Trang 8 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài “Chẩn đoán lỗi cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ” đề xuất giải pháp giám sát và chẩn đoán lỗi cho hệ thống điều khiển dựa vào bộ điều khiển PLC nhằm c
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về PLC
2.1.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động của PLC
PLC là một từ viết tắt của programmable logic controller, đây là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình
Hình 2-1 Nguyên lý hoạt động của PLC Các PLC sẽ có nguyên lý vận hành như sau: Sau khi nhận tín hiệu từ máy tính và các tín hiệu đầu vào, CPU sẽ điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ
2.1.2 Các phương thức điều khiển chính của PLC Điều khiển logic:
- Chức năng điều khiển rơ le
- Điều khiển tự động, bán tự động, bằng tay các máy và các quá trình
- Thay cho các panel điều khiển và các mạch in Điều khiển liên tục:
- Điều khiển liên tục nhiệt độ áp suất lưu lượng…
- Điều khiển động cơ chấp hành, động cơ bước
- Điều khiển động cơ chấp hành, động cơ bước
- Khối đầu vào thêm các khâu cảm biến tương tự (analog), chiết áp…
- Khối đầu ra có thêm các thiết bị tương tự như biến tần, động cơ Servo, động cơ bước…
- Khối điều khiển thêm các khâu biến đổi A/D, D/A…
- Thực hiện các phép toán số học và logic Điều khiển tổng thể:
- Ghép nối mạng tự động hóa
- Điều hành quá trình và báo động
- Điều khiển tổng thể quá trình- nghĩa là điều khiển một quá trình trong mối liên hệ với các quá trình khác
- Tín hiệu vào và ra còn có thêm thông tin.
Giới thiệu về bộ điều khiển PID và ứng dụng
2.2.1 Khái niệm về PID Đây là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển trong các hệ thống điều khiển công nghiệp mà hiện nay được sử dụng rất rộng rãi Bộ điều khiển này được đưa vào sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín hay các hệ thống có tín hiệu phản hồi
P trong Proportional - Để chỉ đến một phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, thông qua đó tạo ra một tín hiệu thông báo về điều chỉnh tỷ lệ so với sai lệch đầu vào theo thời gian tiến hành lấy mẫu
I trong Integral - Nó là sự phân tích đối với các sai lệch theo thời gian lấy mẫu Để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về mức 0 thì cần sử dụng phương pháp điều khiển tích phân Từ đó mà người dùng có thể dễ dàng biết được tổng sai số tức thời tính theo thời gian hay chính là sai số tích lũy được trong quá khứ Điều chỉnh phân tích càng mạnh khi thời gian tác động thể hiện càng nhỏ, tương ứng với đó là độ lệch cùng nhỏ theo
D trong Derivative - Có nghĩa là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân sẽ có nhiệm vụ trong việc tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để có thể cho tỷ lệ phù hợp nhất với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Vấn đề vi phạm điều chỉnh vi phân càng mạnh khi thời gian càng lớn và tương ứng với bộ điều chỉnh để đáp ứng cho thay đổi đầu
2.2.2 Các khâu hiệu chỉnh PID
PID được tạo nên bởi 3 khâu theo công thức như sau:
Trong đó, P(out), I(out) và D(out) chính là các thành phần đầu ra của ba khâu điều chỉnh PID
Hình 2-2 Khâu điều chỉnh PID
Khâu tỷ lệ chính là độ lợi và công năng của nó chính là làm thay đổi giá trị đầu ra và có có tỷ lệ với giá trị sai số Để đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ, chúng có thể điều chỉnh độ lợi này bằng cách nhân sai số với một hằng số Kp - hệ số tỉ lệ Khi đó khâu tỉ lệ sẽ được tính với công thức như sau:
- P(out) là thừa số tỉ lệ của đầu ra
- Kp là hệ số tỉ lệ hay thông số điều chỉnh
- e là sai số và được tính bằng SP - PV
- t là thời gian hay chính là khoảng thời gian tức thời
Khâu tích phân hay reset có tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số và quãng thời gian xảy ra sai số đó Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta thấy được tích lũy bù đã được hiệu chỉnh tước đó như thế nào Sau đó thì tích lũy sai số sẽ được đem nhân với độ lợi tích phân và cộng thêm tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID Biên độ phân phối trong khâu phân tích này sẽ được xác định bởi độ lợi tích phân ký hiệu là Ki
Trong công thức tính ở trên:
- I(out) là thừa số tích phân đầu ra
- Ki là độ lợi tích phân, nó chính là một thông số điều chỉnh
- t là thời gian hoặc thời gian tức thời
- dt là một biến tích phân trung gian
2.2.2.3 Khâu vi phân Để tính tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình ta dùng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian Hiểu đơn giản tức là xác định đạo hàm theo một bậc thời gian cụ thể và sau đó sẽ đem nhân chúng với độ lợi tỉ lệ K d Biên độ phân khối của khâu vi phân được tính bằng tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ vi phân K d Khi đó công thức tính thừa số vi phân như sau:
Trong công thức trên, các đại lượng được biểu thị như sau:
- D(out) là thừa số vi phân của đầu ra
- Kd là độ lợi vi phân, nó chính là một thông số điều chỉnh
- t là thời gian hoặc thời gian tức thời
Dạng điều khiển PID lý tưởng và tiêu chuẩn: Dạng chuẩn chính là bộ điều chỉnh thích hợp nhất để điều chỉnh các thuật toán của PID Trong dạng điều khiển này thì độ lợi K p được dùng trong khâu I(out) và D(out)
Dạng LaPlace của hệ thống điều chỉnh PI: Đây là sạng sử dụng bộ PID có dạng PaLace, cùng với hàm truyền của một hệ thống điều khiển Thông qua đó giúp xác định hàm truyền trong vòng kín của hệ thống PID một cách dễ dàng và đơn giản hơn
Dạng tương hỗ hay tiếp nối: Đây là loại bao gồm toàn bộ những hệ thống điều khiển PI, PD được nối nối tiếp với nhau Thông qua đó mà các bộ điều khiển kỹ thuật số thời đầu được dễ dàng sử dụng hơn cho người dùng Tuy nhiên, về sau các sản phẩm chỉ kế thừa chúng và cho ra loại sử dụng dưới dạng tương hỗ cho nhau
Dạng rời rạc hóa trong PID: Đây chính là dạng một số bộ PID Control kỹ thuật số được gắn trên một vi điều khiển MCU hoặc gắn trên thiết bị FPGA và nó thường được yêu cầu sử dụng dưới dạng chuẩn nhưng phải được rời rạc hóa Dựa vào biểu đồ thời gian mẫu mà khâu phân tích sẽ được rời rạc hóa ra
2.2.4 Cách điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID Điều chỉnh PID là điều không hề đơn giản và dễ dàng Ngay cả trong trường hợp có đầy đủ cả 3 thông số thì việc điều chỉnh thông số cũng khá khó khăn Tuy nhiên không phải không có cách mà phương pháp dùng để điều chỉnh sẽ rất phức tạp Để thay đổi các thông số cho bộ điều khiển PID, chúng ta nên lưu ý những vấn đề như sau:
- Phải xác định thông số nào cần cải thiện
- Thành phần K p để cải thiện thời gian đáp ứng
- Thành phần K d để giảm độ vọt lố
- Thành phần K i để triệt tiêu sai số xác lập
- Điều chỉnh K p , K d , K i cho đến khi đáp ứng các thông số yêu cầu
2.2.5 Ứng dụng và lợi ích của bộ điều khiển PID
Hiện nay, bộ điều khiển PID được đưa vào ứng dụng và dùng trong rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau Nó có thể được đưa vào để dùng giảm các sai số hoặc hạn chế sự dao động hay làm giảm đi thời gian xác lập và độ vọt lố, Cụ thể ứng dụng của nó như sau:
- PID được đưa vào sử dụng để điều khiển mức nước: Nhờ có bộ điều khiển PID mà việc tự động hóa cho các thiết bị điện tử với van điều khiển, cảm biến được nhạy và hoạt động hiệu quả hơn
- PID được ứng dụng để điều khiển biến tần: Các thiết bị điện tử kết hợp với bộ điều khiển PID như van điều khiển lưu lượng, biến tần điều khiển, cảm biến nhiệt độ,
- PID được dùng để kiểm soát đối với lưu lượng nước bằng cảm biến qua đường ống
Giao thức Modbus RTU và ứng dụng
2.3.1 Khái niệm chung về giao thức Modbus
Modbus là một chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp được phát triển bởi Modicon (nay thuộc về Schneider Electric) vào năm 1979, được dùng để giao tiếp các thiết bị với nhau trong hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion) Modbus trở thành một chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn vì nó có độ ổn định cao, miễn phí, đơn giản và dễ sử dụng
Giao thức Modbus được chia thành nhiều loại như Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP/IP Mỗi loại sẽ thích hợp cho từng ứng dụng riêng Điểm chung của các giao thức này đều dựa trên nguyên tắc Master – Slave, khi thiết bị Master gửi yêu cầu tới thiết bị Slave thì thiết bị đó mới phản hồi Tất cả các thiết bị sẽ được kết nối chung với nhau trên một đường truyền
Hình 2-3 Nguyên tắc Master-Slave của giao thức Modbus
Giao thức Modbus RTU là một giao thức truyền thông nối tiếp, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự động hóa, công nghiệp, điện lực,
Trong một mạng giao tiếp các thiết bị sử dụng giao thức Modbus RTU, các cảm biến hoặc các cơ cấu chấp hành thường đảm nhiệm vai trò là Slave; Các thiết bị như máy tính, PLC, vi điều khiển, thiết bị HMI,… có thể là các thiết bị Master, nhưng đôi khi chúng cũng có thể đóng vai trò là các Slave
Hình 2-4 Mạng giao tiếp của Modbus RTU Khung truyền của giao thức Modbus RTU xây dựng trên giao thức truyền thông nối tiếp UART Giao thức UART cũng là một giao thức truyền thông nối tiếp, được sử dụng trong vi điều khiển, nó định nghĩa cấu tạo của một gói tin để gửi một byte sẽ gửi các bit như thế nào Và nội dung của các tin nhắn Modbus được xây dựng bằng nhiều gói tin ghép
Hình 2-5 Cấu tạo một packet của giao thức UART
Trong mô hình OSI, Modbus RTU là một giao thức ở lớp ứng dụng (Application Layer) nên nó cần lớp vật lý (Physical Layer) phía dưới để kết nối với các thiết bị khác Đường truyền vật lý chuẩn RS232 và RS485 được sử dụng ở cho giao thức này
Hình 2-6 Các lớp giao thức Modbus RTU
Trong khi đó, tín hiệu của giao thức UART sử dụng trong vi điều khiển dùng chuẩn TTL hoặc chuẩn CMOS Vì vậy, khi ta muốn sử dụng vi điều khiển để giao tiếp với các thiết bị sử dụng giao thức Modbus RTU thì chúng ta cần có các mạch chuyển đổi TTL/CMOS-RS232 hoặc TTL/CMOS-RS485
2.3.3 Đường truyền vật lý RS485
RS485 là một đường truyền tương tự như RS232 Tuy nhiên, do có một số đặc tính nổi trội hơn RS232 nên giao thức Modbus RTU chủ yếu sử dụng đường truyền RS485 Nó có một số đặc điểm sau:
- Được sử dụng với các mạng đa điểm, kết nối được nhiều thiết bị Master và nhiều thiết bị Slave
- Có 2 chế độ truyền: chế độ truyền half-duplex chỉ một cặp dây đối xứng A- B; chế độ truyền full-duplex cần 2 cặp dây A-B, X-Y
- Giao thức Modbus sử dụng chế độ truyền half-duplex, chỉ cho phép một thiết bị trong mạng truyền dữ liệu trong một thời điểm
- Các dây tín hiệu được xoắn lại với nhau nên nếu có nhiễu tác động thì sẽ xảy ra đồng thời trên các dây Đồng thời nó sử dụng hệ thống truyền dẫn cân bằng nên điện áp giữa 2 dây sẽ ngược nhau và mức logic sẽ được xác định dựa trên điện áp chênh lệch giữa các cặp dây (ví dụ A và B) nên khả năng chống nhiễu tốt
- Mức logic 1 tương ứng với điện áp chênh lệch giữa 2 dây Uab = Ua -Ub > +200mV Còn mức logic 0 thì điện áp Uab < -200mV Điện áp nằm trong khoảng -200mV < Uab < +200mV là phạm vi không được xác định
- Chiều dài tối đa của dây dẫn truyền là 1200m, tốc độ truyền dữ liệu thường từ 9600 đến 115200 bps Tốc độ càng cao thì chiều dài dây càng phải ngắn lại
- Có điện trở đầu cuối RT được đặt ở hai đầu của đường truyền, giá trị điện trở đầu cuối phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây sẽ giảm thiểu nhiễu xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền
- Điện áp chênh lệch của 2 thiết bị giao tiếp với với nhau chỉ được chênh lệch trong khoảng từ -7V đến +12V Vậy nên GND của các thiết bị nên được kết nối với nhau trên cùng một đường truyền để đảm bảo tín hiệu được ổn định
Trên thị trường có một số module hỗ trợ để vi điều khiển có thể kết nối được các thiết bị sử dụng chuẩn RS485 sử dụng IC thông dụng như MAX485, SN65HVD485E…
Cấu trúc mạng CNN
Convolutional Neural Network (CNNs – Mạng nơ-ron tích chập) là một trong những mô hình Deep Learning tiên tiến Nó giúp cho chúng ta xây dựng được những hệ thống thông minh với độ chính xác cao Hiện nay, CNN được ứng dụng rất nhiều trong những bài toán nhận dạng object trong ảnh
Mạng CNN là một trong những tập hợp của lớp Convolution bị chồng lên nhau và sử dụng các hàm nonlinear activation như ReLU và tanh để kích hoạt trọng số trong node Lớp này sau khi thông qua hàm thì sẽ được trọng số trong các node Những lớp này sau khi đã thông qua hàm kích hoạt thì có thể tạo ra những thông tin trừu tượng hơn cho những lớp tiếp theo
Trong mô hình CNN có tính bất biến và tính kết hợp Nếu như chúng ta có cùng một đối tượng mà lại chiếu theo nhiều góc độ khác nhau thì độ chính xác có thể sẽ bị ảnh hưởng Với chuyển dịch, quay và co giãn thì pooling layer sẽ được sử dụng để giúp làm bất biến những tính chất này Vì vậy, CNN sẽ đưa ra kết quả có độ chính xác tương ứng ở từng mô hình
Trong đó, pooling layer sẽ cho bạn tính bất biến đối với phép dịch chuyển, phép co dãn và phép quay Còn tính kết hợp cục bộ sẽ cho bạn thấy những cấp độ biểu diễn, thông tin từ thấp đến mức độ cao với độ trừu tượng thông qua convolution từ các filter Mô hình CNN có các layer liên kết được với nhau dựa vào cơ chế convolution
Những layer tiếp theo sẽ là kết quả từ những convolution từ layer trước đó, vì thế mà bạn sẽ có các kết nối cục bộ phù hợp nhất Vậy, mỗi neuron ở lớp sinh ra tiếp theo từ kết quả filter sẽ áp đặt lên vùng ảnh cục bộ của một neuron có trước đó Trong khi huấn luyện mạng, CNN sẽ tự động học hỏi các giá trị thông qua lớp filter dựa vào cách thức mà người dùng thực hiện
Cấu trúc cơ bản của CNN thường bao gồm 3 phần chính là:
- Local receptive field (trường cục bộ): Lớp này có nhiệm vụ tách lọc dữ liệu, thông tin ảnh và lựa chọn các vùng ảnh có giá trị sử dụng cao nhất
- Shared weights and bias (trọng số chia sẻ): Lớp này giúp làm giảm tối đa lượng tham số có tác dụng chính của yếu tố này trong mạng CNN Trong mỗi convolution sẽ có các feature map khác nhau và mỗi feature lại có khả năng giúp detect một vài feature trong ảnh
- Pooling layer (lớp tổng hợp): Pooling layer là lớp cuối cùng và có tác dụng làm đơn giản các thông tin đầu ra Có nghĩa là, sau khi đã hoàn tất tính toán và quét qua các lớp thì đến pooling layer để lược bớt các thông tin không cần thiết Từ đó, cho ra kết quả theo như ý mà người dùng mong muốn
2.4.3 Các lớp cơ bản của mạng CNN
Hình 2-8 Cấu trúc mạng 1D-CNN đơn giản phát hiện xâm nhập mạng
2.4.3.1 Convolutional layer Đây là lớp quan trọng nhất của CNN, lớp này có nhiệm vụ thực hiện mọi tính toán Những yếu tố quan trọng của một convolutional layer ở cấu trúc mạng CNN là: strides, padding, kernel_size, filters Đối với cấu trúc mạng CNN trong Hình 2-8 thì lớp Convolution có (strides=1, kernel_size=5, filters2):
- CNN model này sử dụng các filter ở lớp Convolution là 32 Bên trong các filter map là các con số và chúng là parameter
- Stride có nghĩa là khi bạn dịch chuyển filter map từ trên xuống dưới theo pixel dựa vào giá trị của nó, ở đây stride=1
- Kernel_size=5 là kích thước của filter map Đối với Convolution 1D, kernel_size chỉ quan tâm đến số hàng, còn số cột thì tương ứng với số cột của input Sau khi qua lớp Convolution thì tạo ra Feature map có kích thước 37x1x32, nó thể hiện kết quả của mỗi lần filter map quét qua (tích chập với) input (42x1)
Khi đầu vào quá lớn, những lớp pooling layer sẽ được xếp vào giữa những lớp convolutional layer để làm giảm parameter nhưng vẫn giữ được độ đặc trưng của ảnh Hiện nay, pooling layer có 2 loại chủ yếu là: max pooling và average Ở model này, sử dụng max pooling có kernel_size=2 và strides=1 Sau khi dữ liệu qua lớp max pooling thì có kích thước 36x1x32 do strides=1 nên kích thước sẽ giảm xuống
Với lớp flatten, lớp này giúp kết nối lớp max pooling với lớp fully connected Sau khi dữ liệu được truуền qua conᴠolutional laуer ᴠà pooling laуer thì model đã học được tương đối các đặc điểm của dữ liệu thì tenѕor của output của laуer cuối cùng ѕẽ được là phẳng thành ᴠector ᴠà đưa ᴠào lớp fully connected được kết nối như một mạng nơ-ron Trong model trên, lớp flatten sẽ là phẳng dữ liệu thành vector
Với lớp fully connected, lớp này có nhiệm vụ đưa ra kết quả sau khi lớp convolutional layer và pooling layer đã nhận được dữ liệu Lúc này, ta thu được kết quả là model đã đọc được thông tin của dữ liệu có kích thước 256x1
Sau khi đi qua lớp fully connected, lớp cuối cùng sử dụng chức năng của hàm kích hoạt softmax (thay vì ReLU) được sử dụng để nhận xác suất đầu vào nằm trong một lớp cụ thể (phân loại) và dữ liệu này có kích thước 2x1 Cuối cùng, chúng ta có xác suất của đối tượng trong tập dữ liệu thuộc các lớp khác nhau, dữ liệu đầu vào đã được phân loại dưới dạng nhãn
2.4.4 Một số hàm kích hoạt của mạng CNN
Hàm này nhận bất kỳ giá trị thực nào với giá trị đầu vào và đầu ra trong phạm vi từ 0 đến 1 Đầu vào càng lớn (càng dương), giá trị đầu ra càng gần 1, ngược lại đầu vào càng nhỏ (càng âm), đầu ra càng gần 0, như Hình 2-11 dưới đây
Hình 2-9 Đồ thị hàm kích hoạt Sigmoid Hàm Sigmoid được biểu diễn dưới dạng toán học như sau:
(0.5) Ưu điểm của hàm Sigmoid:
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu cần đạt được của hệ thống
3.1.1 Yêu cầu về phần cứng
Hệ thống phải điều khiển được động cơ hoạt động ở tốc độ ổn định thông qua giao thức Modbus RTU (RS485):
- Điều khiển động cơ chạy, dừng thông qua nút nhấn và biến tần
- Điều khiển được động cơ chạy 2 chiều thuận và nghịch
- Điều khiển ổn định tốc độ động cơ từ 0-50Hz sử dụng bộ điều khiển PID
Hệ thống phải có các thiết bị đo dòng và áp để thu thập dữ liệu phục vụ cho việc huấn luyện CNN model
3.1.2 Yêu cầu về phần mềm
- Phần mềm phải có chức năng lập trình cho PLC S7-1215C DC/DC/DC để điều khiển tốc độ động cơ
- Phần mềm phải phát hiện được lỗi khi hệ thống xảy ra lỗi và đưa ra các thông tin cảnh báo sớm nhất.
Thiết kết phần cứng cho hệ thống
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống Chức năng của từng khối:
- Khối giao diện điều khiển và giám sát: Là một giao diện đồ họa, tương tác giữa người dùng và khối điều khiển có đầy đủ các chức năng vận hành, giám sát hệ thống và kịp thời đưa ra các cảnh báo khi có lỗi xảy ra
- Khối điều khiển: Dùng PLC để điều khiển hệ thống, thiết lập giao tiếp với máy tính qua cổng Ethernet, thiết lập giao tiếp Modbus với các thiết bị thông qua khối truyền thông Nhận lệnh điều khiển từ xa hay các nút nhấn để điều khiển hệ thống thông qua chương trình được viết trong phần mềm TIA Portal V16 Thực hiện thuật toán PID để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Lưu trữ các dữ liệu đọc được ở thiết bị đo dòng và áp
- Khối đo dòng và áp: Khối này có chức năng đo dòng và áp theo mong muốn nhằm gửi dữ liệu về khối điều khiển để lưu trữ, phục vụ cho việc huấn luyện CNN model
- Khối động lực: Gồm biến tần và động cơ
3.2.2 Thiết bị được sử dụng cho hệ thống
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng Aptomat LS BKN C32 để kiểm soát, bảo vệ quá tải và ngắn mạch
Hình 3-2 Aptomat LS BKN C32 Thông số kỹ thuật của Aptomat LS BKN C32 theo Bảng 3-1
Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của Aptomat LS BKN C32
Dòng sản phẩm MCB BKN
Dòng cắt ngắn mạch 6kA
Chức năng Dùng để kiểm soát, bảo vệ quá tải và ngắn mạch Ứng dụng Dùng trong mạng lưới điện dân dụng và công nghiệp
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng bộ chuyển đổi nguồn S82K-05024 để chuyển đổi nguồn 220VAC sang 24VDC để cấp nguồn cho PLC S7-1200
Hình 3-3 Bộ chuyển đổi nguồn S82K-05024
Hình 3-4 Sơ đồ chân của bộ chuyển đổi nguồn S82K-05024
Chức năng của các chân của bộ chuyển đổi được mô tả trong Bảng 3-2
Bảng 3-2 Chức năng của các chân của bộ chuyển đổi
1 DC Output Terminals (−V and +V): Connect the load lines to these terminals
2 AC Input Terminals (L and N): Connect the input lines to these terminals
3 Protective Earthing Terminals (PE): Connect a ground line to these terminals
4 Input Voltage Selector Terminals (VOLTAGE SELECT):
5 Output Indicator (DC ON: Green): Lights while a Direct Current
6 Output Voltage Adjuster(V.ADJ): Use to adjust the voltage
7 Undervoltage Alarm Indicator Terminal (DC LOW: Red):
Lights when there is a drop in the output voltage
Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi nguồn S82K-05024 được mô tả trong Bảng
Bảng 3-3 Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi nguồn S82K-05024
Kiểu lắp đặt Bắt vít, gắn trên thanh ray (tùy chọn)
Tính năng bảo vệ Quá dòng, ngắn mạch, thấp áp, quá áp, tự động khởi động lại
Tiêu chuẩn UL 60950-1/508, cUL: CSA C22.2 No
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng loại PLC của Siemens S7-1200 1215C DC/DC/DC với ngôn ngữ lập trình dễ học để xử lý và điều khiển hệ thống Đặc điểm của PLC S7-1200:
- Bộ điều khiển gọn nhẹ có dải hiệu suất từ thấp đến trung bình
- Tích hợp quy mô lớn, mạnh mẽ
- Có thiết kế nhỏ gọn nên giúp tiết kiệm không gian làm việc
- Với đường đặc tính thời gian thực đặc biệt và tùy chọn truyền thông lớn
- Bộ điều khiển với tích hợp giao diện điều khiển PROFINET IO để truyền thông giữa bộ điều khiển SIMATIC, HMI, thiết bị lập trình, và các thành phần tự động khác
- Các CPU có thể sử dụng chế độ độc lập trong mạng hoặc trong các cấu trúc được phân phối
- Việc lắp đặt, lập trình và vận hành khá đơn giản
- Giúp chẩn đoán lỗi online và offline
- 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU để mở rộng khả năng truyền thông
Hình 3-5 PLC S7-1200 1215C DC/DC/DC Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 được mô tả trong Bảng 3-4
Bảng 3-4 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200
Mã sản phẩm 6ES7215-1AG40-0XB0
Thông số SIMATIC S7-1200, CPU 1215C, compact CPU, DC/DC/DC, 2
PROFINET ports, onboard I/O: 14 DI 24 V DC; 10 DO 24 V DC; 0.5A; 2 AI 0-10 V DC, 2 AO 0-20 mA DC, Power supply: DC 20.4-28.8V DC, Program/data memory 125 KB
Hãng sản xuất Siemens AG
Bảo hành Bảo hành chính hãng 12 tháng
Nhóm thực hiện báo cáo lựa chọn Module truyền thông CM 1241 để giao tiếp theo giao thức Modbus với định dạng RTU
Các giao thức tiêu chuẩn đã được tích hợp trên mô-đun truyền thông CM 1241:
- ASCII: Để giao tiếp với các hệ thống của bên thứ ba bằng các giao thức truyền đơn giản, ví dụ: các giao thức có ký tự bắt đầu và ký tự kết thúc hoặc với ký tự kiểm tra khối Các tín hiệu giao diện có thể được gọi và điều khiển thông qua chương trình người dùng
- Modbus: Để giao tiếp theo giao thức Modbus với định dạng RTU:
Modbus Master: Giao tiếp master-slave với SIMATIC S7 làm master
Modbus Slave: giao tiếp master-slave với SIMATIC S7 làm nô lệ, lưu lượng khung thông báo từ nô lệ đến nô lệ không thể thực hiện được
- Giao thức ổ đĩa USS: đặc biệt hỗ trợ hướng dẫn kết nối các ổ đĩa giao thức USS Trong trường hợp này, các ổ đĩa trao đổi dữ liệu qua RS485 Sau đó, có thể kiểm soát các ổ đĩa này để đọc và ghi các thông số
Hình 3-6 CM 1241 RS422/485 Thông số kỹ thuật của CM 1241 được mô tả trong Bảng 3-5
Bảng 3-5 Thông số kỹ thuật của CM 1241
Mã sản phẩm 6ES7241-1CH32-0XB0
Thông số SIMATIC S7-1200,Communication module CM 1241,
RS422/485, 9-pole D-sub (socket) supports Freeport Kích thước 9,10 x 10,90 x 5,80
Hãng sản xuất Siemens AG
Bảo hành Bảo hành chính hãng 12 tháng
Nhóm thực hiện báo cáo dùng 2 nút nhấn LA38-11 để điều khiển bật và tắt hệ thống, 7 nút nhấn LA38-11 để giả lập 7 lỗi và 1 nút nhấn LA38-11 để reset lỗi
Hình 3-7 Nút nhấn LA38-11 Thông số kỹ thuật nút nhấn LA38-11 22mm được mô tả trong Bảng 3-6
Bảng 3-6 Thông số kỹ thuật nút nhấn LA38-11 Đường kính lỗ khoan lắp đặt 22mm Độ bền cơ khí 500,000 lần thao tác
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng 6 điện trở nhôm gồm 3 điện trở nhôm 10Ohm
- 100W, 3 điện trở nhôm 20Ohm - 100W để giả lập tải trở cho động cơ
Hình 3-8 Điện trở nhôm 100W Thông số kỹ thuật của điện trở nhôm 100W 20Ohm được mô tả theo Bảng 3-7
Bảng 3-7 Thông số kỹ thuật của điện trở nhôm 100W 20Ohm
Giá trị điện trở 20Ohm
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng 6 relay trung gian đóng ngắt để điều khiển giá trị tải trở cho động cơ
Hình 3-9 Relay trung gian Omron Thông số kỹ thuật của relay trung gian Omron được mô tả theo Bảng 3-8
Bảng 3-8 Thông số kỹ thuật của relay trung gian Omron
Số chân 8 chân dẹp lớp, có đèn
Nhiệt độ hoạt động 25 đến 85 độ C Đế relay SM2S-05D
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng đồng hồ DM6200H Meter để đo điện áp và dòng điện của động cơ phục vụ cho mục đích thu thập dữ liệu
Chức năng của đồng hồ DM6200:
- Màn hình hiển thị LED: Điều chỉnh hướng trực quan bằng đèn LED với bốn nút
- hiển thị, với ba dòng giá trị đồng thời và thanh tải cho biết tải hiện tại
- Bộ đếm thời gian để đo giờ, đồng hồ bật và ngắt nguồn
- Nắp bảo vệ để đảm bảo các vít đầu cuối không bị bung ra khỏi vỏ và để đảm bảo an toàn chống lại các tiếp xúc không chủ ý của ngón tay với các thiết bị đầu cuối
- An ninh mạng: Máy đo cho phép vô hiệu hóa cổng RS-485 thông qua mặt trước phím bảng chống lại sự truy cập trái phép Tính năng này cũng có thể được sử dụng cho chuyển đổi giữa các thiết bị RTU trong trường hợp tính khả dụng hạn chế của các nút trong hệ thống phần mềm
Hình 3-11 Mặt sau của DM6200 Meter
Sơ đồ chân của đồng hồ DM6200 Meter được mô tả theo Bảng 3-9
Bảng 3-9.Mô tả sơ đồ chân của DM6200 Meter
B Auxiliary power supply (control power) terminals (L1, L2)
C RS-485 communications terminals (DM6200H only) (D1+, D0-)
Các thông số kỹ thuật của DM6200 Blocks:
VT primary 100V L-L to 999kV L-L maximum, starting voltage depends on the VT ratio
110, 115, 120 to 415 V L-L) Measured voltage with full range 35 to 600VAC L-L
Operating voltage range with accuracy 80-480V L-L ± 10%, Category III
VA burden ≤ 0.2VA at 240VAC L-N at 50Hz
Operating current range with accuracy 10mA to 6A (Additional error of ±
2% between 10mA to 50mA, ± 1% between 50mA to 100mA)
Measured Amps with full range 5mA to 10A
Suppression current (to disregard negligible load)
Permanent overload (withstand) Continuous 10A, 10s/hr 50A, 1s/hr
VA burden ≤ 0.1VA at 5A, 50Hz
Frequency 50/60Hz nominal (45 to 65 Hz operating range)
Ride-through time 200 ms at 240V L-N, 50Hz (at
Ride-through time 120 ms at 240VDC (at Ambient condition)
Hình 3-12 Biến dòng Himel HLMKP63030
Chức năng của biến dòng Himel HLMKP63030 là đo dòng và biến đổi dòng điện để gửi tín hiệu về đồng hồ DM6200H
Thông số kỹ thuật của biến dòng Himel HLMKP63030 được mô tả trong Bảng 3-14
Bảng 3-14.Thông số kỹ thuật của Biến dòng Himel HLMKP63030
Short time thermal current Ith0lh
Nhóm thực hiện báo cáo sử dụng biến tần PowerFlex 525 (25B-A4B8N104 Series A) để điều khiển tốc độ động cơ của Siemens 1LA7073-4AB10
Hình 3-14 Sơ đồ chân của PowerFlex 525 Thông số kỹ thuật biến tần Powerflex 525 (25B-A4B8N104 Series A) được mô tả trong Bảng 3-15
Bảng 3-15 Thông số kỹ thuật biến tần Powerflex 525 (25B-A4B8N104 Series A)
Dòng điện ngắn mạch 100KA
Dải nhiệt độ hoạt động -20 … 70 °C với quạt tản nhiệt
Khả năng quá tải 150% trong 60s đối với tải nặng,
120% trong 60s đối với tải thường Tích hợp sẵn cổng giao tiếp Ethernet/IP
Tích hợp bộ xả bên trong trên toàn dải công suất
Tích hợp truyền thông: Modbus RTU( 422/485)
Nút nhấn và các thao tác trên nút nhấn của biến tần PowerFlex 525 được mô tả trong Bảng 3-16
Bảng 3-16 Nút nhấn và các thao tác trên nút nhấn của biến tần PowerFlex 525
Nút nhấn Tên Mô tả
Lên/Xuống Di chuyển giữa các thông số hoặc nhóm thông số
Thoát Trở về 1 bước trong menu cài đặt Hủy bỏ thay đổi giá trị của 1 thông số và thoát khỏi chế độ cài đặt
Select Tiến thêm một bước trong menu cài đặt Chọn một chữ số khi xem giá trị tham số
Enter Tiến thêm một bước trong thiết lập menu Lưu thay đổi giá trị của 1 thông số Đổi chiều quay Được cài đặt bởi các thông số P046, P048 và P050 [Nguồn khởi động x] và A544 [Tắt tính năng chạy ngược]
Khởi động Được sử dụng để khởi động biến tần Được cài đặt bởi các thông số P046, P048 và P050 [Start source x]
Dừng Được sử dụng để dừng biến tần hoặc để xóa lỗi Được cài đặt bởi tham số P045 [Stop Mode]
Biến trở Được sử dụng để thay đổi tốc độ của biến tần Được cài đặt bởi các thông số P047, P049 và P051 [Tốc độ tham khảo x]
Ví dụ về cách thao tác và cấu hình cho một thông số trên biến tần PowerFlex
525 được mô tả trong Bảng 3-17
Bảng 3-17 Ví dụ về cách thao tác và cấu hình cho một thông số trên biến tần
Bước Nút nhấn Hiển thị từ màn hình LCD
1 Nhấn Esc để hiện thị nhóm thông số cơ bản Thông số đang lựa chọn sẽ nhấp nháy
2 Nhấn Esc đển lựa chọn nhóm thông số Nhóm thông số được lựa chọn sẽ nhấp nháy
3.Nhấn nút Lên/Xuống để thay đổi nhóm thông số (b, P, t, C, L…)
4 Nhấn Enter hoặc Sel để chọn nhóm Thông số của nhóm được chọn sẽ nhấp nháy
5.Nhấn nút Lên/Xuống để thay đổi thông số
6 Nhấn Enter để xem giá trị của thông số hoặc nhấn Esc để trở về trạng thái trước đó
7 Nhấn Enter hoặc Sel để thay đổi giá trị thông số Giá trị này sẽ nhấp nháy
8.Nhấn nút Lên/Xuống để thay đổi giá trị
9 Nhấn Sel để di chuyển đến các vị trí của giá trị
10 Nhấn Esc để hủy thay đổi hoặc thoát khỏi chế độ cài đặt Nhấn Enter để lưu thay đổi Giá trị sẽ ngừng nhấp nháy
11.Nhấn Esc để trở về danh sách thông số Nhấn tiếp Esc để thoát khỏi chế độ cài đặt
Hình 3-15 Motor 1LA7073-4AB10 Thông số kỹ thuật của Motor 1LA7073-4AB10 theo Bảng 3-18
Bảng 3-18 Thông số kỹ thuật của Motor 1LA7073-4AB10
Weight in kg, without optional accessories
3.2.3 Sơ đồ kết nối hệ thống
Hình 3-16 Truyền thông Modbus giữa PLC, biến tần và đồng hồ
Hình 3-17 Mạch động lực của hệ thống
Hình 3-18 Bộ trở giả lập lỗi trong mạch động lực của hệ thống
Hình 3-19 Mạch điều khiển của hệ thống
Hình 3-20 Mô hình thực tế
Thiết kế phần mềm cho hệ thống
Nhóm thực hiện báo cáo dùng phần mềm TIA Portal V16 để viết chương trình điều khiển PLC S7-1200 1215C DC/DC/DC
Hình 3-21 Logo phần mềm TIA Portal V16
3.3.2 Phần mềm Visual Studio Code
Nhóm thực hiện báo cáo dùng phần mềm Visual Studio Code để thiết kế giao diện điều khiển Visual Studio Code là sự kết hợp cực kỳ hoàn hảo giữa IDE và Code Editor Nó hỗ trợ cho người dùng rất nhiều tiện ích như: đổi theme, hỗ trợ Git, cải tiến mã nguồn, có syntax highlighting, hỗ trợ cho quá trình gõ code, sử dụng các phím tắt và nhiều tùy chọn khác nhau,…
Hình 3-22 Logo phần mềm Visual Studio Code
3.3.3 Thiết kế giao diện điều khiển
Trong quá trình thiết kế, nhóm thực hiện báo cáo đã sử dụng nhiều thuộc tính và thư viện khác nhau như: TableWidget, Button, Snap7, PyQt5, Keras,…
3.3.3.1 Tính năng của giao diện điều khiển
Nhóm thực hiện báo cáo xây dựng một giao diện điều khiển cho người dùng với các tiêu chí sau:
- Thực hiện được các chức năng cơ bản về giám sát dữ liệu
- Đơn giản, dễ sử dụng
- An toàn, ổn định và linh hoạt
Dựa vào các tiêu chí trên, nhóm thực hiện đã xây dựng 1 giao diện với các tính năng sau:
- Tính năng bảo mật (màn hình Login): Hiện tại, các giao diện điều khiển và giám sát cần được bảo mật để đảm bảo tính an ninh an toàn của hệ thống
- Tính năng kết nối: Driver kết nối hiện tại được ứng dụng trong chương trình thông qua truyền thông Profinet TCP/IP Địa chỉ IP được sử dụng để phân biệt và định danh các thiết bị khác nhau trong mạng Nhóm thực hiện báo cáo thiết lập tính năng nhập địa chỉ IP để kết nối được với các PLC với các địa chỉ IP khác nhau
- Tính năng điều khiển hệ thống: Một trong những tính năng quan trọng của một giao diện GUI là điều khiển được hệ thống Tính năng này giúp người dùng có thể cài đặt setpoint, chiều quay cho động cơ và điều khiển bật tắt hệ thống
- Tính năng giám sát dữ liệu: Việc tạo giao diện điều khiển cho phép người lập trình có thể giám sát được dữ liệu quá trình hoạt động hiện tại của hệ thống cũng như trạng thái thiết bị Dựa vào bảng database cho phép ta trao đổi dữ liệu với trạm và hiển thị ra màn hình giám sát Bên cạnh đó giao diện này có thể xuất dữ liệu ra file excel để người dùng dễ dàng truy xuất dữ liệu
- Tính năng đưa ra cảnh báo: Trong quá tình hoạt động, nếu xuất hiện bất kỳ lỗi nào thì ngay lập tức đưa ra cảnh báo giọng nói và hộp thư thoại trên màn hình cho người dùng Các thông báo này cung cấp thông tin chi tiết về mã lỗi, chẩn đoán lỗi cũng như các thông số để người dùng đưa ra các quyết định về điều khiển hệ thống
- Tính năng lưu lịch sử lỗi: Khi hệ thống xuất hiện lỗi thì các dữ liệu về thời gian, thông số hoạt động của hệ thống sẽ được ghi lại và lưu vào file excel Tính năng này giúp người dùng có thể dễ dàng kiểm soát tình trạng hoạt động của thiết bị
3.3.3.2 Thiết kế giao diện điều khiển trên Qt Designer
Nhóm thực hiện báo cáo thiết kế một giao diện điều khiển trên Qt Designer kết hợp Python thông qua liên kết PyQt
Qt là một Application framework đa nền tảng viết trên ngôn ngữ C++, được dùng để phát triển các ứng dụng trên desktop, hệ thống nhúng và mobile Hỗ trợ chi các nền tảng bao gồm: Linux, Windows, Android, IOS,… PyQt là giao tiếp python của Qt, kết hợp của ngôn ngữ lập trình python và thư viện Qt, là một thư viện bao gồm các thành phần giao diện điều khiển (Widgets, Graphic control elements) Tạo project trong Qt Designer:
- Chọn Main Window Create như Hình 3-23 bên dưới
Hình 3-23 Khởi tạo project mới Nhóm thực hiện báo cáo tiến hành tạo 2 giao diện Main Window với tên home_screen và screen_1 Để có thể sử dụng được các thuộc tính của giao diện ta cần chuyển đổi từ file ui sang file.py và import vào chương trình chính
Các đối tượng control: Giống như bất kỳ một công nghệ giao diện người dùng nào, Qt designer cung cấp một số lượng lớn các control Ngoài ra, người dùng có thể tùy ý định nghĩa các control theo ý mình Các control chuẩn gồm Push Button, Label, Text Edit, TableWidget,…Các sự kiện do người dùng tạo ra, như di chuyển chuột hay ấn phím, có thể được các control nắm bắt và xử lý Trong đó, để giám sát được dữ liệu của hệ thống cần sử dụng control TableWidget Bên cạnh việc tạo ra một giao diện quan sát dữ liệu trực quan dưới dạng bảng, control này còn giúp người dùng dễ dàng lưu trữ dữ liệu vào excel hay sql
Lớp (class) được định nghĩa cho một đối tượng bao gồm một tập các thuộc tính đặc trưng cho tất cả các đối tượng của lớp Các thuộc tính gồm: data members và methods được gọi thông qua ký hiệu dấu chấm
Luồng (thread) là một đơn vị cơ bản trong CPU Việc tạo ra luồng giúp cho các chương trình có thể chạy được nhiều công việc cùng một lúc Luồng là một khối các câu lệnh độc lập trong một tiến trình và có thể được lập lịch bởi hệ điều hành Hay nói một cách đơn giản, luồng là các hàm hay thủ tục chạy độc lập đối với chương trình chính Đầu tiên, người lập trình cần định nghĩa các luồng dữ liệu để các lệnh chạy độc lập với chương trình chính Sau đó tiến hành phân luồng dữ liệu để truyền dữ liệu giữa chương trình chính với Threadclass
Một yếu tố quan trọng của phân luồng dữ liệu chính là phát tín hiệu (emit) Emit là một phương thức đối tượng, đối số tiếp theo là tín hiệu mà chúng ta muốn phát ra, đó có thể là signal nếu chúng ta muốn phát ra tín hiệu với tên đó
Hình 3-24 Đa luồng trong Python Kết nối dữ liệu dùng thư viện snap7: Như đã đề cập ở phần cơ sở lý thuyết, thư viện snap7 được dùng để truyền nhận dữ liệu giữa python và các database trong tia portal Để đọc và viết được các dữ liệu trong database của PLC cần thực hiện thao tác cài đặt các thông số sau:
- Chuột phải, chọn properties của database, bỏ tích optimized block access như Hình 3-25 bên dưới:
Hình 3-25 Cấu hình cho database trong TIA Portal v16
- Vào properties của PLC, chọn connection mechanisms tích chọn như Hình 3-26
Hình 3-26 Cấu hình cho PLC trong TIA Portal v16 Với các tiêu chí đã đặt ra, nhóm thực hiện báo cáo đã tạo giao diện điều khiển gồm 4 màn hình như sau: màn hình đăng nhập, màn hình kết nối với PLC và điều khiển hệ thống, màn hình giám sát dữ liệu hệ thống, màn hình giám sát lịch sử lỗi
Hình 3-27 Màn hình đăng nhập
Hình 3-28 Màn hình kết nối với PLC và điều khiển hệ thống
Điều khiển ổn định hệ thống bằng PID
Để điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần sử dụng bộ điều khiển PID, nhóm thực hiện báo cáo tiến hành cài đặt thông số cho biến tần và sử dụng khối PID_compact để áp dụng giải thuật PID vào quá trình điều khiển
3.4.1 Cài đặt thông số cho biến tần
Bảng 3-19 Cài đặt thông số cho biến tần PowerFlex 525
P046 [Start Source 1] = 3 Set to 3 “Serial/DSI” if Start is controlled from the network
P047 [Speed Reference1] = 11 Set to 11 the speed reference based on
C123 [RS485 Data Rate] = 9600 Sets the data rate for the RS485 (DSI)
Port All nodes on the network must be set to the same data rate
C124 [RS485 Node Addr] = 2 Sets the node address for the drive on the network Each device on the network requires a unique node address
C125 [Comm Loss Action] = 0 Selects the drive’s response to communication problems
C126 [Comm Loss Time] = 3 Sets the time that the drive will remain in communication loss before the drive implements C125 [Comm Loss Action]
C121 [Comm Write Mode] = 0 Set to 0 “Save” when programming drive
Set to 1 “RAM only” to only write to volatile memory
A459 [PID x Ref Sel] = 3 The reference word from the Serial/DSI communication network becomes the PID Reference
A460 [PID x Fdback Sel] = 2 Serial/DSI will be used as an input for the PID Feedback
Hình 3-29 Khối PID_Compact Bảng 3-20 Mô tả các biến trong khối PID_Compact
Input Setpoint Real Setpoint input
Input Real Current actual value in REAL
Input_PER Int Current actual value from I/O Disturbance Real Disturbance connection
ManualEnable Bool Manual value is activated for overwriting the manipulated value output
ErrorAck Bool Clearing the error message Reset Bool Reset, controller restart
Output ScaledInput Real Scaled I/O actual value
Output Real Output value in REAL
Output_PER Int Output value to I/O
Output_PWM Bool Pulse-width modulated output value SetpointLimit_H Bool Setpoint is restricted to the upper limit SetpointLimit_L Bool Setpoint is restricted to the lower limit InputWarning_H Bool Actual value exceeded the upper
Name Data type Description warning limit
InputWarning_L Bool Actual value fell short of the lower warning limit
State Int Display of controller state (0=inactive,
InOut Mode Int Mode selection
Các bước sử dụng bộ điều khiển PID:
- Đầu tiên, khởi tạo khối OB30
- Tiếp theo, đưa khối PID_compact vào cửa sổ lập trình và tiến hành cài đặt các thông số cần thiết
Hình 3-31 mô tả các bước chọn lệnh đưa vào cửa sổ lập trình và cài đặt các biến
Hình 3-31 Cài đặt thông số các biến
Các bộ PID của Siemens tự nó đã thực hiện rất tốt chức năng điều chỉnh ở chế độ tự động nên người dùng chỉ cần quan tâm đến việc cài đặt và sử dụng sao cho hiệu quả nhất
Các thao tác chính cần thực hiện cho việc cấu hình PID là chọn loại process ví dụ điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng
Hình 3-32 Cấu hình cho bộ PID
- Cuối cùng, tiến hành điều khiển hệ thống thông qua bộ PID
Hình 3-33 Lưu đồ giải thuật PID điều khiển ổn định tốc độ động cơ
CHẨN ĐOÁN LỖI CHO HỆ THỐNG
Chẩn đoán lỗi sử dụng CNN
Để chẩn đoán lỗi sử dụng CNN, nhóm thực hiện báo cáo tiến hành các bước như sau:
- Thu thập dữ liệu để huấn luyện
- Xây dựng CNN model phù hợp với yêu cầu bài toán và đưa dữ liệu vào để tiến hành huấn luyện
- Kiểm tra và đánh giá model
- Chẩn đoán lỗi theo thời gian thực trên mô hình
4.2.1 Phương pháp giả lập lỗi
Trên thực tế, qua quá trình hoạt động thì động cơ thường xảy ra một số lỗi như: lệch pha, quá tải, lệch trục, vòng bi bị hỏng hoặc vỡ… Hậu quả là phải dừng hệ thống máy móc, thay phụ kiện, sửa chữa động cơ rất mất thời gian ảnh hưởng đến tiến độ công việc, nhiều khi máy hỏng quá nặng thì chúng ta không thể sửa được, bắt buộc phải mua máy mới thay thế kịp thời Các lỗi này sẽ gây ra sự thay đổi dòng điện, điện áp, nhiệt độ và tần số rung của động cơ
Dựa trên cơ sở này, nhóm thực hiện báo cáo dùng các tải trở được nối nối tiếp với 3 cuộn dây của động cơ để mô phỏng sự thay đổi dòng và áp khi động cơ xảy ra lỗi Tiếp theo, nhóm thực hiện báo cáo tăng giảm các giá trị tải trở bằng các nút nhấn và PLC điều khiển đóng ngắt các relay được mắc song song với các tải trở Đa phần, trong các hệ thống công nghiệp, chúng ta khó có thể thu thập được dữ liệu khi xảy ra các trường hợp lỗi của động cơ Vì vậy, việc giả lập lỗi này rất có ý nghĩa bởi nó giúp ta tạo ra một bộ dữ liệu đáng tin cậy để phục vụ cho việc huấn luyện và chẩn đoán
Do đó, nhóm thực hiện báo cáo thực hiện giả lập 7 lỗi gồm 6 lỗi lệch pha và 1 lỗi quá tải để phục vụ cho việc nghiên cứu nhằm đưa ra cảnh báo sớm nhất cho người dùng về tình trạng của động cơ để bảo vệ hiệu suất công việc cũng như tuổi thọ của động cơ
4.2.1.1 Giả lập lỗi lệch pha
Sự lệch pha trong nguồn điện 3 pha, tức là sự mất cân bằng pha, thường xảy ra khi các đường dây điện bị lệch pha Mất cân bằng pha trong hệ thống điện 3 pha xảy ra khi các đường dây tải một pha được sử dụng mang tải nhiều hơn hoặc ít hơn trên
1 hoặc 2 đường dây điện còn lại
Sự mất cân bằng pha của dòng điện làm cho động cơ ba pha hoạt động ở nhiệt độ cao hơn giá trị nhiệt định mức Việc xảy ra hiện tượng mất cân bằng pha dẫn đến điện và gây ra các vấn đề liên quan như giảm tuổi thọ và độ bền sử dụng giảm sút, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, hiệu quả công việc và các hư hỏng khác khiến người dùng đau đầu khi tìm cách khắc phục
Dựa vào những nguyên nhân và hậu quả của động cơ khi bị lệch pha, nhóm thực hiện báo cáo giả định với mỗi pha của động cơ 3 pha, sẽ được nối nối tiếp với 2 tải trở là 10Ohm và 20Ohm Lúc này, trên mỗi pha của động cơ sẽ có tải trở là 30Ohm và xem như đây là điều kiện hoạt động bình thường của động cơ Nhóm thực hiện báo cáo nối relay song song với các tải trở Như vậy sẽ có 6 tải trở và 6 relay trung gian như Hình 4-1 bên dưới:
Hình 4-1 Sơ đồ kết nối bộ trở giả lập lỗi với biến tần và động cơ
Với lỗi 1: lệch pha của pha 1, nhóm thực hiện báo cáo nhấn nút F1 để kích RELAY1 thông qua ngõ ra của PLC Lúc này dòng điện sẽ không chạy qua R1 và pha 1 sẽ có giá trị tải trở là 20Ohm, pha 2 và pha 3 có tải trở là 30Ohm, cho nên dòng điện trên pha 1 cao hơn so với 2 pha còn lại (do tải trở nhỏ hơn), dẫn đến hiện tượng lệch pha cho động cơ
Với lỗi 2: lệch pha của pha 1, nhóm thực hiện báo cáo nhấn nút F2 để kích RELAY2 thông qua ngõ ra của PLC Lúc này dòng điện sẽ không chạy qua R2 và pha 1 sẽ có giá trị tải trở là 10Ohm, pha 2 và pha 3 có tải trở là 30Ohm, cho nên dòng điện trên pha 1 cao hơn so với 2 pha còn lại (do tải trở nhỏ hơn), dẫn đến hiện tượng lệch pha cho động cơ
Với lỗi 3: lệch pha của pha 1, nhóm thực hiện báo cáo nhấn nút F3 để kích RELAY1 và RELAY2 thông qua 2 ngõ ra của PLC Lúc này dòng điện sẽ không chạy qua R1 và R2, pha 1 sẽ không còn tải trở nữa nên dòng điện cao hơn so với 2 pha còn lại, dẫn đến hiện tượng lệch pha cho động cơ
Với lỗi 4: lệch pha của pha 2, nhóm thực hiện báo cáo nhấn nút F4 để kích RELAY3 và RELAY4 thông qua 2 ngõ ra của PLC Lúc này dòng điện sẽ không chạy qua R3 và R4, pha 2 sẽ không có tải trở nên có dòng điện cao hơn so với pha 1 và pha 3, dẫn đến hiện tượng lệch pha cho động cơ
Với lỗi 5: lệch 2 pha của pha 1 và pha 2, nhóm thực hiện báo cáo nhấn nút F5 để kích RELAY1 và RELAY3 thông qua 2 ngõ ra của PLC Lúc này dòng điện sẽ không chạy qua R1 và R3, pha 3 sẽ có tải trở là 30Ohm, pha 1 và pha 2 có tải trở là 20Ohm, cho nên dòng điện của pha 3 nhỏ hơn so với 2 pha còn lại do tải trở lớn hơn, dẫn đến hiện tượng lệch pha cho động cơ
Với lỗi 6: lệch 2 pha của pha 1 và pha 2, nhóm thực hiện báo cáo nhấn nút F6 để kích RELAY2 và RELAY4 thông qua 2 ngõ ra của PLC Lúc này dòng điện sẽ không chạy qua R2 và R4, pha 3 sẽ có tải trở là 30Ohm, pha 1 và pha 2 có tải trở là 10Ohm, cho nên dòng điện của pha 3 nhỏ hơn so với 2 pha còn lại do tải trở lớn hơn, dẫn đến hiện tượng lệch pha cho động cơ
4.2.1.2 Giả lập lỗi quá tải
Lỗi quá tải của động cơ xảy ra khi động cơ hoạt động với dòng điện lớn hơn dòng điện định mức Dựa vào cơ sở này, mỗi pha của động cơ 3 pha cũng sẽ được nối nối tiếp với 2 tải trở là 10Ohm và 20Ohm xem như là điều kiện hoạt động bình thường, dòng điện đo được lúc này là dòng điện định mức
RELAY1, RELAY2, RELAY3, RELAY4, RELAY5, RELAY6 Lúc này, dòng điện của 3 pha sẽ không đi qua các tải trở cho nên dòng điện sẽ lớn hơn so với điều kiện hoạt động bình thường, dẫn đến hiện tượng quá tải
4.2.1.3 Các loại lỗi được giả lập trong đề tài
Bảng 4-4 Các loại lỗi được giả lập trong đề tài
Mã lỗi Tên lỗi Cách giả lập lỗi
Tín hiệu thu thập được khi chưa có lỗi
Tín hiệu thu thập được lúc có lỗi
Giảm tải trở pha 1 còn 20Ohm Điện áp hoạt động ổn định ở 3 pha Điện áp ở pha 1 cao hơn 4.55% so với điện áp khi động cơ hoạt động bình thường ở tần số 30Hz
KẾT QUẢ
Kết quả điều khiển hệ thống bằng PID
Qua quá trình chạy auto-tuning trong khối PID_Compact và áp dụng phương pháp thử sai, nhóm thực hiện báo cáo đã chọn được bộ PID phù hợp cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ trong dãy tần số từ 10-50Hz như Hình 5-1
Hình 5-2 Đồ thị đáp ứng của PID cho động cơ chạy với tần số 10Hz
Hình 5-3 Đồ thị đáp ứng của PID cho động cơ chạy với tần số 30Hz
Hình 5-4 Đồ thị đáp ứng của PID cho động cơ chạy với tần số 50Hz
Kết quả thiết kế giao diện
Hình 5-5 Giao diện đăng nhập
Hình 5-6 Giao diện đăng nhập khi đăng nhập sai
Hình 5-7 Giao diện điều khiển
Hình 5-8 Giao diện giám sát dữ liệu khi động cơ hoạt động bình thường
Hình 5-9 Giao diện giám sát lịch sử lỗi
Kết quả chẩn đoán và hiển thị lỗi lên giao diện
5.3.1 Lỗi đặc tính thiết bị
Hình 5-10 Lỗi mất nguồn của Module analog mở rộng 269
Hình 5-11 Lỗi F004 khi biến tần mất điện đột ngột
Hình 5-12 Lỗi F081 khi biến tần mất kết nối với PLC
5.3.2 Lỗi giả lập cho động cơ
Hình 5-13 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F1 bằng MessageBox và Voice
Hình 5-14 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F2 bằng MessageBox và Voice
Hình 5-15 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F3 bằng MessageBox và Voice
Hình 5-16 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F4 bằng MessageBox và Voice
Hình 5-17 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F5 bằng MessageBox và Voice
Hình 5-18 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F6 bằng MessageBox và Voice
Hình 5-19 Cảnh báo khi hệ thống bị lỗi F7 bằng MessageBox và Voice