Lý thiết điều khiển tự động - Bài 5: Sử dụng module analog

BÀI 5: SỬ DỤNG MODULE ANALOG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MODULE ANALOG. Trước hết bạn hãy so sánh việc cộng hai tín hiệu tương tự (analog) với việc cộng hai tín hiệu số (digital), công việc nào đơn giản hơn khi mà kỹ thuật số phát triển như hiện nay? Hay ta lấy một ví dụ đơn giản như sau : Ta cần điều khiển nhiệt độ của một lò nung sao cho đạt được chất lượng nào đó. Làm thế nào để đo nhiệt độ về và xử lý nhiệt độ đó như thế nào trong bài toán điều khiển? Một trong những công cụ được sử dụng là module analog. Vậy Module analog là gì? Các bạn đã biết được những gì về module analog ? Bạn đã từng sử dụng chưa ? Nguyên lý hoạt động chung của module analog là gì ? Khái niệm về module analog. Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số. Analog input Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ. Analog output Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz. Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trong công nghiệp. Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến. Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện. Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, 5V Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA. Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn . Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp. Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer). Analog Input ( A/D) Các con số Analog Output ( D/A) Các con số Đầu đo Thiết bị chuyển đổi Thiết bị cảm biến Module analog Tín hiệu vào không điện 0 – 10V 4-20 mA Tín hiệu ra tương tự 0 – 10 V 4 – 20 mA GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG EM235. EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong). Các thành phần của module analog EM235. Thành phần Mô tả 4 đầu vào tương tự được kí hiệu bởi các chữ cái A,B,C,D A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào A B+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào B C+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào C D+ , D- , RD Các đầu nối của đầu vào D 1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra Gain Chỉnh hệ số khuếch đại Offset Chỉnh trôi điểm không Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải Sơ đồ khối của đầu vào Analog. Sơ đồ khối đầu ra Analog Định dạng dữ liệu a/ Dữ liệu đầu vào: Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2) Định dạng: + Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,0-20mA): MSB LSB 15 14 3 2 1 0 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0 Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dòng) thành giá trị số từ 032000. + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V, 10mA,): MSB LSB 15 4 3 2 1 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0 0 Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào áp, dòng) thành giá trị số từ -3200032000. b/ Dữ liệu đầu ra: Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2) Định dạng dữ liệu + Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,4-20mA): MSB LSB 15 14 4 3 2 1 0 0 Dữ liệu 11 bit 0 0 0 0 Modul Analog output của S7-200 chuyển đổi con số 032000 thành tín hiệu điện áp đầu ra 010V. + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V, 10mA,): Kiểu này các module Analog output của S7-200 không hỗ trợ. MSB LSB 15 4 3 2 1 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0 0 c/ Bảng tổng hợp : Định dạng dữ liệu Giá trị chuyển đổi Kiểu tín hiệu đối xứng (10V, 10mA,) - 32000 đến +32000 Tín hiệu không đối xứng (010V, 420mA) 0 đến +32000 Cách nối dây a/ Đầu vào tương tự: Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp: RA A+ A- + - Điện áp Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện: RA A+ A- 4-20 mA PS PS M + - Hoặc : - + RA A+ A- 4-20 mA L+ M b/ Đầu ra tương tự: MO VO IO Tải điện áp Tải dòng điện c/ Cấp nguồn cho Module: M L+ Nguồn 24 VDC Tổng quát cách nối dây: Cài đặt dải tín hiệu vào. Module EM 235 cho phép cài đặt dải tín hiệu và độ phân giải của đầu vào bằng switch: On Off Sau đây là bảng cấu hình : Dải không đối xứng Dải đầu vào Độ phan giải SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0 – 50 mV 12.5 uV OFF ON OFF ON OFF ON 0 – 100 mV 25 uV ON OFF OFF OFF ON ON 0 – 500 mV 125 uV OFF ON OFF OFF ON ON 0 – 1 V 250 uV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 – 5 V 1.25 mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 – 20 mA 5 uA OFF ON OFF OFF OFF ON 0 – 10 V 2.5 mV Dải đối xứng Dải đầu vào Độ phân giải SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF OFF ± 25 mV 12.5 uV OFF ON OFF ON OFF OFF ± 50 mV 25 uV OFF OFF ON ON OFF OFF ± 100 mV 50 uV ON OFF OFF OFF ON OFF ± 250 mV 125 uV OFF ON OFF OFF ON OFF ± 500 mV 250 uV OFF OFF ON OFF ON OFF ± 1V 500 uV ON OFF OFF OFF OFF OFF ± 2.5 V 1.25 mV OFF ON OFF OFF OFF OFF ± 5 V 2.5 mV OFF OFF ON OFF OFF OFF ± 10 V 5 mV Trình tự thiết lập và căn chỉnh cho module analog . a/ Căn chỉnh đầu vào cho module analog Hãy tắt nguồn cung cấp cho module Gạt switch để chọn dải đo đầu vào Bật nguồn cho CPU và module. Để module ổn định trong vòng 15 phút. Sử dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp giá trị 0 đến một trong những đầu vào. Đọc giá trị nhận được trong CPU. Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh OFFSET để đưa giá trị về 0 (căn chỉnh điểm không) , hoặc giá trị số cần thiết kế. Sau đó nối một trong những đầu vào với giá trị lớn nhất của dải đo. Đọc giá trị nhận được trong CPU. Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh GAIN để đọc được giá trị là 32000, hoặc giá trị số cần thiết kế. Lặp lại các bước chỉnh OFFSET và GAIN nếu cần thiết. Chú ý : Phải chắc chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải được loại bỏ nhiễu và phải ổn định. Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu. Các đầu vào analog không sử dụng phải được nối ngắn mạch (ví dụ A+ nối với A-) MỘT SỐ ỨNG DỤNG . 3.1 Viết chương trình con tính toán giá trị điện áp đo từ chiết áp. a/Hãy lắp mạch theo sơ đồ sau : . b/ Xây dựng công thức tính toán: Dải điện áp đầu ra của chiết áp : 0 – 10V Với dải điện áp này module analog sẽ chuyển đổi sang dải giá trị từ 0 – 32000. Vậy nếu ta đọc được giá trị trên CPU là 24000 thì giá trị analog ở đầu vào là bao nhiêu Volt ? Đầu ra số (x) 0 32000 0 10 24000 ? V Đầu vào analog ( y ) - V Sự biến đổi từ giá trị tương tự đầu vào sang các con số là sự biến đổi 1-1 , và hoàn toàn tuyến tính. Vì vậy mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là mối quan hệ tuyến tính có dạng đường thẳng đơn giản y = ax + b. Có thể thấy ngay phương trình trên có dạng y = x/3200. Do đó nếu biết được giá trị số là 24000 ta tính được ngay đầu ra là 7.5 V. Ta hãy tổng quát hóa công thức tính toán để có thể xây dựng chương trình con: Chương trình con tính toán y = x/3200 24000 0 32000 0.0 (V) 10.0 (V) 7.5 (V) Chương trình con tính toán y = ax + b D_Out D_Min D_Max A_Min A_Max A_In Tổng quát hóa Các kí hiệu : A_In : Giá trị analog đầu vào cần xác định. A_Min : Giá trị giới hạn dưới của giá trị đầu vào tương tự. A_Max : Giá trị giới hạn trên của giá trị đầu vào tương tự. D_out : Giá trị chuyển đổi bằng số của A_In. D_Min : Giá trị chuyển đổi bằng số của A_Min. D_Max : Giá trị chuyển đổi bằng số của A_Max. Từ đây ta xác định được công thức tính toán cho giá trị đầu vào. c/ Tiến hành viết chương trình : + Chương trình con : Khai báo các biến vào ra và biến tạm thời Các chú thích : Chương trình con : + Trong chương trình chính ta gọi chương trình con này + Tiến hành biên dịch, download, và debug chương trình 3.2 Viết chương trình con xuất dữ liệu ra đầu ra Analog. Với dải giá trị từ 0 – 32000, module analog sẽ biến đổi ở đầu ra tín hiệu tương tự từ 0 – 10V Vậy nếu ta cần điện áp đầu ra là 8 V thì giá trị bằng số cần đưa ra là bao nhiêu ? Đầu ra tương tự (x) - V 0 10 0 32000 8 ? Giá trị bằng số cần đưa ra ( y ) Sự biến đổi từ giá trị số sang tín hiệu tương tự ở đầu ra là sự biến đổi 1-1 . Vì vậy mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là mối quan hệ tuyến tính có dạng đường thẳng đơn giản y = ax + b. Có thể thấy ngay phương trình trên có dạng y = 3200.x. Do đó nếu giá trị đầu ra là 8 V ta tính được ngay con số cần đưa vào để biến đổi là 25600. Ta hãy tổng quát hóa công thức tính toán để có thể xây dựng chương trình con: Chương trình con tính toán y = x/3200 8.0 V 0.0 10.0 V 0 32000 25600 Chương trình con tính toán y = ax + b A_Out A_Min A_Max D_Min D_Max D_In Tổng quát hóa Các kí hiệu : A_Out : Giá trị analog đầu ra mong muốn A_Min : Giá trị giới hạn dưới của tín hiệu ra tương tự. A_Max : Giá trị giới hạn trên của tín hiệu ra tương tự. D_In : Giá trị bằng số tương ứng với A_Out. D_Min : Giá trị bằng số tương ứng với A_Min. D_Max : Giá trị bằng số tương ứng với A_Max. Từ đây ta xác định được công thức tính toán cho giá trị đầu vào. c/ Tiến hành viết chương trình : + Khai báo các biến vào ra và biến tạm trong chương trình con. + Chú thích : + Chương trình con : + Chương trình chính gọi chương trình con : + Tiến hành biên dịch, download và debug. Ứng dụng đo nhiệt độ môi trường. Dải tín hiệu đo 0-150oC Đầu ra 0-10V Cần tính nhiệt độ thực tế môi trường là bao nhiêu. Ov : đầu ra ( 0 đến 400 độ C ) Iv : đầu vào (6400 đến 32000) tương ứng với điện áp của cảm biến nhiệt độ Từ 0 đến 10 V , hoặc từ 4mA đến 20 mA . Osh : đầu ra max 400 Osh : đầu ra min 0 Ish : đầu vào max 32000 Ish : đầu vào min 6400 Ov =