điều khiển tốc độ động cơ sử dụng HSC PID plc s7 1200

Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bịđiều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao.. X

2.1 Lựa chọn thiết bị 6 2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 8 Chương 3: Giới thiệu về s7-1200

3.1 Hình dạng bên ngoài 10 3.2 Cấu trúc bên trong 10 3.3 Các khối chương trình nâng cao 29 3.4 Giới thiệu phần mềm về phần mềm lập trình

TIA Protal STEP7 basic 29 Chương 4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của enconder, HSC

4.1 Tổng quan về enconder 32 4.2 Phân loại enconder 33 4.3 Bộ đếm xung tốc độ cao HSC 34 Chương 5: Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển

5.1 Lưu đồ thuật toán 35 5.2 Chương trình điều khiển 36

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đạihơn

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với cácđặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tốrất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng caohơn

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa

đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhaucho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trongnhững sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bịđiều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một

mạch ứng dụng của PLC, biến tần đó là “Ứng dụng PLC đo, điều khiển ổn định tốc độ động cơ ” dùng PLC điều khiển biến tần

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong

khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 3-K9 đặc biệt là giảng viên Tống Thị Lý

- giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã

trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này Mong

cô góp để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

không hay có đạt tiêu chuẩn về độ chính xác máy thực hiện hay không Do vậy trong ngành đo lường cảm và điều khiển có nhiều phương pháp đo và điều khiển tốc độ động cơ.

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vàonhững tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề tài “

Điều khiển ổn định tốc độ động cơ”

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là điều khiển và cảnh báo tốc độ trên động cơ ở mộtngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, động cơ

sẽ thay đổi tốc độ dựa trên tín hiệu mà cảm biến encoder đưa về

1.1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài chỉđược thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình động cơ công suất nhỏ vàencoder 100 xung/vòng

1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực côngnghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệ thốngđiều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bịđiều khiển cho toàn hệ thống

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện

tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự

động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Đề tài “Ứng dụng PLC

điều khiển và ổn định tốc độ động cơ” xây dựng mô hình kết hợp PLC với

biến tần để điều khiển tốc độ động cơ một cách tối ưu nhất

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thống đo

và điều khiển tốc độ động cơ Thay thế cho các dạng đo và điều khiển tốc độđộng cơ theo các phương pháp đã coi là nỗi thời

1.2 Phương pháp đo tốc độ động cơ bằng phương pháp quang điện tử

* Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa (Encoder)

Encoder là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật, Encoder sửdụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung , từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể

Hình 1.2 Sơ đồ hoạt động của Encodor

Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sang liên tục được tập trung xuyên qua đĩa,

bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp đặt ở mặt còn lại của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng, đĩa được lắp đặt trên trục của động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay thì tín hiệu xung vuông được sinh ra

Việc đếm các xung được sinh ra ta có thể xác định được tốc độ của động cơ

Hình 2.1 Encoder LS Mecapion (Metronix) H40 100xung /vòngLoại : Encoder LS Mecapion (Metronix) H40 100xung /vòngNguồn cung cấp 5-24VDC / DC

Độ phân giải : từ 512 đến 3000 xung / vòng

Ngõ ra : Transistor cực thu hở, điện áp, Line driver

Tần số đáp ứng tối đa : 300KHz

2.1.2 Biến tần V20

Thông số kỹ thuật của biến tần Siemens V20

Dây công suất biến tần V20 Từ 0,12kw đến 22kwCấp điện áp biến tần V20 1 pha x 200 240V ()

3 pha x 380 480V (-15% +10%)Phạm vi điều chỉnh biến tần Từ 0Hz đến 599Hz

Chế độ điều khiển V/f, V2/fTần số điều chế 4kHz (lên đến 16kHz)Điều khiển hồi tiếp PID

Có khả năng giao diện USS, modbus RTUGiao diện bên ngoài biến tần V20 Với máy tính qua cổng USB, BOP-

2, SD CardPhần mềm cài đặt thông số cà chuẩn

đoán lỗi

Các đầu vào ra • 4 đầu vào số

• 2 đầu vào tương tự

• 2 đầu ra tương tự

• 1 cổng RS485

• 3 đầu ra role

• 15 cấp tần số cố định

2.1.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc

Hình 2.4 Động cơ không đồng bộ 3 pha lồng sóc

2.2.1 Sơ đồ khối.

Hình 2.2 Sơ đồ khối đo điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PLC S7 1200

