Bài tập lớn điều khiển tốc độ động cơ sử dụng bộ đếm xung(HSC), PID và phát xung PWM của s7 1200

Một trong những vấn đề quan trọng trong dây chuyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ động cơ.Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC servo, loại động cơ này gần đâ

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

PH N 1 GI I THI U V PLC S7 1200 ẦN 1 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 1200 ỚI THIỆU VỀ PLC S7 1200 ỆU VỀ PLC S7 1200 Ề PLC S7 1200 6

I Hình dạng bên ngoài 6

II Cấu trúc bên trong 6

1 Giới thiệu chung 6

2 Đấu dây 8

3 Module mở rộng 9

4 Phương pháp lập trình điều khiển 10

5 Các ngôn ngữ lập trình 11

6 Tập lệnh cơ bản của PLC s7-1200 14

7 Các khối chương trình nâng cao 26

Phần 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TIA PORTAL STEP7 BASIC 27

I.Trình tự các bước thiết kế và điều khiển 27

II Giao diện phần mềm SIMATIC TIA PORTAL STEP7 BASIC 28

III Nạp chương trình xuống PLC 28

IV Giao tiếp giữa máy tính và PLC 29

PHẦN 3: GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH 30

I Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ENCODER 30

1 Tổng quan về ENCODER 30

2 Phân loại ENCODER 30

II Bộ đếm xung tốc độ cao (HSC) 31

III B phát xung PWM ộ phát xung PWM 33

IV Lưu đồ thuật toán 33

V Chương trình điều khiển 36

1 Cấu hình phần cứng HSC 36

2 Cấu hình PWM 37

3 Khối điều khiển ổn định tốc độ PID 38

4 Cấu hình phần cứng driver 42

5 Chương trình điều khiển 43

5.1 Input 43

5.2 Memory 43

5.3 Output 44

5.4 Chương trình điều khiển 45

5.5 Giao diện giám sát 50

5.6 Biểu đồ TREND 51

LỜI CÁM ƠN

Sau quá trình học tập và rèn luyện tại khoa … trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội cùng với sự hướng dẫn và đôn đóc tận tình của cô giáo…… nhóm em đã hoàn thành bài tập lớn của bộ môn.

Chúng em xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến cô …….,

người đã động viên đã giúp đỡ chúng em nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng em vượt qua những ngày tháng khó khăn trong sự tìm tòi hiểu biết về lĩnh vực mới để rồi cuối cùng hoàn thành được bài tập lớn ngày hôm nay Một lần nữa xin được gửi lời cảm ơn đến cô, chúc cô luôn mạnh khỏe có được những tháng năm công tác tốt như thầy mong đợi.

Chúng em xin chân thành gửi lời cám ơn đến các thầy cô trong khoa

… đã dìu dắt chúng em cho chúng em kiến thức, cho chúng em kiến thức chuyên nghành và những kinh nghiêm quý báu

cùng với sự nỗ lực của chúng em đã hoàn thành bài tập lớn hôm nay

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trên thế giới sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật

đã kéo theo sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác như ngành sản xuất khác…Những công nghệ mới, tiên tiến lien tục được ra đời để thay thế công nghệ cũ lạc hậu, nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người.

Không thể nằm ngoài quy luật của sự phát triển đó, đất nước ta đang tiến hành công nghiệp hóa, hiện đại hóa phần đấu đến năm 2020 cơ bản trở thành nước công nghiệp phát triển Để điều đó trở thành hiện thực chúng ta phải không ngừng nghiên cứu phát triển, ứng dụng công nghệ mới tiên tiến vào thực tiễn để đẩy nhanh công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Trong đó ngành tự động hóa quá trình sản xuất chiếm ví trí hết sức quan trọng, là mũi nhọn và then chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Một trong những vấn đề quan trọng trong dây chuyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ động cơ.Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC servo, loại động cơ này gần đây được sử dụng rất rộng rãi

do nó có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác.

Chiếm một ví trí khá quan trọng trong ngành tự động hóa đó là kỹ thuật điều khiển logic khả năng lập trình PLC ( Progammable logical controller) Nó đã và đang phát triển mạnh mẽ ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân Không những thay thế cho kỹ thuật điều khiển bằng cơ cấu cam hoặc kỹ thuật role trước kia

mà còn chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác nữa chẳng hạn như chuẩn đoán … Kỹ thuật này điều khiển có hiệu quả với từng máy làm việc độc lập cũng như với những hệ thống máy sản xuất linh hoạt, phức tạp hơn Dùng PLC có nhiều ưu điểm như: nhỏ gọn, hoạt động chính xác, tin cậy và đặc biệt có thể thay đổi chương trình điều khiển một cách dễ dàng.

