Ứng dụng CNTT trong tự động hóa, mô phỏng (lập TRÌNH cơ bản SLIDE)

Nội dung Hệ thống tự động hóa điều khiển bằng máy tính  Các công cụ và hệ thống hỗ trợ tự động hóa SCADA, giao diện người máy, hệ thống nhúng, robot,...  Các ứng dụng tự động hóa điều

Chương 3 Ứng dụng CNTT trong tự động hóa, mô phỏng

Học phần: LẬP TRÌNH CƠ BẢN

Tài liệu tham khảo

Ứng dụng CNTT 2

 Karl Johan Astrom, Bjorn Wittenmark Computer-Controlled Systems:

Theory and Design (3rd Edition) Prentice Hall; 1996.

 Bentley System, Incorporated "The Fundamentals of SCADA", 2006.

 E Winsberg, Science in the Age of Computer Simulation

Chicago: University of Chicago Press, 2010

Nội dung

 Hệ thống tự động hóa điều khiển bằng máy tính

 Các công cụ và hệ thống hỗ trợ tự động hóa (SCADA, giao diện người máy, hệ thống nhúng, robot, )

 Các ứng dụng tự động hóa điều khiển bằng máy tính

 Ứng dụng CNTT trong mô phỏng (mô phỏng 3D, thực tại ảo, )

 Thảo luận

Hệ thống tự động hóa

 Hệ thống tự động hóa là hệ thống điều khiển các thiết bị máy móc,

các tiến trình với sự can thiệp rất ít của con người (đã được giảm đi hoặc tối thiểu hóa) Hệ thống tự động là hệ thống điều khiển làm việc hoàn toàn tự động (không cần sự can thiệp của con người).

 Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là tiết kiệm lao động, tuy nhiên, cũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng, độ chính xác.

 Tự động hóa được thực hiện bằng các kỹ thuật khác nhau, bao gồm

cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử, máy tính, và thường là sự kết hợp của các kỹ thuật Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp.

Ứng dụng CNTT 4

Hệ thống tự động hóa điều khiển bằng máy tính

 Trong một hệ thống tự động hóa thường có một hoặc nhiều bộ điều khiển Một bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào một hệ thống cho trước để đầu ra của hệ thống có giá trị bằng (bám theo) một giá trị cho trước Bộ điều khiển giống như một con người, con người có nhiệm vụ tác động lên một đối tượng (hệ thống) nào đó để đối tượng vận động theo mong muốn, khi tác động con người phải quan sát (giám sát) vị trí hiện tại của đối tượng để có cách tác động hợp lý Ví dụ bộ điều khiển trong xe tự lái giám sát hành trình (đầu ra) của chiếc

xe (hệ thống) và tác động lên xe để xe chạy theo một hành trình cho trước.

 Trong hệ thống tự động hóa, máy tính có thể thực hiện vai trò của bộ điều khiển và thiết bị giám sát thông tin phản hồi.

Bộ điều khiển bằng máy tính

 Máy tính điều khiển tiến trình (Process) để tiến trình vận động theo một quy luật nào đó theo thời gian Để làm điều đó, máy tính đo dữ liệu đầu ra theo thời gian y(t), rời rạc hóa (số hóa, Analog – Digital (A-D), vì máy tính chỉ xử

lý được dữ liệu số), giá trị số của y(t) được đưa vào xử lý bằng thuật toán Algorithm để nhận được tác động điều khiển thích hợp u, tác động điều khiển được biến thành dạng tín hiệu tương tự (D-A) để tác động lên tiến trình

Ứng dụng CNTT 6

SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

 SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa.

 Tuy nhiên, trong thực tế có một số hệ thống vẫn thường được gọi là SCADA, mặc dù những hệ thống này chỉ thực hiện duy nhất một chức năng là thu thập dữ liệu.

Ứng dụng CNTT 8

Cấu trúc SCADA

Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau (hình trên slide sau):

Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung

tâm (central host computer server).

Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối

từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (ProgrammaleLogic Controllers) có chức năng giao tiếp với các

thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)

Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp,

các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ

Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết

bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống

Cấu trúc SCADA (tiếp)

Ứng dụng CNTT 10

HMI - Human Machine Interface

 Tương tác người-máy hay giao tiếp người-máy là một phân ngành của công nghệ thông tin nghiên cứu về tương tác giữa người sử dụng và máy tính Đây là một bộ môn liên ngành giữa khoa học máy tính và các lĩnh vực khác Tương tác giữa người và máy thực hiện thông qua giao diện người dùng bao gồm phần cứng (v.d các thiết bị xuất và nhập) và phần mềm (v.d thông tin chuyển đến người dùng thế nào

và ra làm sao) Người sử dụng truyền đến máy tính câu hỏi, mục tiêu hay yêu cầu thực của mình Trong khi đó, máy tính chuyển ngược trở lại người sử dụng thông tin về trạng thái của máy tính, trả lời cho những câu hỏi người sử dụng đặt ra hay đáp ứng yêu cầu của người sử dụng.

HMI - Human Machine Interface

 Một trợ lý trực tuyến tự

động trên một trang web,

với một avatar cho tăng

cường sự tương tác của

con người-máy tính

Ứng dụng CNTT 12

Hệ thống hỗ trợ tự động hóa – Hệ thống nhúng (tự đọc)

 Hệ thống nhúng (tiếng Anh: embedded system) là một thuật ngữ

để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.

 Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung

Hệ thống nhúng (tiếp – Tự đọc)

 Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất Các hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn

Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân Xét về độ phức tạp,

hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn

 Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi

Ứng dụng CNTT 14

Các đặc điểm (tự đọc)

Hệ thống nhúng thường có một số đặc điểm chung như sau:

Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng Một số hệ thống đòi hỏi ràng buộc về tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an toàn và tính ứng dụng; một số hệ thống không đòi hỏi hoặc ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất

Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển

Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là trong một ổ đĩa Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: không có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ, dung lượng

bộ nhớ thấp

Hệ thống hỗ trợ tự động hóa – Robot (tự đọc)

 Robot là một loại máy có thể thực

hiện những công việc một cách tự

động bằng sự điều khiển của máy

tính hoặc các vi mạch điện tử được

lập trình

 Robot là một tác nhân cơ khí, nhân

tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ

khí-điện tử Với sự xuất hiện và

chuyển động của mình, robot gây

cho người ta cảm giác rằng nó giác

quan giống như con người Từ

"robot" thường được hiểu với hai

nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự

hoạt động Về lĩnh vực Robot, Mỹ và

Nhật Bản là những nước đi đầu thế

giới về lĩnh vực này

Ứng dụng CNTT 16

Joseph Engelberger, một người tiên phong trong lĩnh vực robot công nghiệp nhận xét rằng: "Tôi không thể định nghĩa robot, nhưng tôi biết loại máy móc nào là robot khi tôi nhìn thấy nó!!".

Từ điển Cambridge trực tuyến định nghĩa robot rằng: "Đó là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính"

Người máy hay Robot là công cụ cơ điện tử, thủy lực, nhân tạo, ảo, thay thế con người trong công nghiệp hay môi trường nguy hiểm Robot còn là công cụ để giúp con người giải trí, tìm hiểu khoa học

Mô phỏng máy tính

 Khái niệm: Là chương trình máy tính chạy trên một máy đơn hoặc mạng máy tính, có nhiệm vụ tái dựng lại hành vi của một hệ thống thực nào đó Chương trình mô phỏng phải sử dụng một mô hình trừu tượng (mô hình máy tính, mô hình toán học) của hệ thống thực để mô phỏng lại hệ thống

 Mô phỏng có mục đích là nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực bằng cách tiến hành thử nghiệm trên mô hình trong một môi trường mô phỏng Mô phỏng tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần quan sát và làm thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự cho hệ thống thực.

 Mô phỏng máy tính rất đa dạng, từ một chương trình chạy vài phút cho đến mạng các máy tính chạy hàng giờ hoặc hàng ngày.

Mô phỏng 3D

 Trong đồ họa máy tính 3 chiều (3D), mô phỏng 3D là quá trình phát triển biểu diễn toán học cho một bề mặt 3 chiều của một đối tượng (có thể đứng yên hoặc chuyển động) với sự hỗ trợ của một phần mềm chuyên dụng Sản phẩm của quá trình này được gọi là mô hình 3D của đối tượng Mô hình 3D được trình chiếu dưới dạng một ảnh 2 chiều trên màn hình máy tính, quá trình trình chiếu mô hình 3D dưới dạng ảnh 2 chiều được gọi là

3D rendering Ảnh 2 chiều nhận được có thể được sử dụng

cho việc mô phỏng các quá trình diễn ra với đối tượng.

 Các mô hình 3D được tạo một cách tự động hoặc thủ công trong các môi trường công cụ dành cho mô phỏng.

Ứng dụng CNTT 20

Ví dụ: A 48-hour computer simulation of Typhoon Mawar using the Weather Research and Forecasting model

Mô phỏng máy tính – Ví dụ mô phỏng 3D giao thông

Ứng dụng CNTT 22

Thực tại ảo

 Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual

reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô

phỏng bằng máy tính Đa phần các môi trường thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn ba chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng có thêm các loại giác quan khác như âm thanh hay xúc giác.

 Thực Tế Ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác.

 Đặc điểm: Tương tác- Đắm chìm- Tưởng tượng, (3I trong tiếng Anh: Interactive- Immersion- Imagination)

Các thành phần một hệ thống VR

Phần cứng:

Phần cứng của một VR bao gồm:

Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh).

Các thiết bị đầu vào (Input devices): Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để

di chuyển vị trí người sử dụng Bộ giao diện cử chỉ (Gesture interfaces) như găng tay dữ liệu (data glove) để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng.

Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D nổi Thiết bị âm thanh (loa)

để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

Ứng dụng CNTT 24

Các thành phần một hệ thống VR (tiếp)

Phần mềm (Software):

Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop,

Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình và Mô phỏng Các đối tượng của VR được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như ANSYS, AutoCAD, 3D Studio, ) Sau

đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học,

và mô phỏng ứng xử của đối tượng.

Ví dụ VR

Ứng dụng CNTT 26

Một số ứng dụng chính

 Tại các nước phát triển, VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ.

 Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như:

VR ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản ) VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn

 Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật" trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn.

Video về VR (tự tìm hiểu)

Ứng dụng CNTT 28

HỎI VÀ ĐÁP

Các vấn đề thảo luận

1 Vai trò của máy tính trong hệ thống tự động hóa điều

khiển bằng máy tính

2 Tìm hiểu các ví dụ ứng dụng tự động hóa bằng máy tính,

máy tính thực hiện công việc gì trong các ví dụ đó.

3 Những kết quả mà mô phỏng đem lại.

4 SV đề xuất một số ứng dụng của thực tạo ảo trong cuộc

sống (Phòng thí nghiệm ảo, thực hành ảo, )

Ứng dụng CNTT 30