Thiết bị kỹ thuật được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu

Trong nghiên cứu, quan trắc và vận hành kỹ thuật, không phải lúc nào thiết bị thương mại cũng đáp ứng đúng nhu cầu thực tế. Có những bài toán chỉ cần một chức năng rất cụ thể, nhưng thiết bị có sẵn trên thị trường lại quá phức tạp, kích thước không phù hợp, khó tích hợp với cảm biến hiện có hoặc có chi phí cao so với mục đích sử dụng.

Thiết bị kỹ thuật được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu là nhóm sản phẩm ENVI được phát triển từ bài toán thực tế của người sử dụng. Thay vì bắt đầu từ một mẫu máy cố định, quá trình thiết kế bắt đầu từ yêu cầu cần đo gì, điều khiển gì, lưu dữ liệu như thế nào, làm việc trong điều kiện nào và cần kết nối với những thiết bị nào.

Sản phẩm có thể là một thiết bị độc lập, một bộ đo chuyên dụng, một bộ ghi dữ liệu, một hệ điều khiển hoặc một cụm thiết bị được tích hợp cho một mô hình nghiên cứu cụ thể.

Khi nào cần thiết kế thiết bị theo yêu cầu?

Thiết bị theo yêu cầu thường phù hợp khi bài toán có một hoặc nhiều đặc điểm mà thiết bị thương mại khó đáp ứng trực tiếp.

• Cần đo một tổ hợp thông số đặc biệt.
• Cần nhiều kênh đo hoạt động đồng thời.
• Cần ghi dữ liệu liên tục trong thời gian dài.
• Cần điều khiển bơm, van, quạt, bộ gia nhiệt hoặc cơ cấu khác theo điều kiện đo.
• Cần tích hợp cảm biến đã có vào cùng một hệ thống.
• Cần thiết bị có kích thước hoặc hình dạng phù hợp với mô hình thí nghiệm.
• Cần xuất dữ liệu theo định dạng phục vụ phân tích.
• Cần thiết bị tự hoạt động sau khi cấp nguồn mà không phụ thuộc máy tính.
• Cần một thiết bị phục vụ nghiên cứu nhưng không cần toàn bộ chức năng của máy thương mại.

Trong những trường hợp này, thiết kế riêng có thể giúp hệ thống tập trung đúng vào chức năng cần thiết thay vì phải sử dụng nhiều thiết bị rời rạc.

Quy trình bắt đầu từ bài toán chứ không phải từ linh kiện

Một thiết bị kỹ thuật tốt không nên bắt đầu bằng câu hỏi “dùng vi điều khiển nào?” hoặc “dùng cảm biến nào?”. Câu hỏi đầu tiên cần làm rõ là:

Thiết bị cần giải quyết vấn đề gì?

Từ yêu cầu đó mới xác định kiến trúc phù hợp.

Ví dụ, một hệ thống nghiên cứu có thể cần:

• đo hai tín hiệu điện áp liên tục;
• ghi dữ liệu mỗi giây;
• hiển thị giá trị tại chỗ;
• lưu dữ liệu vào thẻ nhớ;
• tạo tệp dữ liệu mới khi khởi động;
• hoạt động liên tục mà không cần máy tính.

Trong khi đó, một hệ khác có thể cần:

• đọc pH và EC;
• theo dõi nhiệt độ;
• cảnh báo khi vượt ngưỡng;
• điều khiển bơm hoặc van;
• truyền dữ liệu về một bộ trung tâm.

Hai thiết bị đều là hệ đo và điều khiển nhưng kiến trúc phần cứng, phần mềm và cách vận hành có thể hoàn toàn khác nhau.

Các bước phát triển một thiết bị theo yêu cầu

Xác định yêu cầu kỹ thuật

Đây là bước quan trọng nhất. Những thông tin cần xác định có thể bao gồm:

• đại lượng cần đo;
• dải đo;
• số lượng kênh;
• tần suất lấy dữ liệu;
• độ chính xác hoặc độ phân giải mong muốn;
• loại cảm biến;
• nguồn điện;
• kiểu hiển thị;
• phương thức lưu dữ liệu;
• giao tiếp với thiết bị khác;
• điều kiện môi trường làm việc;
• yêu cầu điều khiển;
• kích thước và cách lắp đặt.

Nếu những yêu cầu này không được xác định từ đầu, thiết bị rất dễ phát sinh thêm chức năng trong quá trình chế tạo, làm hệ thống phức tạp và khó ổn định.

