Bài giảng Điều khiển bằng máy tính - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung Bài giảng Điều khiển bằng máy tính gồm có khái niệm chung, cấu trúc các cổng giao tiếp máy tính, giao tiếp qua cổng song song, giao tiếp qua cổng nối tiếp và giao tiếp qua cổng USB, Các chuẩn truyền thông và giao tiếp máy tính, lập trình cho máy tính điều khiển, card thu thập dữ liệu và điều khiển, lập trình giao tiếp nối tiếp, các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A, điều khiển tuần tự, hệ thống điều khiển số và mạng truyền thông công nghiệp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điều khiển bằng máy tính - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU Môn học điều khiển bằng máy tính là một môn học chuyên ngành dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành Công nghệ kỹ thuật Điện, Điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Môn học đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp, và PLC) vào hệ thống điều khiển. Xu hướng phát triển là dùng điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển và giá thành hợp lý. Để học tốt môn học này sinh viên cần phải học qua các môn: Cấu trúc máy tính và giao diện, lý thuyết điều khiển tự động và vi xử lý. Bài giảng gồm các phần: khái niệm chung, cấu trúc các cổng giao tiếp máy tính, giao tiếp qua cổng song song, giao tiếp qua cổng nối tiếp và giao tiếp qua cổng USB, Các chuẩn truyền thông và giao tiếp máy tính, lập trình cho máy tính điều khiển, card thu thập dữ liệu và điều khiển, lập trình giao tiếp nối tiếp, các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A, điều khiển tuần tự, hệ thống điều khiển số và mạng truyền thông công nghiệp. Bài giảng này tác giả đã đọc và giảng dạy cho các lớp ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa từ khóa 2 đến khóa 7. Quá trình biên soạn bài giảng không tránh khỏi thiếu sót, nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn các nhận xét góp ý của các thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, cùng các bạn đồng nghiệp và bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn. i
Mục lục LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. i CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG .............................................................................. 1 1.1. Máy tính trong điều khiển quá trình ..................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm cơ bản .......................................................................................... 1 1.1.2. Lịch sử phát triển ........................................................................................... 2 1.1.3. Hệ thống. ....................................................................................................... 4 1.1.4. Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống điều khiển máy tính. ..................... 5 1.2. Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống ........................................................... 7 1.3. Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. ....................................................... 8 1.3.1. Điều khiển vòng hở: ...................................................................................... 8 1.3.2. Điều khiển vòng kín (Điều khiển hồi tiếp): .................................................. 9 1.4. Các thành phần chính trong máy tính điều khiển ............................................... 10 1.4.1. Hệ thống máy tính ....................................................................................... 11 1.4.2. Bản mạch chính (Mainboard): .................................................................... 13 1.4.3. Bộ xử lý trung tâm (CPU) ........................................................................... 14 1.4.4. Bộ nhớ (Memory) ........................................................................................ 15 1.5. Câu hỏi và bài tập chương 1 ............................................................................... 15 CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC NGOẠI VI GIAO TIẾP MÁY TÍNH ................................ 16 2.1. Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính ....................................................................... 18 2.1.1 Giao tiếp qua rãnh cắm ISA ......................................................................... 18 2.1.2.Giao tiếp qua rãnh cắm PCI ......................................................................... 23 2.1.3. Giao tiếp qua Bus AGP. .............................................................................. 28 2.1.4. Giao tiếp qua Bus PCI Express (PCIe). ...................................................... 30 2.2. Cổng giao tiếp song song .................................................................................. 32 2.2.1.Giới thiệu về cổng giao tiếp song song ........................................................ 32 2.2.2. Cấu trúc của cổng song song ....................................................................... 33 2.3. Cổng giao tiếp nối tiếp (COM) .......................................................................... 37 2.3.1. Cấu trúc của cổng nối tiếp (COM) .............................................................. 38 2.3.2. Mạch chuyển mức ....................................................................................... 41 2.4. Cấu trúc cổng nối tiếp USB................................................................................ 42 2.4.1. Khái quát chung .......................................................................................... 42 2.4.2. Cấu trúc cổng USB ...................................................................................... 43 2.5 Giao tiếp không dây ............................................................................................ 48 2.5.1 Giao tiếp bluetooth ....................................................................................... 48 2.5.2. Giao tiếp hồng ngoại ................................................................................... 49 2.5.3. Giao tiếp qua mạng LAN hoặc Wifi ........................................................... 50 ii
2.6. Phương pháp chuyển đổi cổng USB sang UART ..............................................51 2.6.1. Mạch chuyển USB sang UART có chế độ chọn 3v3 và 5V dùng PL2303 .51 2.6.2. Mạch chuyển từ USB sang UART dùng CP 2102 ......................................52 2.6.3. Mạch chuyển đổi USB sang UART dùng IC Atmega 8 ............................. 53 2.6.4. Chuyển từ cổng USB Thành Cổng RS232 sử dụng cab chuyển đổi ...........55 2.7. Câu hỏi và bài tập chương 2 ...............................................................................57 CHƯƠNG 3. CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH .........58 3.1. Chuẩn giao tiếp cổng song song .........................................................................58 3.2. Giao tiếp PC với PC ...........................................................................................62 3.2.1. Giao tiếp chế độ chuẩn ................................................................................62 3.2.2. Chế độ mở rộng ...........................................................................................63 3.2.3 Giao tiếp PC với thiết bị ngoại vi .................................................................64 3.3. Chuẩn kết nối ổ cứng ..........................................................................................64 3.3.1. Chuẩn kết nối IDE (EIDE) ..........................................................................64 3.3.2. Chuẩn kết nối SATA (Serial ATA) ............................................................. 65 3.4. Chuẩn giao tiếp RS-232......................................................................................67 3.4.1. Khái quát chung ...........................................................................................67 3.4.2. Quá trình truyền dữ liệu ..............................................................................69 3.4.3. Sơ đồ ghép nối RS232 ................................................................................70 3.5. Chuẩn RS 485 .....................................................................................................71 3.6. Chuẩn giao tiếp USB (Universal Serial Bus) .....................................................75 3.6.1. Kết nối USB với máy tính ...........................................................................75 3.6.2. Truyền dữ liệu của USB .............................................................................78 3.7. Chuẩn giao tiếp SPI ............................................................................................ 79 3.8. Chuẩn giao tiếp I2C (I²C) ...................................................................................80 3.9. Chuẩn giao tiếp không dây. ................................................................................82 3.10. Câu hỏi và bài tập chương 3 .............................................................................83 CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH...................................................85 4.1. Lập trình giao tiếp cổng song song.....................................................................85 4.1.1. Ghép nối hai máy tính bằng cổng song song...............................................85 4.1.2. Lập trình giao tiếp cổng song song với ngoại vi sử dụng Led đơn .............86 4.1.3. Lập trình ghép nối cổng song song với bộ điều khiển ĐC một chiều. ........90 4.2. Lập trình giao tiếp qua cổng nối tiếp ..................................................................91 4.2.1. Phương thức giao tiếp máy tính ..................................................................91 4.2.2. Ngôn ngữ lập trình và giao diện máy tính ...................................................92 4.2.3. Lập trình giao tiếp máy tính PC điều khiển thiết bị ngoại vi sử dụng phần mềm Visual tạo ứng dụng và lập trình cho 8051. ...............................................101 iii
4.2.4. Lập trình giao tiếp PC với Arduino dùng VB.NET và cổng COM(USB) 111 4.2.5. Lập trình dùng Matlab ............................................................................... 119 4.2.6. Lập trình dùng LABVIEW ........................................................................ 129 2. Chức năng từng khối ....................................................................................... 133 4.3. Câu hỏi và bài tập chương 4 ............................................................................. 146 12. Lập trình giao tiếp máy tính PC với Adruino điều khiển các động cơ một chiều ứng dụng trong rô bốt. ........................................................................................................ 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 147 iv
Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Mô hình quá trình vật lý tổng quát ...................................................................1 Hình 1.2 Hoạt động của máy tính số ...............................................................................1 Hình 1.3 Máy tính trong điều khiển quá trình .................................................................2 Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính ....................................................6 Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC ..........................................................7 Hình 1.6 Điều khiển phân cấp xí nghiệp. ........................................................................8 Hình 1.7 Hệ thống điều khiển vòng hở ...........................................................................9 Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín ...................................9 Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính. ......................................10 Hình 1.10 Quá trình xử lý thông tin trên máy tính ........................................................11 Hình 1.11 Các thành phần của máy tính........................................................................12 Hình 1.12 Sơ đồ khối đơn giản bản mạch chính của hệ vi tính PC ............................... 13 Hình 1.13 Cấu tạo chi tiết 1 bo mạch chủ (Mainboard) ................................................14 Hình 1.14 Một số loại CPU thông dụng ........................................................................15 Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống bus có vi mạch DMA .....................................17 Hình 2.2 Một số cổng giao tiếp với máy tính ................................................................ 18 Hình 2.3 Vị trí Bus ISA trên Mainboard .......................................................................19 Hình 2.4 Vị trí của Bus AGP 8x trên Mainboard ..........................................................29 Hình 2.5 Phân loại Bus AGP theo băng thông .............................................................. 29 Hình 2.6 Truyền dữ liệu qua bộ Switch trong PCI Express ..........................................31 Hình 2.7 Phương thức truyền dữ liệu PCIe ...................................................................31 Hình 2.8 Các tiêu chuẩn PCIe .......................................................................................32 Hình 2.9 Sơ đồ chân cổng song song ............................................................................33 Hình 2.10 Sơ đồ kết nối và bắt tay. ...............................................................................35 Hình 2.11 Đồ thị đọc dữ liệu .........................................................................................35 Hình 2.12 Giao tiếp song song hai chiều qua cổng SPP ...............................................36 Hình 1.13 Vào 8 bit với 74LS157 .................................................................................37 Hình 2.14 Sơ đồ chân cổng nối tiếp ..............................................................................38 Hình 2.15 Sơ đồ trao đổi thông tin ................................................................................40 Hình 2.16 Sắp xếp chân (a ) và sơ đồ cấu trúc (b) của vi mạch MAX232 ....................41 Hình 2.18 Kiến trúc phân tầng của USB ......................................................................44 Hình 2.19 Cấu trúc chân và cab của USB .....................................................................44 Hình 2.20 Các tín hiệu USB chuẩn 3.0 .........................................................................45 Hình 2.21 Các tín hiệu bên trong cáp USB 3.0 ............................................................. 46 Hình 2.22 Vị trí các tín hiệu chuẩn 3.0 trên cổng USB .................................................46 Hình 2.23 Kiến trúc bus đôi (dual bus) của USB 3.0. ...................................................47 v
Hình 2.24 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART ..................................................... 51 Hình 2.25 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART dùng CP 2102 ............................. 52 Hình 2.26 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART dùng IC mega8 ........................... 53 Hình 2.27 Thiết lập chọn cổng COM ............................................................................ 54 Hình 2.28 Thiết lập cài đặt ............................................................................................ 54 Hình 2.29 Cách nối cổng USB ...................................................................................... 55 Hình 2.30 Thiết lập cài đặt cho cab ............................................................................... 56 Hình 2.31 Một số Card giao tiếp máy tính .................................................................... 57 Hình 3.1 Sơ đồ giao tiếp chế độ chuẩn.......................................................................... 63 Hình 3.2 Chức năng các chân giao tiếp chế độ chuẩn................................................... 63 Hình 3.3 Sơ đồ giao tiếp và chức năng các chân của chế độ mở rộng .......................... 63 Hình 3.4 Sơ đồ Card giao tiếp thiết bị ngoại vi với máy tính ....................................... 64 Hình 3.5 Cáp PATA và ổ HDD chuẩn PATA .............................................................. 65 Hình 3.6 Cáp Serial ATA .............................................................................................. 66 Hình 3.7 Cáp chuẩn Serial ATA và chuẩn parallel EIDE ............................................. 67 Hình 3.8 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232 ..................................... 68 Hình 3.9 Mạch giao tiếp chuẩn RS232 dùng Max232 .................................................. 70 Hình 3.10 Mạch giao tiếp chuẩn RS232 dùng DS275 .................................................. 71 Hình 3.12 Nguyên lý giao tiếp RS-485 ......................................................................... 72 Hình 3.13 Các bộ thu phát ............................................................................................. 73 Hình 3.14 Bộ chuyển đổi sử dụng vi mạch đổi mức điện áp ........................................ 73 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lí khối phát với bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 ... 74 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lí khối thu với bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 ..... 74 Hình 3.17 Cấu trúc giao thức USB ............................................................................... 76 Hình 3.18 Cấu trúc giao thức chuẩn SPI ....................................................................... 79 Hình 3.19 Đồ thị chế độ hoạt động chuẩn SPI .............................................................. 80 Hình 3.20 Sơ đồ kết nối chuẩn I2C ............................................................................... 82 Hình 4.1 Mạch điều khiển các led đơn .......................................................................... 86 Hình 4.2 Mạch điều khiển động cơ một chiều .............................................................. 90 Hình 4.3 Sơ đồ giao tiếp PC với PC .............................................................................. 91 Hình 4.4 Sơ đồ giao tiếp PC với thiết bị ngoại vi ......................................................... 92 Hình 4.5 Khai báo Import Actix X ................................................................................ 96 Hình 4.6 Thiết lập các thông số cổng COM .................................................................. 97 Hình 4.7 Thiết lập thuộc tính MSComm ....................................................................... 98 Hình 4.8 Sơ đồ giao tiếp máy tính qua cổng truyền thông nối tiếp với VĐK 8051 ... 102 Hình 4.9 Khởi động Visual Basic và thiết lập thông số .............................................. 102 Hình 4.10 Tạo giao diện trên Visual Basic. ................................................................ 104 vi
Hình 4.11 Ứng dụng chạy trên WINDOW ..................................................................106 Hình 4.12 Thiết lập giao diện dùng Visual Basic........................................................108 Hình 4.13 Ứng dụng chạy trên Window .....................................................................110 Hình 4.14 Board arduino .............................................................................................111 Hình 4.15 Cấu tạo Arduino .........................................................................................112 Hình 4.16 Chương trình Blink LED ............................................................................115 Hình 4.17 Giao diện chương trình nhận dữ liệu trên VB. NET ..................................116 Hình 4.18 Chương trình RS232 Communication ........................................................122 Hình 4.19 Cửa sổ GUIDE Quick Start trong Matlab ..................................................123 Hình 4.20 Giao diện GUI trong Matlab.......................................................................124 Hình 4.21 Giao diện tạo nút bấm.................................................................................125 Hình 4.22 Thay đổi các thuộc tính ..............................................................................126 Hình 4.23 Giao diện chọn hàm callbacks ....................................................................127 Hình 4.24 Kiểm tra kết quả trong Matlab....................................................................128 Hình 4.25 Cửa số Getting Started của LabVIEW .......................................................132 Hình 4.26 Cửa sổ Front Panel và Block Diagram .......................................................136 Hình 4. 27 Các kiểu dữ liệu cơ bản trong LabVIEW ..................................................138 Hình 4.28 Giao diện bảng điều khiển ..........................................................................138 Hình 4.29 Sơ đồ lập trình LabView ............................................................................139 Hình 4.30 Chức năng các khối lệnh được sử dụng .....................................................139 vii
Danh mục các bảng biểu Bảng 2.1 Sơ đồ chân rãnh cắm ISA trên mainboard của máy IBMPC – XT,AT. ........ 21 Bảng 2.2 Các địa chỉ vào ra của máy vi tính IBMPC - AT........................................... 22 Bảng 2.3 Cho vị trí các tín hiệu trên slot ....................................................................... 25 Bảng 2.4 Sơ đồ chân rãnh cắm PCI 64 bit .................................................................... 25 Bảng 2.5 Lệnh PCI (từ C/BE#) ..................................................................................... 27 Bảng 2.6 Sơ đồ chân và ý nghĩa các chân của cổng SPP .............................................. 34 Bảng 2.7 Bảng tín hiệu trong cổng COM chuẩn RS-232C: .......................................... 39 Bảng 3.1 Bảng sơ đồ chân giao tiếp dữ liệu chuẩn SATA ............................................ 66 viii
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. Máy tính trong điều khiển quá trình 1.1.1. Khái niệm cơ bản Ngày nay việc sử dụng máy tính nói riêng và vi xử lý nói chung trong các dây chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt buộc để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong các sản phẩm dân dụng việc sử dụng vi xử lý góp phần tăng tính thông minh của sản phẩm và tạo tiện lợi cho người sử dụng. Để mô tả cụ thể của máy tính trong điều khiển quá trình, chúng ta cần định nghĩa quá trình là gì. Quá trình vật lý (a physical process) là tổ hợp các tác vụ được thực thi để tác động lên, thay đổi, một điều gì đó trong thế giới thực. Sự chuyển động, phản ứng hóa học và truyền nhiệt là các quá trình. Sản phẩm (materials) và năng lượng (energy) là thành phần cơ bản hiển nhiên của quá trình vật lí. Môi trường Nhiễu Sản phẩm vào Sản phẩm ra Quá trình vật lí Năng lượng vào Năng lượng ra Thông tin Thông tin vào ra Hình 1.1 Mô hình quá trình vật lý tổng quát Máy tính số là thiết bị quan trọng xử lí thông tin (Hình 1.2) và có thể tác động lên thông tin liên quan đến quá trình (Hình 1.3). Thông tin vào Máy tính số Thông tin ra Hình 1.2 Hoạt động của máy tính số 1
Vi xử lý được sử dụng trong điều khiển và đo lường dưới ba dạng: - Máy tính điều khiển (Máy vi tính-MVT). - Vi xử lý điều khiển nhúng (còn gọi là vi điều khiển-VĐK), nghĩa là vi điều khiển là một bộ phận không tách rời của thiết bị được điều khiển. - Bộ điều khiển logic lập trình được PLC. Cả ba dạng trên được thiết kế dựa trên cơ sở hoạt động của vi xử lý với chức năng xử lý thông tin theo sơ đồ hình 1.3 Môi trường Nhiễu Sản phẩm vào Sản phẩm ra Quá trình vật lí Năng lượng vào Năng lượng ra Tín hiệu đo lường Và điều khiển Thiết bị nhập Thiết bị xuất (bàn phím) Máy tính (Màn hình) Hình 1.3 Máy tính trong điều khiển quá trình 1.1.2. Lịch sử phát triển Một ứng dụng đầu tiên của máy tính điều khiển quá trình là vào năm 1959; liên quan đến một số chức năng ở nhà máy hóa dầu tại Port Arthur, Texas(UAS). Công trình đầu tiên kết hợp giữa công ty Thomson ramo Woolridge và Texaco. RW300, máy tính dùng đèn điện tử, kiểm soát dòng chảy, nhiệt độ, áp suất và phân tử trong nhà máy lọc (hóa dầu). Máy tính tính toán tín hiệu điều khiển mong muốn dựa trên dữ liệu vào và thay đổi điểm đặt của bộ hiệu chỉnh analog và chỉ thị người vận hành các điều khiển được thực hiện bằng tay. 2
Độ tin cậy phần cứng thấp vì dùng đèn điện tử. Phần mềm được viết bằng lập trình hợp ngữ. Phương pháp toán học cổ điển dựa trên phân tích thời gian liên tục không thể dùng trực tiếp cho thiết kế vòng lặp điều khiển để hiện thực trên máy tính. Điều khiển máy tính ban đầu minh họa sự cần thiết cho lý thuyết điều khiển lấy mẫu, cung cấp nền tảng cho sự phát triển. Chương trình không gian của Mỹ trong thập niên 1960 và đặc biệt dự án Apollo đã hiện thực cho công trình lý thuyết và thực tiễn. Vào năm 1962, ICI (Imperial Chemical Industries) giới thiệu khái niệm điều khiển số trực tiếp DDC(Direct digital control); ý tưởng là thay vòng điều khiển analog thông thường bằng máy tính trung tâm. Ý tưởng của DDC vẫn còn được áp dụng trong nhiều hệ thống điều khiển máy tính ngày nay. Tên gọi điều khiển số trực tiếp nhằm nhấn mạnh rằng máy tính điều khiển quá trình một cách trực tiếp. Tính linh hoạt là thuận lợi của hệ thống DDC. Sự phát triển bán dẫn trong thập niên 1960 dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của máy tính. Ba yếu tố: phần cứng máy tính tốt hơn, quá trình ít phức tạp hơn, và lý thuyết điều khiển phát triển, được kết hợp lại gia tăng sự thành công của điều khiển máy tính. Đây là thời kỳ máy tính mini. Các đòi hỏi về máy tính điều khiển quá trình gắn chặt với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp. Có thể thiết kế hiệu quả hệ thống điều khiển quá trình bằng máy tính mini. Máy tính quá trình tiêu biểu thời kì này có độ dài từ 16 bit. Bộ nhớ chính là 8-124 K words. Ổ đĩa được sử dụng thông thường là bộ nhớ phụ. CDC 1700 là máy tính tiêu biểu thời kì này. Các ứng dụng máy tính thông dụng trong điều khiển công nghiệp là bus mở. Giao tiếp (bus) giữa các mođun vận hành được nhấn mạnh. Phần cứng máy tính phát triển mạnh mẽ, năng lực tính toán mạnh, lý thuyết điều khiển phát triển: điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh (hệ mờ và mạng nơrôn). Các ứng dụng điều khiển máy tính gia tăng. Phi thuyền thám hiểm mặt trăng Apollo 11 vào năm 1969 có máy tính với 64 KByte bộ nhớ chính. Thời kỳ máy vi tính và sử dụng đa năng của điều khiển máy tính. Việc sử dụng dễ dàng của điều khiển máy tính bị giới hạn trong hệ thống công nghiệp lớn vì máy tính số chỉ dùng trong các máy đắt tiền, lớn, chậm và không tin cậy. Sự phát triển của công nghệ vi điện tử tiếp tục cùng tiến bộ trong công nghệ VLSI; năm 1990 bộ vi xử lý trở nên thông dụng. Thị trường lớn như là điện tử ô tô đã dẫn đến sự phát triển của máy tính chuyên dụng được gọi là vi điều khiển, trong đó chip máy tính chuẩn có sẵn A/D và D/A, thanh ghi và các đặc điểm khác làm cho giao tiếp dễ dàng với thiết bị vật lý. Điều khiển quá trình hiện thực dùng kỹ thuật khí nén hay điện tử nhưng luôn là điều khiển dựa vào máy tính. Điều khiển số với thuật toán PID. Máy điều khiển số NC và điều khiển số bằng máy tính CNC cũng được phát triển. 3
Hệ thống điều khiển số phát triển, cả phần cứng và phần mềm. Cấu trúc của toàn thể giải pháp gồm đơn vị phần cứng, mô đun phần mềm và truyền thông là thách thức chính. Hệ thống tự động hóa công nghiệp truyền thống có hai thành phần là bộ điều khiển và logic role. Bộ điều khiển logic lập trình được PLC được dùng nhiều trong các dây chuyền công nghệ vì khả năng làm việc liên tục và trong môi trường khắc nghiệt. Công nghệ vi xử lí đã nhấn mạnh vào cách máy tính áp dụng vào điều khiển toàn bộ nhà máy sản xuất. Thật là hiệu quả kinh tế để phát triển hệ thống gồm nhiều máy vi tính giao tiếp nhau chia sẻ tài nguyên. Những hệ thống như vậy gồm trạm quá trình, điều khiển quá trình; trạm vận hành ở đó người vận hành quá trình giám sát các hoạt động; và nhiều trạm khác nữa, chẳng hạn cho cấu hình hệ thống và lập trình, lưu trữ dữ liệu,vv… Hệ thống đầu tiên loại này là Honeywell TDC 2000 vào năm 1975 và nhanh chóng được phát triển bởi các hãng khác. Thuật ngữ điều khiển phân bố được nhấn mạnh. Hệ thống điều khiển và giám sát diện rộng (SCADA). Máy tính công nghiệp mạnh (IPC) làm nhiệm vụ giám sát, kết nối với PLC hay bộ điều khiển thu thập vào ra hiện trường, các module I/O thông qua mạng Ethernet-TCP/IP hay bus trường . Phần mềm giao diện người máy (HMI) cùng điều khiển và giám sát hệ thống. Tương lai tiến đến là CIM, sản xuất tích hợp dùng máy tính. Điều khiển dựa vào máy tính (PC based Control) là xu hướng phát triển chung hiện nay. 1.1.3. Hệ thống. Hệ thống hiểu theo quan điểm hộp đen, nghĩa là ta chỉ cần biết quan hệ vào ra của hệ thống, không quan tâm bên trong hệ hoạt động ra sao. Mục đích của hệ là đạt được kết quả về định tính và định lượng cao hơn tổng kết quả của từng thành phần đơn. Hệ thống Vào (hộp đen) Ra Hệ thống có nhiều loại: điện, hóa học, cơ khí và sinh học. Máy tính cá nhân là hệ thống được xây dựng với các thành phần cơ bản gồm đơn vị xử lí trung tâm CPU, bộ nhớ và thiết bị ngoại vi, bus hệ thống. Cùng với phần mềm thêm vào(phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng) chúng ta có máy tính mà nó có thể thực hiện nhiều thứ. Cơ thể con người là hệ thống rất phức tạp được xây dựng với các phần hữu cơ mà thực hiện các chức năng khác nhau. Một khía cạnh quan trọng của tri thức hệ thống là hệ thống động. Mô hình cho điều khiển gồm có: 4
- Mô tả hệ liên tục. - Mô tả hệ lấy mẫu. - Hệ tuần tự hay sự kiện rời rạc. - Hệ thống với sự không chắc chắn (thông tin khác chắc chắn). Rõ ràng, có các cách tiếp cận khác nhau phụ thuộc vào mô hình hệ được sử dụng như thế nào. Bộ điều khiển khác nhau cần mô hình đối tượng khác nhau. Chúng ta xem xét hệ thống ở cả tiếp cận miền thời gian và tiếp cận miền tần số. 1.1.4. Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống điều khiển máy tính. Ứng dụng điều khiển máy tính quá trình rất nhiều : công nghệ cơ khí chế tạo: NC, CNC , FMS, robot; công nghiệp xử lý hóa, dầu khí, nhựa, giấy…; hệ thống năng lượng điện; điều khiển đèn giao thông ,vv… Các quá trình có sử dụng máy tính điều khiển rất đa dạng, thí dụ: - Hệ thống điện. - Dàn khoang dầu khí, nhà máy hóa dầu.. - Nhà máy hóa chất, xi măng, giấy, nhựa.. - Nhà máy cơ khí chế tạo và lắp ráp (NC, CNC, robot..), FMS. - Hệ thống điều khiển giao thông. Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển bằng máy tính ở hình 1.4, và gồm có các bộ phận sau : - Bộ xử lí trung tâm (bao gồm vi xử lý, bộ nhớ..). - Các kênh truyền thông liên lạc giữa người-máy tính và máy-máy. - Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi tương tự-số, số - tương tự. - Cảm biến (cảm biến nhiệt, áp suất, dịch chuyển, vận tốc..). - Chấp hành(Relay, động cơ, van khí và thủy lực, xy lanh..). - Quá trình vật lý. 5
