ứng dụng plc đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ giải đo 0 1500 vòngphút dùng encoder

Hiện nay các nghành công nghiệp đã và đang ứng dụng tự động hóa vào các quá trình sản xuất nhằm tạo ra năng suất cao, hạ giá thành sảm phẩm, giảm sức lao động của con người. Việc ứng dụng PLC vào điều khiển quá trình công nghệ đã làm cho công việc thiết kế, lắp đặt, giám sát trở lên đơn giản và đem lại hiệu quả cao. PLC có khả năng lập trình được các quá trình phức tạp, sửa đổi chương trình dễ dàng. Ứng dụng của PLC biến tần động cơ được sử dụng trong nhiều, nó giúp cho việc điều khiển động cơ phù hợp với yêu cầu sử dụng, tiết kiệm dược năng lượng. Trong đề tài này đề cập đến việc ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo tốc độ động cơ với giải đo: 01500vp.

Mục Lục

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 4

1.1 Mục đích 4

1.2 Phương pháp đo 4

1.3 Tìm hiểu về PLC 5

1.3.1 Khái quát về PLC 5

1.3.2Các module, đối tượng mở rộng mở rộng 8

Chương 2: Thiết kế hệ thống 9

2.1Lựa chọn thiết bị 9

2.1.1Biến tần Siemens MM420 9

Các đầu dây điều khiển 11

2.1.2 PLC S7-200 13

2.1.2.1 Cấu trúc phần cứng: 13

2.1.2.2 Cổng mở rộng cổng vào ra 14

2.1.2.3 Đặc điểm của CPU 224: 14

2.1.2.4 Cổng truyền thông: 15

2.1.3 Cảm biến vận tốc (ENCODER) 15

2.1.3.1 Khái niệm: 15

2.1.3.2 Phân loại 16

2.1.4 Xây dựng hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ 16

2.1.4.1 Bộ đếm tốc độ cao HSC 16

a) Định nghĩa và Lệnh HSC(HDEF): 16

b) Lệnh HSC 16

c) Hoạt động của HSC 17

d) Các loại HSC và hoạt động 17

e) Mode HSC1(CPU 224, 226) 18

2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 18

2.2.1 Sơ đồ khối công nghệ của hệ thống điều khiển 18

2.2.2 Kết nối PC với PLC 19

2.2.3 Kết nối PLC với biến tần 20

2.2.4 Kết nối biến tần với động cơ 20

2.2.5 Kết nối encoder với PLC 21

2.2.6 Bảng địa chỉ 22

2.2.7 Sơ đồ đấu dây 22

2.3 Xây Dựng Thuật Toán 23

Xây dựng phần mềm 25

Chương 3 : Kết quả đề tài 30

3.1 kết quả nghiên cứu lý thuyết 30

3.2 Kết quả thực nghiệm 31

Kết luận 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Lời nói đầu

Đất nước ta trên con đường tiến lên một đất nước công nghiệp hóa hiện đạihóa Để đạt được mục tiêu đó thì tự động hóa các quá trình sản xuất là một vấn đềquang trọng, then chốt để phát triển kinh tế đất nước

Ngày nay trong việc ứng dụng các thiết bị tiên tiến với công nghệ cao vào việc đolường điều khiển tính toán, cũng như trong sản xuất là vô cùng cần thiết và mộttrong những thiết bị thông minh là PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạtcác thuật toán điều khiển số thông qua 1 ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thểhiện thuật toán đó bằng mạch số, góp phần vào việc nâng cao năng suất lao độngđồng thời đẩy mạnh lĩnh vực tự động điều khiển phát triển hơn nữa trong tương lai.Trong đề tài bài tập lớn ứng dụng PLC đo , cảnh báo và điều khiển tốc độ động cơ

đã tạo điều kiện rất tốt cho chúng em được thực hành những kiến thức ở trường vàhọc hỏi để phát triển thêm, tuy vậy do kiến thức còn hạn chế nên trong bài làm sẽcòn sai sót mong được thầy cô dạy bảo thêm, chúng em xin chân thành cảm ơn

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Mục đích

Hiện nay các nghành công nghiệp đã và đang ứng dụng tự động hóa vào cácquá trình sản xuất nhằm tạo ra năng suất cao, hạ giá thành sảm phẩm, giảm sức laođộng của con người Việc ứng dụng PLC vào điều khiển quá trình công nghệ đãlàm cho công việc thiết kế, lắp đặt, giám sát trở lên đơn giản và đem lại hiệu quảcao PLC có khả năng lập trình được các quá trình phức tạp, sửa đổi chương trình

dễ dàng Ứng dụng của PLC biến tần động cơ được sử dụng trong nhiều, nó giúpcho việc điều khiển động cơ phù hợp với yêu cầu sử dụng, tiết kiệm dược nănglượng Trong đề tài này đề cập đến việc ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báotốc độ động cơ với giải đo: [0-1500]v/p

1.2 Phương pháp đo

Ngày nay có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng vẫn sử dụng hai phương pháp đo phổ biến là:

Phương pháp dùng encoder

Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang hay còn gọi là encoder Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đổi vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm

Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúc như công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan

hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện

Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này: hệ thống

sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ

Phương pháp đo dùng encoder như đếm số xung trong một khoảng thời gian đo.Như vậy với phương pháp này thì ta lựa chọn encoder để biến tốc độ thành mộtdãy xung có tần số tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ

1.3 Tìm hiểu về PLC

1.3.1 Khái quát về PLC

PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lậptrình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mộtloạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích(ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thìhay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hayOFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lậptrình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ởngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-200 bằng ngôn ngữ lập trình chuyên dụng củaSIEMEN STEP 7-Micro/WIN

- Các hãng PLC được sử dụng nhiều trong thực tế như: SIEMEN, MISUBISHI,ABB, OMRON

PLC –s7200

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLB Đức ), cócấu trúc kiểu module và có các module mở rộng Các module này được sử dụng vớinhững mục đích khác nhau Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớcủa PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớngoài để lưu chương trình và dữ liệu (Catridge ) Dòng PLC S7-200 có hai họ là21X ( loại cũ ) và 22X ( loại mới ), trong đó họ 21X không còn sản xuất nữa Họ21X có các đời sau: 210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X có các đời sau: 221, 222,

- Đèn SF/DIAG: Chỉ báo hệ thống bị hỏng tức do lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành.

- Đèn Ix.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu vào số(ON/OFF)

- Đèn Qx.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu ra số(ON/OFF)

c) Port truyền thông:

- Port truyền thông nối tiếp RS485: Giao tiếp với PC, PG, TD200, OP, mạng biếntần…

- Port cho module mở rộng: Kết nối với module mở rộng 1.4 Công tắc chuyển chếđộ:

- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình lỗi hoặc gặp lệnhSTOP thì PLC tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở vị tríRUN ( quan sát đèn trạng thái )

- STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF

- TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài

ra còn được dùng để download chương trình người dùng 1.5 Vít chỉnh tương tự:Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được 270 độ để thayđổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình

d) Cấu trúc phần cứng: Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:

- Module nguồn - Module đầu vào - Module đầu ra - Module đơn vị xử lý trungtâm (CPU) - Module bộ nhớ - Module quản lý phối ghép vào ra

e) Đơn vị xử lý trung tâm

(CPU Central Processing Unit): CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năngđiều khiển phức tạp quan trọng của PLC

- Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ đơnthuần xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài

- Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phéptoán, đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuynhiên thời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn 2.2 Bộ nhớ: Bao gồm các loại bộnhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần xử lý trong chươngtrình của PLC

1.3.2Các module, đối tượng mở rộng mở rộng.

Các PLC họ S7-200 đều có thể mở rộng thêm các đầu vào/ra và các chứcnăng nâng cao khác bằng cách ghép nối thêm các module mở rộng về phía bên phảicủa PLC tạo thành một móc xích các module Địa chỉ của các vị trí các moduleđược xác định bằng kiểu vào ra và vị trí của các module trong móc xích, bao gồmcác module có cùng kiểu Các module mở rộng số hay tương tự đều chiếm chỗtrong bộ đệm tương ứng với số đầu vào ra của module

Các module mở rộng:

 Module đầu vào số: EM 221 có nhiều loại bao gồm 8/16 đầu vào và điện áp24VDC/120-230VAC

 Module đầu ra số: EM 222 bao gồm 4/8 đầu ra 24VDC/Relay/230VAC

 Module vào/ra số: EM 223 bao gồm 4/8/16 đầu vào số 24VDC và 4/8/16 đầu

 Module vào/ra tương tự: EM 235 gồm 4 đầu vào và 1 đầu ra.

Ngoài ra còn có các loại module thích hợp với các ứng dụng khác như module điềukhiển vị trí, module truyền thông,…

- Bộ biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theophương pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần

số biến thiên

1 Ấn để truy nhập thông số

2 Ấn đến khi P0003 được hiển thị

3 Ấn để tới các mức giá trị thông số

4 Ấn hoặc để đạt giá trị mong muốn ( ví dụ: 3)

5 Ấn để xác nhận giá trị và lưu lại giá trị

6 Lúc này mức 3 đã được cài đặt và người sử dụng có thể nhìn thấy tất cả các thông số từ mức 1đến mức 3.

Nét nổi bật của MICROMASTER 420:

- Thiết kế nhỏ gọn và dễ lắp đặt

- Có nhiều cách lựa chọn truyền thông: PROBIBUS, DeviceNet, CANopen.a3

- Điều khiển FCC (Flux Current Control) cho chất lượng truyền động cao ngay cảkhi có thay đổi tải

- Các đầu ra và vào linh hoạt

- Các phương thức cài đặt khác nhau, qua bảng điều khiển hoặc công cụ phần mềmmiễn phí

- Thời gian tăng, giảm tốc có thể cài đặt được 0-650s

- 4 dải tần số ngắt quãng tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy

- Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay

- Tích hợp bảo vệ nhiệt cho động cơ dùng PTC/KTY

Phương pháp điều khiển Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm V/f;

điều khiển từ dòng thông FCC

Các đầu vào tương tự 1, dùng cho điểm đặt hay phản hồi PI (0-10V, định

thang được hoặc dùng như đầu vào số thứ 4)

3 ADC+ Đầu vào tương tự (+)

4 ADC- Đầu vào tương tự (-)

8 - Đầu ra cách ly +24V/max 100 mA

10 RL1-B Đầu ra số / tiếp điểm NO

11 RL1-C Đầu ra số / chân chung

12 DAC+ Đầu ra tương tự (+)

13 DAC- Đầu ra tương tự (-)

2.1.1.1 Nguyên lý hoat động của biến tần MM420.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên nguồnđiện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha được điều chỉnh và chỉnh lưu và lọc thành nguồnđiện 1 chiều bằng phẳng công đoạn này được thực hiện bằng bộ chỉnh lưu cầudiode và tụ điện Nhờ vậy hệ số công suất cos phi của biến tần đều có giá trị khôngphụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0.96 điện áp một chiều này được biến đổi ( nghịch lưu ) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này được thựchiện thông qua quan hệ IGBT bằng cách điều chế độ rộng xung(PWM).

2.1.2 PLC S7-200.

2.1.2.1 Cấu trúc phần cứng:

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENS(CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng Các modulnày được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản củaS7-200 là khối vi xử lý CPU-224

thiết bị lập trình

bộ nhớ

bộ sử lý ( CPU )

nguồn cung cấp giao diện nhập giao diện suất

Hình 2.3: sơ đồ khối plc

2.1.2.2 Cổng mở rộng cổng vào ra.

Hệ Simatic S7-200 rất linh hoạt và hiệu quả sử dụng cao do những đặc tính sau:

Có nhiều Modul mở rộng khác nhau như các Modul ngõ vào/ra tương tự, Modulngõ vào/ra số

Phần mền STEP7 Micro/win sofwarl

2.1.2.3 Đặc điểm của CPU 224:

Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật của CPU 224

Digital I/O cực đại 128/128

Analog I/O cực đại 32 In/ 32 Out

Nguồn sang lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa mãhóa Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt sau của đĩa mã hóa sao cho có thểnhân được ánh sáng đĩa được lắp đặt trên trục của động cơ hay thiết bị khác cần

đo tốc độ hoặc xác định vị trí sao cho khi trục quay , đĩa cũng sẽ quay Khi đĩaquay bộ phận nhân ánh sáng sẽ nhận được ánh sáng một cách rời rạc kết quả là tínhiệu nhận được ở ngõ ra là dạng xung vuông

2.1.3.2 Phân loại.

 Encoder quang quay

 Encoder tuyệt đối

MODE HSC: tùy theo CPU tương ứng có các mode hoạt động khác nhau, từ mode

-Chỉ có một lệnh HDEF có thể sử dụng trên một counter.

-Có thể có tới 6 bộ HSC tùy theo CPU

c) Hoạt động của HSC

HSC dùng để đếm sự kiện tốc độ cao mà không phụ thuộc vào chu kì quéttrong PLC và có tương ứng 12 mode hoạt động khác nhau Tần số đếm lớn nhất củaHSC phụ thuộc vào loại CPU có thể đạt tối đa 30khz

Mỗi counter có các ngõ vào xác định hỗ trợ các chức năng: xung clock, hướng điềukhiển, reset và start.Trong chế đọ đếm 2 pha, cả 2 xung clock có thể hoạt động ởtốc độ lớn nhất Còn trong chế độ một phần tư, thì tùy ý chọn hoạt động theo kiểu1x và 4x Tất cả các counter hoạt động ở tốc độ lớn nhất khi không giao tiếp vớicác hoạt động khác

HSC sử dụng một shaft encoder để xác định số xung trên một vòng quay và reset sốxung đó trên một vòng quay Số xung clock và xung reset từ shaft encoder cungcấp đến các ngõ vào của HSC Dặt giá trị đếm xung tương ứng PV, khi số xunghoạt động CV bằng với CV thì xảy ra ngắt, một giá trị đặt PV mới sẽ được setup

Sơ đồ sau trình bày các chức năng của mỗi counter tùy vào MODE

d) Các loại HSC và hoạt động

Các loại HSC

S7 200 có 6 bộ đếm tốc độ cao từ HSC0 đến HSC5 Các ngõ vào trong PLC tươngứng với xung clock, hướng điều khiển, start và reset các chức năng ngõ vào này vàmode HSC được cho dưới bảng sau.

2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.

2.2.1 Sơ đồ khối công nghệ của hệ thống điều khiển.

-PLC thông qua module analog(ngõ ra nhận điện áp từ 0-10v) điều khienr biến tần

tỉ lệ với tần số từ 0-50hz làm thay đổi tốc độ động cơ

-Tín hiệu từ encoder được đưa vào xung tốc độ cao HSC của PLC

2.2.3 Kết nối PLC với biến tần

Thực hiện như sau:

Kết nối 2 chân Q0.1với chân DI3 (giảm tốc độ) và Q0.2 với chân DI2 (tăng tốc độ)của biến tần, đầu ra 3 pha kết nối với động cơ

2.2.4 Kết nối biến tần với động cơ.

-Biến tần được nuôi bằng điện áp 220VAC

-3 chân ra của biến tần U, V, W nối với động cơ.

2.2.5 Kết nối encoder với PLC

-Dây nối với PLC là dây A được nối với đầu I0.6 của PLC để đưa tín hiệu về choHSC1 đếm

Các thiết bị dùng:

-CPU 224

-Biến tần MM420

-Encoder 400 xung/vòng

Tính toán số vòng/phút Chu kì lấy mẫu là 1 giây 1 vòng encoder phát ra 400 xung

Số xung trong 1 giây là N xung Tốc độ của động cơ sẽ là:

V = (N 60)/(1.400)(vòng/phút)

2.2.6 Bảng địa chỉ

khiển biến tần tăng tốc

khiển biến tần giảm tốc

2.2.7 Sơ đồ đấu dây

Start

RUNSHASLA

Q0.0=1 VD26=0

Xây dựng phần mềm

Chương trình con của HSC

Thuyết minh nguyên lí hoạt động

Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạngxung vuông có tần số thay đôi phụ thuộc vào tốc độ động cơ Do đó các xungvuông này được đưa vào bộ đếm tốc độ cao HSC của PLC để đếm số xungtrong khoảng thời gian cho phép với chu kì lấy mẫu là 0.2s từ đó ta có thể tínhđược giá trị vận tốc của động cơ Sau khi tính toán được giá trị vận tốc, kết quảnày được sử dụng để đưa ra cảnh báo , khi tốc độ định mức động cơ là 1000vòng/phút, hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo khi tốc độ động cơ thấp hơn 800v/phứt

và lớn hơn 1200v/phút, từ đó ổn định tốc độ động cơ hay chính là điều khiểnbiến tần tăng giảm tốc độ để tốc độ ổn định gần nhất với giá trị định mức