Luận Văn Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thời gian thực trên nền PC/104

MỞ ĐẦU
Nghiên cứu và ứng dụng tự động hoá (ngành tự động hoá) đã, đang và ngày càng khẳng định vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống con người. Nhờ những thành tựu của ngành tự động hoá, con người không phải tham gia trực tiếp hoặc ít phải tham gia vào những công việc khó khăn, vất vả, độc hại; tốn nhiều công sức, nhiều nhân lực như làm việc trong các nhà máy điện hạt nhân, hầm lò, khai thác mà sản phẩm tạo ra lại có số lượng và chất lượng vượt trội nhiều lần.
Ngành tự động hoá ngày nay đã đạt được những thành tựu lớn. Một nhà máy lớn được điều hành chỉ với một vài người, thậm chí không cần người điều hành, một bóng đèn tự bật sáng khi có người bược vào, một cánh cửa tự mở khi nhận biết người quen Tiến tới chúng ta có thể có những người máy có tư duy có thể làm những việc theo ý muốn con người.
Những năm về trước, các thiết bị điều khiển (điển hình là rơle cơ, các thiết bị cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các bộ chuyển đổi, ) đều là các thiết bị tương tự, thực hiện các bài toán điều khiển đơn giản, độ chính xác không cao, độ tin cậy thấp, không có hoặc có rất ít khẳ năng lập trình. Nhờ tiến bộ trong công nghệ sản xuất linh kiện điện tử, công nghệ vi xử lý, mô hình thiết bị công nghiệp, dần dần các thiết bị số ra đời và thay thế các thiết bị tương tự do những ưu việt của chúng. Các thiết bị này có độ chính xác, độ tin cậy cao, có khẳ năng lập trình được, phù hợp với môi trường công nghiệp (chịu được ảnh hưởng của nhiễu: nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu điện từ, làm việc với cường độ cao, độ chính xác và độ tin cậy cao), đáp ứng được các bài toán điều khiển phức tạp với những yêu cầu cao, thực hiện trên những qui mô lớn. Điển hình cho thiết bị số này là PLC (Programmable Logical Controller).
Mặc dù máy tính cá nhân (PC) đã có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, có năng lực bằng nhiều lần các thiết bị khả trình, nhưng sự xuất hiện của chúng với vai trò là thiết bị điều khiển trong công nghiệp rất mờ nhạt và gần như không được đề cập đến trong các bài toán điều khiển. Các PC không đáp ứng được các yêu cầu làm việc trong môi trường công nghiệp. Các nhà thiết kế lúc này chỉ còn biết nuối tiếc với tính năng mở, môi trường phát triển rộng, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao, tính năng ứng dụng lớn của PC. Không những vậy, xây dựng bài toán điều khiển trên PC kinh tế hơn xây dựng trên các thiết bị khả trình.
Một vài năm gần đây, các tiến bộ mới trong kỹ thuật linh kiện điện tử, trong kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm, công nghệ truyền dẫn dữ liệu (công nghệ bus trường) khiến máy tính có thể thực hiện nhiệm vụ điều khiển dể dàng trong môi trường an toàn mà không phải đặt trực tiếp tại môi trường làm việc như trước đây. Nhờ vậy máy tính đã có thể đáp ứng các yêu cầu làm việc trong công nghiệp. Máy tính cá nhân đang là xu thế được chọn lựa trong điều khiển công nghiệp.
Vì những lý do trên, máy tính đã có những loại được thiết kế riêng cho mục đích công nghiệp. PC/104 là loại máy tính điển hình cho mục đích trên.
Mọi sinh viên trong Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong quá trình 5 năm học tập của mình, đều phải trải qua ba lần thực tập. Trong đó quan trọng hơn cả là đợt thực tập tốt nghiệp. Sinh viên ngành Điều khiển tự động chúng em không nằm ngoài qui luật đó. Đây là một cơ hội để chúng em kiểm chứng, áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Hơn nữa, nó còn là thời gian chúng em được tiếp xúc với những thiết bị kĩ thuật hiện đại đang được các nhà máy, xí nghiệp, các trung tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi.