Máy tính trung tâm Người vận Máy vi tính hành Giao diện Tín hiệu Đổi TT-số Đổi số - TT Tín hiệu nhị phân nhị phân Khuếch đại công suất Khuếch đại công suất Cảm biến Chấp hành Quá trình Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính Tùy theo độ phức tạp của đối tượng điều khiển ta có thể sử dụng một công cụ máy tính hoặc là hệ thống nhiều máy tính ghép với nhau theo mạng phân bố và phân cấp. Việc giao tiếp giữa các máy tính thường là giao tiếp tuần tự không đồng bộ. Giao tiếp người-máy thực hiện qua bàn phím(keyboard, touch panel), màn hình (CRT, LCD) hay kênh âm thanh. Tín hiệu đo lường điều khiển có 2 dạng: nhị phân(on/off) và tương tự. Đối với những tín hiệu tương tự từ cảm biến, cần sử dụng các bộ chuyển đổi ra dạng điện áp hay dòng rồi chuyển từ tương tự sang số(ADC). Tín hiệu điều khiển dạng số cần chuyển sang tương tự (DAC). Tùy theo loại cơ cấu chấp hành ta cần các bộ khuếch đại công suất phù hợp (KĐCS lớp B, điều rộng xung, điều khiển pha, biến tần, khóa bán dẫn, role). Do bản chất làm việc của máy tính là tuần tự nên máy tính chỉ giao tiếp với bên ngoài theo những khoảng thời gian rời rạc vì vậy hệ thống điều khiển dùng máy tính là hệ thống điều khiển rời rạc(lượng tử) và các vấn đề phát sinh như thời gian lấy mẫu, thời gian trễ do tính toán xử lý, sai số do lượng tử vì độ phân giải có hạn của chuyển đổi A/D và D/A cần phải được xét đến. 6
1.2. Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống Hệ thống điều khiển quá trình thực tế thường là hệ thống phức tạp bao gồm Nhiều vi xử lí thể hiện dưới ba dạng máy vi tính, VĐK và PLC. Lấy thí dụ máy CNC tức là máy công cụ điều khiển số bằng máy tính gồm các phần sau : - Mức thấp nhất là các bản mạch điều khiển truyền động điện động cơ bước hay động cơ chấp hành dùng để tạo chuyển động theo ba chiều. Các bản mạch này sử dụng VĐK làm nhiệm vụ đo và điều khiển vị trí theo trị số đặt từ mức trên đưa xuống. - Trên một mức là bộ điều khiển số NC sử dụng VĐK có màn hình tinh thể lỏng và bàn phím ghép với các bản mạch điều khiển và ấn định độ dịch chuyển các trục. Các khoảng dịch chuyển theo ba trục có thể đưa vào bằng bàn phím(điều khiển bằng tay), băng đục lỗ hoặc từ máy tính chạy chương trình CAD/CAM đưa xuống. Quỹ đạo dao(hai hay ba chiều ) được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng còn các toạ độ hiển thị dưới dạng nhị phân. - Bên cạnh bộ điều khiển số có thể thêm một PLC làm các nhiệm vụ có tính chất lặp và đơn điệu như phun chất giải nhiệt thay dao, điều khiển truyền động chính .. liên laic với VĐK ở mức hai. - Trên cùng là máy vi tính lập ra đường đi của dao cắt dựa trên yêu cầu gia công và công nghệ cắt gọt. Máy vi tính sẽ chuyển xuống cho bộ điều khiển số chương trình gia công. Máy vi tính Giao diện Bộ điều PLC người- máy khiển số Bản mạch Bản mạch Điều khiển Điều khiển Máy công cụ Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC Mở rộng ra cho quá trình phức tạp thí dụ như nhà máy. Mức thấp nhất là các máy và các đơn vị sản xuất tiếp xúc trực tiếp với quá trình (dây chuyền). Ở mức trên là các 7
tế bào sản xuất gồm nhiều máy kết hợp (phân xưởng). Lịch sản xuất của các phân xưởng do phòng kế hoạch sản xuất đưa xuống trên cơ sở kế họach của hội đồng quản trị và giám đốc (hình 1.6). Quản lí Điều khiển sảnxuất Điều khiển quá trình Điều khiển Điều khiển Điều khiển cục bộ cục bộ cục bộ Hình 1.6 Điều khiển phân cấp xí nghiệp. Do tính chất đa dạng của các thiết bị về chủng loại và nhãn hiệu vấn đề ghép nối các thiết bị nói trên (tích hợp hệ thống- system intergrator) đòi hỏi phải có tiêu chuẩn chung về cơ (kích thước), điện (điện áp, dòng, cáp nối), truyền thông. Hệ thống sản xuất phức tạp thường cấu trúc theo mạng, thấp nhất là mạng PLC gồm nhiều PLC kết nối qua mạng MPI, Profibus.. trong mạng có máy tính hay màn hình HMI. Cấp cao hơn là mạng PLC+ máy tính SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition), máy tính làm nhiệm vụ chẩn đoán hư hỏng, hiển thị, thay đổi thông số hoạt động của hệ thống, lưu trữ và tường trình, có thể có nhiều máy tính kết nối theo mạng LAN. Một dạng phân cấp khác là hệ thống điều khiển phân bố DCS(Distributed Control System), trong mạng có máy tính giám sát, máy tính điều khiển quá trình, PLC, RTU(Remote Terminal Unit), FCU(Field Control Unit) hoạt động dưới một chương trình bảo đảm năng suất, chất lượng sản phẩm, tránh ngừng dây chuyền sản xuất. 1.3. Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. 1.3.1. Điều khiển vòng hở: Hệ thống điều khiển vòng hở (Hệ thống không hồi tiếp) Thành phần của hệ thống điều khiển vòng hở thường được chia làm hai phần: bộ điều khiển và quá trình bị điều khiển (còn gọi là đối tượng điều khiển). 8
u(t) Bộ điều ĐTĐK r(t) c(t) khiển Hình 1.7 Hệ thống điều khiển vòng hở Trong đó : r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra, u(t) là tín hiệu điều khiển. 1.3.2. Điều khiển vòng kín (Điều khiển hồi tiếp): Hệ thống điều khiển vòng kín (Hệ thống điều khiển có hồi tiếp). Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín : Đối tượng, e(t) Bộ điều u(t) c(t) r(t) khiển quá trình điều khiển (ĐT) (ĐK) Bộ so sánh cn(t) Cảm biến, thiết bị đo lường (ĐL) Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín Trong đó: r(t) là tín hiệu vào; c(t) là tín hiệu ra; c*(t) là tín hiệu hồi tiếp và u(t) là tín hiệu điều khiển. Một hệ thống điều khiển bao gồm 3 thành phần cơ bản đó là đối tượng điều khiển, cảm biến hay thiết bị đo lường và bộ điều khiển dùng để hiệu chỉnh các hành vi của hệ. Tín hiệu đầu ra bộ so sánh e(t) = r(t)- c*(t), là sai số, ở hình vẽ 1.9 cũng chính là tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển. Hệ thống điều khiển số: Hệ thống điều khiển bằng máy tính chứa cả tín hiệu liên tục và tín hiệu lấy mẫu hay rời rạc theo thời gian. Những hệ thống như vậy về truyền thống được họi là hệ thống lấy mẫu dữ liệu. Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer-controlled system) còn được gọi là hệ thống lấy mẫu dữ liệu (sampled-data system). Sơ đồ khối hệ như sau 9
Clock Máy tính Quá {y(tk )đ} Giải {u(tk )đ} U(y) trình Y(t) A-D thuật D-A (đối tượng) Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính. Thuật toán điều khiển: PID, đặt cực, tối ưu tuyến tính dạng toàn phương (LQ). Các thí dụ của hệ thống điều khiển bằng máy tính: - Điều khiển vị trí. - Điều khiển tốc độ. - Điều khiển nhiệt độ. - Điều khiển dòng (lưu lượng)(Flow control). - Điều khiển áp suất. - Điều khiển công suất, dòng điện, điện áp. - Điều khiển cường độ sáng. 1.4. Các thành phần chính trong máy tính điều khiển Mục đích chính của tập bài giảng là thể hiện quan điểm tích hợp của điều khiển máy tính trong các quá trình công nghiệp. Các kiến thức lý thuyết nền tảng cần thiết mà người đọc cần biết : - Tính toán cơ bản. - Lý thuyết mạch điện cơ bản. - Lý thuyết điều khiển hồi tiếp cơ bản. - Nguyên lý cơ bản về cấu trúc máy tính và hoạt động. - Ngôn ngữ lập trình cấp cao như là Basic, Pascal, Fortran, C/C++, Visual Basic, Delphi, Visual C++/Visual C#. Khi sử dụng máy tính điều khiển quá trình ta phải giải quyết các vấn đề sau: - Ghép nối máy tính với ngoại vi (cảm biến và chấp hành). - Lập trình điều khiển thời gian thực bao gồm các chương trình con đo, xử lý số, thuật toán điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển. - Truyền thông và mạng công nghiệp. 10
1.4.1. Hệ thống máy tính Máy tính, hay gọi là máy vi tính, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính toán hay kiểm soát các hoạt động mà có thể biểu diễn dưới dạng số hay quy luật lôgic. Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản đã định nghĩa trước. Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin. Nếu được thiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường hợp này khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống. Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được chuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan thành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi là hệ đếm cơ số 2). Sau đó, mọi tính toán trên các thông tin này được tính toán bằng đại số Bool (Boolean algebra). Khi máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: màn hình, máy in, ... - Máy tính là công cụ xử lý thông tin. Về cơ bản, quá trình xử lý thông tin trên máy tính cũng giống như quá trình xử lý thông tin của con người gồm có 4 giai đoạn chính. Hình 1.10 Quá trình xử lý thông tin trên máy tính + Nhận thông tin (Receive input): thu nhận thông tin từ thế giới bên ngoài vào máy tính. Thực chất đây là quá trình chuyển đổi các thông tin (dạng số hoặc tương tự) ở thế giới thực sang dạng biểu diễn thông tin trong máy tính thông qua các thiết bị đầu vào. + Xử lý thông tin (process information):là quá trình biến đổi, phân tích, tổng hợp, tra cứu... những thông tin ban đầu để có được những thông tin mong muốn. + Xuất thông tin (produce output) : đưa các thông tin kết quả (đã qua xử lý) ra trở lại thế giới bên ngoài. Đây là quá trình ngược lại với quá trình ban đầu, máy tính 11
sẽ chuyển đổi các thông tin trong máy tính sang dạng thông tin ở thế giới thực thông qua các thiết bị đầu ra. + Lưu trữ thông tin (store information): ghi nhớ lại các thông tin đã được ghi nhận để có thể đem ra sử dụng trong những lần xử lý về sau. - Để đáp ứng 4 thao tác đó thì một máy tính thông thường cũng gồm bốn thành phần hợp thành, mỗi thành phần có một chức năng riêng: + Thiếp bị nhập (input device) : thực hiện thao tác đưa dữ liệu từ thế giới bên ngoài vào, thường là bàn phím và con chuột, nhưng cũng có thể là các loại thiết bị khác. Các thiết bị nhập có thể sẽ phải quaquá trình chuyển đổi ADC để phù hợp với quá trình xử lý trong máy tính. + Thiết vị xử lý : hay đơn vị xử lý trung tâm - CPU thực hiện thao tác xử lý, tính toán các kết quả, điều hành hoạt động tính toán của máy vi tính, có thể xem CPU như một bộ não của con người. + Thiết bị xuất (Output) thực hiện thao tác gửi thông tin ra ngoài máy vi tính, màn hình máy tính là thiết bị xuất chuẩn, có thể thêm một số khác như máy in, loa… + Thiết bị lưu trữ (storage devices) được dùng để cất giữ thông tin. Lưu trữ sơ cấp (primary momery) là bộ nhớ trong (ROM, RAM) của máy tính dùng để lưu các tập lệnh của chương trình, các thông tin dữ liệu sẵn sàng trong tư thế chuẩn bị làm việc theo yêu cầu của CPU. Lưu trữ thứ cấp (secondary storage) là lưu trữ với mục đích cất giữ dữ liệu thường dùng các thiết bị như đĩa cứng, đĩa mềm, CD,.. Hình 1.11 Các thành phần của máy tính 12