Giáo Trình Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính Nghề Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Giáo trình kỹ thuật về đo lường và điều khiển bằng máy tính nghề công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa trình độ cao, biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, hệ thống hóa

• Tác giả: Nguyễn Trường Sanh
• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề An Giang
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển
• Đề tài: Giáo Trình Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: An Giang

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG
• 2. CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI
• 3. CHƯƠNG 3: GIAO TIẾP QUA CỔNG SONG SONG
• 4. CHƯƠNG 4: GIAO TIẾP QUA CỔNG NỐI TIẾP
• 5. CHƯƠNG 5: GIAO TIẾP QUA CỔNG USB
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG GIAO TIẾP MÁY TÍNH
• 7. CHƯƠNG 7: LẬP TRÌNH GIAO TIẾP VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính

Giáo trình Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính là tài liệu quan trọng cho sinh viên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển. Tài liệu này cung cấp kiến thức cơ bản về việc ứng dụng máy tính trong hệ thống điều khiển và đo lường. Nội dung giáo trình được chia thành nhiều chương, mỗi chương tập trung vào một khía cạnh cụ thể của môn học. Mục tiêu chính là giúp sinh viên nắm vững các khái niệm và kỹ năng cần thiết để áp dụng trong thực tiễn.

1.1. Mục tiêu và nội dung của giáo trình

Giáo trình được thiết kế nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức về cảm biến, giao tiếp máy tính và lập trình điều khiển. Nội dung bao gồm các chương từ khái niệm chung đến các ứng dụng thực tiễn.

1.2. Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình này chủ yếu dành cho sinh viên năm cuối ngành Điện tử tự động, những người cần nắm vững kiến thức về điều khiển và đo lường bằng máy tính.

II. Thách thức trong việc áp dụng Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính

Việc áp dụng công nghệ đo lường và điều khiển bằng máy tính gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự phức tạp trong việc tích hợp các hệ thống khác nhau. Ngoài ra, việc lựa chọn cảm biến và thiết bị phù hợp cũng là một thách thức lớn. Để giải quyết những vấn đề này, cần có sự hiểu biết sâu sắc về các công nghệ hiện có.

2.1. Khó khăn trong việc lựa chọn cảm biến

Việc lựa chọn cảm biến phù hợp với yêu cầu của hệ thống là rất quan trọng. Cảm biến cần phải đáp ứng được các tiêu chí về độ chính xác và độ tin cậy.

2.2. Tích hợp hệ thống điều khiển

Tích hợp các thiết bị điều khiển và cảm biến vào một hệ thống đồng bộ là một thách thức lớn. Cần có các phương pháp và công cụ hỗ trợ để thực hiện điều này hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính

Thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính yêu cầu một quy trình rõ ràng và có hệ thống. Các bước thiết kế bao gồm xác định yêu cầu, lựa chọn thiết bị, lập trình và kiểm tra hệ thống. Việc áp dụng các phương pháp khoa học trong thiết kế sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác của hệ thống.

3.1. Xác định yêu cầu hệ thống

Bước đầu tiên trong thiết kế là xác định rõ yêu cầu của hệ thống. Điều này bao gồm việc hiểu rõ mục tiêu và chức năng mà hệ thống cần thực hiện.

3.2. Lựa chọn thiết bị và cảm biến

Lựa chọn thiết bị và cảm biến phù hợp là rất quan trọng. Cần xem xét các yếu tố như độ chính xác, độ bền và khả năng tương thích với hệ thống.

3.3. Lập trình và kiểm tra hệ thống

Sau khi thiết kế, việc lập trình và kiểm tra hệ thống là bước quan trọng để đảm bảo mọi thứ hoạt động như mong đợi. Cần thực hiện các bài kiểm tra để phát hiện và khắc phục lỗi.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính

Hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Từ các dây chuyền sản xuất tự động đến các hệ thống giám sát môi trường, công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các quy trình. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Trong sản xuất công nghiệp, hệ thống đo lường và điều khiển giúp tự động hóa quy trình, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường

Công nghệ này cũng được sử dụng để giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và ô nhiễm, giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và tương lai của Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính

Giáo trình Đo Lường và Điều Khiển Bằng Máy Tính không chỉ cung cấp kiến thức cơ bản mà còn mở ra nhiều cơ hội cho sinh viên trong lĩnh vực công nghệ. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của các công nghệ mới như IoT và AI. Việc nắm vững kiến thức trong giáo trình sẽ giúp sinh viên tự tin hơn trong việc ứng dụng công nghệ vào thực tiễn.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ đo lường và điều khiển đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các công nghệ mới như IoT và AI, mở ra nhiều cơ hội mới.

5.2. Tầm quan trọng của giáo trình trong đào tạo

Giáo trình này đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo sinh viên, giúp họ nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết để thành công trong lĩnh vực công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính (Mã số môn học: MH26) là tài liệu đào tạo chuyên ngành được biên soạn bởi tác giả Nguyễn Trường Sanh và ban hành chính thức theo Quyết định số 630/QĐ-CĐN ngày 05 tháng 04 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề An Giang. Trong chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (CN KTĐK VÀ TĐH) cũng như chuyên ngành Điện tử tự động, môn học này được bố trí giảng dạy cho sinh viên năm cuối. Thời lượng toàn bộ mô-đun là 75 giờ, bao gồm 30 giờ lý thuyết, 36 giờ thực hành và 9 giờ kiểm tra đánh giá định kỳ tích hợp.

Mục tiêu học tập cốt lõi của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống lý thuyết và kỹ năng thực hành về xu hướng điều khiển dựa trên máy tính (PC-based Control). Học viên được trang bị năng lực nhận diện, phân tích và khai thác các chuẩn giao tiếp vật lý; phương pháp thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ thống nhúng thu thập dữ liệu (DAQ); kỹ thuật lập trình giao diện người - máy (HMI) và thuật toán điều khiển trên nền tảng hệ điều hành Windows với ngôn ngữ Visual Basic 6; đồng thời làm chủ các giao thức truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn như Modbus RTU và Industrial Ethernet.

Giáo trình được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa gồm 7 chương logic, tịnh tiến từ phần cứng thu nhận tín hiệu sơ cấp, cấu trúc các cổng kết nối vật lý, đến tích hợp hệ thống nhúng và lập trình ứng dụng điều khiển thời gian thực trên máy tính. Điểm đặc thù của tài liệu là tính thực chứng kỹ thuật cao, gắn liền các sơ đồ mạch ghép nối linh kiện thực tế, bảng thông số tiêu chuẩn quốc tế (EIA/TIA) và các đoạn mã nguồn mẫu trực quan.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

flowchart TD
    A["Chương 1: Khái niệm chung (Cấu trúc PC-based, SCADA, DCS, Định lý Nyquist)"] --> B["Chương 2: Cảm biến & Chuyển đổi (Nhiệt độ, Tiệm cận, Encoder)"]
    B --> C["Chương 3, 4, 5: Cổng giao tiếp (LPT, RS232/422/485, USB)"]
    C --> D["Chương 6: Hệ thống nhúng & Thu thập dữ liệu (DAQ, Cổng COM ảo, DLL)"]
    D --> E["Chương 7: Lập trình giao tiếp & Điều khiển (VB6, Modbus RTU, Ethernet PLC Omron)"]

