Đang tải... (xem toàn văn)
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
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP»»—————«»—————««
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ AC 3 PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG PLC S7-1200 VÀ BIẾN TẦN ATV 12 BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID
GVHD: TS NGUYỄN VINH QUANSVTH: PHẠM HỮU KHƯƠNG DUYMSSV: 20142479
TP.Hồ Chí Minh, Ngày 5 Tháng 12 Năm 2023
Trang 2Đồ Án Môn Học GVHD: TS.Nguyễn Vinh Quan
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: iii
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ 1
1.1.Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha: 1
1.2.1.3.Cấu tạo bên trong và các module mở rộng: 2
1.2.1.3.1.Cấu trúc bên trong: 2
1.2.1.3.2 Các module mở rộng 3
1.2.2 Cài đặt biến tần để kết nối với PLC: 3
1.2.2.1.Cài đặt lệnh chạy biến tần (Command channel 1) 3
1.2.2.2 Cài đặt loại điều khiển: 4
1.2.2.3.Cài đặt tham chiếu tần số 4
1.2.2.4.Cài đặt thông số cho động cơ: 5
1.2.2.5.Cài đặt thời gian tăng tốc, giảm tốc: 5
1.2.2.6.Cài đặt ngõ vào analog 5
1.2.3 Cách kết nối PLC S7-1200 với biến tần Schneider ATV12 6
CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ TÌM HIỂU VỀ CÁC CÂU LỆNH TRONG PLC 7
2.1.Các câu lệnh trong PLC để điều khiển tốc độ động cơ: 7
SVTH: Phạm Hữu Khương Duy Trang i
Trang 3Đồ Án Môn Học GVHD: TS.Nguyễn Vinh Quan
2.1.1.Lệnh để đọc tốc độ động cơ từ encoder (đọc xung tốc độ cao HSC): 7
2.1.2.Khối điều khiển PID: 10
2.1.2.1.Chu kì ngắt (clying interuptr): 10
2.1.2.2.Tìm hiểu lệnh PID_Compact 11
2.1.2.2.4 Bộ điều khiển PID 11
2.1.2.2.5 Tìm hiểu lệnh PID_Compact: 11
2.1.2.2.5.1 Miêu tả bộ điều khiển PID_Compact 11
2.1.2.2.5.2 Thông số vào/ra của lệnh PID_compact: 12
2.1.2.2.5.3 Cấu hình đối tượng kỹ thuật TO cho PID_compact : 13
2.1.2.2.5.4 Thực hiện Commissioning cho bộ PID_Compact : 16
2.1.3.Chuyển đổi giá trị ngõ ra thành tín hiệu analog để điều khiển biến tần: 17
2.1.3.1.Lệnh NORM_X: 17
2.1.3.2.Lệnh SCALE_X: 18
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH VIẾT TRÊN TIA PORTAL V16 VÀ MÔ PHỎNG SỬ DỤNG THƯ VIỆN LSIM_PT1: 20
3.1 Chương trình viết trên tia portal v16: 20
3.2 Mô phỏng sử dụng thư viện Lsim_PT1: 21
KẾT LUẬN: 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO: 27
SVTH: Phạm Hữu Khương Duy Trang ii
Trang 4Đồ Án Môn Học GVHD: TS.Nguyễn Vinh Quan
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Hiện nay trong công nghiệp, việc điều khiển tốc độ động cơ là vấn đề được quan tâm vì động cơ được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp với rất nhiều ứng dụng cần điều khiển tốc độ của động cơ: Băng tải, quạt thông gió, máy xay,… Có nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề này nhưng việc điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp PID gần như là toàn diện bởi việc dễ thực hiện, có khả năng tinh chỉnh cũng như độ đáp ứng nhanh 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.
Do lượng kiến thức còn hạn chế nên nếu có những thiếu sót nên kính mong nhận được nhận từ thầy để em có thể hoàn thiện kiến thức về vấn đề này hơn.
Xin chân thành cảm ơn thầy.
SVTH: Phạm Hữu Khương Duy Trang iii
Trang 5CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ1.1.Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha:1
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.1.1.2.Nguyên lý hoạt động:
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
1.2 Tìm hiểu về PLC S7 1200 và biến tần ABB ACS150 :1.2.1 Tìm hiểu về PLC S7-1200:
1.2.1.1.Giới thiệu về PLC S7 1200:
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.
1 Giáo trình máy điện
1
Trang 6Hình 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:
1.2.1.3.1.Cấu trúc bên trong:
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.
2
Trang 7Hình 1.4.Cấu trúc bên trong của PLC.1.2.1.3.2 Các module mở rộng
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:
3
Trang 8rdy COnF FULL CtL Cd1
Hình 1.7.Cài đặt lệnh chạy biến tầnCd1=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.
Chọn Cd1=tEr.
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 Chọn tCC=2C.
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.
4
Trang 9Fr1= 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.
Chọn Fr1 = AI1.
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.
1.2.2.6.Cài đặt ngõ vào analog
Chọn loại ngõ vào analog:
5
Trang 10rdy COnF FULL I_O AI1 AI1t.
Hình 1.11.Chọn loại ngõ vào analog.
Allt = 5u: Voltage: 0-5 Vdc Allt = 10u: Voltage: 0-10 Vdc Allt = OA: Current x-y mA → 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 = 20mA1.2.3 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.
ATV12
Trang 11CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ TÌM HIỂU VỀ CÁCCÂU LỆNH TRONG PLC
2.1.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:
1 Device configuration 2 High speed counters (HSC) 3 HSC 1
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.
7
Trang 12Hình 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).
8
Trang 13Hình 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
Trang 14Từ 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.Khối điều khiển PID:
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
10
Trang 15Hình 2.9.Chọn Cycling interrupt để tạo lệnh chu kỳ ngắt.2.1.2.2.Tìm hiểu lệnh PID_Compact.
2.1.2.2.4 Bộ điều khiển PID
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:
Trang 162.1.2.2.5 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) Manual mode (Mode/ State = 4)
Substitute output value with error monitoring - giá trị ngõ ra khi có lỗi xảy ra
Trang 17Hình 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 compactBước 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.
13
Trang 18Hình 2.14.Mục “Controller type”
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:
14
Trang 19Hình 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
Hình 2.19.Mục “PWM limits”
• 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.
15
Trang 20Hình 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.
Hình 2.21.Mục” PID Parameters”
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.
Các bước cài đặt:
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:
16