2% hay 0.57Ohm Vì độ nhạy nên mạch cầu Wheatstone thường sử dụng cho phép đo mà có thay đổi nhỏ điện trở, cụ thể cảm biến đo lực Mạch cầu Wheatstone bao gồm phần tử điện trở kích thích nguồn điện áp/dòng điện.Mạch cầu Wheatstone biểu diễn bên Trang 25 25 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 1.17: Mạch cầu Wheatstone Mạch cầu ¼ Mạch cầu ½ Mạch cầu toàn phần Trang 26 26 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Trang 27 27 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM TRONG PHÒNG ĐỊNH ÔN 2.1 Giới thiệu hệ thống định ôn Hệ thống thiết kế cho phòng định ôn nhằm tạo môi trường thuận lợi cho xanh, khác hẳn với môi trường khắc nghiệt bên ngoài, nhiên không tách khỏi ảnh hưởng môi trường bên ngoài: Máy lạnh Cục Quạt hút Vòi phun sương Đèn 5.Tấm lợp Polycarbonat Xốp Cây giống nóng máy lạnh Hình 2.1 Hệ thống định ôn Trong đó: Máy lạnh: làm giảm nhiệt độ làm mát phòng định ôn Quạt: làm mát phòng tạo đối lưu ổn định nhiệt độ phòng Phun sương: làm mát tăng ẩm độ thích hợp cho phát triển Đèn: tạo ánh sáng cho quang hợp tăng nhiệt độ làm khô phòng lúc độ ẩm cao Tấm lợp Polycarbonat: giảm xạ ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp vào giống Xốp: tạo vách ngăn môi trường bên bên phòng định ôn Trang 28 28 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống STT CHÚ THÍCH Màn hình HMI hiển thị,điều khiển thông số nhiệt độ, ẩm độ Bộ vi điều khiển PIC16F877A để xử lí tín hiệu từ cảm biến Bộ nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống Máy tính: Điều khiển hệ thống thông qua giao diện Citect Cảm biến: Thu nhận các giá trị nhiệt độ, độ ẩm PLC xử lý trung tâm Cơ cấu chấp hành: Các động điều khiển thiết bị nhằm thay đổi yếu tố nhiệt độ, độ ẩm ( Quạt, phung sương, máy lạnh) Trang 29 29 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp 2.3 Các khổi chức hệ thống 2.3.1 Cảm biến: Hình 2.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT75 Cảm biến SHT75 loại cảm biến tích hợp nhiệt độ ẩm độ Sensirison sản xuất Một cảm biến điện dung phần tử sử dụng để đo độ ẩm tương đối nhiệt độ đo cảm biến khoảng cách băng tần Hình 2.4 Sơ đồ khối SHT75 Tính hiệu Analog từ hai cảm biến qua khâu khuyếch đại đưa vào chuyển đổi analog 14 để chuyển đổi thành tín hiệu số với giao diện kết nối Kết chất lượng tín hiệu tốt thời gian đáp ứng nhanh chóng Bảng đặc tính cảm cảm thể theo bảng kèm sau: Trang 30 30 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 2.5 Các đặc tính cảm biến SHT75 Cảm biến kết nối với vi điều khiển Pic16f877a theo chuẩn truyền thông sau: Hình 2.6 Chuẩn truyền thông SHT75 PIC16f877a 2.3.2 Vi điều khiển PIC1f877a Có nhiệm vụ đọc giá trị cảm biến lưu trữ liệu sau truyền thông qua PLC theo chuẩn RS485 Trang 31 31 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 2.7 Vi điều khiển PIC 16f877a Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật PIC6F877A Đặc điểm PIC16F877A Tẩn số làm việc DC – 20 MHz Reset (and delays) POR, BOR(PWRT, OST) Flash program memory (14 bit-word) 8K Data memory 368 Eeprom data memory (bytes) 256 Interrupts 15 I/O Ports Ports A, B, C, D, E Timers Capture/Compare/PWM modules Serial Communications MSSP, USART Parallel Communications PSP 10-bit Analog-to-Digital Module input channels Analog Comparators Instruction Set 35 Instructions Packages 40-pin PDIP 2.3.4Bộ xử lý trung tâm: PLC S7-200 (CPU 224) Trang 32 32 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Dùng PLC S7-224XP với cổng Freeport sử dụng để giáo tiếp với PIC 16f877A để giao tiếp với hình HMI Hình 2.8 PLC S7-200 (CPU 224) 2.3.5 Cổng truyền thông PC/PPI: S7-200 dùng cổng truyền thông nối tiếp RS485 để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình với trạm PLC khác Hình 2.9: Sơ đồ chân cổng truyền thông Bảng 2.3: Chức chân kết nối PLC Chân Giải thích Đất 24 VDC Truyền nhận liệu Không sử dụng Đất VDC(Điện trở 100Ω) 24 VDC (120mA tối đa) Truyền nhận liệu Không sử dụng Trang 33 33 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 2.9 Giao tiếp PC với S7 qua cổng truyền thông 2.3.6 Màn hình hiển thị HMI Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật hình điều khiển, giám sát HMI Hiển thị Kích thước 5,7 115,2 inch (W) x 86,4 (H) Màn hình Màu TFT Màu sắc hiển thi 256 Colours 256 Màu sắc Độ phân giải 320 x 240 pixels Đèn Người dùng thay CCFL Touch Panel Loại Phim điện trở (analog) Touch Panel Nghị 1024x1024 Ứng dụng nhớ 2MB FLASH EPROM Bộ nhớ lưu liệu 256KB Trang 34 34 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Giao diện nối tiếp Com RS232/RS422 Com Không có Chức điều khiển PLC Không có CF-Card I / F Có Ethernet I / F Không có USB I / F Điện áp DC24V Đánh giá IP65 Nhiệt độ hoạt động ° C đến 50 ° C Bên Kích thước (WxHxD 171mm [6.73in.] X 138mm mm) [5.43in.] X 60mm [2.36in.] Cut-out Kích thước (wxh mm) 156mm x 123.5mm Lập trình phần mềm GP-Pro PBIII 2.3 Giải thuật điều khiển hệt thống định ôn: Trang 35 35 Tính sẵn sàng cao hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 2.10 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệt thống Trong đó: T : Nhiệt độ bên phòng định ôn T1[...]... Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 1.17: Mạch cầu Wheatstone cơ bản Mạch cầu ¼ Mạch cầu ½ Mạch cầu toàn phần Trang 26 26 Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp Trang 27 27 Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM TRONG PHÒNG ĐỊNH ÔN 2.1 Giới thiệu hệ thống định ôn Hệ thống được thiết kế... định ôn Trang 28 28 Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống STT CHÚ THÍCH 1 Màn hình HMI hiển thị,điều khiển thông số nhiệt độ, ẩm độ 2 Bộ vi điều khiển PIC16F877A để xử lí tín hiệu từ cảm biến 3 Bộ nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống 4 Máy tính: Điều khiển hệ thống thông qua giao diện Citect 5 Cảm biến: Thu nhận các các giá trị nhiệt độ, độ ẩm... X 138mm mm) [5.43in.] X 60mm [2.36in.] Cut-out Kích thước (wxh trong mm) 156mm x 123.5mm Lập trình phần mềm GP-Pro PBIII 2.3 Giải thu t điều khiển hệt thống định ôn: Trang 35 35 Tính sẵn sàng cao trong hệ thống mạng doanh nghiệp Hình 2.10 Lưu đồ giải thu t điều khiển hệt thống Trong đó: T : Nhiệt độ bên trong phòng định ôn T1