Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tần

Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tầnThiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tầnThiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tầnThiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tầnThiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tần

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hưng Yên, ngày 22 tháng 9 năm 2015 Tác giả luận văn ..................................... 1 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc tích cực khẩn trương, đến nay đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tần” đã được hoàn thành. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Hồ Khánh Lâm, người trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô, lãnh đạo trong khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận văn. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Hưng Yên, ngày 22 tháng 9 năm 2015 Tác giả luận văn ...................................... MỤC LỤC 2 BẢNG KÍ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt ASCII Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt American Standard Code for Information Interchage CRC Cyclic Redundancy Check CPU Central Processing Unit FBD Function Block Diagram GUI Graphical User Interface HMI Human- Machine Interface LAD Ladder logic LRC Longitudinal Redundancy Check PID Proportional Integral Derivative PLC Programmale Logic Controllers RTU Remote Terminal Units SCADA Supervisory Control And Data Acquisition STL StaTement List XML Extensible Markup Language 3 Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa Kỳ Mã phát hiện lỗi Đơn vị xử lý trung tâm Lập trình theo khối chức năng Giao diện đồ họa người dùng Giao diện người - máy Lập trình theo dạng bậc thang Mã phát hiện lỗi Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ Khối điều khiển logic khả trình Khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Lập trình theo tập lệnh Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 LỜI MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hệ thống đo tốc độ động cơ là một hệ thống được áp dụng rất nhiều trong các nhà máy sản xuất. Với những yêu cầu về điều khiển tốc độ động cơ cũng như điều khiển tốc độ các thiết bị trong quá trình sản xuất. Từ những yêu cầu thực tế và lòng đam mê học hỏi các hệ thống điều khiển tốc độ nên em mạnh dạn chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tần” này để làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. 2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Vào những giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, do sử dụng các thiết bị vào/ra (I/O) thu thập dữ liệu cũ, nên khi kết nối sẽ ưu tiên sử dụng các chuẩn kết nối phù hợp với khoảng cách truyền dẫn như RS-485, tuy nhiên điều này lại hạn chế việc lựa chọn thiết bị khi yêu cấu thay đổi. Do nhược điểm nêu trên mà đến cuối những năm 90, xu hướng dịch chuyển sang sử dụng các chuẩn truyền thông mở như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0 đã ngày càng phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như các nhà cung cấp giải pháp cho các hệ SCADA. Đến năm 2000 thì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng loạt chuyển sang giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP. Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông. Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các chuẩn cũ hơn. 3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Mục đích Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ SCADA trong thực tế, từ đó xây dựng mô hình hệ SCADA để điều khiển giám sát động cơ xoay chiều ba pha dùng PLC S7 – 200. Để thực hiện giám sát và điều khiển trên giao diện, nghiên cứu phần mềm WinCC để xây dựng giao diện và lập trình giám sát, điều khiển tốc độ động cơ 6 Việc điều khiển một hệ thống bởi máy tính giúp cho việc lưu giữ các giá trị hiện tại được thuận lợi hơn. Nghiên cứu tổng quan về PLCS7-200 và biến tần kết hợp với phần mềm WinCC để xây dựng chương trình điều khiển, giám động cơ xoay chiều ba pha một cách dễ dàng, chính xác. 3.2. Đối tượng Đối tượng điều khiển trong mô hình này là động cơ không đông bộ ba pha rotor lồng sóc được điều khiển giám sát bằng PLC và biến tần 3.3. Phạm vi nghiên cứu Bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP. Giao tiếp máy tính thông qua phần mềm WinCC của công ty SIEMENS. Sử dụng hệ SCADA để thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát các thiết bị, các cơ cấu chấp hành ngày càng được sử dụng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp và các dây chuyền sản xuất. Chương trình điều khiển: soạn thảo bằng phần mềm Step7 của SIEMENS. 4. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN VĂN Luận văn đã trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát động cơ không đồng bộ, mô hình và hiển thị trên máy Nội dung luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1 : Tổng quan về hệ scada trong công nghiệp. Chương 2 :Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ ba pha và biến tần DELTA VFD-B. Chương 3 : Nghiên cứu phần mềm WINCC và PLC S7 – 200. Thiết kế và xây dựng. chương trình điều khiển giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Chương 4 : Kết luận và kiến nghị. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để đạt được mục tiêu, yêu cầu đặt ra của đề tài, việc thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: + Phương pháp thu nhập và tổng hợp tài liệu trong nước và ngoài nước có liên quan đến động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, biến tần DELTA VFD-B, phần mềm S7 200, phần mềm win CC. 7 + Từ các dây chuyền công nghệ thực tế và lý thuyết điều khiển tự động, điều khiển logic tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng PLC S7-200. + Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiẻn giám sát hệ thống bằng phần mềm Win CC. + Chạy thử giao diện giám sát nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi, từ đó hoàn thiện và nâng cấp hệ thống. 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ SCADA * Giới thiệu chung về khái niệm SCADA Hình 1.1. Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA điển hình 9 Hình 1.2. Cấu trúc phân cấp của hệ thống tự động Trong mô hình phân cấp trên đây thì ta thấy hai cấp dưới cùng là cấp trường và cấp điều khiển, thực hiện chức năng đo lường, vận hành và điều khiển, nhưng để một hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả thì cần phải có một hệ thống quản lí các cấp điều khiển và cấp trường, đó chính là cấp thứ ba - cấp điều khiển giám sát. Trong các dây chuyền sản xuất lớn ở các nhà máy thì số lượng thiết bị điều khiển rất nhiều, vì vậy việc quản lý cả hệ thống khá phức tạp, chính vì vậy cần thiết phải có một trạm vận hành giám sát, nhiệm vụ của trạm vận hành, giám sát này là giám sát các thiết bị điều khiển, theo dõi hoạt động của quá trình sản xuất, phát hiện lỗi để khắc phục kịp thời, đồng thời có thể can thiệp vào quá trình mà không cần thiết phải có mặt tại hiện trường, thường các trạm giám sát, vận hành ở xa hiện trường. Và cũng với trạm giám sát vận hành này ta có thể thực hiện một số chức năng điều khiển cao cấp. Chính vì vậy khái niệm SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ra đời. Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu là một phần không thể thiếu trong một hệ thống tự động hóa hiện đại. Ngày nay khi mà công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm phát triển đã mang lại nhiều khả năng, giải pháp mới cho SCADA. Cách khái quát nhất SCADA không có gì khác là một hệ thống điều khiển giám sát. Là một hệ thống điều khiển giám sát hỗ trợ người sử dụng trong việc quan sát và điều khiển từ xa. Để có thể quan sát và điều khiển từ xa cần phải có hệ thống truy nhập và truyền tải dữ liệu, cũng như cần có giao diện người - máy HMI. Không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn cũng cần phải có giao diện người máy - HMI để phục vụ việc thao tác và vận hành cục bộ. SCADA - được hiểu như là giải pháp điều khiển giám sát sử dụng công nghệ phần mềm chuyên dụng. Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ…) 10 Sự tiến bộ trong công nghệ phần mềm và kĩ thuật máy tính PC đã thúc đẩy sự phát triển của các công cụ tạo dựng phần mềm SCADA theo một hướng mới, sử dụng PC và Window NT để làm nền phát triển và cài đặt. Một hệ SCADA ngày nay có thể đảm nhiệm vai trò điều khiển cao cấp, điều khiển phối hợp, khi mà cấp thấp hơn không thể thực hiện. Trọng tâm của việc xây dựng các hệ thống SCADA hiện nay chính là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống. 1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Qu¶n lý c«ng t y PC §iÒu hµnh s¶n xuÊt §iÒu khiÓn gi¸m s¸t §iÒu khiÓn ChÊp hµnh Qóa t r×nh kü t huËt H×nh 2.3: M« h×nh ph©n cÊp chøc n¨ng cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t Hình 1.3. Mô hình phân cấp hệ thống Scada Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau: + Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server). 11 + Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…). + Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ + Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. 1.3. CƠ CHẾ THU THẬP DỮ LIỆU Thông thường MTU đặt ở trung tâm, nó có thể là máy tính với phần cứng và phần mềm chuyên dụng nhận dữ liệu quá trình từ các trạm ở xa, hoặc nó có thể là một thiết bị Master (một dạng Controller) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và điều khiển có phần truyền thông với máy tính chủ. Các cảm biến hay cơ cấu chấp hành trong hệ thống mạng công nghiệp nói chung và trong các hệ thống SCADA sẽ được ghép nối với RTU hay PLC để thực hiện một quá trình điều khiển theo một thuật toán nhất định. Đồng thời dữ liệu thu thập được (dạng số) sẽ được truyền về trung tâm theo hệ thống mạng truyền thống. 12 Hình 1.4. Cơ chế thu thập dữ liệu trong hệ thống 1.4. XỬ LÝ DỮ LIỆU Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse). Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: • Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu 13 vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. • Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ…do vậy các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…). 1.5. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA SCADA Xu hướng phát triển của các PLC và phần mềm HMI/SCADA là ngày càng trở nên "mix and match" (tạm dịch là lựa chọn và kết nối khác nhau nhưng đều hộ trợ cho nhau để tạo thành một chỉnh thể thống nhất). 14 1.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH HỆ THỐNG SCADA TRONG THỰC TẾ Hình 1.5. Giao diện SCADA giám sát nhà máy bia 15 Hình 1.6. Giao diện SCADA của nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi Hình 1.7. Giao diện SCADA của nhà máy xử lý nước thải công nghiệp 1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ SCADA, các thành phần của hệ thống, cơ chế thu thập dữ liệu, xử lí tín hiệu và xu hướng phát triển của SCADA trong tương lai cũng như một số hình ảnh thực tế về hệ thống SCADA ở Việt Nam. Trong giới hạn của luận văn này, chỉ thực hiện nghiên cứu và xây dựng mô hình SCADA nhỏ gọn đó là xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ ĐCKĐBBP. Hệ thống xây dựng gồm 3 cấp: cấp điều khiển giám sát, cấp điều khiển cục bộ, cấp thiết bị chấp hành. Hiện nay, với nền sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hóa dây truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu. Vì vậy nhiều loại động cơ điện đã được chế tạo và hoàn thiện cao hơn. Trong đó động cơ điện không đồng bộ chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó có nhiều ưu điểm nổi bật như: giá thành thấp, dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành thấp…Để có thể sử dụng và điều khiển được tốc độ động cơ, ta sẽ đi 16 nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, nguyên lý hoạt động cũng như các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ. CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA VÀ BIẾN TẦN DELTA VFD-B 2.1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 2.1.1. Cấu tạo Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Hình 2.1. Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính sau: Phần tĩnh hay còn gọi là stato. Phần quay hay còn gọi là rotor. 2.1.1.1. Phần tĩnh Stator có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn: a) Vỏ máy: Vỏ máy có tách dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng tấm thép hàn thành vỏ máy. Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau . 17 b) Lõi sắt : Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Hình 2.2. Lõi thép được ghép nhiều hình rẻ quạt c) Dây quấn: Là dây điện từ, được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt, có thể là dây nhôm hoăc đồng, được quấn thành các bối dây, tổ bối dây. Tùy theo cuộn dây cuốn stato là 1 pha hay 3 pha mà ta có động cơ không đồng bộ 1 pha hay 3 pha . Hình 2.3. Dây quấn Stator 2.1.1.2. Phần quay Rotor có 2 loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc. a) Rotor kiểu dây quấn: Rotor kiểu dây quấn cũng giống như dây quấn stator. Dây quấn 3 pha của rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có hệ thống qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất hay suất 18 điện động phụ vào mạch điện roto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nhiệt, dễ cháy nổ. b) Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt ở lại hai đầu bằng vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành 1 cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc Hình 2.4. Động cơ rotor lồng sóc c) Khe hở: Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. 2.1.2. Nguyên lý làm việc của ĐCKĐBBP Nguyên lý dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi nam châm quay trong cuộn dây, điện áp sẽ sinh ra giữa 2 đầu cuộn dây. Điện áp này sẽ sinh ra một dòng điện xoay chiều. Mối liên hệ giữa dòng điện sinh ra trong cuộn dây và vị trí của nam châm được chỉ ra trong hình vẽ. Dòng điện lớn nhất được sinh ra khi cực N và cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất. Tuy nhiên, chiều dòng điện ở mỗi nửa vòng quay của nam châm lại ngược nhau. 19 Hình 2.5. Nam châm quay tạo ra từ trường Khi có dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60 f1 / p ( f1 p là tần số lưới điện, là số cặp cực, tốc độ từ trường quay). Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện I2 chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh ra momen. Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n của rotor. Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau. Khi nối dây cuốn vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽ sinh ra 1 từ trường quay. Từ trường này sẽ quét qua thanh dẫn rotor, làm cảm ứng trên dây cuốn rôt một sức điện động E sẽ sinh ra dòng điện I chạy trong dây cuốn. Chiều của sức điện động và chiều dòng điện được xác đinh theo qui tắc bàn tay phải. 20 Hình 2.6. Momen quay Chiều dòng điện của thanh dẫn ở nửa phía trên rotor hướng từ trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn nằm ở phía dưới rotor hướng từ ngoài vào trong. Dòng điện I tác động tương hỗ với từ trường stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn roto và momen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường . Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ cảu từ trường quay stato n1 . Có sự chuyển động tương đối giữa rotor và từ trường quay stato duy trì được dòng điện I và mômen M. Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ. 21 2.1.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐBBP 2.1.3.1. Phương pháp đổi đầu dây quấn Trong quá trình vận hành động cơ khi khởi động động cơ chúng ta cần quan tâm đến 2 vấn đề: - Giảm thấp dòng điện khởi động (qua hệ thống dây dẫn chính vào dây quấn stato động cơ) ngay thời điểm khởi động. - Phương pháp giảm thấp dòng điện khởi động thực chất là giảm thấp điện áp cung cấp vào động cơ tại thời điểm khởi động. Theo lý thuyết ta có được quan hệ: momen (hay ngẫu lực) khởi động tỷ lệ thuận với bình phương giá trị điện áp hiệu dụng cấp vào động cơ, như vậy giảm giá trị dòng điện khởi động dẫn tới hậu quả giảm thấp giá trị của momen khởi động. Giảm điện áp nguồn cấp vào dây quấn stato bằng phương pháp: biến áp giảm hay lắp đặt các phần tử hạn áp (cầu phân áp) dùng điện trở hay điện cảm. Sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, dùng linh kiện điện tử điều chỉnh thay đổi điện áp hiệu dụng nguồn 3 pha cấp vào động cơ. Hệ thống khởi động này được gọi là phương pháp khởi động mêm (soft start) cho động cơ. Các phương pháp ra dây trên stato của động cơ không đồng bộ 3 pha: - Động cơ 3 pha 6 đầu dây ra (vẫn hành theo 1 trong 2 phương pháp: đấu Y nối tương ứng so với sơ đồ đấu Y hay ∆ ) - Động cơ 3 pha 9 đầu dây ra (đấu vận hành theo 1 trong 2 phương pháp: đấu Y nối tiếp – Y song song, ∆ nối tiếp - ∆ song song). - Động cơ 3 pha 12 đầu dây ra (đấu vận hành theo 1 trong 4 cấp điện áp nguồn 3 pha tương ứng với 1 trong sơ đồ đấu dây Y nối tiếp, Y song song, tiếp, ∆ song song). 22 ∆ nối Một trong các biện pháp giảm áp là đấu nối tiếp điện trở Rmm với bộ dây quấn stato tại lúc khởi động, tác dụng của Rmm trong trường hợp này là làm giảm áp đặt vào từng pha dây quấn stato. Tương tự như phương pháp đổi sơ đồ đấu dây để giảm dòng khởi động phương pháp giảm áp cấp vào dây quấn stato cũng làm giảm momen mở máy. Do tính chất momen tỉ lệ bình phương điện áp cấp vào động cơ, thường ta chọn các cấp giảm áp: 80%, 64%, 50% cho động cơ. Tương ứng với các cấp giảm áp này, momen mở máy chỉ khoảng 65%, 50%, 25% giá trị momen mở máy khi cấp nguồn trực tiếp bằng định mức vào dây quấn stato 2.1.3.2. Giảm dòng khởi động dùng điện cảm giảm áp cấp vào dây quấn Trường hợp này để giảm áp cấp vào dây quấn stato tại lúc khởi động. Chúng ta đấu nối tiếp điện cảm (có giá trị điện kháng) Xmm với dây quấn stato. Do tính chất momen tỉ lệ bình thường với điện áp cấp vào động cơ, thường chúng ta chọn các cấp giảm áp: 80%, 64%, 50% cho động cơ. Tương ứng với các cấp giảm áp này, momen mở máy chỉ còn khoảng 65%, 50% và 25% giá trị momen mở máy khi cấp nguồn trực tiếp bằng đúng định mức vào dây quấn stato. 2.1.3.3. Giảm dòng khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu giảm áp Với các phương pháp giảm dòng mở máy dùng Rmm hay Xmm, dòng điện mở máy qua dây quấn cũng chính là dòng điện qua dây nguồn. Khi sử dụng biến áp giảm áp đặt vào dây quấn stato lúc khởi động, dòng điện mở máy qua dây quấn giảm thấp. Nhưng dòng điện này chỉ xuất hiện phía thứ cấp biến áp còn dòng điện qua dây nguồn chính là dòng qua sơ cấp biến áp. Với biến áp giảm áp, dòng điện phía sơ cấp sẽ có giá trị thấp hơn dòng điện phía thứ cấp. Tóm lại khi dùng máy biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động, dòng điện mở máy qua dây nguồn sẽ thấp hơn dòng điện mở máy khi dùng phương pháp giảm dòng với Rmm hay Xmm. Khi dùng biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động thời gian hoạt động của máy biến áp được bố trí nhiều cấp điện áp ra tương ứng với các mức 80%, 64%, 50% giá trị momen mở máy trực tiếp chỉ còn khoảng 65%, 50%, 25% giá trị momen mở máy trực tiếp (khi cấp nguồn trực tiếp bằng đúng định mức cấp vào stato) 23 2.1.3.4. Sử dụng biến tần Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rotor. 2.1.4. Các phương pháp điều khiển động cơ Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của tốc độ cũng được đòi hỏi ở đây đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết. Một điều thực sự cần thiết là phải khảo sát kỹ đối tượng mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó ta sẽ giải quyết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu sẵn. Cũng có khá nhiều các phương pháp điều khiển khác nhau như: điều khiển on/off. Phương pháp này đem lại hiệu quả không cao, quá trình đáp ứng của hệ thống chậm và kém chính xác; phương pháp điều khiển PID có độ ổn định cao, tốc độ đáp ứng nhanh, xử lý chính xác, thích hợp cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh; phương pháo điều khiển mờ có độ chính xác cao hơn cả nhưng phương pháp này đòi hỏi thuật toán điều khiển và lập trình khá phức tạp, đặc biệt đối với thiết bị không được hỗ trợ về điều khiển mờ. Đối với những ứng dụng không yêu cầu cao về chất lượng đầu ra thì chưa cần ứng dụng phương pháp này. Từ những phân tích ở trên, để cho đơn giản nhưng vẫn đáp ứng được các yêu cầu đề ra thì tác giả sẽ lựa chọn phương pháp điều khiển PID. Dưới đây ta sẽ đi nghiên cứu về phương pháp này. 24 2.2. BIẾN TẦN DELTA VFD-B 2.2.1. Khái niệm Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rotor. Hình 2.7. Biến tần DELTA 2.2.2. Cấu tạo 2.2.2.1. Bộ chỉnh lưu Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng toàn phần. Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn, trong đó dòng điện xoay chiều một pha được chuyển đổi thành một chiều. Tuy nhiên, cầu đi-ốt được sử dụng trong biến tần cũng có thể cấu hình đi-ốt bổ sung để cho phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện 25 một chiều. Các đi-ốt chỉ cho phép luồng điện theo một hướng, vì vậy cầu đi-ốt hướng dòng electron của điện năng từ dòng xoay chiều (AC) thành dòng một chiều (DC). 2.2.2.2. Tuyến dẫn một chiều Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp một chiều đã chỉnh lưu. Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện dung. Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng cho động cơ. 2.2.2.3. IGBT Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh. Trong biến tần, IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ điện. Bằng cách sử dụng điều biến độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật và tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang. Trong hình bên dưới, sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang và đường tròn biểu thị một phần sóng dạng sin. Nếu IGBT được bật và tắt tại mỗi điểm giao giữa sóng dạng sin và sóng mang, độ rộng xung có thể thay đổi. PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin. Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mômen xoắn của động cơ. 2.2.2.4. Bộ điện kháng xoay chiều Bộ điện kháng dòng xoay chiều là cuộn cảm hoặc cuộn dây. Cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra trong cuộn dây và chống thay đổi dòng điện. Bộ điện kháng dòng giúp giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều. Ngoài ra, bộ điện kháng dòng xoay chiều sẽ giảm mức đỉnh của dòng điện lưới hay nói cách khách là giảm dòng chồng trên tuyến dẫn một chiều. Giảm dòng chồng trên tuyến dẫn một chiều sẽ cho phép tụ điện chạy mát hơn và do đó sử dụng được lâu hơn. Bộ điện kháng dòng xoay chiều có thể hoạt động như một bộ hoãn xung để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu và xung gây ra do bật và tắt các tải điện 26 cảm khác bằng bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ. Có vài nhược điểm khi sử dụng bộ điện kháng, như chi phí tăng thêm, cần nhiều không gian pa-nen hơn và đôi khi là giảm hiệu suất.Trong các trường hợp hiếm gặp, bộ điện kháng dòng có thể được sử dụng ở phía đầu ra của biến tần để bù cho động cơ có điện cảm thấp, nhưng điều này thường không cần thiết do hiệu suất hoạt động tốt của công nghệ IGBT. 2.2.2.5. Bộ điện kháng 1 chiều Bộ điện kháng một chiều giới hạn tốc độ thay đổi dòng tức thời trên tuyến dẫn một chiều. Việc giảm tốc độ thay đổi này sẽ cho phép bộ truyền động phát hiện các sự cố tiềm ẩn trước khi xảy ra hỏng hóc và ngắt bộ truyền động ra. Bộ điện kháng một chiều thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ biến tần 7,5 kW trở lên. Bộ điện kháng một chiều có thể nhỏ và rẻ hơn bộ điện kháng xoay chiều. Bộ điện kháng một chiều giúp hiện tượng méo sóng hài và dòng chồng không làm hỏng tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không cung cấp bất kỳ bảo vệ chống hoãn xung nào cho bộ chỉnh lưu. 2.2.2.6. Điện trở hãm Tải có lực quán tính cao và tải thẳng đứng có thể làm tăng tốc động cơ khi động cơ cố chạy chậm hoặc dừng. Hiện tượng tăng tốc động cơ này có thể khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện. Khi động cơ tạo ra điện áp, điện áp này sẽ quay trở lại tuyến dẫn một chiều. Lượng điện thừa này cần phải được xử lý bằng cách nào đó. Điện trở được sử dụng để nhanh chóng “đốt cháy hết” lượng điện thừa này được tạo ra bởi hiện tượng này bằng cách biến lượng điện thừa thành nhiệt. Nếu không có điện trở, mỗi lần hiện tượng tăng tốc này xảy ra, bộ truyền động có thể ngắt do lỗi quá áp trên tuyến dẫn một chiều. 2.2.3. Nguyên lý hoạt động chung 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. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành 27 điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hình 2.8. Nguyên lý hoạt động của biến tần Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp => tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm, quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Hiện nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA. 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. 28 Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi được người ta đã thiết kế ra nhiều loại biến tần nhưng trong luận văn này ta chỉ xét đến bộ biến tần nguồn áp làm việc theo nguyên lý điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation). Bộ biến tần này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh, đồng thời nó còn tạo ra được điện áp và dòng điện gần giống hình sin. Hình 2.9. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần ngồn áp dùng Tranzitor Dùng phương pháp PWM ta có giản đồ điện thế và điện áp pha A như sau: Hình 2.10. Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM Sơ đồ biến tần ba pha dùng Tranzitor gồm : 29 Bộ nghịch lưu biến đổi điện áp một chiều từ nguồn cấp thành điện áp xoay chiều có tần số có thể biến đổi được. Điện áp xoay chiều qua bộ lọc và đưa vào sơ đồ cầu Tranzitor. Sơ đồ biến tần Tranzitor ba pha dùng 6 Tranzitor công suất T 1 từ T6 và 6 điốt T7 từ T12 đấu song song ngược với các Tranzitor tương ứng. Tín hiệu điều khiển Vb được đưa vào bazơ của Tranzitor có dạng chữ nhật, π chu kỳ là 2 , độ rộng là Khi Vb = “0” π /2. --> Tranzitor bị khóa Vb = “1” --> Tranzitor mở bão hòa Các Tranzitor được điều khiển theo trình tự 1,2,3,4,5,6,1... Các tín hiệu điều khiển lệch nhau một khoảng bằng π /3. 2.2.4. Ưu điểm và ứng dụng Bảo vệ động cơ khỏi mài mòn cơ khí. Khi khởi động động cơ trực tiếp từ lưới 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 cùng hệ thống. Khi khởi động trực tiếp, dòng khởi động lớn gấp nhiều lần so với dòng định mức, làm cho lượng điện tiêu thụ tăng vọt. Biến tần không chỉ giúp khởi động êm, mà còn làm cho dòng khởi động thấp hơn dòng định mức, tiết kiệm lượng điện ở thời điểm này. Đồng thời, không gây sụt áp (thậm chí gây hư hỏng) cho các thiết bị điện khác trong cùng hệ thống. Ngoài ra đối với tải bơm, quạt, máy nén khí…hoặc những ứng dụng khác cần điều khiển lưu lượng,áp suất, biến tần sẽ giúp ngừng động cơ ở chế độ không tải, từ đó tiết kiệm tối đa lượng điện năng tiêu thụ. Đáp ứng yêu cầu công nghệ. Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ, như ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in, thép…hoặc ứng dụng cần điều khiển lưu lượng hoặc áp suất, như ngành nước, khí nén…hoặc ứng dụng như cẩu trục, thang máy… 30 Việc sử dụng biến tần là điều tất yếu, đáp ứng được yêu cầu về công nghệ, cải thiện năng suất. Tăng năng suất sản xuất. Đối với nhiều ứng dụng, như ngành dệt, nhuộm, nhựa…việc sử dụng biến tần sẽ làm năng suất tăng lên so với khi sử dụng nguồn trực tiếp, giúp loại bỏ được một số phụ kiện cồng kềnh, kém hiệu quả như puli, motor rùa (motor phụ)… 2.2.5. Sơ đồ đấu dây 2.2.5.1. Đặc tính kĩ thuật biến tần VFD-B Cách kiểm tra thông số biến tần qua tem Hình 2.11. Thông số kỹ thuật trên tem biến tần Tính năng cơ bản: + Điều chỉnh theo đường cong V/F. + Bộ xử lý 16bit kiểm soát ngõ ra theo kiểu SVPWM. + Build-in EMI filter. 31 + Ngõ vào tham chiếu 0-10VDC hoặc 4-20mA. + Tần số sóng mang lên đến 10kHz. + Tiết kiệm điện năng, cài đặt đơn giản. + Tích hợp các chức năng cao cấp như: PLC, Counter, Local/remote, Multistep speed, Base lbock, AVR, DC braking, Over/Under voltage, Overload, Overcurrent, over heating, Self-testing, … Điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha công suất từ 0.75kW – 75kW. Hình 2.12. Mô tả bàn phím cài đặt của biến tần VFD 32 2.2.5.2 Sơ đồ nối dây cơ bản Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý các đầu vảo ra của biến tần Delta VFD Trong đó: + Chân R(L1),S(L2),T(L3): là 3 chân cấp nguồn điện áp 3 pha vào biến tần + Chân U,V,W là 3 chân cấp ra tải động cơ 3 pha 33 Công tắc gạt lựa chọn 2 chế độ đầu vào là loại sink hay source. Với chế độ Sink Mode thì các đầu vào nối với chân chung com DCM. Hình 2.14. Sơ đồ đấu tín hiệu vào số của biến tần khi chọn chế độ SINK +24V: chân cấp nguồn 24V của biến tần + FWD: chân lệnh chạy thuận và dừng + REV: chân lệnh đảo chiều và dừng + JOG: chân lệnh chạy nhấp biến tần + MI1 -> MI4: 04 đầu vào số chạy nhiều cấp tốc độ với nhiều chức năng + MI5: chân reset + MI6: Chân không cho phép tăng giảm tốc độ + TRG: chân đếm + DCM: chân com 0V + E: chân nối đất Với chế độ Source Mode thì các đầu vào nối với chân chung 24V. 34 Hình 2.15. Sơ đồ đấu tín hiệu vào số của biến tần khi chọn chế độ SOURCE + RA, RB, RC: 3 đầu ra rơ le trong đó: RA với RC tiếp điêm NO. RB và RC tiếp điểm NC. + MO1, MO2, MO3: đầu ra đa chức năng kiểu cách ly quang 35 + AFM: đầu ra analog kiểu điện áp: 0-10VDC + ACM: chân 0V đầu ra analog + Cổng truyền thông RS485 của biến tần. 2.2.6. Các bước thiết lập tham số Hiển thị thông báo Miêu tả Hiển thị tần số chủ bộ điều khiển AC Hiển thị thực tế tần số đầu ra hiện tại ở cực U/T1,V/T2,và W/T3 Bộ phận sử dụng tính chất đặc biệt Hiển thị dòng điện hiện tại đầu ra tại cực U/T1,V/T2, và W/T3 Hiển thị tình trạng điều khiển motor AC chạy tiến Hiển thị tình trạng điều khiển motor AC chạy lùi Giá trị đếm (C) 36 Hiển thị tham số được lựa chọn Hiển thị giá trị lưu trữ thực tế của tham số được lựa chọn Lỗi bên ngoài Hiển thị “End” khoảng chừng 1 giây nếu đầu vào đã được thừa nhận. Sau đó một giá trị tham số đã được cài đặt, giá trị mới tự động trong bộ nhớ. Sửa đổi một danh mục, sử dụng phím Hiển thị “Err”, nếu đầu vào là vô hiệu. Lựa chọn chế độ: Trong lựa chọn chế độ ấn để cài đặt tham số. Cài đặt tham số: 37 Di chuyển ưu tiên hiển thị Trong chế độ cài đặt tham số có thể ấn quay lại lựa chọn chế độ. Di chuyển dữ liệu: Tăng, giảm giá trị đặt: Chạy thuận, ngược: 38 Dưới đây là bảng tóm tắt các thông số cài đặt biến tần Delta VFD-L: Bảng 2.1. Nhóm các thông số người sử dụng 39 Bảng 2.2. Nhóm các thông số cơ bản 40 41 42 Bảng 2.3. Nhóm các thông số chức năng đầu ra 43 2.2.7. Encoder hanyou nux +) Cấu tạo, thông số kỹ thuật Gồm 1 bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng bộ phát (bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor), 1 đĩa quang có khoét lỗ gắng trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ. Hình 2.16. Hình Encoder Một encoder thường có các dây sau: Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder. Dây nối đất GND 44 Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung) N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tùy theo độ phân giải. Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung) N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tùy theo độ phân giải, pha B chậm hơn pha A. Thường tùy theo trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm tiến hoặc đếm lùi. Black: OUT: A White: OUT: B Orange: OUT: Z Brown: +V (5-12 Vd.c ± 5% ) (12-24 Vd.c ± 5%) Blue: 0V (GND) Hình 2.17. Xung A, xung B 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 2 tác giả giới thiệu cơ bản về biến tần về những ứng dụng, cấu tạo cơ bản của biến tần cũng như sơ đồ nối dây, cài đặt các tham số. Với phần mềm lập trình Microwin linh hoạt, đồng thời kết nối PLC với phần mềm WinCC, màn hình giám sát điều khiển tiện lợi, dễ dàng quan sát và điều khiển, có thể thu thập dữ liệu nhanh chóng, đầy đủ, thao tác dễ dàng…Để có thể sử dụng phần cứng cũng như viết chương trình phần mềm cho hệ thống điều khiển động cơ với phần mềm Microwin của s7-200, tác giả sẽ đi nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm cũng như phương pháp lập trình với PLC S7-200 và đây là CPU được sử dụng trong luận văn. 45 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM WINCC VÀ PLC S7 – 200. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 3.1. PHẦN MỀM WINCC WinCC ( Windows Control Center): là chương trình kết hợp với PLC dùng để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất, nó là một chương trình HMI ( Human Machine Interface) hỗ trợ người dùng lập trình thiết kế giao diện người-máy. WinCC là hệ thống trung tâm điều khiển của cả hệ thống, nó cung cấp các tính năng như: hiển thị hình ảnh, các số liệu, lưu trữ dữ liệu, cản báo, giao diện thân thiện, dễ điều khiển… Phân mềm này có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau như: SIEMENS, MITSUBISHI, ALLEN BRADLEY, nhưng nó truyền thông rất tốt với PLC của hãng SIEMENS. Nó được cài đặt trên máy và giao tiếp với PLC thông qua cổng COM1 hoặc COM2 (chuẩn RS-232) của máy tính. Do đó, cần phải có bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC. WinCC còn có đặc điểm là tính mở, nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống. 3.1.1. Chức năng của WinCC Control center chứa tất cả các chức năng quản lý cho toàn hệ thống WinCC. Trong control center, ta có thể đặt cấu hình và khởi động module run – time. 46 * Quản lý dữ liệu Quản lý dữ liệu cung cấp ảnh quá trính với các giá trị của tag. Tất cả các hoạt động của quản lý dữ liệu đều chạy trên một background (nền). * Nhiệm vụ control center - Lập cấu hình hoàn chỉnh. - Hướng dẫn giới thiệu việc lập cấu hình. - Thích ứng việc ấn định, gọi và lưu trữ các project. - Quản lý các project. - Có khả năng nối mạng các chức năng soạn thảo cho nhiều người sử dụng một project. - Quản lý phiên bản. - Diễn tả bằng đồ thị của dữ liệu cấu hình. - Điều khiển và đặt cấu hình cho các hình vẽ/cấu trúc hệ thông. - Thiết lập việc cài đặt toàn cục. - Đặt cấu hình cho các chức năng định vị đặc biệt. - Tạo và soạn thảo các tham khảo đan chéo. - Phản hồi tài liệu. - Báo cáo trạng thái hệ thống. - Thiết lập hệ thống đích. - Chuyển giữa run-timer và cấu hình. - Kiểm tra chế độ/ mô phỏng/ trợ giúp thao tác để đặt cấu hình dữ liệu, bao gồm dịch hình vẽ, mô phỏng tag, hiển thị trạng thái và tạo thông điệp. * Các module chức năng - Hệ thống đồ họa (Graphic Designer). - Viết chương trình cho các thao tác (Global Scrips) tạo một dự án động cho các yêu cầu đặc biệt. - Hệ thống thông báo (Alarm logging). - Lưu trữ và soạn thảo các giá trị đo lường (Tag logging) soạn thảo các giá trị đo lường và lưu giữ chúng trong thời gian dài. Soạn thảo dữ liệu hướng người sử dụng và lưu giữ chúng trong thời gian dài. 47 - Hệ thống báo cáo (Report Designer). 48 3.1.2. Phần mềm PC Access PC Access là phần mềm liên kết giữa WinCC và PLC S7-200, do S7-200 không có driver sẵn trong WinCC vậy nên ta phải cài đặt cho nó. Và PC Access chính là phần mềm được tạo ra để liên kết giữa 2 phần mềm này với nhau. 3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 200 SIEMENS 3.2.1. Giới thiệu chung PLC (Programmable logic controller) là bộ điều khiển lập trình được. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. PLC theo dõi các trạng thái ngõ vào, ra các quyết định theo chương trình đặt sẵn và xuất các tín hiệu điều khiển ra ngõ ra để tự động hóa quá trình (process) hay máy móc (machine). Hình 3.1. Giao tiếp với PLC * Ưu điểm của PLC so với đấu dây thuần túy: - Kích cỡ nhỏ hơn. - Thay đổi thiết kế dễ hơn và nhanh hơn khi có yêu cầu. - Có chức năng chuẩn đoán lỗi và ghi đè. - Các ứng dụng có thể dẫn chứng bằng tài liệu. - Các ứng dụng được nhân bản nhanh chóng và thuận tiện. Thế hệ PLC S7-200 là PLC thuộc họ Micro Automation của hãng SIEMENS, có thể điều khiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hóa. Với cấu trúc nhỏ gọn, có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh SIMATIC mạnh, PLC S7-200 là một lời giải hoàn hảo cho các bài toán tự động vừa và nhỏ. 49 Hình 3.2. Mô hình thực tế PLC S7-200 * PLC S7-200 cho phép tự động hóa tối đa với chi phí tối thiểu: + Cài đặt, lập trình và vận hành rất đơn giản. + Các CPU có thể sự dụng trong mạng, hệ thống phân tán hoặc sử dụng đơn lẻ. + Có khả năng tích hợp trên qui mô lớn. + Ứng dụng cho những điều khiển đơn giản và phức tạp. + Truyền thông mạnh ( PPI, Profibus-DP, AS-i). * Giao tiếp: + PLC S7-200 giao tiếp với PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi từ RS232 sang RS485. + Giữa các PLC S7-200 kết nối với nhau theo giao thức Modbus. 50 3.2.2. Chủng loại Bảng 3.1. Các thành viên họ S7-200 51 Bảng 3.2. Module mở rộng 3.2.3. Ứng dụng 3.2.3.1. Trong lĩnh vực điều khiển robot Robot công nghiệp chủ yếu là các cánh tay máy làm việc trong các nhà máy lắp ráp và sản xuất ôtô, xe máy, tại các bến cảng, kho bãi chứa hàng … thì PLC có những vai trò rất lớn. 52 Hình 3.3. Cánh tay robot trong sản xuất ôtô 3.2.3.2. Ứng dụng trong hệ thống điều khiển tốc độ và cân băng định lượng Hiện nay, hệ thống điều khiển tốc độ động cơ và cân băng định lượng được ứng dụng trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp. Hệ thống có khả năng điều chỉnh tự động và tỉ lệ được dựa trên cơ sở các vòng lặp điều chỉnh ví dụ: PI, PID. 3.2.4. PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/Relay 3.2.4.1. Thông số kỹ thuật - 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 14 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 số thực - Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số lên đến 20 KHz - Có 2 bộ nhớ phát xung kiểu PTO và PWM, tần số 20 KHz chỉ ở các CPU DC - 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 pasword - Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện 53 3.2.4.2. Sơ đồ đấu dây Hình 3.4. Sơ đồ đấu dây PLC 224 AC/DC/Relay 3.2.4.3. Tập lệnh đếm xung tốc độ cao HSC a) Giới thiệu về HSC Bộ đếm thường, bộ đếm thường trong PLC như đếm lên (CTU), đếm xuống (CTD), đếm lên xuống (CTUD) chỉ đếm được các sự kiện xảy ra với tần số thấp chu kỳ xuất hiện của sự kiện nhỏ hơn chu kỳ quét của PLC. HSC là bộ đếm tốc độ cao, được sử dụng để đếm những sự kiện xảy ra với tần số lớn mà các bộ đếm thông thường trong PLC không đếm được. b) 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. 54 Bảng 3.3. Vùng nhớ đặc biệt sử dụng để lập trình cho HSC Bộ đếm Ngõ vào Tần số cho phép Loại CPUs HC0 HC1 HC2 HC3 HC4 HC5 I0.0 I0.6 I1.2 I0.1 I0.3 I0.4 30 kHz 30 kHz 30 kHz 30 kHz 200 kHz 200 kHz 221,222,224,224XP,226 221,222,224,224XP,226 221,222,224,224XP,226 221,222,224,224XP,226 224XP 224XP Mỗi HSC có một vùng nhớ đặc biệt riêng, vùng nhớ này được sử dụng để khai báo chọn modem đếm, đặt giá trị, lưu giá trị đếm cho HSC tương ứng. Bảng 3.4. Vùng nhớ cho modem đếm STT 1 2 3 4 5 6 Bộ đếm HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Vùng nhớ khai báo SMB36 đến SMB45 SMB46 đến SMB55 SMB56 đến SMB65 SMB136 đến SMB145 SMB146 đến SMB155 SMB156 đến SMB165 Chú thích Mỗi HSC sử dụng 10 byte c) Các mode đếm của bộ đếm Mỗi bộ đếm đều có những mode đếm khác nhau. Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà người lập trình lựa chọn mode ðếm cho phù hợp. Trình bày mode đếm của các bộ đếm tiêu biểu. Bảng 3.5. Modem đếm của HSC 0 Mode 0 HSC0 (Chỉ có 1 Mode đếm) Đặc điểm Bộ đếm 1 pha, thay đổi hướng đếm bên trong I0.0 Ngõ vào nhận xung SM37.3 = 1: Đếm lên. SM37.3 = 0: Đếm xuống. Bảng 3.6. Modem đếm của HSC0 Mode 0 1 HSC1 (Có tất cả 12 Mode đếm khác nhau) Đặc điểm I0.6 I0.7 Bộ đếm lến/xuống Clock I1.0 Reset 55 I1.1 2 Start SMB47.3 = 0: Đếm xuống Thay đổi hướng đếmlên SMB47.3 = 1: Đếm 3 4 5 Clock Dir Reset I0.7 = 0: Đếm xuống 6 7 8 9 10 11 I0.7 = 1: Đếm lên Đếm 2 pha với ngõ vào xung Start Ck up Ck down Reset Ck đếm lên và đếm xuống Đếm lệch pha. Pha A, B lệch Start Clock A Clock B Reset nhau 90 đếm xuống Start Bảng 3.7. Modem đếm của HSC 2 Mode 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 HSC2 (Có tất cả 12 Modem đếm khác nhau) Đặc điểm I1.2 I1.3 Bộ đếm lến/xuống Clock I1.4 I1.5 Reset SMB57.3 = 0: Đếm xuống Start SMB57.3 = 1: Đếm lên Thay đổi hướng đếm Clock Dir Reset I1.3 = 0: Đếm xuống Start I1.3 = 1: Đếm lên Đếm 2 pha với ngõ vào xung Ck Ck up Ck down Reset đếm lên và đếm xuống Start Đếm lệch pha. Pha A, B lệch nhau Clock A Clock B Reset 90 đếm xuống Start d) Ý nghĩa của byte trạng thái khi lập trình cho HSC Bảng 3.8. Byte trạng thái của HSC0 SM36.0 Không sử dụng SM36.1 SM36.2 SM36.3 SM36.4 SM36.5 SM36.6 SM36.7 Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Chiều đang đếm Kết quả so sánh tức thời Kết quả so sánh tức thời 1: đếm lên 0: Nếu CV ≠ PV 0: Nếu CV ≤ PV Bảng 3.9. Byte trạng thái của HSC1 56 0: đếm xuống 1: Nếu CV = PV 1: Nếu CV > PV SM46.0 SM46.1 SM46.2 SM46.3 SM46.4 SM46.5 SM46.6 SM46.7 Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Chiều đang đếm Kết quả so sánh tức thời Kết quả so sánh tức thời 1: đếm lên 0: Nếu CV ≠ PV 0: Nếu CV ≤ PV 0: đếm xuống 1: Nếu CV = PV 1: Nếu CV > PV - Byte trạng thái của HSC2 Bảng 3.10. Byte trạng thái của HSC 2 SM56.0 SM56.1 SM56.2 SM56.3 SM56.4 SM56.5 SM56.6 SM56.7 Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Chiều đang đếm Kết quả so sánh tức thời Kết quả so sánh tức thời 1: Đếm lên 0: Nếu CV ≠ PV 0: Nếu CV ≤ PV 0: Đếm xuống. 1: Nếu CV = PV 1: Nếu CV > PV e) Ý nghĩa các bit của byte điều khiển trạng thái khi lập trình cho HSC Bảng 3.11. Byte điều khiển của HSC0 SM37.0 SM37.1 SM37.2 SM37.3 SM37.4 SM37.5 SM37.6 Không sử dụng Không sử dụng Không sử dụng Chiều đếm: 0: đếm lùi Cho phép đổi chiều đếm Cho phép sửa đổi giá trị đặt trước Cho phép sửa đổi giá trị đếm tức 1: đếm lên 0: không cho phép 0: không cho phép 0: không cho phép SM37.7 thời 1: Cho phép kích HSC0 0: Không cho phép 1: Cho phép kích HSC0 Bảng 3.12. Byte điều khiển của HSC1 SM47.0 Kiểu reset cho tín hiệu xóa tại cổng SM47.1 I1.0 Kiểu start cho tín hiệu kích tại cổng I1.1 57 0: đếm lùi 1: cho phép 1: cho phép 1: cho phép HSC0 SM47.2 SM47.3 SM47.4 SM47.5 SM47.6 SM47.7 Tần số đếm của HSC1 Chiều đếm Cho phép đổi chiều đếm Cho phép sửa đổi giá trị đặt trước Cho phép sửa đổi giá trị đếm tức thời 58 0: đếm lùi 0:không cho phép 0: không cho phép 0: không cho phép 1:Cho phép kích 1: đếm lên 1: cho phép 1: cho phép 1:cho phép 0: Không cho HSC1 phép HSC1 Bảng 3.13. Byte điều khiển của HSC3 SM57.0 Kiểu reset cho tín hiệu xóa tại SM57.1 cổng I1.0 Kiểu start cho tín hiệu kích tại SM57.2 SM57.3 cổng I1.1 Tần số đếm của HSC2 Chiều đếm SM57.4 SM57.5 SM57.6 HSC2 Cho phép đổi chiều đếm 0: không cho phép Cho phép sửa đổi giá trị đặt trước 0: không cho phép Cho phép sửa đổi giá trị đếm tức 0: không cho phép 1: cho phép kích 0: cho phép hủy HSC2 1: cho phép 1: cho phép 1: cho phép thời SM57.7 0: đếm lùi 1: đếm lên Bảng 3.14. Chọn kiểu reset, start và tần số đếm cho HSC HSC1 SM47.0 SM47.1 SM47.2 HSC2 SM57.0 SM57.1 SM57.2 Ghi chú 0: Reset mức cao 0: Start mức cao 0: 4X giá trị đếm 1: Reset mức thấp 1: Start mức thấp 1: 1X giá trị đếm Bảng 3.15. Byte trạng thái và byte điều khiển của HSC3, HSC4, HSC5 Bộ đếm HSC3 HSC4 HSC5 Byte trạng thái SMD136 SMD146 SMD156 Byte điều khiển SMD137 SMD147 SMD157 Ghi chú Bảng 3.16. Giá trị tức thời, giá trị đặt Bộ đếm HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Giá trị tức thời SMD38 SMD48 SMD58 SMD148 SMD158 SMD168 Giá trị đặt SMD42 SMD52 SMD62 SMD142 SMD152 SMD162 f) Các bước khởi tạo bộ đếm HSC 59 Ghí chú Dùng chu kỳ quét đầu tiên (SM0.1) để gọi chương trình con khởi tạo. Trong chương trình con khởi tạo thực hiện các công việc sau đây. - Nạp giá trị cho byte điều khiển. Gán bộ đếm với Mode đếm tương ứng dùng lệnh HDEF Nạp giá trị tức thời. Nạp giá trị đặt trước. Gán chương trình ngắt với sự kiện ngắt dùng lệnh ATCH nếu sử dụng ngắt. Cho phép ngắt dùng lệnh ENI. Chọn bộ đếm để thực thi dùng lệnh HSC. Lưu ý: Toàn bộ các bước trên đều được thực hiện trong một chương trình con khởi tạo HSC0. Việc khởi tạo này chỉ thực hiện một lần, khi nào cần thay đổi giá trị, chế độ làm việc thì mới khởi tạo lại. 3.2.5. Tập lệnh cài đặt PID 3.2.5.1. Giới thiệu về lệnh PID Lệnh này tính toán vòng lặp PID (PID Loop) theo các đầu vào và những thông số từ bảng được định địa chỉ Những lỗi có thể được gây nên bởi lệnh này (ENO = 0): + Bit đặc biệt SM4.3 = 1: lỗi Run - Time. + Lỗi 0006: địa chỉ gián tiếp. + Bit đặc biệt SM1.1 = 1: lỗi tràn (Overflow). Những bit nhớ đặc biệt có nội dung bị ảnh hưởng bởi lệnh này: + SM1.1 (Overflow): bằng 1 nếu kết quả bị tràn. Lệnh PID Loop (Proportional, Integral, Derivative Loop) được sử dụng để tính toán vòng lặp PID. Lệnh này chỉ được thực hiện nếu như đỉnh của ngăn xếp (Top Of Stack) bằng 1 trong STL, hay có Power Flow trong LAD. Lệnh này có hai toán hạng: [TBL] là địa chỉ byte đầu tiên của một bảng dữ liệu còn [LOOP] là một số nằm trong khoảng từ 0 đến 7. Điều này cũng có nghĩa là chỉ có tối đa 8 lệnh PID Loop có thể được sử dụng trong một chương trình. Nếu có hai lệnh PID Loop với cùng một số [LOOP] thì dù chúng có sử dụng hai bảng khác nhau đi nữa cũng vẫn ảnh hưởng đến nhau và có thể gây những hậu quả không lường trước được. 60 Bảng dữ liệu của lệnh PID Loop bao gồm 09 tham số dùng để điều khiển hoạt động của vòng lặp: giá trị tức thời và giá trị kế trước (current and previous value) của biến điều khiển (process variable), giá trị yêu cầu (setpoint), giá trị xử lý (output - đầu ra của PID), hệ số khuếch đại (gain), thời gian lấy mẫu (sample time), hệ số tích phân (integral time - reset), hệ số vi phân (derivative time - rate) và integral sum (bias). Để thực hiện lệnh này ở một tần suất lấy mẫu xác định, nó phải hoặc là được đặt trong một ngắt thời gian hoặc là được thực hiện trong chương trình chính qua kiểm soát bởi một bộ định thời. Đồng thời, thời gian lấy mẫu tương ứng phải được đưa vào bảng dữ liệu của lệnh. Một bộ điều khiển PID có hai đầu vào: đại lượng yêu cầu và đại lượng thực tế. Đây là những đại lượng thật trong ứng dụng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, ... Để đưa vào tính toán trong một bộ điầu khiển, chúng phải được đo, chuyển đổi về giá trị thích hợp và chuẩn hóa (nếu cần). Các bước này đều cần thiết cho một bộ điều khiển PID, bộ này đòi hỏi các giá trị đầu vào là những giá trị số thực (dấu phẩy động) nằm trong khoảng từ 0.0 đến 1.0. Thông thường, những giá trị đo được được đưa vào PLC qua các đầu vào tương tự (qui về điện áp trong khoảng 0 - 10VDC hoặc dòng điện 0 - 20mADC) thành những giá trị số nguyên 16 bit có dấu. Trước hết những giá trị này phải được đổi thành các số thực 32 bit (dấu phẩy động). 3.2.5.2. Cách cài đặt Trong STEP 7 Micro/Win32, chúng ta có thể sử dụng PID Wizard để tạo thuật toán với PID cho một mạch điều khiển kín bằng cách chọn Tools Instruction Wizard > PID từ menu chính. 3.3. MẠNG TRUYỀN THÔNG MODBUS ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ CỦA DELTA 3.3.1. Thế nào là mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung để chỉ các hệ thống truyền dữ liệu dạng bit nối tiếp, sử dụng để kết nối các thiết bị công nghiệp. 61 Hình 3.5. Mạng truyền thông Modbus Hình a là kiểu truyền dữ liệu song song : Truyền 8 bit dữ liệu cần tới 8 đường truyền Hình b là kiểu truyền dữ liệu nối tiếp : Truyền 8 bit dữ liệu cùng trên 1 đường truyền 3.3.2. Giao thức truyền thông modbus Năm 1979 khi nhà sản xuất PLC Modicon - giờ là tập đoàn Schneider Electric's Telemecanique - phát hành giao diện truyền thông Modbus cho mạng multidrop (đa điểm) dựa trên kiến trúc master/client (Chủ - tớ ), một thiết bị Master có thể kết nối tới nhiều thiết bị Client khác nhau. Truyền thông giữa các Modbus node ( các điểm) có được bằng các thông điệp. Nó là một chuẩn mở mà được mô tả bằng cấu trúc thông điệp. Hình 3.6. Giao thức truyền thông Modbus 3.3.3. Các chuẩn kết nối - Modbus interface (giao thức) ban đầu chạy trên chuẩn kết nối RS-232. 62 Hình 3.7. Chuẩn kết nối RS-232 Nhưng các thực hiện Modbus sau đó dùng chuẩn RS-485 vì nó cho phép khoảng cách lớn, tốc độ cao và khả năng của một mạng multi-drop (đa điểm) thực sự. Hình 3.8. Chuẩn kết nối RS-485 Trong thời gian ngắn hàng trăm nhà sản xuất thực hiện hệ thống thông điệp Modbus trong thiết bị của họ và Modbus trở thành chuẩn phổ biến cho các mạng truyền thông công nghiệp. 3.3.4. Mạng truyền thông modbus của delta Cùng với sự phổ biến của giao thức Modbus, Delta cũng đã tích hợp Modbus vào hầu hết các thiết bị tự động của hãng và hình thành nên mạng truyền thông công nghiệp. 63 Hình 3.9. Mạng truyền thông Modbus của Delta 3.3.5. Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể, có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus plus, Map). Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232C. Các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ là có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác. Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặc gửi thông báo động loạt tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một 64 thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi. Với một số mạng như Modbus Plus và Map sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Ví dụ trong giao tiếp tay đôi (Peer-to- Peer), mối bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu-đáp ứng) khác nhau. Một trạm có thể cùng một lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vây nó có thể đồng thời đóng vai trò là chủ và tớ trong các lần giao dịch khác nhau. Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng, như được minh họa trên hình 4. Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau: Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt. Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu. Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi cần đọc. Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báo nhận được. Hình 3.10. Chu trình yêu cầu- đáp ứng Modbus Thông báo đáp ứng cũng như bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu. Địa chỉ ở đây là của chính trạm tớ đã yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Trong 65 trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi. Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lối đã xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được. * Dưới đây sẽ trình bày một số hàm cơ bản được hỗ trợ trong PLC S7-200. Mã hàm 01 (0x01)- hàm tác động lên bit: - Chức năng: đọc giá trị của các ngõ ra trên thiết bị được điều khiển - Cấu trúc đoạn thoại yêu cầu: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ ngõ ra bắt đầu đọc 2 byte Số lượng ngõ ra muốn đọc 2 byte Mã kiểm soát lỗi CRC của khung dữ 2 byte Chú thích Có giá trị 01 (hex) liệu Master - Cấu trúc đoạn thoại trả lời: Độ dài Địa chỉ của slave 1 byte Funtion code 1 byte Số lượng byte dữ liệu theo sau (N) 1 byte Chú thích 0x01 Byte này chỉ số lượng byte có nhiệm vụ lưu giá trị của các cuộn dây mà master yêu cầu N= số ngõ ra muốn đọc/8 Dữ liệu của các ngõ ra mà Master N byte yêu cầu Mã lỗi CRC của khung dữ liệu 2 byte slave đáp ứng Mã hàm 02 (0x02)-hàm tác động lên bit: - Chức năng: giúp master đọc được trạng thái của một hay nhiều tín hiệu ngõ vào rời rạc của slave. 66 - Cấu trúc đoạn thoại yêu cầu: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ ngõ vào bắt đầu đọc 2 byte Số lượng ngõ vào muốn đọc 2 byte Mã kiểm soát lỗi CRC của khung dữ 2 byte Chú thích Có giá trị 02 (hex) liệu Master - Cấu trúc đoạn thoại trả lời: Độ dài Địa chỉ của slave 1 byte Funtion code 1 byte Số lượng byte dữ liệu theo 1 byte Chú thích sau (N) lưu giá trị của các cuộn dây mà master Dữ liệu của các ngõ vào mà N byte yêu cầu N= số ngõ vào muốn đọc/8 0x02 Byte này chỉ số lượng byte có nhiệm vụ Master yêu cầu Mã lỗi CRC của khung dữ 2 byte liệu slave đáp ứng Mã hàm 05 (0x05) hàm tác động lên bit - Chức năng: giúp master ghi giá trị lên từng cuộn dây có trên Slave. - Cấu trúc của đoạn thoại yêu cầu: Địa chỉ của Slave Function code Địa chỉ của ngõ ra muốn ghi Dữ liệu muốn ghi cho ngõ ra Độ dài 1 byte 1 byte 2 byte 2 byte Chú thích Có giá trị 05 (hex) FF00: ứng với giá trị 1 0000: ứng với giá trị 0 Mã kiểm soát lỗi CRC của khung dữ 2 byte liệu Master 67 - Cấu trúc đoạn thoại đáp ứng: Địa chỉ của Slave Function code Địa chỉ của ngõ ra muốn ghi Dữ liệu sau khi ghi Độ dài 1 byte 1 byte 2 byte 2 byte Chú thích Có giá trị 05 (hex) FF00: ứng với giá trị 1 0000: ứng với giá trị 0 Mã lỗi CRC của khung dữ liệu slave 2 byte đáp ứng Mã hàm 15 (0x15)- hàm tác động lên bit - Chức năng: giúp master ghi giá trị 0/1 lên nhiều cuộn dây đơn - Cấu trúc đoạn thoại yêu cầu: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ đàu tiên của các ngõ ra muốn 2 byte ghi Số lượng ngõ ra muốn ghi Số lượng byte dữ liệu theo sau(N) Dữ liệu muốn ghi đến các ngõ ra Mã kiểm soát lỗi CRC của khung dữ 2 byte 1 byte N byte 2 byte Chú thích Có giá trị 0F (hex) N= số ngõ ra muốn ghi/8 liệu Master - Cấu trúc đoạn thoại đáp ứng: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ của ngõ ra đầu tiên muốn ghi 2 byte Số lượng ngõ ra được ghi 2 byte Mã lỗi CRC của khung dữ liệu slave 2 byte đáp ứng Mã hàm 03(0x03)- hàm tác động lên thanh ghi 68 Chú thích Có giá trị 0F (hex) - Chức năng: giúp master đọc được trạng thái của các thanh ghi trong vùng Holding register của các thiết bị tớ. - Cấu trúc đoạn thoại yêu cầu: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ đầu tiên của các thanh ghi mà 2 byte Chú thích Có giá trị 03 (hex) master muốn đọc dữ liệu Tổng số thanh ghi mà master muốn 2 byte đọc Mã kiểm soát lỗi CRC của khung dữ 2 byte liệu Master - Cấu trúc đoạn thoại trả lời: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Số lượng byte dữ liệu theo sau (2xN) 1 byte Các byte nội dung của các thanh ghi 2xN byte Chú thích mà master yêu cầu Mã lỗi CRC của khung dữ liệu slave 2 byte master muốn đọc Có giá trị 03 (hex) N= số thanh ghi mà đáp ứng Mã hàm 06(0x06)- hàm tác động lên thanh ghi - Chức năng: giúp master ghi dữ liệu xuống một thanh ghi - Cấu trúc khung yêu cầu: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ của thanh ghi mà master muốn 2 byte ghi dữ liệu Giá trị master ghi xuống cho thanh ghi 2 byte Mã kiểm soát lỗi CRC của khung dữ 2 byte liệu Master 69 Chú thích Có giá trị 06 (hex) - Cấu trúc khung đáp ứng: Độ dài Địa chỉ của Slave 1 byte Function code 1 byte Địa chỉ của thanh ghi đầu tiên được 2 byte Chú thích Có giá trị 06 (hex) master ghi dữ liệu Số lượng thanh ghi được ghi dữ liệu 2 byte Mã lỗi CRC của khung dữ liệu slave 2 byte đáp ứng * Khối dữ liệu - Chức năng của khối dữ liệu: khối này thông thường chứa địa chỉ cảu các vùng trên thiết bị slave mà master muốn tác động đến. - Trong giao thức mạng Modbus, thì có một tiêu chuẩn địa chỉ chung cho tất cả các thiết bị có hỗ trợ giao thúc Modbus. Có nghĩa là chuẩn Modbus quy định từng vùng địa chỉ rõ ràng cho khối cuộn dây ngõ ra, khối ngõ vào rời rạc, khối thanh ghi đầu vào và khối thanh ghi Holding. - Bảng dưới đây trình bày địa chỉ chuẩn Modbus của các thanh ghi trong các thiết bị hỗ trợ modbus. Bảng 3.17. Bảng địa chỉ chuẩn Modbus của các thanh ghi Vùng trên PLC Vùng địa chỉ Loại dữ liệu Modbus(decimal) Cách thức truy cập Vùng các cuộn 000001-065536 Boolean dây ngõ ra Q Mã hàm tác động : 01, 05, Cho phép đọc/ghi 15 Vùng các cuộn 10001-165536 dây ngõ vào I Mã hàm tác động: 01 + 300001-365536 Boolean Chỉ cho phép đọc + Word, Short, BCD 70 + 300001-365535 +Float,Dword,Long, Chỉ cho Vùng thanh ghi + 300001-365533 LBCD phép đọc nội + 3xxxx.0/1-3xxxx.15/16 + Double Mã hàm tác động: 04 + 400001- 465536 + Boolean + Word, Short, BCD Vùng các thanh + 400001-465535 +Float,Dword,Long,L ghi duy trì + 400001-465533 BCD (holding register) + 4xxxx.0/1-4xxxx.15/16 + Double Cho phép đọc/ ghi Mã hàm tác động: 03, 06, + Boolean 16, 22 * Khối CRC (Cyclic Redundancy Check) Chức năng: giúp slave kiểm tra được có lỗi xuất hiện trong khung dữ liệu khi master truyền xuống hay không. Mạng Modbus thực hiện việc kiểm tra lỗi theo 2 hình thức: Kiểm tra số lượng bít 1, bit 0 trong mỗi khung truyền, nhờ mã kiểm tra chẵn lẻ (Parity bit). Kiểm tra nội dung của toàn bộ khung truyền xem có chĩnh xác hay không. Khi Master gửi khối dữ liệu xuống, nó sẽ dựa vài khung dữ liệu để tính mã CRC, sau đó Master sẽ gửi khung dữ liệu đó xuống, kèm theo cả mã CRC vừa tính được. Khi Slave nhận được khối tin truyền, nó cũng dựa vào khối dữ liệu nhận được, tính toán độc lập lại mã CRC, sau đó nó kiểm tra CRC vừa tính được với CRC mà Master gửi xuống. Nếu 2 mã CRC giống nhau, thì không có lỗi xảy ra. Nếu 2 mã CRC khác nhau, tức là dữ liệu nhận được là không đúng, thì Slave sẽ báo lỗi lên cho Master. 71 3.3.6. Chế độ truyền 3.3.6.1. Chế độ ASCII Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII,mỗi byte thông báo được gửi thành hai kí tự 7 bit,trong đó mỗi kí tự biểu diễn chữ số Hex.Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau Mỗi ký tự khung bao gồm: + 1 bit khởi đầu(Start bit) + 7 bit biểu diễn một chữ só hex của byte cần gửi dưới dạng kí tự ASCII(0-9 và A-F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước. + 1 bit parity chẵn/lẻ,nếu sử dụng parity + 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity. Hình 3.11. Khung truyền ASCII 3.3.6.2. Chế độ RTU Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn đặt chế độ RTU,mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu điểm chính của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn.Tuy nhiên,mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Mỗi ký tự khung bao gồm: 72 + 1 bit khởi đầu(Start bit) + 8 bit của byte thông báo cần gửi,trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước + 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity + 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity. Hình 3.12. Khung truyền RTU 3.4. XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN ĐỐI TƯỢNG VÀ CÁC THAM SỐ PID 3.4.1. PID 3.4.1.1. Khái niệm PID Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. 3.4.1.2. Lý thuyết điều khiển PID Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có: MV (t) = Pout + I out + Dout (3.1) Trong đó: 73 Pout, Iout, và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác định như dưới đây. 3.4.1.3. Khâu tỉ lệ Hình 3.13. Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ. Khâu tỉ lệ được cho bởi: Pout = K p e(t) (3.2) Trong đó: Pout: Thừa số tỉ lệ của đầu ra. Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh. e: Sai số = SP – PV. t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại). Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, độ lợi nhỏ 74 là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. 3.4.1.4. Khâu tích phân Hình 3.14. Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Ki (Kp và Kd là hằng số) Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, Ki. Thừa số tích phân được cho bởi: t I out = Ki ∫ e(τ ) dτ I 0 (3.3) Trong đó: Iout: Thừa số tích phân của đầu ra Ki: Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh e: Sai số t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại) : Một biến tích phân trung gian 75 Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác). 3.4.1.5. Khâu vi phân Hình 3.15. Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kd (Kp và Ki là hằng số) Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ . Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi làtốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Thừa số vi phân được cho bởi: Dout = K d d e(t) D dt (3.4) Trong đó: Dout: thừa số vi phân của đầu ra 76 . Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh e: Sai số = SP – PV t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại) Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha. 3.4.2. Phương pháp điều khiển PID Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học. Các phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn. Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển. Bảng 3.8. Các phương pháp điều khiển PID Phương pháp Điều chỉnh thủ công Ziegler–Nichols Các công cụ phần mềm Cohen-Coon Lựa chọn phương pháp điều chỉnh Phương pháp Phương pháp Điều chỉnh thủ công Điều chỉnh thủ công Ziegler–Nichols Ziegler–Nichols Các công cụ phần mềm Các công cụ phần mềm Cohen-Coon Cohen-Coon 77 * Điều chỉnh thủ công: Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd Kp bằng không. Tăng dần cho đến khi đầu ra Kp của vòng điều khiển dao động, sau đó có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, Cuối cùng, tăng Kd Ki Ki đến giá quá lớn sẽ gây mất ổn định. nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng, tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín Kp giảm lố, thiết đặt một giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị gây ra dao động. Bảng 3.19. Phương pháp điều khiển bằng tay Thông số Kp Tác động của việc tăng một thông số độc lập Thông số Thông số Thông số Kp Kp Kp Thông số Kp Ki Ki Ki Ki Ki Kd Kd Kd Kd Kd Tác động của Tác động của Tác động của Tác động của Tác động của việc tăng một việc tăng một việc tăng một việc tăng một việc tăng một thông số độc lập thông số độc lập thông số độc lập thông số độc lập thông số độc lập 78 * Phương pháp Ziegler-Nichols Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler–Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào những năm 1940. Giống phương pháp trên, độ lợi và Kd lúc đầu được gán bằng không. Độ lợi P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, vòng điều khiển bắt đầu dao động. Ku và thời gian dao động độ lợi như sau: 79 Pu Ku ở đầu ra của được dùng để gán Bảng 3.20. Phương pháp Ziegler-Nichols Dạng điều khiển P PI PID Phương pháp Ziegler–Nichols Dạng điều khiển Dạng điều khiển P P PI PI PID PID Dạng điều khiển P PI PID * Phần mềm điều chỉnh PID Hầu hết các ứng dụng công nghiệp hiện đại không còn điều chỉnh vòng điều khiển sử dụng các phương pháp tính toán thủ công như trên nữa. Thay vào đó, phần mềm điều chỉnh PID và tối ưu hóa vòng lặp được dùng để đảm báo kết quả chắc chắn. Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, phát triển các mô hình xử lý, và đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu. Vài gói phần mềm thậm chí còn có thể phát triển việc điều chỉnh bằng cách thu thập dữ liệu từ các thay đổi tham khảo. Điều chỉnh PID bằng toán học tạo ra một xung trong hệ thống, và sau đó sử dụng đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điều khiển PID. Trong những vòng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn điều chỉnh bằng toán học, bởi vì việc thử sai thực tế có thể kéo dài nhiều ngày để tìm điểm ổn định cho vòng lặp. Giá trị tối ưu thì khó tìm hơn. Vài bộ điều khiển số còn có chức năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểm đặt cũng được gửi tới quá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính toán giá trị điều chỉnh tối ưu. Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩn đánh giá kết quả khác nhau. Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module phần mềm và phần cứng để điều chỉnh PID. 80 3.4.3. Xây dựng modul truyền thông giữa PLC và biến tần 3.4.3.1. Xây dựng phần cứng Xây dựng cấu trúc điều khiển động cơ Hình 3.16. Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ Hình 3.17. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ Trong đó: Qđ: Lưu lượng đặt. BĐK: Bộ điều khiển. 81 Modbus: Đầu ra 485 của PLC kết nối với cổng RS485 của biến tần BT: Biến tần DC: Động cơ Encoder: Encoder HE50B V: Tốc độ động cơ m: Nhiễu Q: Đầu ra vận tốc e: Sai lệch tín hiệu và đáp ứng đầu ra Uđk: Tín hiệu điều khiển 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. Có nhiều phương pháp để xác định mô hình toán học theo mối quan hệ các đại lượng của từng thành phần. Tuy nhiên, trong phạm vi luận văn sử dụng công cụ nhận dạng mô hình (System Identification toolbox) của phần mềm Matlab để xác định mô hình toán học. 3.4.3.2. Truyền thông giữa máy tính – PLC - biến tần Sử dụng cáp PC-PPI để kết nối giữa máy tính với PLC S7200. Giữa PLC và biến tần ta đấu nối như sau: Hình 3.18. Sơ đồ đấu nối truyền thông giữa PLC với biến tần PLC S7_200 và biến tần VFD_B hỗ trợ truyền thông Modbus ASCII và Modbus RTU. Luận văn này, tác giả thực hiện truyền thông Modbus RTU . PLC S7-200 chưa có sẵn thư viện truyền thông Modbus nên ta cần phải cài đặt thêm thư viện này. 82 Cách thức thực hiện xây dựng modul truyền thông thực hiện giữa PLC S7 200 và biến tần: Bước 1: Cài đặt thông số cho biến tần Thông số Tần số đầu ra lớn nhất(Hz) Phương pháp điều khiển tần số chính Phương pháp hoạt động Địa chỉ truyền thông Tốc độ truyền Định dạng truyền dữ liệu Giá trị 01-00=50 02-00=04 02-01=03 09-00=01 09-01=01:9600bps 09-04=04:8,E,1(Modbus,RTU) Bước 2: Sử dụng khối lệnh hỗ trợ từ thư viện library từ PLC PLC đóng vai trò là Master, biến tần đóng vai trò là Slave cho nên ta sử dụng khối Modbus Master Port 0 (hoặc Port 1) . Chương trình lập trình truyền thông với biến tần trên PLC: Chương trình sử dụng Port 0 là cổng truyền thông giữa PLC với biến tần,khởi tạo tốc độ truyền thông là 9600 Baud, sử dụng parity chẵn và timerout là 1000 . 3.5. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.5.1. Chương trình điều khiển 3.5.1.1. Yêu cầu bài toán Đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng bộ PID của PLC – biến tần” dùng giao diện được viết bằng WinCC để nhập các giá trị của bài toán như các hệ số: KP, KI, KD, thời gian lấy mẫu, tốc độ đặt, số xung encoder, tốc độ tối đa của động cơ sau đó nhờ PC Access để liên kết các giá trị đó với PLC. Sau đó PLC đọc số xung phát ra từ bộ đếm xung encoder nối với động cơ DC, AC từ số xung đó tính toán ra được tốc độ thực tế của động cơ sau đó đưa các giá trị ở trên vào bộ điều khiển PID có sẵn trong PLC để xử lý và đưa ra được một giá trị.Từ giá trị đưa vào sẽ được xuất ra để điều khiển động cơ 83 3.5.1.2. Lưu đồ thuật toán * Chương trình đọc xung encoder 84 3.5.1.3. Chương trình PID 3.5.2. Quy ước đầu vào ra Hình 3.19. Quy ước đầu vào ra trên PLC S7-200 Hình 3.20. Quy ước đầu vào ra trên PC Access 85 3.6. THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN WINCC Hình 3.21. Màn hình chính của giao diện WinCC Hướng dẫn sử dụng: Trước tiên ta thiết lập giá trị Kp, Ki, tocdodat Sau đó ấn nút ON và nút RUN Nếu muốn dừng hệ thống, ấn nút STOP và RESET để reset lại toàn bộ giá trị. 3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Toàn bộ chương 3 đã nêu tổng quan về PLC S7-200, những ưu điểm lớn khi sử dụng PLC trong các hệ thống điều khiển, đi sâu vào giới thiệu các đặc điểm, cấu trúc phần cứng, phần mềm và phương pháp, ngôn ngữ lập trình đối với PLC S7-200 của hãng siemens. Từ những nghiên cứu tìm hiểu trên, nắm được cấu trúc phần cứng cũng như ngôn ngữ, phương pháp lập trình trong PLC, là cơ sở để kết nối phần cứng giữa 86 PLC với biến tần, thiết kế chương trình điều khiển cho mô hình điều khiển động cơ với phần mềm microwin. Để giám sát và điều khiển tốc độ động cơ, có thể sử dụng nhiều phần mềm như Visual, CVI, thực hiện truyền thông giữa PLC với máy tính… Trong luận văn này, phần giám sát và điều khiển được thực hiện trên giao diện và phần mềm WinCC. Đây là một phần mềm dễ sử dụng, giao diện xây dựng dễ dàng giống mô hình thật để quan sát dễ dàng, có thể giám sát tốc độ bằng giá trị hiển thị cụ thể trong từng thời điểm, bằng đồ thị tốc độ đầu ra. Các nút ấn điều khiển linh hoạt, link đến chương trình trong PLC. Chương 3 đã trình bày toàn bộ quá trình đấu nối dây, điều khiển và giám sát cho động cơ trên PLC cũng như trên WinCC. Quá trình thưc hiện chương trình trên hai phần mềm và quá trình giám sát, điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được các chỉ tiêu công nghệ đề ra. Tuy nhiên khi thu thập dữ liệu để xác định hàm truyền động cơ gặp nhiều khó khăn nên đặc tính tốc độ ra của bộ điều khiển chưa đạt được kết quả tốt nhất. Tùy theo tải năng hay nhẹ mà các tham số PID khác nhau. 87 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. KẾT LUẬN Sau những tháng ngày nghiên cứu và là việc nghiêm túc, em đã hoàn thành luận văn: “ Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển động cơ xoay chiều ba pha dựa trên bộ điều khiển PLC và biến tần” Qua quá trình tìm tòi, nghiên cứu và thực hiện luận văn, thu được nhiều kết quả tốt. Đó là nghiên cứu, tìm hiểu về hệ SCADA trong thực tế, từ đó xây dựng mô hình hệ SCADA nhỏ ở cấp trường. Đối tượng điều khiển trong mô hình này là động cơ không đông bộ ba pha rotor lồng sóc. Tác giả đi nghiên cứu các đặc điểm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ, từ đó chọn ra phương pháp điều khiển hợp lý nhất cho đối tượng. Nghiên cứu biến tần: cách thức đấu nối, cài đặt tham số cũng như tìm hiểu về mạng truyền thông công nghiệp Modbus. Nghiên cứu tổng quan về PLC, cấu trúc phần cứng, phần mềm và ngôn ngữ lập trình trong PLC S7-200 của hãng Siemens, đây là PLC được sử dụng trong luận văn. Để thực hiện giám sát và điều khiển trên giao diện, nghiên cứu phần mềm WinCC để xây dựng giao diện và lập trình giám sát, điều khiển tốc độ động cơ. 4.2. KIẾN NGHỊ - Xây dựng mạng modbus gồm nhiều PLC,biến tần điều khiển nhiều động cơ - Thực hiện nhiều phương pháp điều khiển hơn như: điều khiển on/off, điều khiển mờ… Luận văn này là kết quả của quá trình học tập, vân dụng lý thuyết đã học trên lớp vào thực tế. Em đã cố gắng vận dụng kiến thức đã học cùng với sự tìm tòi để hoàn thành tốt luận văn này. Tuy nhiên do kiến thức và khả năng còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Em mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để luận văn này được hoàn thiện hơn. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Th.S Phạm Phú Thọ, Giáo trình PLC S7-200, TT Cơ điện tử_Trường TCN KTCN Hùng Vương. [2]. Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh, Tự động hóa với Simatic S7 - 200, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [3]. Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [4]. TS. Trần Thu Hà – KS. Phạm Quang Huy, Giao diện người – máy HMI (Human machine interface) Lập trình với S7 và WinCC 6.0, Nhà xuất bản Hồng Đức. [5]. www.dientuvietnam.net [6] .www.hiendaihoa.com 89 PHỤ LỤC Chương trình PLC tham khảo: [...]... thng SCADA hin nay chớnh l la chn cụng c phn mm thit k giao din v tớch hp h thng 1.2 CC THNH PHN CA H THNG Quản lý công t y PC Điều hành sản xuất Điều khiển giám sát Điều khiển Chấp hành Qúa t rình kỹ t huật Hình 2.3: Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát Hỡnh 1.3 Mụ hỡnh phõn cp h thng Scada Cu trỳc mt h SCADA cú cỏc thnh phn c bn sau: + Trm iu khin giỏm sỏt trung tõm: l mt... v in ỏp pha A nh sau: Hỡnh 2.10 Gin in th v in ỏp pha A dựng phng phỏp PWM S bin tn ba pha dựng Tranzitor gm : 29 B nghch lu bin i in ỏp mt chiu t ngun cp thnh in ỏp xoay chiu cú tn s cú th bin i c in ỏp xoay chiu qua b lc v a vo s cu Tranzitor S bin tn Tranzitor ba pha dựng 6 Tranzitor cụng sut T 1 t T6 v 6 it T7 t T12 u song song ngc vi cỏc Tranzitor tng ng Tớn hiu iu khin Vb c a vo baz ca Tranzitor... nguyờn lý hot ng cng nh cỏc phng phỏp iu khin tc ng c CHNG 2 TèM HIU NG C KHễNG NG B XOAY CHIU BA PHA V BIN TN DELTA VFD-B 2.1 NG C KHễNG NG B 3 PHA 2.1.1 Cu to ng c khụng ng b l mỏy in xoay chiu, lm vic theo nguyờn lý cm ng in t, cú tc ca roto khỏc vi tc t trng quay trong mỏy Hỡnh 2.1 ng c khụng ng b ng c khụng ng b ba pha gm cú cỏc b phn chớnh sau: Phn tnh hay cũn gi l stato Phn quay hay cũn gi l rotor... ỏp) dựng in tr hay in cm S dng b bin i in ỏp xoay chiu 3 pha, dựng linh kin in t iu chnh thay i in ỏp hiu dng ngun 3 pha cp vo ng c H thng khi ng ny c gi l phng phỏp khi ng mờm (soft start) cho ng c Cỏc phng phỏp ra dõy trờn stato ca ng c khụng ng b 3 pha: - ng c 3 pha 6 u dõy ra (vn hnh theo 1 trong 2 phng phỏp: u Y ni tng ng so vi s u Y hay ) - ng c 3 pha 9 u dõy ra (u vn hnh theo 1 trong 2 phng... ng, c qun thnh cỏc bi dõy, t bi dõy Tựy theo cun dõy cun stato l 1 pha hay 3 pha m ta cú ng c khụng ng b 1 pha hay 3 pha Hỡnh 2.3 Dõy qun Stator 2.1.1.2 Phn quay Rotor cú 2 loi chớnh: rotor kiu dõy qun v rotor kiu lng súc a) Rotor kiu dõy qun: Rotor kiu dõy qun cng ging nh dõy qun stator Dõy qun 3 pha ca rotor thng u hỡnh sao cũn ba u kia c ni vo vnh trt thng lm bng ng t c nh mt u trc v thụng qua... chung Nguyờn lý c bn lm vic ca b bin tn cng khỏ n gin u tiờn, ngun in xoay chiu 1 pha hay 3 pha c chnh lu v lc thnh ngun 1 chiu bng phng Cụng on ny c thc hin bi b chnh lu cu diode v t in Nh vy, h s cụng sut cos ca h bin tn u cú giỏ tr khụng ph thuc vo ti v cú giỏ tr ớt nht 0.96 in ỏp mt chiu ny c bin i (nghch lu) thnh 27 in ỏp xoay chiu 3 pha i xng Cụng on ny hin nay c thc hin thụng qua h IGBT (transistor... cao cp nh: PLC, Counter, Local/remote, Multistep speed, Base lbock, AVR, DC braking, Over/Under voltage, Overload, Overcurrent, over heating, Self-testing, iu khin ng c xoay chiu 3 pha cụng sut t 0.75kW 75kW Hỡnh 2.12 Mụ t bn phớm ci t ca bin tn VFD 32 2.2.5.2 S ni dõy c bn Hỡnh 2.13 S nguyờn lý cỏc u vo ra ca bin tn Delta VFD Trong ú: + Chõn R(L1),S(L2),T(L3): l 3 chõn cp ngun in ỏp 3 pha vo bin... quột qua dõy qun nhiu pha t ngn mch nờn trong dõy qun rotor cú dũng in I2 chy qua T thụng do dũng in ny sinh ra hp vi t thụng ca stator to thnh t thụng tng khe h Dũng in trong dõy qun rotor tỏc dng vi t thụng khe h sinh ra momen Tỏc dng ú cú quan h mt thit vi tc quay n ca rotor Trong nhng phm vi tc khỏc nhau thỡ ch lm vic ca mỏy cng khỏc nhau Khi ni dõy cun vo li in xoay chiu ba pha, trong ng c s sinh... dũng in xoay chiu mt pha c chuyn i thnh mt chiu Tuy nhiờn, cu i-t c s dng trong bin tn cng cú th cu hỡnh i-t b sung cho phộp chuyn i t in xoay chiu ba pha thnh in 25 mt chiu Cỏc i-t ch cho phộp lung in theo mt hng, vỡ vy cu i-t hng dũng electron ca in nng t dũng xoay chiu (AC) thnh dũng mt chiu (DC) 2.2.2.2 Tuyn dn mt chiu Tuyn dn mt chiu l mt gin t in lu tr in ỏp mt chiu ó chnh lu Mt t in cú th tr... vi súng dng sin Tớn hiu ny c s dng iu khin tc v mụmen xon ca ng c 2.2.2.4 B in khỏng xoay chiu B in khỏng dũng xoay chiu l cun cm hoc cun dõy Cun cm lu tr nng lng trong t trng c to ra trong cun dõy v chng thay i dũng in B in khỏng dũng giỳp gim mộo súng hi, tc l nhiu trờn dũng xoay chiu Ngoi ra, b in khỏng dũng xoay chiu s gim mc nh ca dũng in li hay núi cỏch khỏch l gim dũng chng trờn tuyn dn mt ... H THNG Quản lý công t y PC Điều hành sản xuất Điều khiển giám sát Điều khiển Chấp hành Qúa t rình kỹ t huật Hình 2.3: Mô hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát Hỡnh 1.3 Mụ hỡnh phõn cp... v PLCS7-200 va biờn tõn kt hp vi phn mm WinCC xõy dng chng trỡnh iu khin, giỏm ụng c xoay chiờu ba pha mụt cach dờ dang, chinh xac 3.2 i tng i tng iu khin mụ hỡnh ny l ng c khụng ụng b ba pha. .. iu khin tc ng c CHNG TèM HIU NG C KHễNG NG B XOAY CHIU BA PHA V BIN TN DELTA VFD-B 2.1 NG C KHễNG NG B PHA 2.1.1 Cu to ng c khụng ng b l mỏy in xoay chiu, lm vic theo nguyờn lý cm ng in t, cú