ĐỒ ÁN KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN đề tài giám sát và điều khiển tốc độ động cơ bằng PLC S7-200 và giao diện WInCC Đồ Án Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

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 BẰNG PLC S7-200 Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực : TH.S ĐỖ DUY PHÚ Tạ Đình Phong (0941040048) Đỗ Văn Thu (0941040026) Nguyễn Đại Nghĩa (0941040041) Hà Nội BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN STT Họ tên Mã sinh viên Lớp khóa Nguyễn Đại Nghĩa 0941040041 ĐH Điện 1- K9 Tạ Đình Phong 0941040048 ĐH Điện 1- K9 Đỗ Văn Thu 0941040026 ĐH Điện 1- K9 Tên đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động thơng qua PLC S7-200 Mục đích:  Nắm cấu trúc phương pháp lập trình PLC S7-200 sử dụng điều khiển PID đếm tốc độ cao HSC  Thực điều khiển giám sát tốc độ động thông qua giao diện WinCC máy tính u cầu:  Tìm hiểu phương pháp lập trình PLC S7-200  Các phương pháp đo tốc độ động tìm hiểu nguyên lý hoạt động Encoder  Tìm hiểu hệ thống điều khiển, mơ phần mềm WinCC  Tìm hiểu biến tần Shihlin  Thiết kế sơ đồ đấu nối hệ thống  Thi cơng hệ thống mơ hình thực tế  Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC Ngày giao đề tài:04/03/2018 Ngày hoàn thành:26/04/2018 Hà Nội, ngày 26 tháng 04 năm 2018 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Th.s ĐỖ DUY PHÚ TRƯỞNG KHOA Ts PHẠM VĂN MINH Khoa Điện LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kĩ thuật tiên tiến giới ngày thay đổi văn minh,hiện đại 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 q trình cơng nghiệp Xuất phát từ thực tế đó, kiến thức học 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 sâu sắc tới thầy cô khoa Điện ,đặc biệt thầy ĐỖ DUY PHÚ - giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người trực tiếp hướng dẫn,giúp đỡ trình thực đề tài kiến thức bổ ích mà Thầy truyền đạt cho chúng em thời gian học tập trường Trong thời gian thực đề tài chúng em khơng tránh khỏi thiếu sót mong thầy bạn đóng góp thêm để hồn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU  MỤC ĐÍCH : Trong cơng nghiệp nói chung nghành đo lường điều khiển nói riêng vấn đề đo điều khiển tốc độ động vấn đề quan trọng định việc máy chạy có ổn định,đúng u cầu cơng nghệ đặt hay khơng Chính hệ thống điều khiển giám sát tốc độ động ứng dụng nhiều nhà máy xí nghiệp để ổn định tốc độ quay động tuabin,ổn định lượng gió lưu thơng hệ thống thơng thơng khí hay ổn định nhiệt độ trang trại ,giàn nóng hệ thống phơi sấy…Để hiểu rõ đồ án chúng em chọn thực đề tài “XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ”  YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI : Kết hợp WinCC PLC để đo,giám sát điều khiển tốc độ động cơ.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 tốn điều khiển viết PLC tính tốn 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  Tìm hiểu mạng truyền thơng cơng nghiệp  Tìm hiểu PC ACCESS  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 Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.2.1 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 khơng vượt q 350 mm Đo khơng 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 khơng phải lúc ta dán phản quang lên vật cần đo Hình 1:Phương pháp đo không tiếp xúc 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 Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện 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 Hình 1.2: Phương pháp đo 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 khơng 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 Hình 1.3: Phương pháp đo sử dụng tần số chớp Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện  Trong đề tài này, chúng em sử dụng Encoder để tạo xung, sau đếm đếm tốc độ cao HSC PLC, từ tính tốn tốc độ động 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 khơng chiếu xun 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 khơng Khi trục quay, giả sử địa có lỗ , lần mắt thu nhận tín hiệu đèn led, có nghĩa đĩa quay vòng Đây Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện 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 1.4:Cấu tạo Encoder Trong hình có đĩa mask khơng quay, đĩa cố định Thực tế để che khe hẹp ánh sang qua, giúp cho việc đọc encoder xáchơn 1.3 KHÁI QUÁT VỀ PLC S7-200 1.3.1 Thế PLC? PLC viết tắt Programable logic controller, điều khiển