Xây dựng kiến trúc hệ thống

Sau khi yêu cầu được xác định, thiết bị được chia thành các khối chức năng.

Cảm biến → xử lý tín hiệu → bộ xử lý → hiển thị/lưu dữ liệu → truyền thông/điều khiển

Không phải thiết bị nào cũng cần đầy đủ các khối trên. Một thiết bị ghi dữ liệu đơn giản có thể chỉ cần cảm biến, bộ xử lý và bộ nhớ. Ngược lại, một hệ thống tự động có thể cần thêm relay, bộ điều khiển công suất, giao tiếp mạng và các lớp bảo vệ.

Chế tạo mẫu thử

Mẫu thử được sử dụng để kiểm tra nguyên lý trước khi hoàn thiện thiết bị. Ở giai đoạn này cần tập trung vào việc kiểm tra:

• cảm biến có đọc ổn định hay không;
• nguồn cấp có phù hợp hay không;
• dữ liệu có bị nhiễu hay gián đoạn hay không;
• bộ nhớ có ghi đúng dữ liệu hay không;
• cơ cấu điều khiển có hoạt động theo logic yêu cầu hay không;
• thiết bị có phục hồi đúng sau khi mất điện hay không.

Mục tiêu của mẫu thử không phải là có hình thức đẹp ngay từ đầu mà là xác nhận kiến trúc kỹ thuật có hoạt động đúng hay không.

Kiểm thử và hiệu chỉnh

Sau khi nguyên lý hoạt động ổn định, thiết bị cần được kiểm thử trong điều kiện gần với điều kiện sử dụng thực tế.

Tùy thiết bị, quá trình này có thể bao gồm:

• so sánh kết quả với thiết bị tham chiếu;
• kiểm tra độ lặp lại;
• kiểm tra độ ổn định theo thời gian;
• kiểm tra mất nguồn và khởi động lại;
• kiểm tra dữ liệu khi cảm biến bị ngắt kết nối;
• kiểm tra hoạt động của relay hoặc cơ cấu điều khiển;
• kiểm tra trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thực tế.

Với thiết bị phục vụ phép đo, cần phân biệt rõ giữa thiết bị hoạt động được và thiết bị cho số liệu có độ tin cậy phù hợp với mục đích sử dụng.

Có thể tích hợp những loại cảm biến nào?

Khả năng tích hợp phụ thuộc vào yêu cầu của từng dự án. Một số nhóm tín hiệu thường gặp gồm:

Nhóm đo	Ví dụ ứng dụng
Chất lượng nước	pH, EC, nhiệt độ, ORP, oxy hòa tan, độ mặn, mực nước.
Không khí	Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, bụi và một số thông số khí phù hợp với cảm biến sử dụng.
Tín hiệu điện	Điện áp, dòng điện hoặc các tín hiệu analog từ thiết bị nghiên cứu.
Lưu lượng và áp suất	Lưu lượng khí, lưu lượng nước, áp suất và chênh áp.
Điều kiện thí nghiệm	Nhiệt độ, ánh sáng, thời gian, tốc độ và các tín hiệu của mô hình nghiên cứu.

Việc một thông số có thể được tích hợp không có nghĩa mọi loại cảm biến trên thị trường đều tương thích trực tiếp. Cần kiểm tra tín hiệu đầu ra, điện áp, giao thức truyền thông, dải đo và yêu cầu hiệu chuẩn của từng đầu dò.

Thiết bị có thể nhận nhiều kiểu tín hiệu khác nhau

Trong một hệ thống thực tế, cảm biến có thể cung cấp dữ liệu qua nhiều dạng khác nhau:

• tín hiệu điện áp analog;
• tín hiệu dòng điện công nghiệp;
• xung;
• UART;
• I²C;
• SPI;
• RS485;
• các giao thức số phù hợp khác.

Thiết bị theo yêu cầu có thể được thiết kế để chuyển các nguồn dữ liệu khác nhau về cùng một bộ xử lý, từ đó hiển thị, lưu hoặc truyền dữ liệu theo một cấu trúc thống nhất.

Thiết kế nhiều kênh đo

Một nhu cầu phổ biến trong nghiên cứu là theo dõi đồng thời nhiều mẫu hoặc nhiều vị trí.

Ví dụ:

Kênh 1 → Mẫu A
Kênh 2 → Mẫu B
Kênh 3 → Mẫu C
Kênh 4 → Mẫu đối chứng

Thay vì sử dụng nhiều thiết bị riêng, một hệ nhiều kênh có thể thu dữ liệu đồng thời và sử dụng cùng một đồng hồ thời gian. Điều này đặc biệt hữu ích khi cần so sánh sự thay đổi giữa các mẫu theo thời gian.

Tuy nhiên, việc tăng số kênh cũng đặt ra các yêu cầu về cách ly tín hiệu, nhiễu, tốc độ lấy mẫu và cấu trúc dữ liệu. Vì vậy, số kênh cần được xác định từ nhu cầu thực tế thay vì mở rộng tùy ý.

Ghi dữ liệu tự động

Đối với nhiều mô hình nghiên cứu, giá trị lớn nhất của thiết bị không nằm ở màn hình hiển thị mà nằm ở khả năng tạo ra một chuỗi dữ liệu liên tục.

Hệ thống có thể được thiết kế để ghi:

• thời gian;
• giá trị từng kênh;
• trạng thái thiết bị;
• trạng thái điều khiển;
• mã hoặc thông tin cần thiết của phiên đo.

Dữ liệu có thể được lưu theo cấu trúc thuận tiện cho việc xử lý bằng phần mềm bảng tính hoặc các công cụ phân tích dữ liệu.

Ví dụ:

Thời gian	Kênh 1	Kênh 2	Trạng thái
08:00:00	Giá trị đo	Giá trị đo	Đang đo
08:00:01	Giá trị đo	Giá trị đo	Đang đo

Đo liên tục giúp thấy được những gì phép đo thủ công dễ bỏ qua?

Một phép đo thủ công chỉ cho biết trạng thái tại thời điểm đo. Nếu hiện tượng cần nghiên cứu xảy ra nhanh hoặc có tính chu kỳ, nhiều thay đổi có thể bị bỏ qua.

Dữ liệu liên tục cho phép quan sát:

• giá trị lớn nhất và nhỏ nhất;
• tốc độ thay đổi;
• thời gian đạt trạng thái ổn định;
• chu kỳ dao động;
• thời điểm xảy ra bất thường;
• mối quan hệ giữa nhiều thông số.

Đây là lý do thiết bị ghi dữ liệu theo yêu cầu đặc biệt hữu ích trong các mô hình nghiên cứu và thử nghiệm.

Tích hợp chức năng điều khiển

Ngoài việc đo, một thiết bị có thể được thiết kế để phản ứng với dữ liệu thu được.

Ví dụ:

Cảm biến → bộ xử lý → điều kiện điều khiển → cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành có thể là:

• bơm;
• van;
• quạt;
• bộ sục khí;
• bộ gia nhiệt;
• đèn;
• relay hoặc tín hiệu điều khiển cho thiết bị khác.

Logic điều khiển có thể dựa trên ngưỡng, thời gian hoặc kết hợp nhiều điều kiện.

Trong các hệ nghiên cứu, điều quan trọng là logic này phải được mô tả rõ và có khả năng kiểm tra lại. Thiết bị không nên tự thực hiện những quyết định mà người sử dụng không biết nguyên nhân.

Thiết kế ưu tiên khả năng hoạt động độc lập

Đối với nhiều ứng dụng hiện trường và phòng thí nghiệm, thiết bị cần tiếp tục làm việc ngay cả khi không có máy tính hoặc kết nối mạng.

Tùy yêu cầu, hệ thống có thể được xây dựng theo hướng:

• cấp nguồn là bắt đầu hoạt động;
• lưu cấu hình trong thiết bị;
• duy trì đồng hồ thời gian;
• ghi dữ liệu tại chỗ;
• tự tạo phiên dữ liệu mới;
• phục hồi hoạt động sau khi mất điện.

Khả năng này đặc biệt hữu ích cho các thí nghiệm kéo dài nhiều ngày hoặc hệ thống lắp tại vị trí khó giám sát thường xuyên.

Kết nối từ xa khi cần thiết

Không phải thiết bị nào cũng cần IoT. Nếu chỉ cần đo và lưu dữ liệu tại chỗ, bổ sung kết nối mạng có thể làm hệ thống phức tạp hơn mà không tạo thêm giá trị thực tế.

