Vì vậy em đã chọn đề tài “Điều khiển tốc độ động cơ ac 3 pha không đồng bộ sử dụng plc s7-1200 và biến tần ATV12 bằng phương pháp điều khiển PID” để có thể hiểu rõ hơn về phương pháp này
TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ
Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha
1.1.1.Cấu tạo: Động cơ không đồng bộ hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường Động cơ không đồng bộ được tạo thành từ hai bộ phận chính là stato (phần tĩnh) và roto (phần động).
Hình 1.1.Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha.
Khi trong lõi thép stato của máy điện không đồng bộ, ta tạo một từ trường quay với tốc độ n1 = 60 f
P (f: tần số dòng điện lưới đưa vào ; p: số cặp cực) thì từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi thép roto và cảm ứng trong dây quấn đó suất điện động và dòng điện Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở Dòng điện trong dây quấn tác dụng với từ thông khe hở sinh ra mômen, tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của roto
Tìm hiểu về PLC S7 1200 và biến tần ABB ACS150
PLC S7 1200 ra đời năm 2009 PLC S7 1200 dần thay thế PLC S7 200 do có nhiều tính năng nổi trội hơn PLC S7 12 có thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và có tập mạnh để có thể đáp ứng nhiều yêu cầu hơn Ngoài ra PLC S7 – 1200 còn được trang bị một cổng PROFINET, hỗ trợ cổng TCP/IP.
Hình 1.2.So sánh giữa PLC S7 1200 và PLC S7 200.
1.2.1.2.Các thành phần của PLC S7 1200 :
Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:3 bộ điều khiển nhỏ gọn, 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU, 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB), 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP ( Point To Point), Bổ sung 4 cổng Ethernet, Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC
Hình 1.3.Cấu tạo của bộ điều khiển Siemens CPU S7 1200.
1.2.1.3.Cấu tạo bên trong và các module mở rộng:
PLC S7 1200 có 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/ nhập Các chức năng cụ thể:Bộ xử lý trung tâm (CPU) có chứa bộ vi xử lý Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển điện áp AC thành điện áp DC (24V) Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản lý của bộ vi xử lý.Các thành phần giao tiếp nhập/ xuất.Chương trình điều khiển được nạp vào với sự giúp đỡ của bộ lập trình hay bằng máy vi tính.
Hình 1.4.Cấu trúc bên trong của PLC.
Bộ S7 1200 cung cấp cho bạn tối đa 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín hiệu cho bộ vi xử lý Nó có khả năng mở rộng, ngoài ra còn có 3 module giao tiếp nhờ vào các giao tiếp truyền thông.
Hình 1.5.Module mở rộng của PLC S7 1200.
Hình 1.6.Số ngõ vào/ra của module mở rộng.
1.2.2 Cài đặt biến tần để kết nối với PLC:
1.2.2.1.Cài đặt lệnh chạy biến tần (Command channel 1) Để cài đặt lệnh chạy cho biến tần ATV12, làm theo các bước: rdy COnF FULL CtL Cd1
Hình 1.7.Cài đặt lệnh chạy biến tần
Cd1=tEr: Chạy biến tần bằng terminal.
Cd1=LOC: Chạy biến tần bằng phím bấm.
Cd1=LCC: Điều khiển từ xa.
Cd1=ndb: Điều khiển bằng truyền thông modbus.
1.2.2.2 Cài đặt loại điều khiển: Để cài đặt loại điều khiển cho biến tần ATV12, làm theo các bước: rdy COnF FULL I_O tCC. tCC = 2C (mặc định):điều khiển 2 dây.
Hình 1.8.Chọn loại điều khiển biến tần.
Muốn chuyển thành điều khiển 3 dây thì thay đổi thông số tCC=3C.
1.2.2.3.Cài đặt tham chiếu tần số. rdy COnF FULL CtL Fr1.
Hình 1.9.Cài đặt tham chiếu tần số.
Fr1= AI1: Chọn tần số tham chiếu bằng ngõ vào analog.
Fr1= LCC: Chọn tần số tham chiếu bằng điều khiển từ xa.
Fr1= Mdb: Chọn tần số tham chiếu bằng điều khiển truyền thông Modbus. Fr1 = AIUI: Chọn tần số tham chiếu bằng núm xoay phím bấm.
1.2.2.4.Cài đặt thông số cho động cơ: rdy COnF FULL drC.
Bảng 1.1.Các thông số cài đặt cho động cơ:
Mã Chức năng bFr Tần số động cơ tiêu chuẩn
UnS Điện áp định mức của động cơ
FrS Tần số định mức của động cơ nCr Dòng điện định mức của động cơ nSP Tốc độ định mức của động cơ
1.2.2.5.Cài đặt thời gian tăng tốc, giảm tốc: rdy COnF FULL Fun rPt
Hình 1.10.Cài đặt thời gian tăng tốc giảm tốc.
ACC Thời gian tăng tốc dEC Thời gian giảm tốc
1.2.2.6.Cài đặt ngõ vào analog
Chọn loại ngõ vào analog: rdy COnF FULL I_O AI1 AI1t.
Hình 1.11.Chọn loại ngõ vào analog.
→ Chọn Allt = OA: Current x-y mA
Giá trị dòng điện min của ngõ vào analog rdy COnF FULL I_O All CrL1=0mA
Giá trị dòng điện max của ngõ vào analog rdy COnF FULL I_O All CrH1 = 20mA
1.2.3 Cách kết nối PLC S7-1200 với biến tần Schneider ATV12
Kết nối biến tần với PLC bằng cách sử dụng ngõ ra analog của PLC S7 1200 kết nối với ngõ vào analog của biến tần ATV12 Qua đó thay đổi tần số của biến tần để điều khiển tốc độ động cơ.
Hình 1.12.Sơ đồ kết nối PLC S7 1200 với biến tần Schneider ATV12.
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ TÌM HIỂU VỀ CÁC CÂU LỆNH TRONG PLC
Các câu lệnh trong PLC để điều khiển tốc độ động cơ
2.1.1.Lệnh để đọc tốc độ động cơ từ encoder (đọc xung tốc độ cao HSC):
Muốn điều khiển tốc độ động cơ bằng bất kì phương pháp nào, điều đầu tiên phải biết tốc độ mà động cơ đang quay là bao nhiêu Encoder giúp nhận biết được tốc độ của động cơ, qua đó có thể dễ dàng điều khiển tốc độ động cơ.
Hình 2.1.Kết nối encoder với PLC. Để cấu hình lệnh đếm số xung của encoder, thực hiện theo các bước:
4 Tick vào ô enable thí high speed counter
5 Tại mục funtion operating phase single phase.
6 Tại mục Digital input Input filtes ( giảm giá trị xuống thấp để encoder có thể đếm được xung khi quay nhanh, vì khi quay nhanh thì thời gian tồn tại của xung rất nhỏ nên sẽ bị lọc mất).
7 Tại mục Hardware inputs Chọn input I0.1.
Sau khi thực hiện xong các bước trên thì đã xong phần cấu hình cho lệnh đọc xung encoder, tiếp theo sẽ viết chương trình để điều khiển Đầu tiên sẽ lấy lệnh CTRL_HSC ở mục Technology.
Hình 2.2.Lệnh HSC trong PLC. Để làm việc với khối HSC, phải tạo thêm một khối data block bằng cách click vào
“Add new block” Chọn “Data block” OK Sau đó mục “ Data block 1” xuất hiện và nhập các thông số sau đây:
Hình 2.3.Các thông số của lệnh HSC. Để đọc được tốc độ của động cơ cần đếm được số xung trong một khoảng thời gian và thông qua việc chia cho độ phân giải của encoder, từ đó có thể biết động cơ đang quay với tốc độ bao nhiêu Dựa vào chức năng của các chân của lệnh HSC để thực hiện điều đó thì sau một khoảng thời gian sẽ tác động một xung vào chân “CV” để đưa giá trị đếm mới bằng không và lặp lại việc đó liên tục với một khoảng thời gian nhất định (chu kỳ lấy mẫu).
Hình 2.4.Sử dụng Timer TON để tạo ra chu kỳ lấy mẫu.
Với việc sử dụng timer TON để tạo ra chu kỳ lấy mẫu thì sau khoảng thời gian đã cài đặt là 100ms thì ngõ ra Q sẽ có điện và ngõ ra “RESET ENCODER” sẽ có điện và tác động vào chân CV từ đó đưa giá trị đếm xung en coder về giá trị mới bằng 0 Đồng thời tiếp điểm thường đóng “RESET ENCODER” sẽ mở ra ngắt điện các nhánh sau đó, tiếp điểm trở về trạng thái thường đóng và lặp lại tạo thành chu kỳ lấy mẫu.
Hình 2.5.Tiếp điểm thường mở, khi có bắt đầu chu kì lấy mẫu mới sẽ thay đổi trạng thái và tác động vào chân “CV”.
Chọn encoder có mã E6B2-CWZ5B loại out put PNP và có độ phân giải 500 ( xung/vòng).
Hình 2.6.Encoder E6B2-CWZ5B 500P/R. Để tính tốc độ động cơ, tính theo công thức:
Tốcđộ độngcơ( Vòngphút) = Số xungcủaencoder 60
Chukỳlấy mẫu Độ phân giảicủaencoder
Từ công thức trên viết được chương trình trong PLC:
Hình 2.7.Tính tốc độ động cơ. Đầu tiên khi bắt đầu chu kì lấy mẫu mới, tiếp điểm thường hở sẽ thay đổi trạng thái trở thành tiếp điểm thường đóng Số xung đếm được sẽ được lưu ở vùng nhớ “%ID1000”, thông qua lệnh “MOVE” sẽ đưa giá trị tới vùng nhớ lưu trữ số xung encoder mới Lệnh
“DIV” thực hiện việc chia 2 giá trị 60 và chu kỳ lấy mẫu ở đây là 0.1s, sau đó nhân với số xung đếm được bằng cách sử dụng lệnh “MUL”, qua đó sẽ có được số xung trong vòng một phút Cuối cùng lấy kết quả đó chia cho độ phân giải của encoder sẽ tính được tốc độ làm việc của động cơ
2.1.2.1.Chu kì ngắt (clying interuptr):
Hình 2.8.Cách thức hoạt động của chu kì ngắt.
Khi PLC S7 1200 hoạt động sẽ thực hiện lặp lại các lệnh trong chương trình chính Việc sử dụng chu kỳ ngắt có ý nghĩa sau một thời gian đã cài đặt, PLC S7 1200 sẽ ngắt chương trình chính và thực hiện các lệnh trong chương trình ngắt Sau khi thực hiện xong các lệnh trong chương trình ngắt sẽ thực hiện các lệnh trong chương trình chính. Để tạo được chương trình ngắt, thực hiện theo các bước:
Chọn PLC Program blocks Add new block Ở khối lệnh Organization block (OB) chọn Cycling interrupt
Hình 2.9.Chọn Cycling interrupt để tạo lệnh chu kỳ ngắt.
2.1.2.2.Tìm hiểu lệnh PID_Compact.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) — tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error — e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song 3 khẩu P, I và D Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
Hình 2.10.Đáp ứng của khâu P, PI và PID.
2.1.2.2.5 Tìm hiểu lệnh PID_Compact:
2.1.2.2.5.1 Miêu tả bộ điều khiển PID_Compact
Lệnh được sử dụng với các thuật toán PID theo kiểu đa dụng, được tích hợp sẵn bộ tự chính (auto-tuning) cho cả chế độ Auto và chế độ Manual Lệnh thực hiện với các chế độ như:
Inactive - ngắt hoạt động (Mode/ State = 0)
Pretuning - tiền tinh chỉnh (Mode/ State = 1).
Fine tuning – tinh chỉnh (Mode/ State = 2).
Automatic mode – chế độ tự động (Mode/ State = 3).
Substitute output value with error monitoring - giá trị ngõ ra khi có lỗi xảy ra (Mode/State = 5)
2.1.2.2.5.2 Thông số vào/ra của lệnh PID_compact:
Hình 2.11.Thông số ngõ vào.
Hình 2.12.Thông số ngõ ra.
2.1.2.2.5.3 Cấu hình đối tượng kỹ thuật TO cho PID_compact :
Mỗi bộ điều khiển PID cần phải được cấu hình và khai báo tương ứng với một đối tượng kỹ thuật TO Đối tượng kỹ thuật TO sử dụng để cấu hình các thông số PID configuration, chạy thử và kiểm tra kết quả từ các thông số đã lựa chọn - commissioning.
Bước 1: Khởi tạo đối tượng kỹ thuật TO Technology Add new object→ PID
PID Control Compact PID → đặt tên và chọn Version được hỗ trợ tương ứng với cấu hình của CPU và Version của TIA Portal → OK.
Hình 2.13.Khởi tạo PID compact Bước 2: Cài đặt và cấu hình cho chế độ Basic Settings
Controller type: Cho phép người lập trình lựa chọn đối tượng điều khiển và kiểu giá trị vào/ra cho bộ điều khiển PID.
Input/Output Paramters: Cho phép lựa chọn tham số phản hồi PV và ngõ ra điều khiển PID là kiểu I/O analog hoặc giá trị được Scale bởi người người dùng
Hình 2.15.Mục “Input/Output Paramters”
Kiểu dữ liệu Input PER và Output PER cho phép sử dụng trực tiếp các thanh ghi của ngõ vào/ra tương tự (AIW/AQW).
• Kiểu dữ liệu Input và Output thì người lập trình cần phải chuyển đổi dữ liệu tương tự (vui lòng đọc lại phần xử lý tín hiệu tương tự vào/ra).
Bước 3: Cài đặt và cấu hình cho chế độ Process value settings.
Process value limits: Cho phép cài đặt và lựa chọn giá trị giới hạn trên/dưới cho giá trị quá trình hoạt động.
Hình 2.16.Mục “Process value limits”
Process value Scaling: Cho phép chọn tỉ lệ chuyển đổi tương ứng với số hóa:
Hình 2.17.Mục “Process value Scaling”
Bước 4: Cài đặt và cấu hình cho chế độ Advanced settings.
• Process value monitoring: Cho phép người lập trình giám sát tầm giá trị quá trình hoạt động và các giá trị cảnh báo mức thấp và mức cao.
Hình 2.18.Mục “Process value monitoring“
• PWM limits: Cho phép người lập trình cài đặt thời gian tắt/mở nhỏ nhất ngõ ra PID theo định dạng điều rộng xung
• Output value limits: Cho phép người lập trình cài đặt giá trị nhỏ nhất và lớn nhất có thể xuất ra.
• Reaction to error: Cho phép người lập trình tùy chỉnh ngõ ra PID khi có lỗi xảy ra trong quá trình thực hiện bộ điều khiển PID.
Hình 2.20.Mục “Output value limits”
• PID Parameters: Cho phép người dùng chọn chế độ PI/PID để hoạt động hay cài đặt các giá PID bằng manual.
Bước 5: Thực hiện biên dịch Compile và lưu chương trình trước khi tiếp tục các bước tiếp theo.
2.1.2.2.5.4 Thực hiện Commissioning cho bộ PID_Compact :
Sau khi thực hiện cấu hình theo các bước để đạt được yêu cầu thì thực hiện biên dịch lại toàn bộ phần cứng và phần mềm trước khi tải chương trình xuống CPU.
Bước 1: Chọn PLC Technology object DB của PID_Compact
Commissioning chọn biểu tượng - monitor all để thực hiện giám sát và chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển PID.
Bước 2: Điều chỉnh các thông số:
• Measurement: Cho phép lựa chọn thời gian lấy mẫu để giám sát đồ thị hoạt động của PID với sampling time với thời gian nhỏ nhất là 0.3s
Hình 2.22.Chọn thời gian lấy mẫu.
• Tuning mode: Cho phép chọn chế độ tự chỉnh với hai chế độ: Pretuning và Fine tuning.
Hình 2.23.Chọn chế độ tự chỉnh.
• Ngoài ra, TIA Portal còn hỗ trợ chức năng hiển thị đồ thị cho giá trị cài đặt SP, giá trị quá trình PV và ngõ ra Output để giám sát quá trình chạy tuning.
2.1.3.Chuyển đổi giá trị ngõ ra thành tín hiệu analog để điều khiển biến tần:
CHƯƠNG TRÌNH VIẾT TRÊN TIA PORTAL V16 VÀ MÔ PHỎNG SỬ DỤNG THƯ VIỆN LSIM_PT1
Chương trình viết trên tia portal v16
Hình 3.1 Chương trình viết trên TIA Portal V16.
Mô phỏng sử dụng thư viện Lsim_PT1
Siemens AG vào năm 2017 đã cập nhật trên trang web hỗ trợ trực tuyến của họ thư viện “Lsim” chứa các khối lệnh giúp cho người dùng có thể mô phỏng các hệ thống điều khiển đơn giản qua các hàm truyền Người dùng cũng có kết nối các hệ thống này nối tiếp hoặc song tùy theo mục đích để có thể tạo ra được một hệ thống phức tạp hơn.
- Do hạn chế về mặt thiết bị nên ta sẽ tiến hành mô phỏng với thư viện này Ta có thư viện của một vài hệ thống đơn giản như khối Lsim_PT1 là hàm truyền tỷ lệ bậc 1, phù hợp cho việc mô phỏng các hệ thống liên quan đến nhiệt độ hoặc tốc độ
Do bộ PID_compact cần đáp ứng về tốc độ động cơ nên ta sẽ sử dụng khối Lsim_PT1 để mô phỏng. Ở sơ đồ khối này, ban đầu giá trị Setpoint sẽ được đặt cho bộ PID_Compact, giá trị này sẽ được đưa vào Input của khối Lsim_PT1 chính là hệ thống điều khiển ta muốn mô phỏng Giá trị Output của hệ sẽ đưa vào hàm Scale để trả lại giá trị phản hồi cho bộ PID_Compact so sánh với giá trị Setpoint tạo thành một hệ vòng kín Khi này, bộ PID_Compact sẽ luôn được gọi trong hàm ngắt OB30 (Interupt mỗi 100ms để thực hiện tính toán, tinh chỉnh sao cho giá trị của hệ điều khiển sẽ luôn gần bằng giá trị Setpoint đã cài đặt.
Hình 3.3.Quá trình thực hiện chương trình trong hàm ngắt
Bộ điều khiển PID được tích hợp sẵn bộ tự chỉnh (auto-tuning) Để enable chế độ tự động dò thông số PID trước tiên cần vào Technology Object → PIDCompact →
Configuration → Controller type → Set mode to: Automatic mode.
Hình 3.4 Cài đặt chế độ tự động cho bộ điều khiển
Tiếp theo ta sẽ vào mục Comissioning để tiến hành chạy thử cho bộ điều khiển Khi này sẽ gồm các tham số cần lưu ý như sau:
Measurement: cho phép lựa chọn thời gian lấy mẫu để giám sát đồ hị hoạt động của PID với thời gian nhỏ nhất là 0.3s.
Tuning mode: cho phép chọn chế độ tự chỉnh với hai chế độ: Pretuning và Fine tuning.
Chương trình cũng hỗ trợ hiển thị đồ thị cho giá trị cài đặt SP (đường màu đen), giá trị quá trình PV (màu xanh) và ngõ ra Output (màu đỏ) để giám sát quá trình tuning.
Bảng Online status of controller được sử dụng để giám sát, kiểm tra và dựa vào để hiệu chỉnh các tham số đạt hiệu quả như mong muốn.
Hình 3.5.Bảng Online status of controller.
Pretuning: quá trình này sẽ thực hiện việc dò tham số PID đáp ứng nhanh nhất có thể đối với quá trình xác lập hệ thống nên ta sẽ thực hiện bước pretuning đầu tiên
Dể chế độ Pretuning hoạt động thì phải thỏa một trong hai điều kiện là: hiệu giá trị
SP – PV ≥ 30% * (giá trị giới hạn trên – giá trị giới hạn dưới) của PV hoặc SP –
Fine tuning: phân tích các dao động của bộ PID gây ra việc mất cân bằng tại giá trị đặt hay để nói đơn giản hơn quá trình sẽ thực hiện dò các tham só đáp ứng việc xác lập quá trình cho hệ thống Ta sẽ thực hiện quá trình này sau khi đã Pretuning.
- Tiến hành Comissioning bằng cách nhấn tại mục Measurement.
Hình 3.6.Chọn thời gian lấy mẫu.
Khi này tại mục Tuning status hiện “Tuning has not been start yet” tức là hệ thống vẫn chưa được thực hiện chế độ tự chỉnh
Hình 3.7 Màn hình khi bắt đầu Start.
Phía Tuning mode chọn Pretuning và bấm để thực hiện quá trình Pretuning Tuy nhiên do giá trị Setpoint và Input không thỏa điều kiện đã nêu ở trên nên ta sẽ thực hiện Fine tuning.
Hình 3.8 Báo lỗi không thể Pretuning.
Sau khi chọn Fine tuning tại Tuning status gồm mục Progress thể hiện tiến độ dò tham số và Status để thông báo trạng thái của quá trình Lúc này chương trình đang trong quá trình tìm thông số phù hợp nhất.
Hình 3.9 Quá trình Fine tuning.
Sau thực hiện xong quá trình Fine tuning thì chương trình đã dò xong bộ tham số PID phù hợp cho hệ thống Mục Tuning status thông báo “System tuned” tức là đã hoàn thành quá trình Khi này, giá trị Input sẽ xấp xỉ với giá trị Setpoint là 675.
Hình 3.10 Fine tuning hoàn tất.
Mỗi khi ta đổi giá trị Setpoint thì bộ điều khiển sẽ luôn hiệu chỉnh sao cho giá trị Input đạt tới gần giá trị Setpoint nhất Giả sử ta đặt giá trị Setpoint cho động cơ là 1000 rpm thì sau một khoảng thời gian giá trị Input sẽ trả về bằng với Setpoint Điều này được thể hiện qua đồ thị.
Hình 3.11 Đáp ứng của bộ điều khiển sau khi đặt giá trị Setpoint là 1000 vòng/phút.