Trong thời gian làm bài tập lớn với đề tài “ ứng dụng PLC của Siemens điều khiển tốc độ động cơ” do cô Tống Thị Lý hướng dẫn thực hiện Bài tập lớn này đề cập đến hệ thống ứng dụng PLC của

hãng Siemens điều khiển động cơ và cách tính toán lựa chọn tải Qua

sự hướng dẫn của cô chúng em đã chọn tải có: P=750W, U=109V,

I=4,8A, n=3000v/p, f=0-250Hz.

Phần 1: Giới thiệu về s7-1200

I.Hình dạng bên ngoài.

(Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản.

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

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

II Cấu trúc bên trong:

1 GIỚI THIỆU CHUNG

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 cóthể 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

2.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.Module 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.

4.Phương 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:

5.Các ngôn ngữ lập trình.

5.1ngoon 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: sựkết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng cólogic 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:

nối với đường dây này

khiển

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 thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu trình quét

một ngõ ra

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

đóng một hoặc nhiều thiết bị

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:

trạng thái một bit trong bộ nhớ dữ liệu hay vùng ảnh của các đầu vào, ra Côngtắc thường hở (ON - nghĩa là cho dòng điện đi qua) khi bit bẳng 1 còn công tắcthường 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 thườngđóng được 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

Trong LAD, các lệnh này được biểu diễn cũng như các công tắc.

Trong FDB, các lệnh này được biểu diễn bẳng các khối chức năng

Tham số:

ví dụ:

-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.

6.2.1 TP

Thông số:

6.2.2 lệnh TON

6.2.4 TONR

Thông số:

6.3 Lệnh đếm (counter)

6.3.2 lệnh đếm xuống (counter down)

Thông số:

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

ADD: cộng hai số (IN1 + IN2 = OUT)

SUD: trừ hai số (IN1 – IN2 = OUT)

Thông số:

6.6Lệnh nhân chia:

MUL: nhân 2 số ( IN1 * IN2 = OUT)

DIV: chia 2 số (IN1 / IN2 = OUT)

6.7 lệnh NEG (phủ định)

Dung để đảo ngược các kí tự số học ở ngõ vào IN và lưu trữ kết quả ở OUT

Thông số:

6.8 lệnh tuyệt đối

Thông số:

6.9 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 số OUT

Thông số :

6.10 NHóm lệnh toán logic

6.10.1 Hàm AND, OR, XOR

Các thông số:

7 Các khối chương trình nâng cao

7.1 Giới thiệu hàm chức năng FC (Funtion )

- Hàm chắc năng FC là khối logic có các biến In, Out, In/Out do chương trình gọi cung cấp cho hàm, ngoài ra còn có biến Temp sử dụng nội bộ (cục bộ), tuy nhiên không bắt buộc phải sử dụng hết tất cả các biến này

- Hàm FC không có bộ nhớ nội nên dữ liệu mất khi ra khỏi khối, cũng như không có khối dữ liệu Instance DB giống như khối hàm chức năng FB

7.2 Giới thiệu khối hàm chức năng FB (Funtion Block)

- 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, khichương trình gọi FB cần kèm theo Instance DB tương ứng

7.3 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

7.4 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

Phần 2: 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 ứngdụng Ngoài ra SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic còn cung cấp bộ công cụtạo và cáu 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.

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

2 Giao diện phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic.

Phần mềm S……….chạy hệ điều hành Windows,phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC

3 Nạp chương trình xuống PLC.

Để nạp chương trình xuống PLC chúng ta thực hiện các bước sau:

• Thiết lập PLC: Từ giao diện soạn thảo chính chọn Add new device /chọn loại PLC Sau đó chọn Online access để lấy địa chỉ IP để kết nốiPLC với máy tính

• Chọn PLC ở chế độ STOP bằng cách từ menu chính chọn

Online / STOP hoặc click trái chuột lên biểu tượng JS trên thanh công cụ Lúc này trên giao diện xuất hiện hộp thoại thông báo xác nhận việc chọn PLC ở chế STOP, chọn yes

• Từ menu chính chọn Online / download to device hoặc click trái chuột lên biểu tượng JJ từ thanh công cụ để nạp chương trinh xuống PLC

4 Giao tiếp giữ máy tính va PLC.

Do PLC có hỗ trợ sẵn dây cáp nối với máy tính nên ta chỉ cần nối PLC vói máy tính PC qua dây cáp

Phần 3: Giới thiệu về chương trình

1 Tổng quan về encoder

1.1 Khái niệm

Encoder là 1 loại cảm biến vị trí, đưa ra thông tin về góc quay dưới dạng số mà không cần đến bộ ADC Encoder sử dụng để quản lý vị trígóc của 1 đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc là bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

1.2 cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Encoder

1.2.1 Cấu tạo

Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục quay

Một đèn Led làm nguồn phát sáng và 1 mắt thu quang điện được

bố trí thẳng hàng