đồ án tốt nghiệp xây dựng hệ thống giám sát tốc độ động cơ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Giảng viên hướng dẫn : Đỗ Duy Phú Sinh viên thực : Nguyễn Quang Hoằng Phạm Văn Lợi Lê Nho Thái Nguyễn Văn Tú Hoàng Ngọc Vũ Hà Nội LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin chương trình ứng dụng, giúp ngành đo lường điều khiển tự động hóa góp phần không nhỏ trình phát triển chung đất nước Dùng máy tính để hiển thị điều khiển trạng thái làm việc đươc sử dụng rộng rãi Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, WinCC phần mềm chuyên dùng hãng Siemens để quản lý, thu thập liệu điều khiển trình công nghiệp Xuất phát từ thực tế đó, kiến thức học đọc trường với kiến thức tìm tòi từ báo chí sách Internet chúng em định tìm hiểu đề tài: “XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ” Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy ĐỖ DUY PHÚ hướng dẫn, giúp đỡ trình thực đề tài, kiến thức bổ ích Thầy truyền đạt cho thời gian qua Trong thời gian thực đề tài chúng em không tránh khỏi thiếu sót mong thầy cô bạn đóng góp thêm để hoàn thiện đề tài NHẬN XÉT ( Của giảng viên hướng dẫn) Ký tên NHẬN XÉT ( Của giảng viên phản biện) Ký tên CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 MỤC ĐÍCH Trong công nghiệp điều khiển tự động ngày nay, máy tính PLC ngày trở thành phận thiếu trình điều khiển hầu hết xí nghiệp tự động dùng đến Để hiểu rõ PLC điều khiển PID đồ án chúng em chọn thực đề tài “XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ” 1.2 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI Đề tài “XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ” kết hợp WinCC PLC để đo đạc, giám sát điều khiển tốc độ động Người điều khiển giám sát điều chỉnh tốc độ động giao diện viết WinCC Encoder sử dụng kết hợp với đếm tốc độ cao HSC PLC để đếm số xung, sau qua khối tính toán điều khiển viết PLC tính toán dựa vào thuận toán PID xuất đầu tương tự, điều khiển biến tần biến tần điều khiển động Tổng quan nội dung đề tài:  Tìm hiểu phương pháp đo tốc độ  Tìm hiểu PLC s7-200 điều khiển PID, đếm tốc độ cao HSC  Tìm hiểu mạng truyền thông công nghiệp  Tìm hiểu thiết kế giao diện điều khiển Win CC  Tìm hiểu cách kết nối điều khiển Win CC, PLC với thiết bị khác : Biến tần, Encoder, động 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.3.1 Các phương pháp đo tốc độ Có phương pháp đo tốc độ động : Phương pháp đo không tiếp xúc, phương pháp đo tiếp xúc phương pháp sử dụng tần số chớp a Phương pháp đo không tiếp xúc (đo phản xạ): Tốc độ vòng quay đo cách đo thời gian chùm tia phản xạ vật cần đo Thiết bị phát chùm tia hồng ngoại, chùm tia ánh sáng bị phản xạ lại vật cần đo phản quang dán vật cần đo Tuy nhiên phương pháp đo có lưu ý quan trọng khoảng cách lớn phản quang thiết bị đo không vượt 350 mm Đo không tiếp xúc có dải đo từ 20 rpm - 100.000 rpm Phương pháp đo tốt phương pháp đo tiếp xúc nhiên có nhược điểm riêng lúc ta dán phản quang lên vật cần đo b Phương pháp đo tiếp xúc: Tốc độ vòng quay vật cần đo cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu thiết bị phân tích hiển thị Đây phương pháp cũ sử dụng gây nguy hiểm cho người đo đo phải ấn đầu quay máy trực tiếp vào trục quay Phương pháp khuyến cáo sử dụng cho vật có vận tốc quay thấp từ 20 rpm đến 20.000 rpm đo cho vật có kích thước nhỏ, tốc độ vòng quay lớn cảm biến bị trượt Phương pháp đo có nhược điểm lớn là tốc độ quay tải phụ thuộc nhiều vào lực tiếp xúc c Phương pháp đo sử dụng tần số chớp: Tiêu biểu cho cách đo có thiết bị đo tốc độ vòng quay DT2234 Phương pháp đo khắc phục nhược điểm cách đo vừa đo cho vật nhỏ đo nơi ta không chạm đến vừa dán phản quang lên vật cần đo Vì không gây nguy hiểm cho người sử dụng không cần phải dừng máy lại quy trình sản xuất Dải đo phương pháp đo là: 30 rpm đến 20.000 rpm Ngoài ra, phương pháp đo không đo rpm mà đo rung theo dõi chuyển động ví dụ như: màng rung, màng loa Trong đề tài này, chúng em sử dụng Encoder để tạo xung, sau đếm HSC PLC, từ tính toán tốc độ 1.3.2 Đo tốc độ Encoder a Khái niệm Encoder đo lường dịch chuyển thẳng góc Đồng thời chuyển đổi vị trí góc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân nhờ tín hiệu xác định vị trí trục bàn máy Tín hiệu Encoder cho dạng tín hiệu số Encoder sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi máy CNC robot Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động bàn máy dẫn động từ động qua vit me đai ốc bi tới bàn máy Vị trí bàn máy xác định nhờ encoder lắp cụm truyền dẫn b Phân loại  Encoder tuyệt đối (absolute encoder): sử dụng đĩa theo mã nhị phân mã Gray  Encoder tương đối (incremental encoder): có tín hiệu tăng dần theo chu kỳ  Encoder tương đối kiểu thẳng  Encoder tương đối kiểu quay c Chi tiết nguyên lý hoạt động Nguyên lý encoder , đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ(rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ lỗ, đèn led không chiếu xuyên qua Chỗ có lỗ, đèn led chiếu xuyên qua Khi , phía mặt bên đĩa, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ quay không Khi trục quay, giả sử địa có lỗ , lần mắt thu nhận tín hiệu đèn led, có nghĩa đĩa quay vòng Đây nguyên lý Encoder Tuy nhiên, vấn đề đặt để xác định xác vị trí đĩa quay (mịn hơn) làm để xác định đĩa quay theo chiều nào? Đó vấn đề để tìm hiểu encoder Hình 1.3.1 biểu thị cấu tạo chung Encoder : Hình 1.3.1 Cấu tạo Encoder Trong hình có đĩa mask không quay, đĩa cố định Thực tế để che khe hẹp ánh sang qua, giúp cho việc đọc encoder xác 1.4 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 Trong thời đại công nghiệp hóa, đại hóa nhu cầu điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt có giá thành thấp thúc đẩy phát triển hệ thống điều khiển lập trình – hệ thống sử dụng CPU nhớ để điều khiển máy móc hay trình hoạt động Trong hoàn cảnh đó, điều khiển lập trình thiết kế nhằm thay phương pháp truyền thống dùng rơle thiết bị rời cồng kềnh, điều khiển tạo khả điều khiển thiết bị dễ dàng linh hoạt dựa việc lập trình lệnh logic Ngoài PLC thực tác vụ khác như: định thời, đếm,…làm tăng khả điều khiển cho hoat động phức tạp, với loại PLC nhỏ nhất… Cách hoạt động PLC kiểm tra tất trạng thái tín hiệu ngõ vào đưa từ trình điều khiển, thực logic lập chương trình kích tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên tương ứng Với mạch giao tiếp chuẩn khối vào khối PLC cho phép kết nối trực tiếp đến cấu tác động có công suất nhỏ ngõ mạch chuyển đổi tín hiệu ngõ vào mà không cần có mạch giao tiếp hay rơle trung gian Tuy nhiên cần phải có mạch điện tử công suất trung gian PLC điều khiển thiết bị có công suất lớn Việc sử dụng PLC cho phép hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có thay đổi mặt kết nối cứng, có thay đổi chương trình điều khiển nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn chúng có ưu điểm thời gian lắp đặt đưa vào hoạt động nhanh so với hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực việc nối dây phức tạp thiết bị rời.Về phần cứng PLC tương tự máy tính truyền thống, chúng có đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển công nghiêp:  Có khả khử nhiễu tốt  Kết cấu chắn nâng cao độ tin cậy đồng thời kết cấu nhỏ gọn giảm bớt không gian yêu cầu  Dựa vào vi xử lí giúp nâng cao khả giao tiếp, khả đa nhiệm  Cấu trúc dạng môđun cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả việc nối thêm môđun mở rộng vào có thêm môđun chức chuyên dùng Các trạm vào từ xa giúp tiết kiệm dây ống dẫn  Việc kết nối dây mức điện áp tín hiệu ngõ vào ngõ chuẩn hóa  Hiển thị chuẩn đoán làm cho việc chuẩn đoán dễ dàng hơn, giảm thời gian khắc phục cố  Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu dễ sử dụng (ladder, instruction functionchart)  Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng Cấu trúc PLC có dạng module linh hoạt cho phép yếu tố phần mềm, phần cứng mở rộng yêu cầu ứng dụng thay đổi.Khi mà ứng dụng vượt giới hạn phần cứng PLC PLC cũ thay đơn giản với PLC có nhớ dung lượng vào lớn phần cứng cũ tái sử dụng cho ứng dụng nhỏ Một hệ thống PLC mang lại nhiều lợi ích với giải pháp điều khiển từ độ tin cậy đến khả lặp lại chương trình 1.4.1 Một số lợi ích mà PLC mang lại  Nhờ kết cấu chắn nên độ tin cậy nâng cao  Bộ nhớ lập trình thay đổi đơn giản điều khiển linh hoạt  Kích thước nhỏ gọn nên không gian yêu cầu giảm bớt  Dựa vào vi xử lí giúp nâng cao khả giao tiếp, khả đa nhiệm  Bộ đếm định thời phần mềm giúp giảm bớt phần cứng, thay đổi giá trị đặt trước dễ dàng  Role điều khiển phần mềm làm cho giá thành dây dẫn, phần cứng giảm, đồng thời giảm yêu cầu không gian  Tổ chức theo kiểu module cho phép cài đặt linh hoạt, dễ dàng, giảm giá trị phần cứng có khả mở rộng  Hạn chế tùy biến điều khiển, có khả điều khiển nhiều thiết bị nhờ giao diện vào, đa dạng  Các trạm vào từ xa giúp tiết kiệm dây ống dẫn  Hiển thị chuẩn đoán làm cho khả chuẩn đoán lỗi dễ dàng giảm thời gian khắc phục cố  Giao diện vào module làm cho panel điều khiển gọn gàng, dễ dây, dễ bảo dưỡng  Ngắt vào/ra nhanh chóng mà không làm xáo trộn đến dây dẫn Các biến hệ thống lưu nhớ liệu thuận lợi cho việc quản lí, tạo báo cáo 2.3.3 Thuật toán khởi tạo biến, Stt Tên biến I0.0 Kc=VD12 Ts=VD16 Ti=VD20 Td=VD24 SETPOINT Tn SMB35 EVNT Giá trị 0.7 0.2 0.015 VD213 200ms 200 11 Chức Nhận xung ecoder Giá trị khâu tỉ lệ Thời gian lấy mẫu Tổng thời gian tích phân Tổng thời gian tích phân Giá trị đặt Chu kỳ ngắt Ô nhớ lưu giá trị Tn Sự kiện ngắt 52 2.3.4 Thuật toán đo tốc độ động Stt Tên biến Giá trị Tđ 200ms VD200 Lưu giá trị HC0 VD205 Chuyển giá trị nguyên sang giá trị thực VD209 Tốc độ động L 100 Chức Chu kì đo Số lỗ encoder 53 2.3.5 Thuật toán tính toán đầu vào PID Stt Tên Giá trị Chức SPn 0:1 Tốc độ cài đặt thời gian lấy mẫu PVn 0:1 Tốc độ thực tế thời gian lấy mẫu VD4 Ô nhớ lưu giá trị SPn VD0 Ô nhớ lưu giá trị PVn VD209 Tốc độ động 54 2.3.6 Thuật toán tính toán đầu PID Stt Tên Biến Chức LD20 Ô nhớ lưu giá trị đầu PID LD16 Chuyển kiểu liệu thực sang kiểu nguyên AQW0 Lưu giá trị đầu LD16 VD8 Giá trị đầu vào PID 55 2.4 XÂY DỰNG VÀ VẬN HÀNH TRÊN WINCC 2.4.1 Điều khiển giám sát tốc độ động không thông qua PID 2.4.2 Điều khiển, giám sát tốc độ động thông qua PID Qua ta thấy điều khiển giám sát tốc độ động thông qua điều khiển PID cho tín hiệu ổn định so với không dung điều khiển PID 56 CHƯƠNG III : KẾT QUẢ THỰC HIỆN Cơ sở lý thuyết Qua đề tài : Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển tốc độ động cơ, chúng em tìm hiểu tích lũy kiến thức sau :  Tìm hiểu PLC s7 200 module chuyển đổi tín hiệu đầu tương tự (EM232)  Tìm hiểu điều khiển PID cách dùng điều khiển PID PLC để giám sát điều khiển tốc độ động  Mạng truyền thông công nghiệp OPC  Hiểu cách dùng WinCC xây dựng WinCC để giám sát điều khiển tốc động  Tìm hiểu biến tần(Shihlin), động không đồng pha phương pháp đo tốc độ động Encoder Kết thực nghiệm Sau tìm hiểu lý thuyết thực hành lắp đặt phần cứng, xây dựng phần mềm để điều khiển giám sát tốc độ động cơ, chúng em thu kết sau:  Mô hình hoạt động ổn định, không xảy lỗi trình điều khiển  Giao diện WinCC giám sát tốc độ động điều khiển tốc độ động theo thông số cài đặt trực tiếp giao diện  Thấy rõ khác điều khiển tốc độ động thông qua điều khiển PID không thông qua điều khiển PID Kết luận Qua đề tài : Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển tốc độ động cơ, chúng em rút học sau:  Học cách làm việc nhóm cách hiệu nhất, phân chia công việc cách hợp lý  Học cách đọc tài liệu chắt lọc tài liệu để ứng dụng vào đề tài  Xây dựng tư lập trình tính kiên trì , đồng thời biết cách tìm lỗi sửa lỗi  Từ mô hình, chúng em áp dụng, nâng cao kiến thức, phục vụ cho trình làm việc sau 57 Khó khăn :  Do chưa tiếp xúc nhiều với mô hình thực tế nên bị khó khăn trình thực hành, lắp đặt trình sửa lỗi  Kiến thức hạn chế nên phải tìm hiểu thêm nhiều từ nhiều tài liệu khác để làm đề tài, tự sửa lỗi cách hoàn hảo Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn đến thầy Đỗ Duy Phú nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em suốt trình thực đồ án 58 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÊN PLC 1.1 Bảng định địa 1.2 Chương trình a Khởi tạo HSC, PID, ngắt Timer khối điều khiển tính toán tốc độ 59 b Chạy, dừng hệ thống c Cảnh báo tốc độ cao, tốc độ thấp 60 61 1.3 Chương trình a Gọi đếm HSC0 b Chương trình 200ms ngắt Timer lần để đếm số xung 62 c Chương trình tính toán tốc độ động d Chương trình PID tính toán tốc độ động gọi chương trình ngắt Timer hoạt động 63 1.4 Chương trình điều khiển ( chế độ không qua PID) a Tính toán giá trị Setpoint( tốc độ đặt) b Tính toán giá trị tốc độ tức thời 64 c Tính toán giá trị đầu để vào biến tần 1.5 Chương trình điều khiển ( Qua PID) a So sánh tốc độ động so với tốc độ đặt 65 b Hiển thị tần số TÀI LIỆU THAM KHẢO        Điều khiển trình - Nhà sách đại học Bách khoa Hà Nội Lập trình PLC s7 200 - Trường đại học Công nghiệp Hà Nội WinCC - Nhà sách đại học Bách khoa Hà Nội Khí cụ điện – Trường đại học Công nghiệp Hà Nội Mạng truyền thông công nghiệp – Trường đại học Công nghiệp Hà Nội Máy điện – Trường đại học Công nghiệp Hà nội Biến tần Shihlin (SS2) – Nhà sách đại học Bách khoa Hà Nội 66