nghiên cứu giám sát và điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng plc panasonic kết hợp biến tần dùng phương pháp pwm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA DÙNG PLC PANASONIC KẾT HỢP BIẾN TẦN... Sau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

DÙNG PHƯƠNG PHÁP PWM

MÃ SỐ: SV2010 - 97

S KC 0 0 3 1 8 0

S 0 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA DÙNG PLC PANASONIC KẾT HỢP BIẾN TẦN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 2

DANH MỤC HÌNH 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.1 Lý do chọn đề tài 4

1.2 Đối tượng nghiên cứu 4

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.4 Những vấn đề còn tồn tại 5

CHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 6

2.1 Mục đích đề tài 6

2.2 Phương pháp nghiên cứu 6

2.3 Nội dung thực hiện 6

2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 6

2.3.2 Phần mềm PC way 7

2.3.3 Màn hình cảm ứng công nghiệp (GT32) 8

2.3.4 Phần mềm GTWIN 9

2.3.5 PLC Panasonic FPX-C30T 10

2.3.6 Phần mềm FPWIN 17

2.3.7 Biến tần VF0 18

2.3.8 Động cơ 3 pha 20

2.3.9 Encoder 20

2.4 Giải thích quy trình hoạt động của hệ thống 22

2.5 Một số hình ảnh thực tế 23

2.6 Kết quả đạt được 26

CHƯƠNG III: KẾT LUẬN 27

3.1 Kết luận 27

3.2 Kiến nghị 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng chức năng các chân của biến tần VF0 19

Bảng 2.2: Bảng chức năng các thông số điều khiển trong P08 19

Bảng 2.3: Bảng thông số điều khiển trong P09 20

Bảng 2.4: Bảng các thông số điều khiển trong P22 20

DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống 7

Hình 2.2: Hình dáng của GT32 8

Hình 2.3: Các chế độ hoạt động của công tắc 8

Hình 2.4: Giao diện của GTwin 9

Hình 2.5: Bộ điều khiển lập trình PLC FP-X CT30 10

Hình 2.6: Các đặc tính của bộ đếm tốc độ cao 11

Hình 2.7: Các chế độ đọc xung của bộ HSC 12

Hình 2.8: Cấu trúc của thanh ghi DT90052 12

Hình 2.9: Các kênh tương ứng với các ngõ ra và cờ điều khiển 13

Hình 2.10: Bảng hệ số các loại chu kỳ trong điều chế độ rộng xung 14

Hình 2.11: Các thông số thiết đặt của PID 15

Hình 2.12: Các phương thức truyền thông 15

Hình 2.13: Cấu trúc chương trình ngắt trong PLC Panasonic 16

Hình 2.14: Word điều khiển chế độ ngắt trong PLC Panasonic 16

Hình 2.15: Giao diện của Fpwin GR 17

Hình 2.16: Lưu đồ chương trình 17

Hình 2.17: Sơ đồ nối đây của biến tần VF0 18

Hình 2.18: Sơ đồ chức năng các chân trong biến tần VF0 18

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý của encoder 21

Hình 2.20: Đĩa và dạng sóng ra của encoder tuyệt đối 22

Hình 2.21: Đĩa và dạng sóng ra của encoder tương đối 22

Hình 2.22: Tổng quan hệ thống 23

Hình 2.23: PLC FPX-C30T 23

Hình 2.24: Biến tần VF0 24

Hình 2.25: Giao diện điều khiển từ GT32 24

Hình 2.26: Đáp ứng quá độ của tốc độ động cơ tại tốc độ 1200 rpm 25

Hình 2 27: Đáp ứng tốc độ động cơ sau khi giảm tốc xuống còn 900 rpm 25

Nghiên cứu khoa học Danh mục các từ viết tắt

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Config Configuration

HMI Human Machine Interface

HSC High Speed Counter

IC Integrated Cỉrcuit

INT Interrupt

KĐB Không Đồng Bộ

PC Personal Computer

PLC Programmable Logic Controller

PID Proportional Integral Derivative

PWM Pulse Width Modulation

SD Secure Digital

USB Universal Serial Bus

VBA Visual Basic for Applications

bộ hoạt động của động cơ một cách ổn định là điều kiện tiên quyết để nâng cao năng suất của nhà máy

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu ở trường, với sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn

điều khiển tự động, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “ nghiên cứu giám sát và điều

khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng PLC Panasonic kết với biến tần dùng phương pháp PWM” để góp một phần nhỏ bé vào lĩnh vực tự động hóa để giải quyết vấn đề nêu trên

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng nghiên cứu trong đề tài nghiên cứu khoa học này

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Phương pháp PWM là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ phổ biến nhất vì tính đơn giản và hiệu quả.Hiện nay, PWM được các nhà chế tạo tích hợp trên các con IC, PLC rất nhỏ gọn và tiện

sử dụng Phương pháp này dùng để điều khiển nhiều loại động cơ khác nhau: động cơ servo,

Nghiên cứu khoa học Chương I: Đặt vấn đề

không đồng bộ ba pha, dc, step motor… Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu khoa học nghiên cứu

về phương pháp PWM để ứng dụng phương pháp này vào nhiều lĩnh vực và thiết bị khác nhau

CHƯƠNG II:

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

2.1 Mục đích đề tài

Đề tài nghiên cứu này được thực hiện phải đáp ứng các mục đích như sau:

- Sử dụng bộ xử lý PID trong PLC Panasonic sao cho giá trị đã tính toán đạt tối ưu

- Sử dụng kết quả tính toán PID qua bộ PWM trong PLC Panasonic để xuất giá trị ra biến tần

điều khiển tốc độ động cơ đúng với tốc độ đặt

- Giám sát được tốc độ động cơ trên màn hình HMI

- Dùng phần PCWAY giám sát và điều khiển động cơ

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này:

- Nghiên cứu nền tảng : nghiên cứu về quy luật điều khiển động cơ dựa vào lý

thuyết đã học vào thực tiễn

- Nghiên cứu giải thích : giải thích được hoạt động của mô hình nghiên cứu theo

phương pháp đã sử dụng

- Phương pháp thu thập dữ liệu từ thực tiễn: thu thập dữ liệu từ mô hình nghiên cứu

thực nghiệm so sánh với lý thuyết đã học

- Phương pháp mô tả : mô tả tác nhân gây ra hoạt động của mô hình nghiên cứu

2.3 Nội dung thực hiện

2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động cơ không đồng bộ 3 sử dụng PLC

Panasonic kết hợp với biến tần theo phương pháp PWM như sau:

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

2.3.2 Phần mềm PC way

PCWAY là một phần mềm thu thập dữ liệu riêng của các PLC Panasonic Nó được tích hợp và dùng như một macro trong excel nên việc truy nhập và xử lý số liệu được thực hiện rất dễ dàng nhờ các hàm tính toán có sẵn cũng như nhờ việc sử dụng các công cụ khác có trong excel đặc biệt là các công cụ tích hợp có khả năng lập trình trong excel như VBA và MS

PCWAY cho ta khả năng giám sát và điều khiển các bit nhớ trong PLC nhờ đó ta có thể theo dõi và điều khiển các bit nhớ để thực hiện các chức năng như khởi động hay tắt hệ thống, điều khiển các trạng thái của hệ thống Việc thực hiện điều khiển này đơn giản là việc ta double click lên các cells đã được config để thay đổi trạng thái của nó

PCWAY là một phần mềm thu thập dữ liệu được tích hợp trong excel nên nó cho người

sử dụng khả năng rộng lớn trong việc thu thập và quản lý dữ liệu Dữ liệu được thu thập

có thể đơn giản là thu thập theo từng cells bằng cách theo dõi một vùng nhớ nào đó trong PLC hay bằng cách tạo ra một bảng thu thập dữ liệu để dễ dàng và tiệp lợi hơn trong

việc lưu trữ dữ liệu về các trạng thái và quá trình làm việc của hệ thống để có kế hoạch bảo trì và cải tiến hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất

- Cấu tạo bên ngoài

1) Màn hình cảm ứng tinh thể lỏng trong suốt: những tính năng được thiết lập hiển thị ở đây Màn hình cảm ứng được cung cấp bằng loại màn hình tinh thể lỏng Dữ liệu được đưa vào đơn giản chỉ cần chạm vào màn hình

2) Thẻ nhớ SD

3) Khe cắm USB

4) Khe cắm Ethernet (RG45): cho loại GT32T1

5) Đèn Speed: thể hiện tốc độ truyền khi sử dụng Enthernet

6) Đèn LINK / ACT: thể hiện trạng thái giao tiếp với cổng Enthernet cho loại GT32T1 7) Âm thanh ngõ ra

8) Đèn truy cập thẻ nhớ SD: đèn sẽ tác động khi truy cập vào thẻ nhớ SD

9) Pin rời: có thể làm nguồn dự phòng để duy trì đồng hồ, giữ dữ liệu trong bộ nhớ PLC 10) Chế độ hoạt động dạng công tắc: cho phép mở nguồn cung cấp có khả năng cài đặt

để ngăn chặn việc thay đổi hệ thống hoặc có thể xóa F-ROM

Hình 2.3: Các chế độ hoạt động của công tắc

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

11) Vị trí đặt pin

12) Cổng COM

13) Vật liệu không thấm nước: đặt phía trước màn hình

- Đặc điểm

 GT32 có thẻ nhớ và pin nên có thể lưu trữ trong thời gian dài

 GT32 có khả năng thu thập dữ liệu và điều khiển được PLC

 Liên kết với PLC thông qua cổng RS485

 GT32 có thể giao tiếp với máy tính thông qua cổng

2.3.4 Phần mềm GTWIN

GTWIN là phầm mền thiết kế giao diện chuyên dùng cho các màn hình GT của Panasonic Trong GTWIN có hỗ trợ rất nhiều tính năng cho màn hình GT nhờ các nút nhấn, các đèn báo, bitmap, line graph, bar graph và các nút nhấn chuyển đổi giữa các màn hình nhằm làm cho việc điều khiển và giám sát của màn hình GT được tốt hơn

Hình 2.4: Giao diện của GTwin

2.3.5 PLC Panasonic FPX-C30T

PLC FPX-C30T trong hệ thống có chức năng đọc tốc độ động cơ đưa về từ encoder kết hợp với giá trị tốc độ đặt từ HMI (hay từ PC) thực hiện xử lý PID xuất tín hiệu PWM, đồng thời thực hiện việc truyền thông với màn hình cảm ứng HMI và PC

PLC FP-X là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng Panasonic, có tốc độ quét lên tới 0.32 μs vậy nên với một chương trình khoảng 5kbytes thì thời gian quét là 0.19ms Nó

có cấu trúc theo kiểu modul (có các modul và cassette mở rộng) Các modul và cassette

mở rộng dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau, dưới đây là các kiểu cassettes

 Cassettes: điều khiển vị trí với bộ đếm tốc độ cao và bộ phát xung

 Cassettes: bao gồm các cổng hỗ trợ giao tiếp

 Cassettes: có chức năng đồng hồ thời gian thực

Loại PLC này thích hợp cho các ứng dụng thông thường và các công việc điều khiển vừa phải, có thể lập trình trực tiếp qua cổng USB PLC này còn có chức năng chống sao chép chương trình và hỗ trợ điều khiển với tín hiệu analog

Hình 2.5: Bộ điều khiển lập trình PLC FP-X CT30

- PLC FP-X có các đặc điểm chính như sau:

 32765 vùng nhớ thường (DT0 đến DT32765) được chia làm 2 loại: non-hold type (DT0 đến DT32709) và hold type (DT32710 đến 32756)

 374 vùng nhớ đặc biệt (DT90000 đến DT90373) dùng để chứa các dữ liệu đặc biệt, các thiết lập và lỗi

 16 cổng vào và 16 cổng ra logic khi không có module hay cassette mở rộng

 1760 ngõ vào (từ X0 đến X109F)

 1760 ngõ ra (từ Y0 đến Y109F)

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

 4096 relay nội (từ R0 đến R255F)

 2048 link relay (từ L0 đến L127F)

 1007 Timer chia thành các loại theo độ phân giải khác nhau: TMX có độ phân giải 0.1s, TMY có độ phân giải 1s, TMR có độ phân giải 0.01s và TML có độ phân giải 0.001s

 Có 16 counter: từ CT1008 đến CT1023

 Có 8 bộ đếm tốc độ cao khi xử dụng các kênh đơn hay 4 bộ khi sử dụng kênh kép, có khả năng đọc ngõ vào xung

 Có 4 bộ phát xung tốc độ cao theo Pulse output hay kiểu PWM output

 Có khả năng tạo tín hiệu ngắt theo cạnh hoặc theo xung ở các ngõ vào

- Phân loại

Theo cấu tạo của các đầu vào ra mà ta chia thành 2 loại:

 Đầu vào ra dạng relay (gồm các dòng C14R, C30R và C60R)

 Đầu vào ra dạng transistor (gồm các dòng C30T, C30P, C60P)

Các chức năng đặc biệt:

- Bộ đếm xung tốc độ cao HSC

Sử dụng các ngõ vào X0 đến X7

Hình 2.6: Các đặc tính của bộ đếm tốc độ cao

PLC Panasonic có rất nhiều chế độ đọc xung, nó có thể đọc xung ngõ vào theo chế độ từng kênh riêng lẻ hay kết hợp hai kênh để phát hiện chiều quay Chi tiết được mô tả ở hình dưới