Ngược lại, khi cần theo dõi nhiều vị trí hoặc cần cảnh báo từ xa, thiết bị có thể được thiết kế thêm lớp truyền dữ liệu phù hợp.

Một hệ thống có thể được tổ chức theo kiến trúc:

Cảm biến → thiết bị đo tại hiện trường → lưu dữ liệu cục bộ → truyền dữ liệu → giao diện theo dõi

Việc truyền dữ liệu không nên thay thế hoàn toàn bộ nhớ tại thiết bị. Với các ứng dụng cần dữ liệu liên tục, lưu cục bộ giúp giảm nguy cơ mất dữ liệu khi đường truyền bị gián đoạn.

Thiết kế cơ khí cũng là một phần của sản phẩm

Một mạch điện hoạt động tốt trên bàn thử chưa phải là một thiết bị hoàn chỉnh. Thiết bị còn cần được bố trí trong một cấu trúc cơ khí phù hợp với môi trường sử dụng.

Các yếu tố cần xem xét gồm:

• kích thước hộp;
• vị trí màn hình;
• vị trí đầu nối;
• khả năng tháo lắp;
• thông gió hoặc tản nhiệt;
• khả năng chống bụi và nước theo yêu cầu;
• cách cố định cảm biến và phụ kiện;
• khả năng thay thế linh kiện khi bảo trì.

Đối với thiết bị ngoài trời, yêu cầu về hộp bảo vệ, đầu nối và dây dẫn thường quan trọng không kém phần mạch điện tử bên trong.

Ưu tiên thiết kế module và khả năng sửa chữa

Một định hướng quan trọng của thiết bị ENVI là hạn chế việc biến toàn bộ hệ thống thành một khối không thể sửa chữa.

Khi phù hợp, thiết bị được chia thành các module như:

• module cảm biến;
• module xử lý;
• module nguồn;
• module điều khiển;
• module truyền dữ liệu;
• module hiển thị.

Cách tiếp cận này giúp dễ xác định lỗi, thay thế một bộ phận và nâng cấp thiết bị trong tương lai.

Không phải chức năng nào cũng nên tích hợp

Một thiết bị có thể được bổ sung rất nhiều chức năng, nhưng càng nhiều chức năng thì số lượng điểm có khả năng phát sinh lỗi càng tăng.

Vì vậy, trong thiết kế theo yêu cầu, ENVI ưu tiên nguyên tắc:

Đủ chức năng cần thiết – dễ vận hành – dễ kiểm tra – dễ bảo trì

Nếu một chức năng không phục vụ trực tiếp cho mục tiêu đo hoặc nghiên cứu, cần cân nhắc trước khi đưa vào thiết kế.

Độ chính xác phải được xác định theo mục đích sử dụng

Không nên mô tả một thiết bị chỉ bằng từ “chính xác cao”. Độ chính xác cần được gắn với đại lượng đo, dải đo, cảm biến, phương pháp hiệu chuẩn và điều kiện sử dụng.

Ví dụ, yêu cầu đối với một thiết bị dùng để theo dõi xu hướng trong thí nghiệm có thể khác với thiết bị dùng để tạo số liệu cho một phương pháp phân tích chuẩn hóa.

Do đó, trước khi chế tạo cần xác định rõ:

• thiết bị dùng để theo dõi xu hướng hay định lượng;
• có thiết bị tham chiếu hay không;
• có yêu cầu hiệu chuẩn hay không;
• sai số chấp nhận được là bao nhiêu;
• điều kiện môi trường có ảnh hưởng đến phép đo hay không.

Thiết bị theo yêu cầu không mặc nhiên thay thế thiết bị được chứng nhận

Thiết bị được chế tạo theo yêu cầu rất phù hợp cho nghiên cứu, thử nghiệm, giám sát quá trình và nhiều ứng dụng kỹ thuật. Tuy nhiên, nếu phép đo thuộc một quy trình pháp lý hoặc một phương pháp yêu cầu thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn, kiểm định hoặc chứng nhận cụ thể thì cần xem xét riêng.

Không nên mặc định rằng một thiết bị tự phát triển có thể thay thế trực tiếp thiết bị được quy định trong tiêu chuẩn chỉ vì hai thiết bị cùng đo một đại lượng.