Các chương và chủ đề chính

• Chương 1: Khái niệm chung (Thời lượng: 1h lý thuyết): Giới thiệu vai trò của máy tính cá nhân (PC), máy tính công nghiệp và bộ điều khiển lập trình (PLC) trong điều khiển quá trình. Nội dung phân tích cấu trúc tổng quát của hệ thống đo lường - điều khiển, giao diện người - máy (HMI), bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ($ADC$) và số - tương tự ($DAC$). Chương này làm rõ nguyên lý lấy mẫu dữ liệu theo định lý Nyquist ($f_s > 2B$), phân tích sai số lượng tử hóa, độ phân giải mẫu và cấu trúc phân cấp điều khiển xí nghiệp từ cấp hiện trường, SCADA, DCS đến máy công cụ CNC, cũng như phân định hệ thống điều khiển vòng hở và vòng kín.
• Chương 2: Cảm biến và chuyển đổi (Thời lượng: 3h lý thuyết): Cung cấp bản chất sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Trình bày cơ sở nhiệt động học thiết lập các thang đo nhiệt độ Kelvin, Celsius và Fahrenheit theo định lý Carnot; nguyên lý trao đổi nhiệt cảm biến theo phương trình $dQ = \alpha A(T_x - T_c)dt = mCdT_0$. Phân loại các cảm biến nhiệt điện trở kim loại (Platin 99.999% từ $-200^\circ\text{C}$ đến $1000^\circ\text{C}$, Nikel, Đồng, Wonfram), cảm biến silic phi tuyến $R_T = R_0[1 + A(T - T_0) + B(T - T_0)^2]$, IC cảm biến LM35, nhiệt điện trở NTC (mã hiệu A34-2/30) và PTC (hãng Thinking Electronic Industrial). Về cảm biến công nghiệp, tài liệu phân tích cảm biến tiệm cận điện cảm (loại có vỏ bọc shielded và không vỏ bọc unshielded), cảm biến tiệm cận điện dung, cảm biến siêu âm (gồm bộ phát/nhận sóng, mạch so sánh, mạch phát hiện, mạch ngõ ra) và bộ mã hóa vị trí góc quay encoder (loại tương đối và tuyệt đối).
• Chương 3: Giao tiếp qua cổng song song (LPT) (Thời lượng: 8h - 2h LT, 4h TH, 2h KT): Khảo sát cấu trúc 25 chân DB25 của cổng LPT gồm 4 đường điều khiển, 5 đường trạng thái và 8 đường dữ liệu. Phân tích 3 thanh ghi cơ bản (thanh ghi dữ liệu tại địa chỉ cơ sở 378h/278h, thanh ghi trạng thái 379h/279h, thanh ghi điều khiển 37Ah/27Ah). So sánh các chuẩn hoạt động SPP, EPP (tốc độ $500,\text{KB/s} - 2,\text{MB/s}$) và ECP ($2,\text{MB/s}$); phân tích giới hạn đường truyền cáp dưới $8,\text{m}$ do lệch pha tín hiệu (skew) và chập chờn dao động. Thực hành điều khiển giao tiếp phần cứng thông qua thư viện liên kết động IO.DLL với các hàm PortOut, PortIn, PortWordOut, PortDWordOut.
• Chương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp (RS232/RS422/RS485) (Thời lượng: 8h - 4h LT, 4h TH): Khảo sát chuẩn EIA/TIA-232-E (cổng COM DB9: DCD, RD, TD, DTR, GND, DSR, RTS, CTS, RI), các mức điện áp logic âm (mức 1: $-3,\text{V}$ đến $-12,\text{V}$, mức 0: $+3,\text{V}$ đến $+12,\text{V}$), tốc độ truyền chuẩn $9600 - 115200,\text{bps}$, khoảng cách truyền tối đa $15,\text{m}$, tốc độ biến thiên điện áp (slew rate) tối đa $30,\text{V}/\mu\text{s}$ và tải dung $2500,\text{pF}$. Nghiên cứu các chuẩn truyền dẫn vi sai cân bằng TIA/EIA-422-A và TIA/EIA-485-A trên cặp dây xoắn, phân cực đường truyền, điện trở đầu cuối, điện áp kiểu chung; ghép nối giao tiếp mạng RS485 giữa 2 vi điều khiển Arduino.
• Chương 5: Giao tiếp qua cổng USB (Thời lượng: 8h - 4h LT, 4h TH): Trình bày cấu trúc cổng USB đa năng và các mạch tích hợp cầu chuyển đổi tín hiệu USB sang RS232, RS422, RS485 và bộ điều hợp hồng ngoại USB.
• Chương 6: Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính (Thời lượng: 20h - 4h LT, 12h TH, 4h KT): Khảo sát kiến trúc phần cứng bo nhúng và sơ đồ khối ứng dụng trên máy điều hòa không khí, hệ thống giám sát vận hành xí nghiệp, mô hình IoT trong nông nghiệp công nghệ cao. Phân tích cấu trúc hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) đơn kênh và đa kênh, cơ chế tạo cổng COM ảo (Virtual COM port) trao đổi dữ liệu RS232 và phương thức gọi tệp thư viện *.DLL trong môi trường Windows.
• Chương 7: Lập trình giao tiếp với vi điều khiển trên PC (Thời lượng: 27h - 12h LT, 12h TH, 3h KT): Hướng dẫn lập trình giao diện người dùng trên Visual Basic 6.0, các cấu trúc điều khiển và lệnh lựa chọn Select Case. Thực hiện lập trình giao tiếp cổng COM, cổng song song điều khiển vi điều khiển 89C51 kết hợp IC ghi dịch 74HC299. Thiết lập mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU cấu hình multi-drop (1 Master quản lý tối đa 247 thiết bị Slave). Lập trình điều khiển ứng dụng qua Industrial Ethernet kết nối hệ thống trạm trộn điều khiển bằng PLC Omron CP1E-N30DR-A, biến tần 3G3JX, bo mạch mở rộng Ethernet CP1W-CIF41, cảm biến mức và cảm biến quang.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố và hệ thống hóa các nguyên lý kỹ thuật điện tử - tự động hóa cơ sở:

• Lý thuyết tín hiệu và điều khiển: Khái niệm miền liên tục và miền rời rạc, nguyên lý biến đổi $A/D - D/A$, định lý lấy mẫu Nyquist, mô hình toán học hệ thống kín có hồi tiếp $c^*(t)$ và hệ thống hở.
• Nguyên lý đo lường vật lý: Bản chất biến đổi nhiệt trở kim loại, hiệu ứng nhiệt điện trở bán dẫn silicon, cơ chế cộng hưởng phát - nhận sóng siêu âm và hiệu ứng điện dung/điện cảm trong phát hiện tiệm cận không tiếp xúc.
• Chuẩn hóa truyền dẫn công nghiệp: Các tiêu chuẩn điện áp logic dòng/áp vi sai, cơ chế bắt tay phần cứng (hardware handshaking: RTS/CTS, STR/ACK/BUSY), phương thức chống nhiễu trên đường truyền cân bằng và cấu trúc khung truyền thông mạng Modbus RTU / Ethernet TCP/IP.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi mức tín hiệu (TTL sang RS232, RS485, USB); tính toán phối hợp trở kháng đường truyền và tải dung; kết nối phần cứng chuẩn DB9, DB25, cáp xoắn đôi RS485 và cáp mạng Ethernet công nghiệp.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích ảnh hưởng của sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên trong chuỗi đo lường; phân tích đánh giá hiện tượng suy hao, lệch pha tín hiệu (skew), chập chờn tín hiệu theo chiều dài cáp dẫn; chẩn đoán lỗi truyền thông phân cấp Master-Slave.
• Kỹ năng thực hành chuyên môn (Practical competencies): Viết chương trình xuất nhập thanh ghi trực tiếp bằng Visual Basic 6 thông qua IO.DLL; xây dựng giao diện giám sát điều khiển thiết bị ngoại vi; cấu hình truyền thông trên PLC Omron CP1E-N30DR-A qua cổng CIF41 điều khiển biến tần 3G3JX và đọc tín hiệu cảm biến trong dây chuyền tự động hóa.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Thành phần đào tạo	Phân bổ thời lượng	Trọng tâm phương pháp & Đánh giá
Lý thuyết chuyên ngành	30 giờ (40.0%)	Thuyết giảng kỹ thuật, phân tích sơ đồ khối, khảo sát tiêu chuẩn EIA/TIA
Thực hành - Ứng dụng	36 giờ (48.0%)	Ghép nối mạch phần cứng, lập trình VB6, cấu hình PLC Omron và Modbus
Kiểm tra tích hợp	9 giờ (12.0%)	Đánh giá năng lực thiết kế phần cứng kết hợp kiểm thử phần mềm thực tế
Tổng cộng	75 giờ (100%)	Chuẩn đầu ra mô-đun MH26 theo Quyết định 630/QĐ-CĐN

Phương pháp tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach)

Giáo trình áp dụng mô hình đào tạo nghề nghiệp kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hệ thống và thực hành công nghệ (tỷ lệ thực hành và kiểm tra chiếm 60% tổng thời lượng môn học). Tiến trình sư phạm đi từ việc nhận biết cấu tạo vật lý, giải thích nguyên lý toán học/điện tử của linh kiện, đến trực tiếp đấu nối phần cứng và phát triển phần mềm giao tiếp máy tính.

Bài tập và tình huống ứng dụng thực tế (Practical exercises & Case studies)

Chương trình học xây dựng các bài tập thực hành theo các dự án kỹ thuật điển hình:

1. Giao tiếp cổng máy in LPT: Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đèn giao thông và mảng 8 đèn LED thông qua giao diện phần mềm viết bằng VB6, sử dụng các hàm API của thư viện IO.DLL để điều khiển thanh ghi cổng 378h.
2. Mạng truyền thông vi điều khiển: Thực hành kết nối truyền thông đa điểm chuẩn RS485 giữa 2 vi điều khiển Arduino.
3. Tích hợp trạm trộn công nghiệp: Thiết lập cấu hình hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông/nguyên liệu tự động sử dụng PLC Omron CP1E-N30DR-A ghép nối biến tần Omron 3G3JX, bo truyền thông Ethernet CP1W-CIF41, cảm biến đo mức và cảm biến quang.

Phương pháp đánh giá (Assessment methods)

Thời lượng kiểm tra được phân bổ 9 giờ tích hợp trực tiếp vào quá trình thực hành tại các mốc trọng tâm:

• Kiểm tra 2 giờ tại Chương 3 (Kỹ năng giao tiếp và xuất nhập cổng LPT).
• Kiểm tra 4 giờ tại Chương 6 (Kỹ năng thiết kế, đấu nối phần cứng hệ thống nhúng và thu thập dữ liệu cảm biến).
• Kiểm tra 3 giờ tại Chương 7 (Kỹ năng lập trình Visual Basic kết nối mạng Modbus RTU/Ethernet điều khiển PLC và cơ cấu chấp hành).

Hướng dẫn tự học (Self-study guidelines)

Để tiếp thu hiệu quả giáo trình, người học được hướng dẫn:

• Chuẩn bị trước các kiến thức toán học cơ bản, mạch điện tử, lý thuyết điều khiển hồi tiếp và kiến trúc máy tính.
• Cài đặt môi trường lập trình Visual Basic 6.0, làm quen với các công cụ tạo giao diện Form, xử lý sự kiện nút bấm, thanh điều khiển và bộ định thời (Timer).
• Chủ động tra cứu sơ đồ chân của các dòng IC chuyên dụng (74LS257, 89C51, 74HC299, LM35) và tài liệu kỹ thuật của dòng PLC Omron CP1E.

---

Điểm nổi bật và cập nhật nội dung

• Tích hợp xu hướng điều khiển PC-based Control: Giáo trình cập nhật xu hướng thay thế các bộ điều khiển rời rạc truyền thống bằng hệ thống tích hợp máy tính cá nhân/máy tính công nghiệp tận dụng giao diện đồ họa trực quan, năng lực tính toán mạnh và chi phí triển khai phù hợp.
• Tổng hợp toàn diện các chuẩn giao tiếp vật lý: Tài liệu cung cấp đầy đủ thông số kỹ thuật của cả các cổng giao tiếp truyền thống và hiện đại: từ cổng song song (SPP/EPP/ECP), cổng nối tiếp (RS232, RS422, RS485) đến chuẩn USB và cổng ảo (Virtual COM).
• Liên kết chặt chẽ thiết bị tự động hóa công nghiệp thực tế: Thay vì dừng lại ở các bài tập mô phỏng, giáo trình đưa trực tiếp các thiết bị công nghiệp thông dụng vào bài giảng như PLC Omron CP1E-N30DR-A, biến tần 3G3JX, bo mạng CP1W-CIF41, cảm biến tiệm cận Omron shielded/unshielded và giao thức Modbus RTU đa điểm.
• Ứng dụng công nghệ mới: Nội dung Chương 6 cập nhật mô hình ứng dụng IoT (Internet of Things) trong nông nghiệp công nghệ cao và kiến trúc hệ thống giám sát SCADA, điều khiển phân bố DCS trong xí nghiệp.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên mục tiêu: Giáo trình phục vụ trực tiếp cho sinh viên năm cuối hệ Cao đẳng nghề ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, sinh viên ngành Điện tử tự động và các chuyên ngành kỹ thuật liên quan đến cơ điện tử.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ sở chuyên ngành gồm:
  • Lý thuyết điều khiển tự động và Cảm biến và chuyển năng.
  • Kỹ thuật vi xử lý và Kỹ thuật vi điều khiển cơ bản.
  • Kỹ thuật điện, Linh kiện điện tử, Mạch số và Điện tử công suất.
  • Kiến thức về các ngôn ngữ lập trình cấp cao (Visual Basic, C/C++, Pascal).
• Giảng viên chuyên ngành: Tài liệu đóng vai trò là khung bài giảng chuẩn để tổ chức giảng dạy lý thuyết chuyên đề và hướng dẫn thực hành xưởng mô-đun MH26 theo đúng chương trình chi tiết đã được nhà trường phê duyệt.
• Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu là nguồn tra cứu quy chuẩn chân cổng kết nối, phương pháp giao tiếp thanh ghi và lập trình điều khiển thiết bị công nghiệp trong các nhà máy sản xuất.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp cho đối tượng đào tạo nào?

Tài liệu được biên soạn chuẩn hóa cho sinh viên năm cuối hệ Cao đẳng ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên đại học và kỹ thuật viên ngành Điện tử - Tự động hóa.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học bắt buộc phải nắm vững các môn học cơ sở: Lý thuyết điều khiển tự động, Vi xử lý, Cảm biến và chuyển năng, Mạch điện tử số, Kỹ thuật vi điều khiển cơ bản và kỹ năng lập trình phần mềm căn bản.

3. Giáo trình có điểm khác biệt gì so với các tài liệu lý thuyết điều khiển thông thường?

Giáo trình tập trung chuyên sâu vào kỹ thuật ghép nối vật lý máy tính (PC-based Control), hướng dẫn chi tiết từ việc truy xuất thanh ghi phần cứng (378h, 379h, 37Ah), xử lý cổng COM/USB đến lập trình ứng dụng điều khiển thực tế với PLC Omron CP1E, biến tần và mạng truyền thông Modbus RTU.

4. Phương pháp tự học giáo trình đạt hiệu quả cao nhất là gì?

Người học cần kết hợp đọc hiểu lý thuyết về chuẩn truyền thông, sơ đồ chân linh kiện với việc thực hành viết code Visual Basic 6 mẫu, chạy thử các chương trình gọi hàm qua tệp IO.DLL và đấu nối mạch thử nghiệm vi điều khiển/cảm biến.

5. Giáo trình có kèm theo ví dụ mã nguồn và sơ đồ mạch không?

Có. Toàn bộ các chương đều tích hợp sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối (ghép nối IC 74LS257, 89C51, 74HC299, mạch đo NTC/PTC, mạch cầu chuyển đổi USB-RS485) cùng mã nguồn Visual Basic 6 hoàn chỉnh cho từng bài toán ứng dụng.

---

Kết luận

Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính do tác giả Nguyễn Trường Sanh biên soạn tại Trường Cao đẳng nghề An Giang là tài liệu học thuật có tính hệ thống cao, phản ánh đúng chuẩn chương trình đào tạo mô-đun MH26 (75 giờ). Giá trị cốt lõi của tài liệu nằm ở việc kết hợp toàn diện giữa lý thuyết cơ sở về cảm biến, các chuẩn truyền dẫn dữ liệu công nghiệp tiêu chuẩn quốc tế và phương pháp lập trình điều khiển thực tế trên nền tảng máy tính.

Lộ trình học tập đề xuất cho học viên là tuần tự nắm vững nguyên lý chuyển đổi tín hiệu tại Chương 1 - 2, thực hành làm chủ các cổng giao tiếp vật lý tại Chương 3 - 4 - 5, và hoàn thiện năng lực tích hợp hệ thống nhúng, điều khiển PLC qua mạng Modbus/Ethernet tại Chương 6 - 7. Người học nên kết hợp nghiên cứu bổ trợ các tài liệu tra cứu kỹ thuật (datasheet) của linh kiện bán dẫn, sổ tay hướng dẫn sử dụng dòng PLC Omron CP1E và biến tần 3G3JX để hoàn thiện kỹ năng nghề nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.