Tài liệu Hướng dẫn sử dụng module analog cho sinh viên mới làm quen với plc s7-200

Tài liệu do 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 bộ Hà Nội tháng 6/2015 Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ 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 ? 1.1 Khái niệm về module analog. Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số. 1.2 Analog input Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ. 1.3 Analog output Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như 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 của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trong công nghiệp. Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến. Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện. - Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,  5V… - Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,  10mA. Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn . Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp. Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer). Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Module analog Thiết bị cảm biến 0 – 10V Đầu đo Tín hiệu vào không điện Thiết bị chuyển đổi Tín hiệu ra tương tự 0 – 10 V 4 – 20 mA 2. 4-20 mA Analog Input ( A/D) Các con số Analog Output ( D/A) Các con số GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG EM235. EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong). Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.1 Các thành phần của module analog EM235. Thành phần Mô tả 4 đầu vào tương tự A+ , A- , RA được kí hiệu bởi các B+ , B- , RB chữ cái A,B,C,D C+ , C- , RC D+ , D- , RD 1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Gain Offset Switch cấu hình Sơ đồ khối của đầu vào Analog. Các đầu nối của đầu vào A Các đầu nối của đầu vào B Các đầu nối của đầu vào C Các đầu nối của đầu vào D Các đầu nối của đầu ra Chỉnh hệ số khuếch đại Chỉnh trôi điểm không Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Sơ đồ khối đầu ra Analog Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.2 Định dạng dữ liệu a/ Dữ liệu đầu vào: - Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…) - Định dạng: + Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,0-20mA): MSB LSB 15 14 3 2 1 0 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0 Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dòng) thành giá trị số từ 0  32000. + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ  10V,  10mA,): MSB LSB 15 4 3 2 1 0 Dữ liệu 12 bit 0 0 0 0 Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào áp, dòng) thành giá trị số từ -32000  32000. b/ Dữ liệu đầu ra: - Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…) - Định dạng dữ liệu + Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,4-20mA): MSB LSB 15 14 4 3 2 1 0 0 Dữ liệu 11 bit 0 0 0 0 Modul Analog output của S7-200 chuyển đổi con số 0  32000 thành tín hiệu điện áp đầu ra 0  10V. + Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ  10V,  10mA,): Kiểu này các module Analog output của S7-200 không hỗ trợ. MSB 15 Dữ liệu 12 bit 4 3 2 0 0 LSB 1 0 0 0 c/ Bảng tổng hợp : Định dạng dữ liệu Giá trị chuyển đổi Kiểu tín hiệu đối xứng (  - 32000 đến +32000 10V,  10mA,) Tín hiệu không đối xứng (0 0 đến +32000  10V, 4  20mA) Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 2.3 Cách nối dây a/ Đầu vào tương tự: - Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp: RA A+ + - Điện áp A- - Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện: RA A+ + A- - 4-20 mA PS PS M Hoặc : RA A+ A- b/ Đầu ra tương tự: + - 4-20 mA L+ M Tài liệu do 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 do 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 và độ phân giải của đầu vào bằng switch: On Off Sau đây là bảng cấu hình : Dải không 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 0 – 50 mV 0 – 100 mV 0 – 500 mV 0–1V 0–5V 0 – 20 mA 0 – 10 V 12.5 uV 25 uV 125 uV 250 uV 1.25 mV 5 uA 2.5 mV Tài liệu do 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 5 mV 2.5 Trình tự thiết lập và căn 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 và module. Để module ổn định trong vòng 15 phút. - Sử dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp giá trị 0 đến một trong những đầu vào. - Đọc giá trị nhận được trong CPU. - Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh OFFSET để đưa giá trị về 0 (căn chỉnh điểm không) , hoặc giá trị số cần thiết kế. - Sau đó nối một trong những đầu vào với giá trị lớn nhất của dải đo. - Đọc giá trị nhận được trong CPU. - Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh GAIN để đọc được giá trị là 32000, hoặc giá trị số cần thiết kế. - Lặp lại các bước chỉnh OFFSET và GAIN nếu cần thiết. Chú ý : - Phải chắc chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải được loại bỏ nhiễu và phải ổn định. - Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu. - Các đầu vào analog không sử dụng phải được nối ngắn mạch (ví dụ A+ nối với A) 3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG . 3.1 Viết chương trình con tính toán giá trị điện áp đo từ chiết áp. a/Hãy lắp mạch theo sơ đồ sau : …………………………………. - b/ Xây dựng công thức tính toán: Dải điện áp đầu ra của chiết áp : 0 – 10V Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn - Với dải điện áp này module analog sẽ chuyển đổi sang dải giá trị từ 0 – 32000. Vậy nếu ta đọc được giá trị trên CPU là 24000 thì giá trị analog ở đầu vào là bao nhiêu Volt ? Đầu vào analog (y)-V 10 ?V Đầu ra số (x) 0 0 24000 32000 Sự biến đổi từ giá trị tương tự đầu vào sang các con số là sự biến đổi 1-1 , và hoàn toàn tuyến tính. Vì vậy mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là mối quan hệ tuyến tính có dạng đường thẳng đơn giản y = ax + b. Có thể thấy ngay phương trình trên có dạng y = x/3200. Do đó nếu biết được giá trị số là 24000 ta tính được ngay đầu ra là 7.5 V. Ta hãy tổng quát hóa công thức tính toán để có thể xây dựng chương trình con: Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 24000 Chương trình con tính toán 0 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 con tính toán A_In y = ax + b Các kí hiệu : A_In : Giá trị analog đầu vào cần xác định. A_Min : Giá trị giới hạn dưới của giá trị đầu vào tương tự. A_Max : Giá trị giới hạn trên của giá trị đầu vào tương tự. D_out : Giá trị chuyển đổi bằng số của A_In. D_Min : Giá trị chuyển đổi bằng số của A_Min. D_Max : Giá trị chuyển đổi bằng số của A_Max. Từ đây ta xác định được công thức tính toán 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 con : Khai báo các biến vào ra và biến tạm thời Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Các chú thích : Chương trình con : Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn + Trong chương trình chính ta gọi chương trình con này + Tiến hành biên dịch, download, và debug chương trình 3.2 Viết chương trình con xuất dữ liệu ra đầu ra Analog. - Với dải giá trị từ 0 – 32000, module analog sẽ biến đổi ở đầu ra tín hiệu tương tự từ 0 – 10V Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn - Vậy nếu ta cần điện áp đầu ra là 8 V thì giá trị bằng số cần đưa ra là bao nhiêu ? Giá trị bằng số cần đưa ra (y) 32000 ? Đầu ra tương tự (x) - V 0 0 8 10 Sự biến đổi từ giá trị số sang tín hiệu tương tự ở đầu ra là sự biến đổi 1-1 . Vì vậy mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là mối quan hệ tuyến tính có dạng đường thẳng đơn giản y = ax + b. Có thể thấy ngay phương trình trên có dạng y = 3200.x. Do đó nếu giá trị đầu ra là 8 V ta tính được ngay con số cần đưa vào để biến đổi là 25600. Ta hãy tổng quát hóa công thức tính toán để có thể xây dựng chương trình con: Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn 8.0 V 0.0 10.0 V 0 32000 Chương trình con tính toán 25600 y = x/3200 Tổng quát hóa A_Out A_Min A_Max D_Min D_Max - Chương trình con tính toán D_In y = ax + b Các kí hiệu : A_Out : Giá trị analog đầu ra mong muốn A_Min : Giá trị giới hạn dưới của tín hiệu ra tương tự. A_Max : Giá trị giới hạn trên của tín hiệu ra tương tự. D_In : Giá trị bằng số tương ứng với A_Out. D_Min : Giá trị bằng số tương ứng với A_Min. D_Max : Giá trị bằng số tương ứng với A_Max. Từ đây ta xác định được công thức tính toán 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 các biến vào ra và biến tạm trong chương trình con. Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn + Chú thích : + Chương trình con : Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn Tài liệu do Chuyên viên PATRICK P.K biên soạn + Chương trình chính gọi chương trình con : + Tiến hành biên dịch, download và debug.