logic có khả lập trình cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình 1.3.2 Khái quát PLC S7 200 S7-200 thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu module có module mở rộng Các module đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác Tồn nội dung chương trình lưu nhớ PLC ,trong trường hợp dung lượng nhớ không đủ ta dùng nhớ ngồi để lưu chương trình liệu PLC đặc biệt sử dụng ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuỗi kiện Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện PLC có đầy đủ chức tính tốn vi xử lý.Ngồi PLC tích hợp thêm số hàm chuyên dùng điều khiển PID,dịch chuyển khối liệu ,khối truyền thơng… PLC có ưu điểm:  Có kích thước nhỏ,được thiết kế tăng bền để chịu tác động mạnh ,nhiệt,độ ẩm…  Giá thành thấp ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp  Dễ dàng nhanh chóng thay đổi cấu trúc mạch điều khiển  PLC có chức kiểm tra lỗi,chẩn đốn lỗi  Có thể nhân đơi úng dụng nhanh tốn S7-200 thuộc nhóm PLC loại nhỏ, quản lý số lượng đầu vào/ra tương đối Nó phù hợp với hệ thống nhỏ có số lượng khoảng 148 I/O Thành phần của S7 200 khối vi xử lí CPU hệ thống giao tiếp vào/ra(I/O) Hình 1.5: Các phận S7-200 Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện  Giao diện WinCC trực quan, giám sát điều khiển trực thông số mà ta đặt giao diện mô 3.2 Kết thực nghiệm Dưới số kết thực tế điều khiển hiển thị WinCC: Trường hợp 1: Kc=10(Hệ số khuếch đại) Ts=0.2(thời gian lấy mẫu 200ms) Ti=0.015(Hệ số tích phân) Thành phần vi phân tỉ lệ với độ thay đổi sai số , hay xét mặt tốn học thành phần vi phân phép lấy đạo hàm nên thay đổi gián đoạn gây nên giá trị vơ lớn đầu PID =>Td=0 (Hệ số vi phân) Tốc độ đặt Setpoint: 1100(v/p) =>Khi ta thu kết động hoạt động không ổn định, có biến thiên tốc độ lớn Hình 3.1: Kết thực nghiệm Trường hợp 2: Do Hệ số khuếch đại Kc đặc trưng cho độ nhạy PID , nên Kc cang lớn PID nhạy, nên ta cần giảm hệ số xuống Giảm hệ số Kc= 5(Hệ số khuếch đại) Ts=0.2(thời gian lấy mẫu 200ms) Ti=0.015(Hệ số tích phân) Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội 41 Khoa Điện Td=0(Hệ số vi phân) Tốc độ đặt Setpoint: 1100(v/p) =>Khi ta thu kết động hoạt động khơng ổn định, có biến thiên tốc độ lớn Hình 3.2: Kết thực nghiệm Trường hợp 3: Giảm hệ số Kc=0.7(Hệ số khuếch đại) Ts=0.2 (thời gian lấy mẫu 200ms) Ti=0.015 (Hệ số tích phân) Td=0.0 (Hệ số vi phân) Tốc độ đặt Setpoint: 1100(v/p) Khi ta thu kết động hoạt động hoạt động ổn định, tốc độ động đo thực tế bám sát với tốc độ đặt, sai lệch nhỏ Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội 42 Khoa Điện Hình 3.3: Kết thực nghiệm Trường hợp 4: Hệ thống giám sát, điều khiển không thông qua PID(Chế độ MANUAL) Do không điều chỉnh xử lý tín hiệu tốc độ nên sai số gây lớn Hình 3.4: Kết thực nghiệm Kết Luận: Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 43 Khoa Điện + Khi điều khiển động qua PID, giảm hệ số khuêch đại Kc=0.7, Ti=0.015, Ts=0.2, Td=0.0 động hoạt động ổn định + Phương pháp đo: Sử dụng đếm tốc độ cao HSC PLC S7-200 để đo số xung sau chuyển đổi thành tốc độ đo Tính tốn thơng số thơng qua PID xuất tín hiệu điều khiển biến tần để điều khiển động AC pha, đồng thời update thông số lên WinCC + HMI OPC: 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 +Truyền thông: Sử dụng cổng truyền thông CPU 222( PLC S7-200) Ghép nối PLC S7-200 với PC qua chuyển đổi RS232 cáp nối PC/PPI Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 44 Khoa Điện 3.3 Kết Luận Qua trình thực đề tài ”Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển tốc độ động PLC S7-200”, chúng em đúc kết học sau:  Học cách đọc tài liệu chắt lọc kiến thức để áp dụng vào đề tài chúng em tìm hiểu,  Học cách làm việc nhóm phân chia công việc giúp đặt hiệu cao nhất,  Học tính kiên nhẫn lập trình gặp lỗi tìm cách sửa lỗi để hồn thiện đề tài,  Từ đề tài mơ hình thực tế chúng em áp dụng trực tiếp cho tốn sống q trình làm việc sau trường Tuy nhiên số khó khăn:  Kiến thức hạn chế nên phải đọc tìm hiểu thêm tài liệu bên ngồi để áp dụng vào để tài , để chương trình hoạt động cách ổn định nhất,  Do chưa tiếp xúc với ứng dụng thực tế nên bị khó khăn q trình cài đặt thiết bị hệ thống Sau lần chúng em xin trân thành cảm ơn Ths Đỗ Duy Phú tận tình giúp đỡ chúng em hồn thành đề tài quý thầy cô Khoa Điện dẫn dắt chúng em suốt năm học vừa qua Chúng em xin trân thành cảm ơn! Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 45 Khoa Điện PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo [1] Th.s Châu Chí Đức (10-2008), Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7-200, Nhà xuất thành phố Hồ Chí Minh [2] Th.s Nguyễn Bá Hội(2009), Giáo trình tập lệnh PLC SIEMENS S7-200, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [3] SIMATIC HMI -Làm quen với WinCC( The Windows Control Center), (2008), SIEMENS [4] PGS.TS Hồng Minh Sơn (2008), Mạng Truyền Thơng Công Nghiệp, Khoa Điện- Đại Học Bách Khoa Hà Nội [5] SS2 Series Inverter Quick Start Guide(2015), Công ty TNHH Công Nghiệp Bách Việt [6] Th.s Đỗ Duy Phú- Th.s Nguyễn Thu Hà(12/2015), Giáo Trình Kỹ Thuật Vi Xử Lý Và Vi Điều Khiển, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Chương trình điều khiển PLC 2.1 Bảng định địa 2.2 Chương trình PLC a Chương trình Chạy dừng hệ thống Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội 46 Khoa Điện Khởi tạo đếm HSC Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 47 Khoa Điện Khởi tạo chương trình ngắt thời gian Cảnh báo tốc độ cao, tốc độ thấp Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 48 Khoa Điện Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 49 Khoa Điện Chương trình nhập thơng số cho PID Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 50 Khoa Điện Chế độ điều khiển thông qua PID Đầu vào, biến tần: Chế độ điều khiển không qua PID: Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 51 Khoa Điện b Chương trình Gọi đếm HSC0 Chương trình PID Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội 52 Khoa Điện Chương trình tính tốn tốc độ động Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 53 Khoa Điện MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1.2.1 Các phương pháp đo tốc độ 1.3.2 Đo tốc độ Encoder 1.3 KHÁI QUÁT VỀ PLC S7-200 1.3.1 Thế PLC? .6 1.3.2 Khái quát PLC S7 200 .6 1.3.3 Tìm hiểu CPU 222 1.3.4 Phân chia nhớ 10 1.3.5 Tập Lệnh plc s7 200 11 1.4 MẠNG TRUYỂN THÔNG CÔNG NGHIỆP 11 1.4.1 Cơ sở mạng truyền thông công nghiệp 11 1.4.2 Kiến thức giao thức chung 12 1.4.3 Phân loại mạng truyền thông công nghiệp 12 1.4.4 Phương thức truyền dẫn chuẩn truyền dẫn .12 1.4.5 Các hệ thống mạng công nghiệp tiêu biểu 13 1.5 TÌM HIỂU VỀ WIN CC .14 1.5.1 Giới thiệu WinCC 14 1.5.2 Chức Win CC 14 1.6 TÌM HIỂU VỀ OPC 16 1.6.1 OPC làgì ? 16 1.6.2 Lợi ích OPC 17 1.6.3 Phương thức hoạt động OPC 17 1.7 GIỚI THIỆU VỀ PC ACCESS 18 1.7.1 PC Access gì? 18 1.8 CÁC THIẾT BỊ KHÁC DÙNG TRONG ĐỀTÀI 20 1.8.1 Modun mở rộngEM232 .20 1.7.2 Biến tầnSHIHLIN(SS2) .21 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ 24 2.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 54 Khoa Điện .24 2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 24 2.1.2 Sơ đồ đấu dây 24 2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 25 2.2.1 Lệnh vòng lặp PID .25 2.2.2 Thiết kế điều khiển PID 30 2.3 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 31 2.3.1 Thuật tốn chương trình 31 2.3.2 Thuật tốn chương trình ngắt thời gian 32 2.3.3 Thuật toán khởi tạo biến, .33 2.3.4.Thuật toán đo tốc độ động .34 2.3.5 Thuật toán đầu vào PID 35 2.3.6 Thuật toán đầu PID .36 2.4 THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ CÀI ĐẶT OPC .37 2.4.1 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC 37 2.4.2 Tạo biến ngoại 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38 3.1 Cơ sở lý thuyết 38 3.1.1 Các vấn đề làm 38 3.1.2 Đánh giá thực nghiệm 38 3.2 Kết thực nghiệm .38 3.3 Kết Luận 42 PHỤ LỤC 43 Tài liệu tham khảo 43 Chương trình điều khiển PLC 43 MỤC LỤC .50 Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 55 ... HÀ NỘI PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN STT Họ tên Mã sinh viên Lớp khóa Nguyễn Đại Nghĩa 0941040041 ĐH Điện 1- K9 Tạ Đình Phong 0941040048 ĐH Điện 1- K9 Đỗ Văn Thu 0941040026 ĐH Điện 1- K9 Tên đề tài:... động Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 22 Khoa Điện c Sơ đồ đấu nối hồn chỉnh cho biến tần Hình 23:Hình ảnh chân đấu nối biến tần SS2 Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội 23 Khoa Điện Hình 1.24: Hình ảnh thực tế... 2.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Hình 2.1:Sơ đồ cấu trúc hệ thống 2.1.2 Sơ đồ đấu dây a Mạch điều khiển Hình 2.2: Mạch điều khiển đo giám sát tốc độ động Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 25 Khoa Điện b