Bài 4 Xử lý tín hiệu analog Mục tiêu: - Trình bày được các bộ chuyển đổi đo. - Vận dung các bài toán vào thực tế: Lập trình, kết nối, chạy thử. - Rèn luyện đức tính tích cực, chủ động và sáng tạo 4. Tín hiệu Analog Trong quá trình điều khiển một hệ thống tự động hóa có thể có các yêu cầu điều khiển liên quan đến việc xử lý các tín hiệu analog.
Các đại lượng vật lý như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, dòng chảy, độ PH… cần phải được các bộ Transducer chuẩn hóa tín hiệu trong phạm vi định mức cho phép trước khi nối tín hiệu vào ngõ vào analog. Ví dụ: chuẩn của tín hiệu điện áo là từ 0 đến 10VDC hoặc chuẩn của tín hiệu analog là dòng từ 4 đến 20mA. Các Module ngõ vào analog (Al) bên trong có các bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converter) để chuyển đổi các tín hiệu analog nhận được thành số đưa về CPU qua Bus dữ liệu. Các module ngõ ra (AO) bên trong có bộ chuyển đổi DAC (Digital Analog Converter) chuyển các tín hiệu số nhận được từ CPU ra các giá trị analog có thể là áp hoặc dòng.1: Sơ đồ khối hệ thống có sử dụng tín hiệu analog.
Biểu diễn các giá trị Analog Mỗi một tín hiệu ngõ vào Analog sau khi qua bộ chuyển đổi ADC trong Module Al được chuyển thành các số nguyên Integer 16 bit có giá trị từ 0 đến 27648. Do đó, địa chỉ vùng nhớ chứa giá trị này là 1 Word. Độ chính xác của phép chuyển đổi này phụ thuộc vào Module Analog hiện có, phạm vi độ phân giải là từ 8 đến 15 bit. Module Analog có độ phân giải càng cao thì giá trị chuyển đổi càng chính xác.
Việc chuyển đổi từ tín hiệu Analog sang tín hiệu số là tỷ lệ thuận và có dạng đường thẳng. Các giá trị Analog sau khi được chuyển đổi thành giá trị số sẽ được chứa vào 1 word 16 Bit và lấp đầy các bit trong word này theo thứ tự từ bên trái sang. Các bit trống sẽ được lấp đầy bằng số 0. (Chú ý bit thứ 15 là bit dấu :=0 khi giá trị chuyển đổi là số nguyên dương và =1 khi giá trị chuyển đổi là số nguyên âm Hình 4.2: Độ phân giải của module Analog.
Kết nối ngõ vào/ra Analog Để đảm bảo tín hiệu Analog có được độ chính xác cao và ổn định cần tuân thủ các điều kiện sau: + Đảm bảo rằng điện áp 24VDC cấp nguồn cho Sensor không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và ổn định. + Định tỷ lệ cho module (được mô tả bên dưới). + Dây nối cho Sensor chần để ngắn nhất tới mức có thể. + Sử dụng cáp đôi dây xoắn cho sensor.
+ Tất cả các ngõ vào không sử dụng phải nối tắt. + Tránh bẻ cong dây dẫn thành những góc nhọn. + Sử dụng máng đi dây hay các ống đi dây cho tuyến dây. 90 + Tránh đặt các đường dây tín hiệu Analog gần với các đường dây có điện áp cao, nếu hai đường dây này cắt nhau phải đặt chúng vuông góc với nhau.3: Sơ đồ kết nối module Analog.
Phương pháp định tỷ lệ ngõ vào Analog: Việc định tỷ lệ ngõ vào Analog có ảnh hưởng đến tất cả các ngõ vào của modul EM và AI. Để định tỷ lệ ngõ vào một cách chính xác, cần sử dụng một chương trình thiết kế để tính trung bình các giá trị đọc được từ module. Có thể sử dụng Analog Input Filtering wizard trong STEP 7 Micro/win để tạo ra chương trình này. Nên sử dụng 64 giá trị lấy mẫu hoặc hơn để tính giá trị trung bình của tín hiệu Analog.
Để thực hiện việc định tỷ lệ cần theo các bước sau: + Tắt nguồn cung cấp cho module, chọn phạm vi ngõ vào mong muốn. + Cấp nguồn lại cho CPU và module có AI. + Sử dụng một Transmiter, một nguồn áp, hay một nguồn dòng và đặt giá trị 0 cho một trong các ngõ vào. + Đọc giá trị mà CPU nhận được tại ngõ vào tương ứng.
+ Điều chỉnh biến trở đặt lại giá trị offset cho tói khi giá trị đọc được là 0. + Điều chỉnh để tăng giá trị đặt vào tới mức và xem giá trị mà CPU nhận được. + Điều chỉnh biến trở GAIN cho tới khi giá trị nhận được là 32000 hoặc tới 1 giá trị số mong muốn. + Lặp lại các bước trên nếu cần.4 là cách đặt hệ tỉ lệ cho modul Analog Hình 4.4: Điều chỉnh tỉ lệ ngõ vào của module Analog.
Điều chỉnh các Swich và biến trở điều chỉnh GAIN Việc chính định các công tắc (Switch) trên module Analog EM sẽ thay đổi các phạm vi đo lường định mức và độ phân giải của module. Sơ đồ công tắc, chỉnh định phạm vi đo định mức và độ phân giải phụ thuộc vào từng module Analog. Các thông tin này được lấy từ sổ tay phần cứng của module. Bảng 1: Dải đầu vào và độ phân giải tương ứng với vị trí của switch.
Vị trí của Switch Dải đầu vào Độ phân giải 11 3 5 7 9 11 ON ON OFF ON OFF OFF 0 đến 50mV 12.5µV ON ON OFF OFF ON OFF 0 đến 100mV 25µV ON OFF ON ON OFF OFF 0 đến 500mV 125µV ON OFF ON OFF ON OFF 0 đến 1V 250µV ON OFF OFF ON OFF OFF 0 đến 5V 12.5mV ON OFF OFF ON OFF OFF 0 đến 20mA 5µV ON OFF OFF OFF ON OFF 0 đến 10V 2.5mV OFF ON OFF ON OFF OFF ±25mV 12.5µV OFF ON OFF OFF ON OFF ±50mV 25µV OFF ON OFF OFF OFF ON ±100mV 50µV OFF OFF OFF ON OFF OFF ±250mV 125µV OFF OFF ON OFF ON OFF ±500mV 250µV OFF OFF ON OFF OFF ON ±1V 500µV OFF OFF OFF ON OFF OFF ±2.25mV OFF OFF OFF OFF ON OFF ±5V 2. Hiệu chỉnh tín hiệu Analog Module analog thường có nhiều tầm đo khác nhau, tín hiệu ngõ vào có thể là dòng điện hoặc điện áp. Việc chuyển đổi từ tầm đo này sang tầm đo khác thìết quả chuyển đổi thường có những sai số nhất định do cấu trúc của mạch chuyển đổi. Do vậy thông thường khi sử dụng module analog, người lập trình cần phải hiệu chỉnh trước khi sử dụng để kết quả chuyển đổi được chính xác hơn.
Dưới đây trình bày việc hiệu chỉnh cho ngõ vào là điện áp, tầm đo 10V, ngõ vào chuyển đổi là AIW0. - Cấp điện cho module analog hoạt động khoảng 10 phút. - Chọn điện áp vào là 10V ( độ phân giải 2,5mV) - Chỉnh biến trở tại ngõ vào AIW0 để ngõ vào đạt giá trị 0V. - Dùng chương trình đọc giá trị analog vào và quan sát giá trị.
Nếu chưa bằng không thì hiệu chỉnh độ lợi (Gain) để đạt giá trị = 0. - Chỉnh biến trở tại ngõ vào AIW0 để ngõ vào đạt giá trị 10V. - Dùng chương trình đọc giá trị analog vào và quan sát giá trị. Nếu chưa bằng 32000 thì hiệu chỉnh độ lợi (Gain) để đạt giá trị = 32000.
Byte nhớ SMB 28 lưu trữ giá trị só biểu diễn vị trí chỉnh 0. SMB 29 lưu trữ giá trị số biểu diễn vị trí chỉnh 1. Sự điều chỉnh Analog có giá trị giới hạn từ 0 tới 255 và độ tin cậy tốt nhất trong phạm vi từ 10 đến 200. Để thực hiện việc điều chỉnh này, ta dùng 1 tuốc nơ vít nhỏ để xoay biến trở sang phải hoặc sang trái để tăng hoặc giảm giá trị.5: Chương trình điều khiển module EM 235.
Giới thiệu về module Analog PLC S7-200 Module analog EM231 4.Đặc tính chung Trở kháng vào >10M. Bộ lọc đầu vào -3db tại 3. Điện áp cực đại cung cấp cho module 30VDC. Dòng điện cực đại cấp cho module 32mA/ Có Led báo trạng thái.
Có núm chỉnh OFFSET và độ lợi. Đặc tính kỹ thuật của module EM231 - Đầu vào của module EM231 Số lượng ngõ vào 4AIW (AIW0,AIW2,AIW4,AIW6). Ngõ vào có thể là điện áp hay dòng điện. - Dãy điện áp ngõ vào và độ phân giải.
Dòng điện ngõ vào: 0 đến 20mA. 94 Độ phân giải: 5vA hay từ 1,25mV đến 2,5mV. Giá trị số ngõ vào: -32000 đến 32000 hay từ 0 đến 32000. - Switch chọn giá trị ngõ vào và độ phân giải.7: Sơ đồ mạch đầu vào của module EM231.
- Đầu ra của module EM231 - Số đầu ra 1/ - Phạm vi đầu ra ÷10V hoặc 0-20mA. - Điện trở tải: Với đầu ra điện áp nhỏ nhất là 5kΩ, với đầu ra dòng điện lớn nhất là 0,5kΩ. - Độ phân giải : 12bit (đầu ra áp) và 11 bit (đầu ra dòng). - Thời gian biến đổi : 100µs.
- Giới hạn lỗi hoạt động ở 600C. - Tổn thất công suất 2W. - Tiêu thụ dòng điện 30mA. - Phạm vi hiển thị được của giá trị chuyển đổi : ±32.000 Sơ đồ mạch đầu ra của module EM231 được chỉ ra trong hình 4.8: Sơ đồ mạch đầu ra của module EM231.
Module analog EM235 Hình 4.8: Module EM235 và cách đấu nối. 96 a, Đầu vào của module EM235 - Ngõ vào tương tự: 4 AI, DC +/- 10V - Ngõ ra tương tự: 1 AO, DC +/- 10V 12 bit converter Dải đầu vào/trở kháng đầu vào: - 0 đến 50 mV; 0 đến 100 mV; 0 đến 500 mV; 0 đến 1V; 0 đến 5V; 0 đến 10V; 0 đến 20 mA; +/- 25 mV; +/- 50 mV; +/- 100 mV; +/- 200 mV; +/- 500 mV; +/- 1 V; +/- 2.5 V; +/-5 V; +/- 10V độ phân giải12 bit converter Thời gian biến đổi tương tự sang số: <250us Hình 4.9: Sơ đồ mạch đầu vào của module EM235. b, Đầu ra của module EM235 - Số đầu ra: 1 Dải đầu ra: - Dòng: 0 đến 20 mA - Áp : -10 đến +10 V Độ phân giải: - Đầu ra áp: 12 bit - Đầu ra dòng: 11 bit Dải giá trị biến đổi: - Tín hiệu đơn cực: 0 đến 32 000 - Tín hiệu hai cực: - 32000 đến + 32000 Công suất: 2W 97 4. Đọc tín hiệu Analog Tín hiệu analog là tín hiệu tương tự (0 – 10VDC , hoặc 4 – 20mA …) hầu hết các ứng dụng của chương trình PLC siemens nói riêng hay các ứng dụng khác đều cần phải đọc các tín hiệu analog.
Tín hiệu analog có thể là tín hiệu từ các cảm biến đo khoảng cách, cảm biến áp suất , cảm biến đo trọng lượng…Các bước đọc tín hiệu analog: a. Đọc tín hiệu analog từ modul EM231 - Các tín hiệu có thể đọc được từ modul EM231 (tùy thuộc việc chọn switch trên modul): + Tín hiệu đơn cực (tín hiệu điện áp): 0 – 10 VDC, 0 – 5 VDC + Tín hiệu lưỡng cực (tín hiệu điện áp): -5VDC – 5 VDC, -2.