“NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG PLC điều KHIỂN hệ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN tần ĐỘNG cơ TRONG CÔNG NGHỆ

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 được khắc phục bằng phương pháp điều chỉnh tần số H

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUANG HUY

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ TRONG CÔNG NGHỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Trung Hải

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Như HIển

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Vỵ

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 13 h30 ngày 18 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Do khắc phục được một số nhược điểm của động cơ một chiều trong cấu tạo và khi làm việc như: không cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên; không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc Vì vậy, hệ truyền động - động cơ không đồng bộ đã và đang được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất

Một nhược 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 được khắc phục bằng phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ)

Với các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển không cao thì điều khiển theo cấu trúc hệ hở là đáp ứng được yêu cầu Tuy nhiên, với các hệ truyền động yêu cầu chất lượng điều khiển cao thì trong hệ phải có mạch tổng hợp và tạo tín hiệu điều khiển

Công nghệ cân băng được dùng nhiều trong các dây truyền công nghiệp ví dụ như sản xuất xi măng Nó là một trong những công nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định lượng là việc làm cần thiết và là hướng nghiên cứu chính của bản luận văn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết về động cơ không đồng bộ, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số Nghiên cứu về biến tần, PLC; công nghệ cân băng định lượng; phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển

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

Sử dụng công cụ nhận dạng mô hình của phần mềm

kết quả sẽ giúp xác định được mô hình toán học của đối tượng phản ánh đúng bản chất của đối tượng vật lý thực

cầu công nghệ cân băng định lượng là một kỹ thuật tiên tiến, là một trong những công nghệ yêu cầu chất lượng điều khiển cao

Từ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng PLC để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ cân băng định

để điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ theo yêu cầu công nghệ

cân băng định lượng có tính khoa học và thực tiễn cao

để cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng với chi phí sản xuất thấp nhất?

1.1.2 Khái niệm

Cân băng định lượng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau

mà thành, nó thuộc dạng cân định lượng băng tải, được dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại) Thực hiện việc phối liệu một cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra

Cân băng định lượng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân băng tải, nó là thiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu được chuyên trở trên băng tải mà tốc độ của nó được điều chỉnh để nhận được lưu lượng vật liệu ứng với giá trị do người vận hành đặt trước

1.1.3 Cấu tạo của cân băng định lượng

Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng

1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng

1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng

Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lượng Vật liệu được chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải được điều chỉnh để nhận được lưu lượng đặt trước khi có nhiễu

tác động lên hệ (ví dụ liệu không xuống đều)

Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời vận tốc của băng tải và trọng lượng của vật liệu trên

1 đơn vị chiều dài ∂ (kg/m) Trong đó tốc độ của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động cơ

Tốc độ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu được truyền tải

đơn vị chiều dài ∂ (kg/m)

Cân băng tải có bộ phận đo trọng lượng để đo ∂ và bộ điều khiển

để điều chỉnh tốc độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu bằng giá trị đặt do người vận hành đặt trước

Do đó lưu lượng có thể tính là:

g L

V Fc g

L

V Fc

*

* 2 2

*

1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu trên băng tải

Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải và trọng lượng vật liệu trên băng Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì ta phải tiến hành trừ bì

1.1.5 Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng

Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưu lượng liệu cấp cho băng cân và được thực hiện bằng 3 phương pháp

- Phương pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn)

Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensor

cấp liệu kiểu trôi để điều khiển một số thiết bị cấp liệu

Hình 1 2 Định lượng gián đoạn

Vị trí của sensor cấp liệu theo kiểu trôi được đặt ở phía cuối của ống liệu

- Phương pháp 2 (Điều chỉnh cấp liệu liên tục)

Hình 1 3 Định lượng liên tục

Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van quay) để đảm bảo cho lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi

- Phương pháp 3 (Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp)

Phương pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là

sự kết hợp của 2 phương pháp trên: phương pháp điều chỉnh gián đoạn

và điều chỉnh liên tục Phương pháp này tận dụng những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của 2 phương pháp trên và được thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lượng

1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng

Hình 1 4 Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng

1.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 1.3.1 Động cơ không đồng bộ

1.3.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ

1.3.1.2 Công thức tính chọn động cơ không đồng bộ

* Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

Hình 1 5 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động

* Tính chọn công suất động cơ

MÃ

HÓA

XUNG

BỘ ĐIỀU KHIỂ N

1.3.2 Khái quát về biến tần

1.3.2.1 Định nghĩa

Biến tần là thiết bị biến đổi điện xoay chiều ở tần số này thành điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng

Hình 1 6 Nguyên lý hoạt động của biến tần

1.3.2.3 Ưu điểm khi sử dụng biến tần

- Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí

- Tiết kiệm điện, bảo vệ các thiết bị điện trong cùng hệ thống

- Đáp ứng yêu cầu công nghệ

- Tăng năng suất sản xuất

1.3.3 Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần

Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi tần

số ta phải có một bộ nguồn xoay chiều có thể điều chỉnh tần số điện áp một cách đồng thời thông qua một biến tần

1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell

1.4.1 Khái niệm Loadcell

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện

hay các lực biến thiên chậm Một số trường hợp loadcell được thiết kế

để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell

1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng

gồm 2 loại tế bào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet

1.4.2.1 Nguyên lý tế bào cân số SFT

Đầu đo trọng lượng là nơi đặt tải cần đo, nó truyền lực tác động trực tiếp của tải lên một đây dẫn đặt trong từ trường không đổi Nó làm thay đổi sức căng của dây dẫn nên dây dẫn bị dao động (bị rung) Sự dao động của dây dẫn trong từ trường sinh ra sức điện động cảm ứng Sức điện động này có tác động chặt chẽ lên tải trọng đặt trên đầu đo

Đầu cảm biến nhiệt độ xác định nhiệt độ của môi trường để thực hiện việc chỉnh định vì các phần tử SFT phụ thuộc vào rất nhiều vòng nhiệt độ

1.4.2.2 Nguyên lý tế bào cân Tenzomet

Nguyên lý tế bào cân Tenzomet dựa theo nguyên lý cầu điện trở, trong đó giá trị điện trở của các nhánh cầu thay đổi bởi ngoại lực tác động lên cầu

1.4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

1.4.3.1 Cấu tạo

là "Strain gage" và thành phần còn lại là "Load"

Hình 1 7 Cấu tạo của một Loadcell

1.4.3.2 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đótrả về tín hiệu điện áp tỉ lệ

1.4.3.3 Thông số kĩ thuật cơ bản

- Độ chính xác, công suất định mức, dải bù nhiệt độ, cấp bảo vệ

- Điện áp, độ trễ, trở kháng đầu vào, điện trở cách điện, phá hủy cơ học, giá trị ra, trở kháng đầu ra Quá tải an toàn, hệ số tác động của nhiệt độ

- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0

1.4.3.4 Công thức tính khối lượng của LoadCell

Khi có tải chạy trên băng thì mô men lực của tải trọng sẽ được cân bằng với mômen lực của đối trọng và LoadCell

Hình 1 8 Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực

1

2 2 0 1

l

l m L g L m





(Kg)

1.5 Băng tải cao su

Hệ thống băng tải được sử dụng để vận chuyển hàng hóa hoặc tài liệu từ một điểm cố định khác trong một không gian Các chức năng

cụ thể của hệ thống băng tải có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào thiết kế của máy, nhưng nhiều hệ thống sử dụng một băng tải cao su để vận chuyển hàng hoá

1.6 Sensor đo tốc độ

1.6.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của động cơ Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của động cơ bao gồm tachometer (thực ra tachometer đo vận tốc quay), dùng biến trở xoay, hoặc dùng

mã hóa xung encoder

Hình 1 9 Encoder quang tương đối

3 Đĩa quay 4 Đầu thu quang Cảm biến nhận biết và xuất ra giá trị 0/1 tương ứng Khi đĩa quay được một vòng thì encoder xuất được số xung tương ứng số rãnh trên đĩa Trong đề tài sử dụng encoder có 32 xung

1.6.2 Đo vận tốc băng tải

Để xác định vận tốc dài của băng tải thì ta phải đọc được tốc độ quay của tang bị động Trong hệ thống này chúng ta sử dụng phương pháp mã hóa vòng quay thành xung (encoder) loại tương đối để xác định tốc độ quay tang bị động Encoder được gắn đồng trục với tang bị động

1.7 Đo khối lượng liệu trên băng

Để xác định khối lượng liệu trên băng tải ta phải sử dụng cảm biến trọng lực (Loadcell) đặt dưới băng tải Tín hiệu ra cảm biến trọng lực rất nhỏ cỡ vài chục mV tùy loại cảm biến, thường 1÷2 mV/V Do

đó để nhận biết được tín hiệu đó ta phải sử dụng mạch khuếch đại vi sai

để Tín hiệu sau mạch khuếch đại được đưa về PLC xử lí

1.8 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày được khái quát chung về hệ thống cân băng định lượng Xây dựng được cấu trúc chung của hệ thống cân băng định lượng; các thành phần của hệ thống gồm động cơ truyền động điện, biến tần, băng tải, bộ phận giảm tốc; lý thuyết về tế bào cân; lý thuyết về phương pháp xác định tốc độ quay dùng phương pháp mã hóa xung; các phần tử để thu thập tín hiệu phản hồi hệ thống cũng như các công thức tính các đại lượng vận tốc, khối lượng từ các tín hiệu phản hồi đó

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG

2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng

Xuất phát từ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng được trình bày trong chương 1, ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng

định lượng được trình bày như hình 2.2

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống cân băng định lượng

Để tổng hợp hệ thống, tìm ra luật điều khiển ta phải xác định

mô hình toán học mô tả các thành phần trong cấu trúc hệ thống Tác giả

sử dụng công cụ nhận dạng mô hình (System Identification toolbox)

của phần mềm Matlab (Mathwork) để xác định mô hình toán học Khi

đó ta coi đối tượng điều khiển gồm biến tần, động cơ, bộ phận giảm tốc

hiệu ra là vận tốc dài của băng tải V Khi đó cấu trúc hệ thống được thể hiển trên hình 2.3

2.2 Nhận dạng mô hình toán học đối tượng

2.2.1 Thu thập dữ liệu vào/ra của đối tượng

Để nhận dạng mô hình toán học đối tượng (Hệ thống băng tải)

tốc của băng tải

Hình 2 3 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng

Sau khi thu thập dữ liệu vào/ra của hệ băng tải, đáp ứng vận tốc băng tải với thời gian trích mẫu 1ms, ta tiến hành nhận dạng đối tượng

sử dụng công cụ của Matlab (System Identification toolbox) Các

bước tiến hành nhận dạng trên Matlab tóm lược như sau

+ Nhập dữ liệu vào/ra theo thời gian với thời gian trích mẫu 0.01s: + Lựa chọn loại mô hình và nhận dạng:

+ Mô hình toán học nhận dạng mô tả hệ thống:

+ Đặc tính quá độ:

+ Hàm truyền hệ thống cân băng:

8694.4 (1 0.78045 )(1 0.41093 )

2.3 Xác định bộ điều khiển

Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán:

2.3.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển)

Bài toán này được thực hiện dựa trên việc tổng hợp bộ điều khiển lưu lượng hệ thống cân băng định lượng Sơ đồ cấu trúc hệ thống

Băng tải

điều khiển điều khiển lưu lượng hệ cân băng định lượng được trình bày trong hình sau:

Hình 2 4 Cấu trúc điều khiển hệ thống

Ở đây ta phải xác định quy luật điều khiển của bộ điều khiển lưu

giả thiết khối lượng m là hằng số (nguyên liệu trên băng là đồng nhất)

Hình 2 5 Cấu trúc điều khiển hệ thống (m là hằng số)

Q

R

s s

2.3.2 Bài toán 2 (Lựa chọn thiết bị thực hiện luật điều khiển)

Để thực hiện luật điều khiển Trong luận văn sử dụng PLC họ S7-200

e

WDT

* Giao tiếp:

2.4.3 Modul mở rộng tương tự EM235

(AI – analog input) và 1 đầu ra tương tự (AO – analog output) 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong)

Thành phần trong modul EM235:

Tín hiệu đầu ra: VO 0÷10V, IO 0÷20mA

Nguồn nuôi: 24VDC

2.5 Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày việc nhận dạng mô hình toán học hệ thống cân băng định lượng và tổng hợp bộ điều chỉnh lưu lượng cho hệ Luật điều khiển lưu lượng được xác định theo phương pháp modul tối

ưu Để thực hiện luật điều khiển tác giả chọn sử dụng PLC S7 200

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 3.1 Các thiết bị thực nghiệm

3.1.3 Loadcell

Để đo khối lượng nguyên liệu trên băng, tác giả sử dụng cảm biến loadcell mã hiệu PT1000 do hãng PT sản xuất

Hình 3 3 Loadcell PT1000 gắn trên băng tải

Tín hiệu ra của loadcell được đưa vào modul mở rộng tương tự EM235 của PLC S7-200

Hình 3 4 Modul mở rộng EM235

3.1.4 Thiết bị đo vận tốc băng tải

Hình 3 5 Encoder gắn trên tang bị động

3.1.5 PLC S7 200 (thiết bị thực hiện luật điều khiển)

Hình 3 6 Thiết bị thực hiện luận điều khiển - CPU226

3.1.6 Băng tải

Hình 3 7 Băng tải liệu

3.1.7 Bảng điều khiển

Hình 3 8 Bảng điều khiển

3.1.7 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng

Hình 3 9 Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng

3.2 Thực nghiệm

3.2.1 Cấu trúc thực nghiệm

- Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng như hình vẽ

- Tham số bộ điều khiển lưu lượng theo quy luật

3.2.2 Kết quả thực nghiệm

3.2.2.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào là hàm bước nhảy

- Tín hiệu lưu lượng đặt dạng bước nhảy: Q đ = 100 kg/h

- Đáp ứng lưu lượng của hệ:

Hình 3 10 Đáp ứng lưu lượng hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy