Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 22: Các đầu vào và các đầu ra tương tự
22. CÁC ĐẦU VÀO VÀ CÁC ĐẦU RA TƯƠNG TỰ
Chủ đề:
Các đầu vào và các đầu ra tương tự
Vấn đề lấy mẫu: răng cưa, lỗi lượng tử hóa, độ phân giải
Vào ra tương tự với một PLC
Mục tiêu:
Hiểu được các nền tảng của chuyển đổi tới và từ các giá trị tương tự.
Có khả năng dùng vào ra tương tự trên một PLC.
22.1 GIỚI THIỆU
Một giá trị tương tự là liên tục, không rời rạc, như được chỉ ra trong hình 22.1.
Trong các chương trước, các kỹ thuật đã được thảo luận cho thiết kế các hệ điều
khiển logic mà các hệ này có các đầu vào và các đầu ra mà các đầu này có thể là bật
hay tắt. Các hệ này là không phổ biến hơn các hệ điều khiển logic, nhưng chúng là rất
quan trọng. Trong chương này ta sẽ kiểm tra các vào ra tương tự để ta có thể thiết kế
các hệ điều khiển liên tục trong một chương sau.
Figure 22.1 Logical and Continuous Values – Các giá trị logic và liên tục
Các đầu vào ra điển hình cho các PLC được liệt kê ở dưới. Các bộ truyền động
và các cảm biến mà chúng được sử dụng với các đầu vào/ra tương tự sẽ được thảo
luận trong các chương sau.
Các đầu vào:
Nhiệt độ lò
Áp suất chất lưu
Tốc độ dòng chảy
Các đầu ra:
Vị trí van chất lưu
Vị trí động cơ
Vận tốc động cơ
Chương này sẽ tập trung vào các nguyên lý chung đằng sau chuyển đổi số sang
tương tự (digital-to-analog (D/A) ) và tương tự sang số (analog-to-digital (A/D)).
Chương này sẽ chỉ ra các giá trị tương tự vào/ra một PLC như thế nào.
22.2 ANALOG INPUTS
Để đưa một điện thế tương tự (vào trong một PLC hay bất cứ máy tính nào
khác) các giá trị điện thế liên tục phải được lấy mẫu và sau đó chuyển chúng thành
một giá trị số bởi một bộ chuyển đổi A/D (tương tự sang số). Hình 22.2 chỉ ra một
điện thế liên tục thay đổi theo thời gian. Có ba mẫu được chỉ trong hình này. Quá
trình của lấy mẫu dữ liệu là không tức thời, vì thế mỗi mẫu có một điểm bắt đầu và
một điểm kết thúc. Thời gian yêu cầu để lấy mẫu này được gọi là thời gian lấy mẫu
(sampling time). Các bộ chuyển đổi A/D chỉ có thể lấy được một số lượng giới hạn
của các mẫu trong một giây. Thời gian giữa các mẫu được gọi là khoảng thời gian lấy
mẫu T (sampling period), và nghịch đảo của thời gian lấy mẫu là tần số lấy mẫu
(sampling frequency) (cũng được gọi là tốc độ lấy mẫu – sampling rate). Thời gian lấy
mẫu thường nhỏ hơn nhiều khoảng thời gian lấy mẫu. Tần số lấy mẫu được cụ thể
hóa khi mua phần cứng, nhưng đối với một PLC một tốc độ lấy mẫu cực đại có thể là
20Hz.
Figure 22.2 Sampling an Analog Voltage – Lấy mẫu một điện thế tương tự
Một bản vẽ thực tế hơn của lấy mẫu dữ liệu được chỉ ra trong hình 22.3. Dữ liệu
này là ồn ào hơn, và thậm chí giữa đầu và cuối của mẫu dữ liệu có một thay đổi đáng
kể trong giá trị điện áp. Giá trị dữ liệu được lấy mẫu sẽ ở một nơi nào đó giữa điện
thế tại điểm bắt đầu và kết thúc của mẫu này. Các điện thế tối đa (Vmax) và tối thiểu
(Vmin) là một chức năng của phần cứng điều khiển này. Chúng thường được xác định
khi mua phần cứng, nhưng những mức hợp lý là như sau:
0V to 5V
0V to 10V
-5V to 5V
-10V to 10V
Số lượng các bit của bộ chuyển đổi A/D là số bit trong từ kết quả. Nếu bộ
chuyển đổi A/D là 8 bit thì kết quả có thể đọc lên tới 256 mức điện áp khác nhau.
Hầu hết các bộ chuyển đổi A/D có 12 bit, các bộ chuyển đổi 16 bit được dùng cho các
phép đo chính xác.
trong đó:
V(t) = the actual voltage over time – điện thế thực sự theo thời gian
τ = sample interval for A/D converter – khoảng thời gian mẫu cho bộ chuyển
đổi A/D
t = time
t1, t2 = time at start,end of sample – thời gian tại bắt đầu, kết thúc của mẫu
V(t1),V(t2) = voltage at start, end of sample – điện thế tại đầu, cuối của mẫu
Vmin, Vmax = input voltage range of A/D converter – khoảng điện thế vào của
bộ chuyển đổi A/D
N = number of bits in the A/D converter – số lượng bit trong bộ chuyển đổi
A/D
Figure 22.3 Parameters for an A/D Conversion
Các tham số cho một chuyển đổi A/D
Các tham số đã định nghĩa trong hình 22.3 có thể được dùng để tính toán các
giá trị cho các bộ chuyển đổi A/D. Các phương trình này được tóm tắt trong hình
22.4. Phương trình 1 cho thấy số lượng các bit của một bộ chuyển đổi A/D với phân
giải. Trong một bộ chuyển đổi A/D thông thường giá trị khoảng tối thiểu, Rmin, là số
không, tuy nhiên một vài thiết bị sẽ cung cấp các số âm phần bù 2s cho các điện thế
âm. Phương trình 2 cho lỗi mà nó có thể được mong đợi với một chuyển đổi A/D cho
trước phạm vi các điện thế tối thiểu và tối đa, và phân giải (đây là thường được gọi là
lỗi lượng tử hóa). Phương trình 3 cho thấy khoảng điện áp và phân giải tới đầu vào
điện thế để ước lượng số nguyên mà số nguyên này bộ chuyển đổi A/D sẽ ghi nhớ.
Cuối cùng, phương trình 4 cho phép một chuyển đổi giữa giá trị số nguyên từ bộ
chuyển đổi A/D này, và một điện thế trong máy tính ấy.
ꢀ = 2ꢁ = ꢀꢂꢃꢄ − ꢀꢂꢅꢆ
(1)
(2)
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ
2ꢀ
ꢂꢃꢄ
ꢇꢈꢉꢉꢊꢉ = (
)
ꢇ − ꢇꢂꢅꢆ
(3)
(4)
ꢅꢆ
( )
ꢐ ꢀ − 1 + ꢀꢂꢅꢆ]
ꢇ = ꢌꢍꢎ[ꢏ
ꢋ
ꢇ
ꢂꢃꢄ
− ꢇꢂꢅꢆ
ꢇ − ꢀꢂꢅꢆ
ꢋ
(
)
− ꢇꢂꢅꢆ + ꢇꢂꢅꢆ
ꢂꢃꢄ
ꢇ = ꢏ
ꢑ
ꢐ ꢇ
ꢀ − 1
trong đó: R, Rmin, Rmax = phân giải tuyệt đối và tương đối của bộ chuyển đổi A/D
Vi = giá trị số nguyên biểu thị điện thế đầu vào
Vc = điện thế được tính toán từ giá trị số nguyên này
VERROR = lỗi lượng tử hóa cực đại
Figure 22.4 A/D Converter Equations – Các phương trình bộ chuyển đổi A/D
Xem xét một ví dụ đơn giản, một bộ chuyển đổi A/D 10 bit có thể đọc các điện
thế giữa -10V và 10V. Điều này cho một phân giải của 1024, ở đó 0 là -10V và 1023 là
+10V. Bởi vì chỉ có 1024 bước có một lỗi cực đại của ±9.8mV. Nếu một điện thế của
4,564 là đầu vào của PLC này , bộ chuyển đổi A/D chuyển điện thế này tới một giá trị
số nguyên là 754. Khi ta chuyển nó trở lại điện thế kết quả là 4,565V. Lỗi lượng tử
hóa kết quả là 4,565V-4,564V=+0,001V. Lỗi này có thể giảm đi bằng cách lựa chọn
một bộ chuyển đổi A/D với nhiều bit hơn. Mỗi bit chia nửa lỗi lượng tử hóa.
Đã cho: N = 10, Rmin = 0
Vmax = 10V
Vmin = -10V
Vin = 4,564V
Tính toán:
ꢇꢈꢉꢉꢊꢉ
ꢇ = ꢌꢍꢎ ꢚꢏ
R = Rmax = 2N = 1024
ꢒ
ꢓꢔꢕ
ꢖ ꢒ
ꢓꢗꢘ
=
= 0,0098ꢇ
ꢙꢉ
ꢇ − ꢇꢂꢅꢆ
ꢅꢆ
(
)
ꢐ ꢀ − 1 + 0ꢛ = 745
ꢋ
ꢇꢂꢃꢄ − ꢇꢂꢅꢆ
ꢇ − 0
ꢋ
( )
ꢐ ꢇꢂꢃꢄ − ꢇꢂꢅꢆ + ꢇꢂꢅꢆ = 4,565ꢇ
ꢇ = ꢏ
ꢜ
ꢀ − 1
Figure 22.5 Sample Calculation of A/D Values
Tính toán mẫu của các giá trị A/D
Nếu điện thế đang được lấy mẫu đang thay đổi quá nhanh ta có thể nhận các lỗi
đọc, như được chỉ ra trong hình 22.6. Trong hình bên trên dạng sóng hoàn thành bảy
chu kỳ, và 9 mẫu được lấy. Hình đáy vẽ ra các giá trị được đọc. Tần số mẫu đã quá
thấp, vì thế tín hiệu được đọc xuất hiện là khác biệt với nó thực sự là, điều này gọi là
răng cưa (aliasing).
Figure 22.6 Low Sampling Frequencies Cause Aliasing
Các tần số lấy mẫu thấp gây ra răng cưa
Các tiêu chuẩn Nyquist xác định rằng các tần số lấy mẫu phải tối thiểu bằng hai
lần của tín hiệu đang được đo, ngược lại răng cưa sẽ xuất hiện. Ví dụ trong hình 22.6
vi phạm nguyên tắc này, vì thế tín hiệu đã bị răng cưa. Nếu điều này xuất hiện trong
các ứng dụng thực quá trình này sẽ xuất hiện để thực hiện một cách thất thường.
Trong thực hành tần số mẫu phải là gấp bốn lần nhanh hơn tần số hệ ấy.
fAD > 2fsignal
trong đó: fAD = tần số lấy mẫu
fsignal = tần số cực đại của đầu vào này
Có các chi tiết thực hành khác mà chúng phải được xem xét khi thiết kế các ứng
dụng với các đầu vào tương tự:
Ồn – Bởi vì cửa sổ mẫu cho một tín hiệu là ngắn, ồn sẽ được thêm ảnh
hưởng vào tín hiệu được đọc. Ví dụ, một gai điện áp tạm thời có thể
gây ra trong một điện thế cao hơn việc đọc bình thường. Các cáp dữ
liệu được bọc được dùng thường xuyên để giảm các mức ồn này.
