Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính (Nghề Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trình độ Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH NGÀNH/ NGHỀ : CN KTĐK VÀ TĐH TRÌNH ĐỘ : Cao đẳng (Ban hành theo Quyết định số:630/QĐ-CĐN, ngày 05 tháng 04 năm 2022 Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) An Giang, Năm ban hành: 2022 Đo lường điều khiển máy tính TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính LỜI MỞ ĐẦU Mơn học Đo lường điều khiển máy tính môn học chuyên ngành dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành Điện tử tự động Môn học đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính cơng nghiệp PLC) vào hệ thống điều khiển đo lường Xu hướng phát triển dùng Điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển giá thành hợp lí Để học tốt mơn học sinh viên cần phải học qua môn Lý thuyết điều khiển tự động Vi xử lí Giáo trình soạn dựa theo chương trình chi tiết mơn học Đo lường điều khiển máy tính ngành cơng nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa, số mơn học 75 (30 lý thuyết, 45 thực hành) Với mục tiêu trên, nội dung môn học chia thành chương sau: Chương 1: Khái niệm chung Chương 2: Cảm biến chuyển đổi Chương : Giao tiếp qua cổng song song Chương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp Chương 5: Giao tiếp qua cổng USB Chương 6: Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính Chương 7: Lâp trình giao tiếp điều khiển PC Các học xếp theo trình tự phù hợp với nhận thức phát triển nhận thức người học nghề Tuy nhiên để đạt hiệu cao đọc giáo trình này, người học cần nắm vững kiến thức môn học sở khác như: kỹ thuật điện, linh kiện điện tử, mạch số, điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển Cho dù kiến thức giáo trình xếp cách hợp lý có mối quan hệ chặt chẽ người học cần tham khảo thêm giáo trình có liên quan để việc học có hiệu Mặc dù cố gắng q trình biên soạn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong đồng nghiệp học viên góp ý giáo trình ngày hồn thiện Giáo trình phục vụ cho mục đích giảng dạy, lưu hành nội ! An Giang, ngày 20 tháng 05 năm 2021 Tác giả biên soạn Nguyễn Trường Sanh Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính Mục Lục Mục Lục CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG 12 I Máy tính điều khiển 12 Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển trình 12 Hệ điều khiển nhúng 13 II HMI (Human Machine Interface) 14 III Kỹ thuật số (Digital techique) 15 IV Điều khiển phân cấp tích hợp hệ thống 17 Cấu trúc hệ thống điều khiển máy tính 17 Hệ thống điều khiển vịng hở (Hệ thống khơng hồi tiếp) 20 Hệ thống điều khiển vịng kín 20 Hệ thống điều khiển số: 20 CHƯƠNG CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI 22 I Nguyên lý mạch đo chuyển đổi 22 II Các loại cảm biến thông dụng 22 Cảm biến nhiệt độ 22 1/ Nhiệt điện trở Platin 24 2/ Nhiệt kế điện trở silic 25 3/IC Cảm biến nhiệt 25 4/Nhiệt điện trở NTC 26 5/ Nhiệt điện trở PTC 26 Cảm biến công nghiệp 28 1/ Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 28 2/ Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 30 3/ Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor) 30 4/ Encoder 31 CHƯƠNG GIAO TIẾP QUA CỔNG SONG SONG (LPT) 32 I Giới thiệu chung 32 Giao tiếp với thiết bị ngoại vi 33 Giao tiếp thiết bị khác 34 Cổng song song SSP 35 Cổng song song EPP 36 Cổng song song ECP 36 II Ghép nối máy tính 37 CHƯƠNG GIAO TIẾP QUA CỔNG NỐI TIẾP 49 I Cơ ghép nối chuẩn giao tiếp cổng Com RS232 49 RS232: 49 1/ Đặc điểm RS232 49 2/ Chức chân RS232 50 RS422 51 1/ Thông số kỹ thuật chuẩn RS422 52 Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính 2/ Thơng số kỹ thuật chuẩn RS422A 52 3/ Ưu nhược điểm RS422 52 4/ Ứng dụng RS422 52 II Bộ chuyễn đổi mức 53 Các mức điện áp đường truyền 53 Quá trình truyền liệu 53 Tốc độ Baud 53 III Mạch giao tiếp cổng com 54 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 54 Dây chuyển đổi USB sang RS485 55 Cáp điều khiển RS485 – Grove 55 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB 56 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet 56 IV Mạng RS485 56 Thông số kỹ thuật chuẩn RS485A 57 Truyền dẫn cân 57 Mức tín hiệu 57 Cặp dây xoắn 57 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn 57 Điện áp kiểu chung 57 Vấn đề nối đất 58 Điện trở đầu cuối 58 Phân cực đường truyền 58 V MOSBUS RTU 59 Nguyên lý hoạt động RS485 59 Sơ đồ chân RS485 dây 60 Ưu điểm RS485 60 Nhược điểm RS485 61 Sự khác RS485 RS232 61 Số lượng trình điều khiển nút 61 Khoảng cách giao tiếp 61 Ứng dụng RS485 công nghiệp 61 VI Thực hành giao tiếp qua cổng nối tiếp 62 Sơ đồ giao tiếp RS485 hai Arduino 62 Chương trình 62 CHƯƠNG 5: GIAO TIẾP QUA CỔNG USB 64 I Cấu trúc cổng USB 64 II Các mạch tích hợp chuyển đổi 65 USB sang RS232 65 USB sang RS422 65 USB sang RS485 66 Sự khác biệt RS232, RS422, RS485 67 III Các mạch ứng dụng 67 Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính USB đến cổng nối tiếp RS232 68 USB đến 3-dây cổng nối tiếp RS232 68 Bộ điều hợp hồng ngoại USB 68 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG GIAO TIẾP MÁY TÍNH 70 I Giới thiệu chung 70 Bo Nhúng 70 Sơ đồ ứng dụng hệ thống nhúng 70 Sơ đồ khối hệ thống nhúng điều hòa: 71 Đặc điểm hệ thống nhúng 72 Ứng dụng tầm quan trọng hệ thống nhúng 72 II Hệ thống thu thập, đo đạc số liệu từ cảm biến 72 Tổng quan hệ thống đo lường điều khiển 72 Ví dụ hệ thống đo lường nhiệt độ 73 Hệ thiết bị đo lường 74 Khảo sát số sơ đồ khối hệ thống đo tự động: 75 1/ Sơ đồ khối điều khiển máy điều hịa khơng khí 75 2/ Hệ thống giám sát vận hành 76 3/ Mơ hình ứng dụng IoT nơng nghiệp cơng nghệ cao 77 Thu thập liệu Thu thập liệu 77 1/ Thu thập liệu Thu thập liệu giao tiếp máy tính 77 2/ Chức hệ thu thập liệu 78 Hệ thống thu thập liệu nhiều kênh 78 1/ Hệ thống liệu kênh 78 2/ Hệ thống liệu nhiều kênh 79 Thực Hành: 79 III Hệ thống điều khiển thiết bị ngoại vi 79 Tạo cổng ảo trao đổi RS-232 79 Sử dụng file * DLL phần mềm windows 80 Thực Hành: 80 CHƯƠNG 7: LẬP TRÌNH GIAO TIẾP VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TRÊN PC 81 I Giới thiệu Visual Basic 81 Giới thiệu Visual Basic 6.0 81 Cài đặt Visual Basic 6.0 81 1/ Tìm hiểu thành phần IDE 82 2/ Biểu mẫu (Form) 82 3/ Lập Trình Cấu Trúc Trong Visual Basic 83 4/ Lệnh lựa chọn Select Case 83 II Lập trình giao tiếp cổng COM 85 Ngơn ngữ lập Trình 85 Các chức 85 Chương trình 85 Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính Thực Hành 87 III Lập trình giao tiếp cổng song song 87 Sơ đồ giao tiếp cổng song song 87 IC 89c051 giao tiếp &4HC299 88 Ghép nối máy tính 89 IV Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Modbus 90 MODBUS RTU có chủ, PLC, PC, DCS 247 thiết bị tớ kết nối cấu hình multi-drop 90 Nguyên tắc hoạt động MODBUS RTU 91 Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS 92 V Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Ethernet 93 Hệ thống điều khiển 93 Mạng truyền thông công nghiệp 94 Giao thức truyền thông 94 Mạng truyền thông Ethernet 95 Các bước thiết lập điều khiển 96 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) 98 1/ Sơ đồ khối hệ thống 99 2/ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC 99 3/ Cấu trúc PLC CP1E-N30DR-A 100 4/ Biến tần 3G3JX 101 5/ Ethernet Option Board CP1W-CIF41 101 6/ Cảm biến mức 101 7/ Cảm biến quang 101 8/ Giao tiếp truyền thông (Communications) 101 9/Giao tiếp truyền thông PLC Omron 101 Thực hành viết chương trình điều khiển ứng dụng 101 Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên Mơn học: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH Mã số môn học: MH26 Thời gian môn học: 75h (Lý thuyết: 30h; Thực hành: 36h; kiểm tra: 9h) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: Trước học Mơn học cần hồn thành Mơn học sở, đặc biệt môn học: Cảm biến chuyển II MỤC TIÊU MÔN HỌC : Kiến thức: Module nhằm trang bị cho người học kiến thức sau: - Hiểu đặc điểm cách sử dụng chuẩn giao tiếp máy tính - Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng có khả thu thập số liệu từ cảm biến, điều khiển thiết bị ngoại vi giao tiếp với máy tính thơng qua cổng giao tiếp - Cung cấp kiến thức lập trình điều khiển Windows với Visual Basic - Lập trình truyền thơng theo chuẩn Modbus, Ethernet Kỹ năng: - Module giúp người học có hội rèn luyện phát triển kỹ sau: - Kỹ phân tích, lựa chọn cổng kết nối máy tính - Kỹ thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp với máy tính - Kỹ lập trình giao tiếp điều khiển Windows - Có khả làm việc nhóm, phân tích, đánh giá, lựa chọn giải pháp phù hợp để giải vấn đề thực tế - Có khả tổng hợp, tìm kiếm thông tin, lập kế hoạch, báo cáo công việc, thuyết trình kết thực Về lực tự chủ trách nhiệm: - Sinh viên cần có thái độ tích cực tham gia vào hoạt động lớp, chủ động chuẩn bị làm tập nhà - Có tinh thần trách nhiệm làm việc nhóm, hịa nhã, tích cực cơng việc giao Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính III NỘI DUNG MƠN HỌC Nội dung tổng quát phân bố thời gian : Số TT Tên Môn học Chương 1: Khái niệm chung Chương 2: Cảm biến chuyển đổi Chương : Giao tiếp qua cổng song song Chương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp Chương 5: Giao tiếp qua cổng USB Chương 6: Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính Chương 7: Lâp trình giao tiếp điều khiển PC Cộng: Tổng số Thời gian Lý Thực thuyết hành Kiểm tra* 8 4 4 20 12 27 12 12 75 30 36 *Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành Nội dung chi tiết: Nội dung chi tiết: Chương 1: Khái niệm chung Mục tiêu bài: - Phát biểu khái niệm máy tính điều khiển Nội dung bài: Thời gian: 1.0h (LT: 1.0h; TH: 0.0h) Máy tính điều khiển Thời gian:0.5h Điều khiển phân cấp tích hợp hệ thống Thời gian:0.5h Chương 2: Cảm biến chuyển đổi Mục tiêu bài: - Xác định nhiệm vụ chức cảm biến; - Trình bày nguyên lý hoạt số cảm biến công nghiệp; - Nhận biết sử dụng số cảm biến công nghiệp Nội dung bài: Thời gian: 3.0h (LT: 3.0h; TH: 0.0h) Nguyên lý mạch đo chuyển đổi Thời gian:1.0h Giới thiệu loại cảm biến thông dụng Thời gian:1.0h Cảm biến công nghiệp Thời gian:1.0h Chương 3: Giao tiếp qua cổng song song (LPT) Mục tiêu bài: - Trình bày nhiệm vụ chức cổng LPT; Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính - Trình bày phương thức truyền liệu qua cổng LPT; - Thực việc truyền liệu qua cổng LPT Nội dung bài: Thời gian: 8.0h (LT: 2h; TH: 4.0h; KT: 2.0h) Giới thiệu chung Thời gian: 0.5h Cổng song song SSP Thời gian:0 5h Cổng song song EPP Thời gian: 0.5h Cổng song song ECP Thời gian: 0.5h Ghép nối máy tính Thời gian: 4h Kiểm tra Thời gian: 2.0h Chương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp (RS232) Mục tiêu bài: - Trình bày nhiệm vụ chức cổng RS232; - Trình bày phương thức truyền liệu qua cổng RS232; - Thực việc truyền liệu qua cổng RS232 Nội dung bài: Thời gian: 8h (LT: 4.0h; TH: 4.0h) Cấu trúc cổng COM Thời gian: 1.0h Mạch chuyển mức Thời gian: 1.0h Mạch giao tiếp cổng COM Thời gian: 1.0h Mạng RS485 Thời gian: 1.0h Thực hành giao tiếp qua cổng nối tiếp Thời gian: 4.0h Chương 5: Giao tiếp qua cổng USB Mục tiêu bài: - Trình bày nhiệm vụ chức cổng USB; - Trình bày phương thức truyền liệu qua cổng USB; - Thực việc truyền liệu qua cổng USB Nội dung bài: Thời gian: 8.0h (LT: 4.0h; TH: 4.0h) Cấu trúc cổng USB Thời gian: 2.0h Các mạch tích hợp chuyển đổi Thời