HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MODULE ANALOG

Trước hết bạn hãy so sánh việc cộng hai tín hiệu tương tự (analog) với việc cộng hai tín hiệu số (digital), công việc nào đơn giản hơn khi mà kỹ thuật số phát triển như hiện nay? Hay ta lấy một ví dụ đơn giản như sau : Ta cần điều khiển nhiệt độ của một lò nung sao cho đạt được chất lượng nào đó. Làm thế nào để đo nhiệt độ về và xử lý nhiệt độ đó như thế nào trong bài toán điều khiển? Một trong những công cụ được sử dụng là module analog. Vậy Module analog là gì? Các bạn đã biết được những gì về module analog ? Bạn đã từng sử dụng chưa ? Nguyên lý hoạt động chung của module analog là gì ?

Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MODULE ANALOG CHO SINH VIÊN MỚI LÀM QUEN VỚI PLC S7-200 Lưu hành nội Hà Nội tháng 6/2015 Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MODULE ANALOG Trước hết bạn so sánh việc cộng hai tín hiệu tương tự (analog) với việc cộng hai tín hiệu số (digital), công việc đơn giản mà kỹ thuật số phát triển nay? Hay ta lấy ví dụ đơn giản sau : Ta cần điều khiển nhiệt độ lò nung cho đạt chất lượng Làm để đo nhiệt độ xử lý nhiệt độ toán điều khiển? Một công cụ sử dụng module analog - Vậy Module analog gì? - Các bạn biết module analog ? - Bạn sử dụng chưa ? - Nguyên lý hoạt động chung module analog ? 1.1 Khái niệm module analog Module analog công cụ để xử lý tín hiệu tương tự thơng qua việc xử lý tín hiệu số 1.2 Analog input Thực chất biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tương tự đầu vào thành số đầu Dùng để kết nối thiết bị đo với điều khiển: chẳng hạn đo nhiệt độ 1.3 Analog output Analog output phần module analog Thực chất biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số đầu vào thành tín hiệu tương tự đầu Dùng để điều khiển thiết bị với dải đo tương tự Chẳng hạn điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz 1.4 Nguyên lý hoạt động chung cảm biến tín hiệu đo chuẩn công nghiệp Thông thường đầu vào module analog tín hiệu điện áp dịng điện Trong tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường tín hiệu không điện nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vì người ta cần phải có thiết bị trung gian để chuyển tín hiệu tín hiệu điện áp tín hiệu dịng điện – thiết bị gọi đầu đo hay cảm biến Để tiện dụng đơn giản tín hiệu vào module Analog Input tín hiệu module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu cơng nghiệp.Có loại chuẩn phổ biến chuẩn điện áp chuẩn dòng điện - Điện áp : – 10V, 0-5V,  5V… - Dòng điện : – 20 mA, 0-20mA,  10mA Trong tín hiệu từ cảm biến đưa lại khơng theo chuẩn Vì người ta cần phải dùng thêm thiết chuyển đổi để đưa chúng chuẩn công nghiệp Kết hợp đầu cảm biến thiết bị chuyển đổi thành cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt thiết bị cảm biến, hay thiết đo chuyển đổi đo ( transducer) Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Module analog Thiết bị cảm biến – 10V Đầu đo Tín hiệu vào khơng điện Thiết bị chuyển đổi Tín hiệu tương tự – 10 V – 20 mA 4-20 mA Analog Input ( A/D) Các số Analog Output ( D/A) Các số GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG EM235 EM 235 module tương tự gồm có 4AI 1AO 12bit (có tích hợp chuyển đổi A/D D/A 12bit bên trong) Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.1 Các thành phần module analog EM235 Thành phần Mô tả đầu vào tương tự A+ , A- , RA kí hiệu B+ , B- , RB chữ A,B,C,D C+ , C- , RC D+ , D- , RD đầu tương tự (MO,VO,IO) Gain Offset Switch cấu hình Sơ đồ khối đầu vào Analog Các đầu nối đầu vào A Các đầu nối đầu vào B Các đầu nối đầu vào C Các đầu nối đầu vào D Các đầu nối đầu Chỉnh hệ số khuếch đại Chỉnh trôi điểm không Cho phép chọn dải đầu vào độ phân giải Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Sơ đồ khối đầu Analog Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.2 Định dạng liệu a/ Dữ liệu đầu vào: - Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…) - Định dạng: + Đối với dải tín hiệu đo khơng đối xứng (ví dụ 0-10V,0-20mA): MSB LSB 15 14 0 Dữ liệu 12 bit 0 Modul Analog Input S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dịng) thành giá trị số từ  32000 + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ  10V,  10mA,): MSB LSB 15 Dữ liệu 12 bit 0 0 Modul Analog Input S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào áp, dịng) thành giá trị số từ -32000  32000 b/ Dữ liệu đầu ra: - Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…) - Định dạng liệu + Đối với dải tín hiệu đo khơng đối xứng (ví dụ 0-10V,4-20mA): MSB LSB 15 14 0 Dữ liệu 11 bit 0 0 Modul Analog output S7-200 chuyển đổi số  32000 thành tín hiệu điện áp đầu  10V + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ  10V,  10mA,): Kiểu module Analog output S7-200 không hỗ trợ MSB 15 Dữ liệu 12 bit 0 LSB 0 c/ Bảng tổng hợp : Định dạng liệu Giá trị chuyển đổi Kiểu tín hiệu đối xứng (  - 32000 đến +32000 10V,  10mA,) Tín hiệu khơng đối xứng (0 đến +32000  10V,  20mA) Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.3 Cách nối dây a/ Đầu vào tương tự: - Với thiết bị đo đầu kiểu điện áp: RA A+ + - Điện áp A- - Với thiết bị đo tín hiệu đầu dịng điện: RA A+ + A- - 4-20 mA PS PS M Hoặc : RA A+ A- b/ Đầu tương tự: + - 4-20 mA L+ M Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn MO VO Tải điện áp IO Tải dòng điện c/ Cấp nguồn cho Module: M L+ Tổng quát cách nối dây: Nguồn 24 VDC Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.4 Cài đặt dải tín hiệu vào Module EM 235 cho phép cài đặt dải tín hiệu độ phân giải đầu vào switch: On Off Sau bảng cấu hình : Dải khơng đối xứng SW1 SW2 SW3 ON OFF OFF OFF ON OFF ON OFF OFF OFF ON OFF ON OFF OFF ON OFF OFF OFF ON OFF SW4 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF SW5 OFF OFF ON ON OFF OFF OFF SW6 ON ON ON ON ON ON ON Dải đầu vào Độ phan giải – 50 mV – 100 mV – 500 mV 0–1V 0–5V – 20 mA – 10 V 12.5 uV 25 uV 125 uV 250 uV 1.25 mV uA 2.5 mV Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Dải đối xứng SW1 SW2 ON OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF SW3 OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF ON SW4 ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF SW5 OFF OFF OFF ON ON ON OFF OFF OFF SW6 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF Dải đầu vào Độ phân giải ± 25 mV ± 50 mV ± 100 mV ± 250 mV ± 500 mV ± 1V ± 2.5 V ±5V ± 10 V 12.5 uV 25 uV 50 uV 125 uV 250 uV 500 uV 1.25 mV 2.5 mV mV 2.5 Trình tự thiết lập chỉnh cho module analog a/ Căn chỉnh đầu vào cho module analog - Hãy tắt nguồn cung cấp cho module - Gạt switch để chọn dải đo đầu vào - Bật nguồn cho CPU module Để module ổn định vòng 15 phút - Sử dụng truyền, nguồn áp, nguồn dòng, cấp giá trị đến đầu vào - Đọc giá trị nhận CPU - Căn vào giá trị chỉnh OFFSET để đưa giá trị (căn chỉnh điểm không) , giá trị số cần thiết kế - Sau nối đầu vào với giá trị lớn dải đo - Đọc giá trị nhận CPU - Căn vào giá trị chỉnh GAIN để đọc giá trị 32000, giá trị số cần thiết kế - Lặp lại bước chỉnh OFFSET GAIN cần thiết Chú ý : - Phải chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải loại bỏ nhiễu phải ổn định - Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu - Các đầu vào analog không sử dụng phải nối ngắn mạch (ví dụ A+ nối với A) MỘT SỐ ỨNG DỤNG 3.1 Viết chương trình tính tốn giá trị điện áp đo từ chiết áp a/Hãy lắp mạch theo sơ đồ sau : ………………………………… - b/ Xây dựng cơng thức tính tốn: Dải điện áp đầu chiết áp : – 10V Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn - Với dải điện áp module analog chuyển đổi sang dải giá trị từ – 32000 Vậy ta đọc giá trị CPU 24000 giá trị analog đầu vào Volt ? Đầu vào analog (y)-V 10 ?V Đầu số (x) 0 24000 32000 Sự biến đổi từ giá trị tương tự đầu vào sang số biến đổi 1-1 , hồn tồn tuyến tính Vì mối quan hệ đầu vào đầu mối quan hệ tuyến tính có dạng đường thẳng đơn giản y = ax + b Có thể thấy phương trình có dạng y = x/3200 Do biết giá trị số 24000 ta tính đầu 7.5 V Ta tổng qt hóa cơng thức tính tốn để xây dựng chương trình con: Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 24000 Chương trình tính toán 32000 7.5 (V) y = x/3200 0.0 (V) 10.0 (V) Tổng quát hóa D_Out D_Min D_Max A_Min A_Max - Chương trình tính tốn A_In y = ax + b Các kí hiệu : A_In : Giá trị analog đầu vào cần xác định A_Min : Giá trị giới hạn giá trị đầu vào tương tự A_Max : Giá trị giới hạn giá trị đầu vào tương tự D_out : Giá trị chuyển đổi số A_In D_Min : Giá trị chuyển đổi số A_Min D_Max : Giá trị chuyển đổi số A_Max Từ ta xác định cơng thức tính tốn cho giá trị đầu vào A _ In  A _ Max  A _ Min ( D _ Out  D _ Min)  A _ Min D _ Max  D _ Min c/ Tiến hành viết chương trình : + Chương trình : Khai báo biến vào biến tạm thời Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Các thích : Chương trình : Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn + Trong chương trình ta gọi chương trình + Tiến hành biên dịch, download, debug chương trình 3.2 Viết chương trình xuất liệu đầu Analog - Với dải giá trị từ – 32000, module analog biến đổi đầu tín hiệu tương tự từ – 10V Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn - Vậy ta cần điện áp đầu V giá trị số cần đưa ? Giá trị số cần đưa (y) 32000 ? Đầu tương tự (x) - V 0 10 Sự biến đổi từ giá trị số sang tín hiệu tương tự đầu biến đổi 1-1 Vì mối quan hệ đầu vào đầu mối quan hệ tuyến tính có dạng đường thẳng đơn giản y = ax + b Có thể thấy phương trình có dạng y = 3200.x Do giá trị đầu V ta tính số cần đưa vào để biến đổi 25600 Ta tổng qt hóa cơng thức tính tốn để xây dựng chương trình con: Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 8.0 V 0.0 10.0 V 32000 Chương trình tính tốn 25600 y = x/3200 Tổng qt hóa A_Out A_Min A_Max D_Min D_Max - Chương trình tính tốn D_In y = ax + b Các kí hiệu : A_Out : Giá trị analog đầu mong muốn A_Min : Giá trị giới hạn tín hiệu tương tự A_Max : Giá trị giới hạn tín hiệu tương tự D_In : Giá trị số tương ứng với A_Out D_Min : Giá trị số tương ứng với A_Min D_Max : Giá trị số tương ứng với A_Max Từ ta xác định cơng thức tính tốn cho giá trị đầu vào D _ In  D _ Max  D _ Min ( A _ Out  A _ Min)  D _ Min A _ Max  A _ Min c/ Tiến hành viết chương trình : + Khai báo biến vào biến tạm chương trình Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn + Chú thích : + Chương trình : Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Tài liệu Chun viên PATRICK P.K biên soạn + Chương trình gọi chương trình : + Tiến hành biên dịch, download debug Tài liệu Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 3.3 Ứng dụng đo nhiệt độ môi trường - Dải tín hiệu đo 0-150oC - Đầu 0-10V - Cần tính nhiệt độ thực tế mơi trường