Điều khiển ổn định tốc độ động cơ ba pha bằng PLC s7 200 và biến tần FR e520

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU VIỆN CNTT - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BARIA VUNGTAU UNIVERSITY C a p Sa in t lACQjJES ĐỒ ÁN TÓT NGHIỆP Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TÓC ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA BẰNG PLC S7 - 200 VÀ BIEN TẦN FR-E520 Họ tên GVHD : ThS Phạm Văn Tâm Họ tên SVTH : Nguyễn Văn Tuấn Dương Bá Minh Mã số sinh viên : 13030469 13030608 Trình độ đào tạo : Đại học quy Ngành đào tạo : Công Nghệ Kỹ Thuật Điện,Điện Tử Chuyên ngành : Điều Khiển Tự Động Hóa Niên khóa : 2013 - 2017 Vũng Tàu, tháng 07 năm 2017 Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH Trong công nghiệp điều khiển tự động ngày nay, máy tính PLC ngày cảng trở thành phận thiếu trình điều khiển hầu hết xí nghiệp tự động hay dùng đến Để hiểu rõ PLC điều khiển PID PLC đồ án chọn lọc thực đề tài “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PLC VÀ BIẾN TẦN” NỘI DUNG Đe tài “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PLC VÀ BIẾN TẦN” kết hợp WinCC PLC đề điều khiển tốc độ động pha không đồng nhằm đạt tốc độ cài đặt từ trước tùy người sử dụng theo hệ số tỉ lệ Kp,Ki,Kd giao điện viết WinCC Sau từ chương trình điều khiển viết PLC tính toán thông số dựa vào thuật toán PID xuất tín hiệu điều khiển biến tần để điều khiển động AC pha, đồng thời update thông số lên WinCC Tổng quan nội dung đề tài: ❖ Tìm hiểu điều khiển PID Wizard ❖ Tìm hiểu thiết kế giao diện điều khiển WinCC ❖ Tìm hiểu cách kết nối điều khiển PLC với WinCC hệ thống khác: động cơ, encoder, ❖ Tìm hiểu INT,HSC, Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYÉT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID ( A Proportional Integral derivative controller) điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động Một điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch tín hiệu ngõ tín hiệu ngõ vào sau đưa tín hiệu điều khiển để điều chỉnh trình cho phù hợp 1.1 Hàm truyền đạt Hình 1: Sơ đồ khối điền khiên PID Hàm truyền khâu PID là: Gc ( s ) - K p ( l + ^ + Td S) Nếu E(t) đầu vào U(t) đầu thì: u(t) = Kp [e (t ) + l J e ( t)d t + Td Hay viết dạng khác: KGc(s) - Kp + + TdS d e(t) Với: Kplà độ lợi khâu tỉ lệ (Proportional gain) K; độ lợi khâu tích phân (Integral gain) Kd độ lợi khâu vi phân ( Derivative gain) Việc hiệu chỉnh thông số Kp,Ki,Kd làm tăng chất lượng điều khiển Ảnh hưởng thông số lên hệ thống sau: Đáp ứng vòng kín K p Ki Kd Tăng thời gian Giảm Giảm Ít thay đổi Vọt lố Tăng Tăng Giảm Thời gian độ Ít thay đổi Tăng Giảm Sai số xác lập Tăng N/A Thay đổi 1.2 Biến đổi điều khiển PID Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục sau: G(s) = K p + K + K d S Có phương pháp để biến đổi Z hàm truyền trên: > Phương pháp Euler thuận (Forward Euler): s = > Phương pháp Euler nghịch(Backward Euler): s = — > Phương pháp hình thang (Tustin): s = z —1 ' Theo phương pháp hình thang ta có biến đổi Z sau: G(z) = Kp + K j T ị z + 1\ U-l/+ Kd d T ) ( y Viết lại G(z) ta có: ( ) K (l\ I ( K tT ( K p + K£ + Y K L) + ( - K d +I tlị —z -1 ^ ^ d \ t -1 I r^d\ ) z + ( t )z -2 Đặt: _ K{T Kd _ KịT 2Kd a - Kp + ~Y~ + — ; di - —Kd + — - — ; _ Kd CL2 — — Ta có: \ _ ữ0+a1z~ 1+a2z~ Từ ta tính tín hiệu điều khiển u(k) tín hiệu vào e(k) sau: U(k)=u(k-1) + a0e(k) + aie(k-l) + a2e(k-2) PHẦN MỀM WINCC 2.1 Giới thiệu WinCC WinCC (Windows Control Center): Là chương trình kết hợp với PLC dùng để giám sát, thu thập liệu điều khiển hệ thống tự động hóa trình sản xuất Phần mềm WinCC Siemens phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) phục vụ việc xử lý lưu trữ liệu hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa WinCC hệ thống trung tâm điều khiển hệ thống, cung cấp tính như: hiển thị hình ảnh, số liệu, lưu trữ liệu,cảnh báo, giao diện thân thiện, dễ sử dụng Dưới dây cách thức tạo dự án mẫu: Đầu tiên mở phần mềm WinCC: Vào Start => Simatic=> WinCC=> Windows Control Hình 3: Giao diện giám sát điều khiển trình công nghệ Center 7.0 Khi hình lên thông báo sau: • Single user project: Tạo dự án với máy chủ • Multi-User Project: Tạo dự án với nhiều máy tính nối mạng • Client Project: Tạo dự án với kiểu kết nối máy chủ máy khách Nhấp chọn Single user project OK Hình 4:Cách tạo project Sau hộp thoại xuất để tạo tên dự án nơi lưu trữ hình: Hinh 5:Tao project m&i Khi cửa sổ soạn thảo giao diện xuất hình: WfnCCI Xịilorcr E BE m cs* w Name ^Computer ] ] ] rag Management |* Structure tag ■|*f Graphic* Designer •_]Alarm logging JJ Tag loggng ^ R ep o rt Designer Global Script SgText Ifctar y CtiUser Admnstrotor f | Cross-Reference A load Online Changes < A Type Computer TagManagemer Structures Editor Editor Editor Editor Editor Editor Editor Editor V Editor >1 External Tags: 16 / license: DEMO NUM Hình 6:Giao diện làm việc tạo project Để kết nối với PLC cần liên kết Driver Chọn phải chuột vào Tag Management chọn Add New Driver Hình 7: Kết nối PLC với máy tính Khi hộp thoại Add New Driver xuất chọn OPC.CHN chọn OK Hình 8: Kết nối PLC với máy tính 2.2 Tạo biến nội Trong WinCC có cách tạo biến Biến nội: vùng nhớ có sẵn WinCC nhằm mô hệ thống giao diện WinCC PLC ảo biến ngoại dùng để kết nối PLC thực tế giao diện WinCC ( phần nói đến phần giới thiệu PC ACCESS phần tiếp theo) Để tạo biến nội mục Internal Tag nhấp phải chuột chọn new tags D1EUKH1EN_PID Computer i Ĩ ag Management 0Ế Ỉ Internal t OPC OPC Typ* Name ^Script Loaded Tag grou Tag grou Text tag Unsignec Mart* Text tan *VegLoggngRt intUier New Group New Tag Hình 9: Tạo biến nội Sau đặt tên cho biến chọn kiểu biến vừa thiết lập với: • • • • • • • Binary tag: Kiểu nhị phân Unsigned 8-bit value: kiểu số nguyên bit không dấu Singed 8-bit value: kiểu số nguyên bit có dấu Unsigned 16-bit value: kiểu số nguyên 16 bit không dấu Singed 16-bit value: kiểu số nguyên 16 bit có dấu Unsigned 32-bit value: kiểu số nguyên 32 bit không dấu Singed 32-bit value: kiểu số nguyên 32 bit có dấu • Floating Point Number 32 bit IEEE 754: kiểu số thực 32bit theo tiêu chuẩn IEEE 754 • Floating Point Number 64 bit IEEE 754: kiểu số thực 64bit theo tiêu chuẩn IEEE 754 • Text tag bit character set: kiểu ký tự bit • Text tag 16 bit character set: kiểu ký tự 16 bit • Raw data type: kiểu liệu thô • Sau biến đuợc tạo thu viện, biến khác thực tuơng tự sau tạo xong liên kết biến với phần giao diện — d ic u k h k n I p id — n j • - C oinput« r«o MarvaopfTient y IIÌÍỆI n ml t >ỌI 2£C ♦ J l ClPC O o u p f (04 SttuciL«« ta g ,• QrapNcs Design« AI—m logging 11 T— Q Lotwnq s5 T ^J®>CurrentUs«r ^ • O e f ta lo a d e d ^ la io c ilM a c tw J ^ j^ C o n n -te d j P aram eters I Typ» ĩ m Q 9TOUP t— Q group Text to g t h b unsigned Text ta g t» Urwgned 16 Unsigned Binary Tag ] L*st c h an g y /1 2/2 00 6 9/1 2/2 00 9 9/1 2/2 00 9 /12/2009 /12/2009 9/1 2/2 00 9 « /12/2009 /13/2009 Hình 10: Biến sau tạo 2.3 Thiết lập giao diện thuộc tính Để thiết lập giao diện điều khiển giao diện WinCC click chuột phải vào Graphic Designer chọn New picture: Sau click chuột phải vào chọn Rename picture để đổi tên cần dùng nhấp đúp vào để bắt đầu thiết kế giao diện điều khiển: - t - DIEIKHIEN.PID Computer ♦ Tag Management f - stn x tư e tag -fr Graphics Designer j Alarm Loggng Name Last Change Type ptd_RJU.pd i iNev -PdiO ■ I Infor 6/H/20099 Ế/IR/Tnnq f> Open picture Rename picture Delete picture JJ Tag Loggng Define screen as start screen Hình 11: Tạo giao diện hoạt động Sau file ảnh tạo với tên mặc định “NewPDLO.Pdl” để đổi tên file ảnh vừa tạo, nhấp chọn file ảnh chuột phải chọn “Rename picture” r W inCCLxplorer C:\DOCUMlN Ĩ5 AND SiniNüSU£M P\DÍSKTOP\DONGCOJ>ID J>LC\WlnCC Fíe Ed* Vie*» Toots Heb & □ ► *1 > m 18 ES* f ' WnCC Demo j t t Compute» * m lag Management Ị- Structure tag ■fr Graphes Designer ' 'I Alarm loogng T j Tag loggng * Type O p en picture Rename picture Delete pKture Dehne screen as start screen Properties Report Designer IQoMSaợt Text Ubrary D User Adrmrst? at or Ctoss^c^ệrcncv A load Onẳne Changes Hình 12: Tạo giao diện hoạt động Khi hình thị hộp thoại “ New Name” Cửa sổ Graphic Designer: Giao diện ban đầu cửa sổ Graphic Designer CHƯ ƠNG III T H IẾ T KẾ VÀ TH I CÔNG N H IỆM VỤ, HƯỚNG GIẢ I QUYẾT CỦA ĐỒ ÁN 1.1 Nhiệm vụ Đề tài “ĐIỀU K H IỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG C Ơ BẰNG PLC VÀ BIẾN TẢN” dùng giao diện viết WinCC để nhập giá trị toán hệ số: Kp,Ki,Kd, Ts,Setpoint, xung Encoder, tốc độ tối đa động sau nhờ PC Access liên kết giá trị với PLC Sau PLC đọc số xung phát từ Encoder nối với động từ tính tốc độ thực tế động sau đưa giá trị vào điều khiển PID tạo PLC để xử lý đưa giá trị analog từ 0-32000 ứng với tốc độ động từ 0-1700 vòng/phút Giá trị analog từ Module EM235 xuất đưa vào ngõ vào analog biến tần để điều khiển tốc độ động 1.2 Giải vấn đề Sau phân tích toán để giải vấn đề cần tìm hiểu về: ❖ Bộ PID PLC ❖ Thiết kế giao diện WinCC ❖ Cách kết nối PLC WinCC, hệ thống khác Encoder, động cơ, biến tần ❖ Tìm hiểu Module EM235 S7200 T H IẾ T KẾ VÀ TH I CÔNG 2.1 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC Dựa vào yêu cầu toán phần hướng dẫn thiết kế giao diện ta thiết kế giao diện sau: 2.2 Tạo biến ngoại Dựa vào lý thuyết nêu phần PC ACCESS ta phải tạo biến hình ADD vào chương trình WinCC 2.3 Sơ đồ kết nối hình ảnh phần cứng Sơ đồ kết nối Hình ảnh phần cứng thực tế đồ án 2.4 Lưu đồ giải thuật 2.5 Công thức tính tốc độ động TE\cãE\ãE\ngcE\ = X u n g E n co d erH ien T a i-X u n g E n o d erT ru o c Đ ĩh p h ầ n g ĩh a iE n c o d e r X60 (RPM) Thời gian lấy mẫu 100ms 2.6 Cài đặt thông số cho biến tần Pr79=1 (Điều khiển tín hiệu biến tần) Pr0= Tính theo Mô men tải Pr1=60 (Tần số lớn nhất) Pr2=0 (Tần số nhỏ nhất) Pr7=5(Thời gian tăng tốc khởi động) Pr8=5 (Thời gian giảm tốc) Pr44=5 (Thời gian tăng tốc lần 2) Pr45=9999 (Thời gian giảm tốc lần tiếp theo”9999= Giá trị cài đặt Pr8”) Pr21=0 (Giá trị Pr7,8 x 1s, Pr21=1 Pr7,8x0,1s Pr46= Tính theo Mô men tải Pr73=1 (0-10V input analog) Pr79=2 (Điều khiển tín hiệu analog ngoài) 2.7 Lập trình cho S7-200 A Chương trình B Chương trình đếm tốc độ cao HSC &} 1HSC \l A - h C Chương trình PID D Chương trình tính vòng quay động 2.7.1 Kết thu Dưới số kết thực tế điều khiển: Kp : 0,25 Thời gian lấy mẫu : 100ms Ki : 0,01152273 Tốc độ tối đa 1740v/p Kd : 0,0 Số xung encoder : : 600ppr Khi kết thu với giá trị đặt : 400 vòng/phút; 800 vòng/phút; 1000 vòng/phút; 1600 vòng/phút; /à W.r»C£ RuntKíte 5*» I D rOMMU J 01162/8 30000006 12 06 ipão.u i: 03/06/2017 1600.00 - 03/06/201? 2 39? 02;0*6/2017 12:21 392 1400.00 - 03/06/2017 12:21411 03/06/2017 03/06/2017 12:21407 I 03/06/2017 03/0^2017 2 03/06/2017 03/06/2017 /0 /2 t 03/06«’2017 600.00 M 5.0C 700.00 - u 03/06/2017 n: I2:2C 30 -M 03/06/2017 Na M «oo 12:21-K»B 03/06/2017 12:21400 1000,00 000.00- 1740.0 2 :4 PM □ « an 2 :CO PM 03/06/701? Mr RPM NM1 400 vòng/phút I 12:214Ừ9 12:21:15 03/06 [7Ti« $p««c 12:21412 12:21406 12-21403 12:21399 12:21 388 12-21 306 5TW 800 vòng/phút 1000 vòng/phút 1600 vòng/phút Nhận xét: Với kết đạt ta thấy điều khiển tốt giá trị thực tế bám sát giá trị cài đặt, tốc độ bé (