Tài liệu Bài giảng đo lường và điều khiển bằng máy tính ths. huỳnh minh ngọc ( www.sites.google.com/site/thuvientailieuvip )

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA COÂNG NGHEÄ ÑIEÄN TÖÛ BOÄ MOÂN ÑIEÀU KHIEÅN TÖÏ ÑOÄNG Baøi giaûng : ÑO LÖÔØNG VAØ ÑIEÀU KHIEÅN BAÈNG MAÙY TÍNH BIEÂN SOAÏN : ThS. HUYØNH MINH NGOÏC LÖU HAØNH NOÄI BOÄ TP. HOÀ CHÍ MINH, THAÙNG 9-2009 http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 2 LÔØI NOÙI ÑAÀU Moân hoïc Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính laø moät moân hoïc chuyeân ngaønh duøng giaûng daïy cho sinh vieân naêm cuoái ngaønh Ñieän töû töï ñoäng. Moân hoïc ñeà caäp ñeán vaán ñeà öùng duïng maùy tính (Maùy tính caù nhaân PC, maùy tính coâng nghieäp , vaø PLC) vaøo heä thoáng ñieàu khieån vaø ño löôøng. Xu höôùng phaùt trieån laø duøng Ñieàu khieån döïa vaøo maùy tính (PC-based Control) vôùi heä ñieàu haønh maïnh, giao dieän thaân thieän, phaàn meàm deã phaùt trieån vaø giaù thaønh hôïp lí. Ñeå hoïc toát moân hoïc naøy sinh vieân caàn phaûi hoïc qua moân Lyù thuyeát ñieàu khieån töï ñoäng vaø Vi xöû lí. Giaùo trình goàm 10 chöông : Khaùi nieäm chung, caûm bieán vaø chuyeån ñoåi, giao tieáp qua raõnh caém maùy tính, laäp trình cho maùy tính ñieàu khieån, card thu thaäp döõ lieäu vaø ñieàu khieån, giao tieáp qua coång song song, giao tieáp qua coång noái tieáp vaø giao tieáp qua coång USB, laäp trình giao tieáp noái tieáp, caùc boä chuyeån ñoåi döõ lieäu A/D vaø D/A , ñieàu khieån tuaàn töï, heä thoáng ñieàu khieån soá vaø maïng truyeàn thoâng coâng nghieäp. Baøi giaûng naøy taùc giaû ñaõ ñoïc vaø giaûng daïy cho lôùp ÑHÑT2ALT, ÑHÑT3ALT, vaø ÑHÑT1TC, ÑHÑT2TC vaø ÑHÑT2A. Baøi giaûng chaéc chaén khoâng traùnh khoûi thieáu soùt, vaø toâi chaân thaønh caûm ôn caùc nhaän xeùt goùp yù cuûa caùc thaày coâ giaùo trong boä moân ñieàu khieån töï ñoäng, caùc baïn ñoàng nghieäp vaø baïn ñoïc ñeå baøi giaûng ngaøy caøng hoaøn thieän hôn. Thö goùp yù xin göûi veà boä moân ñieàu khieån töï ñoäng, Khoa Coâng ngheä Ñieän töû, tröôøng Ñaïi hoïc Coâng nghieäp Tp. HCM. Ñòa chæ :soá 12 Nguyeãn Vaên Baûo, P.4 Q. Goø vaáp, TP. HCM, ÑT: 38940390; email: [email protected]. Ngaøy 15 thaùng 7 naêm 2010 Taùc giaû Huyønh Minh Ngoïc http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 3 MUÏC LUÏC Lôøi noùi ñaàu 2 Muïc luïc 3 Chương 1: Khaùi niệm chung 6 1.1.Maùy tính trong ñiều khiển quaù trình 1.1 Điều khiển phaân cấp vaø tích hợp hệ thống 1.3. Ñieàu khieån voøng hôû vaø ñieàu khieån voøng kín. Heä thoáng ñieàu khieån soá 1.4. Noäi dung giaùo trình vaø öùng duïng. Caâu hoûi Chương 2: Cảm biến vaø chuyeån ñoåi 2.0. Cô baûn ño löôøng. 2.1.Cảm biến nhiệt ñoä 2.2.Caûm bieán löïc vaø troïng löôïng 2.3. Cảm biến dịch chuyển vaø khỏang caùch Caâu hoûi 19 Chương 3: Giao tiếp qua raõnh cắm maùy tính 67 3.1.Giao tieáp qua Raõnh cắm ISA, EISA, Raõnh cắm Vesa local bus 3.2. Giao tieáp qua Raõnh cắm PCI, VMEbus (IEEE 1014), S-100, STD 3.3. Giôùi thieäu moät soá IC thöôøng duøng Caâu hoûi vaø baøi taäp Chöông 3A: Vi ñieàu khieån Vi ñieàu khieån PIC16F877A Taäp leänh cuûa PIC16F877A Chương 4: Lập trình cho maùy tính ñiều khiển 100 4.0. Caùc ngoân ngữ lập trình Hợp ngữ 8086, Qbasic, Pascal, C, Visual Basic , Delphi, C++, Visual C++/BorlandC++ Builder. 4.1.Lập trình xuất nhập ngọai vi 4.1.1.Lập trình xuất nhập 4.1.2.Viết file lieân kết ñộng 4.2.Sử dụng ngắt trong ñiều khiển , DMA, PCI/ PCI Exp. (PC104 Slot VME). 4.3. Vi ñieàu khieån 8051 vaø laäp trình C 4.4. Neàn taûng phaàn cöùng vaø phaàn meàm Caâu hoûi vaø Baøi taäp Chöông 5A: Card thu thaäp döõ lieäu vaø ñieàu khieån 123 5.1. Ñaëc tính cuûa card PCI-1711 5.2. Nhöõng ñaëc ñieåm kyõ thuaät cuûa PCI-1711 5.3. Sô ñoà keát noái I/O cuûa PCI-1711 5.4. Sô ñoà khoái cuûa card PCI-1711. 5.5. Caùch thanh ghi cuûa card PCI 1711: 5.6. Chuyeån ñoåi A/D, D/A vaø DO, DI: http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 5.7. Laäp trình cho card PCI 1711 Caâu hoûi vaø Baøi taäp Chương 5: Giao tiếp qua cổng song song 5.1.Tổng quan về cổng song song 5.2.Cấu truùc của cổng song song 5.2.1.Cổng SPP 5.2.2.Cổng EPP 5.2.3.Cổng ECP 5.3.Gheùp nối hai maùy tính bằng cổng song song 5.4. Maïch öùng duïng -Maïch ñeøn nhaùy. -Taïo xung vuoâng goùc ôû chaân D0 cuûa thanh ghi döõ lieäu. -Ñieàu khieån ñeøn giao thoâng. Caâu hoûi vaø Baøi tập Chương 6: Giao tiếp qua cổng nối tiếp vaø USB 6.1.Tổng quan về cổng nối tiếp 6.2.Cấu truùc của cổng nối tiếp 6.3.IC thu phaùt vạn năng bất ñồng bộ UART 6.4.Caùc chuẩn vaø phương thức truyền qua cổng nối tiếp -RS232 -RS485 6.5.Maïch giao tieáp coång noái tieáp vaø caùc chương trình mẫu. 6.6. Modem 6.7.Mạch laäp trình vi ñieàu khieån ATmel 89C51 Caâu hoûi vaø baøi taäp 6.8. Giao tieáp qua cổng USB 6.8.1.Tổng quan về USB 6.8.2.Đặc tính cổng USB -Ñaëc tính coång USB. - Maïch chuyeån ñoåi USB-RS232. 6.8.3.Trao ñoåi tin 6.8.4.Lập trình giao tiếp thiết bị ngọai vi qua cổng USB Caâu hoûi Chöông 7: Laäp trình giao tieáp noái tieáp 7.1. Laäp trình trong DOS Ngoân ngöõ QBasic, Pascal, C, leänh trong MSDOS. 7.2.Laäp trình duøng ngoân ngöõ Visual Basic 6.0. 7.3.Laäp trình duøng ngoân ngöõ laäp trình Delphi 5.0 vaø Visual C++ 6.0. 7.4. Laäp trình duøng Matlab Caâu hoûi vaø baøi taäp 4 145 163 185 195 Chöông 8: Caùc bộ chuyển ñổi dữ liệu A/D vaø D/A. Heä thu thaäp döõ lieäu 201 8.0. Heä thoáng thu thaäp döõ lieäu. 8.1.Bieán ñoåi töông töï – soá (ADC) http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc -Bieán ñoåi A/D -Caùc kyõ thuaät bieán ñoåi A/D -Giao tiếp ADC với vi xöû lí -Giôùi thieäu ADC 0809 8.2. Bieán ñoåi soá- töông töï ( DAC) -Bieán ñoåi D/A -Giao tiếp DAC với vi xöû lí -Giôùi thieäu DAC 0808 Caâu hoûi Chöông 8B: Boä ñieàu khieån logic laäp trình ñöôïc PLC (Ñieàu khieån tuaàn töï ) 234 -Lyù thuyeát chuyeån maïch cô baûn -Khaùi nieäm chung veà PLC Caâu hoûi Chöông 9 : Heä thoáng ñieàu khieån soá 249 9.0. Ñieàu khieån hoài tieáp 9.1. Ñaëc tính heä thoáng ñieàu khieån soá 9.2.Thuaät toaùn ñieàu khieån 9.3. Bieán ñoåi C(s) ra C(z) 9.4 . Thuaät toaùn PID soá 9.5. AÛnh höôûng cuûa khaâu baõo hoøa 9.6. Boä phaän chaáp haønh vaø truyeàn ñoäng ñieän. Ñoäng cô servo vaø ñieàu khieån vò trí 9.7. Ñieàu khieån soá baèng maùy tính CNC 9.8. Thí duï veà ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính 291 9.8.1.Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ duøng maùy tính PC/vi xöû lí. 9.8.2.Hệ thống ñiều khiển toác ñoä ñoäng cô moät chieàu (DC) duøng vi xöû lí 9.8.3.Boä ñònh thôøi caùc thieát bò ñöôïc ñieàu khieån baèng vi xöû lí. 9.8.3.2. Heä thoáng ñieàu khieån ñeøn giao thoâng duøng AT89C51. 9.8.4. Boä ñieàu khieån cöôøng ñoä saùng duøng vi xöû lí 9.8.5. Heä thoáng thu thaäp döõ lieäu nhieàu keânh 9.9. Thieát keá ñaët cöïc: tieáp caän khoâng gian traïng thaùi. 9.10. Thieát keá ñieàu khieån toái öu: tieáp caän khoâng gian traïng thaùi. 