Đồ án: Nghiên cứu, thiết kế mô hình giảng dạy LabVIEW dùng CompactRIO - ĐH SPKT

Đồ án tốt nghiệp trình bày chi tiết quá trình thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy LabVIEW kết hợp CompactRIO. Ứng dụng trong ngành tự động hóa.

• Tác giả: Nguyễn Đức Sang
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy LabVIEW sử dụng CompactRIO
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mô Hình Giảng Dạy LabVIEW Với CompactRIO

Trong bối cảnh Công Nghiệp 4.0, nhu cầu đào tạo kỹ sư điều khiển tự động hóa ngày càng tăng cao. Mô hình giảng dạy LabVIEW với CompactRIO là giải pháp hiệu quả để cầu nối giữa lý thuyết và thực tiễn. Đề tài này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hỗ trợ dạy học từ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm nâng cao chất lượng giáo dục kỹ thuật. LabVIEW là ngôn ngữ lập trình đồ họa mạnh mẽ của National Instruments, cho phép sinh viên phát triển các ứng dụng điều khiển thực tế. Kết hợp với CompactRIO NI 9076, hệ thống này cung cấp nền tảng hoàn hảo để học tập điều khiển tự động, thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu. Mô hình này không chỉ hỗ trợ giảng dạy mà còn giúp phát triển tư duy kỹ thuật và kỹ năng thực hành của sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật.

1.1. Ý Nghĩa Và Tính Cấp Thiết Của Đề Tài

Tính cấp thiết của đề tài nằm ở việc cung cấp công cụ học tập thực tế cho ngành Điều Khiển Tự Động Hóa. Sinh viên không chỉ học lý thuyết mà còn được thực hành trực tiếp với các hệ thống điều khiển thật. CompactRIO là nền tảng công nghiệp được sử dụng rộng rãi, giúp sinh viên làm quen với công nghệ thực tế. Mô hình này mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại, nâng cao khả năng cạnh tranh của sinh viên trên thị trường lao động.

1.2. Mục Tiêu Chính Của Nghiên Cứu

Mục tiêu chính bao gồm nghiên cứu lập trình LabVIEW, thiết kế CAD mô hình bằng CATIA, và thực hiện chế tạo mô hình vật lý. Đề tài cũng tập trung vào nghiên cứu thuật toán điều khiển PID để cài đặt vào CompactRIO. Kết quả là tạo ra một mô hình giảng dạy hoàn chỉnh có thể sử dụng trong lớp học, hỗ trợ sinh viên hiểu rõ hơn về các khái niệm điều khiển tự động.

II. Thành Phần Kỹ Thuật Của Hệ Thống CompactRIO

Hệ thống CompactRIO NI 9076 là bộ điều khiển thiết bị vào/ra (I/O) công nghiệp được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển phức tạp. CompactRIO bao gồm CPU chạy Real-Time Linux, FPGA lập trình được, và các module I/O chuyên biệt. Hệ thống được tích hợp nhiều module chuyên dụng như NI 9205 (analog input), NI 9505 (analog output), NI 9234 (accelerometer), và NI 9403 (digital I/O). Các module này cho phép đọc cảm biến, điều khiển cơ cấu chấp hành, và xử lý tín hiệu thời gian thực. Kiến trúc modular của CompactRIO giúp dễ dàng mở rộng chức năng, phù hợp cho các ứng dụng giáo dục đa dạng. Công suất xử lý mạnh mẽ cùng Real-Time Operating System đảm bảo hiệu suất ổn định cho các thuật toán điều khiển phức tạp.

2.1. CompactRIO NI 9076 Và Các Thông Số Kỹ Thuật

NI 9076 là bộ điều khiển tích hợp với CPU Real-Time 800 MHz, FPGA Xilinx có thể lập trình, và 8 khe cắm module I/O. Thiết bị hỗ trợ Ethernet, serial, và USB để kết nối với máy tính. Các thông số kỹ thuật bao gồm bộ nhớ RAM 512MB, bộ nhớ flash 2GB, và khả năng xử lý tín hiệu thời gian thực với độ trễ thấp. Công suất tiêu thụ chỉ khoảng 30W, phù hợp cho ứng dụng dạy học.

2.2. Các Module I O Chính Của Hệ Thống

NI 9205 cung cấp 32 kênh analog input với độ phân giải 16-bit, dùng để đọc cảm biến. NI 9505 là module analog output với 4 kênh ±10V, dùng điều khiển cơ cấu chấp hành. NI 9234 là module accelerometer chuyên dụng, đo gia tốc trong 3 trục. NI 9403 cung cấp 32 kênh digital I/O cho điều khiển các thiết bị số. Các module này cắm trực tiếp vào backplane của CompactRIO, dễ dàng cài đặt và quản lý từ phần mềm.

III. Thiết Kế Mô Hình Bằng Phần Mềm CATIA Và Thi Công Thực Tiễn

Thiết kế mô hình bằng CATIA là bước quan trọng trước khi thi công chế tạo. Phần mềm CATIA cho phép mô hình hóa 3D chi tiết, tính toán cơ học, và tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất. Mô hình bao gồm khung chịu lực chính được thiết kế để chịu tải từ các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Bộ nguồn, các module CompactRIO, và linh kiện điện tử được bố trí hợp lý để tối ưu hóa không gian và dễ dàng bảo trì. Sản phẩm thiết kế được kiểm chứng trước khi chuyển sang giai đoạn thi công. Quá trình thi công bao gồm chuẩn bị linh kiện cơ khí, gia công chính xác, và lắp ráp từng bộ phận. Kiểm tra chất lượng được thực hiện ở mỗi bước để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Quy Trình Thiết Kế Trên CATIA

Thiết kế tổng quan bắt đầu từ phác thảo các thành phần chính của mô hình. Khung chịu lực được thiết kế với các thanh vuông góc để chịu các ứng suất từ cảm biến. Các chi tiết hỗ trợ như bệ gá, khe cắm được mô hình hóa chi tiết để đảm bảo fit chính xác. Phần mềm CATIA cung cấp công cụ mô phỏng FEA để kiểm tra độ bền của mô hình trước khi thi công.

3.2. Thi Công Và Lắp Ráp Mô Hình

Chuẩn bị linh kiện bao gồm gia công thép không gỉ, nhôm anodized, và các vật liệu composite. Lắp ráp mô hình theo thứ tự từ dưới lên trên, bắt đầu từ khung nền rồi các bộ phận chức năng. Kiểm tra căn chỉnh và điều chỉnh sau mỗi bước lắp ráp để đảm bảo độ chính xác. Kiểm tra chất lượng cuối cùng bao gồm kiểm tra các kích thước, độ chắc chắn, và khả năng hoạt động.

IV. Xây Dựng Chương Trình Điều Khiển Trên LabVIEW Và Thu Thập Dữ Liệu

Xây dựng chương trình điều khiển trên LabVIEW là phần lõi của đề tài, nơi lý thuyết chuyển hóa thành ứng dụng thực tế. LabVIEW cung cấp giao diện lập trình đồ họa (graphical programming) giúp sinh viên dễ dàng hiểu các khái niệm điều khiển phức tạp. Chương trình thực hiện với CompactRIO bao gồm các VI (Virtual Instruments) để đọc dữ liệu cảm biến, xử lý tín hiệu, thực hiện thuật toán PID, và điều khiển cơ cấu chấp hành. Thiết lập ban đầu cho CompactRIO 9076 bao gồm cấu hình IP address, tải firmware, và cài đặt các driver cho các module I/O. Thu thập dữ liệu được thực hiện thời gian thực, cho phép giám sát hiệu suất của hệ thống điều khiển và tối ưu hóa các tham số PID. Giao diện người dùng trên LabVIEW hiển thị các biểu đồ, số liệu thống kê, giúp sinh viên phân tích kết quả một cách trực quan.

4.1. Tổng Quan Chương Trình Thực Hiện Với CompactRIO

Chương trình chính được chia thành các module bao gồm đọc input, xử lý dữ liệu, tính toán điều khiển PID, và ghi output. Vòng lặp thời gian thực chạy với tần số 100Hz để đảm bảo phản ứng nhanh của hệ thống điều khiển. Cấu hình FPGA trên CompactRIO giúp xử lý tín hiệu với độ trễ tối thiểu. Real-Time module quản lý ưu tiên các tác vụ và đảm bảo độ tin cậy của chương trình.

4.2. Hướng Dẫn Bắt Đầu Và Cấu Hình CompactRIO

Bước đầu tiên là kết nối CompactRIO với máy tính qua Ethernet. Cài đặt LabVIEW và MAX (Measurement & Automation Explorer) để quản lý thiết bị. Cấu hình IP address cho CompactRIO sử dụng MAX software. Tải Real-Time image và firmware cho FPGA từ máy tính xuống thiết bị. Kiểm tra kết nối các module I/O bằng Test Panel để đảm bảo tất cả module được nhận diện chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước  Ngoài nước: Hiện nay trên thế giới có hàng ngàn các đề tài nghiên cứu khoa học dùng để điều khiển motor C như: điều khiển vị trí bướm ga, điều khiển tốc độ cầm chừng, cánh tay robot trong công nghiệp và y học, … Theo thời gian, các đề tài ngày được thực hiện với mực độ chính xác càng cao, chuyển động càng êm dịu, thời gian điều khiển tối ưu nhất,… Bên cạnh đó, còn có các đề tài khoa học ứng dụng khác với các công nghệ tiên tiến, phát triển. Ngành công nghệ kỹ thuật ô tô nói riêng và ngành kỹ thuật nói chung, việc áp dụng các công nghệ, nắm bắt cơ hội phát triển và vận dụng vào trong nghiên cứu là điều cần thiết.

Để làm được điều đó chúng ta cần có một nền tảng điều khiển tự động vững chắc để làm cơ sở phát triển lâu dài về sau.  Trong nước: Cũng có nhiều đề tài về lập trình nhúng điều khiển các thiết bị tự động. Nhưng nhìn chung đa số các đề tài thực hiện hoàn thành ở mức độ vận dụng và phát triển lên. Ngoài ra để hỗ trợ cho việc học thì chúng ta cần những mô hình dạy và học để xây dựng nền tảng giúp cho chúng ta có cơ sở để thực hiện một đề tài hoặc một hướng phát triển nào đó.

Tính cấp thiết đề tài Ngày nay việc học ngày càng được chú trọng và nâng cao nhờ vậy chất lượng giảng dạy cũng được ưu tiên hàng đầu. Có giảng dạy tốt thì việc vận dụng và phát triển mới vững chắc ổn định lâu dài. Nhận thức điều đó, việc thiết kế một thiết bị hỗ trợ cho việc giảng dạy là điều cần thiết đồng thời tạo nguồn cảm hứng sáng tạo đến các thế hệ trẻ. Đặc biệt với các thiết bị 100% được nhập từ nước ngoài thì tài liệu và các linh kiện cũng như thiết bị bị hạn chế rất nhiều, đồng thời giá thành các phụ kiện đi kèm cũng rất đắc nên cũng khó khăn trong việc nghiên cứu và học tập.

Từ đó, chúng ta phải biết tận dụng những thiết bị nhà trường có sẵn, cụ thể là các sản phẩm từ hãng National Instrusment để tạo ra một mô hình trực quan, đi kèm là các thông tin sản phẩm rõ ràng chính xác để cho việc dạy và học ngày càng trở nên dễ dàng và hiệu quả. Mục tiêu đề tài - Thiết kế và chế tạo thành công được mô hình hỗ trợ giảng dạy LabVIEW sử dụng CompactRIO. - Xây dựng chương trình dùng để kiểm tra và điều khiển các thiết bị của hãng National Instrument. - Hoàn thành bộ điều khiển đáp ứng được các tiêu chí: dễ dàng quản lý các tài nguyên, đa dạng trong việc sử dụng và thích hợp hầu hết với các thiết bị.

Hướng tiếp cận - Tìm hiểu về CATIA, LabVIEW. - Tham khảo các mô hình dạy học đảm bảo các yếu tố: vận hành chính xác, thiết kế gọn dễ mang đi, chi phí phải chăng, thích hợp làm việc trong mọi điều kiện. - Thiết kế mô hình trên CATIA và tiến hành thi công. - Tìm kiếm thư viện hỗ trợ từng thiết bị và cách dùng từ hãng National Instruments.

- Tìm hiểu về thuật toán điều khiển PID. - Viết chương trình điều khiển, thu thập dữ liệu bằng phần mềm LabVIEW. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu  Phương pháp giải quyết vấn đề: - Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về CATIA, LabVIEW, và các thuật toán điều khiển tự động. - Ứng dụng CATIA để phác thảo, thiết kế và mô phỏng sản phẩm.

- Tìm hiểu vật liệu, gia công mô hình. - Ứng dụng thư viện LabVIEW và giải thuật PI để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu từ các cảm biến.  Phạm vi nghiên cứu: - Thu thập dữ liệu các cảm biến (chiết áp), theo dõi và quản lý hệ thống điều khiển. - Điều khiển tốc độ động cơ.

- Điều khiển vị trí động cơ. - Sử dụng tín hiệu cảm biến thay đổi giá trị điểm đặt để điều khiển động cơ. - Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài. Giới thiệu phần mềm LabVIEW Sự phát triển của tự động hóa nói riêng và kỹ thuật công nghệ nói chung ngày nay càng ngày càng gắn liền với những thành tựu của công nghệ phần mềm.

Nếu như trước kia, việc thực thi, mô phỏng những hệ thống được thực hiện khó khăn và phức tạp thông qua lập trình bằng ngôn ngữ đơn giản, thì ngày nay, xuất hiện ngày càng nhiều những công cụ cho phép người kỹ sư có thể nhanh chóng xây dựng trong thời gian ngày càng ngắn, công sức và độ phức tạp ngày càng ít, để xây dựng mô hình hệ thống và thực thi những bài toán điều khiển phức tạp. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một trong những môi trường phát triển và nền tảng của ngôn ngữ lập trình trực quan (Visual Programming Language) do National Instruments xây dựng. Ngôn ngữ lập trình đồ họa cho phép người lập trình có thể xây dựng những chương trình một cách trực quan bằng các biểu đồ, sơ đồ thay vì gõ mã lệnh. Sự phát triển của dạng ngôn ngữ này có lẽ gắn liền với sự thâm nhập ngày càng sâu của công nghệ thông tin vào các ngành kỹ thuật và ứng dụng, trong đó người sử dụng không cần tốn quá nhiều công sức cho việc lập trình để có thể xây dựng hệ thống, thay vào đó có thể tập trung vào ứng dụng của chương trình.

Một trong những ngôn ngữ đó là Graphical Programming Leaguage, viết tắt là G, được xây dựng đầu tiên bởi Apple Macintos, và được National Instruments (NI) sử dụng để xây dựng nên bộ công cụ phần mềm LabVIEW nổi tiếng. Ngôn ngữ G – xương sống của bộ công cụ LabVIEW. Có thể nói, ngôn ngữ G là linh hồn và xương sống của LabVIEW. Trong suốt quá trình phát triển của bộ công cụ này, trải qua rất nhiều phiên bản LabVIEW, gần như không thay đổi về phương thức lập trình của mình, chỉ thêm vào những công cụ, thư viện mới, module và các nền tảng phần cứng mới.

Phiên bản mới nhất của LabVIEW hiện nay là 2019. LabVIEW chủ yếu được sử dụng trong những bài toán thu thập, xử lý dữ liệu, điều khiển thiết bị, và tự động hóa thiết bị điều khiển. Nó có thể chạy trên nhiều hệ điều hành, từ Mac, Windows, Linux và cả một số hệ điều hành nhúng khác, có thể thực thi trên Windows mobile, các thiết bị có Windows CE, và PocketPC. 4 Như đã nói chức năng đầu tiên và mạnh nhất của LabVIEW là thu thập dữ liệu (Data Acquision hay DAQ).

NI hỗ trợ hàng loạt các phần cứng DAQ phong phú về mặt chất lượng, kích thước, và giá thành cho một số lượng lớn ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp. Và nếu không muốn bỏ tiền mua những thiết bị đó thì bạn vẫn có thể xây dựng những phần cứng và giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB, LPT, COM, PCI, Bluetooth, Ethernet, Wireless, … LabVIEW có một bộ thư viện cho phép chúng ta giao tiếp tốt với những cổng đó. Bên cạnh việc hỗ trợ thu thập dữ liệu, LabVIEW cung cấp một thư viện hết sức phong phú hỗ trợ xử lý tín hiệu và ngôn ngữ lập trình G có cơ chế cho phép người thiết kế quản lý thời gian thực thi các vòng lặp, quản lý các câu lệnh một cách tương đối chặt chẽ, đồng thời quản lý tài nguyên, thực thi các vòng lặp song song, xử lý đa luồng, bởi thế những chương trình LabVIEW có thể đáp ứng rất tốt các yêu cầu về thời gian, thậm chí yêu cầu thời gian thực. Một ứng dụng nổi bật khác của LabVIEW là điều khiển thiết bị, và tự động hóa thiết bị công nghiệp.

Bởi khả năng xử lý đa luồng và quản lý thời gian thực thi chặt chẽ đó, LabVIEW trở thành công cụ tuyệt vời cho những ứng dụng điều khiển sử dụng máy tính. NI cung cấp rất nhiều module thu thập, xử lý và điều khiển cho phép xây dựng cả một hệ điều khiển gắn với máy tính, vừa thực thi thao tác điều khiển hiệu quả, vừa tận dụng khả năng xử lý tuyệt vời của máy tính cá nhân. Những thiết bị phần cứng (Hardware target) do NI cung cấp có thể kể đến như: NI Motion (card điều khiển chuyển động), các card PCI công nghiệp, PXI, các bộ điều khiển khả trình PAC, fieldpoint, compactRIO, … có thể nối National Instruments đã xây dựng nên cả một đế chế thiết bị từ một ngôn ngữ lập trình đơn giãn đến tuyệt vời. Ngày nay bên cạnh những hướng đi truyền thống, có vẻ NI đang muốn tập trung vào lĩnh vực FPGA.

Với hướng phát triển này, LabVIEW sẽ thực sự nổi trội với khả năng xử lý song song, đa luồng vốn đã rất nổi tiếng của mình. Với sự ra đời hàng loạt thiết bị ra/vào khả trình (Reconfigurable Input/ Output) người thiết kế có thể tùy ghi thay đổi, cấu hình, và thực thi các nhân xử lý, các vòng lặp song song, để thực hiện những bài toán xử lý, điều khiển phức tạp và đòi hỏi yêu cầu khắt khe nhất về thời gian. 5 Riêng đối với mô hình điều khiển động cơ, đọc tín hiệu từ các cảm biến sử dụng CompactRIO mà nhóm đang thực hiện. LabVIEW cung cấp một bộ xử lý thời gian thực giúp cho người đánh giá được hiệu quả một cách tối ưu nhất.

Ngoài ra, LabVIEW còn cung cấp một kho nguồn mở các tài liệu, thuật toán điều khiển để người dùng có thể tham khảo, cùng với đó là ngôn ngữ G giúp cho người dùng có được cách nhìn trực quan dễ hiểu hơn về thuật toán điều khiển. Xây dựng được giao diện người dùng cũng chính là một trong những thế mạnh của LabVIEW, cái mà những ngôn ngữ lập trình khác hiện nay chưa hỗ trợ (nếu có thì cách thực hiện cũng phức tạp hơn rất nhiều) giúp cho người sử dụng có thể được một cái nhìn trực quan và dễ dàng điều khiển thiết bị. Giới thiệu phần mềm CATIA Ngày nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho công việc thiết kế sản phẩm, điều này giúp cho công việc của người thiết kế trở nên dễ dàng và tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Một trong những phần mềm được dùng phổ biến trong kỹ thuật là CATIA.

CATIA là một gói phần mềm toàn diện hỗ trợ CA /CAM/CAE hoàn chỉnh được nghiên cứu và phát triển bởi hãng Dassault Systemes (của Pháp), đây là một trong những phần mềm mà nhiều tập đoàn lớn trên thế giới trong các lĩnh vực công nghiệp nặng như ô tô, hàng không, cơ khí hạng nặng đang sử dụng.