gian: 2.0h Các ứng dụng Thời gian: 4.0h Chương 6: Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính Mục tiêu bài: - Trình bày cấu trúc hệ thống nhúng; - Biết thành phần hệ thống nhúng bản; - Thực kết nối hệ thống nhúng Nội dung bài: Thời gian: 20h (LT: 4.0h; TH: 12.0h;KT: 4.0h) Giới thiệu chung Thời gian: 2.0h Hệ thống thu thập, đo đạc số liệu từ cảm biến Thời gian: 6.0h Hệ thống điều khiển thiết bị ngoại vi Thời gian: 8.0h Kiểm tra Thời gian: 4.0h Chương 7: Lập trình giao tiếp với vi điều khiển PC Mục tiêu bài: - Trình bày cấu trúc Visual Basic lập trình giao tiếp; - Viết giao diện cho lập trình vi điều khiển PC; - Thực kết nối hệ thống vi điều khiển với PC Nguyễn Trường Sanh 10 Đo lường điều khiển máy tính Hình 65 Sơ đồ giao tiếp cổng song song IC 89c051 giao tiếp &4HC299 Hình 66 IC 89c051 giao tiếp &4HC299 Địa 12 bít đưa vào port1 bit thấp đưa vào port2 , code đưa vào port P2.7, P2,8, P37, P38, RST,/PSEN,/EA có logic phù hợp ALE có xung âm rộng 1,2 ms Nguyễn Trường Sanh 88 Đo lường điều khiển máy tính Xóa tồn : ALE có xung âm tồn 10ms Ghép nối máy tính Có cách ghép nối : ghép song song ghép nối tiếp Thơng qua tiện ích Direct Cable Connection Hình 67 Tiện ích Direct Cable Connection Sử dụng cổng ECP Hình 68 truyền liệu ngoại vi vào máy tính Nguyễn Trường Sanh 89 Đo lường điều khiển máy tính Hình 69 Truyền liệu máy tính vào ngoại vi IV Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Modbus MODBUS Modicon (hiện thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua cặp dây xoắn đơn Ban đầu, hoạt động RS232, sau sử dụng cho RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, mạng đa điểm (multi-drop) MODBUS nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thơng dụng ngành tự động hóa MODBUS RTU thường thiết bị trường, tất kết nối với mạng cấu hình multi-drop Khi chủ MODBUS RTU muốn có thơng tin từ thiết bị, chủ gửi thông điệp liệu cần, tóm tắt dị lỗi tới địa thiết bị Mọi thiết bị khác mạng nhận thông điệp có thiết bị định có phản ứng MODBUS RTU có chủ, PLC, PC, DCS 247 thiết bị tớ kết nối cấu hình multi-drop Hình 70 Một mạng MODBUS RTU có chủ, PLC, PC, DCS 247 thiết bị tớ kết nối cấu hình multi-drop Nguyễn Trường Sanh 90 Đo lường điều khiển máy tính Các thiết bị mạng MODBUS khơng thể tạo kết nối; chúng phản ứng Ba phiên MODBUS phổ biến sử dụng ngày là: - MODBUS ASCII - MODBUS RTU - MODBUS/TCP Tất thông điệp gửi format Sự khác loại MODBUS cách thức thơng điệp mã hóa Với MODBUS ASCII, thơng điệp mã hóa hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII bit Đối với byte thơng tin, cần có byte truyền thơng, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP Tuy nhiên, MODBUS ASC II chậm số loại protocol, lại thích hợp modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio ASC II sử dụng tính phân định thơng điệp Do tính phân định này, rắc rối phương tiện truyền dẫn không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin Điều quan trọng đề cập đến modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay phương tiện truyền thơng khó tính khác Đối với MODBUS RTU, liệu mã hóa theo hệ nhị phân, cần byte truyền thông cho byte liệu Đây thiết bị lí tưởng RS 232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud Tốc độ phổ biến 9600 đến 19200 baud MODBUS RTU protocol công nghiệp sử dụng rộng rãi nhất, viết tập trung đề cập đến sở ứng dụng MODBUS/TCP đơn giản MODBUS qua Ethernet Thay sử dụng thiết bị cho việc kết nối với thiết bị tớ, địa IP sử dụng Với MODBUS/TCP, liệu MODBUS tóm lược đơn giản gói TCP/IP Do đó, mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP hỗ trợ MODBUS/TCP Phiên MODBUS đề cập chi tiết viết lần sau với tiêu đề MODBUS qua Ethernet Nguyên tắc hoạt động MODBUS RTU Để kết nối với thiết bị tớ, chủ gửi thơng điệp có: - Địa thiết bị - Mã chức - Dữ liệu - Kiểm tra lỗi Địa thiết bị số từ đến 247 Thông điệp gửi tới địa (truyền thơng điệp) dược tất tớ chấp nhận, số từ 1-247 địa thiết bị cụ thể Với ngoại lệ việc truyền thông điệp, thiết bị tớ ln phản ứng với thơng điệp MODBUS chủ biết thông điệp nhận Yêu cầu Mã chức Nguyễn Trường Sanh 01 Đọc cuộn cảm 02 Đọc đầu rời rạc 03 Đọc ghi phần 91 Đo lường điều khiển máy tính 04 Đọc bơ ghi đầu vào 05 Viết cuộn cảm đơn 06 Viết ghi đơn 07 Đọc trạng thái ngoại lệ 08 Chẩn đoán xx 255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị Mỗi thiết bị MODBUS có nhớ chứa liệu q trình Thơng số kỹ thuật MODBUS cách liệu gọi nào, loại liệu gọi Tuy nhiên, không đặt giới hạn cách thức vị trí mà nhà cung cấp đặt liệu nhớ Dưới ví dụ cách thức mà nhà cung cấp đặt loại liệu biến thiên q trình hợp lí Các đầu vào cuộn cảm rời rạc có giá trị bit, thiết bị lại có địa cụ thể Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) lưu ghi 16 bit Bằng cách sử dụng ghi này, MODBUS hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit Bộ ghi Holding sử dụng ghi bên 16 bit hỗ trợ điểm floating Địa - 9999 Loại Tên Đọc viết Cuộn cảm 10001 - 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc 30001 - 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào 40001 - 49999 Đọc viết Bộ ghi Holding Dữ liệu nhớ xác định thông số kỹ thuật MODBUS Giả sử nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS (khơng phải tất cả), liệu truy cập dễ dàng chủ, thiết bị tuân theo thông số kỹ thuật nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị cơng bố vị trí nhớ, tao điều kiện cho nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ Mỗi thiết bị MODBUS có nhớ chứa liệu q trình Thơng số kỹ thuật MODBUS cách liệu gọi nào, loại liệu gọi MODBUS có tới 255 mã chức năng, (cuộn cảm đọc), (đầu vào rời rạc đọc), (bộ ghi Holding đọc), (bộ ghi đầu vào đọc) chức đọc sử dụng phổ biến để thu thập liệu từ thiết bị tớ Thí dụ, để đọc từ 16 bit liệu analog từ đồ nhớ thiết bị 5, chủ gửi yêu cầu sau: 04 CRC Trong đó, địa thiết bị, đọc ghi đầu vào, địa khởi đầu (địa 30,002) có nghĩa để đọc giá trị liệu kề xuất phát từ đại 30,002, CRC giá trị kiểm tra lỗi thơng điệp Thiết bị tớ, ngồi việc nhận liệu này, gửi lại trả lời sau: 04 aa bb cc CRC Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS Nguyễn Trường Sanh 92 Đo lường điều khiển máy tính Hình 71 Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS Trong hầu hết nhà máy, thiết bị đo trường kết nối với hệ thống điều khiển với cặp dây xoắn Khi công cụ đo kết nối dây với hệ thống I/O phân tán NCS Moore Industries (giữa), có nhiều thiết bị bổ sung, có cặp dây xoắn đơn cần để truyền tất liệu V Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Ethernet Hệ thống điều khiển Một hệ thống điều khiển tập hợp dụng cụ, thiết bị điện tử, dùng hệ thống cần đảm bảo tính ổn định, xác, chuyển đổi nhịp nhàng quy trình hoạt động sản xuất Nó thực yêu cầu dụng cụ, từ cung cấp lựơng đến thiết bị bán dẫn Với thành phát triển nhanh chóng cơng nghệ việc điều khiển hệ thống phức tạp thực hệ thống điều khiển tự động hóa hồn tồn, PLC, sử dụng kết hợp với máy tính chủ Ngồi ra, cịn giao diện để kết nối với thiết bị khác (như là: bảng điều khiển, động cơ, contact, cuộn dây, ….) Khả chuyển giao mạng PLC Nguyễn Trường Sanh 93 Đo lường điều khiển máy tính cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển hệ thống lớn Ngồi ra, cịn thể linh hoạt cao việc phân loại hệ thống điều khiển Mỗi phận hệ thống điều khiển đóng vai trị quan trọng Mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp khái niệm chung hệ thống thơng số, truyền bít nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biến cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý cơng ty Mạng truyền thông công nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thơng thường điểm giống khác sau: Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng cơng nghiệp coi phần (ở cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất quản lý cơng ty) mơ hình phân cáp mạng công nghiệp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt cấp u cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ lại đặt hàng đầu Giao thức truyền thông Một giao diện mạng bao gồm thành phần xử lý giao thức truyền thông (phần cứng phần mềm) thành phần thích ứng cho thiết bị nối mạng - Tầng ứng dụng (Application layer) - Tầng trình diễn (Presentation layer) - Tầng phiên (Session layer) - Tầng giao vận (Transport Layer) - Tầng mạng (Network Layer) - Tầng liên kết liệu (Data Link Layer) - Tầng vật lí (Physical Layer) Giao thức giao tiếp hay cịn gọi Giao thức truyền thơng, Giao thức liên mạng, Giao thức tương tác, Giao thức trao đổi thông tin (tiếng Anh communication protocol) công nghệ thông tin gọi tắt giao thức (protocol), nhiên, tránh nhầm với giao thức ngành khác - tập hợp quy tắc chuẩn dành cho việc biểu diễn liệu, phát tín hiệu, chứng thực phát lỗi liệu - việc cần thiết để gửi thông tin qua kênh truyền thông, nhờ mà máy tính (và thiết bị) kết nối trao đổi thơng tin với Các giao thức truyền thông dành cho truyền thông tín hiệu số mạng máy tính có nhiều tính để đảm bảo việc trao đổi liệu cách đáng tin cậy qua kênh truyền thông không hồn hảo Có nhiều giao thức sử dụng để giao tiếp truyền đạt thông tin Internet, số giao thức tiêu biểu: TCP (Transmission Control Protocol): thiết lập kết nối máy tính để truyền liệu Nó chia nhỏ liệu thành gói (packet) đảm bảo việc truyền liệu thành công - IP (Internet Protocol): định tuyến (router) gói liệu chúng truyền qua Internet, đảm bảo liệu đến nơi cần nhận - HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu dạng siêu văn bản) qua Internet Nguyễn Trường Sanh 94 Đo lường điều khiển máy tính FTP (File Transfer Protocol): cho phép trao đổi tập tin qua Internet WAP (Wireless Application Protocol): cho phép trao đổi thông tin thiết bị không dây, điện thoại di động Mạng truyền thông Ethernet Mạng Ethernet công nghiệp mạng phục vụ cho cấp quản lý cấp phân xưởng để thực truyền thơng máy tính hệ thống tự động hố Nó phục vụ cho việc trao đổi lượng thông tin lớn, truyền thông phạm vi rộng Khi xảy xung đột mạng ngừng lại q trình gửi điện tín thực lại sau thời gian định Tất trạm mạng (network station) chia tổng băng thơng mạng Băng thơng 10Mbps (megibit per second = megabit/giây), 100Mbps 1000Mbps Ngày nay, cơng nghệ mạng Ethernet sử dụng Switch hay Hub Ethernet thường sử dụng công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn 10Mbps Công nghệ truyền thông 10-Mbps sử dụng hệ thống cáp xoắn đôi Tốc độ chuẩn cho hệ thống Ethernet 100-Mbps Đặc điểm mạng truyền thông Ethernet Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông OIS TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn chọn CSMA/CD thành phần mạng Ethernet cơng nghiệp bình đẳng với Các thơng số mạng Ethernet công nghiệp: - Chuẩn truyền thông: IEEE 802.3 - Số lượng trạm : Max 1024 trạm Môi trường truyền thông : Dây dẫn : Cáp đồng trục, Cáp đôi dây xoắn - Cáp quang : Cáp thuỷ tinh chất dẻo - Cáp kết nối Ethernet có cấu trúc bus Cấu trúc mạng vật lí đường thẳng hình tùy theo phương tiện truyền dẫn Phương thức truyền thông Các chuẩn Ethernet hoạt động tầng Data Link mơ hình lớp OSI Theo chuẩn IEEE 802.3/ Ethernet quy định lớp MAC lớp vật lý Địa IP (IPv4) có độ dài 32 bit tách thành vùng, vùng (mỗi vùng byte) thường biểu diễn dạng thập phân cách dấu chấm (.) Ví dụ: 203.162.7.92 Kết nối truyền thông TCP/ IP dịch vụ truyền thông (Fins/ TCP), xây dựng ứng dụng cách sử dụng lệnh SEND (090), RECV (098), CMND (490) FINS/ TCP chức truyền thông hỗ trợ Ethernet Option Board (CP1W-CIF41) Nó cung cấp lớp TCP / IP phục hồi tự động từ lỗi truyền thông xảy trình định tuyến đa cấp Đây phương thức sử dụng phương pháp chuyển đổi địa IP cho địa IP động TCP/IP dịch vụ truyền thơng FINS Máy tính sau nhận địa IP gửi lệnh đến PLC thu nhận tín hiệu phản hồi từ PLC Nó kết nối trực tuyến đến PLC sử dụng CX-Programmer từ máy tính - Nguyễn Trường Sanh 95 Đo lường điều khiển máy tính Các bước thiết lập điều khiển Hình 72a Lưu đồ khối lập điều khiển Hình 72b Lưu đồ khối lập điều khiển Xác định địa IP máy tính địa IP PLC Thiết lập địa IP CX-Programmer phải phù hợp với IP PLC IP mặc định ban đầu PLC 192.168.250.1 Kết nối mạng sử dụng cáp xoắn đôi Ấn khố cần gạt lên/xuống hai phía nắp khe cắm Option Board lúc để tháo nắp sau kéo nắp ngồi Kiểm tra cân chỉnh góc cắt Ethernet Option Board phù hợp với khe cắm Option Board, ấn chắn Ethernet Option Board bắt dính vị trí Nguyễn Trường Sanh 96 Đo lường điều khiển máy tính Cài đặt Hub Kết nối cổng kết nối từ nhà mạng cung cấp đến hup Từ ngõ hup kết nối vào máy tính PLC Cấu trúc kết nối: RJ45 8-pin Modul kết nối (phù hợp với ISO8877) Trình duyệt Web Sau kết nối cáp xong ta truy cập Web browser Thiết lập hệ thống Ethernet Option Board thiết lập cách sử dụng trình duyệt web từ máy tính cá nhân thiết bị khác Cửa sổ web Ethernet Option Board hiển thị cách truy cập vào URL từ trình duyệt Giao diện hiển thị Thông tin thiết bị Nguyễn Trường Sanh 97 Đo lường điều khiển máy tính Trạng thái thiết bị Xử lý cố Lỗi đăng nhập Ethernet Option Board qui định lỗi đăng nhập để ghi lại lỗi xảy trình Ethernet Option Board hoạt động Nội dung lỗi đăng nhập đọc xố từ trình duyệt web SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Có thể hiểu SCADA hệ thống dùng ứng dụng điều khiển trình cơng nghiệp hóa chất, truyền tải điện Nó dựa máy tính xử lý trung tâm (máy chủ), liệu thu thập từ cảm biến đặt phân xưởng, tòa nhà, hay trạm từ xa gửi máy tính trung tâm để quản lý điều khiển Trong hệ SCADA nguyên tắc có loại thiết bị : MTU (Master Terminal Unit) RTU (Remote Terminal) Thông thường MTU đặt trung tâm, máy tính với phần cứng phần mềm chuyên dụng nhận liệu q trình từ trạm xa, thiết bị Master (một dạng Controller) làm nhiệm vụ thu thập liệu điều khiển có phần truyền thơng với máy tính chủ Các cảm biến hay cấu chấp hành hệ thống mạng công nghiệp nói chung hệ thống SCADA ghép nối với RTU hay PLC để thực q trình điều khiển theo thuật tốn định Đồng thời liệu thu thập (dạng số) truyền trung tâm theo hệ thống mạng truyền thông Các MTU nhận liệu từ RTU, đồng thời đóng vai trị gửi tham số, lệnh điều khiển (với số lượng hạn chế) từ máy tính chủ tới RTU để điều khiển cấu chấp hành Nguyễn Trường Sanh 98 Đo lường điều khiển máy tính 1/ Sơ đồ khối hệ thống Hình 73 Sơ đồ khối hệ thống Bộ nguồn: cấp nguồn điện điều khiển cho CPU tất phận để đảm bảo cho hệ thống hoạt động - Bộ Điều Khiển 1, 2: xử lý PLC, liên kết với thành phần hệ thống, xử lý tín hiệu nhập xuất đưa tín hiệu điều khiển điến cấu chấp hành Xuất tín hiệu đến phần giao diện ngược lại - Cơ cấu chấp hành: nhận tín hiệu từ điều khiển tham gia trực tiếp trình hoạt động - Giao diện: điều khiển hiển thị tín hiệu thu nhận từ xử lý - Bộ phận cảm biến: thu thập tín hiệu từ hệ thống gửi tín hiệu điều khiển 2/ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC Máy tính nối vào Hub máy tính có giao diện điều khiển giám sát hệ thống hoạt động PLC - Chủ ta nối vào Hub với máy tính điều khiển qua cổng Ethernet Option Board CP1W-CIF41 Dùng để nhận tín hiệu từ PLC – Hệ thống truyền tín hiệu điều khiển từ Scada PLC - Chủ PLC – Hệ thống nối mạng với thông qua cổng Built-In RS232 Các ngõ vào PLC Hệ thống dùng để điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC Cổng Option Board CP1W-CIF11 dùng để điều khiển biến tần 3G3JX Nguyễn Trường Sanh 99 Đo lường điều khiển máy tính Hình 74 Điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC 3/ Cấu trúc PLC CP1E-N30DR-A Cấu tạo chung PLC gồm phần sau: Cấu trúc phần cứng PLC CP1E có phận sau: xử lý, nhớ, nhập, xuất Hình 76 Cấu trúc PLC CP1E-N30DR-A Nguyễn Trường Sanh 100 Đo lường điều khiển máy tính 4/ Biến tần 3G3JX Biến Tần thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dịng điện có tần số khác đấu Bộ Biến Tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên 5/ Ethernet Option Board CP1W-CIF41 Ethernet Option Board cung cấp câu lệnh tiếp nhận tiêu chuẩn giao thức FINS Omron Giao diện mạng Ethernet cho phép ta dễ dàng kết nối với điều khiển lập trình upload/ download chương trình, giao tiếp điều khiển (không hỗ trợ thời gian thực quét I/O Ethernet Option Board ) Sử dụng cổng để kết nối PLC – Chủ thông qua mạng Ethernet với máy tính Để thực việc điều khiển giám sát hệ thống hoạt động Nhãn : Địa IP Subnet Mask Kết nối Ethernet: sử dụng cáp Ethernet twisted-pair Thể trạng thái điều khiển Option Board Cấu hình cho hệ thống Ethernet 100Base-TX bao gồm Hub mà node gắn hình thức dấu cách sử dụng cáp xoắn đôi Các thiết bị hiển thị bảng sau để cấu hình mạng 100Base-TX loại CP1W-CIF41 6/ Cảm biến mức Cảm biến mức dùng để hợp cho kiểm tra mức chất lỏng dẫn điện Thích hợp cho hệ thống bơm tự động cấp nước hay dung dịch Có chống xung chống sét cảm ứng Độ bền, độ tin cậy cao, tránh nhược điểm hệ phao học 7/ Cảm biến quang Cảm biến quang Fotek CDR-30X loại cảm biến quang phát vật thể kim loại phi kim 8/ Giao tiếp truyền thông (Communications) 9/Giao tiếp truyền thơng PLC Omron Có nhiều chuẩn giao tiếp truyền thông PLC với : - Programmable Terminals - No-protocol Communications - Serial PLC Links - Modbus-RTU protocol - Host Link Do yêu cầu thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển nên em sử dụng kiểu Serial PLC Links 1: n Link Phương thức giao tiếp truyền thông PLC, cách kết nối PLC trình bày rõ phần phụ lục B Modbus-RTU điều khiển biến tần 3G3JX Khơng cần lập trình truyền thơng truyền nhận liệu với biến tần thực thi dễ dàng Chỉ cần ghi địa chỉ, mã lệnh, liệu vùng nhớ DM Đặc bật bit chức lên ON (A640.00 cho port 1, A641.00 port 2) Thực hành viết chương trình điều khiển ứng dụng Nguyễn Trường Sanh 101 Đo lường điều khiển máy tính Hình 77 Hệ thống trộn rót sản phẩm Quy trình thực hành - Viết lưu đồ - Lắp đặt phần cứng - Kết nối PLC _ Hệ thống với biến tần - Kết nối PLC _ Hệ thống với PLC-Chủ - Kết nối PLC-Chủ với Option Board - Kiểm tra địa IP Address máy tính kết nối mạng Internet - Cài đặt địa IP cho PLC-Chủ - Nạp chương trình cho PLC-Chủ - Nạp chương trình cho PLC-Hệ thống qua cổng USB - Vận hành - Cài đặt thông số - Hiển thị - Lịch sử sản xuất - Sự cố Lưu ý: LẬP TRÌNH CHO MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN - Truy xuất ngoại vi sử dụng ngơng ngử lập trình Qbasis, Pascal, C, môi trường Dos (hợp ngữ) - Viết tập tin liên kết động DDL - Sử dụng ngắt điều khiển - ( Đọc thêm :www.jungo.com) Nguyễn Trường Sanh 102 ... qua môn Lý thuyết điều khiển tự động Vi xử lí Giáo trình soạn dựa theo chương trình chi tiết mơn học Đo lường điều khiển máy tính ngành cơng nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa, số môn học 75... đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp PLC) vào hệ thống điều khiển đo lường Xu hướng phát triển dùng Điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh,... Thực hành viết chương trình điều khiển ứng dụng 101 Nguyễn Trường Sanh Đo lường điều khiển máy tính CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên Mơn học: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH Mã số mơn học: MH26