Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính phần 1 gồm các nội dung chính sau: Khái niệm chung; Cảm biến và chuyển đổi; Giao tiếp qua cổng song song; Giao tiếp qua cổng nối tiếp. Mời các bạn cùng tham khảo!

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC/MÔ ĐUN: ĐO LƯỜNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH

NGÀNH/ NGHỀ : CN KTĐK VÀ TĐH

TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng

(Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày 05 tháng 04

năm 2022 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang)

An Giang, Năm ban hành: 2022

Để học tốt môn học này sinh viên cần phải học qua môn Lý thuyết điều khiển tự động và Vi xử lí Giáo trình được soạn dựa theo chương trình chi tiết của môn học Đo lường và điều khiển bằng máy tính ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, số giờ của môn học là 75 giờ (30 giờ lý thuyết, 45 giờ thực hành)

Với mục tiêu trên, nội dung môn học được chia thành 7 chương như sau:

Chương 1: Khái niệm chung

Chương 2: Cảm biến và chuyển đổi

Chương 3 : Giao tiếp qua cổng song song

Chương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp

Chương 5: Giao tiếp qua cổng USB

Chương 6: Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính

Chương 7: Lâp trình giao tiếp và điều khiển trên PC

Các bài học trên được sắp xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức và phát triển nhận thức của người học nghề Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao hơn khi đọc giáo trình này, người học cần nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn học cơ sở khác như: kỹ thuật điện, linh kiện điện tử, mạch số, điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển cơ bản

Cho dù các kiến thức trong giáo trình đã được sắp xếp một cách hợp lý

và có mối quan hệ chặt chẽ nhưng người học cần tham khảo thêm các giáo trình có liên quan để việc học có hiệu quả hơn

Mặc dù rất cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các đồng nghiệp và học viên góp ý để cho giáo trình này ngày được hoàn thiện hơn

Giáo trình chỉ phục vụ cho mục đích giảng dạy, lưu hành nội bộ !

