Điều khiển biến tần – HMI qua IO, dùng VĐK

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỰC TẬP VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO Đề tài 3 Điều khiển biến tần – HMI qua IO, dùng VĐK Giáo viên hướng dẫn Ngô Kim Long Sinh viên thực hiện MSSV Bùi Thị Diễm 119000265 Trần Trọng Bằng 119001097 Trịnh Phạm Minh Hải 119000081 Lớp 19TD111 Nhóm 4 Đồng Nai 112021 – MỤC LỤC https www slideshare netluanvan84bctntlvn 66pdf?qid=37f64f55 57a8 4642 87a5 a5f17e2a555dv=b=from search=2 https 123docz netdocument3119794 dieu khien do.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC THỰC TẬP VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO Đề tài 3: Điều khiển biến tần – HMI qua I/O, dùng VĐK Giáo viên hướng dẫn: Ngô Kim Long Sinh viên thực hiện: MSSV Bùi Thị Diễm 119000265 Trần Trọng Bằng 119001097 Trịnh Phạm Minh Hải 119000081 Lớp: 19TD111 Nhóm - Đồng Nai 11/2021 – MỤC LỤC https://www.slideshare.net/luanvan84/bctntlvn-66pdf?qid=37f64f55-57a8-4642-87a5a5f17e2a555d&v=&b=&from_search=2 https://123docz.net/document/3119794-dieu-khien-dong-co-ac-bang-vdk-pic-16f887-thong-quabien-tan-invt.htm https://hocvienagile.com/ikigai-la-gi/ https://skytechgroup.vn/bien-tan-hitachi-wj200-075lf/ https://app.diagrams.net/#G1yMiEXuXfx5TA_GE8HlxurxSW0iarF_b_ https://wiraelectrical.com/digital-i-o-analog-i-o/ https://bientan.wordpress.com/2011/08/29/truyen-thong-modbus-trong-bien-tan/ https://123docz.net/trich-doan/1324904-chuan-giao-thuc-tcp-ip.htm https://123docz.net//document/6602905-giao-thuc-modbus.htm http://ect.ictu.edu.vn/attachments/article/215/Mang%20may%20tinh%20cong%20nghiep-%20luu %20thi%20lieu.pdf https://123docz.net/document/2386203-bao-cao-do-an-mon-ghep-noi-may-tinh.htm Lời nói đầu Ngày ứng dụng mạng truyền thông để kết nối phổ biến Việc điều khiển giám sát thiết bị, cấu chấp hành ngày sử dụng nhiều nhà máy, xí nghiệp, dây chuyền sản xuất Điều khiển hệ thống máy tính giúp việc giám sát lưu giữ giá trị thuận tiện hơn, nhằm nâng cao suất lao động, đồng thời cắt giảm số lượng lao động Bên cạnh biến tần ứng dụng điều khiển tự động Sự đời biến tần bước tiến quan trọng, tối ưu hóa hệ thống, tiết kiệm chi phí, tiết kiệm khơng gian, điều khiển hệ thống với ứng dụng phức tạp Việc kết hợp biến tần vi điều khiển để điều khiển động không đồ pha ứng dụng thực tế trực quan cho ứng dụng công nghiệp Với giải pháp điều khiển biến tần thông qua I/O, giúp đọc tín hiệu từ biến tần lên phục vụ cho việc điều khiển giám sát hệ thống từ xa Và giúp có góc nhìn rõ hơn, mạng truyền thông công nghiệp CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Trên sở kiến thức học môn học vi điều khiển bản, thực tập trang bị điện, với hiểu biết lập trình, phần cứng, nhóm định thực đề tài: “Điều khiển biến tần – HMI qua I/O, dùng VĐK ” với mục đích để tìm hiểu thêm chuyển đổi liệu, đọc ghi liệu từ arduino, để điều khiển biến tần, giám sát hệ thống từ xa, nâng cao hiểu biết cho thân 1.2 Mục tiêu nguyên cứu - Hiểu tổng quan: phần cứng, chức năng, nguyên lý, biến tần, HMI, chuyển đổi liệu - Nghiên cứu, khảo sát trình thu thập liệu từ xa Đọc ghi liệu từ arduino điều khiển biến tần - Khảo sát việc điều khiển giám sát từ xa thông qua I/O 1.3 Nội dung phạm vi nghiên cứu Trong báo cáo nhóm cố gắng trình bày cách thật logic để người đọc dễ dàng nắm rõ kiến thức, phương thức cách thức hoạt động hệ thống Nội dung phạm vi nguyên cứu nhóm chia làm năm nội dung: ● NỘI DUNG 1: Tìm hiểu, nguyên cứu tài liệu liên quan đến giao thức I/O, tài liệu HMI Mitsubishi ● NỘI DUNG 2: Dựa liệu thu thập được, sâu vào nguyên lí làm việc hệ thống, tiến hành thực trình đấu nối phần cứng HMI + Arduino + Biến tần ● NỘI DUNG 3: Xây dựng lưu đồ giải thuật, thiết kế giao diện cho HMI (GT Designer 3) viết chương trình điều khiển cho hệ thống ● NỘI DUNG 4: Đọc liệu từ biến tần lên Arduino HMI Kiểm tra độ ổn định hệ thống ● NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực 1.4 Kết cần đạt Thành thạo việc điều khiển biến tần - HMI qua giao tiếp I/O, phát huy tính hữu hiệu cho dự án điều khiển, giám sát hệ thống từ xa Quản lý liệu đọc từ biến tần lên Arduino HMI để xử lý ứng dụng cho nhiều chức khác CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Định nghĩa Modbus Modbus giao thức hãng Modicon (sau thuộc AEG Schneider Automation) phát triển năm 1979 Theo mơ hình ISO/OSI Modbus thực chất chuẩn giao thức dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, thực chế vận chuyển cấp thấp TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus qua đường truyền nối tiếp RS – 232 Modbus định nghĩa tập hợp rộng dịch vụ phục vụ trao đổi liệu trình, liệu điều khiển liệu chẩn đoán Tất điều khiển Modicon sử dụng Modbus ngôn ngữ chung Modbus mô tả trình giao tiếp điều khiển với thiết bị khác thông qua chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh hệ PLC nhà sản xuất khác Cụ thể, PLC người ta tìm thấy tập hợp dịch vụ đưa Modbus Đặc biệt hệ thống thu thập liệu điều khiển giám sát (SCADA) 138 Modbus hay sử dụng đường truyền RS - 232 ghép nối thiết bị liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền liệu (Modem) Hình 2.1 - Quá trình làm việc mạng Modbus (1-yêu cầu, 2-quá trình, 3-trả lời) 2.2 Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thơng cấp thấp Cụ thể, phân chia hai loại mạng Modbus chuẩn Modbus mạng khác (Ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP) 2.2.1 Mạng Modbus chuẩn Các trạm Modbus giao tiếp với qua chế chủ/tớ (Master/Slave), thiết bị chủ chủ động gửi u cầu, cịn thiết bị tớ đáp ứng liệu trả lại thực hành động định theo yêu cầu Các thiết bị chủ thông thường máy tính điều khiển trung tâm thiết bị lập trình, thiết bị tớ PLC điều khiển số chuyên dụng khác 2.2.2 Modbus mạng khác Modbus Plus MAP sử dụng Modbus giao thức cho lớp ứng dụng, thiết bị giao chế riêng mạng Ví dụ giao tiếp tay đôi (Peer to - Peer), điều khiển đóng vai trị chủ tớ lần giao dịch khác 2.2.3 Chu trình yêu cầu - đáp ứng Hình 2.2 – Chu trình yêu cầu - đáp ứng Modbus - Một thông báo yêu cầu bao gồm phần sau:  Địa trạm nhận yêu cầu (0 -247) địa gửi đồng loạt  Mã hàm gọi thị hành động trạm tớ cần thực theo yêu cầu Ví dụ, mã hàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung ghi lưu trả lại kết  Dữ liệu chứa thông tin bổ sung trạm tớ cần cho việc thực hàm gọi Trong trường hợp đọc ghi, liệu rõ ghi số lượng ghi cần đọc  Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn nội dung thông báo nhận 2.3 Chế độ truyền Hiện nay, có 03 chuẩn modbus sử dụng phổ biến: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP Đối với thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn, sử dụng hai chế độ truyền ASCII RTU Người sử dụng lựa chọn chế độ theo ý muốn 2.3.1 Chế độ ASCII Khi thiết bị mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII (American Standard Code for Information Interchange), byte thông báo gửi thành hai ký tự ASCII bit, ký tự biểu diễn chữ số hex - Mỗi ký tự khung bao gồm:  bit khởi đầu (Starbit)  bit biểu diễn chữ số hex byte cần gửi dạng ký tự ASCII (0 – A - F) bit thấp gửi trước  bit parity chẵn/lẻ, sử dụng parity  bit kết thúc (Stopbit) sử dụng parity bit kết thúc không sử dụng parity 2.3.1.1 Khung ASCII Bảng – Khung thông báo Modbus chế độ ASCII Khởi đầu Địa Mã hàm Dữ liệu Mã LCR ký tự ký tự ký tự n ký tự ký tự END ký tự CR+LF 2.3.1.2 Kết nối thiết bị Modbus Cách đơn giản để đưa thiết bị trường vào hệ thống điều khiển trình, kết nối I/O analog số thành hệ thống I/O phân tán mang tính truyền thơng Modbus Hình – Truyền thơng Modbus biến tần 2.3.1.3 Ưu nhược điểm Ưu điểm chế độ truyền cho phép khoảng thời gian trống tối đa giây hai ký tự mà không gây lỗi Nhược điểm Modbus ASCII chậm số loại protocol 2.3.2 Chế độ RTU Modbus RTU giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 RS485 mơ hình dạng Master-Slave Đây giao thức sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực BMS (Building Management Systems), tự động hóa, cơng nghiệp, điện lực, Khi thiết bị mạng Modbus chuẩn đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit), byte thông báo gửi thành ký tự bit Mỗi ký tự khung bao gồm:  bit khởi đầu (Start bit)  bit byte thơng báo cần gửi, bit thấp gửi trước  bit parity chẵn/lẻ sử dụng parity  bit kết thúc (stop bit) sử dụng parity bit kết thúc không sử dụng parity 2.3.2.1 Khung RTU Bảng – Khung thông báo Modbus chế độ RTU Cấu trúc khung truyền RTU Một khung truyền Modbus RTU bao gồm: byte địa - byte mã hàm - n byte liệu - byte CRC Hình - Cấu trúc khung truyền RTU Chức vai trò:  Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa nhận liệu (đối với Slave) liệu nhận từ địa (đối với Master) Địa quy định từ - 254  Byte mã hàm: quy định từ Master, xác định yêu cầu liệu từ thiết bị Slave Ví dụ mã 01: đọc liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi liệu bit vào Slave, 15: ghi liệu nhiều bit vào Slave  Byte liệu: xác định liệu trao đổi Master Slave Đọc liệu: o  Master: byte địa liệu - byte độ dài liệu  Slave: byte địa liệu - byte độ dài liệu - n byte liệu đọc Ghi liệu: o Master: byte địa liệu - byte độ dài liệu - n byte  liệu cần ghi   Slave: byte địa liệu - byte độ dài liệu Byte CRC: byte kiểm tra lỗi hàm truyền cách tính giá trị Byte CRC 16 Bit 2.3.2.2 Cáp mạng module chuẩn RTU Giao thức Modbus RTU giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS232 RS485 mơ hình dạng Master-Slave Đây giao thức sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực BMS (Building Management Systems), tự động hóa, cơng nghiệp, điện lực,  Chuẩn RS232: RS-232 hay gọi với tên khác cổng COM thường sử dụng máy tính để bàn tất chúng sử dụng cổng truyền thông theo tiêu chuẩn RS232 để kết nối với thiết bị máy in hay loại máy fax,…RS232 sử dụng dây bao gồm: Tx (truyền tín hiệu), Rx (nhận tín hiệu) GND (đất) Chúng hoạt động dựa thị chênh lệch áp TX, RX GND Hình 2.5 - Đầu cáp DP9 chuẩn RS232 - Ưu điểm: + Khoảng cách truyền tối đa lên đến 15m + Tốc độ truyền 20Kbps + Có hỗ trợ kết nối điểm – điểm mạng - Nhược điểm: + Không thể truyền xa mát tín hiệu khơng có khả phục hồi lại + Việc kết nối thiết bị theo chuẩn RS232 thực phạm vi thiết bị mà nên hạn chế ta dùng đến nhiều thiết bị  Chuẩn dây RS485: RS-485 chuẩn EIA đưa mà có khả truyền thơng đa điểm thực dùng đường dẫn chung nhất, gọi bus Chính mà dùng làm chuẩn cho lớp vật lý đa số hệ thống bus thời Cấu hình phổ biến sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, minh họa hình Trong trường hợp này, hệ thống làm việc với chế độ hai chiều gián đoạn (half-duplex) trạm nhận quyền bình đẳng việc truy nhập đường dẫn Chú ý đường dẫn kết thúc hai trở hai đầu không phép đường dây Vì mục đích đơn giản, dây đất không vẽ đây, nhiên thực tế việc nối dây đất cần thiết Hình 2.6 - Cấu hình mạng sử dụng dây RS485  Chuẩn dây RS485: Một mạng RS485 nối theo kiểu dây, hình mơ tả Một trạm chủ (master) đóng vai trị điều khiển toàn giao tiếp trạm kể việc truy nhập đường dẫn Các trạm tớ (slave) liên hệ trực tiếp mà phải qua trạm chủ Trạm chủ phát tín hiệu yêu cầu trạm tớ có trách nhiệm đáp ứng Vấn đề kiểm sốt thâm nhập đường dẫn việc khống chế trạm tớ không trả lời lúc Với cấu hình này, việc truyền thơng thực chế độ hai chiều toàn phần (full-duplex), phù hợp với ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải thông tin cao, nhiên phải trả giá cho hai đường dây bổ sung Hình 2.7 - Cấu hình mạng sử dụng dây RS485  Đầu nối RJ45: RJ45 tên gọi tắt loại dây cáp cấu tạo dây nhỏ chia làm cặp với màu sắc khác cịn có tên gọi khác dây cáp mạng Đầu nối cáp mạng RJ45 loại connector dùng để kết nối đầu cáp mạng cho phép người sử dụng đấu nối dài cáp mạng để kết nối mạng LAN khơng gian rộng Hình 2.8 - Đầu nối chuẩn RJ45 sử dụng mạng Modbus RTU  Module: Module UART TTL to RS485 sử dụng để chuyển đổi tín hiệu Serial TTL (5V) sang giao tiếp RS485 sử dụng IC MAX485 Half-Duplex Maxim Mạch sử dụng IC MAX485 cho tốc độ truyền tải tối đa lên đến 2Mbps.Module giúp cho việc truyền liệu xa đến 1KM sử dụng mơi trường nhiễu cao, môi trường công nghiệp Trong mạng RS485 thời điểm có thiết bị truyền Điều gần tương tự dạng giao tiếp khác Tức sau truyền liệu xong cho module, đóng cửa, sau mở cửa giao tiếp với module khác Hình 2.9 Module UART TTL to RS485 Board TTL (mạch chuyển giao tiếp RS485) + Chipset FTDI FT232RL + Giao tiếp kết nối USB 2.0 + Sử dụng cho thiết bị lập trình, điều khiển, tự động hố, thiết bị cơng nghiệp + Tương thích với nhiều hệ điều hành: Windows dạng + Bảo vệ cách ly: 1500VDC ngắn mạch + Công suất đầu ra: 5V/3.3V + Cấp độ TTL: 5V/3.3V + Tốc độ: Max 1Mbps 2.4 Biến tần Hitachi WJ200 Biến tần thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên động thơng qua điều khiển tốc độ động cách vô cấp, không cần dùng đến hộp số khí Biến tần sử dụng linh kiện bán dẫn để đóng ngắt dòng điện đặt vào cuộn dây động để làm sinh từ trường xoay làm quay động Biến tần Hitachi WJ200 thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian, dễ dàng lắp đặt, thông số cài đặt thân thiện với người dùng Thiết kế hình thuận lợi cho việc quan sát, tích hợp sẵn cổng RS 485 với giao thức truyền thông Modbus RTU Kết nối máy tính để giám sát q trình hoạt động cài đặt thông số cho biến tần Hình 2.10 - Biến tần Hitachi WJ200 2.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động biến tần  Cấu tạo biến tần: Bên biến tần phận có chức nhận điện áp đầu vào có tần số cố định để biến đổi thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động Các phận biến tần bao gồm chỉnh lưu, lọc, nghịch lưu IGBT, mạch điều khiển Ngồi biến tần tích hợp thêm số phận khác như: điện kháng xoay chiều, điện kháng chiều, điện trở hãm, bàn phím, hình hiển thị, module truyền thơng, Hình 2.7 : Cấu tạo biến tần (Sơ đồ mạch điện biến tần)  Nguyên lý hoạt động biến tần: + Đầu tiên, nguồn điện pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Điện đầu vào pha pha, mức điện áp tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz) + Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Mới đầu, điện áp chiều tạo lưu trữ giàn tụ điện Tiếp theo, thơng qua q trình tự kích hoạt thích hợp, biến đổi IGBT (viết tắt tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống công tắc bật tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu biến tần) tạo điện áp xoay chiều pha phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Hình 2.8 - Hình ảnh biến đổi tần số điện áp qua biến tần 2.4.2 Chức biến tần Biến tần có tác dụng sau: Bảo vệ động cơ, giảm hao mịn khí, tiết kiệm điện, nâng cao suất, đáp ứng yêu cầu cơng nghệ Bảo vệ động cơ: Biến tần thay đổi tốc độ động dễ dàng, dịng khởi động động khơng vượt 1,5 lần so với dòng khởi động truyền thống - tam giác, 4~6 lần dòng định mức Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ dòng, bảo vệ cao áp thấp áp, tạo hệ thống an toàn vận hành + Giảm hao mịn khí: Biến tần giúp q trình khởi động từ tốc độ thấp giúp cho động mang tải lớn khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động + Tiết kiệm điện: Nhờ dễ dàng thay đổi tốc độ biến tần tiết kiệm điện cho tải thường không cần phải chạy hết công suất Giúp tiết kiệm điện 20-30 phần trăm so với hệ thống khởi động truyền thống + Nâng cao suất, chất lượng sản phẩm: Biến tần chạy nhanh hơn, thơng thường 54-60Hz, bình thường 1500v/p với 50Hz, có biến tần 1800v/p với 60Hz, giúp tăng sản lượng đầu cho máy, tăng tốc độ cho quạt thơng gió + Đáp ứng yêu cầu công nghệ: Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode tụ điện nên hệ số cosphi đạt 0.96, cơng suất phản kháng từ động thấp, gần bỏ qua, giảm dịng đáng kể q trình hoạt động, giảm chi phí lắp đặt tủ tụ bù, giảm thiểu hao hụt đường dây 2.4.3 Cấu hình biến tần Hình - Giao diện cấu hình biến tần + Cấu hình biến tần dạng on/off Hình 2.9 - Cấu hình biến tần dạng ON/OFF Bảng - Bảng - + Cấu hình biến tần chạy đa cấp tốc độ Bảng 2.11 - Cấu hình biến tần chạy đa cấp tốc độ + Cấu hình biến tần chạy chế độ modbus RTU 2.4.4 Đấu dây biến tần + Đấu dây biến tần chạy thuận nghịch Hình - Đấu dây biến tần chạy thuận nghịch + Đấu dây biến tần chạy đa cấp tốc độ Hình - Đấu dây biến tần chạy đa cấp tốc độ + Đấu dây biến tần chạy chế độ Modbus ... hợp biến tần vi điều khiển để điều khiển động không đồ pha ứng dụng thực tế trực quan cho ứng dụng công nghiệp Với giải pháp điều khiển biến tần thông qua I/O, giúp đọc tín hiệu từ biến tần lên... cứng, nhóm định thực đề tài: ? ?Điều khiển biến tần – HMI qua I/O, dùng VĐK ” với mục đích để tìm hiểu thêm chuyển đổi liệu, đọc ghi liệu từ arduino, để điều khiển biến tần, giám sát hệ thống từ xa,... số cho biến tần Hình 2.10 - Biến tần Hitachi WJ200 2.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động biến tần  Cấu tạo biến tần: Bên biến tần phận có chức nhận điện áp đầu vào có tần số cố định để biến đổi