thiết kế bộ điều khiển áp suất cho bình cao áp

` ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
----- □ & □ ----- 
 

  

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN NHÚNG 
Đề tài: 
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT CHO
BÌNH CAO ÁP

Hà Nội – 2022


PHẦN I: MƠ TẢ SẢN PHẨM
1. Mơ tả tổng quan sản phẩm
Sản phẩm là thiết bị điều khiển các quá trình áp suất cao và có độ chính xác
cao ví dụ trong: cánh tay cơ khí gắp vật, bình cao áp.... Thiết bị có khả năng tương
thích với nhiều loại cảm biến áp suất thông dụng và các loại van áp suất; có thể
điều khiển với các chế độ khác nhau.
2. Tính năng kỹ thuật của sản phẩm
 4 cổng AI: 2 cổng 0-10V, 2 cổng 4-20 mA
 8 cổng DI 24V
 4 cổng AO: 2 cổng 0-10V, 2 cổng 4-20 mA
 8 cổng DO: 8 cổng Relays NO
 Truyền thơng RS-485, giao thức MODBUS
 Hiển thị màn hình LCD 16x2
o Hiển thị giá trị đo
o Hiển thị thực đơn và chế độ làm việc

 4 nút nhấn: RESET, MENU/OK, lên, xuống. 1 công tắc nguồn
 Nguồn cấp công nghiệp 24VDC
 Bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ điện áp cao, bảo vệ ESD.
 Tính năng điều khiển trong dải -1…200 bar [-15…3000 psi], tốc độ
điều chỉnh <4s cho 25% FS, độ chính xác 0.02% FS
3. Tính năng sử dụng
 Điều khiển quá độ bằng bộ điều khiển PID
 Điều khiển ON/OFF.
 Tương tác qua nút ấn
o Ấn MENU để chọn thực đơn
o Lên/xuống để thay đổi mục thực đơn
o Ấn OK để chọn
o Nút ấn để RESET
 Bật ON/OFF qua công tắc nguồn.
 Cho phép cài đặt setpoint và tham số điều khiển từ cấp điều khiển cao
hơn qua truyền thơng MODBUS.
4. Mơ tả chức năng các khối chính


 AI: đầu vào cho phép nhận tín hiệu dạng tương tự từ các cảm biến,
thường dưới dạng điện áp hoặc dạng dịng.
 DI: đầu vào cho phép nhận tín hiệu dạng số/logic từ cảm biến, nút
nhấn,…
 AO: đầu ra cho phép phát ra tín hiệu dạng tương tự điều khiển các
loại van điều chỉnh được % độ mở.
 DO: đầu ra cho phép phát ra tín hiệu số/logic điều khiển các loại van
đóng/mở, van an tồn,…
 Nút bấm: cho phép người dùng tương tác với thiết bị theo ý muốn.
 Màn hình: Hiển thị trực quan giá trị đo áp suất của đối tượng, chế độ
làm việc của thiết bị.

 Truyền thông (RS485): Cho phép thiết bị giao tiếp với các thiết bị
khác và hệ thống điều khiển cấp trên.
PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ


Mô tả yêu cầu kỹ thuật và giải pháp cho các thành phần chính
Thành phần chính
Yêu cầu kỹ thuật
Analog Input (AI)
+ Tín hiệu vào: 0-10V
 Dạng điện áp 0-10V (dạng điện áp) hoặc 4-20
 Dạng dòng 4-20 mA mA (dạng dịng điện)
+ Có cách ly vi điều
khiển
+ Có bộ lọc nhiễu tín
hiệu
+ Có bảo vệ điện áp đầu
vào, bảo vệ ESD
Digital Input (DI)

+ Cho phép đầu vào mức
logic cao ở dải rộng 1036V.
+ Có bảo vệ điện áp mức
cao và mức thấp đầu vào,
bảo vệ tĩnh điện ESD.
+ Có đèn Led báo trạng
thái.
+ Cách ly với vi điều
khiển.
Analog Output (AO)

+ Điện áp ra: 0-10V,
 Dạng điện áp 0-10V dòng điện ra: 4-20mA
 Dạng dịng 4-20 mA + Có cách ly vi điều
khiển
+ Có bộ lọc nhiễu tín
hiệu
+ Có bảo vệ điện áp đầu
vào, bảo vệ ESD

Digital Ouput (DO)

Giải pháp
+ Sử dụng IC ADC để chuyển tín
hiệu tương tự thành tín hiệu số
+ Sử dụng 2 diode để bảo vệ điện
áp thấp và cao.
+ Sử dụng diode TVS để bảo vệ
ESD.
+ Sử dụng điện trở-biến trở kết
hợp Op-amp để chuyển đổi tín
hiệu dạng dịng về tín hiệu dạng
điện áp.
+ Bảo vệ điện áp đầu vào bằng
Diode TVS.
+ Sử dụng mạch phân áp và mạch
Trigger Schmitt sử dụng Op-amp
để cố dịnh đầu vào đảm bảo yêu
cầu về mức logic.
+ Sử dụng Opto-coupler để cách
ly đầu vào số với vi điều khiển.

+ Sử dụng IC DAC chuyển đổi tín
hiệu số thành tín hiệu tương tự.
+ Sử dụng 2 diode để bảo vệ quá
áp và thấp áp
+ Sử dụng diode TVS để bảo vệ
ESD.
+ Cách ly với vi điều khiển dùng
opto-coupler
+ Sử dụng op-amp để chuyển đầu
ra áp thành dòng điện (với đầu ra
dòng)
+ Có cách ly vi điều Sử dụng Solid-state relay cho hiệu
khiển
quả cách li với vi điều khiển.
+ Cấp nguồn phát 24 V . Dùng diode TVS bảo vệ ESD và
+ Có bảo vệ điện áp cao, cặp diode bảo vệ điện áp quá cao


Truyền thơng RS485

Nút nhấn
Màn hình LCD

Vi điều khiển

Khối nguồn

thấp, bảo vệ ESD
+ Có cách ly vi điều

khiển.
+ Có bảo vệ điện áp cao,
thấp, bảo vệ ESD.

và quá thấp
+ Sử dụng IC tích hợp chuyển đổi
tín hiệu từ vi điều khiển thành
chuẩn MODBUS truyền qua
RS485

+ Tín hiệu phím bấm 5V.
+ Có khả năng chống
nhiễu phím khi bấm.
+ Hiển thị được 2 dịng,
mỗi dịng 16 kí tự.
+ Cho phép chỉ cần dùng
4 bit tín hiệu data từ
VĐK
+ Nguồn cấp 5V, nhận
tín hiệu 0-5V
Cần 46 chân I/O vi điều
khiển:
+ 32 chân I/O của thiết bị
+ 6 chân LCD (4 chân
data+2 chân điều khiển)
+ 4 chân nút nhấn
+ 4 chân truyền thông
RS485 (2 chân đọc/viết,
2 chân điều khiển)

+ Sử dụng IC Trigger Schmith có
đảo và tụ điện để chống nhiễu
phím.
+ Chọn LCD 16x2

Cần cấp nguồn cho
các tải sau:
+ Vi điều khiển và một
số IC khác có cách li
(3.3V)
+ Các IC cịn lại (opamp) (±5V)
+ Nguồn cấp cho đầu ra
DO Relay 24V
+ Nguồn 12V giới hạn áp
đầu vào và nguồn 10V
giới hạn áp đầu ra.

Sử dụng IC chuyên dụng cho
nguồn cấp ổn định bất kể điện áp
đặt vào như LM7810, L78L33.
Dùng IC cách li nguồn như
REM1,…

Chọn VĐK PIC24FJ128GA106
có 100 chân (46 chân có thể
remap)
+ Hỗ trợ I2C, UART, SPI


PHẦN III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1. Thiết kế cổng vào/ra số DI/DO
1.1. Cổng vào số DI
Các thành phần chính:
+ Diode TVS 1SMB36AT3 bảo vệ ESD cho mạch, cho đầu vào tối đa
là 36V.
+ Hai diode 1N4148 chịu điện áp ngược đến 75V làm bảo vệ điện áp
quá cao và quá thấp, giới hạn điện áp trong 0-12V
+ Trigger schmitt sử dụng Op-amp LM324 giới hạn điện áp trong
ngưỡng, chống nhiễu.
 Điện áp cấp 3-32V
 Điện áp đầu vào 2.7-32V
 Dòng đầu vào ±10mA
+ Cách ly với vi điều khiển bằng Opto-coupler PC-817.

Tính tốn chi tiết cổng DI1
 Mạch phân áp
Tín hiệu mong muốn ngõ vào chân (-) của Op-amp ở giới hạn từ 332V, ta chọn mức điện áp 5V làm tín hiệu ngưỡng cao, 0.5V làm tín
hiêu ngưỡng thấp của Trigger Schmitt.
Tín hiệu đầu vào tối thiểu 10V đạt ngưỡng cao nên thiết kế mạch phân
áp để đầu vào 10V cho đầu ra 5V


V N=
→ 5=

R112
V
R111 + R112 I

R111

=10→ R111=R112
R111+ R 112

Chọn R111 = R112 = 10kW.
 Trigger Schmitt:
Đặt
RTOT =

1
1
1
1
+
+
R113 R114 R 115

V 1=V ref

R TOT 5 R TOT
=
R113
R113

V 2=V ss

R TOT 5 R TOT
=
R 114
R114

Khi đó, ngưỡng logic cao là
V high =V 1+ V 2=

5 RTOT 5 RTOT
+
=5
R 113
R114

Ngưỡng logic thấp,
V low =V 1−V 2=

5 RTOT 5 RTOT
−
=0.5
R113
R114

Suy ra

{

R113=1.82 RTOT
R 114=2.22 RTOT
R115=10000 RTOT

Chọn RTOT = 1 kW, khi đó R113 = 1820 W, R114 = 2220 W, R115 = 10 MW
Khi đó nếu VI vào lớn hơn 10V (nhỏ hơn 36V) thì đầu ra op-amp ở
mức cao 5V, ngược lại VI vào nhỏ hơn 1V thì đầu ra op-amp ở mức thấp 5V
 Mạch báo hiệu sử dụng diode quang (LED)

Dùng LED đỏ chịu được điện áp ngược 5V, có dịng tối đa 20mA nên
điện trở R6 tối thiểu


R116 =

V high 5
= =0.25(kW )
I rLED 20

Chọn R116 = 300 W
 Mạch cách ly với vi điều khiển
Dòng tối đa đầu vào với Opto-coupler PC817 là 50 mA nên điện trở
R118 tối thiểu
R118 =

5
=0.1(kW )
50

Chọn R118 = 100 W
Dòng tối đa với vi điều khiển (cả sink và source) là 18mA nên điện
trở tối thiểu
R1112 =

3.3
=0.183(kW )
18

Chọn R119 = 200 W .

1.2.

Cổng ra số DO Relays
Các thành phần chính:
+ Chọn Solid state relay AQY414EH có tác dụng cách ly với vi điều
khiển, chịu tải tối đa 400V, 120mA.
+ Dùng diode TVS 1SMB24AT3G bảo vệ ESD và cặp diode
1N4148 để bảo vệ điện áp cao và điện áp thấp.

2. Thiết kế cổng vào/ra tương tự AI/AO


2.1. Thiết kế cổng vào tương tự AI
a. Thiết kế ADC
Chọn IC ADS1112 làm ADC kết nối với vi điều khiển qua bus, giao
thức I2C.

C20= 0.1 uF, R20=5 W như khuyến nghị từ datasheet của nhà sản suất.
b. Đầu vào 0-10V
Sử dụng Diode TVS 1SMB10CAT3 bảo vệ ESD , 2 diode bảo vệ quá
áp và thấp áp.


c. Đầu vào 4-20 mA
Mạch chuyển đổi tín hiệu dịng thành tín hiệu áp sử dụng rail-rail
amplifier AD8031.
Có diode TVS SMBJ5 bảo vệ ESD, 2 diode bảo vệ quá áp và thấp áp.
Tính điện trở chuyển đổi
R231 =

2.2.

V range 5
= =0.25( kW )
I range 20

Thiết kế cổng ra tương tự AO
a. Thiết kế DAC
Thành phần chính
+ Chọn IC DS3911 gồm 4 kênh, kết nối với vi điều khiển bằng
bus giao thức I2C


Chọn C401=C402=0.1 uF, R40=100W, zener diode MMBZ5222 chịu
áp ngược 2.5V như datasheet của IC DS3911
b. Đầu ra 0-10V
Thành phần chính:
+ Mạch lọc nhiễu có các thơng số điện trở và điện dung như
khuyến nghị từ datasheet của IC DAC.
+ Op-amp LM321 khuếch đại tín hiệu 3.3V lên 10V
+ Mạch bảo vệ gồm diode TVS 1SMB10CAT bảo vệ ESD và
cặp diode 1N4148 bảo vệ q áp và thấp áp.
Tính tốn chi tiết:
Ta có
VO
R
10
=1+ 413 =
=3
VI

R 414 3.3
R 413
→
=2
R 414

Chọn R413=2kW, R414=1kW


c. Đầu ra 4-20mA
Thành phần chính:
+ Mạch lọc thơng thấp giống phần đầu ra 0-10V
+ Mạch chuyển điện áp sang dòng điện sử dụng op-amp LM741
+ Diode TVS 1SMB10CAT bảo vệ ESD.

Tính tốn chi tiết
Ta có:
R435 =R 433 =

V I 3.3
= =0.165(kW )
I L 20

3. Thiết kế phần cứng giao diện với người dùng
3.1. Thiết kế mạch nút nhấn
 Sơ đồ giao diện nút nhấn của thiết bị


 Các thành phần chính một mạch nút nhấn
+ Nút nhấn nhả nối với nguồn 5V

+ Trigger Schmitt IC 74HC14 chống nhiễu phím, có tốc độ chuyển
mạch nhanh, chỉ phụ thuộc điện áp; cùng với đó mắc thêm cả ở đầu
vào và đầu ra tụ điện.
+ Cách li và chuyển đổi điện áp với vi điều khiển sử dụng optocoupler PC847 gồm 4 port.

 Tính tốn chi tiết với button B1
Dựa vào yêu cầu đầu vào với IC 74HC14, giới hạn dịng điện vào IC
khơng vượt q 20mA nên điện trở tối thiểu là
R511 =

5
=0.25(kW )
20

Chọn R511= 1kW.
Chọn tụ C511 = 0.1 uF để chống nhiễu.
Mạch cách li với vi điều khiển:

5
=0.1 ( kW ) → R512 =200 W
50
3.3
R513 ≥
=0.183 ( kW ) → R 513=200W
18
R512 ≥


3.2.

Các nút B2, B3, B4 thiết kế giống B1
Thiết kế mạch kết nối LCD
 Mạch kết nối LCD
Màn hình LCD 16x2 LM016L gồm 8 chân data D0-7, các chân điều
khiển RS (Chọn thanh ghi dữ liệu RS=0, hoặc thanh ghi lệnh RS=1),
RW (Đọc RW=1, viết RW=0), E (Enable), các chân nguồn VSS,
VDD, VEE.
+ Dùng các transistor chuyển mức điện áp 3.3 V từ vi điều khiển
sang mức 5 V nối với các chân data D4-7, các chân RS(register
select), E (Enable)
+ Chân RW nối đất tức RW=0, chế độ ghi.
+ Chân VSS nối đất, VDD nối nguồn 5V, VEE nối một biến trở 05V cho phép thay đổi chế độ hiển thị màn hình.

Kết nối các chân RS, E, DBx (x=0,1,2,3,4,5,6,7) với các chân của vi
điều khiển cách li bởi IC PC817 như sơ đồ dưới.


4. Thiết kế phần cứng giao diện truyền thông
Thành phần chính:
+ IC MAX3140 chuyển đổi từ internal bus giao thức UART sang external
bus RS485 giao thức MODBUS

Các chân IRQ, DIN kết nối với các chân RP8, RP9 có khả năng nhập xuất
chuỗi dữ liệu của vi điều khiển. Chân DOUT nối với chân RPI37 của vi
điều khiển chỉ có khả năng nhận chuỗi dữ liệu. Chân CS nối với chân
PMCS2. Chân SCLK nối với CLKO cho phép đồng bộ clock với vi điều
khiển. Tất cả đều được cách li bằng IC PC817


5. Cấp nguồn

Thành phần chính:
+ Chọn yêu cầu nguồn bên ngồi 24VDC, dịng 1-5A để
+ Cơng tắc ON/OFF
+ Bảo vệ điện áp bằng một diode zener 1N4749 và một tụ điện 0.1uF.
+ Dùng IC LM7810 để tạo điện áp ổn định 10V, IC L78L33 để tạo điện áp
ổn định 3.3V.
+ Dùng IC REM1-3.33.3S để cách li nguồn với vi điều khiển

Tính tốn chi tiết:
 Các tụ lọc trước và sau 2 IC tạo nguồn chọn như đề xuất trong
datasheet.
 Các thơng số C87, C88, L81 chọn như datasheets.
 Dịng tiêu thụ ở cấp điện áp 3.3V gồm 8 chân DI, 1 chân SCL,
1 chân SDA, 4 chân nguồn, và một chân Reset, mỗi chân tiêu
thụ 18mA suy ra tổng dòng tiêu thụ là 270mA. Trong khi đó IC
REM1 cung cấp đến 303mA nên thỏa mãn nhu cầu của mạch.


Mạch phân áp:
 Để tối ưu trạng thái hoạt động của các IC, điện áp vào IC81 là
16V và IC82 là 8.3V.
R83 8.3 R83 + R82 16
=
,
=
R tot 24
R tot
24

Với Rtot = R81 + R82 + R83

Suy ra chọn R81 = 8kW, R82 = 7.7kW, R83 = 8.3kW
 Để có nguồn 5V và -5V chọn cách phân áp 1:2 với R 84 =R85 =1kW.
Khi đó chọn dây GND là dây chính giữa.
6. Kết nối với vi điều khiển và bus


Kết nối cơ bản của vi điều khiển:
 Mạch Reset nối với chân MCLR của vi điều khiển được điều khiển bởi
công tắc B0, kết nối với nguồn qua hai điện trở R 01=10kW và R02=300 W
và nối GND qua tụ 0.1 uF như datasheet.
 3 cặp chân VSS , VDD và cặp chân AVSS, AVDD nối với tụ tách 0.1 uF.
 Chân ENVREG nối đất vì khơng sử dụng tính năng phát nguồn từ vi điều
khiển. Và vì thế chân VCAP/VDDCORE không kết nối.
Kết nối bus I2C:


 Chọn 2 chân RG2, RG3 của vi điều khiển tương ứng là SCL1 và SDA1
làm hai dây kết nối của I2C
 Nối hai dây lên Vdd=3.3V qua điện trở 12k
Kết nối parallel với LCD
 Nối chân E (Enable) của LCD với chân RD11 hay PMCS1 của vi điều
khiển.
 Nối chân RS với chân RC13.
 Nối các chân data của LCD là DBx tương ứng với các chân REx (PMDx)
của vi điều khiển. x=0,1,2,3,4,5,6,7
Kết nối các chân digital:
 Các chân DO nối với các chân RDx. x= 0,1,2,3,4,5,6,7
 Các chân DI nối với các chân RFx, RD8,RD9. x=0,1,2,3,4,5,6
7. Thiết kế tổng thể thiết bị
Thiết kế mạch ngun lí tồn bộ các thành phần của bộ điều khiển áp suất

được thể hiện trong file đính kèm

PHẦN IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM


1. Thit lp ch iu khin
đ OK
Mode?

UP
PID

Online
Offline
Mode?
Level

ON/OFF
DOWN


*runVar

Logic

Input?

Output

AI1

AI2
AI3
AI4
Input?
AI1

AO1
AO2
AO3
AO4
Ouput?
DO1

AI2



AI3
AI4
DI1

DO8





DI8

DO8

DO1

PID
coefficients?
PID1
PID2
PID3
PID4
Positive?
P (Positive)
N
(Negative)

ơ BACK
Setpoint?
SP1
SP2
SP3
SP4
Setpoint?
SP1
SP2
SP3
SP4

P (Positive)
N
(Negative)

*Mode1

*Mode2

*In

*Out

*MP

*SP

1 bit

1bit

3bit

3bit

2bit

2bit

Chương trình con nhận tín hiệu các nút bấm trả về chuỗi số biểu thị thuật toán
điều khiển cùng với đối số cần thực hiện khi thiết bị hoạt động:
runVar = ControlSetup()
trong đó runVar là biến 12 bit biểu diễn thuật toán cần chạy, các biến Mode1,
Mode2 biểu thị thuật toán cần chạy, biến In biểu diễn đầu vào, Out, biểu diễn đầu
ra, MP biểu diễn hệ số thuật toán (hệ số PID với thuật toán PID, hệ số đảo với

thuật toán điều khiển ON/OFF), SP biểu thị Setpoint (ở thuật tốn ON/OFF đầu
vào logic thì SP khơng xác định)
Khi chạy chương trình điều khiển ta sẽ chạy tuần tự các chương trình con
Run(runVar)