9.11.Heä thoáng vôùi söï khoâng chaéc chaén (Heä môø) Caâu hoûi vaø Baøi taäp Chương 10: Mạng truyeàn thoâng coâng nghiệp 348 10.1. Khaùi niệm 10.2.Maïng Ethernet vaø bus tröôøng -Maïng Ethernet -Bus tröôøng. -Ñieàu khieån duøng PC. 10.3. Maïng I2C. Caâu hoûi http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc Taøi lieäu tham khaûo Phuï luïc A: Maùy tính coâng nghieäp Phuï luïc B: Visual Basic 6.0 http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6 373 371 Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 7 CHÖÔNG 1: KHAÙI NIEÄM CHUNG 1.1. Maùy tính trong ñieàu khieån quaù trình 1.1.1. Maùy tính trong ñieàu khieån quaù trình : khaùi nieäm cô baûn Ngaøy nay vieäc söû duïng maùy tính noùi rieâng vaø vi xöû lí noùi chung trong caùc day chuyeàn saûn xuaát hieän ñaïi ñaõ laø yeâu caàu baét buoäc ñeå taêng naêng suaát vaø chaát löôïng saûn phaåm. Trong caùc saûn phaåm daân duïng vieäc söû duïng vi xöû lí goùp phaàn taêng tính thoâng minh cuûa saûn phaåm vaø taïo tieän lôïi cho ngöôøi söû duïng. Ñeå moâ taû cuï theå cuûa maùy tính trong ñieàu khieån quaù trình, chuùng ta caàn ñònh nghóa quaù trình laø gì. Quaù trình vaät lyù (a physical process) laø toå hôïp caùc taùc vuï ñöôïc thöïc thi ñeå taùc ñoäng leân, thay ñoåi, moät ñieàu gì ñoù trong theá giôùi thöïc. Söï chuyeån ñoäng, phaûn öùng hoùa hoïc vaø truyeàn nhieät laø caùc quaù trình . Saûn phaåm (materials) vaø naêng löôïng (energy) laø thaønh phaàn cô baûn hieån nhieân cuûa quaù trình vaät lí. Moâi tröôøng Nhieãu Saûn phaåm vaøo saûn phaåm ra Quaù trình vaät lyù Naêng löôïng vaøo Naêng löôïng ra Thoâng tin Vaøo Thoâng tin ra H1.1 : Moâ hình quaù trình vaät lyù toång quaùt Maùy tính soá laø thieát bò quan troïng xöû lí thoâng tin (H1.2)vaø coù theå taùc ñoäng leân thoâng tin lieân quan ñeán quaù trình (H1.3). Thoâng tin vaøo Maùy tính soá Thoâng tin ra Hình 1.2: Hoaït ñoäng cuûa maùy tính soá http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 8 Vi xöû lí ñöôïc söû duïng trong ñieàu khieån vaø ño löôøng döôùi ba daïng: -Maùy tính ñieàu khieån (Maùy vi tính-MVT). -Vi xöû lí ñieàu khieån nhuùng (coøn goïi laø vi ñieàu khieån-VÑK), nghóa laø vi ñieàu khieån laø moät boä phaän khoâng taùch rôøi cuûa thieát bò ñöôïc ñieàu khieån. -Boä ñieàu khieån logic laäp trình ñöôïc. MVT : Personal computer VÑK: embedded microcontroller/embedded microprocessor PLC : Programmable logic controller. Caû ba daïng treân ñöôïc thieát keá döïa treân cô sôû hoaït ñoäng cuûa vi xöû lí vôùi chöùc naêng xöû lí thoâng tin theo sô ñoà H1.3. Moâi tröôøng Nhieãu Saûn phaåm vaøo Saûn phaåm ra Quaù trình vaät lí Naêng löôïng vaøo Naêng löôïng ra Tín hieäu ño löôøng Vaø ñieàu khieån Thieát bò nhaäp (baøn phím) Maùy tính Thieát bò xuaát (maøn hình) H1.3. Maùy tính trong ñieàu khieån quaù trình 1.1.2.Lòch söû phaùt trieån: Moät thí duï thöïc tieãn ñaàu tieân cuûa öùng duïng maùy tính ñieàu khieån quaù trình laø vaøo naêm 1959; noù lieân quan ñeán moät soá chöùc naêng ôû nhaø maùy hoùa daàu taïi Port Arthur, Texas(UAS). Coâng trình ñaàu tieân keát hôïp giöõa coâng ty Thomson ramo Woolridge vaø Texaco. RW300, maùy tính duøng ñeøn ñieän töû, kieåm soaùt doøng chaûy, nhieät ñoä, aùp suaát vaø phaân töû trong nhaø maùy loïc (hoùa daàu). Maùy tính tính toaùn tín hieäu ñieàu khieån mong muoán http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 9 döïa treân döõ lieäu vaøo vaø thay ñoåi ñieåm ñaët cuûa boä hieäu chænh analog vaø chæ thò ngöôøi vaän haønh caùc ñieàu khieån ñöôïc thöïc hieän baèng tay. Vaán ñeà kinh teá khoâng chæ laø vaán ñeà. Ñoä tin caäy phaàn cöùng thaáp vì duøng ñeøn ñieän töû. Phaàn meàm ñöôïc vieát baèng laäp trình hôïp ngöõ. Phöông phaùp toaùn hoïc coå ñieån döïa treân phaân tích thôøi gian lieân tuïc khoâng theå duøng tröïc tieáp cho thieát keá voøng laëp ñieàu khieån ñeå hieän thöïc treân maùy tính. Ñieàu khieån maùy tính ban ñaàu minh hoïa söï caàn thieát cho lyù thuyeát ñieàu khieån laáy maãu, cung caáp neàn taûng cho söï phaùt trieån. Chöông trình khoâng gian cuûa Myõ trong thaäp nieân 1960 vaø ñaëc bieät döï aùn Apollo ñaõ hieän thöïc cho coâng trình lyù thuyeát vaø thöïc tieãn. Vaøo naêm 1962, ICI (Imperial Chemical Industries) giôùi thieäu khaùi nieäm ñieàu khieån soá tröïc tieáp DDC(Direct digital control) ; yù töôûng laø thay voøng ñieàu khieån analog thoâng thöôøng baèng maùy tính trung taâm. YÙ töôûng cuûa DDC vaãn coøn ñöôïc aùp duïng trong nhieàu heä thoáng ñieàu khieån maùy tính ngaøy nay. Teân goïi ñieàu khieån soá tröïc tieáp nhaèm nhaán maïnh raèng maùy tính ñieàu khieån quaù trình moät caùch tröïc tieáp. Tính linh hoaït laø thuaän lôïi cuûa heä thoáng DDC. Söï phaùt trieån baùn daãn trong thaäp nieân 1960 daãn ñeán söï phaùt trieån maïnh meõ cuûa maùy tính. Ba yeáu toá: phaàn cöùng maùy tính toát hôn, quaù trình ít phöùc taïp hôn, vaø lyù thuyeát ñieàu khieån phaùt trieån , ñöôïc keát hôïp laïi gia taêng söï thaønh coâng cuûa ñieàu khieån maùy tính. Ñaây laø thôøi kì maùy tính mini. Caùc ñoøi hoûi veà maùy tính ñieàu khieån quaù trình gaén chaët vôùi söï phaùt trieån cuûa coâng ngheä maïch tích hôïp. Coù theå thieát keá hieäu quaû heä thoáng ñieàu khieån quaù trình baèng maùy tính mini. Maùy tính quaù trình tieâu bieåu thôøi kì naøy coù ñoä daøi töø 16 bit. Boä nhôù chính laø 8-124 K words. OÅ ñóa ñöôïc söû duïng thoâng thöôøng laø boä nhôù phuï. CDC 1700 laø maùy tính tieâu bieåu thôøi kì naøy. Caùc öùng duïng maùy tính thoâng duïng trong ñieàu khieån coâng nghieäp laø bus môû. Giao tieáp (bus) giöõa caùc moñun vaän haønh ñöôïc nhaán maïnh. Phaàn cöùng maùy tính phaùt trieån maïnh meõ, naêng löïc tính toaùn maïnh, lyù thuyeát ñieàu khieån phaùt trieån: ñieàu khieån hieän ñaïi, ñieàu khieån thoâng minh(heä môø vaø maïng nôroân). Caùc öùng duïng ñieàu khieån maùy tính gia taêng. Phi thuyeàn thaùm hieåm maët traêng Apollo 11 vaøo naêm 1969 coù maùy tính vôùi 64 KByte boä nhôù chính. http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 10 Thôøi kyø maùy vi tính vaø söû duïng ña naêng cuûa ñieàu khieån maùy tính. Vieäc söû duïng deã daøng cuûa ñieàu khieån maùy tính bò giôùi haïn trong heä thoáng coâng nghieäp lôùn vì maùy tính soá chæ duøng trong caùc maùy ñaét tieàn, lôùn, chaäm vaø khoâng tin caäy. Söï phaùt trieån cuûa coâng ngheä vi ñieän töû tieáp tuïc cuøng tieán boä trong coâng ngheä VLSI; naêm 1990s boä vi xöû lyù trôû neân thoâng duïng vôùi giaù vaøi USD. Thò thöôøng lôùn nhö laø ñieän töû oâ toâ ñaõ daãn ñeán söï phaùt trieån cuûa maùy tính chuyeân duïng ñöôïc goïi laø vi ñieàu khieån, trong ñoù chip maùy tính chuaån coù saün A/D vaø D/A, thanh ghi vaø caùc ñaëc ñieåm khaùc laøm cho noù giao tieáp deã daøng vôùi thieát bò vaät lyù. Ñieàu khieån quaù trình hieän thöïc duøng kyõ thuaät khí neùn hay ñieän töû nhöng luoân laø ñieàu khieån döïa vaøo maùy tính. Ñieàu khieån soá vôùi thuaät toaùn PID. Maùy ñieàu khieån soá NC vaø ñieàu khieån soá baèng maùy tính CNC cuõng ñöôïc phaùt trieån. Heä thoáng ñieàu khieån soá phaùt trieån , caû phaàn cöùng vaø phaàn meàm. Caáu truùc cuûa toaøn theå giaûi phaùp goàm ñôn vò phaàn cöùng, moâñun phaàn meàm vaø truyeàn thoâng laø thaùch thöùc chính. Logic, tuaàn töï vaø ñieàu khieån. Heä thoáng töï ñoäng hoùa coâng nghieäp truyeàn thoáng coù hai thaønh phaàn laø boä ñieàu khieån vaø logic role. Boä ñieàu khieån logic laäp trình ñöôïc PLC ñöôïc duøng nhieàu trong caùc daây chuyeàn coâng ngheä vì khaû naêng laøm vieäc lieân tuïc vaø trong moâi tröôøng khaéc nghieät. Ñieàu khieån phaân boá Coâng ngheä vi xöû lí ñaõ nhaán maïnh vaøo caùch maùy tính aùp duïng vaøo ñieàu khieån toaøn boä nhaø maùy saûn xuaát. Thaät laø hieäu quaû kinh teá ñeå phaùt trieån heä thoáng goàm nhieàu maùy vi tính giao tieáp nhau chia xeû taøi nguyeân. Nhöõng