Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ cân băng định lượng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM KHÁNH HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG LUẬN VĂN THẠC SỸ THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM KHÁNH HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐỖ TRUNG HẢI Thái Nguyên – 2014 - i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Khánh Hoàng Sinh ngày: 13 tháng 9 năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Ban Tổ chức Tỉnh ủy Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực./. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 8 năm 2014 Học viên Phạm Khánh Hoàng - ii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học đƣợc hoàn thành tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Khoa Điện, phòng đào tạo sau đại học, đặc biệt là TS Đỗ Trung Hải, Trƣởng khoa Điện đã trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ trong công nghệ cân băng định lƣợng”. Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học đã trực tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa cho bản thân tôi trong nhƣng năm tháng qua. Tuy nhiên, do có sự hạn chế về thời gian và kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể và cá nhân TS Đỗ Trung Hải, Trƣởng khoa Điện đã hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận văn. Trân trọng cám ơn./. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 8 năm 2014 Học viên Phạm Khánh Hoàng - iii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LUC MỞ ĐẦU viii 1. Tính cấp thiết của đề tài viii 2. Mục tiêu nghiên cứu viii 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc viii 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận viii 5. Cấu trúc của luận văn viii Kết luận và kiến nghị viii CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG 1 1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lƣợng. 1 1.1.1. Đặt vấn đề 1 1.1.2. Khái niệm 1 1.1.3. Cấu tạo của cân băng định lƣợng 2 1.1.4. Nguyên lý tính lƣu lƣợng của cân băng định lƣợng 2 1.1.4.1. Nguyên lý tính lƣu lƣợng 2 1.1.4.2. Đo trọng lƣợng liệu trên băng tải 3 1.1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng 3 1.2. Cấu trúc hệ thống cân băng 5 1.3. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 5 1.3.1. Động cơ không đồng bộ 5 1.3.2. Khái quát về biến tần 8 1.3.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần 9 1.4. Cảm biến trọng lực Loadcell 11 1.4.1. Khái niệm Loadcell 11 1.4.2. Tế bào cân đo trọng lƣợng 11 1.4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 13 1.5. Băng tải cao su 15 1.6. Sensor đo tốc độ 16 1.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 16 1.6.2. Đo vận tốc băng tải 17 1.7. Đo khối lƣợng liệu trên băng. 17 1.8. Kết luận chƣơng 1 18 CHƢƠNG 2. TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG 19 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng 19 2.2. Nhận dạng mô hình toán học đối tƣợng 20 - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.3. Xác định bộ điều khiển 25 2.3.1. Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển) 25 2.3.2. Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) 26 2.4. Card ghép nối và điều khiển 26 2.5. Tạo tín hiệu đặt và hiển thị: 29 2.6. Kết luận chƣơng 2 29 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG 30 3.1. Các thiết bị thực nghiệm 30 3.1.1. Động cơ 30 3.1.2. Biến tần 30 3.1.3. Băng tải 31 3.1.4. Loadcell và mạch khuếch đại tín hiệu đầu cân 32 3.1.5. Thiết bị đo vận tốc băng tải 33 3.1.5. Thiết bị hiển thị 33 3.1.6. Card ghép nối và điều khiển – Bo mạch ArduinoDue 34 3.1.7. Bảng điều khiển 36 3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lƣợng 36 3.2. Thực nghiệm 37 3.2.1. Cấu trúc thực nghiệm 37 3.2.2. Kết quả thực nghiệm 37 3.3. Kết luận chƣơng 3 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 Kết luận 43 Kiến nghị 43 Tiếng Việt 44 Tiếng Anh 44 - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lƣợng 2 Hình 1. 2 Định lƣợng gián đoạn 4 Hình 1. 3 Định lƣợng liên tục 4 Hình 1. 4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng 5 Hình 1. 5 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ 7 Hình 1. 6 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động 7 Hình 1. 7 Biến tần 8 Hình 1. 8 Nguyên lý hoạt động của biến tần 9 Hình 1. 9 Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor 10 Hình 1. 10 Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phƣơng pháp PWM 10 Hình 1. 11 Sơ đồ tế bào cân số SFT 11 Hình 1. 12 Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet 12 Hình 1. 13 Cấu tạo của một Loadcell 13 Hình 1. 14 Nguyên lý hoạt động của một Loadcell 13 Hình 1. 15 Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực 14 Hình 1. 16 Băng tải cao su 15 Hình 1. 17 Encoder quang tƣơng đối 16 Hình 1. 18 Mạch đo tín hiệu tốc độ 17 Hình 1. 19 Mạch đo khối lƣợng 18 Hình 2. 1 Cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng 19 Hình 2. 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng 19 Hình 2. 3 Sơ đồ cấu trúc hệ 20 Hình 2. 4 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng 20 Hình 2. 5 Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 21 Hình 2. 6 Dữ liệu tín hiệu vận tốc dài băng tải (m/h) 21 Hình 2. 7 Giao diện công cụ nhận dạng mô hình 22 Hình 2. 8 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình 22 Hình 2. 9 Nhận dạng mô hình 23 Hình 2. 10 Giao diện kết quả nhận dạng 23 - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2. 11 Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình 24 Hình 2. 12 Đặc tính quá độ đối tƣợng 24 Hình 2. 13 Cấu trúc điều khiển hệ thống 25 Hình 2. 14 Cấu trúc điều khiển hệ thống (m là hằng số) 25 Hình 2. 15 Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm ArduinoDue 27 Hình 2. 16 Các đầu kết nối ngoại vi ArduinoDue 28 Hình 2. 17 Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 28 Hình 2. 18 Các khối chức năng trong thƣ viện ArduinoIO 29 Hình 3. 1 Động cơ truyền động kéo băng tải 30 Hình 3. 2 Biến tần Commander SE 31 Hình 3. 3 Băng tải 31 Hình 3. 4 Loadcell PT1000 gắn trên băng tải 32 Hình 3. 5 Bo mạch khuếch đại vi sai khuếch đại tín hiệu cân 33 Hình 3. 6 Encoder gắn trên tang bị động 33 Hình 3. 7 Khối hiển thị thông số trạng thái hệ thống 34 Hình 3. 8 Card ghép nối ArduinoDue 35 Hình 3. 9 Bo mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển 35 Hình 3. 10 Bảng điều khiển 36 Hình 3. 11 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 36 Hình 3. 12 Cấu trúc thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 37 Hình 3. 13 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 37 Hình 3. 14 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 38 Hình 3. 15 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy 38 Hình 3. 16 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt thay đổi 39 Hình 3. 17 Đáp ứng vận tốc dài băng tải với tín hiệu đặt thay đổi 39 Hình 3. 18 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi tín hiệu đặt thay đổi 40 Hình 3. 19 Đáp ứng lưu lượng hệ khi nguyên liệu băng không đồng nhất 40 Hình 3. 20 Đáp ứng vận tốc dài băng tải khi nguyên liệu băng không đồng nhất 41 Hình 3. 21 Tín hiệu khối lượng trên băng tải khi nguyên liệu băng không đồng nhất . 41 - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1 Bảng thống kê một số loại tế bào 11 Bảng 1. 2 Bảng thống kê một số loại tế bào cân Tenzomet 12 - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Do khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của động cơ một chiều trong cấu tạo và khi làm việc nhƣ: không c ; không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Vì vậy, hệ truyền động - động cơ không đồng bộ đã và đang đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất. Một nhƣợc điểm cơ bản của hệ truyền động này là việc điều chỉnh tốc độ ở dải rộng gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ vật liệu, của khoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này đã đƣợc khắc phục bằng phƣơng pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ). Với các hệ truyền động yêu cầu chất lƣợng điều khiển không cao thì điều khiển theo cấu trúc hệ hở là đáp ứng đƣợc yêu cầu. Tuy nhiên, với các hệ truyền động yêu cầu chất lƣợng điều khiển cao thì trong hệ phải có mạch tổng hợp và tạo tín hiệu điều khiển. Công nghệ cân băng đƣợc dùng nhiều trong các dây truyền công nghiệp ví dụ nhƣ sản xuất xi măng. Nó là một trong những công nghệ yêu cầu chất lƣợng điều khiển cao, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng vi xử lý để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lƣợng là việc làm cần thiết và là hƣớng nghiên cứu chính của bản luận văn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung: Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ cân băng định lƣợng. - Mục tiêu cụ thể: Thực hiện thuật toán điều khiển bằng vi xử lý. 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ cân băng định lƣợng. Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng vi xử lý để điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ theo công nghệ cân băng định lƣợng. 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận Phƣơng pháp luận: Nghiên cứu lý thuyết về động cơ không đồng bộ, phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số. Nghiên cứu về biến tần, vi xử lý; công nghệ cân băng định lƣợng; phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển. Phƣơng pháp nghiên cứu: Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán. Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tông quan về hệ thống cân băng định lƣợng Chƣơng 2: Tổng hợp hệ cân băng định lƣợng Chƣơng 3: Thực nghiệm hệ cân băng định lƣợng Kết luận và kiến nghị [...]... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 6động cơ KĐB phát triển và dần có xu hƣớng thay thế động cơ 1 chiều trong các hệ truyền động Khác với động cơ 1 chiều, động cơ KĐB đƣợc cấu tạo bởi phần cảm và phần ứng không tách biệt Từ thông động cơ cũng nhƣ mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số Ta có phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ không... TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng Xuất phát từ cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng đƣợc trình bày trong chƣơng 1, ta xây dựng đƣợc sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lƣợng đƣợc trình bày nhƣ hình 2.1 Hình 2 1 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng m Qđ e BĐK Uđk BT ĐC V GT BgT (-) Đối tƣợng Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng Trong đó:... cho vi c điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA 1.3.2.3 Ƣu điểm khi sử dụng biến tần - Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lƣới điện, vấn đề shock và hao mòn cơ khí là không thể kiểm soát Biến tần giúp khởi động êm động cơ, dù cho quá trình khởi động - ngắt động cơ diễn ra liên tục, hạn chế tối đa hao mòn cơ khí - Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong. .. ứng dụng khác cần điều khiển lƣu lƣợng/áp suất, biến tần sẽ giúp ngừng động cơ ở chế độ không tải, từ đó tiết kiệm tối đa lƣợng điện năng tiêu thụ - Đáp ứng yêu cầu công nghệ Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ, nhƣ ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in, thép,…hoặc ứng dụng cần điều khiển lƣu lƣợng hoặc áp suất, nhƣ ngành nƣớc, khí nén…hoặc ứng dụng nhƣ cẩu trục, thang máy Vi c sử dụng biến tần là điều. .. của cân băng định lƣợng 1 3 4 10 6 7 8 9 2 5 Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Cấu tạo của cân băng định lƣợng gồm các phân sau: 1: Phễu cấp liệu 2: Cảm biến trọng lƣợng (Load Cell) 3: Băng truyền 4: Tang bị động 5: Bulông cơ khí 6: Tang chủ động 7: Hộp số 8: SenSor đo tốc độ 9: Động cơ không đống bộ (đƣợc nối với biến tần) 10: Cảm biến vị trí 1.1.4 Nguyên lý tính lƣu lƣợng của cân băng định. .. 3 pha nên động cơ KĐB đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ công suất nhỏ đến công suất trung bình nó chiếm tỷ lệ lớn so với động cơ khác Trƣớc đây do các hệ thống truyền động động cơ KĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ do vi c điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB khó khăn hơn nhiều so với động cơ 1 chiều Ngày nay do vi c phát triển của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật tin học... BĐK: Bộ điều khiển BT: Biến tần ĐC: Động cơ truyền động GT: Bộ phận giảm tốc, truyền chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của băng tải BgT: Băng tải V: Vận tốc dài của băng tải (m/h) m: Khối lƣợng liệu trên một đơn vị dài băng tải (Kg/m) Q: Đáp ứng lƣu lƣợng liệu (Kg/h) e: Sai lệch tín hiệu đặt và đáp ứng đầu ra Uđk: Tín hiệu điều khiển Để tổng hợp hệ thống, tìm ra luật điều khiển. .. khiển Ở đây ta phải xác định quy luật điều khiển của bộ điều khiển lƣu lƣợng RQ sao cho trong quá trình làm vi c lƣu lƣợng liệu thực của hệ thống luôn bám theo một lƣợng đặt cho trƣớc Bộ điều khiển RQ đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp modul tối ƣu, tín hiệu ra của bộ điều khiển là là tín hiệu đầu vào để điều khiển đối tƣơng (chính là tín hiệu điều khiển biến tần để biến tần cấp điện cho động cơ, kéo băng. .. luật điều khiển của bộ điều khiển lƣu lƣợng đƣợc thực hiện theo (2.6) 2.3.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển) Có nhiều phƣơng pháp để thực hiện luật điều khiển (2.6) nhƣ sử dụng mạch tƣơng tự hoặc sử dụng mạch số Trong mạch số có thể dùng vi xử lý hoặc máy tính để thực hiện luật điều khiển Trong luận văn sử dụng vi xử lý để thực hiện luật điều khiển ở trên 2.4 Card ghép nối và điều. .. điều khiển điều khiển lƣu lƣợng hệ cân băng định lƣợng đƣợc trình bày trong hình 2.13 m Qđ e (-) RQ udk WDT v Q X Hình 2 13 Cấu trúc điều khiển hệ thống Trong đó: - Qđ : Tín hiệu lƣu lƣợng đặt - RQ: Bộ điều chỉnh lƣu lƣợng - WDT: Đối tƣợng điều khiển, hệ thống cân băng - Q: Lƣu lƣợng (Kg/h) - v: Vận tốc dài băng tải (m/h) - m: Khối lƣợng trên băng tải (Kg/m) - uđk: Tín hiệu điều khiển - e: Sai lệch điều . THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM KHÁNH HOÀNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển. học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ trong công nghệ cân băng định lƣợng” nghiệm ứng dụng vi xử lý để điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ theo công nghệ cân băng định lƣợng. 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận Phƣơng pháp luận: Nghiên cứu lý thuyết về động cơ