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. 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.
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 Nguyễn Trường Sanh 12 Đo lường và điều khiển bằng máy tính 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).
- 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 điều khiển nhúng Vấn đề này được giải quyết dễ dàng bằng Vấn đề này được giải quyết dễ dàng bằng các ngôn ngữ lập trình như hợp ngữ, các ngôn ngữ lập trình như hợp ngữ, Pascal, C, Visual C, Delphi Hệ điều khiển nhúng là hệ thống mà Hệ điều khiển nhúng là hệ thống mà máy tính được nhúng vào vòng điều máy tính được nhúng vào vòng điều khiển của sản phẩm nhằm điều khiển khiển của sản phẩm nhằm điều khiển một đối tượng, điều khiển một qúa một đối tượng, điều khiển một qúa trình công nghệ đáp ứng các yêu cầu trình công nghệ đáp ứng các yêu cầu đặt ra. 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.
Hệ thống điều khiển nhúng. Nguyễn Trường Sanh 13 Đo lường và điều khiển bằng máy tính 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.
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. Nguyễn Trường Sanh 14 Đo lường và điều khiển bằng máy tính 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. Tín hiệu tương tự III. Kỹ thuật số (Digital techique) Hệ số là tập hợp những chữ số mà ta dùng để hệ số là tập hợp những chữ số mà ta dùng để đếm.
Hệ nhị phân Hệ nhị phân: chỉ gồm 2 chữ số: 0 1 - Chữ số của hệ nhị phân được người ta gọi là bit - Chữ số của hệ nhị phân được người ta gọi là bit. Tín hiệu tương tự và tín hiệu số: Nguyễn Trường Sanh 15 Đo lường và điều khiển bằng máy tính 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.
là các lần lấy mẫu. là các lần lấy mẫu. là thời gian. 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 Nguyễn Trường Sanh 16 Đo lường và điều khiển bằng máy tính Hình7. 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.