🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình đo lường và điều khiển từ xa Ebooks Nhóm Zalo PGS. TS. NGUYỄN HỮU CÔNG l^ T C i c , t l ; u t c 2 c 2t u u t c 3 c 3t u u t c 4 c 4t u Tim p nivicinn Dnplpv Tim p ^ GIÁO TRÌNH Đ O L U Ủ N G & Đ I Ề U K H I Ể N T ừ X A Thu vien DHKTO-TN ^MOT.1SOB1418 NHÀ XUẤT BÀN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT PGS. TS. NGUYỄN Hữu CÔNG GIÁO TRÌNH ĐO LUÒNG VÀ ĐIẾU KHIỂN TỪ XA NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ừi nói đầu Xu thế phát triển hiện nay là từ cơ giới hóa lên tự động hóa. Lúc đầu tự động hóa được thực hiện riêng rẽ từng máy, từng bộ phận sau tiến dần lên từng nhóm máy, dây chuyền sản xuất rồi đến cà phân xưởng, cả nhà máy hoặc hệ thống công ty trên phạm vi rộng. Cùng với sự phát triển của tự động hóa, lượng thông tin trao đổi giữa người và máy, giữa máy và máy không ngừng tăng lên, nhất là ờ nhũng nơi có số lượng lớn các máy điều khiển và các đối tượng điều khiển. Ngày nay, người ta áp dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống tự động vào lĩnh vực điều khiển sàn xuất và xã hội. Đo lường và điều khiển từ xa là ngành khoa học nghiên cứu các quá trình và phương pháp truyền lự động trên khoáng cách xa các tin tức điểu khiển cũng như các tin tức vế trạng thái cùa các đối tượng bị điểu khiên, nó Ihưòmg gôm các lĩnh vực: điêu khiên từ xa; kiếm tra, giám sát và tín hiệu hóa từ xa; đo lường từ xa và đôi khi gọi chung là ‘‘Điểu khiên từ xa". Điều khiển từ xa được ứng dụng trước tiên vào các lĩnh vực mà cần thống nhất nhiều đối tượng nàm cách xa nhau vào một hệ thống có trung tâm điều khiển. Vì thế trước tiên điều khiển từ xa được dùng trong ngành năng lượng, công nghiệp dầu khí, giao thông đường sắt... Ngày nay, điều khiển từ xa đã thâm nhập vào hâu hết các ngành kinh tế quốc dân như: khai khoáng; xây dựng; sản xuất thép; sản xuất ximăng; khí tượng thủy văn; nông lâm nghiệp; y tế; quân sự... Việc ứng dụng điều khiển từ xa sẽ tăng tính linh hoạt cùa việc điều khiển quá trình sàn xuất, giàm bớt nhân viên vận hành và cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao năng suất lao động và giảm giá thành sản phẩm. Trong một số lĩnh vực, nhờ có điều khiển từ xa mà còn tránh khỏi phải làm việc ờ những noi có nhiệt độ cao, thiếu không khí, có chất độc hoặc phóng xạ. Tự động và điều khiển từ xa là những nguời bạn đồng hành luôn luôn hỗ trợ và thúc đẩy nhau cùng phát triển. Hiện nay có nhiều ngành kỹ thuật làm nhiệm vụ truyền tin như: điện báo, điện thoại, truyền thanh, truyền hình, rađa... Cơ sờ khoa học cùa điều khiển từ xa và các ngành trên đều giống nhau; tuy nhiên điều khiển xa có những đặc điểm riêng như sau: 3 1. Trong điều khiển từ xa các tín hiệu được truyền đi với tốc độ chậm và thường có tần số nhò hcm 300 Hz (trong khi đó để truyền thanh, truyền hinh, ví dụ như tiếng nói thường phải dùng khoảng tần số lớn hơn 300 Hz) 2. Yêu cầu có độ chính xác cao. 3. Yêu cầu truyền tin nhanh: nếu thời gian truyền tin không đàm bào thi tin tức sẽ mất hết giá trị, thậm chí có thể gây sự cố nghiêm trọng. 4. Yêu cầu có độ tin cậy cao: nhầm lẫn các lệnh điều khiển cũng sẽ gây sự cố nghiêm trọng. Thường quy định xác suất nhầm lẫn từ 10'6 đến 10‘10, yêu cầu đó cao hơn nhiều so với yêu cầu của các loại truyền tin khác. Một hệ thống điều khiển từ xa gồm ba bộ phận chính như hình 1. Hình 1. Hệ thống điều khiển từ xa - Bộ phận phát dùng để biến đổi các tin tức ở nguồn tin tức (N) thành các tín hiệu thích hợp và truyền nó vào đường dây liên lạc (LL). - Bộ phận thu nhận các tín hiệu loại trừ các nhiễu lẫn vào tín hiệu trong quá trinh truyền trên đường dây liên lạc, dịch các tín hiệu đó thành tin tức ban đầu và truyền nó đến đối tượng điều khiển ( ĐT). - Đường dây liên lạc LL là môi trường vật lý nào đó dùng để truyền các tín hiệu đi xa. Thường có các dạng đường dây liên lạc như sau: + Dây dẫn; Dây cáp + Không khí - đường radio + Nước + Ánh sáng. Hệ thống điều khiển từ xa thường được phân ra: hệ thống điều khiển cho các đối tượng tập trung và cho các đối tượng phân tán như hình 2 . Đề điều khiển cho những đối tượng phức tạp, hệ thống điều khiến từ xa được phân thành nhiều cấp. Hệ thống có một trạm điều khiên trung tâm và nhiêu trạm trung gian. 4 ĐK: điều khiển; T: trạm trung gian; ĐT: đối tượng Hình 2. Hệ thống điều khiển cho hệ tập trung và phân tán a) cho các đối tưựng tập trung; b) cho các đối tượng phân tán Ngày nay khi điều khiển học thâm nhập đến mọi lĩnh vực thì lý thuyết truyền tin cũng được vận dụng ờ nhiều lĩnh vực khác nhau. Giáo trình này trình bày những vấn đề cơ bàn nhất về đo lường và điều khiển từ xa. Giáo trình được viết trên cơ sờ tích lũy kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm cùa tác giả và tham khảo những tài liệu quý báu của các nhà khoa học khác (đã liệt kê trong phần tài liệu tham khảo). Giáo trinh là tài liệu chính thức cho học viên cao học ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, ngoài ra nó còn là tài liệu tham khào cho sinh viên và học viên cao học nhóm ngành Điện, Điện từ nói chung. Do sự giới hạn về thời lượng của chương trình đào tạo cũng như sự phát triển rất nhanh cùa khoa học và công nghệ nên cuốn sách không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp đề giáo trinh được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gừi về Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Địa chi: 70 Trần Hưng Đạo - Hoàn Kiếm - Hà Nội. Tác giả 5 MỤC LỤC Leri nói đầu...............................................................................................................................3 CHƯƠNG 1. VÀI NÉT C ơ BẢN VÈ LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN............................. 11 1.1. Đặt vấn đề.........................................................................................................................11 1.2. Tin tức, thông báo, tín hiệu............................................................ ................................11 1.3. Tin tức, các đặc trưng, đơn vị đo của nó .......................................................................15 1.3.1. Các đặc trưng của tin tức........................................................................................15 1.3.2. Các tính chất cơ bản................................................................................................15 1.3.3. Phương pháp thống kê định lượng tin tức.............................................................15 1.3.4. Giá trị của tin tức.................................................................................................... 17 1.4. Entropi - số đo lường không xác định..........................................................................17 1.5. Entropi cùa nguồn thông báo gián đoạn........................................................................ 18 1.6. Ưu, nhược điểm của phương pháp thống kê đo lường tin tức......................................20 1.7. Truyền tin trong kênh không nhiễu...............................................................................20 1.8. Truyền tin trong kênh có nhiễu.....................................................................................22 CHƯƠNG 2. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIÈU KHIÊN XA TRONG CÔNG NGHIỆP (DMCS)..............................................25 2.1. Khái niệm chung về hệ thống đo lường và điều khiển xa (DMCS)...........................25 2.1.1. Định nghĩa hệ thống đo lường và điều khiển xa (DMCS).................................. 25 2.1.2. Một số quá trình trong DMCS..............................................................................25 2.1.3. Đặc tính chung của các quá trinh..........................................................................26 2.1.4. Yêu cầu kỹ thuật.....................................................................................................26 2.1.5. Sơ đồ cấu trúc chung cùa DMCS......................................................................... 26 2.1.6. Kết luận...................................................................................................................27 2.1.7. Sự phát triển của hệ thống đo lường và điều khiển từ x a ...................................27 2.2. Phân loại hệ thống đo lường điều khiển xa theo sơ đồ cấu trúc.................................28 2.2.1. Hệ thống có các kênh song song...........................................................................28 2.2.2. Hệ thống có các kênh nối tiếp...............................................................................29 2.2.3. Hệ thống song song nối tiếp..................................................................................30 2.2.4. Hệ thống kiểm tra tự động..................................................................................... 31 2.3. Phân cấp hệ thống đo lường - điêu khiển trong công nghiệp hiện n a y ................. 31 CHƯƠNG 3. CÁC ĐẶC TÍNH THÔNG TIN CỦA TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TRONG CÔNG NGHIỆP..........................................................'.......................................... 33 3.1. Tín hiệu đo lường trong công nghiệp............................................................................. 33 3.1.1. Định nghĩa................................................................................................................... 33 3.1.2. Phân loại tín hiệu đo................................................................................................... 33 3.1.3. Chú ý ............................................................................................................................ 35 3.2. Lấy mẫu tín hiệu (rời rạc hóa tín hiệu).......................................................................... 35 3.2.1. Khái niệm về lấy mẫu tín hiệu................................................................................ 35 3.2.2. Định lý Kotelnikov.................................................................................................. 36 3.2.3. Định lý Shannon.......................................................................................................38 3.2.4. Định lý Nyquist........................................................................................................ 38 3.3. Lượng từ hoá tín hiệu.......................................................................................................39 3.3.1. Cách lượng từ hóa....................................................................................................39 3.3.2. Chú ý.......................................................................................................................... 41 3.4. Mãhoá tín hiệu................................................................................................................. 41 3.4.1. Khái niệm ..................................................................................................................41 3.4.2. Cách mã hóa..............................................................................................................41 3.5. Sự dư thừa thông tin và phương pháp giảm.................................................................. 42 3.5.1. Hiện tượng dư thừa thông tin..................................................................................42 3.5.2. Nguyên nhân tạo thông tin thừa..............................................................................42 3.5.3. Cách đánh giá thông tin thừa.................................................................................. 42 3.5.4. Các phương pháp giảm sự dư thừa thòng tin......................................................... 43 CHƯƠNG 4. ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU.....................................................................................51 4.1. Mờ đầu...............................................................................................................................51 4.1.1. Khái niệm và phân loại............................................................................................51 4.1.2. Tổng quan về tín hiệu và điều chế cao tần.............................................................51 4.1.3. Tín hiệu điều biên (AM)......................................................................................... 53 4.1.4. Tín hiệu điều pha, điều tần (điều chế góc).............................................................55 4.2. Tín hiệu điều mã xung (PCM: Pulse Code Modulation).............................................. 58 4.3. Các dạng điều chế số cơ bàn...........................................................................................60 4.3.1. Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying)...............................61 4.3.2. Điều chế khóa dịch tần FSK (Frequency Shift Keying)........................................61 8 4.3.3. Điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying)..................................... 62 CHƯƠNG 5. CÁC PHÀN TỪ c ơ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIÊN XA........................................................................................................... 65 5.1. Kênh liên lạc.................................................................................................................... 65 5.1.1. Định nghĩa và đặc tính của kênh liên lạc..............................................................65 5.1.2. Dây liên lạc..............................................................................................................66 5.2. Bộ đổi nối.........................................................................................................................69 5.2.1. Khái niệm về bộ đổi nối.........................................................................................69 5.2.2. Phân loại..................................................................................................................70 5.2.3. Các phương pháp đổi nối (Multiplexing).............................................................70 5.2.4. Chế độ làm việc của bộ đổi nối phân chia thời gian............................................71 5.2.5. Cấu tạo các bộ đổi nối............................................................................................73 5.3. Chuyển đổi chuẩn hỏa.................................................................................................... 74 5.3.1. Khái niệm và yêu cầu đối với chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH).......................... 74 5.3.2. Nhiệm vụ và cấu tạo của các chuyển đổi chuẩn hoá............................................75 5.3.3. Tuyến tính hoá trong chuyển đồi chuẩn hoá........................................................ 79 5.4. Bộ tạo mẫu - Cách thể hiện thông tin........................................................................... 81 5.4.1. Bộ tạo mẫu...............................................................................................................81 5.4.2. Cách thể hiện thông tin.......................................................................................... 81 CHƯƠNG 6 . GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ X A ...................................................................................................83 6.1. Hệ thống tác động nối tiếp.............................................................................................83 6.2. Hệ thống tác động song song.........................................................................................85 6.3. Hệ thống song song nối tiếp..........................................................................................86 6.4. Tổ họp đo lường tính toán CAMAC............................................................................. 87 6.5. Hệ thống đo lường vả truyền dữ liệu cho lò cao số 3, Công ty Gang thép Thái Nguyên..........................................................................................88 6.5.1. Giới thiệu về công nghệ luyện gang..................................................................... 88 6.5.2. Giới thiệu về hệ thống đo lường lò cao................................................................ 90 6.5.3. Thực trạng về hệ thống đo lường hiện nay của lò cao.........................................93 6.5.4. Phân tích đặc điểm và nhu cầu cải tiến hệ thống đo lường lò cao...................... 94 6.5.5. Xây dựng và thiết kế phần cứng cho hệ thống.....................................................94 6 .6. Giới thiệu hệ thống tự động đọc công tơ từ xa bằng máy tính (Automated Meter Reading - AMR).................................................................................... 96 9 6.6.1. Kiến trúc chung của AMR......................................................................................96 6.6.2. Các phần tử chính trong hệ thống AMR.............................................................. 100 6.6.3. Lợi ích và những khó khăn khi triển khai công nghệ AMR................................101 6.6.4. Phân loại các hệ thống AMR theo môi trường truyền thông 103 6.6.5. Triên khai AMR dựa trên mạng điện thoại công cộng (PSTN) 105 6 .6 .6. Triển khai AMR thông qua truy nhập di động GS.Vl 108 6.6.7. AMR trên kênh vô tuyến công suất thấp (Low Power Radio)...........................111 6 .6 .8. AMR trên kênh vô tuyến công suất lớn (High Power Radio)........................... 113 6.6.9. AMR qua kênh truyền thông điện lực (Power Line Communications) 114 CHƯƠNG 7. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT HỆ THỐNG THU THẬP TỪ XA 119 7.1. Các khái niệm cơ bàn của một hệ thống đo lường và điều khiển từ xa 119 7.2. Các đặc tính quan trọng nhất của hệ thống đo lường điều khiển từ xa 121 7.2.1. Sai số........................................................................................................................121 7.2.2. Độ tác động nhanh................................................................................................ 122 7.2.3. Sai số động..............................................................................................................122 7.2.4. Sự cộng tín hiệu..................................................................................................... 123 7.3. Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá trong hệ thống đo lường và điều khiền xa 124 7.4. Tính toán các thông số của hệ thống thu thập dữ liệu xa bằng phương pháp số 125 7.4.1. Cấu trúc của hệ thống truyền xa số......................................................................125 7.4.2. Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hóa cùa hệ thu thập nhiều kênh 126 CHƯƠNG 8. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO Đ ộ CHÍNH XÁC t r u y ề n ™ ........................................................................................................................131 8.1. Khái niệm chung............................................................................................................ 131 8.2. Nguồn sai - mô hình nguồn sai.....................................................................................132 8.3. Truyền tin có lặp lại trên kênh một chiều................................................................... 135 8.3.1. Truyền tin lặp lại không tích lũy......................................................................... 136 8.3.2. Truyền tin lặp lại có tích lũy................................................................................136 8.4. Thuật toán truyền tin lặp lại dùng trong hệ thống có kênh ngược quyết định 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 142 10 VÀI N É T C ơ BẢN VỀ LÝ TH U YẾT TRUYỀN TIN 1.1. Đặt vấn đề Cơ sở lý thuyết của các hệ truyền tin là lý thuyết truyền tin, lý thuyết logic và máy tin, lý thuyết điều khiển tự động. Đe hiểu được lý thuyết truyền tin ta cần xem lại một số lý thuyết toán học như: lý thuyết xác suất, lý thuyết hàm ngẫu nhiên. Lý thuyết truyền tin ra đời từ những năm 20 -30 của thế kỷ XX. Năm 1928: nhà bác học Mỹ Hartley cho ra biểu thức logarit để đo lường tin tức. Năm 1933: nhà bác học Nga Kachenhicop cho ra định luật Kotelnikov về khả năng phân tích một tín hiệu liên tục thành nhữmg tín hiệu gián đoạn với phổ hạn chế. Năm 1940: nhà bác học Shannon (Mỹ) và Kotelnikov đã chứng minh chặt chẽ các định lý cơ bản về lý thuyết truyền tin. 1.2. Tin tức, thông báo, tin hiệu Có ba khái niệm mà chúng ta cần quan tâm, đó là: tin tức, thông báo và tín hiệu. - Tin tức: là hiểu biết mới về một sự kiện hay một sự vật nào đó mà người ta nhận được do tác động tương hỗ giữa người nhận tin và môi trường xung quanh. - Thông báo: là một dạng biều diễn tin tức; bài viết, lời nói, hình ành, số liệu. Trong thông báo có chứa nhiều tin tức. - Tín hiệu: là một quá trình vật lý nào đó (âm, quang, điện...) dùng để phản ảnh thông báo. Tín hiệu là vật mang tin tức đi xa. Trong đo lường và điều khiển xa thường dùng hai dạng tín hiệu để truyền: + Tín hiệu xoay chiều: Biểu thức giải tích cùa dòng xoay chiều hình sin: i = Im.sin(tot+ 2 / T là không truyền đi. Tuy nhiên, các thiết bị trong đo lường và điều khiển xa lại thường nhạy với biên độ xung hơn là dạng xung nên việc chọn như trên cũng thỏa mãn. Ví dụ, để truyền lệnh điều khiển, giả sừ ta dùng xung có độ rộng T = 1 ms, như vậy có thể chọn dải thông Af = 2 / X = 2000 H z. Nếu dây truyền là dây thép có dài thông 30 kHz thì có thề truyền 10 tín hiệu cùng một lúc. Nếu muốn nhận được tín hiệu chính xác hơn thì phài dùng dây đồng có dài thông 180 kHz và truyền từng tín hiệu một. Đe xác định phổ cùa hàm không chu kỳ (ví dụ như một xung chữ nhật), lúc đó ta coi hàm không chu kỳ là một hàm có chu kỳ T - » 0 0 . Phổ cùa xung chữ nhật như hình 1-3, nó bao gồm vô số sóng điều hòa với biên độ vô cùng nhò. Ta thấy phổ của hàm chu kỳ gồm một số vạch (tần số) và gọi là phổ gián đoạn (phổ vạch). Phổ của hàm không chu kỳ gồm vô số vạch hay còn gọi là phổ liên tục. Độ rộng phồ cùa xung là khoáng tần số trong đó tập trung 90% năng lượng cùa phố. Hình 1-3. Phổ của một xung chữ nhật Tương ứng với độ rộng xung là khoảng thời gian X trong đó tập trung 90% năng lượng của xung. 14 1.3. Tin tức, các đặc trưng, đơn vị đo cùa nó 1.3.1. Các đặc trưng của tin tức Tin tức có hai dạng: - Tin tức ờ dạng tĩnh: là tin tức được ghi trên giấy, băng, đĩa từ... - Tin tức ờ dạng động: là tin tức trong quá trinh truyền tin như quá trình truyên âm thanh, lời nói, điện thoại, các tín hiệu điều khiển... Cần chú ý là bản thân vật mang tin tức như: thư từ, đĩa từ,... không phải dạng động của tin tức. 1.3.2. Các tính chất cơ bàn - Tin tức được ghi lại bàng cách nào cũng có thể đọc, truyền, ghi lại mà không bị tổn thất, có nghĩa là dạng tồn tại của tin tức có thể thay đổi, nhung bàn thân tin tức thì không mất đi. - Tin tức được ghi bàng bất kỳ hình thức nào, sau một thòi gian cũng bị mất đi. 1.3.3. Phương pháp thống kê định lượng tin tức Tin tức đối với người nhận có hai mặt: - Độ bất ngờ; - Nội dung tin. Để đánh giá lượng tin có thề dùng một trong hai hoặc cả hai tính chất trên để làm thước đo. Trong truyền tin người ta chọn độ bất ngờ làm thước đo tin tức vì nó có liên quan chặt chẽ đến những vấn đề cơ bàn của hệ thống truyền tin như tốc độ và độ chính xác. Một tin càng ít xuất hiện thì độ bất ngờ càng lớn và lượng tin tức đem lại cho người nhận càng nhiều. Nếu một thừ nghiệm nào đó chì có một kết quả duy nhắt mọi người đều biết thì thử nghiệm đó không đưa lại một tin tức nào cả. Vi dụ 1.1 Người ta ném đồng xu lên cao, thừ xem đồng xu rơi xuống hay bay lên trời. Rõ ràng là đồng xu rơi xuống đất, do đó thử nghiệm này không có thông tin. Ví dụ 1.2 Có một đồng xu đối xứng, người ta ném lên và thử đoán xem đồng xu nằm sấp hay ngửa. Lúc này xác suất mỗi mặt là 50%. Thừ nghiệm này có một lượng tin xác định' 15 thông báo đồng xu nằm sấp hay ngừa đều đưa lại cho ta một luợng tin tức nhất định và đều có giá tri như nhau. Ví dụ 1.3 Có hai học sinh: một giòi, một kém. Khi nhận được thông báo, học sinh giói đạt điểm 10, lúc đó mọi người đều nói: “đó là lẽ dĩ nhiên”, như vậy lượng thông tin rất ít vì xác suất đạt điểm 10 của học sinh giỏi là rất lớn. Ngược lại, khi nhận được thông báo học sinh kém đạt 10, lượng thông tin lớn vi xác suất đạt điểm 10 của học sinh kém là rất nhỏ. Từ các ví dụ trên, ta có kết luận: - Lượng tin cùa một sự kiện nào đó tỳ lệ nghịch với xác suất xảy ra sự kiện đó. - Khi xác suất xảy ra sự kiện bàng 1 thì lượng tin do sự kiện đem lại bằng 0. - Khi xác suất xảy ra sự kiện -» 0 thì lượng tin do sự kiện đó đem lại -> 00 Ta ký hiệu lượng tin chứa trong Xi là I( X j) . I(X|) được biểu diễn bàng biểu thức nào đó để thỏa mãn các điều kiện trên và có khả năng cộng tin. Có nghĩa là: tin của hai sự kiện độc lập phải bằng tổng tin của các sự kiện thành phần. Người ta dùng hàm logarit đề đo tin tức: I(x ,) = loga ——— (Công thức Hartley). P(Xj) ;i(1-4) Hay: I(x,) = -logaP(xị) Trong đó: P(xi): xác suất xảy ra sự kiện X i. Biểu thức trên thỏa mãn các điều kiện yêu cầu trên và còn được gọi là lượng tin riêng của Xi. Tồng quát: một nguồn thông báo X thường có các thành phần X i , x2,..., x„ với các xác suất tương ứng P(xi), P(X2),.». P(x„). Vậy lượng tin tức trung bình của nguồn thông báo sẽ bàng: n I(x ) = -]T P(Xj)logaP (x j) (Công thức Shannon). (1-5) i=l Khi xác suất các thành phần bằng nhau: 16 r ( * , ) - i Ta có: l( x ) = lo g ati (1-6) Lúc này lượng tin tức đạt giá trị lớn nhất. Đơn vị đo tin tức: Đơn vị phụ thuộc cơ số a cùa logarit. về nguyên tắc, a có thể chọn bất kỳ, thực tê thường chọn a = 2; 10; e. Trong kỹ thuật truyền tin, kỹ thuật tính toán, thường dùng nhất là đơn vị đo dùng cơ so a = 2 . - Đơn vị đo tin tức với logarit cơ số 2 gọi là bit (bit: binary digit: con so nhị phân). - Vấn đề đặt ra là 1 bit bàng bao nhiêu? Trở lại ví dụ đồng xu sấp, ngừa: xác suất mỗi trường hợp tà 1/2. Đây là trường hợp đồng khà năng với số khà năng n = 2 . Vậy theo phương trình (1-6), lượng tin cùa thừ nghiệm đó đưa lại là: I(x ) = log22 = 1 Vậy bit là lượng tin tức cùa một thông báo có hai khá năng đồng xác suẩt. TRƯỞNG ĐẠĨ HỌC KỶ THUẬT CONG NGHỆP 1.3.4. Giá trị của tin tức r r n l_ r V I Ê M Giá trị của tin tức phụ thuộc vào chù quan người nhânMA.1 * ) N *-* M L f p N 1.4. Entropi - số đo lường không xác định Lượng không xác định cùa thông báo tý lệ nghịch với xác suất xuất hiện cùa nó. Xác suất xuất hiện càng nhỏ thì lượng không xác định càng lớn. Do đó độ không xác định của thông báo cũng được xác định bằng biểu thức tuơng tự như lượng tin tức: H(x) = -£ P (X j)lo g a P(Xj) (1-7) i=l Cần phân biệt I(x) và H(x): Mặc đù hai khái niệm này cùng hàm xác định nhung hai khái niệm lượng tin tức và entropi khác nhau về nguyên tắc: - Entropi H(x) là độ không xác định trung bình các trạng thái của nguồn thông báo nó có tính khách quan. Neu biết được đặc tính thống kê cùa nguồn thông báo thì có thể xác định được entropi của nó, tức là biết entropi trước khi nhận được thông báo. 17 - I(x) là lượng tin tức trung bình thu được sau khi nhận được thông báo cùa nguồn. Như vậy nếu không nhận được thông báo thì không nhận được lượng tin tức nào cả. Do đó có thể nói H(x) là số đo lượng thiếu tin tức về trạng thái cùa nguồn thông báo. Khi nhận được tin tức thì sự hiểu biết về trạng thái của nguồn tăng lên, vi vậy độ không xác định giảm đi tóc entropi của nguồn giảm xuống. Vậy có thể coi lượng tin tức I(x) sau khi nhận thông báo bàng hiệu số entropi H(x) của nguồn trước khi nhận và sau khi nhận thông báo: I(x ) = H ,(x ) - H2 (x) (1-8) 1.5. Entropi của nguồn thông báo gián đoạn Entropi cùa nguồn thông báo gián đoạn được tính theo công thức (1-7): H ( x ) = - Z p (x i ) l0 ẽ 2 p ( x i) i=l Nó có đặc tính sau: 1- Entropi là một số thực, hữu hạn, không â m v ì O < p( Xj ) < 1. 2- Entropi cùa thông báo hoàn toàn được xác định sẽ bàng 0. Thật vậy, nếu biết trước sự kiện xảy ra thi xác suất cùa sự kiện đó bàng 1, còn xác suất của các sự kiện khác bằng 0, tức là: P(x,) = l P(x2) = P(x3)= ... = P(xn) = 0 Vậy, entropi của nguồn có thể viết: H (x) = - p ( x ,) log2 p (x ,) + £ p ( x i)l0g2 p(xi) (1-9) i=2 SỐ hạng đầu = 0, vì log2l = 0 . Số hạng thứ hai tiến tới 0 khi p (x ;) -> 0 . 3- Entropi sẽ cực đại khi xác suất xuất hiện các thông báo ià như nhau, tức là: P(„) - ì . 18 Lúc này H (X )m a x = -ẳ - :-l0B2 ^ = l°g2 n í 1’10) i=l n n Từ đây ta thấy rằng: trong trường hợp đồng xác suất, entropi tỷ lệ với số lượng thông báo n có trong nguồn. 4- Entropi của hệ thống các sự kiện độc lập có hai khả năng nằm trong phạm vi 0 và 1. H (x) = - p ( x ,) log2P (x,) - p (x 2) log2P (x 2) = - p ( x ,) log2P (x ,) - [l - p (x ,)]lo g 2 [ l- P ( x ,) ] * .. ÍP (x i) = 0 f P ( X ị ) = 1 Biểu thức trên = 0 khi ị hoăc ị [P(x2) = l [p(x2) = 0 Entropi đạt cực đại khi P(X|) = p (x 2) = — Hình 1.4. Quan hệ giữa entropi với xác suất xuất hiện các sự kiện Lúc này H (X)m ax = -lo g 2 f —j = l đơn vị nhị phân. Như vậy có thể định nghĩa đom vị nhị phân là entropi của hệ thống các sự kiện độc lập có hai khà năng. Ví dụ 1.4 Xác định entropi của hệ thống được mô tả bằng các đại lượng ngẫu nhiên gián đoạn X có phân bố như sau: 19 p (x ,) = p (x 2) = p (x 3) = p (x 4) = 0,01 p (x 5) =0,96 Giải: H (x ) = - £ P ( X j ) l o g 2 P(Xj) i=l 5 = - X P ( Xi)lo g 2 P(Xi) i=l = -4(0,01 ,log20,01)-0,96. log20,96 = 0,322 (đơn vị nhị phân). 1.6. ưu, nhược điểm của phương pháp thống kê đo lường tin tức Điểm chù yếu của phương pháp thống kê là đánh giá tin tức qua xác suất xuất hiện cùa các sự kiện. - Ưu điểm chính của phương pháp này là tính vạn năng của nó. Tin tức được đo bằng đơn vị thống nhất (bit) mà không phụ thuộc vào bản chất vật lý và nội dung cùa nó. Nhờ đó, phương pháp này thuận tiện khi phân tích và tổng họp các hệ thống tin tức phức tạp. - Ưu điểm nữa của phương pháp này là tính khách quan cùa nó. Lượng tin tức được đánh giá không phụ thuộc vào các yếu tố tâm lý vì phương pháp này dựa vào các dữ liệu thống kê. - Nhược điểm cùa phương pháp thống kê là chỉ chú ý đến đặc tính thống kê cùa tin tức, mà không dùng đến ngữ nghĩa nội dung, giá trị của tin tức. 1.7. Truyền tin trong kênh không nhiễu Kênh không nhiễu là kênh lý tường, hoặc kênh trong đó công suất của tín hiệu lớn hơn nhiều so với công suất cùa nhiễu. Khả năng thông qua cùa kênh gọi là thông lượng c. Thông lượng c được xác định như sau: c = l i m i t s . (1-11) T-»oo I q: số các tín hiệu được truyền đi trong thời gian T. Trường hợp chung: T -> 00 Trường hợp cụ thể: T = thời gian chu kỳ truyền tin. Vậy thông lượng c là tốc độ truyền tin tới hạn mà không gây ra sai số. Nếu tín hiệu được truyền đi với tốc độ s xung trong 1 giây, có nghĩa là: s = —,X t: độ rộng xung (thời gian truyền 1 xung), thì trong thời gian T có thề truyền được n xung: n = — = S.T (1-12) X Đối với kênh nhị phân - tức là kênh trong đó truyền các tín hiệu có hai giá trị (0, 1 hay, +, số lượng xung tối đa có thể truyền trong thời gian T là: qmax= 2 " = 2 ST (1-13) Vậy thòng lượng cùa kênh nhị phân là: c = lim *°^2 — = *°^2 ^— = s (đơn vi nhi phân/giây) (1-14) T—>co T T Đơn vị đo: đơn vị nhị phân/giây hay còn gọi là biưgiây. Như vậy, trong kênh nhị phân thông lượng c chính là số ký hiệu được truyền đi trong 1 giây, nếu độ rộng xung càng nhò thi s càng lớn, do đó c càng lớn. Dung lượng của kênh còn được biểu diễn trên một ký hiệu (xung): Đối với kênh nhị phân: c = 1 đom vị nhị phân/ký hiệu X giây Có nghĩa là trong kênh nhị phân, một ký hiệu (1 hay 0) tối đa có thế mang một lượng tin tức: 1 đơn vị nhị phân (bit). Nếu ờ đầu vào cùa kênh có nguồn tin tức mà entropi trên một ký hiệu bàng dung lượng cùa kênh liên lạc, thì người ta bào rằng nguồn tin và kênh phù hợp nhau. Nếu dung lượng kênh lớn hơn trị số entropi trên một ký hiệu cùa nguồn tin thì chúng không phù hợp nhau. Lúc này kênh truyền chưa được dùng hết khả năng của nó. Vậy nếu kênh có khả năng thông lượng c (đcm vị nhị phân/giây) còn nguồn tin có entropi H (đom vị nhị phân/thông báo) thì tốc độ trung bình truyền tin trong kênh không thể vượt quá C/H (thông báo/giây). Ví dụ 1.5 Một nguồn có hai tin A, B với xác suất P(A) = P(B) = 0,5 21 Entropi của nguồn: H = -(0 ,5 log20,5 + 0,51og20,5) = l đom vị nhị phân/thông báo. H biểu thị lượng tin tức chứa trong một thông báo (A; B). Nếu ta dùng kênh nhị phân có c = 1 đơn vị nhị phân/giây, vận tốc trung bình truyền tin là: — = - = 1 thông báo/giây V í d ụ 1 . 6 Một nguồn tin có hai tin A và B với xác suất: P(A) = 0,1; P(B) = 0,9 H = -(0,l.log20,l + 0,9 log20,9) = 0,5 đơn vị nhị phân/thông báo Dùng kênh nhị phân có c = 1 đơn vị nhị phân/giây -» vận tốc trung bình truyền tin: c / H = 2 thông báo/giây Như vậy đối, tốt nhất là truyền tin với tốc độ 2 thông báo/giây. Có nghĩa là kênh có thể dùng để truyền tin cho hai nguồn thông báo ờ trên. Neu không thỏa mãn điều này thì kênh không sử dụng hết khả năng. 1.8. Truyền tin trong kênh có nhiễu Nhiễu làm cho việc truyền tin gặp nhiều khó khăn. Nhiễu làm sai các tín hiệu truyền đi. Do đó ở phía thu cần quan tâm đến vận tốc truyền tin và độ chính xác truyền tin (khả năng chống nhiễu). Việc nâng cao tốc độ truyền tin và nâng cao độ chính xác truyền là hai mặt đối lập nhau của vấn đề nâng cao hiệu quả truyền tin. Nhiễu làm sai lệch một phần tin được truyền đi, do đó nó làm giảm thông lượng cùa kênh. Thông lượng cùa kênh có nhiễu được viết như sau: c„ = H (x ) - H y(x) ( 1 -1 5 ) Trong đó: H(x): entropi cùa nguồn thông báo; Hy(x): entropi của các thông báo nhận được khi có nhiễu; Xét trường hợp kênh nhị phân, truyền các tin hiệu 0,1. p(0) = p (l) = 0,5 Pi(0) = Po(l) = p, với p là xác suất nhiễu làm cho tín hiệu 0 -» 1 và 1 —» 0 . 22 Vậy: H (x) = -(0 ,5 log20,5 + 0,5 log20,5) = 1 Hy (x )= -[P lo g 2P + (1 - P) log2(1 - p)] Do đó thông lượng của kênh trong trướng hợp có nhiễu là: c n = l + Plog2P +(1 - p) log2(l - p) (1-16) Neu p -» 0 thì Cn —> 1 tương ứng khả năng thông qua cùa kênh không nhiễu. Tốc độ truyền tin lý thuyết hay là thông lượng truyền cùa kênh được Shanon chứng minh như sau: c = Af.log Ị 1 + -^-1 (đơn vi nhi phản/giầy) (1-17) Trong đó: Af: dài tần cùa kênh; p*: công suất trung bình cùa tín hiệu; pn: công suất trung bình của nhiễu trắng; p Từ biểu thức đó ta thấy rằng, muốn tăng c phải tăng tý số: — Pn 23 KHÁI N IỆM VÀ PHÂN LOẠI H Ệ THỐNG ĐO LƯÒTỈG VÀ Đ IỂU KHIỂN XA TRONG CÔNG N G H IỆ P (D M CS) 2.1. Khái niệm chung về hệ thống đo lường và điều khiển xa (DMCS) 2.1.1. Định nghĩa hệ thống đo lường và điều khiển xa (DMCS) Hệ số đo luờng và điều khiển xa (DMCS) là một hệ thống tự động đo và điều khiển, gia công thông tin theo một thuật toán định sẵn. Cụ thể hem DMCS là một tập hợp các thiết bị có cùng một nhiệm vụ, cùng một thuật toán chức năng để có thể thu thập tự động số liệu đo lường từ nhiều đối tượng; biến đổi thông tin, truyền thông tin, gia công và lưu trữ thòng tin; điều khiển các đối tượng trong quá trình sàn xuất công nghiệp. 2.1.2. M ột số quá trình trong DMCS + Quá trình đo lường; + Quá trình kiểm tra; + Quá trình nhận dạng; + Quá trinh chẩn đoán ; + Quá trình điều khiển ; + Quá trình tính toán. - Quá trình đo lường: Sừ dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được giá tri định lượng của đối tượng cần đo thông qua việc so sánh với mẫu. Đây là quá trình quan trọng nhất của hệ thống đo lường và điều khiển từ xa. - Quá trình kiếm tra: là quá trinh giám sát các thông số của đối tượng, tức là so sánh giữa trạng thái cùa đại lượng cần kiểm tra so với mẫu cho tín hiệu đánh giá và báo hiệu. Tín hiệu báo hiệu ở đây có thể là đèn, còi,... và các báo hiệu thông qua mạng; nó thường thể hiện trạng thái lớn hơn, nhỏ hơn hay bàng mẫu cho trước. Quá trình này mang tính chất lượng. - Quá trình nhận dạng: là xác định xem cố sự tương ứng hay không giữa đối tượng và mẫu đã cho. Quá trình này trong công nghiệp để phân loại sản phẩm hay phuc vụ cho bài toán điều khiển quá trinh. 25 - Quá trình chắn đoán: là quá trinh theo dõi sự làm việc bình thường cùa đối tượng và tìm ra chỗ hỏng hóc. Hệ thống kiểm tra các hoạt động của thiết bị kỹ thuật gọi là hệ thống chẩn đoán kỹ thuật. Hệ thống này có khả năng tìm ra các phần từ hoạt động không đạt yêu cầu hay hòng hóc để báo cho người vận hành biết và có hướng khắc phục hoặc tự động chuyển sang chế độ dự phòng. - Quá trình điều khiến: Để điều khiển một thông số nào đó, ví dụ tốc độ động cơ chẳng hạn, thông thường người ta phải tiến hành đo tốc độ thực của động cơ bằng thiết bị cảm biến (sensor), sau đó so sánh với tốc độ đặt. Độ sai lệch của tốc độ sẽ đưa tới bộ điều khiển để điều khiển tốc độ thực của động cơ sao cho sai lệch bàng không. Như vậy bài toán điều khiển bao gồm cả hai quá trinh đo lường và kiểm tra. - Quá trình tinh toán: Đó là việc tính toán các thông số trong các phép đo gián tiếp hay hợp bộ; tính toán các chế độ điều khiển tối ưu, thích nghi...; tính toán các thông số đo lường thống kê; tính toán các chì tiêu kinh tế;... Ờ đây thường yêu cầu các máy tính tốc độ cao để tính toán sao cho quá trinh điều khiển đám bảo tính thời gian thực. 2.1.3. Đặc tính chung của các quá trình Tất cả các quá trình đều có một đặc tính chung là phải có sự thu nhận thông tin bàng các thiết bị kỹ thuật; biến đổi qua các đại lượng trung gian rồi truyền thông tin, xừ lý và lưu giữ thông tin; hiển thị thông tin hoặc đưa đi điều khiển đối tượng. 2.1.4. Yêu cầu kỹ thuật Hệ thống kỹ thuật ngày càng phức tạp nên có nhiều điểm thu thập số liệu từ nhiều đối tượng khác nhau, vi vậy xuất hiện các hệ thống đo lường và điều khiến; đó là tố hợp đo và điều khiển đồng thời nhiều đại lượng. Hiện nay, trong một hệ thống, số điểm thu thập có thể lên đến hàng nghìn điểm. 2.1.5. Sơ đồ cấu trúc chung cùa DMCS 26 Trong đó: - Thiết bị thu nhận thông tin: chủ yếu là các sensor, biến tín hiệu cần đo cúa đối tượng sang tín hiệu điện. Sau đó sẽ có quá trình đo, tức là thực hiện phép so sánh với mẫu. Tiếp theo là thực hiện các quá trình lượng tử hoá và mã hoá ... - Thiết bị gia công thông tin: thực hiện các phép tính theo những thuật toán nhât định. - Thiết bị lưu trữ thông tin: ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ. Hiện nay, việc lưu trữ thông tin có thể sử dụng công nghệ điện toán đám mây. - Thiết bị thể hiện thông tin: có thể là thiết bị đo hoặc tự ghi, hoặc là màn hình cùa máy tính. - Thiết bị điểu khiển thực chất là máy tính công nghiệp hoặc các vi xử lý chuyên dụng. Thiết bị điều khiển quàn lý toàn bộ thông tin từ đầu vào tới đầu ra cũng như thực hiện các thuật toán trong quá trình gia công thông tin. - Người quan sát là cán bộ vận hành trong bộ phận kỹ thuật cùa nhà máy hoặc công ty. 2.1.6. Kết luận Nhiệm vụ của hệ thống đo lường và điều khiển xa là thực hiện việc đo hay kiểm tra chấn đoán, nhận dạng hay tính toán từ nhiều tín hiệu khác nhau trong thời gian ngán nhất. Biến đổi tín hiệu thành các tín hiệu chuẩn hoá để truyền đi xa mà không bị mất mát. Như vậy DMCS làm nhiệm vụ tự động hoá cao độ, quá trình đo, kiềm tra nhận dạng, từ đó cho ra thông tin để điều khiển kịp thời đối tượng, nhờ đó mà nâng cao được chất lượng sản phẩm. 2.1.7. Sự phát triển của hệ thống đo lường và điều khiển từ xa - Vào những năm 1960: chù yếu là hệ tập trung, chưa có sự tham gia cùa máy tính. Tín hiệu đưa về là tín hiệu tương tự, các chì thị chù yếu vẫn là các cơ cấu cơ điện. - Giai đoạn 1970 - 1982: vẫn là các hệ tập trung, song đã có sự tham gia xừ lý tín hiệu bằng máy tính. Lúc này đã xuất hiện các tồ hợp đo lường tính toán như hệ CAMAC cùa hãng HP của Mỹ; một số tố hợp đo lường và tính toán cùa Liên Xô (cũ). - Giai đoạn 1982 - 1992: các thiết bị logic khả trinh như PLC đã được sử dụng, v ề cấu trúc, hệ thống đã có sự tập trung cao độ, các thiết bị đã có sự thông minh hóa. Đại diện cho hệ thống này là SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong đó các PLC là chủ đạo. Các hệ thống này rất tiện lợi và hiệu quả. 27 - Giai đoạn từ nãm 1992 tới nay: là các hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Trong hệ thống này có thề sử dụng trên nền PLC hoặc PC. Các máy tính đều được đưa tới các phân xưởng; mỗi máy tính chịu trách nhiệm một cụm nào đó. Máy tính sẽ đo và xử lý sơ bộ sau đó gừi thông tin lên máy tính trung tâm thông qua các mạng máy tính. Đi đầu trong hướng này phải kê đến hãng YOKOGAWA (Nhật Bàn) với hệ Centum CS-1000; 3000. Đặc biệt từ những năm 1998 đến nay xuất hiện hệ thống thông tin tích hợp IIS (Integrated Information System). Đây là hệ thống tích hợp toàn diện bao gồm tất cả các chức năng; ngoài cấu trúc phân tán mở, còn có thề cài đặt các chương trinh điều khiển kỹ thuật hiện đại theo còng nghệ đàm bảo quá trinh vận hành tối ưu cho một công ty hoặc xí nghiệp. Đại diện cho hướng này phải kể đến ABB (Thụy Sỹ) với sản phẩm IIT (Industrial Information Technology: công nghệ thông tin công nghiệp); hãng SIEMENS với hệ TIA (Totally Integrated Automation: tự động hóa tích hợp toàn diện với PLC S7-400). 2.2. Phân loại hệ thống đo lường điều khiển từ xa theo sơ đồ cấu trúc 2.2.1. Hệ thống có các kênh song song Sơ đồ cấu trúc: v< £> Ị Người ~~Ị Phàn do lường n I------ ỉ ——------------------------------ 1 T hiết b| điều khiển~Ị<--------------------------- Hình 2-2. Sơ đồ cấu trúc cùa DMCS - Đặc điểm: Các kênh liên lạc được truyền song song từ đầu đến cuối, tức là các kênh làm việc độc lập với nhau. - ưu điểm: Độ làm việc tin cậy, nếu hỏng một kênh thì các kênh khác vẫn làm việc bình thường. - Nhược điểm: số lượng dây quá lớn nếu số lượng điểm thu thập lớn nên chi áp dụng cho các nhà máy quy mô nhỏ (khoảng cách không quá 2 km). 28 2.2.2. Hệ thống có các kênh nối tiếp Sơ đồ cấu trúc: Hình 2-3. Hệ thống có các kênh nối tiếp - Đặc điểm cùa hệ thống: Các kênh được biến từ song song thành nối tiếp (nhờ Mux) để đưa vào một kênh duy nhất. - ưu điểm: tốn ít đường dây, sừ dụng khi đo ở khoảng cách xa, rẻ tiền, đơn giàn. - Nhược điểm: độ tin cậy thấp vì nếu hỏng hóc ở phần kênh chung thì coi như tê liệt hệ thống. Trong hệ thống nối tiếp Mux có vai trò rất quan trọng, Mux: Multiplexor còn được gọi là bộ dồn kênh. Cấu tạo Mux bao gồm: + Đầu vào địa chỉ A (Address) + Đầu vào dữ liệu D (Data) + Đầu vào cho phép c (Clock); hoặc E (Enable) + Xung đồng bộ + Đầu ra: Q ( Q ). Ta hiểu Mux giống như một cầu dao tự động. Đầu ra Q được nối với các tín hiệu đầu vào theo hai phương án: - Theo một chương trình quét cho trước: Đầu ra Q sẽ lần lượt nối với Do, D„.1 và lại Do, - Đầu ra Q được nối với chân dữ liệu đầu vào Di nào đó tương ứng với tù mã địa chỉ của nó. Một Mux có n chân địa chỉ thì có thể tạo được 2" từ mã nên sẽ khống chế được 2n chân dữ liệu. 29 V í d ụ 2 . 1 Một Mux có 4 chân dữ liệu. Bàng trạng thái Chân địa chì Chân Clock Đầu ra Do D , Ao At c Q RÍ D , X X 0 0 Aa A , 0 0 1 Do 1 0 1 D, Mux 1 1 d2 1 1 1 d3 Hình 2-4. Ví dụ về bộ dồn kênh Hâm logic! Q — cỊ^DqAqAị + D|AqAj + D2AqAị + D^AqAị J - Đặc điếm cùa hệ thống: Các kênh được biến từ song song thành nối tiếp (nhờ Mux) để đưa vào một kênh duy nhất. - ưu điểm: tốn ít đường dây, sử dụng khi đo ở khoảng cách xa, rẻ tiền, đơn giàn. - Nhược điểm: độ tin cậy thấp vì nếu hỏng hóc ờ phần kênh chung thì coi như tê liệt hệ thống. 2.2.3. Hệ thống song song nối tiếp Hình 2-5. Hệ thống có các kênh song song nối tiếp 30 Hệ thống này có ưu điểm lả tăng độ tin cậy, tăng được số kênh đầu vào, song có nhược điểm là cồng kềnh, đẳt tiền nên thường dùng cho các hệ thống lớn và phải truyền đi xa. 2.2.4. Hệ thống kiểm tra tự động Trong hệ thống này, bộ tạo mẫu sẽ đưa ra các giá trị mẫu tương ứng để đưa vào các bộ so sánh. Thiết bị thể hiện sẽ thông báo trạng thái cùa tín hiệu so với mẫu (lớn hcm, bàng, hay nhỏ hcm). 2.3. Phân cấp hệ thống đo lường - điều khiển trong công nghiệp hiện nay Hệ thống sàn xuất ngày nay càng được mở rộng và có phạm vi địa lý phân tán nên hệ thống đo lường và điều khiển cũng vì thế mà phát triển và được phân cấp hệ thống cơ bàn theo năm cấp - hình chóp như sau: Hình 2-7. Phân cấp hệ thống 31 - cấp chấp hành: bao gồm các càm biến, cơ cấu chấp hành chúng có chức năng nhận tín hiệu đo thông qua cảm biến, thực hiện việc điều khiển theo lệnh cấp trên. Đây là thiết bị hiện trường (FI - Field Instruments). - Cấp điểu khiển: bao gồm các máy tính điều khiển (CPU - Control Processing Unit); các modul vào/ra I/O (input/output). Chức năng là bộ điều khiển cơ sờ, điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu, bảo vệ thiết bị và giám sát hiện trường. Ta gọi phần này là trạm điều khiển hiện tniòmg: FCS (Field Control Station). - Cấp điều khiển giám sát: là cấp điều khiển quá trình bao gồm các trạm thiết kế kỹ thuật và trạm vận hành. + Trạm thiết kế kỹ thuật (EWS - Engineering Work Station): là trạm thiết kế các thông số hệ thống như chọn số kênh, chọn tần số quét cùa tín hiệu, tần số lấy mẫu, dải tần cùa kênh liên lạc, lựa chọn tối ưu các thông số của tín hiệu sao cho sai số cùa phép đo là nhò nhất. Định nghĩa mọi thiết bị, kết nối và phân luồng quàn lý của từng CPU cụ thể. + Trạm vận hành (OS - Operating Station): có chức năng vận hành hệ thống, bao gồm điều khiển giám sát (supervisory control); toi ưu hóa quá trình về chất lượng cũng như năng lượng tiêu thụ; xừ lý sự cố; chẩn đoán kỹ thuật; bào toàn hệ thong. - Cấp điều hành sàn xuất: theo dõi đánh giá kết quả sàn xuất, lập kế hoạch sản xuất dựa vào tình trạng thiết bị đầu vào, đầu ra của sản phẩm; tính toán, tồ chức sản xuất theo hướng tối ưu hóa. - Cấp quản lý công ty: tính toán kinh tế, thống kê số liệu về sản xuất kinh doanh, xứ lý đơn đặt hàng, giao dịch thương mại (thương mại điện từ, quản lý kho tàng). Hoạch định tài nguyên của công ty: tài chính, nhân lực sản xuất, khà năng mờ rộng và phát triển sản xuất. 32 CÁC ĐẶC TÍN H THÔNG TIN CỦA TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG TRONG CỒNG NGHIỆP 3.1. Tín hiệu đo lường trong công nghiệp 3.1.1. Định nghĩa Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin, chứa đựng thông tin về giá trị cần đo. Tin hiệu đo làm nối liền các khâu trong hệ thống đo lường - điều khiển cùa cà quá trình sàn xuất, tín hiệu đo có thể thay đổi theo thời gian hoặc các thông số khác. Một tín hiệu đo phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau nhung người ta cố định các thông số khác và chỉ để phụ thuộc duy nhất vào một thông số. Ví dụ 3.1 x(t, a, b, c,...) => coi như tín hiệu là x(t) Như vậy tín hiệu đo trên phụ thuộc thời gian, các thông số khác nằm trong phạm vi cho phép. 3.1.2. Phân loại tín hiệu đo Có thể phân loại tín hiệu đo dựa theo các tiêu chí sau: Dựa vào sự xuất hiện cùa tin hiệu - Tin hiệu tiền định và gần tiền định + Tín hiệu tiền định là tín hiệu đã biết trưóc các thông số cũng như quy luật thay đổi. Ví dụ như tín hiệu: u = 10 V, I = 20 mA. + Tín hiệu gần tiền định là các tín hiệu biết trước quy luật thay đổi theo thời gian cần xác định một vài thông số của nó. Ví dụ như tín hiệu xoay chiều hình sin: X = Xmaxsin(cot +(p). Trong đó có thể tần số f đã biết f = 50 Hz; ta cần đo các đại lượng Xmax và 2fmax. Định lý này dựa trên ba giả thiết gần đúng mà ta chấp nhận: 1. x(t) là hàm có phổ hạn chế, tức là x(t) phải là một tín hiệu tồn tại vô tận theo thời gian. 2. Độ rộng xung mẫu rất nhỏ (t -» 0). 3. Việc hồi phục tín hiệu x(t) từ các mẫu được thực hiện bàng các mạch lọc thông thấp lý tường, loại bò cả các thành phần tín hiệu có phổ lớn hom — Fc. 3.2.4. Định lý Nyquist Nếu x(t) có biến đồi Fourier là X(f) sao cho X(f) bàng 0 khi |f] > fmax thì phổ của x(t) sẽ trài ra trên khoảng từ - f max đến +fmax tức là có bề rộng là 2fmax. Định lý Nyquist đã nêu điều kiện cần và đù cùa việc lấy mẫu sao cho tín hiệu phục hồi X (t) không bị biến dạng. Định lý phát biểu như sau: Nếu x(t) là một hàm có dài tần [~fmax -ỉ- +fmax ] thì ta sẽ không bị mất thông tin khi thực hiện phép lấy mẫu với mộl tằn số lấy mẫu Fc lớn hơn 2fmax tức là: Fc ^ 2 f max hay Tc < - 1 - (3.5) Thực chât của định lý Nyquist cho ta thấy ràng có thề lập lại một hàm từ các mẫu cùa nó với tần số lặp lại là Fc > 2fmax ; tức là hàm phục hồi có dạng. 38 (3-6) Như vậy định lý Nyquist thực chất là định lý Shannon mờ rộng cho cả dải tần số âm (- fmax) và cùng đi đến biểu thức của đường phục hồi (3-6) tương đương với định lý Kotelnikov và biểu thức Fc > 2fmax trùng với biểu thức của định lý Shannon. 3.3. Lượng tử hoá tin hiệu 3.3.1. Cách lượng từ hóa Lượng tử hoá theo mức, đó là việc làm tròn các giá trị tin hiệu đến giá trị lượng tử gần nhất (có hai cách làm tròn là theo kiểu cắt bò hoặc theo kiểu làm tròn với nửa bước lượng từ). Khi lượng tử hóa, mỗi giá trị được làm tròn có thể khác với các giá trị ban đầu (giá trị thực) của tín hiệu một lượng gọi là sai số làm tròn ị. X x(t) A Hình 3-5. Lượng tử hóa đều và không đều Lượng tử hoá theo mức thực chất là quá trinh rời rạc hoá theo mức, thường người ta sử đụng các chuyển đổi ADC. Có hai cách lấy lượng tử: Lượng từ hóa đều như hình 3-5a, với A là bước lượng từ và ị là sai số làm tròn. Trong đó bước lượng tử hóa A được chọn không đổi (A = const) Trong nhiều trường hợp thì lượng tử hoá đều hiệu quả không cao. Ví dụ khi ta lượng từ hóa một tín hiệu có phần rất lớn và có phần rất nhỏ, nếu lượng tử hóa đều thì phần tín hiệu nhò sẽ sai số lớn hơn nhiều so với phần tín hiệu lớn. Lượng tù hoá khổng đều, thường là lượng tử hóa theo kiều hàm logarit như hình 3-5b. Trong đó bước lượng tử hóa A được chọn khác nhau A * const. 39 Bước lượng từ với tín hiệu vào theo dạng quan hệ hàm logarit; khi tín hiệu nhỏ thì bước lượng từ nhỏ và ngược lại. Thực tế trong kỹ thuật người ta dùng nhiều giải pháp khác nhau để thực hiện việc lượng từ hóa không đều. Có hai hệ thống thiết bị để thực hiện việc này là theo kiều cùa EU và theo kiểu Nhật Bản - Mỹ. Sai so cùa phép lượng lừ hoá Xét quá trinh lượng từ hóa đều, ta nhận thấy độ lớn cùa ị không vượt quá một nứa bước lượng tử hoá A/2. Nếu tín hiệu vào không biết một cách chính xác thì sai số làm tròn 4 là một đại lượng ngẫu nhiên. Khi bước lượng tử hoá A nhỏ có thể coi luật phân bố cùa đại lượng ngẫu nhiên ệ là gần đúng với phân bố đều. (3-7) otherwhise Một dãy các giá trị sai số khi làm tròn ị tạo ra khi lượng từ hoá các giá trị rời rạc của tín hiệu x(kAt) sẽ tạo ra một quá trinh ngẫu nhiên rời rạc ệ(kAt) gọi là tạp âm lượng từ. Tín hiệu đã lượng tử có thể coi là tồng cùa tín hiệu rời rạc chưa lượng từ x(kAt) với tạp ầm lượng từ 4(kAt). Phương sai cùa tạp âm lượng tử được tính như sau: (3-8) 2 2 V12 Tức là sai số bình quân phuơng của quá trinh lượng tử hoá chiếm 0,29 bước lượng từ hoá. Ví dụ 3.3 Một ADC 8 bit thì có thang đo chia làm 28 vạch. Vậy giá trị một vạch là: A = l/2 8 =1/256 Sai số lượng từ hoá ơ% = 0,29 A. 100 = 0,29.100 / 256 = 0,113% Như vậy với ADC 8 bit thì sai số do phép lượng từ hoá chi chiếm 0,113% . 40 3.3.2. Chú ý Quá trình lượng từ hóa tin hiệu thường được thực hiện cùng lúc với việc mã hóa chúng, tức là ở đầu ra nhận tín hiệu dưới dạng mã số. Tín hiệu dưới dạng đó có thê đưa trực tiếp vào máy tính để xừ lý. Các ADC thực hiện nhiệm vụ này. Trong ADC sẽ tiến hành cùng một lúc ba quá trình: rời rạc hóa, lượng tử hóa, mã hóa. Kết quà, ờ đầu vào là tín hiệu tương tự, đầu ra là tín hiệu dưới dạng mã số. 3.4. Mã hoá tin hiệu 3.4.1. Khái niệm Mã hoá: Mã hoá là thay thế các ký hiệu dạng này thành cách ký hiệu dạng khác. Mã: là tập hợp các con số để thể hiện, số con số cùa mã được gọi là cơ số. Trong kỹ thuật thường dùng cơ số 2 , các con số là con so l và con số 0 đại diện cho hai trạng thái có điện và không có điện trong kỹ thuật. Neu như có n giá trị lượng tử hoá được đánh số từ l đến n thì số dãy mã cơ số 2 (tức là m) cần để mã hoá n giá trị là: m > log2" . Số dãy mã m phải là số nguyên dương. V íd ụ n h ư : n = 26=>m = 5; n = lO=>m = 4 Để tránh sự dư thừa thông tin thi những dãy mã có số 0 đằng trước được bỏ đi vi nó không mang thông tin. Để phân biệt các tập mã với nhau thì người ta dùng xung có biên độ khác hoặc xung có dấu ngược lại. 3.4.2. Cách mã hóa Để mã hóa một tín hiệu, trước tiên ta thực hiện hai quá trình rời rạc hóa và lượng từ hóa. Sau đó mỗi mức sẽ gán cho một tập hợp mã (từ mã) như hình 3.6. Các thiết bị ADC thực hiện việc mã hóa tín hiệu; các bộ ADC được chế tạo theo ba phương pháp: Phương pháp song song; phương pháp trọng số; phương pháp số. Trong kỹ thuật người ta sử dụng nhiều phương pháp mã hoá khác nhau, đề giảm sự dư thừa thông tin người ta còn có thể dùng mã thống kê hoặc mã thích nghi. Trong thông tin có một lý thuyết riêng về mã và mã hóa. 41 X (t) í l Hình 3-6. Mã hóa tín hiệu 3.5. Sự dư thừa thông tin và phmyng pháp giảm 3.5.1. Hiện tượng dư thừa thông tin Ngày nay máy tính có tốc độ khá nhanh nên khoàng thời gian rời rạc At nhó, vì vậy nhiều khi thông tin thừa không có ích. Đặc biệt, với mội hệ thống thu thập nhiều kênh thì khối lượng các giá trị cần xử lý rất lớn nên việc giám thông tin thừa là rất cần thiết. Theo thống kê, có rất nhiều hệ thống kỹ thuật, nếu cần độ chính xác 2% thi chi cần 1/70 -T 1/20 lượng thông tin. Do đó lượng thông tin thừa rất nhiều. 3.5.2. Nguyên nhân tạo thông tin thừa Nguyên nhân tạo thông tin thừa là do: - Do đo quá gần nhau các giá trị cùa một đại lượng biến thiên chậnv - Đặt các sensor quá gần nhau khi cần đo một đại lượng vật lý; - Mã hoá thông tin không tối ưu; - Rời rạc hoá không thích nghi. 3.5.3. Cách đánh giá thông tin thừa - Đánh giá sự dư thừa theo phần từ Già sù có n phần từ thông tin truyền đi mà chi cần có no phần tử, như vậy sẽ dư thừa (n - no) phần tử. 42 Hệ số dư thừa là: K„ (3-9) - Đánh giá sự dư thừa theo lần số. Đó là khoảng tần số cần thiết cùa kênh liên lạc khi chưa giảm tần số dư thừa với khoảng tần số đã cắt giảm dư thừa. (3-10) 3.5.4. Các phương pháp giảm sự dư thừa thông tin Đe giảm sự dư thừa thông tin trước hết phải xác định số lượng tối ưu các giá trị tức thời (chọn khoảng thời gian thực hiện phép đo cho phù hợp), chọn vị trí đặt các sensor hợp lý. Có hai cách giảm thông tin: - Cách 1: Từ thiết bị đo trước khi vào thiết bị gia công: giàm thông tin thừa. - Cách 2: Giảm thông tin thừa ngay tại ở thiết bị đo. giảm TB đo TB gia công TB truyền v i ) TT I— I giàm~ —ĩ Hình 3-7. Mô hình cắt giảm thông tin thừa Để giảm thông tin thừa phương pháp hiệu quả nhất là tiến hành rời rạc hoá thích nghi. Tức là nếu cho trước một sai số, tùy thuộc vào sự thay đổi của tín hiệu mà xác định thời gian rời rạc hóa cho phù hợp. Ta có thể tiến hành dưới dạng một thiết bị tương tự hay một thuật toán nhờ phương pháp số. 3.5.4.1. Kỹ thuật tương tự Tác động nhanh song kém chính xác. Có hai phương pháp: - Phương pháp ngoại suy bậc thang (đa thức bậc 0) 43 Giả sử cho trước một sai số yêu câu 8 0 , tiên hanh đo các giá trị mà độ sai lệch giừa giá trị đã đo được và tín hiệu đo đạt đến giá trị 60 , tức là khi: E(t) = |p(t)-x(t)| = E0 (3-11) thì dụng cụ đo mới được phép đo giá trị tiếp theo. Cứ như thế, thiết bị đo sẽ đo tất cả những giá trị có sai lệch bàng £0 (hình 3-8). x(t) p'(t) Hình 3-8. Mô tả phương pháp ngoại suy bậc thang v ề mặt toán học, có thể mô tà như sau: Thực hiện vẽ đường p(t) và liên tục tính sai số: s(t) = |p (t)-x (t)ị, sau đó tiến hành so sánh ờ thời điểm: ịp (t)-x (t)| = £0 thì ta tiến hành đo giá trị x(t). Kết quà được thực hiện như sau: Hình 3-9. Giảm thông tin thừa theo phương pháp ngoại suy bậc thang Thiết bị để thực hiện quá trình trên gọi là thiết bị cắt giảm thông tin thừa. 44 Nhận xét: Sử dụng phương pháp cắt giảm thông tin thừa theo đường ngoại suy bậc thang p(t), ta có thể giảm đi khá nhiều thông tin thừa. - Phương pháp nội suy tuyến tính Trong phương pháp này, ta sử dụng đường xấp xỉ hóa là đường tuyến tính. Đường cong x(t) được thay bằng những đoạn thẳng p(t) sao cho độ sai lệch lớn nhất trong khoảng đo giữa x(t) và p(t) phải bằng £q . Hình 3-10. Mô tả phương pháp nội suy tuyến tính Tức là: e(t) = |p(t)- x(t)|, trong đó p(t) là đường thẳng được tính từ phương trìnhsau: p (t) = X (t j _ j) + x'(tj_|).At Tại điểm so sánh: e ( t ) = |x(tM ) +x'(tj.| ).At - x(t)| = E0 Đầu ra của bộ so sánh có tín hiệu điều khiển Đặt: Ax = x (t) - X (tj_|), ta cỏ: e(t)=|x'(tM).At-Ax| = e0 (3-12) đưa đến TB đo Hình 3-11. Thiết bị cắt giảm thông tin thừa theo phương pháp nội suy tuyến tinh Thiết bị thực hiện thể hiện phương trình (3-12) như hình 3-11. 45 Nhận xét: Ta thấy ngay, phương pháp nội suy tuyến tính cũng cho ta giám đáng kê lượng thông tin thừa. 3.5.4 2. Cắt giảm thông tin thừa bằng phương pháp số Để cắt giảm thông tin thừa bằng phương pháp số, trước tiên tín hiệu đo được sô hóa nhờ ADC, sau đó các giá trị này được trực tiếp đưa vào máy tính. Một thuật toán sẽ tự động lựa chọn những giá trị cần thiết (đàm bảo sai số không lớn hơn eo cho trước) để đưa vào hệ thống DMCS. Như vậy việc giám thông tin thừa ờ đây là sau thiêt bị đo. Bàn chất thuật toán cùa phương pháp số cũng không khác phưcmg pháp tương tự. Thuật toán ngoại suy bậc thang Thuật toán được thể hiện như trên hình 3-12. Già sừ cho trước sai số Eo, giá trị này đuợc ghi vào ô nhớ máy tính. Tín hiệu x(t) sau khi đi qua ADC được đưa vào máy tính. Máy tính sẽ tự động lựa chọn những giá trị cùa tín hiệu đàm bào sai số Eo cho trước và chuyển sang DMCS, còn những giá tri khác sẽ bị loại. Hình 3-12. Mô tả phương pháp pháp ngoại suy bậc thang Thuật toán thề hiện cụ thể như sau: - Ở thời điểm to, giả sừ có x0. Xo được nhớ vào Ram cùng lúc có thề có thể truyền đi hoặc đưa vào xử lý. - Ờ thời điềm ti xuất hiện X| + Tính độ sai lệch giữa hai giá trị: e(t,) = |x 0 — xt I 46 + So sánh giữa e (t|) với Eo cho trước, nếu e ( t|) < s 0 thì X| bị loại bò, coi như thông tin thừa, tiếp tục điểm thứ hai. - Ờ thời điểm t2 xuất hiện X 2 + Tính : e(t2) = |x0 - x 2| + So sánh giữa 6(t2) với Eo cho trước + Neu s (t |) < Eq thì X2 bị loại bỏ coi nhu thông tin thừa và cứ tiếp tục . - t3 xuất hiện X 3 ... Già sừ ờ một thòi điềm tk xuất hiện Xk mà có e ( tk) > s 0 . Lúc đó giá trị Xk được ghi lại và được truyền đi hay đưa vào xừ lý, còn Xo được xoá; khoảng thòi gian rời rạc là: Atk = tk - *oí Trong đó: to: điểm đầu cùa đường ngoại suy; tk: điểm cuối cùa đường ngoại suy. Thuật toán nội suy tuyến tính Phương pháp ngoại suy bậc thang có một nhược điểm là có thề tín hiệu được lấy mẫu sai lệch lớn hơn So. Ngoài ra, tý lệ giảm thông tin thừa chưa lớn lấm. Hình 3-13. Mô tả phương pháp nội suy tuyến tinh Để khắc phục ta đùng phương pháp nội suy tuyến tính như sau: 47 - Ờ thời điểm to già s ử có Xo. Xo được nhớ vào RAM cùng lúc có thể truyền đi hoặc đưa vào xừ lý. - Ở thời điềm t] xuất hiện Xi; Xi được nhớ nhưng không truyền đi. - Ở thời điểm t2 xuất hiện x2 X2 được nhớ nhưng không truyền đi. + Tính tỷ số các số gia bậc một của đa thức nội suy lagrang Pi(t) đi qua 2 điểm Xo và X2 (3-13) + Tính giá trị đa thức nội suy ở ti: P i ( ti) P l ( li) = + - t o) (3-14) + Tính độ sai lệch ở t |: + So sánh £| ( t ị) với E 0 cho trước; nếu £| (t]) < e0 thì tín hiệu sẽ không truyền đi coi như thông tin thừa. - t3 xuất hiện Xj; X 3 được nhớ, không truyền đi. + Tính tý số các số gia bậc 1 với đa thức nội suy P2(t) (3-15) + Tính các giá trị của đa thúc nội suy ờ ti, Vi'- P2 ( t|) = Xo+V(t3,t0) ( t , - t 0) P2Í t2) = X0 +V (t3,t0)(t2 - t 0) (3-16) + Tính độ sai lệch cùa phép nội suy tại t|, t2 e2(tl) = |x i - p 2(tI)| e2(t2) = |x2 -P 2 (t2)|(3-17) + So sánh s2(tị) v à e 2(t2) với e0 cho trước 48 Nếu e2 (tI) < E 0 và e2 ( t2 ) < E 0 thì giá trị X2 không chấp nhận và không được truyền đi, coi như thông tin thừa. Già sừ ở t|< nào đó xuất hiện Xk và đa thức nội suy là: Pk-l (t) = x0 + v ( t k;t0) ( t - t 0) (3-18) Trong đó: V(tk,t0) = Xk ~ x° , mà ta có: E k _| itjl = Ixj- p k_i ( tj)ị > e0 với 0 < j < k tk — to thì Xk-1 được chấp nhận. Atk_| = t k_| - t 0 khoảng nội suy lúc đó trong dây liên lạc hoặc đưa vào xừ lý là giá trị Xk-|. Khoảng nội suy mói được xác định bắt đầu từ tk-1. Như vậy phép nội suy tuyến tính được tiến hành theo cách nối liền các điểm bằng đoạn thăng p(t) : Pk(t) = xo + ^ kd7 7 T ( t - t 0) V k -l - t 0 ì Đoạn thẳng tiếp theo sẽ đi qua điểm Xk-1 và giá trị tiếp theo cùa quá trinh rời rạc hoá thích nghi. 49 ĐIỂU CHÊ TÍN HIỆU 4.1. Mo’ đầu 4.1.1. Khái niệm và phân loại Khái niệm: Điều chế là sự tác động cùa tín hiệu cần truyền lên một thông số cùa tín hiệu khác gọi là tín hiệu mang. Lý do phải điều chế tín hiệu: - Với mục đính chống nhiễu. - Với mục đích để truyền đi xa: Vì tín hiệu vật lý ban đầu (băng gốc) thường có tần số thấp, như vậy không thể trực tiếp bức xạ qua các ãngten phát. Với ăngten muốn bức xạ tốt phải có kích thước hình học xấp xỉ 1/4 bước sóng của dao động. Bước sóng càng bé thì kích thước ăngten càng nhò, khi đó tính khả thi vật lý của ăngten càng cao. Bước sóng càng ngắn tần số càng cao. Tham gia điều chế tín hiệu có hai thành phần: - Tín hiệu ban đầu x(t): hàm tin. Hàm tin x(t) là khách quan yêu cầu, bất kì. - Sóng mang dao động có tần số cao: u(t). Sóng mang u(t): do kỹ thuật chủ động. Phân loại điều chế: Căn cứ vào sự lựa chọn sóng mang mà có các loại điều chế khác nhau. Xét ba loại điều chế: - Loại 1: Tín hiệu điều chế cao tần (ĐCCT): sóng mang u(t) được chọn là dao động điều hòa có tần số cao. - Loại 2: Tín hiệu điều chế xung: là một dãy xung, tuần hoàn có tần số cao. - Loại 3: Tín hiệu điều chế số: các hàm tin x(t) có dạng số (0,1). 4.1.2. Tổng quan vê tin hiệu và điêu chế cao tần Sóng mang là dao động điều hòa, tần số cao: u (t) = Umcos(

x(t) Biểu thức tín hiệu điều tần: Udtí1) 1" u 0.cosjffl(t)dt = u 0[cosco0t +AcoJx(t)dt] (4-3) Tín hiệu điều plia (PM - Phase Modulation) Hàm tin x(t) điều khiển góc pha 1: điều biên quá mức dẫn đến làm "méo" hàm tin x(t). Trong quá trình tính toán, ta thường giả thiết hàm tin được chuẩn hóa x(t): |x (t)| < 1 Đồ thị minli họa Đồ thị minh họa quá trình điều chế biên độ như hình 4-1 và 4-2 Sóng mang w w w w w v w w w w w Hình 4-1. Tín hiệu điều chế biên độ 53 54 - Tại máy phát: phát đi tín hiệu Udb(t). - Tại máy thu: Để nhận được tín hiệu giống với hàm tin x(t), phải thực hiện việc giải điều chế (DM: Demodulation), tức là phải xác định được hình bao biên độ của tín hiệu đã điều chế. Có hai khá năng có thề xảy ra: - Neu y < 1: dạng hình bao biên độ có dạng giống hàm tin x(t): trung thực (không “méo”). - Nếu Y > 1 : dạng hình bao biên độ có dạng khác dạng x(t): không trung thực (“méo” tín hiệu). 4.1.4. Tín hiệu điều pha, điều tần (điều chế góc) Kliái niệm Điều chế góc là hàm tin tác động lên góc pha của sóng mang; biên độ của sóng mang được giữ không đổi. Ta xét chung hai trường hợp: điều tần và điều pha: gọi chung là điều chế góc. uđt (t) = u 0 COS J (0 ( t) + ) Lúc này ta có: ud t(0 = u ocos o>0t + ^ s i n ( Q t + <ịi) + ) + (p0] Định nghĩa các hệ số điều chế góc - Chì số điều chế góc P: Chỉ số điều chế góc p là độ sâu điều pha (độ sâu điều pha là đại lượng biểu thị mức độ ảnh hường của hàm tin x(t) đến độ dịch pha u(t)) 55 Với hai biểu thức trên thì pdt = — và Pdp = Aẹ - Độ lệch tần số (dịch tần) Aco: theo định nghĩa là độ sâu điều tần (đại lượng biếu thị mức độ ành hưởng của hàm tin x(t) đến tần số của u(t). Với tín hiệu điều tần: Acodt = A Từ đó ta có công thức quy tròn: xk = [x(kAt) + 0,5] Trong đó: [] biểu thị lấy phần nguyên của một số. Chú ỷ: Khi thực hiện lượng từ hóa sẽ gây ra sai số 4 (sai số lượng từ hoá). Nhưng sai số này do chủ động kỹ thuật nên dễ dàng khắc phục được. Khi thiết kế thì khuynh hướng muốn sai số bé, muốn giàm sai số thi ta phải giảm Ax. Tuy nhiên khi Ax giảm thi Xk sẽ tăng: vấn đề đặt ra là ta có thể chấp nhận sai số để số đo vừa phải hay không? Đây là vẩn đề cần cân nhấc vì đơn vị càng bé thì số đo càng lớn. Mã hoá Sau khi lượng từ hoá ta có dãy sổ nguyên Xk. Ở bước này ta thực hiện mã hoá bằng cách viết các Xk trong hệ đếm nhị phân (0, 1). Cách viết: theo hàng. Vi dụ 4-2 Trong hệ thập phân: 1925 = 1.103 + 9.102 + 2.101 + 5.10° Đối với hệ nhị phân: 101011 = 1.2s + 0.24 + 1.23 + 0.22 + 1.2' + 1.2° Chuyển sang hệ thập phân: 32 + 8 + 2 + 1 = 43. 59 Đề chuyển từ thập phân sang nhị phân, ta phải xác định sô bit (binary/digit) m cân thiết để viết các Xk Với hệ nhị phân: 2 m_1 < max |xk| < 2 m Để xác định m ta sử dụng công thức; m = [lo g 2 (m a x |x k |)] + sgn|log2 (m a x Ix k | ) - [ lo g 2 (m a x I x k |)]j (4-10) Vídụ 4-3: Xác định m khi max |xk| =45;m ax|xk| =128 Bài làm: Áp dụng công thức (4-10) ta có: Khi max|xk| = 45 m = [log2(45)] + sgn{log2(4 5 )-[lo g 2 (45)]}= 5 + 1 = 6 Khim ax|xk| =128 m = [log2(l28)] + sgnỊlog2(l2 8 )-[lo g 2 (l2 8 )]Ị= 7 + 0 = 7 Biểu diễn tín hiệu: 01100010000111 0 m , n * 0 * 0 t e X, 2A t x2 3A1 Hình 4-6. Điều chế mã xung 4.3. Các dạng điều chế sổ CO’ bản - Biến đoi một chuỗi bit đến một dạng sóng liên tục, giống như điều chế dạng tương tự, điều chế dạng số cũng làm thay đổi tính chất của sóng mang. Thực chất là kết hợp giữa điều chế mã xung với điều chế tương tự với sóng mang là điện áp xoay chiều hình sin. - Các biến đổi diễn ra riêng biệt và không liên tục. số lần biến đổi trong một giây gọi là tý lệ bit cùa tín hiệu. - Kỹ thuật điều chế dạng phổ biến nhất là ASK, FSK và PSK. 60 4.3.1. Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) Đầu ra của ASK khi truyền một chuỗi bit nhị phân được thể hiện như sau: - Bit nhị phân 1 được thay thế cho một số sóng mang trong một khoảng thời gian xen giữa cụ thể. - Bit nhị phân 0 được thay thế cho một khoảng trống. Như vậy với một sóng mang dạng sin, biên độ A, tần số f ta có: s(t) = [ A sin (27ift), với bit nhị phân 1 với bit nhị phân 0 (4-11) Kết quả của điều chế ASK được biểu diễn trên hình 4-7. Hình 4-7. Điều chế số ASK 4.3.2. Điều chế khóa dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) Đầu ra của FSK khi truyền một chuỗi bit nhị phân được thể hiện như sau: - Bit nhị phân 1 được dùng để thay thế cho tần số sóng mang f + Af. - Bit nhị phân 0 được thay thế cho tần số sóng mang f - Af. Như vậy với một sóng mang dạng sin, biên độ A, tần số f ta có: Ị A sin (2n({ + Af)t), với bit nhị phân 1 - [Asin(27t(f - Af)t), với bit nhị phân 0 (4-12) 61 - Khoàng cách tần số 2Af là độ lệch tần giữa bit 0 và bit 1 và đôi khi gọi là khoảng cách TONE. Kết quà của điều chế FSK được biểu diễn trên hình 4-8. Bít nhị phân1 0 Ul(t)1 0 -1 Uz(t) 1 0 -1 SfSK(t) Hình 4.8. Kết quả điều chế FSK 4.3.3. Điều ché khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) Đầu ra của PSK khi truyền một chuỗi bit nhị phân được thể hiện như sau: f là tần số sóng mang. - Bit nhị phân 1 đirợc dùng để thay thế cho tần số sóng mang trong một khoảng thời gian xen giữa cụ thể. - Bit nhị phân 0 được thay thế cho một tín hiệu sóng mang có độ lệch pha 71 (rad) cho một khoảng trống. Như vậy với một sóng mang dạng sin, biên độ A, tần số f ta có: [Asin(27ift), với bit nhị phân 1 s(t) = (4-13) [Asin(27ift+ n), với bit nhị phân 0 62 63 CÁC PHẦN TỬ Cơ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐO LUỪNG VÀ ĐIỂU KHIỂN TỪ XA 5.1. Kênh liên lạc 5.1.1. Định nghĩa và đặc tính của kênh liên lạc Định nghĩa Kênh liên lạc là phần nối giữa bộ phát, thu của hệ truyền tin, hay có thể nói kênh liên lạc là tập hợp các thiết bị kỹ thuật đàm bảo truyền độc lập các thông tin. Nó bao gôm thiết bị phát, đường dây truyền dẫn, thiết bị thu. Đường dây truyền dẫn có thể là dây điện, vô tuyến điện, siêu âm, quang học. Yêu cầu cơ bản đối với kênh liên lạc là làm việc tin cậy, nhiễu không vượt quá giá trị cho phép và có băng thông lớn. Các đặc tinh cùa kênh liên lạc - Dung lượng kênh truyền Vk =V kTkHk (5-1) 7*: thời gian mà trong khoáng đó có tín hiệu truyền đi; Fk'. khoảng tần số mà kênh có; Hk: đặc tính chi rõ sự tăng công suất tín hiệu pth so với công suất nhiễu p„h. - Tắc độ truyền thông tin: là lượng thông tin truyền đi trong một đơn vị thời gian: Với I: lượng thông tin; T: khoảng thời gian truyền. Khả năng truyền của kênh là c = Umax 65 Để truyền tín hiệu được bảo đàm ta phải có các điều kiện sau: Tk - Tfh; Fk > F-J-J,; HK > H jh; Umax > u t|,; Cmax > Co, 5.1.2. Dây liên lạc Dây liên lạc đề truyền thông tin, có nhiều loại dây liên lạc như dây hữu tuyến, dây vô tuyến, cáp quang. Đường dây hữu tuyến Dây hữu tuyến có thề là dây trên không hoặc dây cáp. Thực chất của đường dây hữu tuyến là mạch điện có thông số rải với các thông so R, L, c , G. Dây trên không thường dễ chịu ành hưởng cùa các điều kiện khí quyển. Dây cáp có độ chống nhiễu cao hơn, độ tin cậy cao hơn. Thông số cơ bàn cùa đây dẫn là: điện trở R, điện cảm L, điện dung c , điện dẫn G, tổng trờ sóng z. Công thức tính các thông số đó là: - Diện trở: R j= R 0(l + at°) Trong đó: Ro: điện trờ ờ 0°C; a: hệ số nhiệt điện trờ. a Cu= 0 ,0 0 3 9 [° C -1] a thép= 0,0046[oC - ‘] Điện trờ ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ còn phụ thuộc vào tần số đo hiệu ứng mặt ngoài. - Điện càm: Điện cảm của dây hai sợi đuợc xác định là: L = (4. In - + K.n) 10“4 r Trong đó: a: khoảng cách hai sợi (cm); r: bán kính sợi (cm); n : độ từ thẩm tương đối; = l;n . =140; Cu thép K: hệ sô kê đên ảnh hường của hiệu ứng mặt ngoài. 6 6 - Điện dung e ÌCT6 Điện dung của hai soi: c = ——— 36.1n — e 10 Điên dung của dây môt sơi: c = — ■■ 18.In — r Trong đó: 8 : hằng số điện môi( với không k h í: 6R2 = 1); h: khoảng cách từ mặt đất đến dây; a: khoảng cách hai sợi; r: bán kính sợi. - Tổng trở sóng cùa mach: Zs = 3-LỈỈ2Í1 \ G + jcoC Với G: điện dẫn Khi truyền vói tần số f > 10 kH z, nếu R « Leo và G « coC thì ta có: Thông thường dây đồng: Zs = 600-ỉ-900 Khi truyền năng lượng trên đường dây người ta cần chú ý đến tổng trờ sóng Zs. Vì khi thỏa mãn điều kiện: Z s — Ztài <7 ^vào 7 ^vào — J‘vào thì đường dây truyền năng lượng đạt cao nhất cho ta hiệu suất truyền cao nhất, nếu không sê có hiện tượng phản xạ sóng: sóng ờ cuối đường dây sẽ tiếp tục đi đến đầu đường dây và sinh ra nhiễu. Một thông số quan trọng của đường dây là hệ số lan truyền Y Ỵ = a + j'ỉ/ = yj( R + jcoL)(G + jcoC) Trong đó: a: hệ số suy giảm; 67 Vị/: hệ số dịch pha của áp và dòng; Y: đặc tnmg cho điều kiện lan truyền nãng lượng điện từ trên đường dây. a cho 1 km đường dây được xác định theo biểu thức: Vị , I a = m— = ln - Vt I-. ỉ m i i 2 p2 Đơn vị cùa a là nepe (Np). Nếu một đường dây có a = 1 Np thì có nghĩa là ờ cuối đường dây điện áp và dòng giảm đi e = 2,718 lần và công suất giàm đie2 = 7,39 lần. a cũng được tính theo đêxiben (dB): a = 10 log — = 20 log — = 20 log — [dB] Kênh liên lạc bằng dây dẫn có a lớn nên làm cho băng thông hẹp. Đối với cáp: Cáp có dải thông lớn hơn do a nhỏ hơn. Với cáp đối xứng có dài thông 12-ỉ-550 kHz. Đối với cáp đồng trục dài thông đến 8850 kHz. Để khắc phục hiện tượng suy giảm thì trên dường dây truyền, cứ cách 250 km người ta đặt một trạm khuếch đại tín hiệu nhằm khôi phục nâng tín hiệu lên gần giá trị ban đầu. Khi truyền xa ta có thể sử dụng đường dây tải điện để truyền tín hiệu đo. Tín hiệu được điều chế số xoay chiều tần số 50 + 100 kHz. Từ máy phát qua bộ lọc, qua tụ c . Tụ c có trị số nhỏ đối với tín hiệu có tần số cao nên tín hiệu cao tần qua dễ dàng, còn với tín hiệu tần số thấp (điện công nghiệp: 50Hz) Hình 5-1. Truyền thõng qua đường dây điện lực thì trờ kháng cùa tụ c là rất lớn nên máy phát tin hiệu coi như cắt khỏi lưới xoay chiều. Để tín hiệu không đi vào lưới ta dùng bộ cản nhiễu. Đối với tần số 50 Hz thì nó có trờ kháng nhỏ nhưng với tần số cao thì có trờ kháng lớn. Ờ phần thu cũng tương tự. 68 Đường dây tải điện có uu điểm là độ tin cậy cao nhưng có nhược điểm là nhiễu lớn (thường do đóng cắt mạch điện, phóng điện, khí hậu...). Đường dây vô tuyến Đường dây vô tuyến thường dùng khi không có khà năng dùng hữu tuyến như tên lửa, tàu vũ trụ...; các máy móc mà con người khó có thể điều khiển được như: lò hô quang, lò quay,... Tần số tín hiệu có thể đến vài megahec. Thường chất lượng thu phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố thiên nhiên, vào thời gian trong năm, hoặc ngày đêm nhất là ở sóng dài và sóng ngắn. Với sóng cực ngắn thì độ tin cậy cao hơn (Ằ = 10 m). Đường dây cáp quang Dây cáp quang là sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng, nguồn ánh sáng thường là tia laze. Hình 5-2. Truyền thông qua dây cáp quang Nguồn thông tin đo sau khi đo được điều chế sơ bộ và đưa vào bộ điều chế điện quang. Nguồn sáng laze sau khi được điều chế sẽ mang tín hiệu đo. Sau đó truyền qua cáp quang đến phía thu qua dải điều chế và tái hiện tín hiệu đo. - Ưu điểm: Truyền cáp quang ít bị ảnh hường của nhiễu, độ suy giảm tín hiệu nhỏ, độ an toàn khi truyền cao (bí mật). - Nhược điểm: Việc nối cáp phức tạp và khó. 5.2. Bộ đổi nối 5.2.1. Khái niệm về bộ đổi nối Bộ đồi nối là thiết bị làm nhiệm vụ gộp nhiều kênh tín hiệu (analog hoặc digital từ các cảm biến hoặc từ các chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH...)) thành một kênh tín hiệu và ngược lại tách một kênh tín hiệu thành nhiều kênh tín hiệu. 69 - Thiết bị làm nhiệm vụ gộp nhiều kênh tín hiệu thành một kênh tín hiệu được gọi là bộ dồn kênh (multiplexor: MUX; M). - Thiết bị làm nhiệm vụ ngược lại biến một kênh tín hiệu thành nhiều kênh tín hiệu thì gọi là bộ phân kênh (demultiplexor: DMUX; DM). Bộ dồn kênh và bộ phân kênh có nguyên tắc giống nhau, chi khác nhau chiều tín hiệu truyền đi, do vậy ờ đây ta chi tìm hiểu về bộ dồn kênh, còn bộ phân kênh tuơng tự, như vậy ta sẽ gọi chung là bộ đổi nối. 5.2.2. Phân loại Có thể phân loại bộ đồi nối thành đổi nối tiếp xúc và không tiếp xúc. Bộ đỏi nối tiếp xúc: Bộ đổi nối tiếp xúc thực chất là các công tắc cơ khí, có thề điều khiển bàng tay hoặc tự động. - ưu điếm: Tại chế độ tiếp xúc thì Rihuận = 0, tại chế độ hờ mạch thì Rngược = °0- - Nhược điếm: Độ tác động nhanh không cao (5 -ỉ-15 ms một lần đồi nối), vì thế tần số đổi nối không quá 100 Hz. Bộ đỗi nối không tiếp xúc: phần lớn là các bộ đổi nối điện tử - Ưu điểm: Độ tác động nhanh nên tần số có thể đạt được hàng chục mega hec. - Nhược điểm: Rthuặn * 0 (80 -T 100 fi), Rngược < °° (cỡ vài trăm kilô ôm). Các bộ đổi nối không tiếp xúc thường được chế tạo thành các bộ đổi nối quy chuẩn. Ví dụ bộ đồi nối CD4051B cùa hãng Texas Instrument có 3 chân địa chỉ. 5.2.3. Các phương pháp đổi nối (Multiplexing) • Phưomg pháp đổi nối phân chia thời gian (Time Division Multiplexing - TDM) Trong phương pháp này mỗi một kênh tín hiệu sẽ được truyền đi trong một khe thời gian (time slot) nhất định nào đó. Phương pháp đổi nối này thường dùng trong hệ thống đo lường và điều khiển các quá trình sản xuất công nghiệp. - Phương pháp đổi nối phân chia tần số (Frequency Division Multiplexing - FDM) Trong phương pháp này mỗi một kênh tín hiệu được ấn định với một tần số khác nhau. Phương pháp này thường dùng trong phát thanh, truyền hình,... - Phương pháp đối nối phân chia bước sóng (Wavelength Division Multiplexing - WDM). Mỗi một kênh tín hiệu được ấn định với một bước sóng cụ thể khác nhau; thường sừ dụng khi dùng trong hệ thống có sử dụng cáp quang. 70 Sai số của bộ đổi nối phụ thuộc vào số lượng các kênh và sẽ tâng khi số lượng tăng. Do đó để giảm sai số người ta sử dụng phương pháp chế tạo bộ đổi nối theo nhóm. Đe tăng độ tác động nhanh người ta sử dụng bộ đổi nối tầng - Tầng 1: Sừ dụng bộ đổi nối cơ khí vì ờ đây tín hiệu từ sensor nhò. - Tầng 2: Sừ dụng bộ đổi nối điện tử có độ tác động nhanh nhưng vẫn đàm bào độ chính xác vì tín hiệu đã được chuẩn hoá qua các bộ CĐCH nên đã đù manh. Hình 5-3. Bộ đỗi nối nhóm 5.2.4. Chế độ làm việc của bộ đổi nối phân chia thời gian Các bộ đổi nối có thể làm việc theo chế độ chu kỳ hay chế độ địa chì. Trong chế độ chu kỳ thì tất cà các sensor và kênh sẽ lần lượt được đặt vào dây liên lạc hay hệ thống sau đó sẽ quay trở lại với chu kỳ Ts. Còn chế độ địa chì thì bộ đồi nối làm việc theo một chuơng trình. Chế độ địa chỉ có thề nhặt ra bất kì một tín hiệu nào. Chế độ chu trình Các chân địa chi In/out ^ ouưin M ultiplexor Dem ultiplexor Hình 5-4. Bộ đổi nối phân chia theo thời gian 71 x2(t> M u ltip lex o r p h ân chia th ò i gian Hình 5-5. Biểu đồ thời gian khi x „(t) Chế độ địa chỉ Mux làm việc ờ chế độ chu trình Tín hiệu đưa đến chân địa chỉ là một từ mã dưới dạng số nhị phân, giá trị của các chân địa chi tưcmg ứng với thứ tự của đầu vào thì tín hiệu đó tương ứng được nối đến đầu ra. Ví dụ như bộ dồn kênh có hai chân địa chỉ thì có tương ứng 4 chân đầu vào. Các chân địa chi Cảm biến 1 (hoặc thiết bị hiến thị) In/out 72 Cảm biến 2 (hoặc thiết bị hiển thị) Cảm biến n (hoặc thiết bị hiển thị) M u ltip le x o r D em ultiplexor ouưin Hình 5-6. Bộ đổi nối làm việc theo chế độ địa chỉ 5.2.5. Cấu tạo các bộ đổi nối Cóc bộ đỗi nối tiếp xúc Các bộ đổi nối tiếp xúc thông dụng nhất là các bộ đổi noi từ điện. Đó là một loạt các rơle tiếp điểm đặt cố định theo một vòng tròn. Việc điều khiển nó được thực hiện bàng nam châm điện, số lượng tiếp điểm tối đa là 50. Nếu là loại điều khiển bằng tay thì là một loạt công tắc đom giản. Các bộ đổi nối không tiếp xúc Đồi nối không tiếp xúc là các bộ đổi nối điện tử. Thường người ta chế tạo thành các bộ đổi nối quy chuẩn. Ví dụ 5-1 Bộ đổi nối CD 405IB là một bộ đổi nối 8 bit có sơ đồ nguyên lý như hình 5-7. Tín hiệu từ bộ điều khiển (là tín hiệu logic) đến điều khiển bộ biến đổi mức logic (LLC - Logic Level Conversion) để điều khiển bộ đếm, bộ đếm lần lượt đưa tín hiệu ra để đóng mờ 8 khoá điện từ Ko -i- K7 đưa tín hiệu từ 8 kênh (sensor) vào hệ thống. Ví dụ 5-2 Sơ đồ nguyên lý bộ đổi nối theo nhóm (để tăng số kênh), hình 5-8. Bộ đếm 1 lần lượt đếm từ 1 đến n, khi đó bộ đếm 2 nhảy một số, bộ đếm 2 sẽ đếm từ 1 đến m. Các bộ đếm được điều khiển từ LLC. Giả sử ban đầu bộ đếm 2 đang ở vị trí 1 thì K’| đóng. z„ thông với các khóa cùa nhóm 1. Bộ đếm 1 lần lượt đưa xung từ 1 đến n để mờ các khóa Kt Kn (quét từ sensor 1 đến sensor n cùa nhóm 1). Khi đã được n phần tử thì bộ đếm 2 nhảy số sang vị tri 2 thì K’2 đóng, nối mạch cho cả nhóm 2. Quá trinh cứ tiếp tục hết m nhóm ứng với bộ đếm 2 từ 1 đến m. Quá trinh lặp lại từ đầu. 73 Sensor nhổm 1 S ens® nhóm m Hình 5-8. Bộ đổi nối nhóm 5.3. Chuyển đổi chuẩn hóa 5.3.1. Khái niệm và yêu cầu đối với chuyền đổi chuẩn hoá (CĐCH) Khái niệm về CĐCH Các hệ thống đo hiện đại cùng một lúc phục vụ một số lượng lớn các sensor mẳc vào một đầu vào. Các sensor có thể khác nhau về nguyên lý, hoặc nếu cùng một loại thi cũng khác nhau về giới hạn đo. Để hoà hợp giữa sensor và hệ thống đo cần phải chuẩn hoá tín hiệu ra của các sensor, tóc là biến đổi chúng thành một đại lượng vật lý duy nhất và một thang đo duy nhất. Thiết bị thực hiện nhiệm vụ này gọi là bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) (Transducer: TR). Các tin hiệu chuẩn hoá Cỏ nhiều dạng tín hiệu chuẩn hóa, tuy nhiên phồ biến nhất hiện nay là tín hiệu dòng và áp một chiều: - Dòng một chiều: 0 + 20 mA khi truyền ờ khoảng cách ngắn, 4 -T 20 mA khi phải truyền xa hơn. Ngoài ra còn có các chuẩn phụ: 0 + 1 0 mA ; - 5 Ỷ 0 -s- 5 mA; - 20 -r 0 -T 20 m. 74 - Điện áp một chiều: 0 -ỉ- 5 V là chuẩn thông thường khi đưa tới vi xử lý, 0 -5- 10 V là chuẩn để đưa vào các thiết bị đo, tự ghi. Ngoài ra còn có các chuẩn phụ: -100 0 -ỉ- 100 V; -1 4- 0 -ỉ-1 V; -10 -ỉ- 0 -T 10V. V ịtriđặtCĐ CH Giữa các sensor và hệ thống nhất thiết phải có CĐCH sao cho bất kỳ khoảng đo nào của các đại lượng vào thì cũng tương ứng với một giới hạn đo của CĐCH. Các CĐCH có thể phục vụ riêng cho từng sensor hoặc cho cả nhóm các sensor qua các bộ đổi nối nếu nhóm sensor cùng loại và cùng thang đo. Hình 5-9. Vị trí đặt CĐCH Các sensor khác chủng loại và khác thang đo thì mỗi sensor phải có một CĐCH. 5.3.2. Nhiệm vụ và cấu tạo cùa các chuyển đổi chuẩn hoá Nhiệm vụ của CĐCH to u = Hình 5-10. Vị trí đặt CĐCH 75 Chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ biến tín hiệu sau sensor thành tín hiệu dòng hoặc áp chuẩn hóa. - Nếu đặc tính của sensor là tuyến tính thì CĐCH làm nhiệm vụ biến đổi tỳ lệ. Xét một CĐCH như hình 5-10. Già sử tín hiệu vào x(t) biến thiên từ Xi đến x2; bắt buộc tín hiệu ở đầu ra y(t) phải biến thiên từ 0 đến Y (ví dụ áp đầu ra biến thiên từ 0 + 5 V). Phương trinh đầu ra sẽ là: y (t) = y0 + kx(t) (5-2) Ta cần xác định y0 và k. Thay các giá trị x(t) vào phương trinh (5.2) ta có: (5-3) X 1 Giải hệ phương trình (5.3) ta được kết quả: y0 = - Y ------— ;k = Y------ — X2 — X2 — Xị Thay các giá trị trên vào phương trinh (5-2) ta tìm được quan hệ vào/ra của CĐCH. - Nếu đặc tính cùa sensor là phi tuyến thì CĐCH phải thực hiện nhiệm vụ tuyến tính hoá đặc tính của sensor. Cẩu tạo của CĐCH Các CĐCH thường có tín hiệu ra là điện áp hoặc dòng một chiều và thường phải thực hiện theo hai bước: Bước 1: CĐCH làm nhiệm vụ trừ đi giá trị ban đầu X = Xi để có đầu ra y = 0. Bước 2: Khuếch đại hoặc suy giảm. - Chuyển đổi chuẩn hoá với đầu ra là điện áp một chiều. Thông thường một CĐCH bao giờ cũng đi liền với sensor, ta lấy một ví dụ: Với sensor là cặp nhiệt ngẫu thi ban đầu ứng với nhiệt độ đầu nối chung là Ti đã có sức điện động ban đầu: Eg = f (Tị - 10); trong đó to là nhiệt độ của đầu tự do. Như vậy, người ta thiết kế một mạch cầu đo có một nhánh là nhiệt điện trờ R,, còn các nhánh khác là các điện trờ mẫu có độ ổn định cao. Mạch cầu sẽ tạo ra một điện áp ngược - Uo để bù Eo. Như vậy ở nhiệt độ T], đầu vào của bộ khuếch đại có: AU = E0 - u 0 = 0 và u ra = 0. 76 Khi: tx — T2(max) thì Ura — Y Umax. Điện áp ra cùa cầu được tính toán tưomg ứng với các loại cặp nhiệt ngẫu khác nhau (P - P; c - A; c - K). Nếu CĐCH phụ trách cả một nhóm sensor thì hệ số cùa CĐCH phải được thay đổi cho từng sensor như hình 5-11. Việc thay đổi hệ số của CĐCH được thực hiện nhờ hệ số phản hồi p qua bộ đổi nối K2 làm việc đồng bộ với bộ đồi nối Mux 1. - Chuyển đổi chuẩn hoá vói tín hiệu ra là dòng một chiều Trong thực tế để truyền tín hiệu đi xa người ta thường sử dụng nguồn dòng, vì điện trớ trong của nguồn dòng rất lớn nên khi truyền tín hiệu dòng trên đường dây thì khi điện trờ đường dây thay đổi cũng không gây ảnh hưởng đáng kể đến kết quả của phép đo. Thực tế người ta hay sử dụng CĐCH với dòng là 4 + 20 mA. Trong đó 4 mA là để cung cấp cho mạch điện tử, còn 0 -H 16 mA là tín hiệu (Đây là tín hiệu chuẩn nguồn dòng hay sử dụng nhất, tuy nhiên người ta có thể sử dụng một vài chuẩn khác). Người ta sử dụng sự thay đổi của dòng nguồn cung cấp. Ngày nay người ta thường sử dụng nguồn dòng với sơ đồ dòng nguồn cung cấp cũng là dòng tín hiệu và gọi là sơ đồ hai dây (Trước đây thường sừ dụng sơ đồ bốn dây trong đó có hai dây nguồn và hai dây tín hiệu). 77 Sơ đồ khối của sơ đồ hai dây như hình 5-12. ồn áp r■, 4 mA 4-Ỉ-20 mA -------1 CĐCH Ị 0-H 16mA Hình 5-12. CĐCH với tin hiệu ra là dòng một chiều, sơ đồ hai dây Theo độ lớn của tín hiệu từ sensor, qua bộ CĐCH tín hiệu ở đầu ra cũng sẽ thay đổi (0 -ỉ-16 mA). Một nhánh qua ổn áp cung cấp dòng 4 mA cho mạch điện tử. Như vậy dòng tổng sẽ thay đồi từ 4 -4-20 mA. Ví dụ 5-3 Sơ đồ nguyên lý của một mạch lấy tín hiệu nhiệt độ bàng nhiệt lò cao điện trờ tại Nhà máy Ximăng Hoàng Thạch như sau (sơ đồ hình 5-13). Sensor là một nhiệt điện trờ được mắc vào cầu bốn nhánh. Tại đầu ra của cầu được đưa vào bộ biến đổi một chiều, xoay chiều sau đó tới bộ khuếch đại xoay chiều "để tránh trôi điểm không", tiếp theo qua khuếch đại tích phân để lại đưa về một chiều và điều khiển góc mớ của tranzitor (biến nguồn áp thành nguồn dòng 0*16 mA). Đồng thời một dòng điện 4 mA được đưa vào ồn áp sau đó cung cấp cho cầu và các mạch điện từ. Nguồn cung cấp là 24 V. ồn áp 4mA 0c0 -r 16mA0 4 -í- 20mA 24V i í Hình 5-13. Sơ đồ CĐCH loại TECON-2 ưu điểm: Sơ đồ hai dây có những ưu điểm sau: - Sử dụng nguồn dòng cho nên có thể truyền đi xa chính xác hơn. - Sử dụng ít đường dây nên kinh tế. 78