heä thoáng nhö vaäy goàm traïm quaù trình, ñieàu khieån quaù trình; traïm vaän haønh ôû ñoù ngöôøi vaän haønh quaù trình giaùm saùt caùc hoaït ñoäng; vaø nhieàu traïm khaùc nöõa, chaúng haïn cho caáu hình heä thoáng vaø laäp trình, löu tröõ döõ lieäu,vv… Heä thoáng ñaàu tieân loaïi naøy laø Honeywell TDC 2000 vaøo naêm 1975 vaø nhanh choùng ñöôïc phaùt trieån bôûi caùc haõng khaùc. Thuaät ngöõ ñieàu khieån phaân boá ñöôïc nhaán maïnh. Heä thoáng ñieàu khieån vaø giaùm saùt dieän roäng (SCADA). Maùy tính coâng nghieäp maïnh (IPC) laøm nhieäm vuï giaùm saùt, keát noái vôùi PLC hay boä ñieàu khieån thu thaäp vaøo ra hieän http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 11 tröôøng, caùc module I/O thoâng qua maïng Ethernet-TCP/IP hay bus tröôøng . Phaàn meàm giao dieän ngöôøi maùy (HMI) cuøng ñieàu khieån vaø giaùm saùt heä thoáng. Töông lai tieán ñeán laø CIM, saûn xuaát tích hôïp duøng maùy tính. Ñieàu khieån döïa vaøo maùy tính (PC based Control) laø xu höôùng phaùt trieån. 1.1.3.Heä thoáng: Heä thoáng hieåu theo quan ñieåm hoäp ñen, chæ caàn bieát quan heä vaøo ra cuûa heä, khoâng quan taâm beân trong heä hoaït ñoäng ra sao. Muïc ñích cuûa heä laø ñaït ñöôïc keát quaû veà ñònh tính vaø ñònh löôïng cao hôn toång keát quaû cuûa töøng thaønh phaàn ñôn. Vaøo Heä thoáng (hoäp ñen) Ra Heä thoáng coù nhieàu loaïi: ñieän, hoùa hoïc, cô khí vaø sinh hoïc. Maùy tính caù n haân laø heä thoáng ñöôïc xaây döïng vôùi caùc thaønh phaàn cô baûn goàm ñôn vò xöû lí trung taâm CPU, boä nhôù vaø thieát bò ngoaïi vi, bus heä thoáng. Cuøng vôùi phaàn meàm theâm vaøo(phaàn meàm heä thoáng, phaàn meàm öùng duïng) chuùng ta coù maùy tính maø noù coù theå thöïc hieän nhieàu thöù. Cô theå con ngöôøi laø heä thoáng raát phöùc taïp ñöôïc xaây döïng vôùi caùc phaàn höõu cô maø thöïc hieän caùc chöùc naêng khaùc nhau. Moät khía caïnh quan troïng cuûa tri thöùc heä thoáng laø heä thoáng ñoäng. Moâ hình cho ñieàu khieån : goàm coù -Moâ taû heä lieân tuïc. -Moâ taû heä laáy maãu. - Heä tuaàn töï hay söï kieän rôøi raïc. -Heä thoáng vôùi söï khoâng chaéc chaén (thoâng tin khaéc chaéc chaén). Roõ raøng, coù caùc caùch tieáp caän khaùc nhau phuï thuoäc vaøomoâ hình heä ñöôïc söû duïng nhö theá naøo. Boä ñieàu khieån khaùc nhau caàn moâ hình ñoái töôïng khaùc nhau. Chuùng ta xem xeùt heä caû tieáp can mieàn thôøi gian vaø tieáp caän mieàn taàn soá. 1.1.4.Moät soá öùng duïng tieâu bieåu cuûa heä thoáng ñieàu khieån maùy tính: http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 12 ÖÙng duïng ñieàu khieån maùy tính quaù trình raát nhieàu : coâng ngheä cô khí cheá taïo: NC, CNC , FMS, robot; coâng ngheäp xöû lí hoùa, daàu khí, nhöïa, giaáy…; heä thoáng naêng löôïng ñieän; ñieàu khieån ñeøn giao thoâng ,vv… Caùc quaù trình coù söû duïng maùy tính ñieàu khieån raát ña daïng, thí duï: - Heä thoáng ñieän. - Daøn khoang daàu khí, nhaø maùy hoùa daàu.. - Nhaø maùy hoùa chaát, xi maêng, giaáy, nhöïa.. - Nhaø maùy cô khí cheá taïo vaø laép raùp (NC, CNC, robot..), FMS. - Heä thoáng ñieàu khieån giao thoâng. Caáu truùc toång quaùt cuûa heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính ôû H1.4, vaø goàm coù caùc boä phaän sau : -Boä xöû lí trung taâm (bao goàm vi xöû lí, boä nhôù..). -Caùc keânh truyeàn thoâng lieân laïc giöõa ngöôøi-maùy tính vaø maùy-maùy. -Caùc thieát bò gheùp noái vaø chuyeån ñoåi töông töï-soá, soá – töông töï. -Caûm bieán (caûm bieán nhieät, aùp suaát, dòch chuyeån, vaän toác..). -Chaáp haønh(Relay, ñoäng cô, van khí vaø thuûy löïc, xy lanh..). -Quaù trình vaät lyù. http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 13 Maùy tính trung taâm Ngöôøi Maùy vi tính Vaän haønh Giao dieän Tín hieäu Ñoåi TT-soá Ñoåi soá - TT nhò phaân Tín hieäu nhò phaân Khueách ñaïi coâng suaát Khueách ñaïi coâng suaát Caûm bieán Chaáp haønh Quaù trình H1.4. Caáu truùc heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính Tuøy theo ñoä phöùc taïp cuûa ñoái töôïng ñieàu khieån ta coù theå söû duïng moät coâng cuï maùy tính hoaëc laø heä thoáng nhieàu maùy tính gheùp vôùi nhau theo maïng phaân boá vaø phaân caáp. Vieäc giao tieáp giöõa caùc maùy tính thöôøng laø giao tieáp tuaàn töï khoâng ñoàng boä. Giao tieáp ngöôøi-maùy thöïc hieän qua baøn phím(keyboard, touch panel), maøn hình (CRT, LCD) hay keânh aâm thanh. Tín hieäu ño löôøng ñieàu khieån coù 2 daïng : nhò phaân(on/off) vaø töông töï. Ñoái vôùi nhöõng tín hieäu töông töï töø caûm bieán, caàn söû duïng caùc boä chuyeån ñoåi ra daïng ñieän aùp hay doøng roài chuyeån töø töông töï sang soá(ADC). Tín hieäu ñieàu khieån daïng soá caàn chuyeån sang töông töï (DAC). Tuøy theo loaïi cô caáu chaáp haønh ta caàn caùc boä khueách ñaïi coâng suaát phuø hôïp (KÑCS lôùp B, ñieàu roäng xung, ñieàu khieån pha, bieán taàn, khoùa baùn daãn, role). http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 14 Do baûn chaát laøm vieäc cuûa maùy tính laø tuaàn töï neân maùy tính chæ giao tieáp vôùi beân ngoaøi theo nhöõng khoaûng thôøi gian rôøi raïc vì vaäy heä thoáng ñieàu khieån duøng maùy tính laø heä thoáng ñieàu khieån rôøi raïc(löôïng töû) vaø caùc vaán ñeà phaùt sinh nhö thôøi gian laáy maãu, thôøi gian treã do tính toaùn xöû lyù, sai soá do löôïng töû vì ñoä phaân giaûi coù haïn cuûa chuyeån ñoåi A/D vaø D/A caàn phaûi ñöôïc xeùt ñeán. 1.2. Ñieàu khieån phaân caáp vaø tích hôïp heä thoáng Heä thoáng ñieàu khieån quaù trình thöïc teá thöôøng laø heä thoáng phöùc taïp baogoàm Nhieàu vi xöû lí theå hieän döôùi ba daïng MVT, VÑK vaø PLC. Laáy thí duï maùy CNC töùc laø maùy coâng cuï ñieàu khieån soá baèng maùy tính goàm caùc phaàn sau : *Möùc thaáp nhaát laø caùc baûn maïch ñieàu khieån truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô böôùc hay ñoäng cô chaáp haønh duøng ñeå taïo chuyeån ñoäng theo ba chieàu. Caùc baûn maïch naøy söû duïng VÑK laøm nhieäm vuï ño vaø ñieàu khieån vò trí theo trò soá ñaët töø möùc treân ñöa xuoáng. *Treân moät möùc laø boä ñieàu khieån soá NC söû duïng VÑK coù maøn hình tinh theå loûng vaø baøn phím gheùp vôùi caùc baûn maïch ñieàu khieån vaø aán ñònh ñoä dòch chuyeån caùc truïc. Caùc khoaûng dòch chuyeån theo ba truïc coù theå ñöa vaøo baèng baøn phím(ñieàu khieån baèng tay), baêng ñuïc loã hoaëc töø maùy tính chaïy chöông trình CAD/CAM ñöa xuoáng. Quyõ ñaïo dao(hai hay ba chieàu ) ñöôïc hieån thò treân maøn hình tinh theå loûng coøn caùc toaï ñoä hieån thò döôùi daïng nhò phaân. *Beân caïnh boä ñieàu khieån soá coù theå theâm moät PLC laøm caùc nhieäm vuï coù tính chaát laëp vaø ñôn ñieäu nhö phun chaát giaûi nhieät thay dao, ñieàu khieån truyeàn ñoäng chính .. lieân laic vôùi VÑK ôû möùc hai. *Treân cuøng laø maùy vi tính laäp ra ñöôøng ñi cuûa dao caét döïa treân yeâu caàu gia coâng vaø coâng ngheä caét goït. Maùy vi tính seõ chuyeån xuoáng cho boä ñieàu khieån soá chöông trình gia coâng. http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 15 Maùy vi tính Giao dieän ngöôøi- maùy PLC Boä ñieàu khieån soá Baûn maïch ñieàu khieån Baûn maïch ñieàu khieån Maùy coâng cuï H1.6. Caáu truùc ñieàu khieån phaân caáp maùy CNC Môû roäng ra cho quaù trình phöùc taïp thí duï nhö nhaø maùy. Möùc thaáp nhaát laø caùc maùy vaø caùc ñôn vò saûn xuaát tieáp xuùc tröïc tieáp vôùi quaù trình (daây chuyeàn). ÔÛ möùc treân laø caùc teá baøo saûn xuaát goàm nhieàu maùy keát hôïp (phaân xöôûng). Lòch saûn xuaát cuûa caùc phaân xöôûng do phoøng keá hoaïch saûn xuaát ñöa xuoáng treân cô sôû keá hoïach cuûa hoäi ñoàng quaûn trò vaø giaùm ñoác (hình 1.7). Quaûn lí Ñieàu khieån saûn xuaát Ñieàu khieån quaù trình Ñieàu khieån cuïc boä Ñieàu khieån cuïc boä http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ñieàu khieån cuïc boä Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 16 H1.7: Ñieàu khieån phaân caáp xí nghieäp. Do tính chaát ña daïng cuûa caùc thieát bò veà chuûng loaïi vaø nhaõn hieäu vaán ñeà gheùp noái caùc thieát bò noùi treân (tích hôïp heä thoáng- system intergrator) ñoøi hoûi phaûi coù tieâu chuaån chung veà cô (kích thöôùc), ñieän (ñieän aùp, doøng, caùp noái), truyeàn thoâng. Heä thoáng saûn xuaát phöùc taïp thöôøng caáu truùc theo maïng, thaáp nhaát laø maïng PLC goàm nhieàu PLC keát noái qua maïng MPI, Profibus.. trong maïng coù maùy tính hay maøn hình HMI. Caáp cao hôn laø maïng PLC+ maùy tính SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition), maùy tính laøm nhieäm vuï chaån ñoaùn hö hoûng, hieån thò, thay ñoåi thoâng soá hoaït ñoäng cuûa heä thoáng, löu tröõ vaø töôøng trình, coù theå coù nhieàu maùy tính keát noái theo maïng LAN. Moät daïng phaân caáp khaùc laø heä thoáng ñieàu khieån phaân boá DCS(Distributed Control System), trong maïng coù maùy tính giaùm saùt, maùy tính ñieàu khieån quaù trình, PLC, RTU(Remote Terminal Unit), FCU(Field Control Unit) hoaït ñoäng döôùi moät chöông trình baûo ñaûm naêng suaát, chaát löôïng saûn phaåm, traùnh ngöøng daây chuyeàn saûn xuaát. 1.3.Ñieàu khieån voøng hôû vaø ñieàu khieån voøng kín. Heä thoáng ñieàu khieån số Ñieàu khieån voøng hôû: Heä thoáng ñieàu khieån voøng hôû (Heä thoáng khoâng hoài tieáp) Thaønh phaàn cuûa heä thoáng ñieàu khieån voøng hôû thöôøng ñöôïc chia laøm hai phaàn: boä ñieàu khieån vaø quaù trình bò ñieàu khieån (coøn goïi laø ñoái töôïng ñieàu khieån). r(t) Boä ñieàu u(t) khieån ÑTÑKc(t) Hình Trong ñoù : r(t) laø tín hieäu vaøo, c(t) laø tín hieäu ra, u(t) laø tín hieäu ñieàu khieån. Ñieàu khieån voøng kín (Ñieàu khieån hoài tieáp): Heä thoáng ñieàu khieån voøng kín (Heä thoáng ñieàu khieån coù hoài tieáp). Sô ñoà khoái cuûa heä thoáng ñieàu khieån (HTÑK) voøng kín : http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc r(t) e(t) + Boä so saùnh c*(t) Boä ñieàu khieån u(t) 17 c(t) Ñoái töôïng, quaù trình ñieàu khieån ÑK ÑT Caûm bieán, thieát bò ño löôøng ÑL Hình Trong ñoù : r(t) laø tín hieäu vaøo; c(t) laø tín hieäu ra; c*(t) laø tín hieäu hoài tieáp vaø u(t) laø tín hieäu ñieàu khieån. Moät heä thoáng ñieàu khieån bao goàm 3 thaønh phaàn cô baûn ñoù laø ñoái töôïng ñieàu khieån, caûm bieán hay thieát bò ño löôøng vaø boä ñieàu khieån duøng ñeå hieäu chænh caùc haønh vi cuûa heä. Tín hieäu ñaàu ra boä so saùnh e(t)=r(t)- c*(t), laø sai soá, ôû hình veõ 1-3 cuõng chính laø tín hieäu ñaàu vaøo cuûa boä ñieàu khieån. Heä thoáng ñieàu khieån soá: Heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính chöùa caû tín hieäu lieân tuïc vaø tín hieäu laáy maãu hay rôøi raïc theo thôøi gian. Nhöõng heä thoáng nhö vaäy veà truyeàn thoáng ñöôïc hoïi laø heä thoáng laáy maãu döõ lieäu. Heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính (Computer-controlled system) coøn ñöôïc goïi laø heä thoáng laáy maãu döõ lieäu (sampled-data system). Sô ñoà khoái heä nhö sau Maùy tính Clock A-D {y(tk)} Giaûi thuaät {u(tk)} D-A u(y) Quaù trình (ñoái töôïng) y(t) Hình 1.8: Sô ñoà khoái cuûa heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính. Thuaät toaùn ñieàu khieån: PID, ñaët cöïc, toái öu tuyeán tính daïng toaøn phöông (LQ). Caùc thí duï cuûa heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính: -Ñieàu khieån vò trí. -Ñieàu khieån toác ñoä. -Ñieàu khieån nhieät ñoä. -Ñieàu khieån doøng (löu löôïng)(Flow control). http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 18 -Ñieàu khieån aùp suaát. -Ñieàu khieån coâng suaát, doøng ñieän, ñieän aùp. -Ñieàu khieån cöôøng ñoä saùng. 1.4. Noäi dung giaùo trình vaø öùng duïng Muïc ñích chính cuûa giaùo trình laø theå hieän quan ñieåm tích hôïp cuûa ñieàu khieån maùy tính trong caùc quaù trình coâng nghieäp. Caùc kieán thöùc lyù thuyeát neàn taûng caàn thieát maø ngöôøi ñoïc caàn bieát : .Tính toaùn cô baûn. .Lyù thuyeát maïch ñieän cô baûn. .Lyù thuyeát ñieàu khieån hoài tieáp cô baûn. .Nguyeân lyù cô baûn veà caáu truùc maùy tính vaø hoaït ñoäng. . Ngoân ngöõ laäp trình caáp cao nhö laø Basic, Pascal, Fortran, C/C++, Visual Basic, Delphi, Visual C++/Visual C#. Khi söû duïng maùy tính ñieàu khieån quaù trình ta phaûi giaûi quyeát caùc vaán ñeà sau: . Gheùp noái maùy tính vôùi ngoaïi vi(caûm bieán vaø chaáp haønh). . Laäp trình ñieàu khieån thôøi gian thöïc bao goàm caùc chöông trình con ño, xöû lí soá, thuaät toaùn ñieàu khieån, xuaát tín hieäu ñieàu khieån. .Truyeàn thoâng vaø maïng coâng nghieäp. Giaùo trình moân hoïc coù muïc ñích trình baøy caùc kieán thöùc caàn thieát khi söû duïng vi xöû lí vaøo ñieàu khieån vaø ño löôøng, vaø goàm coù caùc chöông sau : -Khaùi nieäm chung. -Caûm bieán vaø chuyeån ñoåi. -Giao tieáp qua raõnh caém maùy tính. -Laäp trình maùy tính ñieàu khieån. -Giao tieáp vôùi coång song song. -Giao tieáp vôùi coång noái tieáp. -Giao tieáp vôùi coång USB. -Chuyeån ñoåi döõ lieäu A/D vaø D/A. -Heä thoáng ñieàu khieån soá. http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 19 -Maïng truyeàn thoâng coâng nghieäp. Caâu hoûi : Chương 1: Khaùi nieäm chung 1. Maùy tính trong ñieàu khieån quaù trình. 2. Lòch söû phaùt trieån cuûa ñieàu khieån maùy tính quaù trình. 3. Heä thoáng laø gì? Cho ví duï. 4. Trình baøy caáu truùc heä thoáng ñieàu khieån baèng maùy tính. 5. Trình baøy heä thoáng thu thaäp döõ lieäu. 6. Caáu truùc ñieàu khieån phaân caáp maùy CNC. 7. Baøi toaùn ñieàu khieån maùy tính quaù trình tieâu bieåu. 8. Trình baøy heä thoáng ñieàu khieån : lieân tuïc vaø soá. Tham khaûo : [1].TS. Nguyeãn Ñöùc Thaønh, Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính, NXB ÑHQG Tp. HCM, 2002 (laàn 1) vaø 2005( laàn 2). [2]. Gustaf Olsson and Gianguido Piani, Computer systems for automation and control, Prentice Hall ,1992. [3].K.J.Astrom,B.J Wittenmark, Computer-Controlled Systems - Theory and Design, Prentice Hall, 3rd ed., 1997. [4]. Gene F. Franklin, J. David Powell, Michael L. Workman, Digital Control of Dynamic Systems, 2nd ed., Addison-Wesley, 1990. http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Ño löôøng vaø ñieàu khieån baèng maùy tính –© Huyønh Minh Ngoïc 20 CHÖÔNG 2: CAÛM BIEÁN VAØ CHUYEÅN ÑOÅI. Caáu truùc toàng quaùt cuûa vaøo ra maùy tính quaù trính : Quaù trình coâng nghieäp Vaän haønh Caûm bieán Gia coâng ngoõ vaøo Giao tieáp ngoõ vaøo maùy tính Chaáp haønh Gia coâng ngoõ ra Giao tieáp ngoõ ra maùy tính Boä xöû lí Hình 2.1. Caáu truùc toàng quaùt cuûa vaøo ra maùy tính quaù trính. Caùc thaønh phaàn cuûa giao tieáp quaù trình goàm coù : -Ño löôøng. -Chaáp haønh . -Baêng thoâng vaø nhieãu. -Truyeàn tín hieäu. Duïng cuï ño löôøng ñaïi löôïng caàn ño (tín hieäu analog) Heä thoáng ñieän Caûm bieán tín hieäu Chuyeån ñoåi Hình 2.2. Sô ñoà khoái cuûa duïng cuï ño löôøng. http://www.ebook.edu.vn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com