Điều khiển lập trình PLC: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn sách "Điều khiển PLC" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Khái niệm cơ bản và định nghĩa, điểu khiển logic, cấu trúc và hoạt động của PLC, hoạt động của bộ nhớ của PLC. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Điều khiển lập trình PLC: Phần 1

TS. NGUYỄN TRỌNG DOANH
TS. NGUYỄN TRỌNG DOANH ĐIÊU KHIỄN PLC \-t-J NHÀ X U Ấ T BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI
Chịu trách nhiệm xuất bản: PHẠM NGỌC KHÔI Biên tập: TS. NGƯYẼN h u y t i ế n Trình bày bìa: XUÂN DŨNG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội In 200 bản khổ 16 X 24cm, tại Xí nghiệp In NXB Văn hóa Dân tộc Số đăng ký kế hoạch XB: 235 - 2012/CXB/267-13/KHKT. Quyết định XB số: 07/QĐXB - NXBKHKT, ngày 14/01/2013. In xong và nộp lưu chiểu Quý IV năm 2013.
LỜI NÓI ĐẦƯ Tự động hoá ngày nay trở thành một nhu cầu không thể thiếu được trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dàn. Công nghệ tự động hoá đã và đang đóng vai trò quyết định trong sản xuất, bởi vì nó đáp ứng được hai yêu cầu chính của sản xuất đó là: năng suất và chất lượng. Tự động hoá có thể làm tăng nâng suất, nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm. Tuy nhiên tự động hoá một quá trình sản xuất là một nhiệm vụ khó và phức tạp nhất so với việc tự động hoá ờ các lĩnh vực khác. Tự động hoá chính là tập hợp trí tuệ đỉnh cao của các ngành như: Cơ khí, điện , điện tử, điều khiển và tin học. Phần cơ khí bao gồm các lĩnh vực như động lực học của các cơ cấu trong các máy móc, thiết bị; thiết kế các cơ cấu truyền động cơ khí chính xác, thuỷ lực, khí nén và ứng dụng các vật liệu chế tạo mới. Phần điện - điện tử tạo nền tảng cho việc cung cấp năng lượng và các phần tử của hệ thống điều khiển tự động với các loại động cơ điện đặc biệt, các phần tử cảm biến, các mạch hay các thiết bị điều khiển. Plìần điều khiển tập trung vào các qui luật điều khiển để có thể tạo ra một hệ thống có chất lượng điều khiển cao nhất. Phần tin học đã và đang đóng vai trò rất quan trọng trong việc quản lý, điều hành, tổ hợp, phối hợp các hoạt động của các phần tử trong hệ thống tự động. Chính vì thế từ những năm 70 đã xuất hiện các ngành kỹ thuật mới, mà bản thân các ngành này là sự tổ hợp của nhiều ngành khác nhau như Công nghệ robot (Robotics), Công nghệ tự động hoá hay M echatronics (Mechanics + Electronics + Control + Infonnatics), Công nghệ Cơ sinh học Biomechanics (Biology + Mechanics) vv. Đẽ có thể hiểu được vể Công nghệ Tự động hoá các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật phải được trang bị các kiến thức cơ bản về kỹ thuật điện, về điều khiển tự động, về động lực học hệ thống, cơ khí chính xác, về nguyên lý hoạt động của các phán tử và cơ cấu trong hệ thống điều khiển tự động và đặc biệt là logic công nghệ của hệ thống được tự động hoá. Đối với các quá trình công nghệ đơn lẻ, để tự động hoá được không cần đến các hệ thống điều khiển phức tạp, mà chỉ cần các hệ thống điều khien cư bản dạng hệ thống điều khiển tương tự. Các máy tự động, các dây chuyền sản xuất hay các hệ thống vật lý phức tạp, không chỉ đòi hỏi một hệ thống các thiết bị kỹ thuật cao mà bắt buộc phải điều khiển bằng các hệ thống điều khiển số hay điểu khiển bằng máy tính. Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC (Programable Logic Controller) là một thiết bị điểu khiển công nghiệp dạng thiết bị điều khiển số chuyên dụng, nó không chỉ thay th ế cho thiết bị điều khiển lô gíc cứng mà còn có thế thay thế được các thiết bị điều khiến tương tự thông thường bằng kỹ thuật điều khiển số. Cuốn sách này với mục tiêu chủ yếu phục vụ cho các sinh viên đại học, 3
nên tác giả buộc phải giới thiệu qua các : trước khi đi vào các nội dung chính cua f và các ứng dung của nó. Nội dung của + Phan thu nhat: Cơ sơ điều khiển logic + Phần thứ hai: Thiết bị điều khiển khả ’ập trình PLC, l + Phần thứ ba : Các ứng dụng cùa PLC Chãc chăn răng trong quá trình biên soạn lần đầu cuốn sách này sẽ không thê tránh hết được các thiếu sót về nội dung lẫn học thuật, vì vậy rất mong được các bạn đọc góp ý trực tiếp hoặc trao đổi thông qua địa chì: Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy - Viện Cơ khíi Đại học Bách khoa H à Nội, Nhà C5 - 112, Sô' 1 Đại Cổ Việt, Hai Bà Trưng - Hà Nội hoặc qua e-mail: doanhnt@ hotmaiI.com Tác giả 4
MỤC LỤC Lời nói đầu 3 Phần thứ nhất C ơ SỞ ĐIỀU KHIỂN LOGIC Chương 1 KHÁI NIỆM c ơ BẢN VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.1. Khái niệm cơ b ản ................................................................................................ 9 1.2. Các hế đếm và các hệ m ã............................................................................ 12 Chương 2 ĐIỂU KHIỂN LOGIC 2.1 Đại số Boole..................................................................................................... 29 2.1.1. Biến logic và hàm logic......................................................................... 29 2.1.1.1. Biến logic................................................................................................ 29 2.1.1.2. Hàm logic.............................................................................................. 29 2.1.1.3. Các phương pháp biểu diễn hàm logic.............................................. 30 2.1.2. Các phép tính logic................................................................................... 30 2.1.2.1. Toán tử phủ định (N O T )....................................................................... 30 2.1.2.2. Toán tử nhân (A N D )............................................................................. 30 2.1.2.3. Toán tử cộng ( O R ) .............................................................................. 31 2.1.2.4. Toán tử NOR và NAND....................................................................... 31 2.1.2.5. Toán tử cộng hạn chế (XOR)............................................................... 32 2.1.3. Biểu diễn hình học các mệnh đề logic................................................. 32 2.1.4. Các hệ thức De M organ........................................................................... 37 2.1.5. Tính chất bao của hàm logic.................................................................. 39 2.1.6. Các phần tử logic...................................................................................... 41 2.1.6.1. Phần tử phủ định (NOT)........................................................................ 41 2.1.6.2. Phần tử nhân A N D .................................................................................. 41 2.1.6.3. Phần tử cộng O R ..................................................................................... 42 2.1.6.4. Phần tử N O R .............................................................................................. 43 2.1.6.5. Phần tử N A N D ........................................................................................ 44 2.1.6.6. Các tính chất của toán tử NOR và NAND........................................... 45 2.2 Cách diễn tả hàm lo g ic ................................................................................. 48 2.3. Rút gọn hàm lo g ic .......................................................................................... 55 2.3.1. Nguyên lý rút gọ n.......................................................................................... 55 2.3.2. Phương pháp dùng bảng ma trận Karnaugh............................................ 55 5
2.3.3. Phương pháp Quine - Me Cluskey............................................................. 59 2.4 Thể hiện các hàm logic bằng vật chất ..................................^ 2.4.1. Các mạch logic điẹn tiếp điểm....... ..............................65 2.4.2. Mạch logic rơle điện từ.. .............................. 66 2.4.3 Mạch logic diode và logic transistor....................................................... 67 2.4.4. Logic trờ và transistor (RTL)...................................................................... 74 2.4.5. Logic transitor - transistor (TTL)................................................................. 76 2.4.6. Mạch lôgíc tích hợp CMOS (IG )............................................................... 7-7 Phần thứ hai THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC - PLC Chương 3 CÁU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA PLC 3.1 Mờ đầu vể PLC.....................................................................................................82 3.2 Lịch sử phát triển cùa PLC.................................................................................83 3.3. Thành phần cơ bàn của PLC.............................................................................85 3.3.1 Bộ xử lý tín hiệu CPU ......................................................................................86 3.3.2. Bò n h ớ .......... ............................................................................................... 88 3.3.3 Môđun vào/ra................................................................................................. 89 3.3.4 Môđun nguồn....................................................................................................90 3.3.5 Thiết bị lập trình........................................................................................... 90 3.4. Phàn loại PLC ...................................................................................................... 93 3.5. Hoạt động của PLC ..................................................................................... 102 3.6. Ngôn ngữ lập trình PLC cơ s ờ ................................................................ 105 3.6.1 Giới thiệu...................................................................................................... 105 3.6.2 Tiêu chuẩn quốc tê cho các ngôn ngữ lập trình của P L C .................. 106 3.6.3 Các ngôn n sữ lập trình cơ sờ .................................................................... 107 3.6.3.1 Ngôn ngữ Bànc lệnh STL (Statement List)...................................... 108 3.6.3.2. Ngôn ngữ Sơ đổ thang LAD (Ladder Diagram )............................. 116 3.6.3.3. Ngôn ngữ Sơ đồ khối hàm logic FBD (Function Block Diagram). 122 3.6.3.4. Ngôn n g ữ G ra íc e t.................................................................................. 126 Chương 4 HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NHỚ CỦA PLC 4.1 Các thành phần và cấu trúc cùa bộ nhớ.....................................................131 4.1.1 T ế bào nhớ h it.............................................................................................. 131 4.1.2 Đơn vị bộ nhớ của PLC................................................................................. 131 4.1.3 Tệp nhớ (File)...............................................................................................132 6
4.1.4 Các dạng bộ nhớ........................................................................................ 134 4.2 Tổ chức bộ nhớ cùa PLC 5 Allen Bradley............................................... 136 4.2.1 Cấu trúc của các tệp nhớ.......................................................................... 138 4.2.1.1 Bit nhớ trong.............................................................................................. 138 4.2.1.2 Miền nhớ chương trình ứng dụng.......................................................... 139 4.2.1.3 Kích cỡ của bộ nhớ ứng dụng.................................................................139 4.2.2 Cách ghi địa chỉ của PLC 5 Allen Bradley.............................................. 140 4.2.3 Giao diện giữa phần cứng và phần m ềm ................................................ 142 4.3 Tổ chức bộ nhớ của Siemens PLC S7 - 300..............................................144 4.3.1 Cấu trúc bộ nhớ......................................................................................... 144 4.3.2 Cách ghi địa chỉ vào/ra trên PLC Siemens Simatic S7-300.................. 146 Chương 5 HỆ THỐNG KÊNH VÀO - KÊNH RA 5.1 Các dạng đầu vào/ ra .................................................................................... 149 5.2 Các môđun vào/ra số ................................................................................... 153 5.3. Môđun vào/ra tương tự.............................................................................. 162 5.4 Môđun chuyên dụng................................................................................... 164 5.5 Môđun vào/ra thông m inh.......................................................................... 165 5.6 Thiết kế hệ thống vào/ra.................................................................................167 Chương 6 KẾT N ố i MẠNG TRUYEN d ữ l i ệ u 6.1 Cơ sở truyền thông...................................................................................... 170 6.2 Truyền thông bằng kỹ thuật dồn kênh................................................. 173 6.3 Kiểm tra lỗi truyền thông tin..................................................................... 174 6.4 Các cấu trúc mạng PLC.............................................................................. 176 6.4.1 Topo m ạng................................................................................................ 176 6.4.2 Các giao thức truyền thông (Communication Protocol).................... 179 6.5 Cấu trúc mạng tiêu chuẩn........................................................................... 183 6.6 Các chuẩn phần cứng nối tiếp.................................................................. 184 6.7 Môđun truyền thông................................................................................... 190 Chương 7 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA PLC5 - ALLEN BRADLEY 7.1. Mở đầu ......................................................................................................... 193 7.2 Lập trình bằng sơ đồ thang tiêu chuẩn và nâng cao............................ 193 7.2.1 Các lệnh cơ bản của sơ đổ thang............................................................ 193 7.2.2 Lập trình sơ đổ thang nâng cao............................................................. 212 7.3 Ngôn ngữ bậc cao ST................................................................................... 229 7.4 Ngôn n g ữ G ra íc e t............................................................................................ 331 7
Chương 8 NG Ô N N G Ữ LẬP TRÌNH CỦA PLC S7 -300 C Ủ A SIEM ENS 8.1 Giới thiệu.................... .. 237 8.1.1 Cấu true của lệnh STL,'.. '. ...................237 8.1.2 Cấu trúc của A ccu....... ..............237 8.1.3 Cấu trúc của từ trạng thái.... ............ 238 8 .2 C á c nhóm lệnh STL tiêu chuẩn của P L C S7. ..............................239 Phần thứ ba Chương 9 CÁC ỨNG DỤNG CỦA PLC 9.1 Điều khiển băng tả i.......................................................................................... 286 9.2 Điều khiển m áy khoan................................................................................ 296 9.3 Điều khiển hộ thống sản xuất linh h oạt..................................................... 300 9.4 Điều khiển xe tự hành trong hệ thống sản x uất..................................... 303 9.5 Điều khiển gara tự đ ộ n g ............................................................................. 304 9.6 Điều khiển các hệ thống cấp nước............................................................. 312 9.7 Hệ thống tách nước ra khỏi khí g a ................................................................314 9.8 Hệ thống điều khiển bơm chất lỏng.......................................................... 320 9.9 Điểu khiển hệ thống cấp dầu lò h ơ i ..............................................................324 9.10 Điều khiển hệ thống rửa xe ô tô tự đ ộ n g ..................................................327 Tài liệu tham k h ả o ............................................................................................. 332 8
Phần thứ nhất C ơ SỞ Đ IỀU K H IỂN LO G IC Chương 1 KHÁI NIỆM C ơ BẢN VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.1. KHÁI NIỆM C ơ BẢN 1.1.1. Điều khiên Là tác động có mục đích lên đối tượng điều khiển nhằm đạt được các giá trị yêu cầu của các đại lượng ra của đối tượng điều khiển. Trước đây nói đến điều khiển học (Cybemetics) là nói đến một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các qui luật điều khiển. Ngày nay điều khiển học được phân ra thành hai mảng lớn là điều khiển học xã hội (Sociology) và điều khiển học cho các hệ thống kỹ thuật (Control). Trong các hệ thống kỹ thuật, điều khiển có thể được thể hiện bằng một trong hai dạng: điều khiển mạch hớ và điều khiển trong mạch phản hồi. ở mức thấp nhất là điều khiển tương tự, cao hơn là điều khiển số và trên cùng là điều khiển logic. Bất cứ một thiết bị tự động hay hệ thống kỹ thuật, công nghệ nào cũng không thể hoạt động được nếu không có hệ thống điều khiển logic. 1.1.2. Thiết bị điều khiên Là thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiến hay tác động điều khiến. Thiết bị điều khiển có nhiều loại khác nhau. Xét về bán chất vật lý của tín hiệu ta có thể có: + Thiết bị điều khiến tương tự (tín hiệu vào và tín hiệu ra là các đại lượng liên tục): thiết bị điều khiến tí lệ p, thiết bị điều khiển tỉ lệ tích phân PI, thiết bị điều khiển tí ]ệ vi phân PD và thiết bị điều khiển tổ hợp PID. + Thiết bị điều khiển số (tín hiệu vào và tín hiệu ra là các chuỗi giá trị số tương ứng với độ lớn của đại lượng được điều khiển): Vi xử lý |iP, Máy tính. + Thiết bị điều khiến logic (tín hiệu vào ra là các tín hiệu logic tương ứng với 0 và 1): Logic rơle, Logic bán dẫn, PLD, PLC. 1.1.3. Đôi tượng điều khiển/ C ơ cấu chấp hành Là phần tử của hệ thống điều khiển, chịu tác động của tín hiệu điều khiển và làm thay đổi giá trị của đầu ra hay đáp ứng cùa hệ thống. Trong các hệ thống sản xuất tự động hay trong các máy móc thiết bị tự động thì đối tưọng điều khiển chính là cơ cấu chấp hành, có thể là cơ cấu cơ điện, điện từ, thuỷ lục hoặc khí nén. Cơ cấu chấp hành thông dụng có thê’ gặp trong công 9
nghiẹp như : đọng cơ điện các loại, nam chân điên cuộn hút. bơm. van, XI lanh, động cơ khí nén, động cơ thủy lưc w 1.1.4. Cảm biến Ltì thiet bị theo doi su thây đổi của mòt đai lươn° ^'ât 1Ý nao đo thong qua một đại lượng tỉ lệ là điện áp hoặc dòn° điện Cảm biến có thể là phân từ đo cùa thiết bpđo tự động. Cảm biến là phần tư khon« thể thiếu đuơc trong các hệ điêu khiên có phản hồi. Cảm biến đóna vai trò rất quan trọng trong hệ thòng điẽu khiên, VI chât lượng của hê th ố n ơ điêu khiến phu th u ộ c m ột phân không nhỏ vào chất lượng của cảm biến. 1.1.5. Hệ thống điều khiển tự động Là tập hợp của các phần từ cơ bản như: bộ so sánh tín hiệu, thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành và cảm biến, nhằm điều khiển đáp ứng (đầu ra) cùa hệ thống đạt tới các giá trị m ona m uốn mà không cần có sự can thiệp cùa con người. 1.1.6. T ự đ ộ n g h o á Là sử dụng các máy móc. thiết bị tự độns để thay thế cho một hoạt động nào đó của con người. Các hoạt độnc này có thế là các hoạt động chân tay hoặc các hoạt đ ộ n s trí tuệ. Tự độna hoá các lao động cơ bắp cùa con người đã được tiến hành từ nhữns năm 40 cùa thập kỷ trước bằng các máy tụ động “cứng” hoạt độ n s, nhờ các chương trình điều khiển bằng “cam ” cơ khi kết hợp với losic “ rơle” . Dạng tự độnc hoá này thích hợp với dans sản xuất hàng loạt. Ngày na)’ ta có thể tự động hoá “m ềm ” bằnc các máy điều khiển sô và Robot công nshiệp, đây chính là phươns tiện cho phép tự động hoá dans sản xuất đơn chiếc hay loạt nhò, dạng sản xuất thườn" gặp trong sản xuất hiện nay. Tự động hóa là phương tiện để tãng năng suất lao đòng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Tự độna hóa các hệ thống kỹ thuật chính là nsành Cơ điện tử. 1.1.7. Robot Thiết bị tự đ ộ n s điều khiển theo chương trình nhằm thay thẻ cho con người trons các họat động sản xuất, hoặc trong các công việc ơ các môi trườnu độc hai và nguy hiểm. Robot phái có tối thiêu 3 bậc tư do. 1.1.8. M áy công cụ điều khiển sỏ CNC Là m áy cỏnc cụ điều khiến tự động theọ chương trình số với sự tham gia trực tiếp cùa m áv tính, nhằm thay thè cho các may công cụ thòn 2 thường trone quá trình sia còng cơ khí. Máy công cụ CNC khác với các m á\ \ c thế hệ cũ ờ chỗ các m áy NC không có bộ nhớ va khong được trang bị m áv tính 10
(do hạn chế về tốc độ xử lý của máy tính), chương trình gia công được ghi trên băng tù hoặc băng giấy đục lỗ, thiết bị đọc chương trình đọc và truyền các tín hiệu điều khiển đến các mạch điều khiển “cứng” đê điều khiển các trục chuyển động và các thiết bị phụ trợ. 1.1.9. Hệ thông sản xuất linh hoạt Là hệ thống sản xuất được tự động hoá, trong đó vai trò của con người được thay thế hoàn toàn bằng robot công nghiệp và các máy tự động điều khiển số. Khi thay đổi qui trình công nghệ ta chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển hệ thống, chứ không cần thay đổi trang thiết bị đang sử dụng. Đây chính là dạng tự động hoá “mềm ”. Tuy nhiên tính linh hoạt ờ đây có thể hiểu là khả năng thay đổi chương trình sản xuất cho các sản phẩm có kích thước và các yêu cầu gia công tương đối gần nhau. 1.1.10. Hệ thống sản xuất tích hợp bàng máy tính CIM Là hệ thống sản xuất có mức độ tự động hoá cao và các hoạt động phi sản xuất như: tiếp thi, thiết kế, chuẩn bị công nghệ, quản lý nguồn vật tư, năng lượng, quản lý nhân lực, quản lý thiết bị được tích hợp vào hệ thống sản xuất tự động thông qua hệ thống phần mềm quán lý dữ liệu trên máy tính, nhằm tối ưu hoá các nguồn lực và với sự thường xuyên cập nhật thông tin, làm cho hệ thống sản xuất trở nên năng động hơn và hiệu quả hơn. 1.1.11. PLD (Program able Logic Device) Thiết bị lập trình logic là dạng các mạch logic tổ hợp cỡ lớn với cấu trúc không cố định, có các cổng vào/ra và có thể lập trình thay thế cho các mạch logic, các tiếp điểm, các công tắc vv. Thiết bị này thường là, dạng các mảng logic nhớ PLA (Programmable Logic Array) hay PAL (Programmable Array Logic). Đây là hai dạng tổ họp của các mạch AND và mạch OR lập trình được. 1.1.12. PLC (Program m able Logic Controller) Thiết bị điều khiển logic khả lập trình là dạng thiết bị điều khiển công nghiệp chuyên dùng cho các hệ thống điều khiển logic, có trang bị bộ xử lý trung tâm, nhằm thay thế cho các hệ thống điều khiển logic cứng. Các PLC thế hệ mới không những đáp ứng được tất cả các yêu cầu về điều khiển logic mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số. Các PLC có ưu điểm: độ tin cậy rất cao, bền bỉ, nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và tốc độ xử lý nhanh, tuy nhiên điếm hạn chế chính là tính khép kín của chúng (không dùng lẫn được giữa các loại PLC, ngôn ngữ lập trình 11
cũng không thể dùng chung, chỉ kết nối được siữa các PLC cùa cùng một hãng). 1.2. CÁC HỆ ĐẾM VÀ CÁC HỆ MÃ 1.2.1. Khái niệm hệ đếm Vê ban chât, m áy tính hay PLC chỉ xử lý được các tín hiệu nhị phân, tức là các tín hiệu tương đương với hai giá trị 0 và i . Trong quá trình xử lý thông tin nói chung, tất cả các dạng thông tin khác nhau đều có thế được mã hoá đê biến đôi từ các thông tin mà máy tính không thể xử lý được, thành các thông tin xử lý được và kết quả lại được chuyển đổi về dạng thông tin ban đầu nhờ các thiết bị giải mã. Chức năng của m áy tính là tính toán và xừ lý thông tin, cho nên việc đầu tiên máy tính cần phải thực hiện được các phép tính với các hệ đếm khác nhau. Các thông tin có bản chất vật lý rất khác nhau, kế cả các tín hiệu trong quá trình điều khiển, đều có thê được mã hoá về dạng nhị phân, dạng máy tính xử lý dễ dàng. Đối với các tín hiệu dạng hai trạng thái ví dụ: đóng/ngắt, khởi động/dừng, điện áp cao/điện áp thấp thì việc mã hoá cũng rất đơn giản. Vấn đề phức tạp chù yếu là mã hoá các tín hiệu tương tự (liên tục) từ các cảm biến và từ các thiết bị điểu khiển. Hiện tồn tại nhiều hệ đếm khác nhau: hệ thập phàn, hệ nhị phân, hệ đếm cơ số 8, hệ đếm cơ số 16. Công thức tổng quát của một hệ đếm bất kỳ được biễu diễn như sau: N.b = z n R" + ... -I- Z 2 R 2 + Z,R' + Z n , 1 0 R° Trong đó z giá trị của chữ số, R cơ số của hệ đếm. 1.2.1.1. Hệ thập phản Đây là hệ đếm thòng dụng trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Hệ đếm này xem ra rất đon giản đối với con người, nhưng nếu cần tạo ra một thiết bị điện tử có mười trạng thái tương ứng với hệ đếm này thì chi phí sẽ khá tốn kém và phức tạp. Chính vì thế trong các mạch của m áy tính người ta chỉ dùns hệ đếm nhị phàn vì nó đơn giản và hiệu quả. Hệ thập phàn hay hệ đếm cơ số 10 được biễu dièn bằng công thức: N,0 = z n. 1 0 n + ... + Z2.102 +Z..10' + z n.10° Ví dụ: 1955,0=1.10’+9.10:+ 5.10'+ 5.10° 1.2.1.2. Hệ nhị phân Cơ sô của hệ này là 2 và được biểu diên băng hai chữ sô 0 và 1. Đây là hệ đếm cơ sờ cho m áy tính và các thiết bị điêu khiên sô dùng để thực hiện các phép toán và các chức năng điều khiển. Việc thiêt kê các m áy tính sỏ xử lý các sô liệu gồm hai số nguyên hoặc hai sô đơn gian hơn nhiêu so với việc thiết kế các máy tính có thể xử lý được các sô liêu dạng thập phân. Trong 12
thực tế, phần lớn các phần tử vật lý trong môi trường hoạt động của chúng cũng chỉ có hai trạng thái như động cơ chạy hoặc dừng, van đóng hay mở, công tắc bật hay tắt w . Hệ nhị phân biểu diễn các giá trị cũng tương tự như hệ thập phân, chỉ có khác nhau là mỗi chữ số chỉ là hàm mũ của 2 thay vì hàm mũ của 10. Số nhị phân được biễu diễn bời công thức: lý, = z n.2" + ... + Z2.22 + Z, .2' + Z0.2° V í dụ : 101 10112=1.26+0.25+ l .24+ l ,23+0.22+1 .2'+1.2°, giá trị tương đương với số thập phân là: 1.64+0.32+1.16+1.8+0.4+1.2+1. 1= 911 0 Biểu diễn số âm của hệ nhị phân có phần phức tạp hơn và có thể dùng một trong hai phương pháp: phương pháp dùng bít dấu và phương pháp số bù nhị phân. Phương pháp dùng bít dấu tương đối đơn giản vì chỉ cần xác định độ lớn giới hạn của giá trị có thê biểu diễn được sau đó phải thêm một bit ký hiệu dấu. Nếu số đương thì bít dấu mang giá trị 0 và nếu là số âm thì bit mang giá trị 1. Phương pháp dùng số bù nhị phân thì dùng số bù của cùa từng bít và cộng thêm vào bit cuối cùng 1. V í dụ: 0101101, = 45,0 thì 1010011, = - 4 5 I.2.I.3. Hệ cơ sô tám Hệ nhi phân sử dụng quá nhiều chữ số để biểu diễn cùng một số so với các hệ đếm khác. Đồng thời rất khó để chúng ta có thể tính toán các số nhị phân lớn mà không gây sai sót. Để tránh hiện tượng này, một số nhà sản xuất máy tính bắt đầu bằng việc sử dụng hệ đếm cơ số tám (hệ bát phân). Các số cơ sở của hệ nay là tám giá trị: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7. Mỗi chữ số có giá trị tương ứng với hàm mũ cơ số tám. Ví dụ: 13018 = lx 8 3+3x82 + 0x8' +1x8° = 1x512 + 3 x 6 4 + 0 x 8 + 1 x 1 = 512+192 + 0 + 1 , = 705,0 Ưu điển của hệ cơ số tám là có thể biểu diễn được mỗi chữ số bằng ba bít nhị phân (bảng 1.1). Điều này làm tăng tiện ích và khả năng xử lý các phép tính nhị phân. Hệ này được sử dụng rộng rãi trong các hệ PLC. Bủng 1.1 Hệ nlii phán Hệ bút phân 000 0 001 1 010 2 011 3 100 4 13
101 5 110 111 7 ! Ta có thể chuỵển m ột số thập phân sang số bát phân bằng cách chia liên tục cho cơ số 8, giá trị số bát phân chính là tập hợp các chữ số là các sô dư theo chiểu nghịch cùa phép chia. V í dụ: Cần biến đổi số 2501 sang hệ bát phàn. 0 Ta tiến hành chia 250 lần lượt cho 8 với trinh sau: 250 : 8 = 31 dư 2 31:8=3 dư 7 3 : 8 = 0 dư 3 V ậy kết quả là: 250,0 = 3728 1.2.1.4. Hệ đếm cơ sô mười sáu (Tlìập lục phán) Hệ đếm cơ số 16 có thể biểu diễn các số ngắn hơn hệ cơ số 8, và cũng được sử dụng rộng rãi trong các hệ PLC. Hệ này gồm 16 chữ sô' cơ sờ: 0, 1 ,2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, c, D, E, F. Mỗi chữ số của hệ cơ số mười sáu có thê biểu diễn bằng 4 bit nhị phàn (bảng 1.2). Bàng ỉ .2 H ệ nhị plián H ệ cơ s ố 16 Hệ nlìị phân Hệ cơ sô lố 0000 0 1001 9 0001 1 1010 A 0010 2 1011 B 0011 3 1100 c 0100 4 1101 D 0101 5 1110 E 0110 6 1111 F 0111 7 10000 10 1000 8 10001 1i1 Để chuyển một số từ hệ nhị phân sang hệ cơ số 16 ta chi việc gộp 4 bit làm một chữ số là xong. V í dụ 0110 1110 1001 2 = 6E9 Biến đổi từ sô hệ 16 sang số thập phàn tuân thù theo đúng cóng thức chung và cơ số lúc này là 16: N l6 = z .16" + ... + z , . 1 6 : + Z ,.16' +z„.16° 14
Ngược lại biến đổi từ số thập phàn sang số hệ 16 bàng cách thực hiện phép chia cho 16, trình tự các số dư theo chiều nghịch với phép chia chính là trình tự các chữ số hộ 16 từ trái qua phải. Ví dụ: Biến đổi số 360,0 sang số tương đương hệ 16. Ta tiến hành như sau: 360 : 16 = 2 2 dư 8 22 : 16 = 1 dư 6 1 : 16 = 0 dư 1 Như vậy : 360|O= 1681 0 Điều quan trọng ở đây là cách biễu diễn hệ cơ số 8 và 16 thường dùng đế tạo thuận lợi cho người sử dụng có thê theo dõi được qua trình xử lý số một cách dễ dàng, tránh đươch sai sót. Tuy nhiên các máy tính hiện nay đều chuyển đổi tất các số hệ 8, 10, 16 sang các chuỗi nhị phận và thực hiện các phép tính với các chữ số nhị phân này cũng đơn giản và dễ dàng hơn cho máy tính số. 1.2.2. Các hệ mã hoá dữ liệu nhị phân Để có thể m ã hoá được các thông tin, chúng ta cần có các hệ mã dữ liệu. Tồn tại nhiều hệ mã dữ liệu khác. Mục đích chung của các mã này là biến đổi các dữ liệu dạng chữ, dạng sô' hay dạng tín hiệu điểu khiến thành các tín hiệu điện tử đê có thể xử lý dễ dàng bằng các bộ xử lý tín hiệu và sau đó có thể biến đổi ngược lại thành tín hiệu dạng ban đầu. Sự khác biệt của các hệ mã là chổ làm thế nào khai thác tối đa các bit sử dụng và tránh được các sai số. 1.2.2.L Mã nhị phản Mã nhị phân là loại mã dùng n bit để biễu diễn 2" ký tự khác nhau. Mã nhị phân là biến đổi trực tiếp của số thập phân ra số nhị phân. Mã nhị phàn là loại mã máy tính được sử dụng rộng rãi bời tính sắp xểp có hệ thống của các chữ số thập phân và tính chuyển đổi dễ dàng. Mã nhị phân còn được gọi là mã trọng lượng, bời vì mỗi cột có độ lớn tương ứng với 2", với n là số bit tương ứng của cột. Trên bảng 1.3 là cách mã hoá số thập phân bằng mã nhị phân. BàiìíỊ 1.3 Sô thập phân M ã nhị phân Sô thập pliân M ã nliị phân 0 00000 11 01011 1 00001 12 01100 2 00010 13 01101 3 00011 14 01110 4 00100 15 01111 5 00101 46 10000 15
6 00110 17 10001 7 00111 18 10010 8 01000 19 10011 9 01001 20 10100 10 01010 21 10101 Bit CUÔ1 cung có trọng lượng là một nên nó liên tục thay đổi. Bít thứ 2 của đâu CUÔ1sẽ thay đôi theo chu kỳ là 2. Tương tư như vây bit thứ 3 sẽ thay đổi với chu kỳ là 4. Ưu điêm cùa m ã nhị phân là rất đơn giản, nhưng ngược lại nó khá cồng kềnh. 12.2.2. M ã B C D (B inaiy Coded Decimal) Mọi m áy tính chỉ làm việc bằng hệ m ã nhị phân, nhưng để sử dụng hiệu quả hơn các bit của máy tính thì người ta hay sử dụng m ã BCD. Đây là loại mã dùng thực hiện các phép tính số bên trong các thiết bị xử lý thông tin. Loại mã này cũng được dùng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển khả lập trình để m ã hoá số liệu cho các thiết bị hiển thị số dùng điot quang LED. Bất lợi chính của loại m ã này không có khả năng m ã hoá các chữ và không có khả năng kiểm tra lỗi. Mỗi chữ số thập phân được biễu diễn bằng 4 bit (bảng 1.4). Với 4 bit nhị phân ta có thể m ã hoá được 16 ký tự, nhưng m ã BCD chỉ dùng các số nhị phân từ 0000 tới 1001, còn các số sau đây không dùng: 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 và 1111. Nếu m ột trong 6 chữ số nhị phân không dùng nói trên xuất hiện, thì quá trình tính toán đã có sai sót. M ã BCD đương nhiên phải dùng nhiều bits hơn mã nhị phân trực tiếp. Ư u điểm của BCD là dễ chuyên đổi với hộ thập phân, như vậy đặc biệt có lợi, vì trong hệ thống số các mạch logic dễ chuyến đổi. Ta dùng hệ BCD khi các thông tin thập phân cần trực tiếp đưa vào đầu vào và ờ đẩu ra cho thấy kết quả trực tiếp bằng số thập phân, ví như m áy tính điện tử các số thập phân đưa vào thông qua bàn phím và kết quả ra cũng là số (hập phân trên màn hình. Các thiết bị đếm số, cân số, von-kế số cũng tương tự như vậy, bởi vì hiện thị bầng m ã nhị phân thì không phải ai cũng có thể hiểu được. Bả/li; 1.4 sỏ thúp phản M ã BCD Số thập phún M ã BCD 0 0000 10 0001 0000 1 0001 11 0001 0001 2 0010 12 0001 0010 3 0011 13 0001 0011 4 0100 14 0001 01 on 16
5 0101 15 0001 0101 6 0110 16 0001 0110 7 0111 17 0001 0111 8 1000 18 0001 1000 9 1001 19 0001 1001 Ví dụ cần biểu diễn các số thập phân: 395, 567, 798 và 4900 sang mã BCD. Ta sẽ có: 395 = 00 1 1 1001 0101 567 = 0101 0110 0111 798 = 0111 1001 1000 4900 = 0100 10010000 0000 Để hiện thị các số thập phân, người ta sử dụng bộ giải mã 4/7 bít, với 4 bít đầu vào m ã BCD và 7 bit đẩu ra tương ứng với một chữ số thập phân biễu diễn bằng tinh thể thạch anh lỏng. 12.2.3 M ã G ra y M ã nhị phân có một nhược điểm là khi chuyển trạng thái từ một số giá trị sang giá trị k ế tiếp, có đồng thời sự thay đổi trên hai hay nhiều bít, điều này dẫn đến có thể xuất hiện các lỗi ở các trạng thái quá độ. Ví dụ các cảm biến trạng thái khi chuyển từ 1 sang 2 sẽ có thể xuất hiện các lỗi ở trạng thái quá độ: 001 — 000 — 010 hoặc 001 — » » >011 ->010. Mã Gray được thiết k ế để giải quyết vấn đề này. Bảng giá trị chân lý trên bảng 1.5 thể hiện sự khác nhau giữa mã nhị phản và mã Gray. __________________________ _____________________ Bảng 1.5 Số M ã nhị phân M ã Gray thập B, B2 B, b4 g4 g3 g2 G, phân 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 1 1 3 0 0 1 1 0 0 1 0 4 0 1 0 0 0 1 1 0 5 0 1 0 1 0 1 1 1 6 0 1 1 0 0 1 0 1 7 0 1 1 1 0 1 0 0 8 1 0 0 0 1 1 0 0 9 1 0 0 1 1 1 0 1 10 1 0 1 0 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 1 0 17
12 1 1 0 0 1 0 1 0 13 1 1 0 1 1 0 1 1 14 1 1 1 0 1 0 0 1 15 1 1 1 1 1 0 0 0 Mã Gray đưỢ| các máy CNC. Các gi và các tổ hợp các bít phân. Quan hộ giữa bằng mã Gra' trong đó dấu Ta có thể dễ Như vậy có tl + Từ + Ng D1 = G1®)02© U 3® )G4 1.2.2.4. M ã B C D và M ã G ra y q u á 3 18
>10 thì ta chỉ lấy phần dư cộng thêm 3. Mã Gray quá 3 cũng thực hiện bằng cách cộng thêm 3 vào mỗi số của mã Gray thông thường. Do mã Gray dùng 4 bit biễu diễn cả 16 tổ hợp, nên khi tổng hai số >16 thì tổng này sẽ bằng 15+ số dư và như vậy quá trình cộng thêm 3 sẽ lặp lại. Các mã này được sử dụng trong m ột số máy. Các mã này được thể hiện trên bảng 1.7. Bảng 1.7 Mi 8 4 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 1 0 9 1 0 1.2.2.5 Mã Mã ng này rất thuận lợi tri ã Aiken so sánh với m; mã Aiken. Còn từ 5 đê'] chính mã này. Mã nà được dùng để truyền di Bủnv 1.8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 1 0 3 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 0 0 0 1 0 0 19