- VŨ VĂN LIỆU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ PSoC Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Ts. - Nguyễn Văn Hòa Hà Nội – Năm 2011 Luận văn thạc sỹ khoa học 2 Ngành điều khiển và tự động hóa MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng Tổng quan một số thiết bị điều khiển đa năng tại Việt nam Đánh giá các sản phẩm đã có Đề xuất giải pháp bộ điều khiển đa năng Bộ điều khiển đa năng có thể thay đổi cấu hình Bộ điều khiển đa năng có thể thực hiện giao tiếp người và máy Bộ điều khiển đa năng xử lý được nhiều loại tín hiệu vào/ ra Tín hiệu ra của bộ điều khiển đa năng Bộ điều khiển đa năng thực hiện được các cấu trúc điều khiển và luật điều khiển đa dạng CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PSoC Cấu trúc chi tiết bên trong chip PSoC Bộ vi xử lý – CPU Ngắt và các bộ điều khiển ngắt Các cổng vào ra đa chức năng Các bộ dao động Sleep And Watchdog Hệ chương trình tự động thiết kế chip và Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC Tạo một dự án trong PSoC DESIGNER Quản lý dự án Thiết kế cấu hình chip PSoC CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID Thiết kế phần cứng bộ điều khiển đa năng Luận văn thạc sỹ khoa học 3 Ngành điều khiển và tự động hóa 3.2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển đa năng Lựa chọn chip xử lý trung tâm Thiết kế mạch giao tiếp người và máy trong mạch đa năng Thiết kế mạch đọc tín hiệu vào dòng- áp liên tục và hiển thị LCD Thiết kế mạch truyền thông với máy tính Thiết kế mạch đo nhiệt độ với bộ điều khiển đa năng Sơ đồ phần cứng mạch điều khiển đa năng Thiết kế phần mềm chức năng cho bộ điều Sơ đồ cấu trúc các chương trình bộ điều khiển đa năng Menu chính Menu chọn tín hiệu vào ra của bộ điều khiển Menu chọn luật điều khiển và tham số bộ điều khiển Lưu đồ khối một số hàm trong chương trình Chương trình phần mềm bộ điều khiển đa năng CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG TRONG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ Mô hình hóa hệ thống, lựa chọn luật điều khiển và xác định các tham số..67 4.2.1 Mô hình hóa hệ thống Lựa chọn luật điều khiển và xác định tham số điều khiển Một số hình ảnh ứng dụng bộ điều khiển đa năng trong điều khiển lò nhiệt 72 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận và Kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Luận văn thạc sỹ khoa học 4 Ngành điều khiển và tự động hóa DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. - 1: Các bộ điều khiển đa năng của hãng OMRON Bảng 2. - 2: Các thanh ghi của bộ điều khiển ngắt Bảng 2. - 3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển SISO Hình 1. - 4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ MISO Hình 1. - 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển CASCADE Hình 2. - 3: Sơ đồ khối hoạt động của bộ điều khiển Hình 2. - 10: Kết nối User module với thiết bị ngoại vi Hình 3. - 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển số Luận văn thạc sỹ khoa học 5 Ngành điều khiển và tự động hóa Hình 3. - 2: Sơ đồ khối các module trong Bộ điều khiển đa năng Hình 3. - 16: Các chế độ hoạt động của bộ điều khiển đa năng Hình 4. - 1: Sơ đồ khối của mạch điều khiển lò nhiệt Hình 4. - 2: Thiết bị cầm tay Tempstick Luận văn thạc sỹ khoa học 6 Ngành điều khiển và tự động hóa MỞ ĐẦU Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa- hiện đại hóa, một trong những yếu tố đẩy nhanh tiến trình đó là việc học tâp, nghiên cứu ứng dụng những thành tựu về công nghệ của thế giới vào điều kiện thực tiễn của Việt nam. - Trên thế giới hiện nay công nghệ thiết kế chế tạo các chip điều khiển đang là hướng phát triển mới nhất hiện quy tụ vào một số công nghệ là ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array) và CSoC (Configurable System on Chip), nhưng nổi trội nên trong đó công nghệ PSoC. - Với khả năng đặt cấu hình mạnh mẽ và phần mềm lập trình linh hoạt, thiết điều khiển sử dụng công nghệ PSoC có thể được gói trọn trên một chip duy nhất. - Chính vì lí do đó, hãng sản xuất chip nổi tiếng Cypress MicroSystems đã không gọi Luận văn thạc sỹ khoa học 7 Ngành điều khiển và tự động hóa sản phẩm của mình là vi điều khiển (µC) như truyền thống mà gọi là “ Thiết bị PSoC”, với hy vọng rằng người sử dụng sẽ có được những thiết bị điều khiển có giá rẻ, kích thước nhỏ gọn, và thiết bị điều khiển PSoC sẽ thay thế được hầu hết các thiết bị dựa trên vi xử lý hoặc vi điều khiển đã có từ trước tới nay. - Nguyễn Văn Hòa, Bộ môn Điều khiển tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu, Chế tạo bộ điều khiển đa năng trên cơ sở công nghệ PSoC ” với mục đích là. - Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC và tìm hiểu công cụ phần cứng, phần mềm cho phát triển các chip điều khiển trên cơ sở các chip PSoC Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển đa năng Thử nghiệm bộ điều khiển đa năng điều khiển lò nhiệt CÁC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHÍNH: CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng Tổng quan một số thiết bị điều khiển đa năng tại việt nam - Thiết bị điều khiển đa năng của hãng OMRON - Thiết bị điều khiển đa năng của hãng SIEMENS Đánh giá các sản phẩm đã có Đề xuất giải pháp bộ điều khiển đa năng sử dụng công nghệ PSoC CHƯƠNG 2 -NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PSoC Cấu trúc chi tiết bên trong PSoC - Bộ vi xử lý- CPU - Ngắt và các bộ điều khiển ngắt Luận văn thạc sỹ khoa học 8 Ngành điều khiển và tự động hóa - Các cổng vào ra đa chức năng - Các bộ dao động - Chức năng Sleep và Watchdog Hệ chương trình tự động thiết kế chip và ngôn ngữ lập trình PSoC - Tạo một dự án trong thiết kế - Quản lý dự án - Thiết kế cấu hình chip PSoC CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID Thiết kế phần cứng bộ điều khiển đa năng - Sơ đồ khối bộ điều khiển đa năng - Lựa chọn chip xử lý trung tâm của bộ điều khiển đa năng - Thiết kế mạch giao tiếp người và máy trong mạch đa năng - Thiết kế mạch đọc tín hiệu vào là dòng-áp liên tục và hiển thị LCD - Thiết kế mạch truyền thông với máy tính qua cổng nối tiếp - Thiết kế mạch đo nhiệt độ Thiết kế các menu chức năng và xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình - Thiết kế menu chọn cấu trúc hệ điều khiển - Menu chọn tín hiệu vào ra - Menu chọn luật điều khiển và xác định tham số điều khiển CHƯƠNG 4- ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG TRONG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ - Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển nhiệt độ - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nhiệt độ Mô hình hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt - Mô hình hóa hệ thống - Lựa chọn luật điều khiển và xác định tham số điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học 9 Ngành điều khiển và tự động hóa + Lưu đồ điều khiển PID lò nhiệt + Xác định tham số bộ PID CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn thạc sỹ khoa học 10 Ngành điều khiển và tự động hóa CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG 1.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng Bộ điều khiển đa năng là gì ? Hiện nay trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, một bộ điều khiển được gọi là đa năng nếu nó thỏa mãn được các yêu cầu sau đây: Sử dụng cho nhiều loại tín hiệu vào và tín hiệu ra khác nhau cho các đối tượng trong công nghiệp. - Có thể điều khiển nhiều hệ thống khác nhau như hệ SISO, MISO, CASCADE… Điều khiển hệ thống có cấu trúc theo nhiều vòng điều khiển, Sử dụng nhiều luật điều khiển( PID, điều khiển tầng, điều khiển mờ, điều khiển trình tự, điều khiển thích nghi. - Tuy nhiên, theo các yêu cầu như trên thì hầu hết các sản phẩm này vẫn chưa đáp ứng đầy đủ, có một vài dòng sản phẩm chủ yếu được dùng để điều khiển đối tượng thông dụng trong công nghiệp ví dụ như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức,… không phải là điều khiển đối tượng bất kì, tuy nhiên chúng lại được sản xuất với mục đích là một thiết bị điều khiển đa năng tích hợp trong các hệ thống lớn như PLC S7-200/300 của Siemens, CMP1A của Omron. - 1.2 Tổng quan một số thiết bị điều khiển đa năng tại Việt nam Hiện tại thị trường Viêt nam, một thị trường giàu tiềm năng cho các lĩnh vực điều khiển tự động hóa của các thiết bị đơn lẻ phục vụ quy mô sản xuất vừa và nhỏ. - Có thể kể ra một vài dòng sản phẩm của các hãng sản xuất lớn trên thế giới như Omron, Siemens, Delta, ABB, Rockwell,… Ta sẽ xem một vài bộ điều khiển có thể được xem là đa năng như Bảng 1.1 Luận văn thạc sỹ khoa học 11 Ngành điều khiển và tự động hóa Bảng 1. - 1: Các bộ điều khiển đa năng của hãng OMRON Thông dụng: nhóm E5CSZ Nguồn: 100-240 VAC ( 24VDC. - Màn hiển thị số dễ nhìn Có thể chọn nhiều dải nhiệt độ 8 chế độ cảnh báo Kiểu điều khiển. - ON/OFF - Hoặc 2 bộ PID có auto-tuning Đầu ra điều khiển: Một bộ tiếp điểm thường mở 1A-250VAC Đa năng: E5AZ/EZ Nguồn: 100-240 VAC ( 24VDC. - Có thể chọn nhiều dải nhiệt độ 8 chế độ cảnh báo Kiểu điều khiển. - Luận văn thạc sỹ khoa học 12 Ngành điều khiển và tự động hóa 1.3 Đánh giá các sản phẩm đã có Dựa vào tình hình các sản phẩm thiết bị điều khiển của các hãng phổ biến tại Việt nam trên ta có thể đưa ra một số nhận xét: Các sản phẩm hầu hết chỉ là các thiết bị điều khiển với luật điều khiển trạng thái ON/OFF hoặc PID kinh điển. - Không hề có sản phẩm nào theo luật điều khiển khác Các sản phẩm đều có khả năng tích hợp với mạng công nghiệp thông qua các giao thức truyền thông công nghiệp. - Từ đó có thể kết luận rằng sản phẩm bộ điều khiển cho các ứng dụng nhỏ thường bị bỏ qua không được quan tâm phát triển. - Đa số các sản phẩm này được ứng dụng cho mục đích là để điều khiển một đối tượng nhất định( Là nhiệt độ, động cơ AC…) rất ít sản phẩm sử dụng để điều khiển đối tượng bất kì. - Do đó nếu ta có thể nghiên cứu, chế tạo ra sản phẩm có khả năng điều khiển một đối tượng bất kì, với chất lượng và giá cả hợp lý thì sản phẩm rất có ý nghĩa trong sản xuất, nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ trong tự động hóa sản xuất. - 1.4 Đề xuất giải pháp bộ điều khiển đa năng Với những tìm hiểu và đánh giá ở trên ta có thể nghĩ tới việc nghiên cứu, chế tạo một thiết bị điều khiển đa năng với những yêu cầu sau: 1.4.1 Bộ điều khiển đa năng có thể thay đổi cấu hình - Cấu hình 1 : 16 kênh đầu vào ADC 12 bit, 8 bit DI, 8 bit DO, cổng điều khiển truyền thông không đồng bộ UART. - Luận văn thạc sỹ khoa học 13 Ngành điều khiển và tự động hóa - Cấu hình 2 : 14 kênh đầu vào ADC 12 bit, 2 kênh DAC 8 bit, 8 bit DI, 8 bit DO, cổng điều khiển truyền thông không đồng bộ UART. - 1.4.2 Bộ điều khiển đa năng có thể thực hiện giao tiếp người và máy Giao tiếp người và máy với bộ điều khiển đa năng là quá trình. - Thu thập kiểm tra trạng thái logic ON/OFF của các biến cần kiểm tra - Nhận lệnh điều khiển từ người điều khiển bẳng các bàn phím, nút nhấn, công tắc start, stop. - Cảnh báo trạng thái hoạt động của hệ thống, đèn báo hoạt động, báo dừng, đèn báo lỗi 1.4.3 Bộ điều khiển đa năng xử lý được nhiều loại tín hiệu vào/ ra 1.4.3.1 Đầu vào là tín hiệu dòng- áp liên tục Trong lĩnh vực điều khiển các hệ thống công nghiệp, 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 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. - Thiết bị này được gọi là các Transmiter. - Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện Đầu đo Thiết bị chuyển đổiĐại lượng cần đo Tín hiệu liên tục chuẩn hóa Luận văn thạc sỹ khoa học 14 Ngành điều khiển và tự động hóa - Điện áp : (0÷ 10)V, (0÷5)V, ±5V. - Dòng điện : (4÷20)mA, (0÷20)mA, ±10mA… Bộ điều khiển đa năng được thiết kế có khả năng xử lý các tín hiệu liên tục từ các thiết bị đo và chuyển đổi đo như trên 1.4.3.2 Đầu vào của bộ điều khiển là nhiệt độ Nhiệt độ là thành phần chủ yếu trong hệ thống thu thập dữ liệu. - Phi tuyến Điện áp cung cấp thấp Đòi hỏi điện áp tham chiếu Kém nhạy RTD( Resistance Temprature Detector) Ưu điểm - Ổn định nhất - Chính xác nhất - Tuyến tính hơn thermocouple Khuyết điểm: Luận văn thạc sỹ khoa học 15 Ngành điều khiển và tự động hóa - Chi phí cao. - Nhiệt độ đo dưới 200 0 C - Cần cung cấp nguồn cho cảm biến Luận văn thạc sỹ khoa học 16 Ngành điều khiển và tự động hóa Trong nội dung luận văn này, Bộ điều khiển đa năng sử dụng trong công nghiệp, với dải nhiệt độ đo lớn, độ thay đổi nhỏ nên chúng ta sử dụng loại Thermocouple và Nhiệt điện trở để đo nhiệt độ 1.4.4 Tín hiệu ra của bộ điều khiển đa năng Tín hiệu điểu khiển đầu ra của bộ điều khiển đa năng tuân theo các quy luật điều khiển là. - Rơ le điều khiển 3 vị trí có vòng trễ Điều khiển độ rộng xung Điều khiển liên tục theo dòng điện Điều khiển liên tục theo điện áp 1.4.5 Bộ điều khiển đa năng thực hiện được các cấu trúc điều khiển và luật điều khiển đa dạng 1.4.5.1 Các cấu trúc điều khiển Một hệ thống kỹ thuật được mô tả tổng quát như hình 1.2 : Hệ thống kỹ thuậtx1, x2. - Các phương pháp để TBĐK tạo ra tín hiệu điều khiển bao gồm. - Điều khiển theo chương trình: là tín hiệu điều khiển được tạo ra từ chương trình định sẵn trong TBĐK.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt