Bạn có biết cách xử lý tín hiệu analog đầu vào không ?Hoặc kết nối các tín hiệu đầu ra ? Nhiều bạn gặp khó khăn với các tín hiệu analog trong lập trình PLC. Việc đấu dây và  xử lý tín hiệu đầu vào hoặc đầu ra analog trong PLC có thể rất phức tạp. Thông thường, bạn sẽ gặp các ví dụ lập trình PLC là dạng tín hiệu digital .

Tín hiệu analog được sử dụng rộng rãi trong các chương trình PLC nhưng cũng thường được sử dụng trong hệ thống SCADA. Vậy làm cách nào để kết nối bộ phát tín hiệu tương tự (analog) 4-20mA đó với PLC của bạn và sử dụng nó trong chương trình PLC của bạn? 

Làm thế nào để bạn xử lý tín hiệu analog trong ngôn ngữ Sơ đồ khối chức năng (FBD)? Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn câu trả lời cho điều này và nhiều hơn nữa.

Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về: 

• Tín hiệu tương tự trong PLC 
  • Biểu diễn tín hiệu analog bằng số nhị phân 
  • Bit và byte 
  • Bộ chuyển đổi A / D 
  • Độ phân giải của tín hiệu analog
  • Dải tín hiệu  analog
• Đầu vào tín hiệu analog 
  • Đấu dây tín hiệu đầu vào analog PLC 
    • Tín hiệu đầu vào analog điện áp
    • Tín hiệu đầu vào analog dòng điện 
      • Đầu vào analog 2 dây 
      • Đầu vào analog 3 dây 
      • Đầu vào analog 4 dây 
  • Điều chỉnh tín hiệu đầu vào tương tự 
• Đầu ra tương tự 
  • Đấu dây các đầu ra tương tự PLC 
    • Đầu ra tương tự điện áp 
    • Đầu ra tương tự hiện tại
  •  Chia tỷ lệ / Hủy chia tỷ lệ đầu ra tương tự

Nhưng trước tiên, hãy để tôi giới thiệu với các bạn một số điều cơ bản về tín hiệu analog và cách chúng hoạt động trong PLC.

Tín hiệu Analog trong PLC

Trước hết, chúng ta sẽ xem xét một số con số. Nếu bạn đã đọc bài viết của tôi về logic tổ hợp, bạn sẽ biết rằng PLC hoạt động với các giá trị boolean. PLC chỉ có thể hoạt động với các giá trị 0 và 1.

Điều này rất tốt cho tín hiệu kỹ thuật số. Chúng là 0 hoặc 1 và do đó tương đối dễ làm việc. Nhưng còn tín hiệu analog thì sao? Như Wikipedia định nghĩa, tín hiệu analog là tín hiệu liên tục có thể thay đổi theo thời gian.

Ví dụ, bạn có thể có một tín hiệu analog 0-10 volt. Tín hiệu này có thể thay đổi từ 0 đến 10 vôn và có nhiều mức điện áp bất kỳ ở khoảng giữa. Và vì tín hiệu analog là liên tục, tín hiệu này sẽ luôn luôn biểu diễn một mức điện áp. Nếu bạn nhìn vào sơ đồ dưới đây, bạn sẽ thấy rằng tín hiệu analog có thể có bất kỳ giá trị nào trong khoảng từ 0 đến 10 volt.

 Tín hiệu tương tự 0-10 Volt

Câu hỏi đặt ra là: Làm thế nào mà PLC có thể xử lý  tất cả các giá trị khác nhau này? Giả sử bạn có tín hiệu analog ở 5 volt đi vào PLC. Chúng ta không thể biểu diễn nó bằng các giá trị boolean, vì chúng chỉ có thể có các giá trị 0 và 1.

Câu trả lời là số nhị phân!

Biểu diễn tín hiệu tương tự bằng số nhị phân

Như đã đề cập trước đây, PLC chỉ có thể hoạt động với 2 giá trị 0 và 1. Nhưng điều đó ngăn chúng ta làm việc với các tín hiệu analog. Bởi vì thực tế là PLC chỉ hoạt động với các số nhị phân. Nguyên do là PLC hoặc vi điều khiển thực sự chỉ là các mạch điện tiên tiến được tạo ra từ các bóng bán dẫn. Vì bóng bán dẫn chỉ có thể bật hoặc tắt, hai trạng thái này sau đó sẽ đại diện cho các giá trị 0 và 1.

Chính vì thế nên chúng ta chỉ có 2 trạng thái. Rất hữu ích cho tín hiệu kỹ thuật số, nhưng không hữu ích cho tín hiệu analog. Để hiểu cách đầu vào analog hoạt động trong PLC, bạn phải hiểu các số nhị phân.

Số nhị phân là hệ số được sử dụng bởi PLC hoặc bất kỳ máy tính nào khác. Hệ số này chỉ có hai số, so với hệ số cơ số 10 của chúng ta, có 10 số từ 0 đến 9.Hệ số nhị phân chỉ là một cách khác để biểu diễn các con số . Tôi khuyên bạn nên đọc hướng dẫn này về số nhị phân, nếu bạn không biết chúng hoạt động như thế nào.

Bits and Bytes

Trong hệ số nhị phân một đơn vị được gọi là bit. Một bit có thể là 0 hoặc 1. Như đã đề cập, đây là cách hoạt động của các tín hiệu đầu vào kỹ thuật số. Nhưng nếu bạn ghép các bit này với nhau thì  bằng cách đó bạn đã tạo ra các số có nhiều chữ số hơn,  mọi thứ bắt đầu trở nên thú vị rồi đó!

Trong nhiều PLC, tín hiệu analog được biểu diễn bằng một  “word”. Một “word”  trong hệ nhị phân là 16 số 0 trong một hàng hoặc hai byte (8 số 0). Giống như thế này:

00000000 00000000

Nếu bạn nhớ một chút về số nhị phân, bạn sẽ biết rằng một số nhị phân có 16 chữ số có thể biểu diễn các giá trị từ 0 đến 65,535. Tuy nhiên, chỉ đúng một nửa đối với PLC. Bởi vì bit đầu tiên được sử dụng để ký hiệu “dấu” của  số, nó có thể là giá trị dương hoặc âm.

Vì vậy, với 1 bit để ký hiệu dấu, chúng ta còn lại 15 bit để biểu diễn giá trị analog. Do đó, số nhị phân có thể thể hiện cho các giá trị từ -32,768 đến 32,767.

Bộ chuyển đổi A / D 

Khi tín hiệu đầu vào analog đi vào PLC, nó sẽ đi qua bộ chuyển đổi A /D hoặc bộ chuyển đổi analog sang digital. Đây là thành phần trong thẻ đầu vào analog của PLC có chức năng biến đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital. Chính những tín hiệu digital này sau cùng sẽ biểu diễn các giá trị nhị phân của chúng ta trong PLC.

Trước khi tìm hiểu về bộ chuyển đổi A / D, điều quan trọng là phải hiểu loại tín hiệu analog mà bạn đang xử lý. Trong bài viết này, tôi sẽ tập trung vào ba loại tín hiệu tương tự (analog) trong lập trình PLC:

• Điện áp
• Cường độ dòng điện
• Trở kháng

Lý do chúng ta cần biết  loại tín hiệu cần xử lý là gì ? Là vì chúng ta cũng cần phải biết phạm vi của tín hiệu đó .

Một loại tín hiệu tương tự được sử dụng phổ biến là 4-20mA.

Tín hiệu tương tự 4-20 mA

Chúng ta phải biết loại tín hiệu nào mà ta đang xử lý. Bởi vì trong ví dụ này, chúng ta biết rằng tín hiệu tương tự có phạm vi 16mA. Giá trị analog thường được đặt trong một   16 bit trong PLC. Điều này là do bộ chuyển đổi A / D chuyển đổi tín hiệu tương tự thành giá trị kỹ thuật số có độ dài 16 bit.

Bạn có thể mua thẻ đầu vào tương tự với các độ phân giải khác nhau. Điều đó phụ thuộc vào số lượng bit mà bộ chuyển đổi A / D phải làm việc. Nhiều bit hơn cho chúng ta nhiều số hơn để biểu diễn tín hiệu tương tự.

Độ phân giải của tín hiệu tương tự (analog)

Số bit bạn phải dùng để lưu giá trị analog trên thực tế được gọi là độ phân giải. Hãy coi nó giống như TV của bạn. Nó cũng chỉ có một số lượng pixel nhất định để biểu diễn cho một hình ảnh.Điều này cũng xảy ra với chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. 

Giống như chúng ta gọi nó là độ phân giải khi nói về số lượng pixel trên tivi, chúng ta cũng gọi nó là độ phân giải khi nói về các giá trị analog được biểu diễn bằng một con số. 

Độ phân giải rất quan trọng khi xử lý tín hiệu analog trong lập trình PLC. Khi tín hiệu analog đi vào card tín hiệu analog, tín hiệu analog sẽ được chia thành giá trị từ 0 đến 32.767. Việc chia giá trị analog thành 32.767 cho chúng ta một độ phân giải nhất định.

Mỗi khi giá trị của chúng ta tăng lên 1, có nghĩa là tín hiệu tương tự đã tăng theo x mA. 

Chúng tôi vẫn chưa thể tính toán chính xác được con số mA là bao nhiêu. Bởi vì hầu hết các PLC đều có một thứ được gọi là dải cận trên và dải  cận dưới khi nói về tín hiệu tương tự. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các giới hạn cho tín hiệu tương tự trong lập trình PLC.

Dải tín hiệu tương tự (analog)

Giờ chúng ta sẽ đến công chuyện chính. Trong bài viết này chúng tôi sẽ chọn PLC  Siemens làm ví dụ . Nhưng đừng lo! Bởi nguyên lý này đều áp dụng cho hầu hết PLC các hãng khác .

Đối với tín hiệu tương tự thì độ nhạy khá cao. Mặc dù ý định ban đầu của nhà sản xuất là dải tín hiệu phải từ 4-20mA nhưng đôi khi tín hiệu có thể vọt lố hoặc sụt giảm. Khi điều này xảy ra chúng ta có thể muốn xem thay đổi đó trong PLC sẽ trông thế nào.

Mặc dù trong nhiều trường hợp thì những sự vọt lố hay sụt giảm này là điều bình thường. Để có thể phát hiện các điều này trong chương trình PLC chúng ta cần một thứ được gọi là dải cận trên và dải cận dưới

Dải tín hiệu tương tự của PLC Siemens

Dải tín hiệu thông thường hoặc dải tín hiệu định mức của chúng ta thường là 4-20mA. Nhưng ở mức cực đại trên và cực tiểu thì Siemens đã bổ sung thêm một số mA trong dải tín hiệu. Họ chia dải tín hiệu trên thành hai loại sau: 

• Dải vọt lố (dải quá mức) 
• Dải tràn ngưỡng trên

Và với dải cực tiểu ta có : 

• Dải dưới ngưỡng chuẩn (dải dưới ngưỡng)
• Dòng tràn ngưỡng dưới

Điều này có nghĩa là thay vì dải 4-20 mA, giờ đây chúng ta có dải 1,185 – 22,96 mA. Điều tương tự cũng áp dụng cho các loại tín hiệu tương tự khác. Ví dụ. dải 0-10V là dải 0 – 11,852 V . 

Nói chung, tất cả điều này có nghĩa là phạm vi tín hiệu tương tự của chúng ta có thể được minh họa như sau:

Với khái niệm tràn ngưỡng trên và tràn ngưỡng dưới, giờ đây chúng ta có thể bắt đầu tính toán độ phân giải thực của tín hiệu tương tự. Nhưng thay vì chỉ sử dụng dải  22,96 – 1,185  mA hoặc 11,852 V, thì có một con số thập phân bạn nên lưu ý ở đây:

27.648

Như bạn có thể thấy trong bảng trên, đây là nơi kết thúc của dải tín hiệu định mức của chúng ta. Do đó, độ phân giải của chúng ta cho tín hiệu 0 -10 V nên được tính như sau:

10 V / 27658 = 361.7 μV

Hoặc đối với tín hiệu 4-20mA :

16 mA / 27648 = 578.7 nA

Hai số này là giá trị nhỏ nhất mà chúng ta có thể biểu diễn trong PLC. Trong hầu hết các trường hợp, các bước này đủ nhỏ và chính xác. Cũng nên nhớ rằng độ phân giải bạn muốn càng cao thì các mô-đun đầu vào và đầu ra tương tự PLC càng đắt tiền.

Đầu vào tín hiệu tương tự (Analog)

 Với một chút lý thuyết trong đầu, hãy cùng tìm hiểu kỹ bằng cách xem xét các đầu vào tương tự trong PLC.

Đầu vào tương tự có thể đến từ nhiều loại cảm biến và máy phát hoặc cả hai. Ví dụ một trong những loại cặp nhiệt điện được kết nối với máy phát, sau đó được kết nối với đầu vào tương tự PLC. Bạn có thể đo lường nhiều thứ khác nhau. 

Công việc của cảm biến hoặc máy phát là biến đổi tín hiệu đó thành tín hiệu điện. Dưới đây là một vài trong số những thứ bạn có thể đo bằng cảm biến analog:

• Mực nước
• Lưu lượng 
• Khoảng cách 
• Độ nhớt
• Nhiệt độ 

Tất nhiên có nhiều thứ khác bạn có thể đo lường. Điểm chính ở đây là chúng (cảm biến hoặc máy phát) sẽ biến đổi các giá trị vật lý đó thành tín hiệu analog. Đó là tín hiệu mà chúng ta có thể sử dụng trong PLC như một đầu vào analog.

Một ví dụ ở đây có thể là một máy phát nhiệt có đầu ra 4-20 mA. Kết nối với máy phát là một cảm biến nhiệt độ. Máy phát sau đó được hiệu chỉnh theo phạm vi. Ví dụ: 0 -100 độ. Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ là 0 độ, đầu ra của máy phát sẽ là 4 mA và bằng 20 mA khi 100 độ.

Thường cần một máy phát vì bản thân cảm biến không thể cho chúng ta tín hiệu tương tự được. Hoặc ít nhất không phù hợp với đầu vào tương tự PLC. Có thể mua các mô-đun đầu vào tương tự, thứ có thể kết nối trực tiếp với cảm biến nhiệt độ chẳng hạn. Nhưng thông thường, bạn sẽ phải có một mô-đun đầu vào điện áp hoặc dòng điện nơi bạn kết nối với máy phát.

Hiệu chuẩn là rất quan trọng khi nói về máy phát. Bạn phải biết mA hoặc vôn đó đại diện bao nhiêu trong giá trị vật lý.

Đấu dây đầu vào tín hiệu tương tự

Trước khi bạn bắt đầu đấu dây bất kỳ mô-đun tương tự PLC nào, tôi thực sự khuyên bạn không chỉ nên đọc hướng dẫn sử dụng mà còn phải biết loại tín hiệu bạn đang xử lý. Việc đấu dây một đầu vào tương tự PLC có một chút khác biệt tùy thuộc vào loại tín hiệu.

Trong hướng dẫn này, tôi sẽ trình bày cách đấu dây của hai tín hiệu đầu vào tương tự cơ bản nhất:

• Điện áp 
• Cường độ dòng điện 

Lý do tôi phân chia tín hiệu đầu vào tương tự thành hai loại này không chỉ vì chúng là tín hiệu được sử dụng nhiều nhất. Mà còn do cách đấu dây của chúng cũng khác nhau. Vì 2 loại tín hiệu tương tự này hoạt động theo những cách rất khác nhau.

Bạn cũng sẽ phải đấu dây chúng khác nhau trên mô-đun đầu vào tương tự. Sai lầm trong cách đấu dây điện có thể phá hủy mô-đun đầu vào, vì vậy hãy cẩn thận!

Cả 2 loại tín hiệu tương tự đều có một điểm chung. 

Điện trở

Điện trở là những gì phân chia điện áp hoặc giới hạn dòng điện. Trên thực tế, một con điện trở thậm chí còn được sử dụng để đo dòng điện. Nhưng ta sẽ nói nhiều hơn về điều này sau. Hãy bắt đầu bằng cách xem xét loại tín hiệu tương tự đầu tiên – điện áp.

Đấu dây đầu vào tín hiệu điện áp tương tự

Sử dụng điện áp cho tín hiệu tương tự là khá phổ biến. Chúng cũng khá dễ đấu dây, vì bạn thường chỉ cần hai dây. Nhưng điều đó không có nghĩa là bạn không nên cẩn thận khi đấu dây loại tín hiệu tương tự này. Nếu không được nối dây đúng cách, bạn có thể nhận được tín hiệu tương tự bị lỗi hoặc thậm chí tệ hơn, mô-đun đầu vào tương tự bị hỏng.

Vì vậy, về cơ bản tất cả các đầu vào điện áp tương tự đều có hai thiết bị đầu cuối:

•  AGND: Nối đất cho các đầu vào tương tự
•  AIN: Đầu vào tương tự 

Giữa 2 điểm luôn đo được hiệu điện thế. Bạn không thể lấy một điểm rồi nói: tại thời điểm này, tôi có thể đo được 10 vôn. Đối với điều đó, bạn cần một điểm nối đất . Cũng giống như một cục pin. Một pin 9 vôn thì giữa cực dương và cực âm chỉ là 9 vôn. 

Đó là lý do chúng ta sử dụng AGND (analog ground) .PLC sẽ đo có bao nhiêu vôn giữ 2 chân AGND và AIN  trên module tín hiệu đầu vào tương tự. Điều này cũng cho chúng ta câu trả lời về AIN là gì. 

Khi bạn đang kết nối nguồn điện áp tương tự, AIN là nơi bạn kết nối cực dương (+) của nó. Cực âm (-) sẽ được kết nối với AGND. Đó là hai dây chính cho tín hiệu tương tự. 

Nhưng nếu bạn chỉ kết nối chân đó thôi thì bạn sẽ nhận được một tín hiệu rất dễ bị nhiễu . Tương thích điện từ (EMC) có thể làm nhiễu tín hiệu analog của bạn. 

Như bạn có thể thấy bên dưới, nhiễu được giải quyết bằng cách bọc shield chống nhiễu các dây tín hiệu và nối shield chống nhiễu đó với tiếp địa. Hãy lưu ý rằng tiếp địa này KHÔNG cùng với tiếp địa của AGND! 

Đấu dây đầu vào tương tự điện áp

Vấn đề là không phải tất cả các tiếp địa đều giống nhau. Trong trường hợp AGND được sử dụng làm tham chiếu cho tín hiệu tương tự của chúng ta (0 volt), shield chống nhiễu phải được nối với tiếp địa. Bởi vì nhiễu thực sự chỉ là hiện tượng cảm ứng điện từ trong dây dẫn.

Bằng cách sử dụng một shield chống nhiễu, dòng điện gây nhiễu đó sẽ được dẫn ra trong shield chống nhiễu thay vì các dây dẫn của tín hiệu tương tự của chúng ta. Dòng điện này cần được dẫn đi và đó là lý do tại sao chúng ta kết nối shield chống nhiễu với mặt đất.

Sụt giảm điện áp trong dây dẫn

Vì chúng ta đang bàn đến điện áp nên bản thân hệ thống dây điện cũng có thể gây ra sự cố. Tất cả các dây dẫn điện (vật dẫn điện) đều có điện trở và do đó tạo ra sự sụt áp. Điều này có nghĩa là điện áp ở đầu vào tương tự sẽ khác với điện áp ở máy phát. Tất nhiên, điều này chỉ gây ra hậu quả đáng kể nếu bạn có khoảng cách đi dây dài hoặc tiết diện dây quá nhỏ.

Đấu dây đầu vào tín hiệu tương tự dòng điện 

Thay vì sử dụng điện áp, bạn cũng có thể sử dụng dòng điện như tín hiệu tương tự. Chúng có thể khó đi dây hơn một chút, nhưng nhìn chung chúng ổn định hơn. Đặc biệt một trong số chúng có một tính năng rất thông minh khiến nó có lẽ là loại tín hiệu analog được sử dụng nhiều nhất.

Dòng điện trong tín hiệu tương tự thường được đo bằng miliampe (mA). Phạm vi điển hình ở đây là từ 0 đến 20 mA. Ít hơn sẽ khó đo lường mà nhiều hơn thì sẽ nguy hiểm. Hãy cùng xem xét ý nghĩa thực sự của việc sử dụng dòng điện trong tín hiệu tương tự.

 Trước hết, bạn cần một vòng lặp kín để dòng điện chạy qua.

 Mặc dù thoạt nhìn cách đấu dây của loại máy phát dòng điện giống như với điện áp, nhưng lại có sự khác biệt. Dòng điện là dòng chuyển động của các electron từ cực này sang cực khác. Đó là lý do tại sao bạn sẽ luôn cần một vòng lặp kín để đo dòng điện.

Điện Trở Shunt

Trên thực tế, PLC không thể đo cường độ dòng điện. Vì vậy, điều thực sự xảy ra bên trong mô-đun đầu vào tương tự là một điện trở được đặt giữa dương (AI) và âm (AGND). Điều này sẽ không chỉ tạo thành vòng kín mà còn chuyển đổi tín hiệu hiện tại của chúng ta thành tín hiệu điện áp.

Điện trở Shunt trong đầu vào tương tự để chuyển đổi dòng điện thành điện áp

Điện trở được gọi là điện trở shunt và có điện trở cụ thể. Ví dụ trong một số mô-đun đầu vào tương tự của Siemens, nó là 250 Ohm. Và do Định luật Ohm, tín hiệu dòng điện tương tự giờ đây có thể được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp bằng các phép tính đơn giản.

Điện áp (V) = Điện trở (R) x Dòng điện (I)

Vì chúng ta đã biết giá trị điện trở là 250 Ohm, nên ta có thể tính được điện áp đo được của chúng ta tương ứng với bao nhiêu miliampe.

Với nền tảng đó, chúng ta hãy xem xét hệ thống dây của các đầu vào tương tự hiện tại. Nhìn chung, chúng có thể được chia thành ba loại:

• Đầu vào tương tự 2 dây
• Đầu vào tương tự 3 dây 
• Đầu vào tương tự 4 dây

Khi nói về hệ thống 2, 3 và 4 dây thì những gì chúng ta đang đề cập ở đây thực sự là các bộ truyền hoặc bộ chuyển đổi. Máy phát hiện tại có thể được nối dây theo nhiều cách khác nhau và với số lượng dây khác nhau. 

Sự khác biệt thực sự là nguồn cấp cho tín hiệu. Đôi khi nguồn sẽ cấp trực tiếp cho mạch, và đôi khi bạn phải sử dụng một nguồn cấp bên ngoài.

Đầu vào tín hiệu tương tự 2 dây

Cách đầu tiên và đơn giản nhất là nối 2 dây của máy phát thành 1 mạch vòng . Về cơ bản, điều này có nghĩa là PLC sẽ cấp dòng cho mạch vòng này. Ở đây chỉ cần 2 dây để PLC có thể cấp dòng .Để làm được như thế chúng ta cần sử dụng một “terminal” khác trên mô-đun đầu vào tương tự:

• A+: Nguồn cấp cho đầu vào tương tự

Một dây đi từ A+ qua máy phát và trở lại trong một dây khác tới AIN. Nguồn cấp đến từ A+, máy phát điều khiển dòng điện và tín hiệu dòng điện tương tự sẽ đi vào AIN.

Mạch vòng cấp nguồn cho đầu vào tương tự dòng điện loại 2 dây.

Bạn cũng có thể sử dụng nguồn điện bên ngoài cho bộ phát loại 2 dây. Kết nối 0 V từ nguồn cung cấp đến AGND và 24 V qua máy phát trở lại AIN. Mặc dù thực tế bạn sẽ cần 3 dây cho việc này, nhưng nó vẫn được coi là kết nối đầu vào tương tự loại 2 dây. Vì máy phát chỉ có hai dây.

Đầu vào tương tự loại 2 dây với nguồn điện bên ngoài

Một nhược điểm của mạch vòng dòng điện loại 2 dây là bạn chỉ có một vòng lặp cho cả nguồn cung cấp và tín hiệu. Điều này có nghĩa là máy phát phải tiêu thụ ít hơn 4 mA để nó hoạt động. Một số cảm biến và máy phát tiêu thụ nhiều hơn thế, điều này đưa chúng ta đến các mạch vòng loại 3 và 4 dây.

Đầu vào tín hiệu tương tự 3 dây

Trong mạch vòng loại 3 dây, dây ground (0V) được đấu chung giữa nguồn cấp và tín hiệu. Dây ground được nối với cả chân AGND và nguồn cấp (-). Nhưng máy phát lại có 2 dây dương (+). Một cái đi tới nguồn cấp (+) và một cái đi tới chân AIN.

Đầu vào tương tự 3 dây với mạch vòng cấp nguồn và tín hiệu riêng biệt

Mặc dù chúng dùng chung “ground” nhưng một bộ phát 3 dây lại có đến 2 mạch vòng. Một cho tín hiệu và một cho nguồn cung cấp. Giờ đây, các cảm biến hoặc máy phát có thể tiêu thụ bao nhiêu điện năng tùy thích mà không ảnh hưởng đến tín hiệu analog.

Đầu vào tín hiệu tương tự 4 dây

Bộ phát 4 dây cũng được sử dụng rộng rãi vì nó tách nguồn cấp khỏi tín hiệu. Bằng cách dùng bộ phát 4 dây, bạn có thể có 2 dây cho nguồn cấp và 2 dây cho tín hiệu. Đương nhiên, bộ phát 4 dây yêu cầu một nguồn cấp bên ngoài.

Kết nối máy phát 4 dây với đầu vào tương tự

Rõ ràng ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng bộ phát 4 dây là sự tách biệt hoàn toàn giữa nguồn cấp và tín hiệu. Chúng có thể được cách ly hoàn toàn hoặc cách ly opto để nhiễu của nguồn cấp không ảnh hưởng đến tín hiệu.

Đọc hướng dẫn sử dụng 

Điều quan trọng nhất ở đây là bạn biết bạn dùng máy phát hoặc cảm biến nào. Đọc hướng dẫn sử dụng và chọn cách bạn muốn nối dây cho nó. Cũng đừng quên đọc hướng dẫn sử dụng của mô-đun đầu vào tương tự. 

Các nhà sản xuất khác nhau đặt các tên khác nhau cho các chân của “terminal” trên mô-đun. Đôi khi họ thậm chí còn đưa ra các hướng dẫn khác nhau về tiếp đất và chống nhiễu.

Tóm lại, để tránh các vấn đề với hệ thống dây điện… Hãy luôn đọc và làm theo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất.

Điều chỉnh tín hiệu đầu vào tương tự 

Khi tín hiệu đầu vào tương tự đi vào PLC, bạn thường sẽ phải điều chỉnh nó trong chương trình PLC của mình. Điều chỉnh tỷ lệ có nghĩa là bạn chuyển đổi giá trị thô từ đầu vào tương tự thành một số loại giá trị kỹ thuật. Giá trị kỹ thuật là một số đại diện cho giá trị vật lý, ví dụ: lưu lượng (m3 / s), trọng lượng (kg) hoặc nhiệt độ (độ).

Việc chuyển đổi hoặc điều chỉnh tỷ lệ được thực hiện đơn giản với một số phép toán. Một số IDE như Siemens Step 7 hoặc Tia Portal thậm chí còn có một khối chức năng dành riêng cho việc điều chỉnh tỷ lệ. Ở đây tôi sẽ chỉ cho bạn cả hai cách điều chỉnh tỷ lệ đầu vào tương tự.

Điều chỉnh tỷ lệ bằng toán học

Trước đây tôi đã giải thích cách mà tín hiệu tương tự trở thành giá trị thô trong PLC. Thứ mà tín hiệu tương tự biểu thị là một phép đo vật lý như 0 đến 300 độ. Thật thuận tiện khi làm việc với giá trị kỹ thuật trong chương trình PLC của chúng ta hoặc hiển thị phép đo trên HMI.

Bằng cách nào đó, chúng ta phải chuyển đổi dải số 0-27648 thành 0-300. 

Về mặt toán học, chúng ta có thể mô tả nó với mối quan hệ này: 

Giá trị thô / 27648 = Giá trị kỹ thuật / 300

Chuyển biến “giá trị kỹ thuật” sang một vế của phương trình, chúng ta nhận được một phương trình mà chúng ta có thể sử dụng trực tiếp trong chương trình PLC của mình. Phương trình này có thể được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ đầu vào tương tự thành giá trị kỹ thuật: 

Giá trị kỹ thuật = (Giá trị thô / 27648) * 300 

Tất nhiên tùy chọn dễ nhất ở đây là sử dụng structured text. Bằng cách đó, chúng ta có thể mở rộng đầu vào tương tự chỉ với một dòng mã.  

Điều chỉnh tỷ lệ với Khối chức năng SCALE

Ví dụ như Siemens có các khối chức năng tích hợp dành riêng cho việc điều chỉnh tỷ lệ . Khối này đơn giản được gọi  là SCALE và có 5 đầu vào và 3 đầu ra. Nhưng tôi sẽ chỉ tập trung vào 3 đầu vào và 1 đầu ra.

HI_LIM và LOW_LIM là giới hạn cho giá trị kỹ thuật của bạn. Ví dụ: nếu bạn muốn chia tỷ lệ tín hiệu tương tự của mình thành 0-300 độ, LOW_LIM phải là 0 và HI_LIM 300. Tại đầu vào được gọi là IN là nơi giá trị thô từ đầu vào tương tự. 

Cuối cùng kết quả của việc chia tỷ lệ sẽ được gửi đến đầu ra của khối (OUT). 

Cách dùng khối chức năng để điều chỉnh tỷ lệ cũng giống như cách sử dụng toán học được trình bày trước đó. Một số người thích phương pháp này hơn phương pháp kia.

Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)

Đầu ra tương tự có rất nhiều điểm tương đồng với đầu vào tương tự. Nhưng vẫn có một số khác biệt trong cả cách bạn đấu dây và cách bạn sử dụng chúng trong chương trình PLC của mình. Cũng giống như đầu vào tương tự, đầu ra tương tự có thể được chia thành hai loại: 

• Điện áp 
• Cường độ dòng điện 

Và các nguyên lý đều giống nhau. Chúng ta đều có thể sử dụng điện áp hoặc dòng điện làm tín hiệu tương tự. 

Hãy cùng tìm hiểu kỹ về vấn đề này bằng cách xem xét hệ thống dây của các đầu ra tương tự.

Đấu dây các đầu ra tín hiệu tương tự

Bất kể bạn đang sử dụng loại tín hiệu đầu ra analog nào, bạn luôn phải ghi nhớ một điều. Tải (load) . Bởi vì về cơ bản bạn sẽ kết nối một tải với đầu ra. Đây có thể là van điều khiển dòng chảy, bộ chuyển đổi tần số hoặc thậm chí là đầu vào tương tự trên một PLC khác. 

Thiết bị bạn kết nối với đầu ra tín hiệu tương tự là thiết bị quyết định loại tín hiệu tương tự bạn sẽ sử dụng. Nếu bạn muốn điều khiển van có tín hiệu 4-20 mA, thì đầu ra tín hiệu tương tự của bạn cũng phải là 4-20 mA.

Đấu dây các đầu ra tín hiệu điện áp tương tự

Một lần nữa, đầu ra tín hiệu điện áp tương tự là đầu ra dễ đấu dây nhất. Đối với điều này, bạn sẽ chỉ cần 2 dây. Bản cực dương và bản cực âm của nguồn điện áp. Trong trường hợp này là đầu ra tín hiệu điện áp tương tự của chúng ta. Dưới đây là cách nối dây đầu ra tín hiệu điện áp tương tự loại 2 dây đơn giản:

Đầu ra tín hiệu điện áp tương tự loại 2 dây

Nhưng đôi khi 2 dây là không đủ. Ngay cả đối với đầu ra là điện áp. Một số mô-đun Siemens có thêm hai “terminal” ở đầu ra tín hiệu tương tự của mô-đun. Chúng được sử dụng để bù cho một thứ gọi là trở kháng dây dẫn hoặc điện trở dây. 

Chúng ta sẽ không đi sâu quá nhiều vào chi tiết , tóm lại trở kháng là sự đối lập mà một mạch điện tạo ra  khi có sự thay đổi về dòng điện hoặc điện áp. Vì vậy với bất kỳ loại trở kháng nào cũng sẽ tạo ra sự sụt áp.

Nếu bạn có một tín hiệu điện áp tương tự thay đổi thì điện trở  sẽ rất lớn. Hai dây bổ sung đó ở đó để bù đắp, sao cho mức điện áp ở đầu ra tín hiệu tương tự giống với mức điện áp tại điểm đến.

Đầu ra tín hiệu điện áp tương tự của mô-đun Siemens với bù trở kháng dây dẫn

Nói về điện trở, bạn cũng phải lưu ý một điều khác khi xử lý các đầu ra tín hiệu điện áp tương tự là trở-kháng-tải(load impedance). Để tránh đoản mạch đầu ra tín hiệu tương tự, tải nối với đầu ra phải có trở-kháng-tải tối thiểu. Thường là từ 500 đến 1k Ohm. Bạn nên tham khảo hướng dẫn sử dụng của cả mô-đun đầu ra tín hiệu tương tự và tải (load) bạn đang nối với nó.

Đấu dây các đầu ra tín hiệu dòng tương tự

Hầu hết các đầu ra tín hiệu tương tự trên PLC đều hoạt động rất giống một máy phát 3 dây. Điều này có vẻ kỳ lạ, vì chúng ta chỉ có nói đến 2 dây cho đến lúc này. Nhưng PLC thường  có thêm 1 nguồn cáp bên trong nên ta sẽ có thêm dây thứ 3. Nguồn cấp cho tín hiệu .

Điều này có nghĩa là khi bạn đang làm việc với các đầu ra tín hiệu dòng, hầu hết  bạn sẽ chỉ phải đấu dây tín hiệu dòng thành 1 mạch vòng. Tất nhiên sau cùng bạn cũng sẽ phải đấu dây nguồn cấp thành một mạch vòng tương tự. Điều đó thường để cấp nguồn cho chính mô-đun để PLC có thể nhận diện được nó.

Mô-đun đầu ra tín hiệu tương tự loại 3 dây

Một sự khác biệt lớn giữa đầu ra tín hiệu dòng và điện áp là trở-kháng-tải. Bởi vì ở đầu ra điện áp sẽ yêu cầu trở-kháng-tải cực tiểu còn ở các đầu ra dòng yêu cầu có trở-kháng-tải cực đại. Hãy nhớ rằng, chúng ta đang nói về dòng điện và trở kháng (điện trở) giới hạn dòng điện. Nếu trở-kháng-tải quá lớn, mạch vòng sẽ không thể điều khiển dòng điện cần thiết.

Đầu ra tín hiệu dòng điện tương tự của một PLC thông thường có trở-kháng-tải cực đại là 300-500 Ohm.

Điều chỉnh tỷ lệ đầu ra tín hiệu tương tự (analog)

Nếu bạn biết cách “scale” một giá trị analog , bạn cũng phải biết cách “unscale”  nó. Vì đó là việc bạn thường xuyên phải làm. Bằng cách”unscale”, có nghĩa là chuyển đổi giá trị kỹ thuật thành giá trị mà mô-đun có thể chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra. 

Giả sử chúng ta có tín hiệu đầu ra tương tự 0-10 V để điều khiển tốc độ của động cơ. Để động cơ chạy ở tốc độ 50%, chúng ta phải tạo ra tín hiệu tương tự 5 V ở đầu ra. Để làm điều đó, chúng ta cần biết giá trị nào cần gửi đến bộ chuyển đổi D / A. Nói cách khác, chúng ta cần biết dải tín hiệu của chúng.

Nếu chúng ta lấy PLC của Siemens, như tôi đã sử dụng làm ví dụ trong phần đầu của bài viết này, chúng có dải tín hiệu từ 0-27648. 

Bởi vì bây giờ chúng ta đã biết dải tín hiệu của chúng, chúng ta có thể tính toán 50% của số đó: 13824. 

Vấn đề ở đây là người vận hành sẽ không nhập 13824 trên HMI làm điểm đặt. Những gì anh ấy thường sẽ đặt là giá trị kỹ thuật, trong trường hợp này là tỷ lệ phần trăm (%). Đó là lý do tại sao bây giờ chúng ta có một giá trị kỹ thuật mà chúng ta cần phải chuyển đổi thành một giá trị trong dải tín hiệu đầu ra tương tự.

 Bạn có thể “unscaling”  theo hai cách khác nhau. Với toán học hoặc với các khối chức năng. Sử dụng toán học là một cách hay để giúp bạn dễ dàng hiểu được những gì đằng sau. Chỉ cần sử dụng quan hệ tương tự như với tỷ lệ: 

Giá trị thô / 27648 = Giá trị kỹ thuật / 100 

Bằng cách đưa biến “ Giá trị thô” sang một vế , giờ đây bạn sẽ có một phương trình toán học để chuyển đổi giá trị kỹ thuật thành giá trị thô. Bạn có thể triển khai điều này trong ngôn ngữ structured text chỉ với một dòng mã: 

RawValue: = (Engineering Value / 100) * 27648

Tất nhiên, việc “unscale” cũng có thể được thực hiện với các khối chức năng. Một số hãng sản xuất cũng cung cấp các khối chức năng cụ thể để “unscale”. 

Lấy ví dụ như Siemens. Họ có một khối được gọi là UNSCALE. Nó hoạt động theo cách ngược lại của khối SCALE. Bằng cách ”unscale” một giá trị trong một dải nhất định thành giá trị từ 0-27648. HI_LIM và LOW_LIM  sẽ là giới hạn của giá trị kỹ thuật của bạn.

Trên đây là hướng dẫn cách xử lý và lập trình tín hiệu tương tự (analog) trong PLC. Hy vọng những thông tin mà B2bmart.vn tổng hợp sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về tín hiệu analog trong PLC .