An Giang, ngày 20 tháng 05 năm 2021

Nguyễn Trường Sanh

Mục Lục

Mục Lục 4

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC 8

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG 12

I Máy tính trong điều khiển 12

1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình 12

2 Hệ điều khiển nhúng 13

II HMI (Human Machine Interface) 14

III Kỹ thuật số (Digital techique) 15

IV Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống 17

1 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính 17

2 Hệ thống điều khiển vòng hở (Hệ thống không hồi tiếp) 20

3 Hệ thống điều khiển vòng kín 20

4 Hệ thống điều khiển số: 20

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI 22

I Nguyên lý các mạch đo và chuyển đổi 22

II Các loại cảm biến thông dụng 22

1 Cảm biến nhiệt độ 22

1/ Nhiệt điện trở Platin 24

2/ Nhiệt kế điện trở silic 25

3/IC Cảm biến nhiệt 25

4/Nhiệt điện trở NTC 26

5/ Nhiệt điện trở PTC 26

2 Cảm biến công nghiệp 28

1/ Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 28

2/ Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 30

3/ Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor) 30

4/ Encoder 31

CHƯƠNG 3 GIAO TIẾP QUA CỔNG SONG SONG (LPT) 32

I Giới thiệu chung 32

1 Giao tiếp với thiết bị ngoại vi 33

2 Giao tiếp thiết bị khác 34

3 Cổng song song SSP 35

4 Cổng song song EPP 36

5 Cổng song song ECP 36

II Ghép nối 2 máy tính 37

CHƯƠNG 4 GIAO TIẾP QUA CỔNG NỐI TIẾP 49

I Cơ bản và ghép nối về chuẩn giao tiếp cổng Com RS232 49

1 RS232: 49

1/ Đặc điểm của RS232 49

2/ Chức năng chân RS232 50

2 RS422 51

1/ Thông số kỹ thuật chuẩn RS422 52

2/ Thông số kỹ thuật chuẩn RS422A 52

3/ Ưu nhược điểm RS422 52

4/ Ứng dụng của RS422 52

II Bộ chuyễn đổi mức 53

1 Các mức điện áp đường truyền 53

2 Quá trình truyền dữ liệu 53

3 Tốc độ Baud 53

III Mạch giao tiếp cổng com 54

1 Sơ đồ bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 54

2 Dây chuyển đổi USB sang RS485 55

3 Cáp điều khiển RS485 – Grove 55

4 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB 56

5 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet 56

IV Mạng RS485 56

1 Thông số kỹ thuật chuẩn RS485A 57

2 Truyền dẫn cân bằng 57

3 Mức tín hiệu 57

4 Cặp dây xoắn 57

5 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn 57

6 Điện áp kiểu chung 57

7 Vấn đề nối đất 58

8 Điện trở đầu cuối 58

9 Phân cực đường truyền 58

V MOSBUS RTU 59

1 Nguyên lý hoạt động của RS485 59

2. Sơ đồ chân RS485 2 dây 60

3 Ưu điểm của RS485 60

4 Nhược điểm RS485 61

5 Sự khác nhau giữa RS485 và RS232 61

6. Số lượng trình điều khiển và nút 61

7. Khoảng cách trong giao tiếp 61

8 Ứng dụng của RS485 trong công nghiệp 61

VI Thực hành giao tiếp qua cổng nối tiếp 62

1 Sơ đồ giao tiếp RS485 giữa hai Arduino 62

2 Chương trình 62

CHƯƠNG 5: GIAO TIẾP QUA CỔNG USB 64

I Cấu trúc cổng USB 64

II Các mạch tích hợp chuyển đổi 65

1 USB sang RS232 65

1 USB đến cổng nối tiếp RS232 68

2 USB đến 3-dây cổng nối tiếp RS232 68

3 Bộ điều hợp hồng ngoại USB 68

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG GIAO TIẾP MÁY TÍNH 70

I Giới thiệu chung 70

1 Bo Nhúng 70

2 Sơ đồ ứng dụng hệ thống nhúng 70

3 Sơ đồ khối của hệ thống nhúng trên điều hòa: 71

4 Đặc điểm của hệ thống nhúng 72

5 Ứng dụng và tầm quan trọng của hệ thống nhúng 72

II Hệ thống thu thập, đo đạc số liệu từ cảm biến 72

1 Tổng quan về hệ thống đo lường và điều khiển 72

2 Ví dụ về hệ thống đo lường nhiệt độ 73

3 Hệ thiết bị đo lường 74

4 Khảo sát một số sơ đồ khối của một hệ thống đo tự động: 75

1/ Sơ đồ khối điều khiển của máy điều hòa không khí 75

2/ Hệ thống giám sát vận hành 76

3/ Mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao 77

5 Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu 77

1/ Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu giao tiếp máy tính 77

2/ Chức năng của hệ thu thập dữ liệu 78

6 Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh 78

1/ Hệ thống dữ liệu 1 kênh 78

2/ Hệ thống dữ liệu nhiều kênh 79

7 Thực Hành: 79

III Hệ thống điều khiển các thiết bị ngoại vi 79

1 Tạo cổng ảo trao đổi RS-232 79

2 Sử dụng file * DLL trong phần mềm windows 80

3 Thực Hành: 80

CHƯƠNG 7: LẬP TRÌNH GIAO TIẾP VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC 81

I Giới thiệu về Visual Basic 81

1 Giới thiệu về Visual Basic 6.0 81

2 Cài đặt Visual Basic 6.0 81

1/ Tìm hiểu các thành phần của IDE 82

2/ Biểu mẫu (Form) 82

3/ Lập Trình Cấu Trúc Trong Visual Basic 83

4/ Lệnh lựa chọn Select Case 83

II Lập trình giao tiếp cổng COM 85

1 Ngôn ngữ lập Trình 85

2 Các chức năng cơ bản 85

3 Chương trình 85

4 Thực Hành 87

III Lập trình giao tiếp cổng song song 87

1 Sơ đồ giao tiếp cổng song song 87

2 IC 89c051 giao tiếp &4HC299 88

3 Ghép nối 2 máy tính 89

IV Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Modbus 90

1 MODBUS RTU có một chủ, như PLC, PC, DCS và 247 thiết bị tớ được kết nối trong cấu hình multi-drop 90

2 Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU 91

3 Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS 92

V Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Ethernet 93

1 Hệ thống điều khiển 93

2 Mạng truyền thông công nghiệp 94

3 Giao thức truyền thông 94

4 Mạng truyền thông Ethernet 95

5 Các bước thiết lập điều khiển 96

6 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 98

1/ Sơ đồ khối hệ thống 99

2/ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển các thiết bị của hệ thống trạm trộn điều khiển bằng PLC 99

3/ Cấu trúc PLC CP1E-N30DR-A 100

4/ Biến tần 3G3JX 101

5/ Ethernet Option Board CP1W-CIF41 101

6/ Cảm biến mức 101

7/ Cảm biến quang 101

8/ Giao tiếp truyền thông (Communications) 101

9/Giao tiếp truyền thông PLC Omron 101

7 Thực hành viết chương trình điều khiển ứng dụng 101

Module nhằm trang bị cho người học các kiến thức cơ bản sau:

- Hiểu đặc điểm và cách sử dụng các chuẩn giao tiếp của máy tính

- Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng có khả năng thu thập số liệu từ cảm biến, điều khiển các thiết bị ngoại vi và giao tiếp với máy tính thông qua các cổng giao tiếp

- Cung cấp kiến thức lập trình điều khiển trên Windows với Visual Basic

- Lập trình truyền thông theo chuẩn Modbus, Ethernet

2 Kỹ năng:

- Module giúp người học có cơ hội rèn luyện và phát triển các kỹ năng sau:

- Kỹ năng phân tích, lựa chọn các cổng kết nối trên máy tính

- Kỹ năng thiết kế các hệ thống nhúng giao tiếp với máy tính

- Kỹ năng lập trình giao tiếp và điều khiển trên Windows

- Có khả năng làm việc nhóm, phân tích, đánh giá, lựa chọn giải pháp phù hợp để giải quyết một vấn đề thực tế

- Có khả năng tổng hợp, tìm kiếm thông tin, lập kế hoạch, báo cáo công việc, thuyết trình kết quả đã thực hiện

III NỘI DUNG MÔN HỌC

1 Nội dung tổng quát và phân bố thời gian :

Số

Thời gian Tổng

số

Lý thuyết

Thực hành

Kiểm tra*

3 Chương 3 : Giao tiếp qua cổng song

giao tiếp máy tính

Chương 7: Lâp trình giao tiếp và

điều khiển trên PC

2 Nội dung chi tiết:

2 Nội dung chi tiết:

Chương 1: Khái niệm chung

Mục tiêu của bài:

- Phát biểu các khái niệm về máy tính trong điều khiển

Nội dung của bài: Thời gian: 1.0h (LT: 1.0h; TH: 0.0h)

Chương 2: Cảm biến và chuyển đổi

Mục tiêu của bài:

- Xác định nhiệm vụ và chức năng của cảm biến;

- Trình bày được nguyên lý hoạt của một số cảm biến công nghiệp;

- Nhận biết và sử dụng được một số cảm biến trong công nghiệp

Nội dung của bài: Thời gian: 3.0h (LT: 3.0h; TH: 0.0h)

- Trình bày được phương thức truyền dữ liệu qua cổng LPT;

- Thực hiện được việc truyền dữ liệu qua cổng LPT

Nội dung của bài: Thời gian: 8.0h (LT: 2h; TH: 4.0h; KT: 2.0h)

Chương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp (RS232)

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được nhiệm vụ và chức năng của cổng RS232;

- Trình bày được phương thức truyền dữ liệu qua cổng RS232;

- Thực hiện được việc truyền dữ liệu qua cổng RS232

Chương 5: Giao tiếp qua cổng USB

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được nhiệm vụ và chức năng của cổng USB;

- Trình bày được phương thức truyền dữ liệu qua cổng USB;

- Thực hiện được việc truyền dữ liệu qua cổng USB

Nội dung của bài: Thời gian: 8.0h (LT: 4.0h; TH: 4.0h)

Chương 6: Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được cấu trúc cơ bản của hệ thống nhúng;

- Biết được các thành phần của một hệ thống nhúng cơ bản;

- Thực hiện kết nối được một hệ thống nhúng cơ bản

Nội dung của bài: Thời gian: 20h (LT: 4.0h; TH: 12.0h;KT: 4.0h)

Chương 7: Lập trình giao tiếp với vi điều khiển trên PC

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được cấu trúc cơ bản về Visual Basic trong lập trình giao tiếp;

- Viết được giao diện cơ bản cho lập trình vi điều khiển trên PC;

- Thực hiện kết nối được một hệ thống vi điều khiển với PC

Nội dung của bài: Thời gian: 20h (LT: 4.0h; TH: 12.0h;KT: 4.0h)

4 Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Modbus Thời gian: 4.0h

5 Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Ethernet Thời gian: 4.0h

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG

Mục tiêu của bài:

- Phát biểu các khái niệm về máy tính trong điều khiển

Nội dung của bài: Thời gian: 1.0h (LT: 1.0h; TH: 0.0h)

I Máy tính trong điều khiển

Ngày nay việc xử dụng máy tính nói riêng và vi xử lý nói chung trong các dây và vi xử lý nói chung trong các dây chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt buộc để tăng năng suất và chất lượng sản buộc để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Trong các sản phẩm dân dụng, việc phẩm Trong các sản phẩm dân dụng, việc sử dụng vi xử lý góp phần tăng tính thông sử dụng vi xử lý góp phần tăng tính thông minh của sản phẩm và tạo tiện lợi cho minh của sản phẩm và tạo tiện lợi cho người

sử dụng

Vi xử lý được sử dụng trong điều khiển và đo Vi xử lý được sử dụng trong điều khiển và

đo lường dưới các dạng sau: lường dưới các dạng sau:

- Máy tính điều khiển Máy tính điều khiển

- Vi xử lý điều khiển nhúng Vi xử lý điều khiển nhúng (embedded (embedded microprocessor, embedded micro-controller) microprocessor, embedded micro-

controller)

- Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC)

- Cả ba dạng đều được thiết kế dựa trên cơ sở Cả ba dạng đều được thiết kế dựa trên

cơ sở hoạt động của vi xử lý với chức năng xử lý hoạt động của vi xử lý với chức năng

xử lý thông tin thông

Hình 1 Máy tính điều khiển

1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình

Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình gồm các phần sau: gồm các phần sau:

- Bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm

- Các kênh truyền thông liên lạc giữa người - máy Các kênh truyền thông liên lạc

giữa người - máy tính tính (HMI) (HMI) và giữa máy tính –máy tính và giữa máy tính –máy tính

- Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi tương tự - số Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi tương tự - số (ADC), chuyển đổi số - tương tự (DAC) (ADC), chuyển đổi số - tương tự (DAC)

- Thiết bị đo lường (cảm biến) Thiết bị đo lường (cảm biến)

- Cơ cấu chấp hành (relay, động cơ, van khí và thủy Cơ cấu chấp hành (relay, động

cơ, van khí và thủy lực, xy lanh thủy khí…)

Khi dùng máy tính để đo lường – điều Khi dùng máy tính để đo lường – điều khiển ta phải giải quyết vấn đề là xuất khiển ta phải giải quyết vấn đề là xuất một dữ liệu 8 bit ra một thanh ghi hay đọc một dữ liệu 8 bit ra một thanh ghi hay đọc dữ liệu 8 bit từ thanh ghi vào một biến dữ liệu 8 bit từ thanh ghi vào một biến

Hệ thống điều khiển nhúng lấy thông tin từ các cảm biến, xử lý thông tin từ các cảm biến, xử lý tính toán các thuật điều khiển và tính toán các thuật điều khiển và phát tín hiệu điều khiển cho các phát tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành

Hình 2 Hệ thống điều khiển nhúng

II HMI (Human Machine Interface)

HMI là từ viết tắt của Human-MachineInterface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI

Hình 3 HMI Khi các quá trình ở sàn nhà máy được tự động hóa nhiều hơn, người điều khiển cần động hóa nhiều hơn, người điều khiển cần có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu cầu về hiển thị và điều khiển nội bộ trở nên cầu về hiển thị và điều khiển nội bộ trở nên phức tạp hơn Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị dạng tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị dạng cảm ứng

Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị Nó cũng loại bỏ yêu cầu hay nhận hiển thị Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình rửa có thể được thực hiện trong quá trình rửa trôi

Một ưu điểm khác nữa là hiển thị dạng tinh thể lỏng Nó chiếm ít không gian hơn, thể lỏng Nó chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT, và do đó có mỏng hơn hiển thị dạng CRT, và do đó có thể được sử dụng trong những không gian thể được

sử dụng trong những không gian nhỏ hơn

Người điều khiển làm việc trong không người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy Đôi khi gian rất hạn chế tại sản nhà máy Đôi khi không

có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ cần có HMI có thể di và HMI cỡ lớn nên họ cần có HMI có thể di chuyển được

ADC – DAC (analog digital converter- digital analog converter) (analog digital converter- digital analog converter) Kỹ thuật tương tự (analog techique) Kỹ thuật tương

tự (analog techique)

Khi ta nói trước micro thì lực của không khí tác động vào micro cũng thay đổi Ở khí tác động vào micro cũng thay đổi Ở đây, micro đóng vai trò như màng nhỉ Khi đây, micro đóng vai trò như màng nhỉ Khi đó điện áp ở 2 đầu micro sẽ thay đổi theo đó điện

áp ở 2 đầu micro sẽ thay đổi theo lực của không khí Sự thay đổi của điện áp lực của không khí Sự thay đổi của điện áp này sẽ tương tự với sự rung động của màng này sẽ tương tự với sự rung động của màng nhỉ

Bởi vậy, người ta gọi đây là kỹ thuật tương tự( Analog) Rõ ràng, bất kỳ sự thay đổi tự( Analog) Rõ ràng, bất kỳ sự thay đổi nào của điện áp này điều có ý nghĩa Nhiễu nào của điện áp này điều có ý nghĩa Nhiễu sẽ làm cho biên độ tín hiệu thay đổi Đây sẽ làm cho biên độ tín hiệu thay đổi Đây chính là nguồn gốc nhược điểm của kỹ chính là nguồn gốc nhược điểm của kỹ thuật tương tự Nó rất dễ bị nhiễu xâm thuật tương tự Nó rất dễ bị nhiễu xâm nhập

- Chữ số của hệ nhị phân được người ta gọi là bit

- Chữ số của hệ nhị phân được người ta gọi là bit

2 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số:

Hình 5 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Ta thấy tín hiệu tương tự là: 1 miền liên tục

Trên hình, có chỗ điện áp là 4V nhưng vẫn là mức 1 Nhiễu chỉ có thể tăng/giảm biên là mức 1

Lấy mẫu: (SAMPLING) (SAMPLING) : T1, T2 là các lần lấy mẫu T1, T2 là các lần lấy mẫu t1, t2 là thời gian

Hình 6 Lấy mẫu

Lấy mẫu là giai đoạn đầu của quá trình

Số lần lấy mẫu trong 1 giây gọi là tần số lấy Số lần lấy mẫu trong 1 giây gọi là tần số lấy mẫu Sampling rate

ADC – DAC, ADC – DAC (analog digital converter- digital analog converter)

Số các mức gọi là độ rộng của mẫu Số các mức gọi là độ rộng của mẫu (Resolution), ví dụ: độ rộng là 16 mức => dùng 4 bit nhị phân để lưu trữ dùng 4 bit nhị phân để lưu trữ Tốc độ lấy mẫu = tần-số-lấy-mẫu x độTốc độ lấy mẫu Tiếng Anh gọi là sampling rate sampling rate vd: 22khz x 8 bit = 176kb/s

Giải mã

Hình7 Giãi mã

Sau khi giải mã thì ta thu được 1 đường gấp Sau khi giải mã thì ta thu được 1 đường gấp khúc trong khi đường gốc là 1 đường cong khúc trong khi đường gốc là 1 đường cong Cũng dễ thấy, nếu ta càng tăng tần số lấy Cũng dễ thấy, nếu ta càng tăng tần

số lấy mẫu, tăng độ rộng mẫu thì đường giải mã mẫu, tăng độ rộng mẫu thì đường giải

mã sẽ càng mịn và càng giống đường gốc

Nyquyst đã nghiên cứu và nói là tần số lấy Nyquyst đã nghiên cứu và nói là tần số lấy mẫu lớn hơn 2 lần băng thông thì kết quả mẫu lớn hơn 2 lần băng thông thì kết quả thu được là gần trung thực Ví dụ: tai người nghe 0-20Khz, băng thông = 20khz-0hz = 20khz, vậy thì tần số lấy = 20khz-0hz = 20khz, vậy thì tần số lấy mẫu ít nhất phải là 2x 20khz =40khz

IV Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống

1 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính

Tùy theo độ phức tạp của đối điều khiển ta có thể sử dụng một công cụ máy tính hoặc là hệ thống nhiều máy tính ghép với nhau theo mạng phân bố và phân cấp Việc giao tiếp giữa các máy tính thường là giao tiếp tuần tự không đồng bộ

Giao tiếp người-máy thực hiện qua bàn phím (keyboard, touch panel), màn hình (CRT, LCD) hay kênh âm thanh

Tín hiệu đo lường điều khiển có 2 dạng: nhị phân (on/off) và tương tự Đối với những tín hiệu tượng tự từ cảm biến, cần sử dụng các bộ chuyển đổi ra dạng điện áp hay dòng rồi chuyển từ tương tự sang số (ADC)

Hình 8 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính Tín hiệu điều khiển dạng số cần chuyển sang tương tự (DAC) Tùy theo loại

cơ cấu chấp hành ta cần các bộ khuếch đại công suất phù hợp (KĐCS lớp B, điều rộng xung, điều khiển pha, biến tần, khóa bán dẫn, role)

Do bản chất làm việc của máy tính là tuần tự nên máy tính chỉ giao tiếp với bên ngoài theo những khoảng thời gian rời rạc vì vậy hệ thống điều khiển dùng máy tính là

hệ thống điều khiển rời rạc và các vấn đề phát sinh như thời gian lấy mẫu, thời gian trễ

do tính toán xử lý, sai số do lượng tử vì độ phân giải có hạn của chuyển đổi A/D và D/A cần phải được xét đến

Do tính chất đa dạng của các thiết bị về chủng loại và nhãn hiệu vấn đề ghép nối các thiết bị nói trên (tích hợp hệ thống- system intergrator) đòi hỏi phải có tiêu chuẩn chung về cơ (kích thước ), điện (điện áp, dòng, cáp nối), truyền thông

Hệ thống sản xuất phức tạp thường cấu trúc theo mạng, thấp nhất là mạng PLC gồm nhiều PLC kết nối qua mạng MPI, Profibus trong mạng có máy tính hay màn hình HMI Cấp cao hơn là mạng PLC+ máy tính SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition), máy tính làm nhiệm vụ chẩn đoán hỏng hóc, hiển thị, thay đổi thông số hoạt động của hệ thống, lưu trữ và ttường trình, có thể có nhiều máy tính kết nối theo mạng LAN

Hình 9 Điều khiển phân cấp xí nghiệp

Một dạng phân cấp khác là hệ thống điều khiển phân bố DCS(Distributed Control System), trong mạng có máy tính giám sát, máy tính điều khiển quá trình, PLC, RTU(Remote Terminal Unit), FCU(Field Control Unit) hoạt động dưới một chương trình bảo đảm năng suất, chất lượng sản phẩm, tránh ngừng dây chuyền sản xuất

2 Hệ thống điều khiển vòng hở (Hệ thống không hồi tiếp)

Thành phần của hệ thống điều khiển vòng hở thường được chia làm hai phần:

bộ điều khiển và quá trình bị điều khiển (còn gọi là đối tượng điều khiển)

Hình 11 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng hở

Trong đó : r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra, u(t) là tín hiệu điều khiển

3 Hệ thống điều khiển vòng kín

Hình 12 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín

Trong đó: r(t) là tín hiệu vào; c(t) là tín hiệu ra; c*(t) là tín hiệu hồi tiếp và u(t) là tín hiệu điều

4 Hệ thống điều khiển số:

Hệ thống điều khiển bằng máy tính chứa cả tín hiệu liên tục và tín hiệu lấy mẫu hay rời rạc theo thời gian Những hệ thống như vậy về truyền thống được họi là

hệ thống lấy mẫu dữ liệu

Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer-controlled system) còn được gọi là hệ thống lấy mẫu dữ liệu (sampled-data system) Sơ đồ khối hệ như sau

A-D {u(t k )} D-A trình

Hình 13 Hệ thống điều khiển bằng máy tính Các kiến thức lý thuyết nền tảng cần thiết mà người đọc cần biết :

- Tính toán cơ bản

- Lý thuyết mạch điện cơ bản

- Lý thuyết điều khiển hồi tiếp cơ bản

- Nguyên lý cơ bản về cấu trúc máy tính và hoạt động

- Ngôn ngữ lập trình cấp cao như là Basic, Pascal, Fortran, C/C++, Visual Basic, Delphi, Visual C++/Visual C#

Khi sử dụng máy tính điều khiển quá trình ta phải giải quyết các vấn đề sau:

- Ghép nối máy tính với ngoại vi (cảm biến và chấp hành)

- Lập trình điều khiển thời gian thực bao gồm các chương trình con đo, xử lí số, thuật toán điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển

- Giao tiếp với cổng nối tiếp

- Giao tiếp với cổng USB

- Chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A

- Hệ thống điều khiển số

- Mạng truyền thông công nghiệp

Câu hỏi

1 Máy tính trong điều khiển quá trình

2 Lịch sử phát triển của điều khiển máy tính quá trình

3 Hệ thống là gì? Cho ví dụ

4 Trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính

5 Trình bày hệ thống thu thập dữ liệu

6 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC

7 Bài toán điều khiển máy tính quá trình tiêu biểu

8 Trình bày hệ thống điều khiển : liên tục và số

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI

Mục tiêu của bài:

- Xác định nhiệm vụ và chức năng của cảm biến;

- Trình bày được nguyên lý hoạt của một số cảm biến công nghiệp;

- Nhận biết và sử dụng được một số cảm biến trong công nghiệp

I Nguyên lý các mạch đo và chuyển đổi

Hình 14 Nguyên lý các mạch đo và chuyển đổi

Có rất nhiều loại cảm biến đo các đại lượng khác nhau nhưng chúng ta chỉ xét các cảm

biến thông dụng trong điều khiển quá trình như nhiệt độ, lực, dịch chuyển, vận tốc, áp

suất, lưu lượng Trong đo lượng ta phải thực hiện các phép đo giá trị của đại lượng như

là nhiệt độ, điện áp, nên có sai số

Theo hình thức mà hệ thống xảy ra sai số:

Sai số hệ thống: sai số được duy trì ở kết quả đo lượng, khi sự đo lượng được lập đi lập

lại trong cùng một điều kiện làm việc Sai số này có thể do dụng cụ đo, do việc định

chuẩn thang đo, do ảnh hưởng môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, từ trường hoặc điện

trường nhiễu

Sai số ngẫu nhiên: sai số này hoàn toàn khác hẳn sai số hệ thống, khi sự đo lượng được

lập đim lập lại thì trị số sai số này lại khác nhau

II Các loại cảm biến thông dụng

1 Cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất Bởi

vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày

việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một

vấn đề không đơn giản Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so

sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp

dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ

Thang đo nhiệt độ

Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết

lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng

Theo định lý Carnot: hiệu suất  của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai

nguồn có nhiệt độ 1 và 2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào 1 và 2:

)(F

2

1

1 η

T

T



Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương trình đặc trưng liên

hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:

p.v=G()

Có thể chứng minh được rằng:

G()=RT Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối

Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ

Muốn vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại

- Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K

- Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ

32)(5

9)(0F  T 0C 

T

Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ

Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ

Tx - Tc nhất định Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép càng cao Muốn vậy khi đo cần phải:

- Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo

- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài

- Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:

dt T T A

dQ ( x  c)

- Với:

- Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: dQ = mCdT0

- Với:

- m - khối lượng cảm biến

- C - nhiệt dung của cảm biến

- Nêu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

 Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -2000 c đến 10000C

2/Nhiệt điện trở Nikel:

 Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/0C

 Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với ở 00C

 Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định

 Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 2500C

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 1800C Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở

Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện trở cao với kích thước nhỏ Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở

Cách nối dây đo

 Kỹ thuật hai dây: