Vấn đề quan trọng trong các dây chuyển sản xuất là điều khiển chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chuyền quay động cơ để nâng cao năng suất Hệ thống điều khiển chỉnh lưu – động cơ điện một chiề
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Cấu trúc chung hệ truyền động điện một chiều
Hệ truyền động điện tự động là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ
BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ;
GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành
Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:
- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt
- Phần điều khiển (mạch điều khiển) gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành Đồng thời một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển
Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ
10 1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện một chiều
- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định
- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình
- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động
- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v…
1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
1.1.3.1 Khái niệm đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động cơ:
M= f() Thường người ta phân biệt hai loại đặc tính cơ:
- Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính có được khi động cơ nối theo sơ đồ bình thường, không sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ khác và các thông số nguồn cũng như của động cơ là định mức Như vậy mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên
- Đặc tính cơ nhân tạo hay đặc tính cơ điều chỉnh là đặc tính cơ nhận được sự thay đổi một trong các thông số nào đó của nguồn, của động cơ hoặc nối thêm thiết bị phụ trợ vào mạch, hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt Mỗi động cơ có thể có nhiều đặ tính cơ nhân tạo Độ cứng đặc tính cơ: Đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm “độ cứng đặc tính cơ” và được tính:
Nếu đặc tính cơ tuyến tính thì:
- Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ cứng ( 40)
- Động cơ một chiều kích từ độc lập có độ cứng đặc tính cơ mềm ( 10) 1.1.3.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Khái niệm: Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ ω = f(M) hoặc n=f(M)
Phương trình đặc tính cơ:
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
Uư: điện áp phàn ứng (V)
Eư: Suất điện động phần ứng (V)
Rư: Điện trở của mạch phần ứng (Ω)
Rf: Điện trở phụ trong mạch phàn ứng (Ω)
Iư: Dòng điện mạch phần ứng (A)
Với Rư = rư + rcf + rb +rct rư: điện trở cuộn dây phần ứng rcf: điện trở cuộn cực từ phụ r b : điện trở cuộn bù rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện
Sức điện động E ư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
E ư = P.N 2Пa ω.Ф = K ω Hình 1.2 Độ cứng đặc tính cơ
Hình 1.3 Sơ đồ nối dây động cơ kích từ độc lập
12 Trong đó: p: số đôi cực từ chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song Ф: từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb) ω: tốc độ góc (rad/s) k = P.N 2Пa (k: là hệ số cấu tạo của động cơ) Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
60a (Hệ số sức điện động của động cơ)
Ta có phương trình đặc tính cơ điện của động cơ: ω = U ư
Mặt khác Mđt của động cơ được xác định: Mđt=k Ф
Và bỏ qua các tổn thất cơ vâ tổn thất thép thì momen trên trục bằng momen điện từ Cuối cùng ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập : ω = U ư
Từ phương trình đặc tính ở cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi được là Uư , R ư + R f ,Φ.
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Nhận xét:Từ phương trình đặc tính cơ ω = U ư
KФ - R ư +R f (KФ) 2 M, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho ứng với 3 phương pháp đó là :
Hình 1.4 Sơ đồ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
- U : Là giá trị điện áp đặt vào phần ứng
- Rư + Rf: Là điện trở mạch phần ứng
- Φ: Là từ thông của động cơ
1.2.1 Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch phần ứng
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f
N ếu ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const ; và từ thông = dm = const; thay đổi điện trở phần ứng ta sẽ được:
- Tốc độ không tải lý tưởng:
- Độ cứng đặc tính cơ:
= var Đặc điểm của phương pháp:
- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn
- Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Hình 1.6 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phần ứng
- Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt điện trở lớn
- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào mômen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh càng nhỏ
Trong thực tế, khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gây ra một tổn hao công suất rất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ nên phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở
1.2.2 Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ
Giả thiết ta giữ điện áp phần ứng U ư = Udm = const; điện trở phần R ư = const; và thay đổi dòng điện kích từ I kt của động cơ Điều này tương ứng với việc từ thông của mạch từ sẽ thay đổi
- Độ cứng đặc tính cơ:
- Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông Khi giảm từ thông thì ox tăng dần ( 0 0 , động cơ làm việc ở chế độ động cơ
+ Nếu E < 0 động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược
- Trong khoảng = [/2max] thì tải có tính chất thế năng Để quay ngược động cơ, lúc này Ed và E đổi dấu Nên dòng điện Iu vẫn chạy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều trả về lưới Ưu nhược điểm của hệ T- Đ
+ Độ tác động nhanh cao
+ Dễ tự động hoá, van có hệ số khuếch đại công suất lớn nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống
+ Điều khiển góc mở van có thể điều chỉnh tốc độ nhanh
+ Công suất điều khiển nhỏ, giá thành rẻ hơn so với các hệ truyền động khác
+ Van bán dẫn có dòng phi tuyến, thời gian quá độ sẽ lớn
+ Điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở xấu dạng điện áp của nguồn hoặc lưới
+ Hệ số công suất của mạch thấp.
Bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 1 pha
1.4.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng
Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng
Trong sơ đồ có 4 Tiristor đựơc điều khiển bằng các xung dòng tương ứng i t1, i t2, i t3, i t4 Mạch chỉnh lưu dược cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với điện áp
Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u 2 nhưng xuất hiện sau u 2 Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một góc α
Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2 một góc (π + α.) Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u 2 = 0
Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L
Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id
Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:
Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu
Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc
Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2 và E
Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < ωt < π), U2 > 0, các Tiristor T1 và T3 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở
Tại thời điểm α = θ 1 = ωt 1 ta cho xung điều khiển mở T 1 và T 3 : U d = U 2
Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) U d = U 2 = U 2m sin ωt (v)
Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện qua tải:
Tại lúc góc pha bằng π, U 2 = 0 nhưng T 1 và T 3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng vẫn còn lớn hơn 0
19 Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U 2 < 0, các Tiristor T 2 và T 4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở
Tại thời điểm θ = θ 2 = ωt 2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T 2 và T 4 : U d = - U 2
Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v)
Sự mở T 2 và T 4 làm cho U N = U B và U M = U A Do đó điện áp trên T 1 và T 3 là:
UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0
Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên
Hình 1.11 Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng điều khiển tải 1.4.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng
1.4.2.1 Sơ đồ mắc catot chung
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng catot chung
Sơ đồ các van Thyristor mắc theo kiểu catốt chung chúng được mở ở các thời điểm góc mở của nó Các van điốt chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn
- Tại thời điểm t = t1 cho xung điều khiển vào mở T1 Trong khoảng thời gian từ t1 đến , Thyristor T1 và điốt D2 mở cho dòng chảy qua Khi U2 bắt đầu đổi dấu,điốt D1 mở ngay, T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1
- Từ thời điểm t = (+ ) thì có điốt D 1 và T 1 cùng dẫn cho dòng chảy qua nên
- Tại thời điểm t = t2 = (+) thì cho xung điều khiển mở T2 Dòng tải id = Id chảy qua điốt D 1 và Thyristor T 2 Điốt D 2 bị khoá lại
- Trong sơ đồ này ,góc dẫn dòng của Thyristor và điốt là không bằng nhau Góc dẫn dòng của điốt là D = (0 ) , còn góc dẫn dòng của Thyristor là T = (
- Như vậy ở sơ đồ này có hai đoạn dẫn của của hai nhóm van T1, D1 và T2, D2 do đó ở những đoạn này tải bị ngắn mạch nên Ud = 0 Như vậy dòng id vẫnliên tục, song dòng i2 lại đứt đoạn do dòng id chảy qua hai van điốt thẳng hàng mà không về nguồn Điều này sẽ có lợi về năng lượng vì năng lượng không bị trả về nguồn mà giữ lại trong tải
- Trị trung bình điện áp tải
- Trị trung bình dòng điện tải: Id Rd Ud
- Trị trung bình dòng điện qua Thyristor là: I T 2
Hình 1.13 Đồ thị dạng điện áp ra
21 1.4.2.2 Sơ đồ thyristor mắc thẳng hàng
Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng mắc thẳng hàng
Trong sơ đồ này các điôt D1 ,D2 vẫn mở tự nhiên ở nửa đầu các chu kỳ: D1 mở khi U 2 âm; D 2 mở khi U 2 dương Các Thyristor mở theo góc mở Tuy nhiên các van khoá theo nhóm: D1 dẫn sẽ làm T1 khoá, T1 dẫn thì D1 bị khoá
Tương tự D 2 dẫn thì T 2 khoá và ngược lại, T 2 dẫn thì D 2 khoá
- Tại thời điểm t =t1 cho xung điều khiển mở Thyristor T1 Trong khoảng thời gian từ t 1 , Thyristor T 1 và điốt D 2 cho dòng chảy qua Khi U 2 bắt đầu đổi dấu, điốt D1 mở ngay làm cho Thyristor T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1 Điốt D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud = 0
- Trong khoảng (+) thì điốt D 1 ,D 2 dẫn
- Tại thời điểm t = t 2 = ( + ) cho xung điều khiển mở T 2 Dòng tải i d = I d chảy qua điốt D1 và T2 Điốt D2 bị khoá lại Như vậy từ thời điểm t = (+) 2 thì
T2 ,D1 cùng dẫn, T1 dẫn làm D2 khoá Ud = - U2
- Trong sơ đồ này ta thấy góc dẫn dòng của Thyristor và của điốt không bằng nhau Góc dẫn của điốt là D = ( + ) , còn góc dẫn của Thyristor là T = ( -
- Trong khoảng thời gian t = (+) thì chỉ có điốt D1, D2 dẫn dòng, tải bị ngắn mạch nên ở các đoạn này điện áp tải U d = 0
- Dạng điện áp Ud như hình vẽ, đồ thị dẫn của van cho thấy chúng dẫn không bằng nhau:
- Trị trung bình điện áp tải:
- Trị trung bình của dòng điện tải: Id Rd Ud
- Trị trung bình dòng điện qua van là:
Hình 1.15 Đồ thị dạng điện áp ra
23 1.4.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
+ Dùng 2 điện áp : URC,Uđk
- Điện áp răng cưa (U RC ) có dạng tuyến tính được động bộ từ lưới điện, và thông thường thời điểm tạo điện áp răng cưa trùng với thời điểm chuyển mạch tự nhiên
- Điện áp điều khiển (U đk )là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ
+ Điện áp răng cưa (URC) và điện áp điều khiển (Uđk) được đưa vào bộ so sánh, khi URC=Uđk sẽ có xung điều khiển mở thông Thyristor
+ Bằng cách thay đổi điện áp điều khiển U đk ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển mở Thyristor ( tức là điều khiển góc mở α (α = Π
Hình 1.16 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN24 2.1 Lựa chọn phương án
Phân tích đề tài
Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tốc độ hệ truyền động điện chỉnh lưu- động cơ điện một chiều
- Tìm hiểu kiến thức về PLC, bộ biến đổi, phương pháp điều khiển bộ biến đổi
- Biết cách tổng hợp kiến thức cho việc xây dựng bài toán điều khiển giám sát ứng dụng thực tế
- Ứng dụng các thiết bị trong phòng thực hành điều khiển điện 402-A7, xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát cho hệ truyền động điện chỉnh lưu- động cơ điện một chiều
Vai trò của động cơ DC trong thực tế: Vì động cơ DC quay với tốc độ nhanh, động cơ xoay vòng liên tục… nên được sử dụng trong các thiết kế cần sử dụng 1 thiết bị quay với tốc độ cao (rpm) như trục bánh xe ô tô, cánh quạt máy… Điều khiển động cơ điện một chiều (DC Motor) là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì DC Motor là cơ cấu chấp hành (actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động (ví dụ robot) Điều khiển được DC Motor là bạn đã có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động Đề tài là một bài tổng hợp nhiều vấn đề ứng dụng PLC bao gồm nhận dữ liệu từ người dùng, điều khiển motor, đọc encoder, hiển thị màn hình HMI, cả giải thuật điều khiển PID…Do đó, chúng ta phải nắm được các vấn đề cơ bản như lập trình, mạch cầu
Có 2 phương pháp điều khiển động cơ DC là analog và digital Sử dụng bộ biến đổi AC/DC có sẵn tín hiệu điều khiển analog để điều khiển tốc độ động cơ DC
Vì vậy ta dùng phương pháp điều khiển tương tự analog Sử dụng PLC điều khiển động cơ DC bằng phương pháp sử dụng ngõ ra analog của PLC đấu vào chân điều khiển analog của bộ biến đổi AC/DC
Sơ đồ khối hệ thống:
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
25 Đây là hệ kín, cho phép điều khiển động cơ DC tối ưu:
Yêu cầu cho điều khiển:
- Hiển thị được tốc độ động cơ
- Vẽ được đường đặc tính
- Tính toán thông số bộ PID
- Cảnh báo ngưỡng vướt quá tốc độ
Khi nói đến điều khiển động cơ DC, đại lương điều khiển chính là vận tốc.
Đo tốc độ động cơ bằng Encoder
Encoder là một thuật ngữ chỉ các bộ mã hóa vòng quay Cấu tạo cơ bản của nó gồm một cặp diode thu phát tín hiệu quang học từ một đĩa tròn (chuyển động tròn) hay một thước thẳng (Chuyển động dài) có đục lỗ hay sơn tạo các điểm có khoảng cách đều Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm…
Encoder là một phần tử được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, hay đơn giản như gắn trong bánh xe hơi để báo vận tốc
2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của encoder
Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder) Trong đa số các DC Motor, incremental optical encoder được dùng và mô hình động cơ trong đồ án này cũng không ngoại lệ Khi nói encoder tức là incremental encoder
26 Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index) Trong hình 2 bạn thấy hãy chú ý một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này Đó là kênh I của encoder Cữ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder
Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển Tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder
Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ
27 Hình 2.3 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh
Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp
Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao
Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A)
Là bộ biến đổi tín hiệu xung (tần số) sang tín hiệu điện áp, bộ biến đổi này có tác dụng chuyển tín hiệu xung từ encoder khi đọc tốc độ sang tín hiệu analog dạng điện áp 0-10V, PLC sẽ đo tốc độ bằng tín hiệu điện áp và tính toán ra tốc độ động cơ
Hình 2.3 Hai kênh A, B lệch pha nhau trong encoder
Thuật toán điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra
Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD, hoặc PID để hiệu chỉnh sai số Nhìn chung, bộ điều khiển PID “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trị thích hợp cho ba thông số P,I,D
Trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số.Hầu hết các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh
Luật điều khiển PID được định nghĩa: u(t) = KP ( e(t) +
Trong đó u là tín hiệu điều khiển và e là sai lệch điều khiển (e = y sp - y)
Hàm truyền của bộ điều khiển PID:
1 Thành phần tỉ lệ (P) u(t) = Kpe(t) Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t) = 0 Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu
Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
29 Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ
Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ p vẫn tồn tại sai lệch tĩnh
2 Thành phần tích phân (I) u(t) = K I Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t) 0 Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân
Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi e(t) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định
Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống
Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín Do động học của quá trình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm so với sự thay đồi của sai lệch e (t) và đầu ra y(t) của quá trình Thành phần vi phân đóng vai trò dự đoán đầu ra của quá trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên chiều huớng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t), làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ
Một uu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định đuợc với các bộ p hay PI
Nhuợc điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên
4 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
Phương pháp dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang (Phương pháp Ziegler-Nichols 1):
30 Dựa trên hai giá trị xác định được là điểm cắt với trục hoành và độ dốc a các tham số của bộ điều khiển được xác định theo bảng:
Bộ điều khiển KP Ti TD
Bảng 1 Chọn hệ số cho bộ điều khiển băng phương pháp ZN1
Phương pháp này có một số nhược điểm như sau:
- Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng được cho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định
- Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt
- Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu và a kém chính xác
- Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động (Hệ số tắt dần khoảng 0.25)
PLC S7-1200 cung cấp: Một bộ PID_Compact với chức năng tự điều chỉnh bằng tay hoặc tự động có thể điều khiển lập trình dễ dàng Việc sử dụng PLC sẽ làm cho thuật toán đơn giản hơn rất nhiều khi máy tính hầu như đã làm hết công việc tính toán cho bộ điều khiển
Hình 2.5 Xác định tham số của đặc tính quá tính
31 Hình 2.6 Giao diện bộ PID trong phần mềm
Setpoint IN Real Điểm đặt của bộ điều khiển PID trong chế độ tự động.Giá trị mặc định:0.0
Process value Default value(Giá trị mặc định): 0.0
You must also set sPid_Cmpt.b_Input_PER_On
Giá trị xử lý analog(tùy chọn).Giá trị mặc định: W#16#0
You must also set sPid_Cmpt.b_Input_PER_On
Cho phép hoặc không cho phép chế độ vận hành bằng tay.Default value: FALSE
- Trên cạnh của sự chuyển đổi từ FALSE sang TRUE,bộ điều khiển PID chuyển sang chứ độ bằng tay,State=4 và sRet.i_Mode vẫn không đổi
- Trên cạnh của sự thay đổi từ TRUE sang FALSE,bộ điều khiển PID chuyển tới chế độ vận hành cuối cùng và State = sRet.i_Mode
ManualValue IN Real Giá trị xử lí cho việc vận hành bằng tay
Khởi động lại bộ điều khiển Default value: FALSE
Nếu Reset=TRUE,những điều sau đây được áp
- mode Chế độ vận hành không hoạt động
- Integral part of the process value = 0
- Giá trị trung gian của hệ thống được reset các thông số PID được duy trì)
ScaledInput OUT Real Scaled process value Default value: 0.0
Output(1) OUT Real Output value Default value: 0.0
Output_PER(1) OUT Word Analog output value Default value: W#16#0
Output_PWM(1) OUT Bool Output value for pulse width modulation
Default value: FALSE SetpointLimit_H OUT Bool
Giới hạn trên của SP Default value: FALSE Nếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến giới hạn trên tuyệt đối của SP Default value: FALSE SetpointLimit_L OUT Bool
Giới hạn dưới của SP Default value: FALSE Nếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến giới hạn dưới tuyệt đối của SP Default value: FALSE InputWarning_H OUT Bool
Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn trên Default value: FALSE
Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn dưới Default value: FALSE
Chế độ vận hành hiện tại của bộ điều khiển PID Default value: 0
Sử dụng sRet.i_Mode để chuyển chế độ
- State = 1: Pretuning (điều chỉnh sơ bộ)
Error OUT DWord Error message Default value: DW#16#0000 (no error) (1)Các thông số Output, Output_PER, và Output_PWM được sử dụng song song
Sơ đồ khối thực hiện lệnh PID trong PLC:
Hình 2.7 PID xử lý tín hiệu vào ra
Hình 2.8 Điều khiển tự động trong PI
Tính chọn thiết bị
35 2.2.2 Bộ biến đổi AC/DC
Hình 2.10 Bộ biến đổi AC/DC
1 Bằng tay: nối dây từ chân điều khiển màu vàng vào chân VR màu xanh lá và điều khiển động cơ bằng núm xoay VR
2 Sử dụng PLC: nối chân AQ0 vào chân điều khiển màu vàng, chân 0M vào chân điều khiển màu đen và điều khiển bằng tín hiệu analog 0-10V của PLC
Encoder omron e6b2cwz6c 2000p/r 5-24v: Đường kính trục: 6mm Đường kính thân: 40mm
Dải điện áp hoạt động rộng 5-24 VDC (model collector hở)
Dòng tiêu thụ : tối đa 160 m Độ phân giải cao (tới 2000 xung/ vòng) cải thiện độ chính xác của phép đo
Dễ dàng chỉnh chỉ số zero (pha Z) bằng chức năng chỉ thị gốc
Tần số đáp ứng: 100KHz
Tải lớn : 30N theo phương của bán kính và 20 N theo chiuề dọc trục
Chống ngắn mạch của tải và kết nối ngược
Có model đầu ra Line driver (cáp kéo dài tới 100 m)
Có khả năng chống sốc tốt hơn do có đĩa kim loại (tối đa 600 p/r)
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thong qua một ngôn ngữ lập trình người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:
+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
+ Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa
+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên bên canh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả…
Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn
Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng cửa quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay
PLC Siemens S7-1200 CPU 6ES7 214-1AG40-0XB0 DC/DC/DC Để xuất được tín hiệu analog thì ta cần thêm bộ module: Analog output SM 1232 2AO 6ES7232- 4HB32-0XB
Hình 2.12 Module CPU 214 DC/DC/DC
Power supply (Nguồn nuôi) : 24VDC
Digital Inputs (Ngõ vào số) : 14 DI DC
Digital outputs (Ngõ ra số) : 10 DO DC
Expansion Analog module (Khả năng mở rộng Analog) : 2 AI + 2AO (module mở rộng)
Program language (Ngôn ngữ lập trình) : Ladder / STL
RTC (thời gian thực) : Tích hợp sẵn
Communication (truyền thông) : RS485 qua cáp PC/PPI
Communication Expansion (truyền thông mở rộng) : Modbus, Profibus, Devicenet
Mã sản phẩm : PLC 6ES7 214-1AG40-0XB0
Module mở rộng: 6ES7232-4HB32-0XB
Digital inputs 14 (6 High Speed Counting)
Digital outputs 6 (4; 100 kHz Pulse Train Output)
Hình 2.13 Sơ đồ đi dây PLC
40 2.2.4.3 Module mở rộng tín hiệu vào ra
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp linh hoạt trong sử dụng s7-1200 Tính đa dạng curac các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển
2.2.4.4 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC
Tất cả PLC đều có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAM bên trong, một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các module I/O Bên cạnh đó, một số PLC hoàn chỉnh còn đi kèm theo một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình là đơ vị sách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485,…
Nguyên lý hoạt động của PLC:
CPU 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 từng lệnh trong chương trình, 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
Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: o Address bus: bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau o Data bus: bus dùng để truyền dữ liệu o Control bus: bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thời và điều khiển đồng bộ các hoạt động của PLC
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1,8Mhz Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống
Có 3 loại đèn báo hoạt động:
Run/Stop: đèn xanh/đèn vàng báo hiệu PLC đang hoạt động/dừng hoạt động
Maint: đèn báo khi ta buộc (Force) địa chỉ nào đó lên 1
Có 2 loại đèn chỉ thị:
Ix.x: chỉ thị trạng thái logic ngõ vào
Qx.x: chỉ thị trạng thái logic ngõ ra
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, gọi các Relay
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này gọi là quá trình đọc
Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng
+RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kì lúc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho P a g e | 10 RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao
+EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành Nếu người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM
+EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó có thể xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn
Hình 2.15 Màn hình cảm ứng Weintek 2.2.5.1 Giới thiệu về màn hình Weintek
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát
- Sơ đồ khối hệ thống:
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát hệ truyền động điện một chiều Thiết kế mạch lực:
+ Động cơ một chiều DC cỡ vừa hoặc nhỏ
+ Tải một chiều để tiêu thụ công suất động cơ DC
+ Mômen tải để thay đổi độ nặng của tải, theo dõi đặc tính của động cơ
+ Thiết bị để phản hồi tốc độ với độ chính xác cao : Encoder, bộ biến đổi F-U Nguyên lý điều khiển:
PLC phát tín hiệu điện áp 0-10V điều khiển bộ AC/DC, bộ AC/DC nhận và phát tín hiệu với đầu ra làm quay động cơ DC Khi động cơ quay, encoder sẽ đưa tín hiệu xung vào bộ biến đổi F-U, bộ biến đổi F-U phản hồi tín hiệu điện áp về PLC, PLC từ tín hiệu điện áp sẽ đọc số vòng quay hồi tiếp về bộ PID trong PLC Bộ PID sẽ hiệu chỉnh tín hiệu sao cho tốc độ đọc về sát với tốc độ đặt Như vậy hệ thống tương đối ổn định
+ Là bộ phận lập trình điều khiển giám sát hệ thống
+ Điều khiển, ổn định động cơ
+ Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát, cảnh báo tốc độ động cơ
- Bộ biến đổi AC/DC:
+ Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều
+ Nhận tín hiệu điều khiển từ PLC
- Encoder: Phản hồi tín hiệu về bộ F-U
- Bộ biến đổi F-U: Biến đổi giá trị dạng xung về dạng điện áp 0-10V, phản hồi về PLC.
Các thiết bị điều khiển giám sát
3.2.1 PLC S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC
Hình 3.2 Module PLC S7-1200 6ES7214-1AE40-0XB0 DC/DC/DC
Hình 3.3 Mômen điều chỉnh tải một chiều
45 3.2.3 Sơ đồ đấu nối mô hình thực tế
Hình 3.4 Sơ đồ đấu nối các module + Kết nối chân RJ45 của màn hình cảm ứng với chân RJ45 của PLC
+ Ngõ ra analog AQ1 và 1M của PLC lần lượt đấu vào chân vàng vàng và đen của mạch điều khiển bộ AC/DC
+ Cổng DB9 được kết nối với ngõ vào analog AI0 và 2M
+ Ngõ ra +Vdc và –Vdc của bộ biến đổi AC/DC được kết nối lần lượt vào chân +U và –U của bộ kết nối và logic điều khiển tải
+ Cuối cùng là cấp nguồn cho các module tương ứng.
Cài đặt phần mềm và cấu hình HMI WEINTEK
Download phần mềm Easy Builder Pro
Khởi động phần mềm, chọn đúng loại màn hình MT8102iP (1024x600)
Hình 3.5 Chọn màn hình HMI và địa chỉ IP của HMI WEINTEK
+ Thêm PLC vào phần mềm HMI, thêm địa chỉ của PLC bằng import tags
+ Chú ý địa chỉ IP của PLC trong HMI phải trùng với địa chỉ IP của PLC thật
+ Địa chỉ IP của HMI phải cùng Gateway với địa chỉ IP của PLC
47 Hình 3.6 Chọn PLC trong HMI và cài địa chỉ IP
Trong phần Device type, chọn Siemens S7-1200/S7-1500(Absolute Addressing) (Ethernet)
Chọn Settings… và cài địa chỉ IP cho PLC trùng với địa chỉ IP của PLC trong TIA Portal
PHÂN TÍCH, LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG
Lập trình cho PLC
Hình 4.1 Khởi tạo project mới Add CPU 1214 DC/DC/DC:
Article no: 6ES7 214-1AG40-0XB0
Hình 4.3 Giao diện phần cứng CPU 214 DC/DC/DC 4.1.2 Cấu hình và lập trình cho bộ điều khiển
Thiết lập phần cứng cho CPU:
Hình 4.4 Thiết lập module analog output B1: Vào phần Hardware catalog
B2: Chọn phần AQ – AQ2x14BIT
B3: Chọn đúng mã phần cứng của module mở rộng: 6ES7232-4HB32-0XB
50 Hình 4.5 Thiết lập module mở rộng analog output B4: Kích đúp vào phần module mở rộng analog output mới thêm
B5: Trong phần properties, mục AQ 2, Chanel0, ta chọn loại ngõ ra Analog output type là dạng Voltage, địa chỉ mặc định là QW112 Chanel1, ta chọn tương tự và địa chỉ mặc định là QW114
Hình 4.6 Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC tag
Hình 4.7 Tên biến, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong khối DB
51 Cấu hình bộ PID Compact:
+ Bộ PID là chương trình ngắt -> Chọn OB (Organization block) -> Chọn Cyclic interrupt -> Trong mục Cyclic time (ms) chọn chu kì 300 ms
Trong Cycle interrup: Lấy khối PID_Compact
- Setpoint: Đặt giá trị (Real)
- Input: Giá trị đầu vào (Real)
- Input_Per thường dùng cho tín hiệu Analog
- Output: Đầu ra điều khiển kiểu %
- Output_PER: Đầu ra điều khiển kiểu Analog
Hình 4.9 Gọi ra khối PID_Compact Hình 4.8 Chương trình ngắt Cyclic interrupt
- Trong chương trình ngắt PID có thể chạy sai và dừng:
Hình 4.10 Chương trình xử lý lỗi PID
Bộ PID_Compact chạy sẽ đưa ra giá trị đầu ra dạng Analog rồi đưa vào bộ biến đổi AC/DC để điều khiển
+ Basic settings -> Controller type -> Chọn Automatic mode để bộ PID chạy tự động tìm kiếm thông số bộ điều khiển
Hình 4.11 Bảng cấu hình cho bộ PID
53 Hình 4.12 Chọn đầu vào ra cho bộ PID + Input/output parameters chọn đầu vào là Input, đầu ra là Output_PER (analog) + Process value settings ->Process value limits : Giới hạn tốc độ đầu ra Process value high limit : 1800.0 (1/min)
+ Process value low limit : 0.0 (1/min)
Hình 4.13 Đặt giá trị giới hạn cho tốc độ + Advanced settings -> Output value limits: Ngõ ra xung Output value high limit: 100.0 %
54 Hình 4.14 Đặt giá trị giới hạn cho phát xung Lập trình cho bộ điều khiển (OB):
Hình 4.15 Đọc tốc độ động cơ
- Encoder đọc xung, bộ biến đổi F-U đưa dạng xung về dạng điện áp 0-10V Giá trị này kiểu Real -> Move vào ô nhớ MD30(SPEED) để bộ PID_Compact so sánh, tính toán điều khiển điện áp ra để ổn định tốc độ động cơ
Hình 4.16 Thay đổi tốc độ động cơ bằng tay trên HMI
- Khi kết nối HMI sẽ giúp tăng hoặc giảm tốc độ động cơ theo số vòng
- Ví dụ: ADD_SPEED = SUB_SPEED = 100, SETPOINT = 500, khi ta ấn PULSE_ADD hoặc PULSE_SUB, số vòng SETPOINT sẽ tăng hoặc giảm 100 vòng, tiện lợi hơn khi ta phải nhập số vòng trực tiếp bằng tay
56 Hình 4.17 Cảnh báo tốc độ động cơ Khi động cơ có sự tác động khiến tốc độ động cơ thay đổi vượt quá, giảm thấp hơn giá trị đặt setpoint 10% hoặc 20%, trong phần ALARM sẽ có cảnh báo.
Lập trình thiết kế giao diện điều khiển giám sát
+ Import tags cho phần mềm HMI:
Trong mục Home, chọn System Parameters
Hình 4.19 Chọn loại files Import Tags Trong Import Tags, chọn Import Files loại Hierarrchical và tìm đến file lập trình PLC có đuôi *.ap12;*.ap13;*.ap14;*.ap15
Hình 4.18 Import Tags cho HMI
Hình 4.20 Giao diện thiết kế màn hình Weintek
Hình 4.21 Gán tags cho đồ thị và các giá trị, nút ấn Gán các tags cho tốc độ đặt, tốc độ đo, tăng giảm giá trị đặt và đồ thị
Hình 4.22 Giao diện cảnh báo Khi ta ấn vào AlARM, màn hình sẽ chuyển sang giao diện cảnh báo, từ đó ta sẽ theo dõi được tốc độ động cơ bị quá 10% hoặc 20% tại thời điểm nào
60 + Download chương trình xuống HMI:
Vào phần Project, chọn biểu tượng download (PC -> HMI) Đợi phần mềm compile kiểm tra lỗi sẽ hiện ra giao diện download
Hình 4.23 Giao diện download PC-HMI Khi xuất hiện giao diện download, ta nhập đúng địa chỉ IP của màn hình cảm ứng, sau đó nhấn Download và đợi màn hình cảm ứng khởi động lại là đã download xong.
Mô hình thực tế
Hình 4.24 Mô hình điều khiển giám sát động cơ một chiều
Kết quả thực nghiệm
+ Vào hàm main (OB) -> Complie kiểm tra lỗi
+ Down load chương trình xuống PLC
+ Start CPU -> Go online -> Soi mắt kính xem chương trình chạy
Bộ PID trong khối Cycle interrup:
Hình 4.25 Bộ PID_Compact đang chạy
+ Click chuột vào biểu tượng Commissioning để xem PID chạy tự động ở chế độ Automatic mode
Hình 4.26 Biểu đồ đầu vào ra bộ PID_Compact + Ban đầu bộ PID_Compact chạy ở chế độ Pretuning
+ Khi gần đạt được hiệu chỉnh -> Ta chạy Finetuning
62 + Sau khi chạy ổn định ->Ta click Upload lên PID Parameters -> Hiển thị thông số K P , K I , K D trên PID Parameters Ở tốc độ 1000 vòng/phút -> Từ PID Parameters ta có hệ số cho bộ PID là :
K P = 3.769701E-2; K I = 1.078911s (Controller structure: PI) Động cơ chạy ổn định với sự sai lệch 0,1% (
