Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển số quá trình trên nền vi điều khiển AVR

Tớnh cấp thiết của ủiều khiển quỏ trỡnh

Cỏc hệ thống này nhằm mục ủớch nõng cao chất lượng sản phẩm, nõng cao năng xuất lao ủộng, giảm chi phớ sản xuất, giải phúng người lao ủộng khỏi những vị trớ làm việc ủộc hại .vv…. Cỏc hệ thống tự ủộng hoỏ thực hiện chức năng ủiều chỉnh cỏc thụng số cụng nghệ núi riờng và ủiều khiển toàn bộ quỏ trỡnh cụng nghệ hoặc toàn bộ xớ nghiệp núi chung. Chất lượng của sản phẩm và năng suất lao ủộng của cỏc phõn xưởng, của từng nhà mỏy, xớ nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của cỏc hệ thống tự ủộng hoỏ này.

Do sự phỏt triển mạnh mẽ của cụng nghệ vi ủiện tử và cụng nghệ chế tạo cơ khớ chớnh xỏc, cỏc thiết bị ủo lường và ủiều khiển cỏc quỏ trỡnh cụng nghệ càng ủược chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác.

Giới thiệu chung về ủiều khiển quỏ trỡnh 1. Khái quát chung

Biến vào là một ủại lượng hoặc một ủiều kiện phản ỏnh tỏc ủộng từ bờn ngoài vào quỏ trỡnh, vớ dụ như dũng nguyờn liệu, nhiệt ủộ hơi nước cấp nhiệt, trạng thỏi ủúng/mở của rơle sợi ủốt… Biến ra là một ủại lượng hoặc một ủiều kiện thể hiện tỏc ủộng của quỏ trỡnh ra bờn ngoài, vớ dụ nồng ủộ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng ủộ khớ thải…. Cả ủặc tớnh tĩnh (trạng thỏi ổn ủịnh) và ủặc tớnh ủộng lực học (thay ủổi theo thời gian) ủều phải ủược tớnh toỏn cụ thể trong quỏ trỡnh hoạt ủộng của hệ thống và tỡm hiểu rừ trước khi tiến hành thiết kế bộ ủiều khiển quỏ trỡnh. Không những thế, với xu hướng tích hợp cao như hiện nay, cỏc bộ ủiều khiển quỏ trỡnh ủược tớch hợp sẵn cỏc thuật toỏn ủiều khiển như PID, mờ… vỡ thế nú cú khả năng xử lý tớnh toỏn dữ liệu và ủưa ra lệnh ủiều khiển cho các thiết bị chấp hành.

Sự ra ủời của bộ ủiều khiển số quỏ trỡnh ủó ủỏp ứng ủược yờu cầu cần thiết của việc ủiều khiển cỏc thụng số quỏ trỡnh và một loạt cỏc yờu cầu khỏc mà cỏc thiết bị ủiều khiển logic trước nú khụng thể ủỏp ứng ủược hoặc ủỏp ứng hạn chế.

Giới thiệu một số bộ ủiều khiển số cụng nghiệp

Cỏc bộ ủiều khiển số quỏ trỡnh cú cấu trỳc nhỏ gọn, thuận tiện lắp ủặt sử dụng do ủặc ủiểm của cỏc thiết bị ủiều khiển là gần cỏc thiết bị trường. Bộ vi ủiều khiển viết tắt là Micro – controller, là mạch tớch hợp trờn một con chip và cú thể lập trỡnh ủược, dựng ủể ủiều khiển hoạt ủộng của một hệ thống. Theo cỏc tập lệnh của nhà sản xuất, người sử dụng cú thể lập trỡnh ủể vi ủiều khiển tiến hành ủọc, giải mó, lưu trữ thụng tin, xử lý thụng tin, và từ ủú sẽ thực hiện một cụng việc của một cơ cấu nào ủú.

Trong thiết bị ủiện, ủiện tử dõn dụng, cỏc bộ vi ủiều khiển ủiều khiển hoạt ủộng của TV, ủầu ủọc laser, ủiện thoại, lũ vi súng.

Giới thiệu tổng quan về vi ủiều khiển ATMEGA 16

Trong trường hợp mà cổng ủược ủịnh nghĩa là cổng vào thỡ thanh ghi này lại mang dữ liệu ủiều khiển cổng. USART hỗ trợ 4 chế ủộ hoạt ủộng xung clock: bất ủồng bộ, bất ủồng bộ tốc ủộ cao, truyền ủồng bộ master và truyền ủồng bộ slave. Quỏ trỡnh khởi tạo USART bao gồm việc thiết lập tốc ủộ baud, thiết lập ủịnh dạng khung và kích hoạt bộ truyền và bộ nhận.

Tốc ủộ baud, chế ủộ hoạt ủộng và ủịnh dạng khung truyền phải ủược thiết lập trước khi thực hiện truyền dữ liệu. Tốc ủộ baud, chế ủộ hoạt ủộng và ủịnh dạng khung truyền phải ủược thiết lập trước khi thực hiện truyền dữ liệu. Bộ counter bắt ủầu ủếm với giỏ trị ban ủầu là n/2, sau khi ủếm tới n thỡ mạch lấy mẫu bắt ủầu hoạt ủộng ủể lấy dữ liệu tại ủiểm giữa của bit-cell ủến.

Sau khi tim ủược ký tự SYN, tức ủó ủạt ủược ủồng bộ ký tự, bờn thu sẽ nhận từng byte và so sỏnh với cỏc ký tự ủiều khiển như STX, ETX … nhằm phõn biệt ký tự ủiều khiển và dữ liệu. - Node truyền phỏt hiện khi nào message ủược gửi ủi khụng ủược nhận hay khụng hiểu bởi node nhận và phải cú hành ủộng thớch hợp. Giao thức Token passing trỏnh ủược tỡnh trạng chỉ cú một Master và cho phộp bất cứ node nào ủều cú thể thực hiện việc ủiều khiển mạng.

Nếu cú hơn 2 node cố gắng truyền tại một thời ủiểm, ngoại trừ một node, cỏc node khỏc cũn lại phải phỏt hiện cú xung ủột, dừng truyền dữ liệu và sẽ thử lại sau một thời gian delay. Khả năng giao thức hoạt ủộng tốt như thế nào tựy thuộc vào việc thiết lập thời gian delay cần thực hiện khi cú xung ủột. Bờn cạnh ủú, RS485 dựng chuẩn truyền thụng bất ủồng bộ, phần mềm thường khụng cú cỏch nào kiểm tra từng bớt nhận ủược, vỡ vậy việc phỏt hiện xung ủột theo từng bit là khụng thể.

+ Mạng cú thể dựng một dạng format xỏc ủịnh cho message ủược gửi ủể tất cả cỏc node biết ủược khi nào message kết thỳc.

Giới thiệu một số chuẩn truyền thông 1. Chuẩn truyền thông RS-232

Nếu truyền tớn hiệu ủi xa, R sẽ tăng dần ủến ỏp rơi trờn ủất sẽ lớn dần ủến lỳc tớn hiệu logic sẽ rơi vào vựng khụng xỏc ủịnh và mạch thu sẽ khụng nhận ủỳng dữ liệu ủược truyền từ mạch phỏt. Như vậy ủất là ủiểm tham chiếu khụng ủỏng tin tưởng và một cỏch tốt hơn cho việc truyền tớn hiệu lỳc này là ta ủi thờm một dõy thứ 3, nú sẽ ủược nối mass tại nguồn cung cấp ủể dựng làm ủiện ỏp tham chiếu. Nếu ủiện trở ủầu cuối khụng phự hợp với giỏ trị trở khỏng ủặc tớnh của ủường dõy thỡ nhiễu cú thể xảy ra do cú sự phản xạ xuất hiện trờn ủường truyền, nhiễu ở mức ủộ nhỏ thỡ khụng sao nhưng nếu ở mức ủộ lớn thỡ cú thể làm tớn hiệu bị sai lệch.

Ở ủõy việc truyền và nhận dữ liệu ủược thực hiện bởi 1 cặp dõy xoắn nờn truyền nhận dữ liệu khụng thể diễn ra ủồng thời mà phải theo hỡnh thức bỏn song cụng (half duplex), trong một thời ủiểm chỉ cú một bộ truyền. Khi thiết kế thuật toỏn PID số cho vi ủiều khiển chỳng ta cũng thực hiện thuật toỏn PID theo nguyờn tắc chung như trờn nhưng sử dụng cỏc khối Timer ủể quản lý việc thực hiện thuật toỏn. Cỏc thụng số ủầu vào bộ ủiều khiển là Ref_Input và Mea_Input luụn ủược cập nhập từ cỏc cổng vào ra số và tương tự trờn kit ủiều khiển ủể vi ủiều khiển thực hiện thuật toỏn PID ỏp ủặt lờn cơ cấu chấp hành ủiều khiển ủối tượng.

Trong quỏ trỡnh ủiều khiển dựa trờn sai lệch ủầu vào giữa Ref_Input và Mea_Input bộ ủiều khiển PID số tỏc dụng vừa ủưa sai lệch mụ hỡnh về khụng vừa ủảm bảo cỏc chỉ tiờu chất lượng ủiều khiển. Mỗi một chu kỡ thực hiện thuật toỏn PID trờn vi ủiều khiển thỡ tớn hiệu ủầu ra của hệ thống ủiều khiển luụn ủược cập nhập qua cảm biến chuyển ủổi phản hồi về tạo tớn hiệu Mea_Input. Cú nhiều phương phỏp ủể ỏp dụng cho quỏ trỡnh xỏc ủịnh tham số cho bộ ủiều khiển nhưng một trong những phương phỏp thụng dụng và ủơn giản nhất hiện nay là phương phỏp thực nghiệm.

Ngoài việc thu thập và ủiều khiển, bộ ủiều khiển cũn cú chức năng giao tiếp với PC và cỏc bộ ủiều khiển khỏc ủể truyền nhận giữ liệu (thụng qua cổng truyền thụng RS485, RS232). Phớm CT1(Menu) dựng ủể lựa chọn chương trỡnh thiết lập chế ủộ hoạt ủộng cho bộ ủiều khiển như chế ủộ ủiều khiển, thiết lập cỏc thụng số quỏ trỡnh… ; CT2 tăng, CT3 giảm, Phớm CT4 (Enter) dựng ủể xỏc nhận lựa chọn, phớm CT5 dựng ủể hủy chương trình vừa thiết lập; phím CT6 Start,CT7 Stop; phím CT8 ðảo chiều quay ủộng cơ. Trong ủề tài này bộ ủiều khiển ủược thiết kế thực hiện 2 chức năng ủiều khiển: ðiều khiển thụng số nhiệt ủộ, ủộ ẩm và ủiều khiển ổn ủịnh tốc ủộ ủộng cơ một chiều cú ủảo chiều quay.

Như ủó biết cỏc chõn ra của vi ủiều khiển chỉ cú thể ủặt ở mức ủiện ỏp là 0V và 5V với dũng qua nú là 25mA.Với bộ ủiều khiển số quỏ trỡnh thỡ hầu hết cỏc tải ủều cú ủiện ỏp cao cụng suất lớn.Vỡ vậy ta cần phải thiết kế mạch ủiều khiển ủể chuyển ủổi mức ủiện ỏp cỏc cổng ra của vi ủiều khiển cho phự hợp với ứng dụng.