Hình 2.7: Các chế độ đọc xung của bộ HSC

Sử dụng thanh ghi đặc biệt DT90052

Hình 2.8: Cấu trúc của thanh ghi DT90052

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

Chu kỳ phát xung được cho như bảng sau:

Hình 2.10: Bảng hệ số các loại chu kỳ trong điều chế độ rộng xung

Nếu mã điều khiển là K0 đến K 19, duty là K0 đến K999 (0% đến 99.9%)

Nếu mã điều khiển là K20 đến K24, duty là K0 đến K99 (0% đến 99%)

- Bộ xử lý PID

Xử lý PID được thực hiện qua lệnh F355

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

Với S: số bắt đầu vùng thông số PID

Với truyền thông qua cassette, PLC FPX có bốn chế độ truyền thông như sau:

Trong PLC Panasonic có ba loại ngắt chính:

 Ngắt từ đầu vào: ngắt xảy ra khi ngõ vào từ X0 đến X7 được hiệu chỉnh ở chế độ báo ngắt

 Ngắt khởi tạo high speed counter: xảy ra khi giá trị tức thời bằng giá trị đặt trước của high speed counter

 Ngắt chu kì (INT 24): xảy ra trong khoảng thời gian cố định đặt trước

Cấu trúc của chương trình ngắt trong PLC Panasonic:

Hình 2.13: Cấu trúc chương trình ngắt trong PLC Panasonic

Việc chọn chế độ ngắt được thiết lập thông qua word điều khiển chế độ ngắt

Hình 2.14: Word điều khiển chế độ ngắt trong PLC Panasonic

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

2.3.6 Phần mềm FPWIN

Fpwin GR là phần mềm lập trình chuyên cho PLC panasonic, mặc dù vẫn còn tồn tại nhiều khuyết điểm ( như các vấn đề về thao thác ) gây không ít khó khăn cho người lập trình nhưng với kích thước nhỏ gọn và giao diện thân thiện đã bù đắp được phần nào khuyết điểm

Hình 2.15: Giao diện của Fpwin GR

Chương trình ngắt 20ms Đọc giá trị HSC

Tính toán tốc độ

END

Chương trình chính Gọi các chương trình con khởi tạo ngắt, HSC, PID, PWM

Chương trình điều khiển start/stop, for/rev

Xử lý PID Xuất PWM

Các chương trình con khởi tạo và ISR

END

Hình 2.16: Lưu đồ chương trình

2.3.7 Biến tần VF0

Biến tần VF0 biến nguồn điện một pha thành nguồn điện 3 pha cung cấp cho động cơ,

đồng thời nhận giá trị điều khiển PWM xuất ra tần số tương ứng

Biến tần VF0 là loại biến tần van 1 pha gián tiếp Sơ đồ đấu nối dây của biến tần được trình bày như hình

Hình 2.17: Sơ đồ nối đây của biến tần VF0

Biến tần VF0 có thể điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp qua PLC Chức năng các chân của biến tần VF0 được trình bày như hình

Hình 2.18: Sơ đồ chức năng các chân trong biến tần VF0

Nghiên cứu khoa học Chương II: Giải quyết vấn đề

Chức năng của các chân trong biến tần VF0 được trình bày cụ thể như bảng

Bảng 2.1: Bảng chức năng các chân của biến tần VF0

Để điều khiển được biến tần thông qua PLC, ta cần thiết lập các thông số cho biến tần Một số các thông số chính của biến tần VF0

 Điều khiển trong/ngoài P08

Bảng 2.2: Bảng chức năng các thông số điều khiển trong P08

 Tần số điều khiển trong / ngoài P09

Dùng để chọn tín hiệu điều khiển tần số bên trong hoặc bên ngoài biến tần

Bảng 2.3: Bảng thông số điều khiển trong P09

 Điều khiển độ rộng xung P22

Bảng 2.4: Bảng các thông số điều khiển trong P22

2.3.8 Động cơ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha nhận giá trị điều khiển từ biến tần VF0, với phương pháp

điều chỉnh V/F = const do đó đảm bảo tốc momen luôn là hằng số khi tốc độ thay đổi

2.3.9 Encoder

Encoder là loại cảm biến có thể phát hiện sự chuyển động, vận tốc hay vị trí của vật

nguyên tắc hoạt động của Encoder như sau:

Encoder sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó phát hiện sự chuyển động Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa

có các lỗ Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có

lỗ, đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không

có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không