2.2.2 Sơ đồ đấu dây

Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngônngữ khác nhau Nhưng với những điểm ưu việt vượt trội của s7-1200, như là sựtiếp nối phát triển của S7-200 – bộ điều khiển đã quen thuộc với người sử dụng Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, SIMATIC S7-1200 thích hợp vớinhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểmnổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sửdụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và cácmàn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều

Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các mànhình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu Tất cả cùng tạo ramột giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (MicroAutomation)

S7-1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C Mỗi loại CPU có đặcđiểm và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng của khách hang

3.2 Cấu trúc bên trong:

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC s7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ

xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất – nhập

-Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập, và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ PLC, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

-Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC 24V cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các modune giao tiếp nhập và xuất hoạt động

-Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

-Các thành phần nhập và xuất(input-output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến…Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây cảu bộ khởi động động cơ, các van solenoid

-Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

3.2.1.Đấu dây

Ở đây chọn CPU 1212C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:

Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC vàcác thông số điện áp được thể hiện trong hình

Nguồn cung cấp cho PLC là 100-230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz Điện

áp có thể thay đổi trong khoản từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêu thụ là20A

Nguồn cung cấp là 24VAC Điện áp có thể tháy đổi trong khoảng20.4V –28.8V dong tiêu thụ 20A

Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC Các ngõ racủa PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC Ngõ vào ở mức 1khi công tắc đóng hay điện áp => 15VDC Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên

“1” và từ “1” xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được

Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC Tùy theo cầuthực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó

3.2.2Module mở rộng.

Họ PLC s7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệhgu đa dạng và một mạch tín hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng ngoài ra bạn có thể cài đặt them 3 module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyề thông.

3.2.3Phương phấp lập chương trình điều khiển.

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển lập trình, cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình

Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của 1 máy tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây ben ngoài Qua đó ta thấy được ưu điểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển phần cứng Do đó phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm dẻo

Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

3.2.4Các ngôn ngữ lập trình.

3.1.3ngoon ngữ lập trình LAD (ladder logic)

Chương trình LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các

kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mách điện logic nằm ngang.Ở hình bên, logic điều khiển được được biểu diễn bằng 2 công tắc thường đóng và một ngoc ra relay logic

Các kí hiệu công tắc trên được dung để xây dựng lên bất kì mạch logic nào: sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng có

logic điều khiển phức tạp ĐIều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder là lập tài liệu về hệ thống mà mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác.

Các quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

• Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết nối với đường dây này

• Mỗi lấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển

• Sơ đồ thang được đọc từ trái sáng phải và từ trên xuống Lấc ở đỉnh than được đọc từ trái sang phải lấc thức 2 tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế đọ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thangsau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thanggọi là chu trình quét

• Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra

• Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở, Công tắc thường đóng đước trình bày ở trạng thái đóng

• Thiết bị bất kì có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một role đóng một hoặc nhiều thiết bị

• Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng Kí hiệu tùy hteo nhà sản xuất quy định

Các phần tử lập trình thường dùng:

Các lệnh logic:

Các lệnh timers:

Các lệnh sánh:

Các lệnh counter:

Các lệnh toán học:

Các lệnh chuyển đổi:

3.2.5Tập lệnh của PLC S7-1200

a. Các lệnh cơ bản :

thường đóng (ON - nghĩa là không cho dòng điện đi qua) khi bit bằng 0.

Trong LAD, các lệnh này biểu diễn bẳng chính các công tắc thường hở vàthường đóng Trong FBD, các công tắc thường hở được biểu diễn như các đầuvòa hoặc ra của các khối chức nảng AND, OR hoặc XOR Công tắc thường đóngđược biểu diễn them dấu đảo(vòng tròn nhỏ) ở đầu vào tương ứng

Lệnh đảo thay đổi dòng năng lượng Nếu dòng năng lượng gặp lệnh này, nó

sẽ bị chặn lại Ngược lại nếu phía trước lệnh này không có dòng năng lượng, nó

sẽ trở thành nguồn cung cấp dòng năng lượng Trong LAD, lệnh này được biểudiễn như một công tắc Trong FBD, lệnh đảo không có biểu tượng riêng Nóđược tích hợp như là đầu vào của những khối chức năng khác(với một vòng trònnhỏ ở đầu vào của các khối chức năng đó) Trong STL, lệnh này đảo giá trị củađỉnh ngăn xếp: 0 thành 1 và 1 thành 0 Lệnh này không có toán hạng

ở đầu vào của nó có sự thay đổi mức từ 0 lên 1 Lệnh sườn âm (NegativeTransition) cho dòng nâng lượng đi qua trong khoảng thời gian bằng thời gianmột vòng quét khi đầu vào của nó có sự thay đổi mức từ 1 xuống 0

ví dụ:

3.2.5.2P_TRG và N_TRIG:

Các thông số của lệnh:

-TP: Bộ đếm thời gian Pulse tạo ra một xung có độ rộng với thời gian đượcđặt trước.

-TON(On-Delay Timer): Bộ đóng trễ

-TOF(OFF-Delay Timer): Bộ ngắt trễ

-TONF(Rete/7f/Ve On-Delay Timer): Bộ đóng trễ có nhớ

3.2.5.2.1 TP

3.2.5.2.2 lệnh TON

3.2.5.2.3 TONR

3.2.5.4 lệnh đếm xuống (counter down)

Thông số:

3.2.5.4 Bộ đếm lên/ xuống (counter up/donw)

Thông số:

3.2.5.5lệnh cộng – trừ

ADD: cộng hai số (IN1 + IN2 = OUT)

SUD: trừ hai số (IN1 – IN2 = OUT)

Thông số:

3.2.5.6Lệnh nhân chia:

MUL: nhân 2 số ( IN1 * IN2 = OUT)

DIV: chia 2 số (IN1 / IN2 = OUT)

Thông số:

3.2.5.8 lệnh tuyệt đối

Thông số:

3.2.5.9 MIN and MAX

+ MIN: so sánh các giá trị của hai tham số IN1 và IN2 và đưa giá trị nhỏ hơn rat ham số OUT

+MAX: so sánh giá trị của hai tham số IN1 và IN2 và đưa giá trị lơn hơn rat ham

3.2.5.10.2 lệnh đảo (INVERT)

Các thông số:

3.2.5.10.3 lệnh SEL

Gán một trong hai giá trị tham số vào cho tham số OUT, tùy thuộc vào giá trị củatham số G

Các thông số:

- Khối hàm chức năng FB là khối logic với các biến In, Out, In/Out,Static và Temp - các biến này được tạo ra trong bảng giao tiếp khối đi kèm – block interface Các biến In, Out, In/Out là các tham số có địa chỉ cụ thể do chương trình gọi cung cấp cho hàm, biến Static là các biến trong chương trình

FB và được lưu lại khi ra khỏi FB, biến temp sẽ mất đi khi ra khỏi khối FB

- Khai báo khối hàm FB bắt buộc phải có khối dữ liệu DB – Data

Block – để chứa các biến In, Out, In/Out, và static Có thể có nhiều khối dữ liệu

DB cho 1 khối hàm chức năng FB để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau với quy trình vận hành giống nhau Những DB đó được gọi là Instance DB Như vậy, khi chương trình gọi FB cần kèm theo Instance DB tương ứng

3.33 khối dữ liệu DB

- khối dữ liệu DB – data block – khác với các hàm chức năng FB,

FC là khối dữ liệu không thể lập trình – không sử dụng được các tập lệnh - thay vào đó, khối dữ liệu DB cung cấp vùng nhớ để lưu giá trị theo yêu cầu người dùng

3.3.4 Các khối chương trình chính OB( Organization Blocks)

- Khối tổ chức khởi động – Start OB

- Khối tổ chức Program Cycle

- khối tổ chức ngắt trì hoãn – Time delay Interrupt

- Khối tổ chức ngắt chu kỳ - Cycle interrupts

- Khối tổ chức ngắt phần cứng – Hardware Interrupts

- Khối tổ chức ngắt lỗi thời gian – Time error interrupts OB

- Khối tổ chức ngắt chuẩn đoán – Diagnostic error interrupts OB

- Khối tổ chức báo lỗi thêm bớt module – pull/plug of modules OB

3.4 Giới thiệu về phần mềm lập trình TIA Portal STEP7 Basic

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một môi trường thân

thiện với người dùng, từ hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điều chỉnh logic cần thiếtđến ứng dụng điều khiển

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp công cụ cho quản lý và cấuhình tất cả các thiết bị trong project, ví dụ như: PLCs vá thiết bị HMI.SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD vàFBD), thích hợp vá hiệu quả trong cải tiến lập trình điều khiển trong ứng dụng.Ngoài ra SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic còn cung cấp bộ công cụ tạo vàcáu hình thiết bị HMI

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trựctuyến vá cung cấp 2 chế độ hiển thị khác nhau: a project-oriented view và atask-oriented set of portals

3.4.1 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển.