Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Vai trò của Watchdog Timer đối với thiết bị nhúng trong hệ thống giám sát công nghiệp

Vai trò của Watchdog Timer đối với thiết bị nhúng trong hệ thống giám sát công nghiệp

Tóm tắt: Trong các hệ thống giám sát và điều khiển công nghiệp hiện hành, thiết bị logic khả trình (Programmable Logic Controller) đóng vai trò chủ chốt. Kèm theo đó là các thiết bị chấp hành, cảm biến, module vào ra mở rộng, module truyền thông, cable mạng,… Tất cả các thiết bị đều là thiết kế theo chuẩn công nghiệp, độ bền cao, là thiết bị ngoại nhập nên giá thành, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí sửa chưa nâng cấp rất lớn. Điều đó không thực sự phù hợp với các ứng dụng nhỏ, hoặc những ứng dụng chỉ yêu cầu giám sát trong nhà xưởng đơn thuần. Đối với các ứng dụng đó, việc phát triển các thiết bị nhúng là rất cần thiết bởi giá thành rẻ, đồng thời đảm bảo về nhu cầu tùy biến dữ liệu. Tuy nhiên, bài toán đặt ra là đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị nhúng này, bởi các quy trình giám sát công nghiệp có thể kéo dài và có nhiều yếu tố không ngờ tới tác động gây nhiễu. Đôi khi, các yếu tố đó có thể làm cho hệ thống của chúng ta bị treo và ngưng hoạt động. Trong bài viết này, nhóm tác giả sẽ trình bày vai trò của Watchdog Timer thường ít được chúng ta để ý nhằm giải quyết bài toán tăng độ tin cậy của thiết bị nhúng trong giám sát hệ thống công nghiệp.

Đặt vấn đề: Như đã trình bày ở trên, trong các hệ thống giám sát, điều khiển công nghiệp, thiết bị logic khả trình đóng vai trò chủ chốt. Thiết bị này sẽ kết nối trực tiếp với cơ cấu chấp hành, hệ thống sensor cấp dưới, đồng thời đảm nhận việc xử lý dữ liệu, ra quyết định điều khiển và truyền dữ liệu thông qua các module truyền thông lên máy tính trạm hoặc server bên trên. Thiết bị này gần như là không thể thay thế trong các hệ thống điều khiển công nghiệp bởi nó đảm bảo độ tin cậy cũng như đáp ứng được các điều kiện làm việc chuẩn công nghiệp. Các thiết bị PLC này có giá thành khá cao, từ vài trăm đô tới hàng chục ngàn đô, chủ yếu đến từ các hãng tự động hóa lớn nước ngoài như Siemens, Rockwell, Omron, Mitsubishi,… Đồng thời, đi kèm với nó là hệ thống module mở rộng cũng có giá cao tương tự. Tuy nhiên, đối với các hệ thống giám sát công nghiệp, việc sử dụng PLC sẽ không thực sự phù hợp, đặc biệt với các ứng dụng nhỏ. Bởi chi phí đầu tư lớn do số lượng đầu đo lớn sẽ yêu cầu số lượng module mở rộng tương đương. Đồng thời đó là sự lãng phí khả năng điều khiển, điểm mạnh nhất của PLC bởi mục đích của hệ thống giám sát là thu thập dữ liệu. Thêm vào một yếu tố làm tăng chí phí đầu tư nếu lựa chọn giải pháp theo chuẩn công nghiệp dùng PLC này là giải quyết vấn đề bản quyền với các phần mềm đi kèm. Chi phí cho phần mềm lập trình, thiết lập kết nối, tạo OPC server để lưu trữ dữ liệu, phần mềm SCADA,… có thể lên tới chục ngàn đô la Mỹ (đối với Siemens và Rockwell, các hãng khác cũng không khác biệt quá nhiều). Ngoài chi phí đầu tư ban đầu lớn, việc nâng cấp hệ thống cũng tiêu tốn rất nhiều tiền của doanh nghiệp cho các vấn đề liên quan tới thiết bị phần cứng cũng như phần mềm.

Vì vậy, đối với các ứng dụng giám sát công nghiệp nhỏ, vốn đầu tư hạn chế, việc phát triển những thiết bị nhúng là rất khả thi. Tuy nhiên, để các thiết bị nhúng này làm việc được trong các hệ thống công nghiệp, nhà phát triển cần phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Bởi đặc điểm của hệ thống công nghiệp là hoạt động liên tục trong nhiều giờ đồng hồ, lượng thông tin truyền tải trong mạng công nghiệp tương đối lớn.

Một số vấn đề lớn có thể kể đến như:

• Tản nhiệt cho các thiết bị nhúng.

• Quản lý bộ nhớ của vi xử lý để tránh hiện tượng tràn bộ nhớ.

• Nhiễu nguồn tương tự

• Nhiễu tín hiệu truyền thông

• ….

Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày về hệ thống giám sát chất lượng tủ lạnh trước khi xuất xưởng được phát triển trên vi xử lý ATMEGA 8 bit, các vấn đề liên quan để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Trước khi xuất xưởng, hãng sản xuất tủ lạnh cần theo dõi nhiệt độ các ngăn của tủ lạnh trong vòng 3 tiếng. Sau đó dựa vào một số công thức tương đối phức tạp (nhóm tác giả sẽ không trình bày ở đây), tính toán ra các chỉ số chất lượng của tủ lạnh. Từ đó kết luận được tủ nào đạt yêu cầu xuất xưởng. (hình 1).

alt
Hình 1 Sơ đồ dây nối thiết bị đo nhiệt độ tủ lạnh

Hệ thống bao gồm 125 mạch đo nhiệt độ tương ứng với khả năng kiểm tra 125 tủ lạnh trong 1 mẻ. Mỗi thiết bị đo gồm 2 đầu đo nhiệt độ DS18B20, được đánh dấu địa chỉ từ 1 tới 125, hoạt động trong điều kiện công nghiệp với dải nhiệt độ từ -55oC tới 85oC. Truyền thông giữa mạch giám sát và đầu đo nhiệt độ là chuẩn truyền thông 1 dây (One-wire protocol [1]). Hệ thống sử dụng chuẩn truyền thông công nghiệp RS485 [2] bởi tốc độ và khoảng cách truyền phù hợp. Hệ thống được kết nối trực tiếp với máy tính trạm, phần mềm AirContest được cài đặt và sử dụng để thu thập dữ liệu nhiệt độ, tính toán thông số chất lượng, giám sát và lưu trữ dữ liệu từ 125 mạch đo nhiệt độ.

alt

Hình 2 Sơ đồ hệ thống AirContest

Mỗi mẻ kiểm tra chất lượng tủ lạnh diễn ra trong vòng 3 tiếng, phần mềm AirContest sẽ liên tục gửi lệnh lấy dữ liệu nhiệt độ tới hệ thống đo nhiệt độ từ 1 tới 125. Do tính chất của chuẩn truyền thông công nghiệp RS485, tất cả các mạch đo nhiệt độ đều nhận được tất cả các lệnh được gửi từ máy tính trạm này, sau đó các mạch đo kiểm tra thông tin về địa chỉ trong lệnh nhận được, mạch sẽ trả về thông tin giá trị 2 nhiệt độ đo được tại địa chỉ tương ứng. Bên cạnh đó, mỗi khi một mạch đo trả lời cho máy tính trung tâm, cũng theo nguyên tắc trên, tất cả cách mạch đó đều nhận được tín hiệu trả lời đó. Qua đó, ta thấy được lượng thông tin truyền nhận trong hệ thống là tương đối lớn, các mạch nhúng phải xử lý tất cả các thông tin đó. Trong quá trình xây dựng hệ thống, nhóm tác giả đã phải đối mặt với vấn đề tìm giải pháp giải phóng bộ nhớ cho các mạch đo nhiệt độ, giảm lượng thông tin lưu trữ không cần thiết trong các mạch đo đó. (hình 3).

alt

 

Hình 3 Giao diện phần mềm AirContest

Tuy nhiên, vấn đề lớn hơn nhóm phải đối mặt đó là nhiễu tín hiệu. Nhiễu chủ yếu ở đây là nhiễu nguồn tương tự, bởi trong điều kiện sản xuất nhà xưởng, có rất nhiều thiết bị, máy móc công suất lớn, các động cơ lớn hoạt động liên tục như máy cưa, máy cắt, bơm, quạt công nghiệp,... gây ra. Các thiết bị mạch sử dụng các IC nguồn chi phí thấp, kèm theo các tụ lọc không đảm bảo chất lượng sẽ không lọc được nhiễu nguồn tương tự từ các thiết bị kể trên. Từ đó gây ra hiện tượng nhiễu tín hiệu truyền thông giữa mạch và máy tính trạm. Hậu quả gây ra có thể làm treo hệ thống.

alt
Hình 4 Đồ thị theo dõi nhiệt độ xảy ra lỗi

Một chu kỳ kiểm tra diễn ra trong 3 tiếng được vẽ trên khung 200 phút trên đồ thị. Tuy nhiên, tại thời điểm 30 phút, tại điểm 1 được khoanh tròn trên đồ thị, lỗi xảy ra, tính năng gửi lệnh điều khiển từ phần mềm AirContest bị gián đoạn. Khi đó, thông tin trong mạng RS485 sẽ không được truyền như lúc trước. Dữ liệu trên đồ thị sẽ đi ngang từ sau đó. Lỗi này xảy ra nguyên nhân có thể từ nhiễu nguồn tương tự nêu trên, gây ra sai lệch tín hiệu truyền từ mạch đo nhiệt độ trong mạng RS485. Một nguyên nhân nữa có thể kể tới do lỗi từ vi điều khiển của mạch đo nhiệt độ, do phải xử lý quá nhiều tín hiệu truyền nhận, bộ nhớ bên trong chip có thể bị xung đột, từ đó gây ra tín hiệu không chính xác trong mạng RS485.
Hình 5 Đồ thị nhiệt độ trong 3 tiếng kiểm nghiệm.

alt

Hình 5 Đồ thị nhiệt độ trong 3 tiếng kiểm nghiệm

Trong quá trình vận hành, người công nhân phải liên tục theo dõi, khởi động lại phần mềm để có thể hoàn thành chu trình 3 tiếng kiểm tra. Tuy nhiên đây không phải là giải pháp lâu dài, bởi giải pháp này làm mất khá nhiều thời gian, công sức của người vận hành, đồng thời cũng không thể giải quyết triệt để được vấn đề.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã tìm tòi, đưa ra giải pháp sử dụng Watdog Timer để giải quyết vấn đề trên, đảm bảo độ tin cậy của hệ thống, tiết kiệm sức lao động cho người công nhân vận hành. Chi tiết giải pháp sẽ được trình bày ở phần sau của bài báo. giải pháp tăng độ tin cậy của hệ thống sử dụng watchdog Timer Đối với bất cứ sinh viên điện tử nào, khi học về điện tử số, hoặc vi điều khiển, chúng ta đều được học về các khái niệm Timer, Counter (bộ định thời gian, bộ đếm) như những khái niệm cơ bản. Giáo trình thực hành cơ bản trên ghế nhà trường chủ yếu tập trung vào việc sử dụng các bộ đếm này. Nó cũng giúp giải quyết được nhiều vấn đề về thiết kế mạch điện tử, mạch nhúng trong quá trình làm việc sau này. Tuy nhiên, có một khái niệm thường bị chúng ta bỏ qua. Đó là Watchdog Timer.

Vậy Watdog Timer là gì? Ứng dụng và vai trò của nó như thế nào? Đầu tiên, chúng ta hiểu rằng Timer/Counter là một bộ đếm, đếm xung nhịp (xung clock), là một trong những ngoại vi thông dụng mà bất cứ dòng vi điều khiển nào cũng có. Timer là bộ đếm định thời, sẽ thực hiện một tác vụ nào đó trong khoảng thời gian xác lập trước. Theo [3], Watchdog timer là bộ đếm thời gian hoạt động liên tục nhằm tự động thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Sau một khoảng thời gian được định trước nếu bộ đếm không được dừng hoặc refresh nó sẽ kích hoạt tác vụ đã được định sẵn ví dụ như reset thiết bị, tắt màn hình, phát tín hiệu cảnh báo,...

alt

Hình 6 Sơ đồ khối hoạt động của Watchdog Timer

Hiểu một cách đơn giản, ứng dụng chủ yếu của Watchdog Timer là khởi động lại vi điều khiển sau một khoảng thời gian xác lập. Như vậy, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng tính năng hữu ích này của Watchdog Timer vào các ứng dụng giám sát, điều khiển công nghiệp. Bởi các vi xử lý làm việc trong thời gian lâu sẽ gặp các vấn đề về tràn bộ nhớ, bị treo do nhiễu tín hiệu. Khi đó, nếu chúng ta sử dụng Watchdog Timer một cách hợp lý, nó sẽ giúp chúng ta khởi động (reset) lại mạch, qua đó giải quyết được các vấn đề nêu trên.

alt
Hình 7 Lưu đồ thuật toán sử dụng WatchdogTimer

Như vậy, về cơ bản chúng ta đã ứng dụng Watchdog Timer để thay cho công việc của người nhân viên vận hành đã đề cập ở trên. kết quả thực nghiệm và kết luận Sau quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, hệ thống phần mềm kiểm thử nhiệt độ tủ lạnh đã hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp. Được lắp đặt thử nghiệm cho một số đơn vị sản xuất tủ lạnh trên thị trường. Nhờ ứng dụng Watchdog Timer, hệ thống hoạt động ổn định, có thể tự xử lý lỗi trong quá trình hoạt động mà không cần can thiệp từ người công nhân vận hành. Qua đó, tăng độ tin cậy của hệ thống. Việc khởi động lại thiết bị nhúng trong quá trình hoạt động giúp cho thiết bị chạy lại ở điều kiện ban đầu giống như thời điểm khởi động hệ thống. Qua đó, giúp ta giải quyết được một số vấn đề về tràn bộ nhớ, xung đột ô nhớ trong vi xử lý. Không chỉ hiệu quả trong các hệ thống giám sát, tính năng này còn được sử dụng rộng rãi trong các mạch điều khiển. Từ ý tưởng đó, nhóm đã tích hợp thành công trong mạch điều khiển máy lọc nước, chạy 24/7, đảm bảo độ tin cậy cho mạch điều khiển máy lọc nước.

Qua bài báo này, nhóm tác giả muốn nhắc lại với bạn đọc khái niệm, ứng dụng của Watchdog Timer trong ứng dụng thực tế. Điều này thường bị bỏ qua và rất ít khi các bạn gặp phải trên giảng đường cũng như các đồ án nghiên cứu. Qua đó, chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng được một hệ thống nhúng hoạt động trong môi trường sản xuất công nghiệp hiện nay với chi phí đầu tư hợp lý, tiết kiệm được rất nhiều tiền so với giải pháp của các hãng tự động hóa nước ngoài.

Tài liệu tham khảo:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/1-Wire

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/RS-485

[3] http://www.ieev.org/2013/11/watchdog-timer- ung-dung.html

[4] http://dammedientu.vn/bai-6-lap-trinh-bo-dinh- thoi-bo-dem-timer-counter-voi-8051-phan-1-id6- html/

Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số tháng 6/20218

Theo nhóm tác giả: Đặng Mạnh Chính, Phạm Ngọc Minh | (Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Đặng Thành Trung | Đại học Điện Lực


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo






 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết