Bài tập lớn Môn PLC : đo điều khiển tốc độ động cơ bằng encoder dải đo 01500 vòngphút

Bài tập lớn Môn PLC : đo điều khiển tốc độ động cơ bằng encoder dải đo 01500 vòngphút Ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ với dải đo 01500 vòng phút ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Trong công nghiệp nói chung và trong nghành đo lường và điều khiển nói chung vấn đề đo và điều khiển tốc độ động cơ là một vấn đề quan trọng nó quyết định việc máy có chạy có ổn định hay không, đúng yêu cầu công nghệ đặt ra hay không hay có đạt tiêu chuẩn về độ chính xác máy thực hiện hay không. Do vậy trong ngành đo lường cảm và điều khiển có nhiều phương pháp đo và điều khiển tốc độ động cơ. Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề tài “ Ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ với dải đo 01500 vòng phút” .

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn. Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao . Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một mạch ứng dụng của PLC, biến tần đó là “Ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ với dải đo 0-1500 vòng/ phút ” dùng PLC điều khiển biến tần Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 2-K7 đặc biệt là giảng viên Nguyễn Văn Hùng - giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này. Mong cô góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này. Em xin chân thành cảm ơn ! Nhận xét của giáo viên: 1 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Mục đích của đề tài 2 1.1.1. Mục đích chọn đề tài Trong công nghiệp nói chung và trong nghành đo lường và điều khiển nói chung vấn đề đo và điều khiển tốc độ động cơ là một vấn đề quan trọng nó quyết định việc máy có chạy có ổn định hay không, đúng yêu cầu công nghệ đặt ra hay không hay có đạt tiêu chuẩn về độ chính xác máy thực hiện hay không. Do vậy trong ngành đo lường cảm và điều khiển có nhiều phương pháp đo và điều khiển tốc độ động cơ. Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề tài “ Ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ với dải đo 0-1500 vòng/ phút” . 1.1.2. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là điều khiển và cảnh báo tốc độ trên động cơ ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, động cưo sẽ thay đổi tốc độ dựa trên tín hiệu mà cảm biến encoder đưa về . 1.1.3. Giới hạn nghiên cứu của đề tài Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài chỉ được thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình động cơ công suất nhỏ và encoder 100 xung/vòng 1.1.4. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó. Ở các hệ thống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệ thống. Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Đề tài “Ứng dụng PLC, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ với dải đo 0-1500 vòng/ phút” xây dựng mô hình kết hợp PLC với biến tần để điều khiển tốc độ động cơ một cách tối ưu nhất. Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ . Thay thế cho các dạng đo và điều khiển tốc độ động cơ theo các phương pháp đã coi là nỗi thời. 1.2 Phương pháp đo tốc độ động cơ 1.2.1 Đo vận tốc vòng quay sử dụng máy phát tốc Máy phát tốc là máy phát điện một chiều, cực từ là nam châm vĩnh cửu, điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó, máy phát tốc nối cùng trục với phanh hãm 3 điện từ và cùng trục động cơ do đó tốc độ quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ , tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ, dùng Volmet điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ. Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. Trong đó: N: là số vòng quay trong 1 giây ⍵: là vận tốc góc của roto Φ o : là từ thông xuất phát từ cực nam châm N là tổng số day chính trên roto Hình 1.1 Cấu tạo của máy phát dòng 1 chiều 1.2.2 Đo tốc độ động cơ bằng phương pháp quang điện tử. * Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa (Encoder) Encoder là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật, Encoder sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung , từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể. Hình 1.2 Sơ đồ hoạt động của Encodor Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sang liên tục được tập trung xuyên qua đĩa, bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp đặt ở mặt còn lại của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng, 4 đĩa được lắp đặt trên trục của động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay thì tín hiệu xung vuông được sinh ra. Việc đếm các xung được sinh ra ta có thể xác định được tốc độ của động cơ. 1.2.3 Đo tốc độ động cơ dùng cảm biến từ Dựa vào nguyên lý cơ bản của cảm biến từ, người ta gắn trên trục động cơ một miếng kim loại. Người ta dùng cảm biến từ để để đọc tín hiệu xung. Khi động cơ quay đồng nghĩa với việc miếng kim loại cũng quay theo và cảm biến nhận tín hiệu và đựa ra tín hiệu điện sau đó đưa tín hiệu này vào vi điều khiển để xử lý . 1.3. Tìm hiểu về PLC S7 200 1.3.1 Khái quát về PLC S7 200 a. Giới thiệu về PLC - PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại. S7-200 là thiết bịcủa hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu modul có các modul mở rộng. - Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữ liệu(Catridge ) - Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ) và 22X ( loại mới), trong đó họ 21X không còn sản xuất nữa.Họ 21X có các đời sau:210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X có các đời sau:221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM - PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện - PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý. Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông,… - PLC có những ưu điểm: + Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy. + Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp. + Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển. + PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi. + Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém. 5 Cấu trúc bên trong của P LC Hình 1.1: Cấu trúc bên trong của CPU PLC Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O) Mô tả các đèn báo trên S7-200: - SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc. - RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình nạp ở trong máy. - STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng, không thực hiện chương trình hiện có. - Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x. Đèn sáng tương ứng mức logic là 1. - Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x. Đèn sáng tương ứng mức logic là 1. Cách đấu nối ngõ vào ra PLC: 6 Hình 1.2: Cách đầu nối phần cứng PLC Cổng truyền thông: Chân 1: nối đất. Chân 2: nối nguồn 24VDC. Chân 3: truyền và nhận dữliệu. Chân 4: không sửdụng. Chân 5: đất Chân 6: nối nguồn 5VDC Chân 7: nối nguồn 24VDC. Chân 8: Truyền và nhận dữliệu. Chân 9: không sử dụng. Hình 1.3: Cổng truyền thông kết nối PLC với PC b. Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY 7 Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC. 47-63Hz - Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm - Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words - Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words - Bộ nhớ loại EEFROM - Có 14 cổng vào, 10 cổng ra. - Có thể thêm vào 7 modul mở rộng kể cả modul Analog. - Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37µs - Có 256 timer , 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và sốn thực. - Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 20 KHz - Có 2 bộ điều chỉnh tương tự. - Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,… - Đồng hồ thời gian thực. - Chương trình được bảo vệ bằng Password. - Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện. - X uất sứ: Siemens Germany Hình 1.4: CPU PLC S7-200 - CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc, mức 0 là 0Vdc). 10 ngõ ra dạng relay. 8 Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng: - S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối. Hai đầu dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC và module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối. CPU224 cho phép mở rộng tối đa 7 module. c. Bộ đếm tốc độ cao của S7 – 200 Định nghĩa bộ đếm tốc độ cao Lệnh dùng định nghĩa bộ đếm tốc độ cao HDEF (High-speed counter definition ) sẽ cho phép chế độ hoat động của một bộ đếm tốc độ cao cụ thể (HSCx). Chế độ hoạt động sẽ quyết định xung vào, chiều đếm, tín hiệu bắt đầu, và chức năng reset của một bộ đếm tốc độ cao. Bạn sử dụng một lệnh định nghĩa bộ đếm tốc độ cao cho mỗi bộ đếm tốc độ cao. Các điều kiện gây ra lỗi sẽ set bit ENO =0 0003 ( đầu vào xung đột ) 0004 ( lệnh trong chương trình ngắt không hợp lệ ) 000A ( bộ đếm cần định nghĩa lại ) Bộ đếm tốc độ cao (high speed counter – HSC ): Lệnh khai báo bộ đếm tốc độ cao HSC cấu hình và điều khiển bộ đếm tốc độ cao nhờ vào các bit nhớ đặc biệt của bộ đếm tốc độ cao đó. Tham số N chỉ ra bộ đếm tốc độ cao đang sử dụng là bộ đếm bao nhiêu. Bộ đếm tốc độ cao có thể được cấu hình lên tới 12 chế độ hoạt động khác nhau Mỗi bộ đếm được cung cấp đầu vào cho xung clock, điều khiển hướng đến, tín hiệu reset và bắt đầu mà bộ đếm đó hỗ chợ. Đối với những bộ đếm 2 pha thì cả 2 xung có thể chạy ở tốc độ cực đại của chúng. Trong chế độ nhân tốc thì bạn có thể chọn chế độ nhân 1 hoặc nhân 4 tốc độ cực đại. tất cả các bộ đếm chạy ở tốc độ cực đại mà không ảnh hưởng tới bộ đếm khác. Điều kiện gây ra lỗi sẽ set ENO = 0 0001 ( lệnh HSC đặt trước HDEF ) 9 0005 ( sử dụng đồng thời HSC/PLS)  Bộ đếm tốc độ cao đếm các sự kiện mà tốc độ của nó vượt khỏi tầm kiểm soát của vòng quét S7-200. Tần số đếm lớn nhất có thể của bộ đếm tùy thuộc vào loại CPU mà bạn sử dụng. CPU 221 và CPU 222 hỗ trợ 4 bộ đếm tốc độ cao. HSC0, HSC3, HSC4 và HSC5. Hai loại CPU này không hỗ trợ bộ đếm HSC2 và HSC1 . CPU 224, CPU 224XP và CPU 226 hỗ trợ cả 6 loại bộ đếm tốc độ cao từ HSC0 đến HSC5. Về cơ bản thì bộ đếm tốc độ cao hoat động tương tự như nguyên lý cơ bản của bộ đếm trong S7-200. Ở đây có thể tưởng tượng rằng một encoder sẽ cung cấp đầu vào xung clock cho bộ đếm. Encoder sẽ cho ra một số lượng xung nhất định trong một vòng quay và một xung reset sẽ được cho ra sau một vòng quay. Xung clock và xung reset sẽ là 2 đầu vào của bộ đếm tốc độ cao. Bộ đếm tốc độ cao sẽ được đặt trước với một hằng số và đầu ra sẽ được tích cực trong khoảng thời gian mà giá trị đếm tức thời nhỏ hơn giá trị đặt trước của bộ đếm. Bộ đếm được thiết lập để cung cấp một ngắt khi giá trị đếm tức thời bằng với giá trị đặt trước hoặc là khi ta reset bộ đêm. Mỗi khi giá trị đếm tức thời bằng giá trị đặt trước một ngắt xảy ra thì một giá trị đặt trước mới được nạp vào cho lần hoạt động tiếp theo của bộ đếm. Còn khi một tín hiệu reset tích cực, một ngắt xảy ra thì giá trị đặt trước đầu tiên sẽ được nạp vào bộ đếm cho chu kỳ tiếp theo.  Số lượng bộ đếm HSC có trong PLC và tần số tối đa cho phép: Tùy thuộc vào loại CPU mà số lượng bộ đếm HSC và tốc độ tối đa cho phép khác nhau. Bảng 1.1 Ngõ vào các loại bộ đếm trên các CPU và tần số cho phép Bộ Đếm Ngõ Vào Tần số cho phép Loại CPUs HSC0 I0.0 30 KHZ 221,222,224,224XP,226 HSC1 I0.6 30 KHZ 221,222,224,224XP,226 HSC2 I1.2 30 KHZ 221,222,224,224XP,226 HSC3 I0.1 30 KHZ 221,222,224,224XP,226 HSC4 I0.3 200 KHZ 224xp HSC5 I0.4 200 KHZ 224xp  Vùng nhớ đặc biệt sử dụng để lập trình cho HSC: 10 [...]... biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm • P0300 = 1( Động cơ không đồng bộ) • P0304 = điện áp định mức động cơ (V) • P0305 = dòng điện định mức động cơ (A) 25 • P0307= công suất định mức động cơ( kW hoặc hp) Nếu P0100=0 hoặc 2 là kW, nếu P0100=1 là hp • P0308 =hệ số cos ϕ định mức của động cơ • P0309= hiệu suất định mức động cơ (%) • P0310= tần số định mức động cơ ( Hz) • P0311= tốc độ định mức động cơ (V/ph)... chương trình điều khiển lưu lượng như sau Hình 2.8 Sơ đồ thuật toán đo điều khiển tốc độ động cơ 29 2.4 Chương trình phần mềm Do ta chọn encoder là loại 100 xung / vòng do đó muốn nhận được giá trị tốc độ vòng /phút ta sẽ tiến hành đếm xung với bộ đếm xung tốc độ cao trong thời gian 0.6s Số xung đếm được trong 0.6s chính là tốc độ vòng /phút của động cơ Hình 2.9 Đếm xung và tính toán tốc độ động cơ 30 Hình... toán tốc độ động cơ 30 Hình 2.10 Điều khiển tốc độ ,đẩu vào nút Start Stop , dầu ra đèn RUN Hình 2.11 Đầu ra đèn báo SLA và SHA 31 CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 3.1 Kết quả nghiên cứu lí thuyết: - Tìm hiểu được cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC- S7 200 - Tìm hiểu nguyên lý một số phương pháp đo tốc độ động cơ - Cách lập trình với bộ đếm xung tốc độ cao - Tìm hiểu được cơ sở lý thuyết bộ chuyển đổi ADC,... 11kW Điện áp định mức : Uđm = 380/220 Tổ đấu dây : Y/ Δ Tần số làm việc : f = 50Hz Số đôi cực : 2p = 2 Hệ số cos φđm = 0.92 Hiệu suất động cơ ηđm = 0.875 26 2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 2.2.1 Sơ đồ khối H ình 2.5 Sơ đồ khối đo điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PLC S7 200 2.2.2 Sơ đồ đấu dây Sơ đồ đấu dây CPU S7 200 27 Hình 2.6 Sơ đồ đấu dây CPU PLC S7 200 Hình 2.7 Kết nối dây module analog Em235... đếm tốc độ cao, bạn sử dụng một lệnh định nghĩa bộ đếm HDEF để chon chế độ hoạt động sử dụng bit đặc biệt SM0.1 ( bit này mở trong chu kỳ quét đầu tiên của PLC và đóng ở các chu kỳ sau đo ) để gọi một chương trinh con khởi tạo có chứa lệnh HDEF 11 Lập trình một bộ đếm tốc độ cao: Bạn có thể dung HSC winzard để cấu hình cho bộ đếm tốc độ cao HSC winzard sử dụng các thông tin: loại và chế độ hoạt động. .. nhớ khai báo trên các bộ đếm tốc độ cao Sự khác nhau giữa các bộ đếm tốc độ cao: Mọi chức năng của bộ đếm là như nhau cho các chế độ hoạt động giống nhau Có tất cả 4 chế độ cơ bản: bộ đếm một pha với tín hiệu hướng đên bên trong , một pha với tín hiệu điều khiển hướng bên ngoài, hai pha với 2 đầu vào clock, A/B pha cho chế độ nhân tóc Chú ý rằng không phải tất cả các chế độ điều được hỗ trợ bởi một bộ... biến tần đến 75kW - 4 tần số ngắt quãng tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy - Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay - Tích hợp chức năng bảo vệ nhiệt cho động cơ dùng PTC / KTY - Khối chức năng Logic tự do: AND, OR, định thời, đếm - Moment không đổi khi qua tốc độ 0 - Kiểm soát Moment tải Thông số của MM440 Công suất định mức: • Công suất từ 0.37 KW đến 200 Kw đối với điện áp vào 3 pha... điểm • Điều khiển dòng từ thông • Điều khiển vecter • Điều khiển Momen Chức năng bảo v : • Quá tải • Thấp áp • Quá áp • Chạm đất • Ngắn mạch 23 • Quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần… - Các tuỳ chọn khác nh : Bảng điều khiển BOP, AOP, bộ phụ kiện lắp BOP trên cánh tủ, bộ ghép nối PC, đĩa CD cài đặt, modul profibus, bộ lọc đầu vào, bộ lọc đầu ra, đặc biệt là có thể gắn modul encoder … * Ứng dụng: Cho... đếm tốc độ cao bạn cần làm những bước sau đây: B1 Chỉ định bộ đếm và chọn chế độ bộ đếm B2 Thiết lập byte điều khiển B3 Nạp giá trị bắt đầu chọ bộ đếm ( starting value ) B4 Nạp giá trị đặt trước cho bộ đếm ( target value ) B5 Gán và cho phép chương trình ngắt B6 Khởi động bộ đếm ( tích cực bộ đếm )  Chỉ định chế độ hoạt động và các đầu vào: Sử dụng lệnh định nghĩa bộ đếm tốc độ cao HDEF để chọn chế độ. .. P700=2 lựa chọn điều khiển từ bàn phím ngoài • P1000 =2(lựa chọn điểm đặt tần số : iểm đặt tương tự) • P1080 = 0 Hz(tần số nhỏ nhất) • P1082 = 100 Hz( tần số lớn nhất) • P1120 = 10s (thời gian tăng tốc) • P1121 = 10s (thời gian giảm tốc) 2.1.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc Hình 2.4 Động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc • • • • • • • Công suất định mức : Pđm = 11kW Điện áp định mức : Uđm = 380/220