Trễ - Khi mẫu được yêu cầu, một khoảng thời gian ngắn đi qua trước
khi giá trị mẫu cuối cùng được lấy.
Bộ dồn kênh – Hầu hết các thẻ đầu vào tương tự cho phép nhiều đầu
vào. Chúng có thể chia sẻ bộ chuyển đổi A/D bằng cách sử dụng một kỹ
thuật được gọi là bộ dồn kênh. Nếu có 4 kênh đang dùng một bộ
chuyển đổi A/D với một tốc độ lấy mẫu cực đại là 100Hz, tốc độ lấy
mẫu cực đại trên một kênh là 25Hz.
Các bộ điều hòa tín hiệu – Các bộ điều hòa tín hiệu được dùng để
khuyếch đại, hay lọc các tín hiệu đến từ các máy biến đổi, trước khi
chúng được đọc bởi bộ chuyển đổi A/D này.
Điện trở - Các bộ chuyển đổi A/D thường có trở kháng (điện trở) đầu
vào cao, vì thế chúng ảnh hưởng tới các mạch điện chúng đang đo.
Các đầu vào kết thúc đơn – Các điện thế vào trong một PLC có thể dùng
một dây trung hòa (common) đơn lẻ cho nhiều đầu vào, các loại của
các đầu vào này được gọi là các đầu vào kết thúc đơn. Điều này có xu
hướng thêm nhiều ồn.
Các đầu vào kết thúc đôi – Mỗi đầu vào kết thúc đôi có dây trung hòa
của riêng nó. Điều này giảm các vấn đề với ồn điện, nhưng cũng có xu
hướng giảm bớt số lượng các đầu vào xuống còn một nửa.
THÊM: Thiết bị này là một bộ chuyển đổi A/D 8 bit. Ý tưởng chính đằng sau
điều này là logic xấp xỉ liên tục. Một khi việc đặt lại được kích hoạt bộ chuyển đổi này
sẽ bắt đầu bằng cách thiết đặt bit có nghĩa lớn nhất của số 8 bit. Điều này sẽ được
chuyển đổi tới một điện thế Ve mà điện thế này là một hàm của các giá trị +/-Vref.
Giá trị của Ve được so sánh với Vin và một kiểm tra logic đơn giản xác định cái nào
lớn hơn. Nếu giá trị của Ve là lớn hơn bit này sẽ bị tắt. Logic này sau đó nhắc lại các
bước tương tự từ bit có nghĩa lớn nhất tới bit có nghĩa nhỏ nhất. Một khi bit cuối
cùng đã được thiết đặt bật/tắt và được kiểm tra việc chuyển đổi sẽ hoàn thành, và
một bit làm xong có thể được thiết đặt để chỉ thị một giá trị chuyển đổi hợp lệ.
Khá thường xuyên một bộ chuyển đổi A/D sẽ dồn kênh giữa các đầu vào khác
nhau. Khi nó chuyển mạch điện thế sẽ được lấy mẫu bằng một mạch mẫu và giữ. Sau
đó nó được chuyển tới một giá trị số. Các mạch mẫu và giữ này có thể được dùng
trước khi bộ dồn kênh này thu thập các giá trị dữ liệu trong cùng một thời điểm đúng
lúc.
Figure 22.7 A Successive Approximation A/D Converter
Một bộ chuyển đổi A/D xấp xỉ liên tiếp
22.2.1 Các đầu vào tương tự với một PLC
Logic bậc thang PLC 5 trong hình 22.8 sẽ điều khiển một thẻ đầu vào tương tự.
Câu lệnh chuyển đổi khối ghi - Block Transfer Write (BTW) sẽ gửi dữ liệu cấu hình từ
bộ nhớ số nguyên tới thẻ tương tự trong giá 0, khe 0. Dữ liệu từ N7:30 tới N7:66 mô
tả cấu hình cho các kênh đầu vào khác nhau. Một khi thẻ đầu vào tương tự này nhận
cấu hình ấy nó sẽ bắt đầu làm các chuyển đổi tương tự. Câu lệnh này là khía cạnh
kích hoạt, vì thế nó chạy với quét đầu, nhưng đầu vào này bị tắt trong khi nó là kích
hoạt, BT10:0/EN. Câu lệnh này sẽ yêu cầu nhiều quét trước khi tất cả dữ liệu này đã
được ghi ra thẻ. Đầu vào cập nhật chỉ được cần đến nếu cấu hình này cho đầu ra này
thay đổi, nhưng điều này sẽ là không bình thường. Chuyển đổi khối đọc Block
Transfer Read (BTR) sẽ lấy dữ liệu từ thẻ này và lưu nó trong bộ nhớ N7:10 tới N7:29.
Dữ liệu này sẽ bao gồm các giá trị đầu vào tương tự. Hàm này là khía cạnh kích hoạt,
vì thế các bit cho phép sẽ chống lại nó khi nó cố gắng đọc dữ liệu trước khi thẻ này
được cấu hình BT10:0/EN. Bit BT10:1/EN sẽ chống lại việc bắt đầu một đọc khác cho
đến khi cái trước đó là hoàn thành. Không có những điều này các dòng lệnh chứng
kiến các lỗi liên tục. Lệnh MOV sẽ chuyển giá trị dữ liệu từ một đầu vào tương tự tới
vị trí bộ nhớ khác khi lệnh BTR này được làm xong.