Nhóm chúng em gồm hai thành viên là Nguyễn Văn Hiến và Nguyễn Mậu Phương, lớp ĐKTĐ1-K44. Đề tài tốt nghiệp mà chúng em đang làm là đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thời gian thực trên nền PC/104” do giảng viên - Tiến sĩ Hoàng Minh Sơn - Bộ môn Điều khiển tự động – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn. Chúng em được thầy Sơn giới thiệu thực tập tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đây là một nơi nghiên cứu, ứng dụng các kĩ thuật Tự động hóa vào sản xuất. Là một phòng thí nghiệm trọng điểm, Phòng thí nghiệm được nhà nước đầu tư các trang thiết bị hiện đại, có đội ngũ cán bộ khoa học có năng lực và trình độ chuyên môn cao. Nhiệm vụ chủ yếu của Phòng thí nghiệm là thực hiện các đề tài khoa học cấp Nhà nước; nghiên cứu, chuyển giao công nghệ cho các công ti trong và ngoài nước. Tại đây, chúng em đã được Thạc sĩ Phạm Quang Đăng – cán bộ của Phòng thí nghiệm – cũng như các thầy. các anh chị trong Phòng thí nghiệm hướng dẫn tận tình. Trong thời gian thực tập, chúng em đã làm được một số việc sau:
1. Tìm hiểu, lắp ráp thành công máy tính PC/104.
2. Khảo sát một đối tượng điều khiển là lò điện trở.
3. Tiến hành thiết kế mạch phần cứng của Card điều khiển lò điện trở.
Ngoài ra, chúng em còn được làm quen với các thiết bị, linh kiện thường được sử dụng nhiều trong nghiên cứu cũng như thực tế sản xuất. Qua đó chúng em đã tích luỹ được những kinh nghiệm quí báu cho mình.
Nội dung của bản báo cáo thực tập chúng em chia làm bốn phần. Những vấn đề được đề cập đến trong mỗi phần đều tương ứng với những công việc đã làm được trong đợt thực tập này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Hoàng Minh Sơn đã tạo cơ hội cho chúng em được thực tập tại một trong những Phòng thí nghiệm hàng đầu của Việt Nam, nơi chúng em có điều kiện tiếp xúc với những thiết bị điều khiển hiện đại nhất hiện nay. Chúng em cảm thấy mình may mắn hơn các bạn khác trong lớp rất nhiều. Đồng thời, chúng em cũng xin cảm ơn sự chỉ bảo, động viên của thầy dành cho trong suốt thời gian qua.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ, nhân viên của Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá, đặc biệt là Thạc sĩ Phạm Quang Đăng. Mặc dù luôn bận rộn với công việc song anh vẫn sắp xếp thời gian hướng dẫn chúng em tận tình. Chúng em biết rằng do sự nôn nóng, sự vụng về và bồng bột của tuổi trẻ mà chúng em đã làm nhiều điều không đúng. Chúng em mong rằng các anh là thế hệ những người đi trước sẽ không để tâm mà thẳng thắn chỉ ra những điều sai trái, cũng như chỉ bảo những điều đúng đắn cho chúng em.
Dù đã rất cố gắng trong quá trình thực tập song do hạn chế của bản thân, chúng em không thể không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Nhưng với sự cố gắng học hỏi, tự hoàn thiện mình, đặc biệt cùng với sự chỉ bảo, hướng dẫn của các thầy, các anh trong Phòng thí nghiệm, chúng em tin rằng những thiếu sót đó sẽ sớm được khắc phục


Lời nói đầu
Mục lục
1 Giới thiệu về PC/104
1.1 Sơ lược về cấu trúc PC/104
1.2 Cài đặt phần cứng
1.3 Thiết lập hệ thống vào ra cơ sở
1.3.1 Các thiết lập cơ sở
1.3.2 Cài đặt ngoại vi
1.3.3 Chức năng Watchdog-Timer
2 Tìm hiều lò điện trở
2.1 Giới thiệu chung
2.2 Các phương pháp điều khiển lò điện trở
2.2.1 Điều khiển dùng Rơle
2.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý
2.2.1.2 Nguyên lý điều khiển
2.2.2 Điều khiển Thyristor
2.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý
2.2.2.2 Nguyên lí điều khiển
2.3 Kết luận
3 Cấu tạo mạch điều khiển
3.1 Cấu tạo mạch điều khiển lò điện trở
3.1.1 Đặc tính của Thyristor
3.1.2 Sơ đồ mạch
3.2 Cấu tạo Card điều khiển trên PC/104 sử dụng rãnh ISA
3.2.1 Dùng PIT8254
3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý
3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động
3.2.2 Dùng DAC0808
3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động
3.3 Đánh giá, lựa chọn phương án
4 Những việc đã làm được
4.1 Tìm hiểu, lắp ráp máy PC/104
4.2 Khảo sát lò điện trở
4.3 Thiết kế phần cứng cho Card điều khiển lò điện trở
4.4 Nghiên cứu thư viện lập trình toán học Fmol++
Tài liệu tham khảo