Bài hướng dẫn này sẽ trình bày một cách tổng quan về quy trình khuyến nghị cho việc xây dựng một hệ thống đo kiểm hoàn chỉnh, từ việc lựa chọn phần mềm, thiết bị và lựa chọn giá đỡ đến bảo trì và triển khai hệ thống.

KS Lương Q. Tài

Xác định một chiến lược cho hệ thống đo kiểm là điều rất quan trọng để giảm chi phí và tối ưu hóa trong sản xuất. Bài hướng dẫn này sẽ trình bày một cách tổng quan về quy trình khuyến nghị cho việc xây dựng một hệ thống đo kiểm hoàn chỉnh, từ việc lựa chọn phần mềm, thiết bị và lựa chọn giá đỡ đến bảo trì và triển khai hệ thống

Bước 1: Xác định nền tảng phần cứng mà hệ thống cần có.

  • Đầu tiên, cần xác định mục tiêu và yêu cầu về đo lường đối với thiết bị cần kiểm tra. Đó là một hệ thống kiểm tra một sản phẩm đơn lẻ, toàn bộ sản phẩm, hay một dòng sản phẩm?
  • Sau khi xác định được yêu cầu của hệ thống đo kiểm, chúng ta có thể chọn được một nền tảng phần cứng lõi phù hợp với mục đích chính của hệ thống.
  • Chọn một bus dữ liệu tương thích với ứng dụng đặc thù: GPIB, PCI, PCI Express, PXI, Ethernet/LAN/LXI

Hình 1: Biểu đồ so sánh băng thông tối đa của các loại bus

  • Sau khi xác định được yêu cầu của hệ thống đo kiểm và lựa chọn được nền tảng phần cứng, chúng ta sẽ lựa chọn thiết bị phần cứng phù hợp cho hệ thống. Dưới đây là một ví dụ về thiết bị dạng module: nền tảng PXI (PCI Extension for Instruments) của National Instruments.

Hình 2: Nền tảng PXI của National Instruments

Nền tảng PXI được phát triển dựa trên PCI và PCI Express. So với hệ thống đo kiểm truyền thống, PXI có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn. Với hệ truyền thống, mỗi thiết bị phần cứng sẽ thực hiện một chức năng nhất định, và các thiết bị này được kết nối với nhau và với máy tính qua các bus dữ liệu bên ngoài như GPIB, LAN, USB. Với hệ thống PXI, nhiều thành phần như bus, nguồn cấp, hệ điều hành và giao diện người dùng … được tích hợp trong một khung cắm duy nhất. Các module chức năng có thể là nhiều loại phần cứng khác nhau như: máy hiện sóng, máy phát hàm, RF … Điều này giúp cho hệ thống PXI có băng thông lớn, định thời và đồng bộ hóa ưu việt, độ tin cậy cao và chi phí thấp hơn so với hệ thống đo kiểm truyền thống.

Hình 3: So sánh kiến trúc giữa hệ đo kiểm truyền thống và hệ tích hợp dạng module

Bước 2: Chọn kiểu khung chứa, kích cỡ khung và bố trí cấp nguồn

  • Bộ khung được dùng để chứa các thiết bị dùng cho đo kiểm như: thiết bị đo, bộ chuyển mạch (switch), dây cáp, bộ kẹp, hệ thống kết nối bên trong, nguồn điện và hệ thống làm mát. Cần phải quan tâm đến nhiều yếu tố khi lựa chọn một bộ khung như: môi trường sử dụng, tính linh động, kích thước và hệ thống làm mát.

Hình 4: Bộ khung của hệ thống CompactRIO (National Instruments)

  • Bố trí nguồn điện: nguồn điện thường được đặt ở vị trí dưới cùng của bộ khung, để tăng tính ổn định. Để chọn được một bộ cấp nguồn chính, cần tính toán công suất của toàn bộ hệ thống và lựa chọn một bộ nguồn có công suất lớn hơn công suất hệ thống khoảng 30%

Bước 3: Lưu ý đến bộ chuyển mạch (switch), khối liên kết và bộ giữ cố định

  • Quy trình kết nối thiết bị cần kiểm tra với hệ thống đo kiểm bao gồm xác định cấu trúc chuyển mạch, chọn một hệ kết nối bên trong và thiết kế bộ giữ cố định.
  • Có 4 kiểu kiến trúc chuyển mạch chính: không có chuyển mạch, chuyển mạch trong bộ đo kiểm, chuyển mạch trong bộ giữ cố định, chuyển mạch ở cả bộ đo kiểm và bộ giữ cố định. Mỗi kiểu kiến trúc có ưu và nhược điểm khác nhau.

Hình 5: Bảng so sánh các cấu trúc chuyển mạch

  • Khối liên kết : một hệ thống khối liên kết được thiết kế để giảm nhẹ các kết nối của một lượng lớn các tín hiệu tới thiết bị cần kiểm tra.

Hình 6: Một hệ thống khối liên kết điển hình

Bước 4: Chọn một phần mềm quản lý đo kiểm

Hình 7: Kiến trúc 5 lớp cho phần mềm hệ thống đo kiểm

Bước 5: Chọn môi trường phát triển ứng dụng (ADE) cần lưu ý đến các yếu tố sau:

  • Dễ sử dụng với người kỹ sư lập trình mới.
  • Khả năng đo lường và phân tích.
  • Hỗ trợ xử lý đa nhân và song song.
  • Tích hợp với driver đo lường và điều khiển.
  • Khả năng huấn luyện và hỗ trợ
  • Tính độc lập của nền tảng
  • Khả năng trình bày và báo cáo
  • Khả năng cập nhật

Bước 6: Lắp đặt và triển khai hệ thống

  • Lắp đặt các bộ phận: bắt đầu lắp đặt bằng việc in sơ đồ hệ thống, liệt kê danh sách các bộ phận và sơ đồ bố trí về cơ khí.

Hình 8: Ví dụ về sơ đồ các kết nối của một hệ thống điều khiển nhúng PXI

  • Thi công và đi dây cáp, lưu ý đến độ dài dây cáp
  • Bó dây và cố định dây
  • Tiến hành nối đất

Hình 9: Ví dụ về một hệ thống được đấu dây tốt

  • Cài đặt và kích hoạt phần mềm: có thể dùng phần mềm NI MAX để cấu hình phần cứng và phần mềm của NI, tiến hành chẩn đoán hệ thống, xem các thiết bị đã được kết nối.
  • Trước khi tiến hành triển khai hệ thống, cần xem xét các yếu tố: không gian cho các thiết bị, nguồn điện và công suất, kết nối mạng, điều kiện môi trường, tính an toàn và kế hoạch bảo trì.

Tài Lương