Ghi chú: Hoạt động cơ bản là câu BTW sẽ gửi khối điều khiển này tới thẻ đầu
vào. Các đầu vào này được dùng bởi vì các lệnh BTR và BTW có thể mất nhiều hơn
một quét.
Figure 22.8 Ladder Logic to Control an Analog Input Card
Logic bậc thang để điều khiển một thẻ đầu vào tương tự
Dữ liệu để cấu hình một thẻ đầu vào tương tự 1771-IFE được chỉ ra trong hình
22.9
(Ghi chú: mỗi loại của thẻ sẽ là khác nhau, và bạn cần tham khảo sách hướng
dẫn cho thông tin này). Cái 1771-IFE là một thẻ 12 bit, vì thế phạm vi sẽ lên tới 2**12
= 4096 giá trị (2 mũ 12). Thẻ này có thể có 8 đầu vào kết thúc kép, hay 16 đầu vào kết
thúc đơn (có các tập với các jumper trên thẻ đó). Để cấu hình thẻ này một tổng của
37 từ dữ liệu được cần đến. Khoảng điện áp của các đầu vào khác nhau được thiết
đặt bằng cách dùng các bit trong từ 0 (N7:30) và 1 (N7:31). Ví dụ, để đặt khoảng điện
thế trong kênh 10 tới -5V tới 5V ta cần đặt các bit này: N7:31/3=1 và N7:31/2=0. Các
bit trong từ dữ liệu 2 (N7:32) được thiết đặt để xác định cấu hình chung của thẻ này.
Ví dụ, nếu từ 2 là 0001 0100 0000 0000b thẻ này phải được đặt cho một trễ của
00010 giữa các mẫu, để trả về các kết quả phần bù 2s, bằng cách dùng các đầu vào
kết thúc đơn, và không lọc. Các từ dữ liệu còn lại, từ 3 đến 36, cho phép các giá trị
dữ liệu co dãn tới một khoảng mới. Các từ 3 và 4 là cho kênh 1, từ 5 và 6 là cho các
kênh 2 và vân vân. Để co dãn dữ liệu này, giá trị cực tiểu mới được đặt trong từ đầu
tiên (từ 3 cho kênh 1), và giá trị cực đại được đặt trong từ thứ hai (từ 4 cho kênh 1).
Thẻ này sau đó chuyển đổi một cách tự động dữ liệu thực sự đang đọc giữa 0 và
4095 tới khoảng dữ liệu mới được chỉ ra trong từ 3 và 4. Một kỳ cục của thẻ này là
các giá trị dữ liệu cho co dãn phải luôn là BCD, bất kể loại dữ liệu cài đặt là gì. Sách
hướng dẫn cho thẻ này phàn nàn rằng đặt các số không trong các giá trị co dãn sẽ
làm cho thẻ này mất dữ liệu không được co dãn, nhưng trong thực hành tốt hơn hãy
đưa vào các giá trị của 0 cho cực tiểu và 4095 cho cực đại.
R1,R2,...R16 - range values 00
1 to 5V
Các giá trị khoảng
01
10
11
0 to 5V
-5 to 5V
-10 to 10V
T – kiểu đầu vào – (0) cho kết thúc đơn, (1) cho kết thúc đôi
N - data format -
00
BCD
Định dạng dữ liệu 01
not used không dùng
10
11
2’s complement binary - Nhị phân phần bù 2s
signed magnitude binary – số nhị phân có dấu lớn
- F - filter function – một giá trị của (0) sẽ cho kết quả không lọc, tới một giá trị
của (99BCD)
- S - real time sampling mode – chế độ lấy mẫu thời gian thực, (0) luôn lấy mẫu,
(11111 nhị phân) cho các độ trễ dài
- L1,L2,...L16 - Các giá trị từ co dãn đầu vào thấp hơn
- U1,U2,...,U16 - Các giá trị từ co dãn đầu vào cao hơn
Figure 22.9 Configuration Data for an 1771-IFE Analog Input Card
Dữ liệu cấu hình cho một thẻ đầu vào tương tự 1771-IFE
Khối dữ liệu được trả về bởi câu lệnh BTR được chỉ ra trong hình 22.10. Các bit
0-2 trong từ 0 (N7:10) sẽ chỉ thị trạng thái của thẻ này, như là các tình trạng lỗi. Các
từ 1 tới 4 sẽ phản ánh các giá trị trạng thái cho mỗi kênh. Các từ 1 và 2 chỉ thị nếu
điện thế đầu ra là bên ngoài khoảng được đặt (ví dụ: -5V tới 5V). Từ 3 cho dấu của dữ
liệu, cái này là quan trọng nếu dữ liệu không ở dạng phần bù 2s. Từ 4 chỉ thị khi dữ
liệu đã được đọc từ một kênh nào đó. Các giá trị dữ liệu cho các đầu vào tương tự
được lưu trong từ từ 5 đến 19. Trong ví dụ này, trạng thái của kênh 9 là N7:11/8
(dưới phạm vi), N7:12/8 (trên phạm vi), N7:13/8 (dấu) và N7:14/8 (dữ liệu được đọc).
Giá trị dữ liệu cho kênh 9 là trong N7:13.
N7:0
D – diagnostics - chẩn đoán
u - under range for input channels – dưới khoảng cho các kênh đầu vào
v - over range for input channels – trên phạm vi cho các kênh đầu vào
s - sign of data – dấu của dữ liệu
d - data values read from inputs – các giá trị được đọc từ các đầu vào
Figure 22.10 Data Returned by the 1771-IFE Analog Input Card
Dữ liệu được trả về bởi thẻ đầu vào tương tự 1771-IFE
Hầu hết các phần mềm lập trình PLC mới cung cấp các công cụ, như là các hộp
thoại để giúp thiết đặt các tham số dữ liệu cho thẻ ấy. Nếu các công cụ trợ giúp này
là không có sẵn, các giá trị có thể được đặt vào bằng tay trong bộ nhớ PLC.
22.3 ĐẦU RA TƯƠNG TỰ
Các đầu ra tương tự là đơn giản hơn nhiều các đầu vào tương tự. Để thiết đặt
một đầu ra tương tự một số nguyên được chuyển sang một điện thế. Quá trình này
là rất nhanh, và không gặp phải các vấn đề thời gian với các đầu vào tương tự.
Nhưng, các đầu ra tương tự là chủ thể của các lỗi lượng tử hóa. Hình 22.11 cho một
tóm tắt của các sự liên hệ quan trọng này. Các liên hệ này là hầu như giống hệt với
các vấn đề của bộ chuyển đổi A/D.
ꢀ = 2ꢁ = ꢀꢂꢃꢄ − ꢀꢂꢅꢆ
(5)
(6)
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ
2ꢀ
ꢂꢃꢄ
ꢇꢈꢉꢉꢊꢉ = (
)
ꢇꢝꢞꢟꢅꢠꢞꢝ − ꢇꢂꢅꢆ
(7)
(8)
( )
ꢐ ꢀ − 1 + ꢀꢂꢅꢆ ]
ꢇ = ꢌꢍꢎ[ꢏ
ꢋ
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ
ꢂꢃꢄ
ꢇ − ꢀꢂꢅꢆ
ꢋ
( )
ꢐ ꢇꢂꢃꢄ − ꢇꢂꢅꢆ + ꢇꢂꢅꢆ
ꢇ
= ꢏ
ꢡꢢꢣꢤꢢꢣ
ꢀ − 1
trong đó: R, Rmin, Rmax = phân giải tuyệt đối và tương đối của bộ chuyển đổi A/D
VERROR = lỗi lượng tử tối đa
VI = giá trị số nguyên đại diện cho điện thế mong muốn
Voutput = đầu ra điện thế sử dụng giá trị số nguyên
Vdesired = giá trị đầu ra tương tự mong muốn
Figure 22.11 Analog Output Relationships – Các liên hệ đầu ra tương tự
Giả sử ta đang dùng một bộ chuyển đổi D/A 8 bit mà các giá trị đầu ra giữa 0V
và 10V. Ta có một phân giải của 256, ở đó 0 là kết quả của một đầu ra 0V và 255 là
kết quả của 10V. Lỗi lượng tử hóa sẽ là 20mV. Nếu ta muốn đưa ra một điện thế là 6,
234V, ta sẽ xác định một số nguyên đầu ra là 159, điều này là kết quả của một điện
thế đầu ra 6,235V. Lỗi lượng tử hóa sẽ là 6,235-6,234=0,001V.
Đã cho: N = 8, Rmin = 0
Vmax = 10V
Vmin = 0V
Vdesired = 6,234V
Tính toán:
R = Rmax = 2N = 256
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ
2ꢀ
ꢂꢃꢄ
ꢇꢈꢉꢉꢊꢉ = ꢏ
ꢐ = 0,020ꢇ
ꢇ − ꢇꢂꢅꢆ
ꢅꢆ
( )
ꢐ ꢀ − 1 + 0ꢛ = 159
ꢇ = ꢌꢍꢎ ꢚꢏ
ꢋ
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ
ꢂꢃꢄ
ꢇ − 0
ꢋ
(
)
− ꢇꢂꢅꢆ + ꢇꢂꢅꢆ = 6,235ꢇ
ꢂꢃꢄ
ꢇ = ꢏ
ꢜ
ꢐ ꢇ
ꢀ − 1
Dòng (điện) đầu vào từ một bộ chuyển đổi D/A bình thường là bị giới hạn bởi
một giá trị nhỏ, điển hình là nhỏ hơn 20mA. Đây là đủ cho thiết bị, nhưng cho các tải
dòng lớn, như là các động cơ, một bộ khuyếch đại dòng là cần đến. Loại giao diện này
sẽ được thảo luận sau. Nếu giới hạn dòng là vượt qua 5V đầu ra, điện thế sẽ giảm (vì
thế không làm vượt quá điện thế tiêu thụ). Nếu giới hạn dòng là vượt quá trong các
khoảng thời gian dài đầu ra D/A có thể bị hỏng.
THÊM:
Đầu tiên ta viết rõ ràng:
V+ = 0 = V
-
Sau đó, tính tổng các dòng sang đầu vào nghịch chuyển như một hàm của điện
thế đầu ra và các điện thế đầu vào từ máy tính:
ꢇ
ꢇ
ꢇ
ꢇ
ꢇ
ꢩ
ꢥꢦ
ꢥꢙ
ꢥꢨ
ꢥꢩ
+
+
+
=
10ꢧΩ 20ꢧΩ 40ꢧΩ 80ꢧΩ 5ꢧΩ
∴ ꢇꢩ = 0,5ꢇ + 0,25ꢇꢥꢙ + 0,125ꢇꢥꢨ + 0,0625ꢇꢥꢩ
ꢥꢦ
Xem xét một ví dụ ở đó đầu ra nhị phân là 1110, với 5V cho bật:
∴ V0 = 0,5(5V) + 0,25(5V) + 0,125(5V )+ 0,625(0V) = 4,375V
Figure 22.12 A Digital-To-Analog Converter – Một bộ chuyển đổi số sang tương tự
22.3.1 Các đầu ra tương tự với một PLC
Logic bậc thang PLC-5 trong hình 22.13 có thể được dùng để đặt các điện thế
đầu ra tương tự với một thẻ đầu ra tương tự 1771-OFE. Lệnh BTW sẽ viết bộ nhớ cấu
hình tới thẻ này (nội dung được mô tả sau). Các giá trị cũng có thể được đọc ngược
lại từ thẻ bằng cách dùng BTR, nhưng chỉ có giá trị khi kiểm tra trạng thái của thẻ này
và phát hiện các lỗi. BTW là khía cạnh kích hoạt, vì thế đầu vào BT10:0/EN chống lại
BTW khởi động lại lệnh này cho đến khi khối trước đã được gửi đi. Lệnh MOV sẽ thay
đổi giá trị đầu ra này cho kênh 1 trên thẻ này.
Figure 22.13 Controlling a 1771-OFE Analog Output Card
Điều khiển một thẻ đầu ra tương tự 1771-OFE
Cấu trúc bộ nhớ cấu hình cho thẻ đầu ra tương tự 1771-OFE được chỉ ra trong
hình 22.14. Thẻ này có bốn kênh đầu ra 12 bit. Bốn từ đầu tiên thiết đặt các giá trị
đầu ra cho thẻ này. Từ 0 (N9:0) đặt giá trị cho kênh 1, từ 1 (N9:1) đặt giá trị cho kênh
2, v.v... Từ 4 cấu hình thẻ này. Bit 16 (N9:4/15) sẽ thiết đặt định dạng dữ liệu, các bit
5 tới bit 12 (/4 tới /11) sẽ cho phép các nhân tố co dãn cho kênh, và bit 1 tới 4 (/0 tới
/3) sẽ cung cấp các dấu cho dữ liệu trong các từ 0 đến 3. Các từ từ 5 tới 13 cho phép
các nhân tố co dãn, để các giá trị trong các từ 0 tới 3 có thể được cung cấp trong một
khoảng khác của các giá trị, và sau đó được chuyển tới các giá trị thích hợp. Các giá
trị mặc định tốt cho các nhân tố co dãn này là 0 cho giới hạn dưới và 4095 cho giới
hạn trên.
N9:0
D – các từ giá trị dữ liệu cho các kênh 1, 2, 3 hay 4
f – bit định dạng dữ liệu (1) nhị phân, (0) BCD
s – các bit nhân tố co dãn
p – các bit có dấu dữ liệu cho bốn kênh đầu ra
L – các từ giới hạn co dãn thấp hơn cho bốn kênh đầu ra 1, 2, 3 hay 4
U – các từ giới hạn co dãn cao hơn cho bốn kênh đầu ra 1, 2, 3 hay 4
Figure 22.14 Configuration Data for a 1771-OFE Output Card
Dữ liệu cấu hình cho một thẻ đầu ra 1771-OFE
22.3.2 Các đầu ra điều biến độ rộng xung (PWM)
Một điện thế đầu ra tương tự tương đương có thể được sinh ra bằng cách dùng
điều biến độ rộng xunh, như trong hình 22.15. Trong phương pháp này mạch đầu ra
chỉ có khả năng đưa ra một điện thế cố định (trong hình này ‘A’) hay 0V. Để lấy một
điện thế tương tự giữa điện thế tối thiểu và điện thế tối đa điện thế này được bật và
tắt một cách nhanh chóng để giảm điện thế ảnh hưởng. Đầu ra này là một điện thế
sóng vuông tần số cao, điển hình hơn 20Khz, phía trên khoảng nghe thấy. Chu kỳ làm
việc của sóng này xác định điện thế hiệu quả của đầu ra này. Nếu chu kỳ làm việc là
100% đầu ra này là luôn bật. Nếu thời gian sóng này là bật bằng thời gian nó tắt chu
kỳ làm việc là 50%. Nếu sóng là thường tắt, chu kỳ làm việc là 0%.
Figure 22.15 Pulse Width Modulated (PWM) Signals
Các tín hiệu độ rộng xung được điều biến
PWM được sử dụng rộng rãi trong điện điện tử, như là các hệ điều khiển động
cơ tự động. Trong trường hợp này thời gian phản hồi của động cơ này là đủ chậm để
động cơ này lọc một cách hiệu quả tần số cao này của tín hiệu. Tín hiệu PWM cũng có
thể được đặt qua một bộ lọc đi qua thấp để sản ra một điện thế một chiều tương tự.
Thêm: Một bộ lọc RC đi qua thấp cơ bản được chỉ ở dưới. Mạch này là thích hợp
cho một đầu ra tương tự mà đầu ra này thu hút nhiều dòng (điện). (Thu hút quá
nhiều dòng sẽ gây ra nhiều mất mát lớn qua điện trở này). Tần số góc có thể được
thấy một cách dễ dàng bằng cách nhìn vào mạch như một vách ngăn điện thế.
ꢨ
1
ꢰꢱꢜ
ꢇ
ꢃꢆꢃꢪꢡꢫ
= ꢇꢬꢭꢮ
ꢯ
ꢲ = ꢇꢬꢭꢮ
(
)
ꢨ
ꢳꢴꢵꢀ + 1
ꢀ + ꢰꢱꢜ
ꢇ
1
ꢃꢆꢃꢪꢡꢫ
=
ꢇꢬꢭꢮ
ꢳꢴꢵꢀ + 1
ꢨ
ꢴ =
là tần số góc
ꢜꢉ
Như một ví dụ xem xét tín hiệu PWM được dùng tại tần số 100KHz, và nó được
dùng với một hệ mà hệ này có một thời gian phản hồi (hằng số thời gian) là 0,1 giây.
Vì thế tần số góc phải ở giữa 10Hz (1/0,1 giây) và 100KHz. Điều này có thể được đặt
tại điểm giữa của 1000Hz, hay 6,2Krad/s. Hệ này cũng yêu cầu lựa chọn tùy ý của một
giá trị điện trở hay giá trị tụ điện. Ta sẽ lấy giá trị tụ điện là 0,1µF để ta không cần
một chất điện phân.
1
1
10ꢸ
2ꢷ
ꢀ =
=
=
= 1,59ꢧΩ
ꢵꢴ 10ꢖꢶ2ꢷ10ꢦ
Figure 22.16 Converting a PWM Signal to an Analog Voltage
Chuyển một tín hiệu PWM sang một điện thế tương tự
Trong một vài trường hợp tần số của đầu ra là không cố định, nhưng chu kỳ làm
việc của đầu ra này được duy trì.
22.3.3 Cách ly
Khi một từ trường biến đổi cắt ngang qua một dây điện, nó sẽ tạo ra một dòng
điện. Trở kháng trong dây này sẽ chuyển dòng này sang một điện thế. Các điện thế
không mong muốn gây ra các lỗi đọc từ các cảm biến, và từ tín hiệu tới các đầu ra.
Cách ly sẽ giảm tác động của nhiễu này. Khi cách ly và nối đất là làm đúng, các tác
động của ồn điện sẽ là không đáng kể. Cách ly thường được dùng cho: tất cả các tín
hiệu logic trong các môi trường ồn, các bộ đếm tốc độ cao hay các mạch tốc độ cao,
và tất cả các tín hiệu tương tự.
Có hai hướng tiếp cận chính để giảm ồn: cách ly (bọc) và xoắn đôi. Cách ly bao
gồm các bọc các dây và các thiết bị điện bởi kim loại. Kết quả là các thiết bị điện
được chứa trong các vỏ kim loại một cách bình thường. Các dây được đặt trong các
cáp một cách bình thường với một vỏ kim loại xung quanh hai lõi dây. Vỏ kim loại này
có thể là một phim mỏng, hay một lưới kim loại được dệt. Các dây được cách ly được
kết nối tới một đầu để “rút” các tín hiệu không mong muốn vào trong các vỏ của các
thiết bị này. Hình 22.17 chỉ ra một cặp nhiệt điện được kết nối với một cặp nhiệt
điện. Tiết diện ngang qua của dây này bao gồm hai dây dẫn cách điện. Cả hai dây này
được phủ bởi một lá kim loại, và lớp phủ cuối cùng của sự cách ly kết thúc cáp này.
Các dây được kết nối tới cặp nhiệt điện được mong đợi, nhưng vỏ này chỉ được kết
nối tới cuối bộ khuyếch đại tới vỏ này. Vỏ này sau đó được kết nối tới đất được che
chắn, được chỉ ra ở đây như là ba đường chéo.
(Ghi chú của người gõ:
Two conductor shielded cable cross section: Mặt cắt ngang của cáp bọc hai sợi
Insulated wires: Các dây được cách ly
Metal sheath: Lớp bọc kim loại
Insulating cover: Vỏ cách điện)
Figure 22.17 Shielding for a Thermocouple
Cách ly cho một cặp nhiệt điện
Một cặp xoắn được chỉ trong hình 22.18. Có hai dây được xoắn tại các khoảng
đều đặn, một cách hiệu quả hình thành các vòng nhỏ. Trong trường hợp này các
vòng tròn nhỏ này đảo ngược tất cả các xoắn, vì thế bất cứ dòng (điện) nào bị gây ra
sẽ được hủy bỏ cho mỗi hai xoắn.
Figure 22.18 A Twisted Pair – Một cặp xoắn
Khi thiết kế cách ly (bọc), các điểm thiết kế sau sẽ giảm ảnh hưởng của nhiễu
điện từ:
Tránh các thiết bị “gây ồn” khi có thể
Chọn một khoang kim loại mà nó sẽ bảo vệ các thiết bị điện tử điều
khiển
Dùng các cáp bọc và các dây xoắn đôi
Làm riêng rẽ các dòng cao, và các dây AC/DC khỏi nhau khi có thể
Dùng các phương pháp hướng dòng (điện) như là sourcing và sinking
cho các vào ra logic
Dùng các bộ lọc tần số cao để loại trừ ồn tần số cao
Dùng các bộ lọc dây điện để loại trừ ồn từ nguồn cung cấp điện
22.4 NHỮNG VẤN ĐỀ CỦA THIẾT KẾ
22.4.1 Giám sát quá trình
Bài toán: Thiết kế một logic bậc thang mà nó sẽ theo dõi hướng của một vật thể
trong một đường. Nếu
Giải pháp:
22.5 TÓM TẮT
Chuyển đổi A/D sẽ chuyển một giá trị liên tục sang một giá trị số nguyên.
Chuyển đổi D/A là dễ hơn và nhanh hơn và sẽ chuyển một giá trị số sang một
giá trị tương tự.
Phân giải giới hạn độ chính xác của các bộ chuyển đổi A/D và D/A.
Lấy mẫu quá chậm sẽ làm răng cưa tín hiệu thực.
Các đầu vào tương tự là nhạy cảm với ồn.
Các thẻ vào/ra tương tự được cấu hình với một vài từ của bộ nhớ.
Các hàm BTW và BTR được cần đến để truyền thông với các thẻ vào/ra tương
tự.
Cách ly tương tự phải được dùng để cải thiện chất lượng của các tín hiệu điện.
22.6 BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Các đầu vào tương tự yêu cầu:
a) Một chuyển đổi số sang tương tự tại mô đun giao diện đầu vào PLC
b) Chuyển đổi tương tự sang số tại mô đun giao diện đầu vào PLC
c) Không chuyển đổi nào được cần đến
d) Không điều nào trong số các điều trên
2. Bạn cần đọc một điện thế tương tự mà điện thế này trong khoảng -10V tới 10V tới
một độ chính xác +/-0.05V.
Phân giải gì của bộ chuyển đổi A/D được cần đến?
3. Ta được cho một đầu vào tương tự 12 bit một khoảng từ -10V tới 10V. Nếu ta đặt
vào 2,735V, giá trị số nguyên sẽ là gì sau chuyển đổi A/D này? Lỗi này là gì? Điện thế
gì ta có thể tính toán?
4. Dùng các tài liệu trên web cho một thẻ đầu vào tương tự, và mô tả quá trình mà
quá trình này sẽ được cần đến để đặt thẻ này để đọc một điện thế đầu vào giữa -2V
và 7V. Mô tả này phải bao gồm các thiết đặt jumper, cấu hình bộ nhớ và logic bậc
thang.
5. Ta cần lựa chọn một bộ chuyển đổi từ số sang tương tự cho một ứng dụng. Đầu ra
này sẽ thay đổi từ -5V tới 10V DC, và ta cần có thể xác định điện thế tới với 50mA.
Phân giải gì sẽ được yêu cầu? Bao nhiêu bit mà bộ chuyển đổi D/A này sẽ cần đến?
Độ chính xác sẽ là gì?
6. Viết một chương trình mà nó sẽ đưa vào một điện thế tương tự, làm phép tính
sau, và đưa ra một điện thế tương tự:
Vout = ln(Vin)
7. Tính toán sau sẽ được làm khi đầu vào A là đúng. Nếu kết quả x là giữa 1 và 10 thì
đầu ra B sẽ được bật. Giá trị của x sẽ được đưa ra như một điện thế tương tự. Tạo
một chương trình logic bậc thang để thực hiện những việc này.
ꢹ = 5ꢺ 1 + sin ꢼ
A = I:000/00
ꢻ
B = O:001/00
x = F8:0
y = F8:1
8. Bạn đang phát triển một bộ điều khiển cho một trò chơi mà trò này đo độ mạnh
tay. Để làm điều này môt nút START được bấm, 3 giây sau một LIGHT được bật trong
một giây để cho phép người dùng biết khi bắt đầu ép. Giá trị tương tự được đọc tại
0,3 giây sau khi đèn bật. Giá trị này được chuyển tới một lực F với phương trình sau.
Lực này được hiển thị bằng cách chuyển đổi nó tới BCD và ghi nó tới một thẻ đầu ra
(O:001). Nếu giá trị này vượt quá 100 thì một BIG_LIGHT và SIREN (còi) được bật
trong 5 giây. Dùng một kỹ thuật thiết kế có cấu trúc để phát triển logic bậc thang.
ꢇ
ꢅꢆ
ꢽ =
6
22.7 GIẢI PHÁP CHO BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. b)
2.
10ꢇ − (−10ꢇ)
ꢀ =
= 200
0,1ꢇ
7 bits = 128
8 bits = 256
Số lượng của các bit tối thiểu là 8
3.
N = 12,R=4096, Vmin = -10V, Vmax = 10V, Vin = 2,735V
ꢇ − ꢇꢂꢅꢆ
ꢅꢆ
ꢇ = ꢌꢍꢎ ꢚꢏ
ꢋ
ꢐ ꢀꢛ = 2608
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ
ꢂꢃꢄ
ꢇ
ꢋ
(
)
− ꢇꢂꢅꢆ + ꢇꢂꢅꢆ = 2,734ꢇ
ꢇ = ꢏ ꢐ ꢇ
ꢜ
ꢂꢃꢄ
ꢀ
4. Đối với thẻ 1771-IFE bạn sẽ đặt keying trong phía sau của thẻ này, bởi vì điện thế
được đang được đo, các jumper bên trong thẻ này ở trong vị trí mặc định rồi. Hiệu
chỉnh có thể được yêu cầu, điều này có thể được làm xong bằng cách dùng các thiết
đặt jumper và cung cấp các điện thế được biết, sau đó chỉnh sửa máy đo điện thế
trên thẻ này. Thẻ này sau đó có thể được lắp đặt trong khung này – khuyến cáo là
chúng ở càng gần CPU càng tốt. Sau khi phần mềm lập trình đang chạy thẻ này được
thêm vào cấu hình vào ra, và các thiết đặt tự động có thể được dùng – chúng thay
đổi các giá trị trong bộ nhớ để thiết đặt các giá trị trong bộ nhớ số nguyên.
5. Một thẻ với một điện thế từ -10V tới +10V sẽ được chọn để bao trùm toàn bộ
khoảng này
10ꢇ − (−10ꢇ)
0,050ꢇ
độ phân giải tối thiểu
ꢀ =
= 400
8 bits = 256
9 bits = 512
10 bits = 1024
Bộ chuyển đổi A/D cần một số lượng tối thiểu là 9 bit, nhưng số lượng này của
các bit là không thường có sẵn, nhưng 10 bit thì có, vì thế nó sẽ được lựa chọn.
ꢇ
− ꢇꢂꢅꢆ 10ꢇ − (−10ꢇ)
ꢂꢃꢄ
ꢇꢈꢉꢉꢊꢉ
=
=
= ±0,00976ꢇ
2ꢀ
2(1024)
6.
7.
8.
Tải về để xem bản đầy đủ
22 trang
18481
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 22: Các đầu vào và các đầu ra tương tự", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_he_thong_san_xuat_tu_dong_hoa_voi_plcs_phan_22_ca.pdf
