tài liệu về các đầu vào và đầu ra của TL analog

BÀI 5: SỬ DỤNG MODULE ANALOG
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.
1.2Analog 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.
1.3Analog 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).


2. 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).

Analog Input
( A/D)
Các con số
Analog Output
( D/A)
Các con số
Đầu đo
Thiết bị
chuyển

đổi
Thiết bị cảm biến
Module analog
Tín hiệu vào
không điện
0 – 10V
4-20 mA
Tín hiệu ra tương tự
0 – 10 V
4 – 20 mA
2.1Các thành phần của module analog EM235.
Thành phần Mô tả
4 đầu vào tương tự
được kí hiệu bởi
A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào A
B+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào B
C+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào C
D+ , D- , RD Các đầu nối của đầu vào D
1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra
Gain Chỉnh hệ số khuếch đại
Offset Chỉnh trôi điểm không
Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân
giải
Sơ đồ khối của đầu vào Analog.
Sơ đồ khối đầu ra Analog

2.2Định 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 LSB
15 4 3 2 1 0
Dữ liệu 12 bit 0 0 0 0
c/ Bảng tổng hợp :
Định dạng dữ liệu Giá trị chuyển đổi
Kiểu tín hiệu đối xứng (
±
10V,
±
10mA,)
- 32000 đến +32000
Tín hiệu không đối xứng (0
÷
10V, 4
÷
20mA)
0 đến +32000
2.3 Cách nối dây
a/ Đầu vào tương tự:
- Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp:

- Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện:
Hoặc :
b/ Đầu ra tương tự:

RA
A+
A-
+
-
Điện
áp
RA
A+
A-
4-20
mA
L+
M
RA
A+
A-
4-20
mA
PS
PS
M
+
-
+

-
c/ Cấp nguồn cho Module:
Tổng quát cách nối dây:
2.4 Cài đặt dải tín hiệu vào.

MO
VO
IO
Tải điện áp
Tải dòng điện
M
L+
Nguồn
24 VDC
Module EM 235 cho phép cài đặt dải tín hiệu và độ phân giải của đầu vào
bằng switch:
Sau đây là bảng cấu hình :
Dải không đối xứng Dải đầu vào Độ phan giải
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6
ON OFF OFF ON OFF ON 0 – 50 mV 12.5 uV
OFF ON OFF ON OFF ON 0 – 100 mV 25 uV
ON OFF OFF OFF ON ON 0 – 500 mV 125 uV
OFF ON OFF OFF ON ON 0 – 1 V 250 uV
ON OFF OFF OFF OFF ON 0 – 5 V 1.25 mV
ON OFF OFF OFF OFF ON 0 – 20 mA 5 uA
OFF ON OFF OFF OFF ON 0 – 10 V 2.5 mV
Dải đối xứng Dải đầu vào Độ phân giải
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6
ON OFF OFF ON OFF OFF ± 25 mV 12.5 uV
OFF ON OFF ON OFF OFF ± 50 mV 25 uV

OFF OFF ON ON OFF OFF ± 100 mV 50 uV
ON OFF OFF OFF ON OFF ± 250 mV 125 uV
OFF ON OFF OFF ON OFF ± 500 mV 250 uV
OFF OFF ON OFF ON OFF ± 1V 500 uV
ON OFF OFF OFF OFF OFF ± 2.5 V 1.25 mV
OFF ON OFF OFF OFF OFF ± 5 V 2.5 mV
OFF OFF ON OFF OFF OFF ± 10 V 5 mV
2.5Trình 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.

On
Off
- 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
- 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 ?
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:

Đầu ra số
(x)
0 32000
0
10
24000
? V
Đầu vào analog
( y ) - V
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.
MinAMinDOutD
MinDMaxD
MinAMaxA
InA _)__(
__
__
_ +−
−
−
=
c/ Tiến hành viết chương trình :
+ Chương trình con :
Khai báo các biến vào ra và biến tạm thời

Chương
trình con
tính toán
y = x/3200
24000
0
32000
0.0 (V)
10.0 (V)
7.5 (V)
Chương
trình con

tính toán
y = ax + b
D_Out
D_Min
D_Max
A_Min
A_Max
A_In
Tổng quát hóa
Các chú thích :
Chương trình con :


+ 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
- Vậy nếu ta cần điện áp đầu ra là 8 V thì giá trị bằng số cần đưa ra là bao nhiêu ?

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:

Đầu ra
tương tự
(x) - V

0 10
0
32000
8
?
Giá trị bằng số
cần đưa ra
( y )
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.
MinDMinAOutA
MinAMaxA
MinDMaxD
InD _)__(
__
__
_ +−
−
−
=
c/ Tiến hành viết chương trình :
+ Khai báo các biến vào ra và biến tạm trong chương trình con.

Chương

trình con
tính toán
y = x/3200
8.0 V
0.0
10.0 V
0
32000
25600
Chương
trình con
tính toán
y = ax + b
A_Out
A_Min
A_Max
D_Min
D_Max
D_In
Tổng quát hóa
+ Chú thích :
+ Chương trình con :


+ Chương trình chính gọi chương trình con :
+ Tiến hành biên dịch, download và debug.
3.3Ứng dụng đo nhiệt độ môi trường.
- Dải tín hiệu đo 0-150
o
C

- Đầu ra 0-10V

- Cần tính nhiệt độ thực tế môi trường là bao nhiêu.