Các nhóm ứng dụng phù hợp

Thiết bị được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu có thể phục vụ nhiều lĩnh vực:

• nghiên cứu khoa học;
• mô hình thí nghiệm;
• phòng thí nghiệm;
• quan trắc môi trường;
• nuôi trồng thủy sản;
• thủy canh;
• tưới và trồng trọt;
• giám sát thiết bị;
• ghi dữ liệu dài hạn;
• thử nghiệm cảm biến;
• đào tạo và chuyển giao kỹ thuật.

Một số dạng thiết bị có thể phát triển

Dạng thiết bị	Mục đích
Bộ đo nhiều kênh	Theo dõi đồng thời nhiều mẫu hoặc nhiều cảm biến.
Bộ ghi dữ liệu	Ghi liên tục tín hiệu phục vụ nghiên cứu và phân tích.
Bộ điều khiển	Điều khiển thiết bị theo ngưỡng hoặc trình tự.
Thiết bị thử cảm biến	Đánh giá tín hiệu và độ ổn định của cảm biến.
Hệ đo và điều khiển tích hợp	Đo, ghi dữ liệu và điều khiển trong cùng một hệ thống.
Thiết bị phục vụ mô hình nghiên cứu	Được thiết kế riêng theo bố trí và mục tiêu của thí nghiệm.

Thông tin cần cung cấp khi đặt thiết kế

Để đánh giá khả năng thực hiện một thiết bị, nên mô tả càng rõ bài toán càng tốt. Không nhất thiết người sử dụng phải biết linh kiện hoặc thiết kế mạch.

Các thông tin hữu ích gồm:

• cần đo hoặc điều khiển gì;
• dải giá trị dự kiến;
• số lượng điểm hoặc số kênh;
• tần suất đo;
• thời gian hoạt động liên tục;
• có cần màn hình hay không;
• có cần lưu dữ liệu hay không;
• có cần truyền dữ liệu từ xa hay không;
• nguồn điện có sẵn;
• điều kiện lắp đặt;
• kích thước mong muốn;
• thiết bị hoặc cảm biến đã có cần tích hợp.

Từ các thông tin này mới có thể xác định phương án kỹ thuật, phạm vi chế tạo và mức độ kiểm thử phù hợp.

Từ nguyên mẫu đến thiết bị hoàn chỉnh

Một thiết bị theo yêu cầu thường phát triển qua nhiều bước:

Yêu cầu → thiết kế → nguyên mẫu → thử nghiệm → điều chỉnh → hoàn thiện

Đối với những bài toán mới, nguyên mẫu đầu tiên có vai trò rất quan trọng. Dữ liệu từ quá trình thử nghiệm giúp phát hiện những vấn đề mà mô phỏng hoặc tính toán ban đầu chưa thể hiện hết.

Sau khi kiến trúc được xác nhận, thiết bị mới được hoàn thiện về phần cứng, phần mềm, cơ khí và cách vận hành.

Định hướng phát triển của ENVI

ENVI phát triển nhóm thiết bị theo yêu cầu theo hướng kết hợp điện tử, cảm biến, đo lường, tự động hóa và kinh nghiệm ứng dụng thực tế.

Thay vì cố xây dựng một thiết bị có thật nhiều chức năng, mỗi sản phẩm được định hướng giải quyết một bài toán cụ thể và tạo ra dữ liệu có thể sử dụng được.

Các thiết kế ưu tiên:

• cấu trúc rõ ràng;
• hoạt động ổn định;
• vận hành đơn giản;
• dữ liệu dễ khai thác;
• dễ sửa chữa và thay thế;
• có khả năng mở rộng khi thật sự cần thiết.

Kết luận

Thiết bị kỹ thuật được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu phù hợp với những bài toán mà thiết bị thương mại chưa đáp ứng tốt về chức năng, cấu hình, khả năng tích hợp hoặc chi phí.

Giá trị của một thiết bị tùy chỉnh không nằm ở việc sử dụng linh kiện phức tạp nhất, mà ở khả năng giải quyết đúng bài toán, tạo dữ liệu đáng tin cậy và hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế.

Vì vậy, quá trình phát triển tại ENVI bắt đầu từ yêu cầu sử dụng, sau đó mới lựa chọn cảm biến, phần cứng, phần mềm và cấu trúc cơ khí phù hợp. Thiết bị được kiểm thử và điều chỉnh trước khi hoàn thiện để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu hoặc ứng dụng đã xác định.

Bài cùng chủ đề

Đang tải bài cùng chủ đề...

Bài mới nhất

Đang tải bài mới...