nghiên cứu, khai thác, điều khiển hệ thống động cơ sử dụng biến tần g120 phục vụ đào tạo tại trung tâm nhà máy thông minh HaUI

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI o0o - BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIẾN TẦN G120 PHỤC VỤ ĐÀO TẠO TẠI TRUNG TÂM NHÀ MÁY THÔNG MINH ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Giáo viên hướng dẫn : ThS Trần Anh Sơn Sinh viên thực hiện: Trần Cơng Lực 2018601438 Hồng Đình Thọ 2018600380 Trần Phúc Thiện 2018601435 Dương Văn Thức 2018600507 Hà Nội 2022 i LỜI MỞ ĐẦU Nước ta cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa để bước bắt kịp phát triển nước khu vực nước giới mặt kinh tế, kỹ thuật xã hội Trong đó, cơng nghiệp sản xuất đóng vai trị quan trọng việc phát triển mặt kể Và nhà máy sản xuất, hệ truyền động biến tần – động ứng dụng phổ biến, yếu tố vô quan trọng để tạo thành hệ thống tự động hóa Để bước đại hóa việc điều khiển chúng, việc sử dụng PLC Siemens S7-1500 giải pháp cải tiến đắn cho việc điều khiển Và điều khiển động qua biến tần PLC nội dung đồ án mà chúng em trình bày Trong trình thực đề tài, nhóm xin trân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Trần Anh Sơn tận tình giúp đỡ chúng em thực đề tài Do khả kiến thức hạn chế, kinh nghiệm thực tế cịn chưa nhiều, đề tài khơng tránh thiếu sót, nhóm mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy để đề tài hồn thiện Sinh viên thực đề tài: Trần Cơng Lực Hồng Đình Thọ Trần Phúc Thiện Dương Văn Thức ii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vii CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN G120 1.1 Các vấn đề đặt 1.2 Tổng quan đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIẾN TẦN G120 2.1 Tổng quan biến tần SINAMIC G120 2.2 Các đặc điểm biến tần G120 2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.3.1 Cấu tạo 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 10 2.3.3 Ứng dụng 12 2.3.4 Các đặc điểm khác biến tần 13 2.4 Cấu hình hệ thống Sinamics G120 17 2.5 Tổng quan truyền thông profinet biến tần Sinamics G120 31 2.6 Các chức điều khiển biến tần G120 34 iii CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIẾN TẦN G120 45 3.1 Thiết kế, lựa chọn hệ thống khí 45 3.1.1 Biến tần G120 45 3.1.2 Động điều khiển 52 3.1.3 PLC S7-1500 55 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 60 3.2.1 Phần mềm TIA PORTAL 60 3.2.2 Sơ đồ kết nối hệ thống 67 3.3 Lập trình, điều khiển động thơng qua biến tần G120 68 3.3.1 Tạo Project cấu hình thiết bị 68 3.3.2 Cài đặt Commissioning cho biến tần 71 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74 4.1 Kết đạt 74 4.2 Định hướng phát triển 85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Biến tần IG5A LS Hình 1.2: Một số ứng dụng biến tần Mitsubishi Hình 1.3: Phương pháp nghiên cứu Hình 2.1: PM-CU-BOP Hình 2.2: Sơ đồ phần cứng Hình 2.3: Màn hình Hình 2.4: Cấu tạo biến tần Hình 2.5: Công thức tốc độ động 10 Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện biến tần 11 Hình 2.7: Biến đổi điện áp/tần số qua biến tần 12 Hình 2.8: Một số module loại G 14 Hình 2.9: Cấu tạo biến tần 15 Hình 2.10: Module Line filter 15 Hình 2.11: Module Line reactor 15 Hình 2.12: Module Braking resistor 16 Hình 2.13: Output reactor 16 Hình 2.14: Sine wave filter 16 Hình 2.15: Cấu hình thiết bị 17 Hình 2.16: Mơ hình kết nối đơn trục 17 Hình 2.17: Mơ hình kết nối đa trục 18 Hình 2.18: Thành phần phụ 18 Hình 2.19: Các loại module 18 Hình 2.20: Basic line 19 Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc Basic Line module 20 Hình 2.22: Smart line 20 Hình 2.23: Sơ đồ cấu trúc Smart Line module 21 Hình 2.24: Active line 22 Hình 2.25: Sơ đồ cấu trúc Active Line module 23 v Hình 2.26: Active interface 23 Hình 2.27: Sơ đồ cấu trúc Active interface module 24 Hình 2.28: Single motor 24 Hình 2.29: Sơ đồ cấu trúc Single motor module 25 Hình 2.30: Sơ đồ cấu trúc Double motor module 26 Hình 2.31: Sơ đồ phần cứng chân tín hiệu CU 310-2 PN 29 Hình 3.1: Siemens 6SL3210-1PB13-8UL0 46 Hình 3.2: Sơ đồ chân 48 Hình 3.3: Kích thước biến tần 49 Hình 3.4: Sơ đồ khối biến tần, FSA…FSC 50 Hình 3.5: Sơ đồ kết nối mô-đun công suất PM 240-2, 200V/400V/690V 3AC, FSA…FSC 50 Hình 3.6: CU250S-2 PN Vector 51 Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển 52 Hình 3.8: Động cảm ứng 1LE1 52 Hình 3.9: PLC S7-1500 55 Hình 3.10: Phần mềm TIA Portal 58 Hình 3.11: CPU S7-1500 58 Hình 3.12: CPU 1516-3 PN/DP 59 Hình 3.13: Tạo project 60 Hình 4.1: Khai báo PLC S7-1500 với CARD IO……………………… 73 Hình 4.2: Thiết lập IP thiết lập PLC… ……………………… 73 Hình 4.3: Khai báo biến tần G120…………………………… …………… 74 Hình 4.4: Thiết lập địa IP cho biến tần…………………… …………….74 Hình 4.5: Kết nối PLC vơi biến tần…………………………… ………… 74 Hình 4.6: Assign device name……………………………………………….75 vi Hình 4.7: Thơng số động ……………………………………………… 75 Hình 4.8: Thiết lập biến tần G120……… …………………………… ….76 Hình 4.9: Điều khiển động chạy với tốc độ 100rpm với chiều thuận… 76 Hình 4.10: Quá trình tăng tốc động 76 Hình 4.11: Thơng số động chạy với tốc độ 100rpm (chiều thuận) hiển thị biến tần G120 77 Hình 4.12: Quá trình giảm tốc động 77 Hình 4.13: Minh họa động chạy theo chiều thuận động thực tế 78 Hình 4.14: Điều khiển động chạy với tốc độ 90rpm với chiều nghịch… 79 Hình 4.15: Quá trình tăng tốc động 79 Hình 4.16: Thơng số động chạy với tốc độ 90rpm (chiều nghịch) hiển thị biến tần G120 80 Hình 4.17: Quá trình giảm tốc động 80 Hình 4.18: Minh họa động quay theo chiều nghịch động thực tế .81 Hình 4.19: Đồ thị biểu thị trình khởi động động kết nối với biến tần .82 73 Để xem đầu vào có sẵn parameter → input/output 74 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết đạt ➢ Điều khiển, vận hành hệ thống ➢ Tìm hiểu làm việc với phần mềm TIA Portal ➢ Tìm hiểu điều khiển Simatic S7-1500 ➢ Tìm hiểu làm việc với biến tần G120 ➢ Kết đạt trình thiết lập điều khiển Hình 4.1: Khai báo PLC S7-1500 với CARD IO Hình 4.2: Thiết lập IP thiết lập PLC 75 Hình 4.3: Khai báo biến tần G120 Hình 4.4: Thiết lập địa IP cho biến tần 76 Hình 4.5: Kết nối PLC vơi biến tần Hình 4.6: Assign device name Hình 4.7: Thơng số động 77 Hình 4.8: Thiết lập biến tần G120 Hình 4.9: Điều khiển động chạy với tốc độ 100rpm với chiều thuận 78 Hình 4.10: Quá trình tăng tốc động Hình 4.11: Thơng số động chạy với tốc độ 100rpm (chiều thuận) hiển thị biến tần G120 79 Hình 4.12: Quá trình giảm tốc động Khi đó, ta thấy: • Dịng điện đầu 1,84(A) • Output voltage smoothed: ~22(V) • Output frequency smoothed: 3,3(Hz) 80 Hình 4.13: Minh họa động chạy theo chiều thuận động thực tế Hình 4.14: Điều khiển động chạy với tốc độ 90rpm với chiều nghịch 81 Hình 4.15: Quá trình tăng tốc động 82 Hình 4.16: Thơng số động chạy với tốc độ 90rpm (chiều nghịch) hiển thị biến tần G120 Hình 4.17: Quá trình giảm tốc động 83 Khi đó, ta thấy: • Dịng điện đầu 1,76(A) • Output voltage smoothed: ~21(V) • Output frequency smoothed: 3,0(Hz) Hình 4.18: Minh họa động quay theo chiều nghịch động thực tế 84 V0 Hình 4.19: Đồ thị biểu thị trình khởi động động kết nối với biến tần • Biến tần xuất điện áp ngõ tỷ lệ thuận với tần số Sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác • Một số ứng dụng quạt, bơm, băng tải, máy trộn, khối, • Khi Motor hoạt động có tải, hệ số trược lớn Chúng ta bù trượt để phương pháp điều khiển U/f xác • Tỉ lệ tần số điện áp chia theo dải: - Từ đến tần số khởi động 𝑓0 (vùng bù điện áp) - Từ tần số khởi động đến tần số định mức (vùng tuyến tính), đó: o U tỉ lệ thuận với f o Hàm số U có dạng U= af + b qua điểm A(𝑓0 , 𝑉0 ) B(𝑓𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 , 𝑉𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 ) - Tần số hoạt động (vùng giới hạn điện áp), đó: o U= const, f biến thiên o U= 𝑉𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 85 ➢ Điều khiển thành công động với phần mềm TIA Portal với số lựa chọn: - Thay đổi tốc độ động tùy ý - Động quay theo chiều thuận kim đồng hồ - Động quay theo chiều nghịch kim đồng hồ - Dừng tạm thời động 4.2 Định hướng phát triển Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ; làm việc, điều khiển giám sát từ xa dần trở nên phổ biến Do đó, việc điều khiển động pha biến tần G120 có số hướng phát triển như: - Điều khiển, giám sát từ xa thông qua thiết bị thông minh smart phone, bảng điều khiển cầm tay, - Mở rộng phạm vi công suất động mà biến tần điều khiển - Cải tiến biến tần để biến tần trở nên nhỏ gọn, đơn giản - Cải tiến phần mềm khiến việc điều khiển trở nên dễ dàng xảy sai sót 86 KẾT LUẬN Trong khoảng thời gian có hạn để hồn thành đồ án tốt nghiệp, có hạn chế không nhỏ mặt kiến thức nhờ nỗ lực tìm hiểu đề tài hướng dẫn giáo viên hướng dẫn – Thầy Trần Anh Sơn nên nhóm hồn thiện đề tài Trong q trình thực đề tài, nhóm tích lũy nhiều kiến thức, kinh nghiệm trình học tập nghiên cứu Với kiến thức tiếp cận liên quan đến PLC S7-1500, biến tần G120 đồ án hội tốt để ứng dụng kiến thức học vào với thực tế Tuy nhiên, có số lỗi phát sinh thực như: máy tính khơng tìm thấy địa IP biến tần, chọn nhầm thơng số động cơ, Trong q trình nghiên cứu làm đồ án giúp nhóm hiểu kĩ sở lý thuyết học từ năm trước liên kết chặt chẽ môn học, hiểu biết thêm nhiều thực tế Tuy nhiên hiểu biết kiến thức làm đồ án hạn chế, nên đồ án tránh khỏi thiếu sót, nhóm hy vọng nhận đánh giá, phản hồi, góp ý đóng góp thầy bạn để nhóm rút kinh nghiệm bổ sung, chỉnh sửa để đồ án hồn thiện Nhóm chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy giáo ThS Trần Anh Sơn hướng dẫn tận tình, giúp đỡ nhóm hồn thành đồ án 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]ESTEC AUTOMATION & DIGITALIZATION, Tài liệu đào tạo chuyển giao công nghệ biến tần SINAMICS G120 & S120, 2022 [2] PGS TS Ngô Văn Thuyên, KS Phạm Quang Huy, Lập Trình Với PLC S7 1200 & S7 1500, NXB Thanh Niên, 2019 [3] S Gulpanich, V Krongratana, A Srimuang, V Tipsuwanporn and N Wongvanich, "PLC-based industrial temperature controller with different response times," 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2017, pp 522-527 [4] W Alsabbagh and P Langendöerfer, "A New Injection Threat on S7-1500 PLCs - Disrupting the Physical Process Offline," in IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, vol 3, pp 146-162, 2022 [5]SIEMENS AG, SINAMICS G120 Brochure, 2017 [6]SIEMENS AG, SINAMICS G: Axis positioning with the SINA_POS block, 2017 [7]SIEMENS AG, SINAMICS Inverters for Single-Axis Drives Built-In Units, 2018 [8]SIEMENS AG, SINAMICS G120 Standard inverters 0.37 kW to 250 kW (0.5 hp to 400 hp), 2013 [9]SIEMENS AG, Training Curriculum: TIA Portal Module 013 Frequency converter G120 on PROFINET with SIMATIC S7-1500, 2017 ... đề tài “Nghiên cứu, khai thác, điều khiển hệ thống động sử dụng biến tần G120 phục vụ đào tạo trung tâm nhà máy thông minh Đại học cơng nghiệp Hà Nội” với mục đích điều khiển động cho làm hạn... cơ, điều khiển PLC, … CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BIẾN TẦN G120 2.1 Tổng quan biến tần SINAMIC G120 Biến tần SINAMIC G120 dòng sản phẩm biến tần thiết kế để điều khiển. .. hoạt động biến tần G120 Từ đó, ứng dụng vào hệ thống để đạt hiệu cao - Kiểm tra, giám sát ổn định hiệu làm việc hệ thống nhằm phục vụ đào tạo trung tâm nhà máy thông minh - Ứng dụng việc điều khiển