1
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
Hà Nội, 12-2004
Bản quyền 2004 thuộc Viện Công nghệ thông tin
3
Danh sách những người thực hiện chính
A
Chủ nhiệm đề tài
PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát
Viện Công nghệ Thông tin
B
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
6
KS. Chu Ngọc Liêm
KS. Nguyễn Xuân Hoàng
Viện Công nghệ Thông tin
Viện Công nghệ Thông tin
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 sả
n 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, m
ạng 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 m
ạng 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
5
- 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
6
MỤC LỤC
- Trang nhan đề
1
- Danh sách các cán bộ tham gia đề tài
2
- Bài tóm tắt
4
- Mục lục
PHẦN CHÍNH BÁO CÁO
6
1. Lời mở đầu
9
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 thiế
t kế và chế tạo hệ thống đo liên tục, thu
thập xử lý mức nước từ xa bằng phương pháp số
26
a. Đầu đo mức nước 26
b. Thiết bị thu thập tín hiệu mực nước từ xa 32
8PHẦN CHÍNH BÁO CÁO
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 tạ
o 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 th
ị 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 k
ết 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.
lượ
ng 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 k
ế 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 11
Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.13
TT Tên sản phẩm Số
lượng
Chỉ tiêu Kinh tế - kỹ thuật Ghi Chú
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
Phần mềm: Dễ mở rộng
3 Thiết bị giao diện với
người vận hành ETS
qua mạng Ethernet
1
Đạt tiêu chuẩn công nghiệp
Màn hình touchscreen
Bộ nhớ flash
Kết nối qua Ethernet
4
Chương trình EMON
đo lường, thu thập dữ
liệu và kiểm tra xa
trên cơ sở mạng
Ethernet
1 - Kết nối với các thiết bị đo điều
khiển xa EĐĐK qua mạng tốc
độ cao Ethernet
nước
1
•
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: 20độ/s
Giới hạn quay phương vị: ±70
o sử dụng cảm biến ảnh
Giới hạn quay góc tà: ±30
o (Visual Control)
Độ phân giải góc: 0,1
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: 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: 35 triệu đồng
5. Chi khác: 203 triệu đồng
2. NỘI DUNG CHÍNH CỦA BÁO CÁO
2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước
Ngoài nước:
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 d
ụng 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
15
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 nh
ư 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,
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 xu
ất 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 điể
m.
Việc nghiên cứu phát triển các thiết bị đo thông minh trong nước có tầm quan
- 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. Thiế
t 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. 18
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 liệ
u 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
- 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 x
ử lý.
Máy đo công suất vạn năng có khả năng đo dòng điện, đo điện áp, đo
osc
ϕ
, 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.
1
Bui Trong Tuyen, Pham Thuong Cat
An ANN-based method to control Hand-eye robot for tracking of moving objects
8
th
International Conference on Mechatronics Technology ICMT2004, November
8-12/2004, Hanoi, Vietnam 21
2
Nguyen Tran Hiep, Pham Thuong Cat
A. GA Optimized Neuro Controller for Robot Manipulater
8
th
International 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
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
3
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
th
International 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
th
International 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
1
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
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
3
Phạm Thương Cát, Nghiên cứu phát triển và ứng dụng Công nghệ thông
tin trong Tự động hóa ở hoàn cảnh Việt nam
III Hội nghị toàn quốc lần thứ nhất về Cơ điện tử (20/9/2002)
1 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
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 24
2 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
3 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
4 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
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.
5 Bùi Trọng Tuyên, Phạm Thượng Cát, Về một phương pháp điều khiển
hệ Camera-Rôbốt bám mục tiêu
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
6 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-
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)
1 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
2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới
Copyright: Tài liệu đại học ©